CN210105375U - 一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，包括由方形的斗、升、栱、翘、昂组成的斗栱，斗栱的上部连接梁，斗拱的下部设斗拱底部，斗拱底部设有斗栱加固装置，斗栱加固装置通过分别穿入斗栱底部洞口和普拍枋上表面的凹槽内的合金榫连接斗拱和普拍枋。该斗栱体系能够正常进行摩擦和变形耗能，同时利用铸造合金榫的超塑性形变进行耗能，增强斗栱体系的承载能力和减震性能。具有安装方便、使用灵活、耐久性强、加固隐蔽、易自复位、耗散能量大的优点。

Description

一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置

技术领域

本实用新型涉及一种以超塑性形变耗能为主、以摩擦耗能为辅助的斗栱耗能加固装置，属于古建筑木结构、现代木结构钢结构等建造加固修缮领域。适用于采用斗栱构件的中国古典建筑。

背景技术

我国古建筑结构历史悠久，从古代皇宫建筑，庙宇殿堂，到居民住宅，大量采用古建筑木结构形式；同时分布地域广泛，几乎遍及全国，很多木结构建筑经过了数百年甚至上千年的历史，是中华文明的重要组成部分，包含丰富的历史文化内涵。我国有很多历经了几百年甚至上千年的古建筑，这些古建筑由于建造年代比较久远，同时由于木材本身特点，很多结构亟待维修及加固。

在殿堂建筑中，通常在柱头上放置铺作(宋代叫法，清代称其为斗栱)，称为柱头铺作。斗栱，是中国建筑上特有的构件，是由方形的斗、升、栱、翘、昂组成。是较大建筑物的柱与屋顶间之过渡部份。是古建筑木结构重要的抗震构件。其功用在于通过斗栱体系的挤压变形和摩擦滑移，耗散地震作用传递给建筑结构的能量，起到减震作用。一般上，非常重要或带纪念性的建筑物，才有斗栱的安置。

古建筑木结构主要通过铺作(即斗栱)层及梁柱榫卯节点间的挤压变形进行能量的消耗。由于木材有变形后难以恢复的缺点，所以古建筑木结构的抗震性能会随着时间及地震次数的增加而降低，严重影响建筑的使用寿命。

通过研究地震过程中斗栱体系的破坏形式，观察到斗栱与普拍枋交汇处的木榫出现断裂，古建筑木结构倒塌后普拍枋端部开卯口处产生很大豁口，斗和栱基本完好无损，主要破坏集中在斗底的暗梢上，主要发生略有歪闪或者挤压变形，由于普拍枋及栌斗的滑移产生的挤压力，栌斗底部的木榫产生了挤压塑性变形，个别栌斗底部的木榫的纵向纤维被剪断，造成了斗栱体系的破环，进而导致了木结构的倒塌。暗梢是斗栱的关键减震部件。但是，由于木材的物理力学缺陷，其耗能能力有限，仅依靠尺寸有限的木暗梢来抵抗地震是非常局限的。

对于古代木结构建筑，为了保护其蕴含的历史、文物、艺术和科学价值，维修加固时不能大量的替换新材,且加固时应采用隐蔽式的加固方式，不影响古建筑原有的外观。对于采用斗栱构件的中国古典建筑而言，其薄弱位置为斗栱底部的木榫，一般通过替换木榫材料就可以有效提高斗栱体系的承载能力和减震能力，进而提高木结构的承载和抗震能力。由于木榫的位置本身具有隐蔽性，所以通过替换木榫材料的加固方法同样具有隐蔽性，不影响建筑原有的外观。

斗栱通过替换木榫加固斗栱体系一般可选用的材料是金属材料。可选用的金属材料主要包括，高强钢材等高强度材料或超弹合金等超弹性材料。采用高强钢材等高强度材料虽然可以利用其塑性变形极大的消耗地震产生的能量，但是经试验后发现其易在主震过程中产生较大的残余变形甚至发生断裂破坏，致使斗栱体系不能正常工作。采用超弹合金同样可以利用其塑性变形耗散地震能量，且由于其具有超弹性，在地震作用下不易发生断裂，在多次地震中可以保证斗栱体系正常工作，但是在斗栱一次摆动循环下，耗散的能量比相应状态下高强钢材少很多。

斗栱底部的木榫如何改良成为了保证斗栱体系正常工作和提高古建筑木结构抗震能力的关键。

与此同时，也需要对斗栱底部和普拍枋的开口处进行特殊处理，防止在合金榫正常工作过程中，合金榫与斗栱底部和普拍枋的开口处发生挤压变形，斗栱和普拍枋开口处形成豁口，致使合金榫滑出，斗栱体系破坏。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在克服现有技术存在的上述问题，提供一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，并对斗栱和普拍枋开口处进行特殊处理，增强斗栱体系的整体性，保证斗栱体系能够正常进行摩擦和变形耗能，同时利用铸造合金榫的超塑性形变进行耗能，增强斗栱体系的承载能力和减震性能。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

