CN216196847U - 一种用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，包括木柱与木梁构成的木构架，在木柱和木梁上分别通过木柱连接件和木梁连接件连接有超塑性屈曲约束支撑装置，超塑性屈曲约束支撑装置通过超塑性屈曲约束支撑中心连接支撑连接盘固定在木构架上。该支撑装置可以有效地减小木构架本身的地震响应，支撑连接盘能有效防止支撑装置发生平面外倾覆，对支撑装置的稳定性提供了安全保证。该装置可用于古建筑木构架的修缮加固，能够解决现有木构架加固方式中存在的榫卯节点刚度大、残余变形大、加固效果不明显等问题。

Description

一种用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置

技术领域

本实用新型属于古建筑木结构加固修缮领域，涉及一种支撑装置，具体涉及一种可更换的超塑性屈曲约束支撑装置加固古建筑木构架。

背景技术

中国古代建筑不仅仅是建筑实体，而且还是中国传统文化中的重要一员。几千年来的沧桑变迁中至今留存下来的古建筑，是我国文明历史演变和沉淀的无声见证者。中国古代建筑以木构架结构为主，即采用木柱、木梁构成房屋的框架，其主要包括抬梁式构架、穿斗式构架和井干式构架。木构架作为建筑结构的重要构件，具有重要的传力和受力作用，是支撑整个结构的核心部分。

古建筑木构架在地震作用下通过榫卯节点的摩擦挤压消耗地震能量，使得木构架具有良好的减震耗能能力。但是由于古代木结构构架的建造年限较长，加上木材本身强度较低，榫卯节点容易发生腐朽、松动等损伤，降低了木构架结构的整体承载能力以及抗侧能力。部分学者采用碳纤维布、角钢、扁铁等对梁柱节点进行加固，但是该加固方法限制了节点的转动自由度，增大了木构架节点在地震作用下的响应。部分学者采用钢杆或铁杆支撑沿木构架对角线方向加固，增强了木构架的承载力，但是木构架的位移延性和耗能能力没有得到提升。另外，铁杆外部没有屈曲约束，容易造成铁杆失稳。此外加固过程中在木构架上开槽打孔，对木构架的外观造成一定的破坏。

鉴于此，有必要提出一种新型的加固方法，在不破坏木构架本身的基础上，能有效地提高木构架的抗侧刚度、抗侧承载力、位移延性、耗能能力与整体稳定性，且加固构件可更换，易于震后维修恢复。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型的目的在于，提供一种可更换的超塑性屈曲约束支撑装置，用于加固古建筑木构架。通过在支撑外部设置约束装置，构成屈曲约束支撑，利用支撑内部超塑性合金芯板受拉和受压下均能屈服的特点消耗地震能量，支撑外部约束装置约束芯板受压屈曲，因此屈曲约束支撑滞回性能优良，耗能能力强，整体稳定性好。此外，屈曲约束支撑自身的承载力与刚度的分离，在不增加结构刚度的情况下可以满足结构承载力的要求，有效地减小了木构架的地震响应。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的：

本实用新型给出一种用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，包括木柱与木梁构成的木构架，在木柱和木梁上分别通过木柱连接件和木梁连接件连接有超塑性屈曲约束支撑装置，所述超塑性屈曲约束支撑装置通过超塑性屈曲约束支撑中心连接支撑连接盘固定在木构架上。

作为优选的方案，所述超塑性屈曲约束支撑包括面板、侧面固定板、端部固定板、超塑性合金芯板和端板，一对面板夹持超塑性合金芯板，并通过一对侧板和一对端部固定板将超塑性合金芯板紧固在一对面板内部。

作为优选的方案，所述超塑性合金芯板为带有中间段开孔的直柄钳结构，超塑性合金芯板的两端部为凹形卡槽，端板通过高强螺栓连接在凹形卡槽中。

作为优选的方案，所述端部固定板为中部带有条形孔的矩形板，矩形板上设有螺丝孔。

作为优选的方案，所述面板内侧面上设有超塑性合金芯板卡槽，连接有端板的超塑性合金芯板卡在卡槽中，且端板穿入端部固定板，并通过螺丝将一对面板、端部固定板与超塑性合金芯板连接在一起。

