CN220395327U - 一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高分子摩擦‑金属自复位防屈曲三级耗能支撑，该装置主要由约束套管、芯材、高分子摩擦材料、记忆合金拉压弹簧组成，高分子摩擦材料(PFD)有四个，记忆合金拉压弹簧(SMAs)有八个，每个所述PFD中均安装有两件SMAs。本实用新型结构合理，实现小震、中震高分子摩擦阻尼元件两级耗能，大震摩擦‑金属支撑协同耗能，同时采用记忆合金拉压弹簧解决残余变形恢复问题，该减震装置是实现基于性态韧性建筑设计的一种更简单、更有效、更经济的手段。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程振动控制技术领域，具体为一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，主要用于韧性城市建设中提高土木工程领域结构振动控制效率和建筑性能化设计。
背景技术
近来世界范围内地震频发，2023年土耳其地震中连续出现7.8级、7.6级连续高强地震，对现有建筑抗震设计提出了巨大的挑战，现有应对地震对建筑结构的影响，主要分为抗、剪、隔震三类。抗震思路最为传统且消极，但因其刚度的增大，吸收了更多的地震能量，当面临超预期巨震作用时，损伤程度甚至超过较柔结构，同时近来对非结构构件的重视，让我们观察到，抗震会造成结构局部区域加速度异常增加，导致非结构损坏严重。故2021年《建设工程抗震管理条例》的颁布，进一步提出减、隔震技术的运用，以期从源头上消耗地震能量对结构的影响。
防屈曲约束支撑(BRB)，当属减震领域中位移型阻尼器广泛使用的一类。其可作为承载型主要受力构件，通过其外套约束作用，提高支撑杆件的失稳约束能力，其主要原理为通过限制横向变形，使其因受屈曲力控制，改为受屈服力控制，提高整体承载能力。然而上述对于BRB的描述，在承载型中并不存在耗能的功能，而如若把BRB设计为小、中震耗能型，因其塑性损伤及残余变形的不可逆性，将大大减小BRB使用寿命。因此，亟待一种改进的技术来解决现有技术中所存在的这一问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，该装置主要由约束套管、芯材、高分子摩擦材料、记忆合金拉压弹簧(SMAs)组成。本发明所提出的高分子摩擦-金属自复位防屈曲三级耗能支撑，采用防屈曲耗能支撑与高分子摩擦阻尼元件与记忆合金拉压弹簧串联，进而与防屈曲耗能支撑并联，可实现小震、中震高分子摩擦阻尼元件(PFD)两级耗能，大震摩擦-金属耗能支撑协同耗能，同时采用记忆合金拉压弹簧解决残余变形恢复问题，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：包括PFD、SMAs和防屈曲耗能支撑，所述PFD有四个，所述SMAs有八个，每个所述PFD中均安装有两件SMAs；
所述PFD包括固定板、滑动板、连接板B、摩擦板A、摩擦板B、摩擦片、紧固螺栓组件A及紧固螺栓，所述滑动板夹持于两个摩擦板A之间，所述摩擦板B嵌于固定板内侧，所述摩擦板A与摩擦板B相接触，所述摩擦片嵌于摩擦板A内侧，与滑动板腰形凸起的摩擦面共中心，所述连接板B夹持于两块固定板之间，连接板B中心与滑动板中心处于同一水平线上；所述滑动板、固定板、摩擦板A、摩擦板B通过紧固螺栓组件A相互连接，固定板和连接板通过紧固螺栓相互连接；所述紧固螺栓组件A包括螺栓、蝶形弹簧，所述螺栓穿过固定板、摩擦板A、摩擦板B和滑动板，所述螺栓总长略小于PFD总厚，螺栓与固定板连接处设置有蝶形弹簧；紧固螺栓穿过固定板和连接板B将两部件固定；
所述SMAs位于滑动板和连接板B之间，通过点焊分别将SMAs的两端固定于滑动板和连接板B的一端；
所述防屈曲耗能支撑包括芯材、约束套管、连接板A、封口板、泡沫板A、泡沫板B和填充材料；所述芯材为一整根圆形钢棒且设置于约束套管内，所述芯材两端设置有连接板A，所述封口板有两个且分别位于约束套管的两端，所述约束套管内还设置有填充材料，所述填充材料为素混凝土或高性能混凝土，所述泡沫板A及泡沫板B布置于连接板A的一端。
优选的，本发明提供的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其中，所述固定板内侧开设有凹槽、螺栓孔A及螺栓孔B，所述摩擦板B设置于固定板的凹槽中并布置于摩擦板A与固定板之间，所述凹槽深度为摩擦板B厚度的一半，所述凹槽的长、宽与摩擦板B的长宽一致。
