CN217630429U - 一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置，属于抗震技术领域，包括两个外套管、弹簧、弹簧挡板和柔性铰链杆，两个外套管相对设置，弹簧设置在外套管的内部，并一端与外套管的内侧连接。本实用新型具有稳定、可靠、高效、安全、成本低，使用寿命长的特点，且不受建筑结构楼层限制的特点，对传统的抗震框架结构进行了改进，使其具备良好的抗震性能，对环境的适应性更强，另外将基于双稳态杆件系统的耗能斜撑应用于钢框架结构体系，实现了对建筑结构的抗震加固，并辅助位移传感器对所提供的信息进行精确控制，从而实现实时地震预警，既可以使建筑结构系统稳定可靠，又可及时地预报地震信息，功能丰富多样。

Description

一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置

技术领域

本实用新型涉及抗震技术领域，尤其涉及一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置。

背景技术

含斜撑的钢框架结构系统是对建筑结构进行有效保护的重要抗震措施，是以主要承担地震力，荷载的抗震钢框架系统。其构成主要高强螺栓构件、耗能斜撑、抗震连接件等，组成抗震框架系统的所有构件均为成品构件，连接件的构造简单安装方便，后期安装卸载相对比较方便。抗震钢框架系统和承重结构系统的最大区别在于有无抗震耗能斜撑，抗震钢框架系统仅仅依附于建筑承重结构系统的外侧，实现了对建筑结构的抗震加固，提高了建筑结构的抗震性能，含斜撑的钢框架结构系统主要由承重结构斜撑抵抗水平地震力的作用，从而达到钢框架结构系统抗震的目的，正是由于承重结构斜撑的存在，才能使得本来在水平方向上毫无束缚的支撑系统能够在地震发生时做到安全稳固，避免因承重结构系统过度摇晃导致掉落而造成严重的次生灾害。可以想象一旦发生地震，整体结构系统产生无限位的大振幅晃动，逐渐在结构生根处或者连接处发生断裂脱落，整个结构统的破坏不仅影响到建筑结构的正常使用，甚至可能因钢筋混凝土掉落造成行人的人身伤害。传统的抗震框架结构体系抵抗水平地震作用为“硬抗”而导致结构相对较刚的问题以及震后的抗震钢框架产生残余变形的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置，并将其运用到钢框架结构体系中，解决传统的抗震框架钢结构抵抗水平地震作用为“硬抗”而导致结构相对较刚以及震后现有技术的耗能斜撑的效率偏低导致耗能斜撑无法自动恢复原状的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置，包括两个外套管、弹簧、弹簧挡板和柔性铰链杆，两个外套管相对设置，弹簧设置在外套管的内部，并一端与外套管的内侧连接，弹簧挡板的两端套设在两个外套管的内部，并与弹簧的另一端连接，柔性铰链杆设置在两个外套管之间，并与两个外套管连接。

进一步地，外套管的外端设置有螺栓连接孔，外套管通过螺栓连接孔与外框柱连接。

进一步地，柔性铰链杆设置为V性结构，弹簧挡板的两侧均设置有柔性铰链杆，V性结构的开口方向正对弹簧挡板，V性结构的两端与两个外套管连接。

进一步地，外套管采用抗震支架C型槽钢，弹簧采用碳素钢支撑的钢弹簧，柔性铰链杆采用弹簧钢或者合金弹簧钢。

本实用新型由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

本实用新型具有稳定、可靠、高效、安全、成本低，使用寿命长的特点，且不受建筑结构楼层限制的特点，对传统的抗震框架结构进行了改进，使其具备良好的抗震性能，对环境的适应性更强，另外将基于双稳态杆件系统的耗能斜撑应用于钢框架结构体系，实现了对建筑结构的抗震加固，并辅助位移传感器对所提供的信息进行精确控制，从而实现实时地震预警，既可以使建筑结构系统稳定可靠，又可及时地预报地震信息，功能丰富多样。

附图说明

图1是本实用新型4层4间耗能斜撑的布置细节图；

图2是本实用新型耗能斜撑X型18层楼设置结构示意图；

图3是本实用新型耗能斜撑结构示意图。

附图中，1-地梁，2-外框柱，3-水平系杆，4-位移传感器，5-耗能斜撑装置，6-外套管，7-弹簧，8-弹簧挡板，9-柔性铰链杆，10-螺栓连接孔。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本实用新型进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本实用新型的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本实用新型的这些方面。