作为优选的方案，一对侧面固定板通过螺丝连接在夹持有超塑性合金芯板的面板两侧。

作为优选的方案，所述支撑连接盘由两个相同大圆盘之间连接一个小圆盘构成，大圆盘与小圆盘圆心共轴连接。

作为优选的方案，所述超塑性屈曲约束支撑的端板伸入支撑连接盘中，通过高强螺栓固定连接。

作为优选的方案，木梁和木柱连接件包括分别连接木梁和木柱的矩形连接板和弧形连接板，以及连接超塑性屈曲约束支撑的扇形连接板。

与现有技术相比，本实用新型支撑装置的搭设安装对古建筑原貌造成的二次破坏较小，同时在地震作用下，塑性变形能够集中在超塑性合金芯板开孔处，可以有效地减小木构架本身的地震响应，支撑连接盘可以保证屈曲约束支撑装置的四肢变形协调，同时能有效防止支撑装置发生平面外倾覆，对支撑装置的稳定性提供了安全保证。该装置施工方便，加固效果显著，装置各部分构件可更换，易于震后维修恢复，具有良好的社会及经济效益。

本实用新型所提供的一种加固古建筑木构架的超塑性屈曲约束支撑装置，具有以下优点：

1.超塑性屈曲约束支撑装置中采用的木梁连接件和木柱连接件，安装简单，无需在木构架上开孔，不会造成二次破坏，符合“不改变文物原状”的加固要求。

2.木梁连接件和木柱连接件对木构架的榫卯节点起到一定的加固效果，并且不会约束节点的活动自由度。

3.相比于普通钢材、铝材等材料，超塑性合金具有加工易成型、变形性能优良、变形后内部无残余应力以及大延伸率等特点，即使经过多次塑性变形过程，也不会产生机械性能的退化。此外，超塑性合金的性能受外界温度变化的影响较小，因此超塑性合金非常适合用作屈曲约束支撑的核心芯板材料。

4.相比于传统的加固方式，普通支撑在低周反复荷载作用下滞回性能较差，屈曲约束支撑能全面提高古建筑木构架在地震作用下的滞回性能和受力性能，其耗能效果显著，承载力提升明显。

5.核心芯板单元纵向开孔率在30％-55％，开孔数在5-9个时，支撑可获得更好的受力性能和滞回性能，耗能能力进一步增强。地震作用下，塑性变形主要集中在超塑性合金芯板开孔处，有效地减小了结构本身的地震响应，对木构架起到保护作用，同时易于震后维修恢复。

6.支撑连接盘保证屈曲约束支撑装置的四肢变形协调，能够有效地发挥出超塑性屈曲约束支撑的优良性能，同时能有效防止支撑装置发生平面外失稳。

7.该装置施工方便，装置的各部分构件通过高强螺栓连接，实现了可更换效果，同时保证了连接强度，加固效果显著，具有良好的社会及经济效益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：

图1是本实用新型的实施例的装置搭设图；

图2是本实用新型的实施例的木梁连接件的结构示意图；

图3是本实用新型的实施例的木柱连接件的结构示意图；

图4是本实用新型的实施例的超塑性屈曲约束支撑的结构示意图；

图5是本实用新型的实施例的超塑性合金芯板的结构示意图；

图6是本实用新型的实施例的支撑连接盘的结构示意图。

图中的附图标记分别表示：1-木柱，2-木梁，3-木梁连接件，4-木柱连接件，5-超塑性屈曲约束支撑，6-支撑连接盘，3-1-矩形连接板，3-2-扇形连接板Ⅰ，4-1-弧形连接板，4-2-扇形连接板Ⅱ，5-1-面板，5-2-超塑性合金芯板，5-3-端板，5-4-侧面固定板，5-5-端部固定板，5-6-螺丝，5-7-高强螺栓，5-8-芯板开孔，6-1-大圆盘，6-2-小圆盘。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