优选的，本发明提供的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其中，所述摩擦板A沿长度方向开设有腰形孔B，所述滑动板沿长度方向开设有腰形孔A，所述摩擦板A的腰形孔B中心距小于滑动板的腰形孔A的中心距；所述滑动板具有板头和板身，板头边缘开有坡口，腰形孔A开设于板身处；所述腰形孔A两侧设置有腰形的凸台，凸台边缘倒圆角，所述凸台长度小于摩擦片长度且两者长度的差值小于摩擦板A的腰形孔B的中心距。
优选的，本发明提供的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其中，所述摩擦板A与滑动板接触的一侧开设有腰形槽，摩擦片放置于摩擦板A的腰形槽内，摩擦板A开设的腰形槽的尺寸和外形与摩擦片的一致，以防止摩擦片滑移。
优选的，本发明提供的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其中，所述摩擦板A、摩擦板B和摩擦片均采用复合材料制造，所述摩擦片与滑动板的摩擦系数小于摩擦板A与摩擦板B的摩擦系数，所述摩擦板A与摩擦板B的摩擦系数小于摩擦板A与滑动板的摩擦系数，所述复合材料为高分子基复合材料，采用聚碳酸酯基复合材料或聚酰胺基复合材料其中一种或多种。
优选的，本发明提供的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其中，所述滑动板、固定板、连接板B均采用Q355B钢板制作，并采取喷涂方式进行防腐处理。
优选的，本发明提供的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其中，所述约束套管截面为正方形，壁厚5mm，总长较芯材长400mm；所述约束套管的一侧焊接固定两个耳板，所述约束套管两端通过焊接固定有封口板。
优选的，本发明提供的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其中，所述连接板A为两块板相互垂直拼焊组装，所述连接板A的长度为400mm；所述连接板A两端宽度不一且宽度较窄的一端开设有坡口，所述连接板A宽度较宽的一端中心开圆孔，所述圆孔的直径较芯材的直径大1-3mm，圆孔深度为150mm；所述芯材放置在连接板A的圆孔内并通过焊接固定。
优选的，本发明提供的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其中，所述封口板为正方形，所述封口板边长较约束套管的大10mm，所述封口板中间开设有十字形通孔，所述连接板A从通孔穿过。
优选的，本发明提供的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其中，所述约束套管、连接板A、封口板的材质可为金属材料或纤维增强复合材料，所述泡沫板A、泡沫板B材质为可发性聚苯乙烯。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)能实现小震、中震高分子摩擦阻尼元件两级耗能，大震摩擦-金属支撑协同耗能，同时采用记忆合金拉压弹簧解决残余变形恢复问题。
(2)PFD和SMAs串联后与防屈曲耗能支撑并联，在实现多级耗能和自复位功能的同时，不会降低支撑自身刚度。
(3)PFD采用高分子摩擦板，价格低廉，有利于降低阻尼器的成本，提高市场竞争力。
(4)无腐蚀问题，各接触面为非金属间接触，长时间放置的情况下，两种材料不会粘结在一起，大大增加了阻尼器的使用寿命。
(5)防屈曲耗能支撑的芯材更换为钢棒，疲劳性能远远超出国标要求的30圈，达到90圈左右。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明正视结构示意图；
图3为本发明俯视结构示意图；
图4为本发明爆炸结构示意图；
图5为本发明局部爆炸结构示意图；
图6为滑动板结构示意图；
图7为滑动板正视结构示意图；
图8为固定板结构示意图；
图9为摩擦板A结构示意图；
图10为约束套管结构示意图；
图11为约束套管正视结构示意图；
图12为连接板A结构示意图；
图13为连接板A正视结构示意图；
图14为封口板结构示意图。