如图1所示，一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置，包括两个外套管6、弹簧7、弹簧挡板8和柔性铰链杆9，两个外套管6相对设置，弹簧7设置在外套管6的内部，并一端与外套管6的内侧连接，弹簧挡板8的两端套设在两个外套管6的内部，并与弹簧7的另一端连接，柔性铰链杆9设置在两个外套管6之间，并与两个外套管6连接。

外套管6的外端设置有螺栓连接孔10，外套管6通过螺栓连接孔10与外框柱2连接。柔性铰链杆9设置为V性结构，弹簧挡板8的两侧均设置有柔性铰链杆9，V性结构的开口方向正对弹簧挡板8，V性结构的两端与两个外套管6连接。外套管6采用抗震支架C型槽钢，弹簧7采用碳素钢支撑的钢弹簧，柔性铰链杆9采用弹簧钢或者合金弹簧钢。

其中外套管采用抗震支架C型槽钢，它是一种支承、悬吊、限制位移或固定管道系统的机械装置或结构，可以有效抗滑、抗冲击和抗剪，两旁固定的螺栓连接处，使它方便整个系统可靠连接。弹簧采用的是碳素钢，该碳素钢价格便宜、材料来源方便和有较好的弹性极限。弹簧挡板采用弹簧钢制作而成，所具有的功能与弹簧类似。其中最关键的就是柔性铰链杆，它一般是采用弹簧钢(65Mn)或者合金弹簧钢(60Si2Mn)，特点是：无机械摩擦，无间隙，运动灵敏度高。在该斜撑装置中，它是实现在两个稳定状态之间进行切换的关键部件，这几种构件共同组成了基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置，而一个完整的X型支撑是由12根18m长的耗能斜撑组成，该结构是由外框柱、X型斜撑和水平系杆所构成巨大的桁架筒体系统，桁架筒体系统分别设置了5.5个X型钢支撑。

如图2-3所示，耗能斜撑装置和外钢框架组成的系统包括地梁1、钢架结构、位移传感器4、耗能斜撑装置5和数据采集分析系统，地梁1设置在房屋外侧的泥土内部，钢架结构设置在地梁1上，耗能斜撑装置5设置在钢架结构上，位移传感器4设置在钢架结构上，钢架结构包括若干根外框柱2和若干根水平系杆3，若干根水平系杆3间隔水平设置在若干根外框柱2上，位移传感器4设置在水平系杆3上，位移传感器4与数据采集分析系统连接。

地震使房屋受到一种惯性力的作用。这种由地震引起的惯性力，通常叫做地震力是由地震水平波和垂直波组成的，地震时，房屋结构除受到自重、人和器物垂直静力作用外，还受到地展水平波和垂直波的作用。当地震发生时，纵波先到达地面，横波后之，但是横波是造成房屋破坏的主要原因。在水平地震作用下会使基于双稳态杆件系统的耗能斜撑产生拉压变形，内套管和外套管通过滑块产生摩擦滑动以实现耗能减震的作用，内套管和外套管发生相对位移的情况下，端部的弹簧受到拉压变形，同时柔性铰链杆在两个稳定的状态切换，会给内套管提供反力，以实现斜撑的自动复原功能。

所提出的实用新型中，智慧检测建筑结构受地震力作用下产生的位移是通过位移传感器来实现的，这套系统是由感知单元、计算单元及能量单元构成；其中感知单元是由位移传感器及时感知；而计算单元由计算机系统给予数据，功能包括数据采集、计算分析。智慧检测过程如图2所示，在水平系杆处设置位移传感器，并在按照一定间距每个楼层设置多个位移传感器，传感器的能量单元是地震带来的能量实现的。

本实用新型实施例中，双稳态耗能斜撑在钢框架结构中存在着多种布置方式，耗能斜撑装置5设置为对角线型、人字型或者X型。本实用新型实施例中主要是布置X型的斜撑在钢框架结构上。