根据本实用新型提供的一个实施例，本实用新型提供了一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，包括由方形的斗、升、栱、翘、昂组成的斗栱，斗栱上方连接梁，斗栱下方设有斗拱底部，斗拱底部设有斗栱加固装置，斗栱加固装置通过分别穿入斗栱底部洞口和普拍枋上表面的凹槽内的合金榫连接斗拱和普拍枋。

对于上述技术方案，本实用新型还有进一步优选的方案。

作为优选，所述斗拱底部为底部锥形的方形柱，在方形柱顶部包括两对立柱，两对立柱之间设条形通槽，立柱间设有连筋，在条形通槽中部下方的斗拱底部中开有斗栱底部洞口。

作为优选，所述斗栱加固装置包括橡胶长条、合金榫和橡胶垫片，其中，橡胶长条为内部开有盲孔的四棱柱，橡胶垫片为带有中部开槽、底面凸起的方形薄片；合金榫一端插入橡胶长条的洞口底部，然后一并插入斗栱底部洞口底部，合金榫另一端嵌入橡胶垫片底面凸起的凹槽内，橡胶垫片底面凸起部分嵌入普拍枋表面凹槽中。

作为优选，所述橡胶长条的外部尺寸较斗拱底部洞口稍大。

作为优选，所述橡胶垫片的底面凸起部分尺寸较普拍枋表面凹槽稍大。

作为优选，所述合金榫为两端直径大于中部直径的长棒，两端部尺寸比橡胶长条内部洞口尺寸以及橡胶垫片中部凹槽的尺寸略大。

作为优选，所述合金榫两端部外表面为磨砂面。

作为优选，所述合金榫施加有3％的预拉伸应变。

作为优选，所述合金榫内芯为高强钢材，外壳为添加抗腐蚀材料的超弹合金。

本实用新型提供一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，解决了现有斗栱体系中存在的受地震作用木榫易断裂，以及斗栱底部洞口、普拍枋洞口易产生豁口，木榫易滑出，导致斗栱体系丧失承载能力和耗能作用的问题。

本实用新型采用内芯材料为高强度合金钢、外层材料为添加有耐腐蚀材料的超弹合金铸造合金榫替换掉原有体系中的木榫，材料强度较木材大的多，在地震过程中即使发生大变形也不易被剪坏。内芯采用高强度合金钢，在斗栱摇摆过程中，可发生塑性形变，极大的消耗地震能量，在外壳的配合下，不易断裂，耗散的能量较木榫大的多。外层采用耐腐蚀超弹合金，较木材而言，具有超弹性，在常温下，具有极高的塑性，即使发生大变形也不会发生断裂，在高温下，会自行恢复原状，即形状记忆作用。在斗栱摇摆过程中，即使内芯已经发生断裂，由于外层包裹着塑性韧性极好的外壳，合金榫仍具有很好的整体性，不会发生断裂，保证斗栱体系不被破坏，不至于散架，便于斗栱本身摩擦耗能和变形耗能，在此过程中加固装置同样发生形变，耗散一部分地震能量。在耗能过程中，随着塑性变形的不断发生，构件的温度趋于升高，易激发合金榫外壳的超弹性，起到一定的自复位作用。另外，由于外层加入了抗腐蚀材料，所以耐腐蚀性较木材好的多，不易因雨水侵蚀而发生损坏，且不发生吸水膨胀影响正常使用。经过试验，对合金榫施加3％的预拉伸应变，极大的增强了外壳的塑性韧性和整个合金榫变形耗能的能力。两端部采用磨砂面，在斗栱摇摆过程中，合金榫将在洞口内发生滑动，进行摩擦耗能，且对合金榫的位置起到了一定的固定作用。

本实用新型采用配套的橡胶长条和橡胶垫片，较原有结构(不加垫条和垫片)而言，可保护斗栱底部洞口和普拍枋洞口不被破坏。在斗栱体系摇摆过程中，合金榫与斗栱底部洞口、普拍枋洞口不发生直接挤压，而使用橡胶作为缓冲材料，既避免了洞口受挤压变形而产生豁口，致使合金榫滑出，斗栱体系破坏，同时又保护了合金榫，防止合金榫被剪断。将合金榫一端插入橡胶垫片的凹槽中，形成了类似于球铰的结构，合金榫不易滑出，容易保证体系的完整性。

另外，因为替换和增添的构件位于隐蔽位置处，不影响古建筑原有的外观，满足了保护其历史、艺术等价值的要求。

本实用新型主要用与古建筑木结构的加固及修缮。本实用新型在承受大变形时不易损坏，经过简单的调试后即可继续工作。所用构件可以通过简单方法进行替换，安装方便，使用灵活。相较于原有结构，有着耐久性强，加固隐蔽，易自复位，耗散能量大的优点。