图1示出了本实用新型的实施例的装置搭设图。本实用新型采用超塑性屈曲约束支撑装置加固古建筑木构架，其结构包括木柱1与木梁2构成的木构架，木柱1与木梁2通过榫卯节点连接，在木柱1和木梁2上分别通过木柱连接件4和木梁连接件3连接有超塑性屈曲约束支撑装置，木柱连接件4和木梁连接件3分别固定在木柱1、木梁2端部，超塑性屈曲约束支撑装置通过超塑性屈曲约束支撑5中心连接支撑连接盘6固定在木构架上。

图2示出了本实用新型的实施例的木梁连接件的结构示意图，包括矩形连接板3-1和扇形连接板Ⅰ3-2。

图3示出了本实用新型的实施例的木柱连接件的结构示意图，包括弧形连接板4-1和扇形连接板Ⅱ4-2。

如图2、3所示，木柱连接件和木梁连接件为“U型管卡”的构造形式，木梁连接件3包括两块矩形连接板3-1和一块扇形连接板Ⅰ3-2，矩形连接板3-1两侧对应钻设四个螺栓孔；木柱连接件4包括两块弧形连接板4-1和一块扇形连接板Ⅱ4-2，弧形连接板4-1两侧对应钻设四个螺栓孔；木梁2和木柱1通过扇形连接板Ⅰ3-2和扇形连接板Ⅱ4-2连接超塑性屈曲约束支撑5。木梁连接件3的矩形连接板3-1通过高强螺栓5-7对接固定在木梁2上，扇形连接板Ⅰ3-2焊接在矩形连接板3-1的一侧；木柱连接件4的弧形连接板4-1通过高强螺栓5-7对接固定在木柱1上，扇形连接板Ⅱ4-2焊接在弧形连接板4-1的一侧。木梁连接件3和木柱连接件4分别固定安装在木梁2和木柱1端部位置。

其中，在一个实施例中，木柱1截面为圆形，半径150mm-200mm，木梁2截面为矩形，截面尺寸300mm×400mm。其中，扇形连接板I 3-2沿矩形连接板3-1的中轴线方向焊接在任意一个矩形连接板3-1上，扇形连接板I 3-2的半径300mm-350mm，凹槽尺寸20mm-25mm，其尺寸略大于超塑性屈曲约束支撑5的端板5-3的厚度尺寸，扇形连接板Ⅱ4-2的安装方法及尺寸与扇形连接板I 3-2一致。

图4示出了本实用新型的实施例的超塑性屈曲约束支撑的结构示意图，超塑性屈曲约束支撑5包括面板5-1、端板5-3、侧面固定板5-4、端部固定板5-5、超塑性合金芯板5-2。超塑性合金芯板5-2、端板5-3、胶合木加工制成的木制面板5-1、侧面固定板5-4和端部固定板5-5，通过高强螺栓5-7和螺丝5-6进行连接。其中，面板5-1为上下两个长条形的约束板，其中约束板内部开槽，开槽尺寸略大于超塑性合金芯板5-2的尺寸，侧面固定板5-4和端部固定板5-5采用螺丝5-6与木制面板5-1固定。

具体的，一对面板5-1夹持超塑性合金芯板5-2，并通过一对侧面固定板5-4和一对端部固定板5-5将超塑性合金芯板5-2紧固在一对面板5-1内部。如图5所示，超塑性合金芯板5-2为带有中间段芯板开孔5-8的直柄钳结构，超塑性合金芯板5-2的两端部为凹形卡槽，端板5-3通过高强螺栓5-7连接在凹形卡槽中，凹槽尺寸略大于端板5-3的厚度，保证屈曲约束支撑能够有效发挥作用。端板5-3采用螺栓连接的方式固定在超塑性合金芯板5-2端部凹形卡槽中，其厚度和宽度与超塑性合金芯板5-2端部的凹形卡槽尺寸一致，其长度根据实际木构架的尺寸确定。

端部固定板5-5为中部带有条形孔的矩形板，矩形板上设有螺丝孔。

面板5-1内侧面上设有超塑性合金芯板5-2卡槽，连接有端板5-3的超塑性合金芯板5-2卡在卡槽中，且端板5-3穿入端部固定板5-5，并通过螺丝5-6将一对面板5-1、端部固定板5-5与超塑性合金芯板5-2连接在一起。