本实用新型实施例中，钢架结构贴合在建筑物的外墙体上，每层建筑物的楼板水平线上设置一根水平系杆3，没根水平系杆3上设置有若干个位移传感器4。

由于桁架筒体系统足够大，因此该图仅展示了一个X型钢支撑的应用场景，见图2，一个完整的X型支撑占18层楼高，每层楼之间的距离为3.4m,两个X型支撑交接的节点也设置了水平系杆。耗能斜撑的布置细节图仅展现立面示意图的4层4间，如图3所示，其安装方式以框架钢结构为例，另外为了实现快速安装，在边角处预留螺栓口，两螺栓之间的距离大概18m。一外框柱的节点处已预制好螺栓口，从而实现耗能斜撑和螺栓口的高效连接，用于快速固定；位移传感器布设在水平系杆的轴线处，用钢丝进行高效连接，在计算机系统将机械位移量转换成电信号中，从而实现检测位移的变化，其误差范围大约在0.005mm左右。两钢柱之间的距离为12m。耗能斜撑装置5由若干个耗能斜撑组成，若干个耗能斜首尾相接设置。

在抗震设防烈度6度以上的地区，需要抗震设防，增加抗震措施，对于200m以上的高层建筑，抗震是亟需解决的问题，直接影响高层建筑的稳定性和可靠性。在高层建筑中，除了用自身的承载力来抵抗地震所带来的能量，一般是在结构体系增设耗能装置，即将结构体系负担荷载的功能与耗散地震能量的功能分开，让主体结构主要是承担竖向荷载，而输入结构的地震能量则利用由安装在结构中的耗能装置来吸收或耗散。由于耗能装置吸收和耗散了绝大部分地震能量，因此，结构本身所承受的能量减小，这意味着结构反应将减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损害。然而目前市面上的各类耗能装置并不成熟，尚存在着诸多问题，比如对地震所释放能量的耗能效率偏低，并不能完全或大量吸收，同时也不能很好地释放能量，即使可以有效释放能量，但是装置无法快速恢复原状，从而导致下一次能量波来袭时不能较好地吸收能量等，无数案例证明，变形能力不足和耗能能力不足是建筑结构在大震作用下倒塌的主要原因，强烈的大震之后往往会伴随多次余震，这就要求建筑结构中的耗能装置具备高效、快速响应、重复利用、操作便捷和经济适用等特点。因此，基于机械超材料原理，本实用新型提出的一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑就可以有效地解决高层建筑的难题，具体通过双稳态杆件系统在两个稳定状态之间进行切换，避免构件进入塑性变形阶段，不仅可以极大的提高耗能效率，同时也保护了耗能机构产生不可逆的损伤，对地震所带来的能量吸收与释放，将基于双稳态杆件系统的耗能斜撑应用于钢框架结构体系中，实现了对建筑结构的抗震加固，达到抗震的效果。所述耗能斜撑装置包括外套管、弹簧、弹簧挡板和柔性铰链杆，外套管滑动套装滑块的外侧，弹簧一端通过弹簧挡板与外套管内侧建立连接，弹簧挡板紧紧依靠着滑块，所述内套管端部有螺栓连接处，柔性铰链杆与外套管进行铰接连接，两外套管之间除了铰接之外还有弹簧链接。本实用新型是为了解决现有的耗能斜撑体系较刚难以耗能减震且震后易产生残余变形导致无法自动恢复原状的问题。本实用新型结构简单、设计巧妙、后期加装相对方便、组装牢固，适于推广使用。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置，其特征在于：包括两个外套管(6)、弹簧(7)、弹簧挡板(8)和柔性铰链杆(9)，两个外套管(6)相对设置，弹簧(7)设置在外套管(6)的内部，并一端与外套管(6)的内侧连接，弹簧挡板(8)的两端套设在两个外套管(6)的内部，并与弹簧(7)的另一端连接，柔性铰链杆(9)设置在两个外套管(6)之间，并与两个外套管(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置，其特征在于：外套管(6)的外端设置有螺栓连接孔(10)，外套管(6)通过螺栓连接孔(10)与外框柱(2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置，其特征在于：柔性铰链杆(9)设置为V性结构，弹簧挡板(8)的两侧均设置有柔性铰链杆(9)，V性结构的开口方向正对弹簧挡板(8)，V性结构的两端与两个外套管(6)连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于双稳态杆件系统的耗能斜撑装置，其特征在于：外套管(6)采用抗震支架C型槽钢，弹簧(7)采用碳素钢支撑的钢弹簧，柔性铰链杆(9)采用弹簧钢或者合金弹簧钢。

Images