附图说明

图1为斗栱加固装置布置图；

图2为斗栱加固装置安装示意图；

图3(a)-图3(d)为斗栱底部三视图和三维图；

图4为橡胶长条示意图；

图5为合金榫示意图。

图中：1、斗栱；2、普拍枋；3、梁；4、斗栱加固装置(包括橡胶长条、合金榫和橡胶垫片)；5、斗栱底部；6、橡胶长条；7、合金榫；8、橡胶垫片；5-1、立柱；5-2、条形通槽；5-3、连筋；5-4、斗栱底部洞口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1和图2所示，一种采用超塑性合金的隐蔽式自复位斗栱耗能加固装置，包括由方形的斗、升、栱、翘、昂组成的斗栱1，斗栱1的上部连接梁3，斗拱1的下方设斗拱底部5，斗拱底部5设有斗栱加固装置4，斗栱加固装置4通过分别穿入斗栱底部洞口5-4和普拍枋2上表面的凹槽内的合金榫7连接斗拱1和普拍枋2。

图3(a)-(d)分别为斗栱底部三视图和三维图，斗拱底部5为底部锥形的方形柱，在方形柱顶部包括两对立柱5-1，两对立柱5-1之间设条形通槽5-2，立柱5-1间设有连筋5-3，在条形通槽5-2中部下方的斗拱底部中开有斗栱底部洞口5-4。

斗栱加固装置4包括橡胶长条6、合金榫7和橡胶垫片8。其中，橡胶长条6的结构如图4所示，外形为四棱柱状，内部开圆柱形洞，一端开放，一端闭合，粗细程度较斗栱1底部洞口宽度略大。橡胶垫片8的结构为一个中心开槽、底面凸起的方形的薄片，底面凸起部分尺寸较普拍枋2表面凹槽稍大。合金榫7的结构如图5所示，为两端粗大，中部稍细，两端部尺寸比橡胶长条6内部洞口尺寸以及橡胶垫片8凹槽的尺寸略大的长棒。内芯为高强钢材，外壳为添加抗腐蚀材料的超弹合金，整体沿长度方向施加了3％的预应变；合金榫两端部外表面为磨砂面。

橡胶长条6闭口一端插入斗栱底部洞口5-4至洞口底部，合金榫7一端插入橡胶长条6的洞口至底部，另一端嵌入橡胶垫片8的凹槽内，橡胶垫片8底面凸起部分嵌入普拍枋2表面凹槽中。

本实用新型构件的具体实施方式为：

(1)首先橡胶长条6闭口一端插入斗栱底部洞口5-4至洞口底部，使橡胶长条6嵌在斗栱底部洞口5-4内；

(2)橡胶垫片8凸起部分嵌入普拍枋2上表面的凹槽内，不至于滑出；

(3)合金榫7一端插入橡胶长条6的斗栱底部洞口5-4至底部；合金榫7另一端嵌入橡胶垫片8的凹槽内，形成球铰。

如图1、图2所示，本装置将斗栱与普拍枋联系成为一个结构体系，斗栱可发生摆动以耗散能量。本实用新型装置中的橡胶长条、橡胶垫片、合金榫属于可替换构件，相对于不同体量的古建筑可以替换不同强度、塑性及尺寸的铸造合金榫；当结构承受大震后也可以将整个构件进行替换。本实用新型所采用的合金榫、橡胶垫片和橡胶长条可在加工厂进行预制，并且可以采用不同的材料进行加工。

应当指出，以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，在不脱离本实用新型原理的前提下可轻易想到的改进、润饰、变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。本实施例中未明确的各组成部分均可利用现有技术手段加以实现。

Claims (8)

1.一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，其特征在于，包括由方形的斗、升、栱、翘、昂组成的斗栱，斗栱上方连接梁，斗栱下方设有斗拱底部，斗拱底部设有斗栱加固装置，斗栱加固装置通过分别穿入斗栱底部洞口和普拍枋上表面的凹槽内的合金榫连接斗拱和普拍枋。

2.根据权利要求1所述的一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，其特征在于，所述斗拱底部为底部锥形的方形柱，在方形柱顶部包括两对立柱，两对立柱之间设条形通槽，立柱间设有连筋，在条形通槽中部下方的斗拱底部中开有斗栱底部洞口。

3.根据权利要求1所述的一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，其特征在于，所述斗栱加固装置包括橡胶长条、合金榫和橡胶垫片，其中，橡胶长条为内部开有盲孔的四棱柱，橡胶垫片为带有中部开槽方形薄片；合金榫一端插入橡胶长条的洞口底部，然后一并插入斗栱底部洞口底部，合金榫另一端嵌入橡胶垫片底面凸起的凹槽内，橡胶垫片底面凸起部分嵌入普拍枋表面凹槽中。

4.根据权利要求3所述的一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，其特征在于，所述橡胶长条的外部尺寸较斗拱底部洞口稍大。

5.根据权利要求3所述的一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，其特征在于，所述橡胶垫片的底面凸起部分尺寸较普拍枋表面凹槽稍大。

6.根据权利要求1所述的一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，其特征在于，所述合金榫为两端直径大于中部直径的长棒，两端部尺寸比橡胶长条内部洞口尺寸以及橡胶垫片中部凹槽的尺寸略大。

7.根据权利要求6所述的一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，其特征在于，所述合金榫两端部外表面为磨砂面。

8.根据权利要求6所述的一种采用超塑性合金的隐蔽式斗栱耗能加固装置，其特征在于，所述合金榫内芯为高强钢材，外壳为添加抗腐蚀材料的超弹合金。

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