一对侧面固定板5-4通过螺丝5-6连接在夹持有超塑性合金芯板5-2的面板5-1两侧。螺丝可以采用自攻螺丝。

其中，在一个实施例中，面板5-1长1400mm-1500mm，宽350mm-450mm，总高度140mm-200mm。超塑性合金芯板5-2采用超塑性合金材料，中间段为“一字型”，厚度16mm-25mm，宽度80mm-100mm，长度1000mm-1100mm，为保证塑性变形主要集中在芯板中间开孔段，中间段芯板的两端采取145°-150°的斜角过渡，斜边长度110mm-130mm，中间段芯板开孔5-8的数量5-7个，直径为芯板单元5-2中间段宽度的1/3-1/2，芯板开孔5-8的间距可根据开孔直径和数量确定。芯板端部凹形卡槽的上下板厚8mm-15mm，凹槽高度17mm-25mm，凹槽深度80mm-100mm，凹形卡槽总宽度250mm-300mm，凹形卡槽总长度120mm-140mm。端板5-3采用Q235矩形钢板，其厚度和宽度与超塑性合金芯板5-2端部凹形卡槽的高度和宽度保持一致。

图6示出了本实用新型的实施例的支撑连接盘的结构示意图，包括大圆盘6-1与小圆盘6-2，支撑连接盘6由两个相同大圆盘6-1之间连接一个小圆盘6-2构成，大圆盘6-1与小圆盘6-2圆心共轴连接。

具体的，支撑连接盘6由上、中、下三部分圆盘形构件组成，其中，上下两个相同的大圆盘6-1与中间的小圆盘6-2焊接连接，圆盘为Q235钢板，圆盘之间间隙宽度略大于屈曲约束支撑端板的厚度，端板5-3伸入支撑连接盘6中，并通过高强螺栓5-7连接固定，高强螺栓可以采用M10高强螺栓。

其中，在一个实施例中，支撑连接盘6的大圆盘6-1与小圆盘6-2通过焊接方式连接，大圆盘6-1直径600mm-700mm，厚度30mm-35mm，小圆盘6-2直径200mm-300mm，厚度20mm-25mm。

本实用新型所涉及的超塑性屈曲约束支撑装置的搭设，具体包括如下步骤：

步骤1：利用高强螺栓5-7将木柱连接件4和木梁连接件3分别固定安装在距离木柱1两端以及木梁2底端300mm-400mm的位置。

在一个实施例中，木柱1的截面半径150mm，木梁2的截面尺寸250mm×350mm，扇形连接板I 3-2和扇形连接板Ⅱ 4-2的半径300mm，凹槽尺寸22mm，木柱连接件4和木梁连接件3分别固定安装在距离木柱1两端以及木梁2底端400mm的位置，保证木柱连接件4和木梁连接件3不会限制榫卯节点的活动自由度。

步骤2：将端板5-3通过高强螺栓连接在超塑性合金芯板5-2端部的凹形卡槽中，端板5-3的长度可根据实际木构架尺寸调节设计。

在一个实施例中，超塑性合金芯板5-2采用ZnAl22超塑性合金，中间段厚度20mm，宽度100mm，长度1000mm，中间段的两端采取150°的斜角过渡，斜边长度120mm，中间段芯板开孔5-8的数量5个，芯板开孔5-8的直径30mm，芯板开孔5-8的间距140mm。芯板端部凹形卡槽的上下板厚8mm，凹槽高度20mm，凹槽深度80mm，凹形卡槽总宽度250mm，凹形卡槽总长度120mm，端板5-3采用Q235矩形钢板，厚度20mm，宽度250mm，长度300mm。

步骤3：将利用高强螺栓5-7连接的超塑性合金芯板5-2放置在面板5-1的凹槽中，面板5-1的凹槽尺寸略大于超塑性合金芯板5-2的尺寸，侧面固定板5-4以及端部固定板5-5的尺寸与面板5-1的外侧尺寸一致，采用螺丝5-6将面板5-1、侧面固定板5-4以及端部固定板5-5固定，螺丝5-6距离侧面固定板5-4以及端部固定板5-5外边缘25mm-30mm。搭设脚手架，所述脚手架为实际工程上常用的搭设方式，不作为对本实用新型限制的依据，将超塑性屈曲约束支撑5调整至合适位置，利用高强螺栓5-7将超塑性屈曲约束支撑5与木柱1、木梁2端部的木柱连接件4和木梁连接件3固定连接。

在一个实施例中，面板5-1长1400mm，宽350mm，总高度200mm，螺丝5-6距离侧面固定板5-4以及端部固定板5-5外边缘30mm。

步骤4：采用焊接方式将大圆盘6-1与小圆盘6-2连接，将超塑性屈曲约束支撑5的端板5-3伸入支撑连接盘6中，利用高强螺栓5-7将超塑性屈曲约束支撑5与支撑连接盘6固定连接，最后移除脚手架，对外露部位喷防锈漆处理。

在一个实施例中，支撑连接盘6的大圆盘6-1与小圆盘6-2的圆心在同一直线上，大圆盘6-1与小圆盘6-2均为Q235圆形钢板，大圆盘6-1的直径600mm，厚度30mm，小圆盘6-2的直径200mm，厚度22mm。

与现有技术相比，本实用新型采用超塑性合金作为屈曲约束支撑的核心芯板用以加固古建筑木构架，采用超塑性屈曲约束支撑装置，解决了现有加固方式中耗能能力有限、延性较差和容易失稳等问题，能够显著地提高古建筑木构架的抗侧刚度、承载力和延性，从而达到古建筑保护的目的。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的具体实施方式，但本实用新型专利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专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，其特征在于，包括木柱(1)与木梁(2)构成的木构架，在木柱(1)和木梁(2)上分别通过连接件连接有超塑性屈曲约束支撑装置，所述超塑性屈曲约束支撑装置通过超塑性屈曲约束支撑(5)中心连接支撑连接盘(6)固定在木构架上。

2.根据权利要求1所述的用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，其特征在于，所述超塑性屈曲约束支撑(5)包括面板(5-1)、侧面固定板(5-4)、端部固定板(5-5)、超塑性合金芯板(5-2)和端板(5-3)，一对面板(5-1)夹持超塑性合金芯板(5-2)，并通过一对侧面固定板(5-4)和一对端部固定板(5-5)将超塑性合金芯板(5-2)紧固在一对面板(5-1)内部。

3.根据权利要求2所述的用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，其特征在于，所述超塑性合金芯板(5-2)为带有中间段芯板开孔(5-8)的直柄钳结构，超塑性合金芯板(5-2)的两端部为凹形卡槽，端板(5-3)通过M10高强螺栓(5-7)连接在凹形卡槽中。

4.根据权利要求2所述的用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，其特征在于，所述端部固定板(5-5)为中部带有条形孔的矩形板，矩形板上设有螺丝孔。

5.根据权利要求2所述的用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，其特征在于，所述面板(5-1)内侧面上设有超塑性合金芯板(5-2)卡槽，连接有端板(5-3)的超塑性合金芯板(5-2)卡在卡槽中，且端板(5-3)穿入端部固定板(5-5)，并通过螺丝(5-6)将一对面板(5-1)、端部固定板(5-5)与超塑性合金芯板(5-2)连接在一起。

6.根据权利要求2所述的用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，其特征在于，一对侧面固定板(5-4)通过螺丝(5-6)连接在夹持有超塑性合金芯板(5-2)的面板(5-1)两侧。

7.根据权利要求1所述的用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，其特征在于，所述支撑连接盘(6)由两个相同大圆盘(6-1)之间连接一个小圆盘(6-2)构成，大圆盘(6-1)与小圆盘(6-2)圆心共轴连接。

8.根据权利要求7所述的用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，其特征在于，所述超塑性屈曲约束支撑(5)的端板(5-3)伸入支撑连接盘(6)中，通过高强螺栓(5-7)固定连接。

9.根据权利要求1所述的用于古建筑木构架的可更换超塑性屈曲约束支撑装置，其特征在于，木梁和木柱连接件包括分别连接木梁和木柱的矩形连接板(3-1)和弧形连接板(4-1)，以及连接超塑性屈曲约束支撑(5)的扇形连接板Ⅰ(3-2)和扇形连接板Ⅱ(4-2)。

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