图中：芯材1、约束套管2、连接板A3、封口板4、泡沫板5、泡沫板6、滑动板7、摩擦片8、摩擦板A9、摩擦板B10、固定板11、蝶形弹簧12、螺栓13、紧固螺栓14、SMAs15、连接板B16、耳板21、坡口31、圆孔32、通孔41、腰形孔A71、凸台72、腰形孔B91、腰形槽92。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；
需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“两侧”、“一端”、“另一端”“左”“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-14，本发明提供一种技术方案：一种高分子摩擦-金属自复位防屈曲三级耗能支撑，包括PFD、SMAs和防屈曲耗能支撑三个部分。
PFD共四套，每套PFD包含两块固定板11、一块滑动板7、一块连接板B16、两个摩擦板A9、两个摩擦板B10、八个摩擦片8、两个紧固螺栓组件A及两个紧固螺栓14；滑动板7夹持于两个摩擦板A9之间，摩擦板B10嵌于固定板11内侧，摩擦板A9与摩擦板B10相接触，每四个摩擦片8与一个摩擦板A9配合，摩擦片8嵌于摩擦板A9内侧，与滑动板7上的腰形凸起的摩擦面共中心；连接板B16夹持于两块固定板11之间，连接板B16中心与滑动板7中心处于同一水平线上，滑动板7、固定板11、摩擦板A9、摩擦板B10通过紧固螺栓组件A相互连接，固定板11和连接板B16通过紧固螺栓14相互连接；紧固螺栓组件A包括螺栓13、蝶形弹簧12，螺栓13穿过固定板11、摩擦板A9、摩擦板B10和滑动板7，螺栓13总长略小于PFD总厚，螺栓13与固定板11连接处设置有蝶形弹簧12；紧固螺栓14穿过固定板11和连接板B16将两部件固定。
固定板11内侧开设有凹槽112及螺栓孔113，摩擦板B10设置于固定板11的凹槽112中并布置于摩擦板A9与固定板11之间，凹槽112深度为摩擦板B10厚度的一半，凹槽112的长、宽与摩擦板B10的长宽一致，以实现固定板11和摩擦板B10的稳定连接，避免留有松动的空间。
摩擦板A9沿长度方向开设有腰形孔B91，滑动板7沿长度方向开设有腰形孔A71，摩擦板A9的腰形孔B91中心距小于滑动板7的腰形孔A71的中心距；滑动板7具有板头和板身，板头边缘开有坡口，腰形孔A71开设于板身处；腰形孔A71两侧设置有腰形的凸台72，凸台72边缘倒圆角，凸台72长度小于摩擦片8长度且两者长度的差值小于摩擦板A9的腰形孔B91的中心距。
摩擦板A9与滑动板7接触的一侧开设有腰形槽92，摩擦片8放置于摩擦板A9的腰形槽92内，摩擦板A9开设的腰形槽92的尺寸和外形与摩擦片8的一致，以防止摩擦片8滑移。
摩擦板A9、摩擦板B10和摩擦片8均采用复合材料制造，摩擦片8与滑动板7的摩擦系数小于摩擦板A9与摩擦板B10的摩擦系数，摩擦板A9与摩擦板B10的摩擦系数小于摩擦板A9与滑动板7的摩擦系数，复合材料为高分子基复合材料，采用聚碳酸酯基复合材料或聚酰胺基复合材料其中一种或多种。
滑动板7、固定板11、连接板B16均采用Q355B钢板制作且采取喷涂方式进行防腐处理。
SMAs15共八件，每套PFD中装有两件。SMAs 15位于滑动板7和连接板B16之间，通过点焊分别将SMAs15的两端固定于滑动板7和连接板B16的一端。
防屈曲耗能支撑包括芯材1、约束套管2、连接板A3、封口板4、泡沫板5、泡沫板6和填充材料；芯材1为一整根圆形钢棒，材质为Q235，周围布置有约束套管2和填充材料，用以约束芯材1，防止发生屈曲。
约束套管2截面为正方形，壁厚5mm，总长较芯材1长400mm；约束套管2的一侧固定两个耳板21，便于后续的吊装，两端开口固定有封口板4，以防止填充材料漏出，影响对芯材1的约束作用，两端外侧部分与固定板11通过焊接将PFD与防屈曲耗能支撑相连。
连接板A3为两块板互相垂直拼焊组装，总体长度400mm；连接板A3两端宽度不一，宽度较窄的一端开设有坡口31，宽度较宽的一端中心开圆孔32，圆孔32的直径较芯材1直径大1-3mm，圆孔深度为150mm；芯材1放置在连接板A3的圆孔32内，通过焊接固定。
封口板4位于约束套管2的两端，为正方形，边长较约束套管2的大10mm，中间开设有十字形的通孔41，连接板A3从通孔41穿过。
泡沫板A5、泡沫板B6布置于连接板A3的一端，防止填充材料将约束套管2内的所有空间填满，为芯材1滞回运动时提供位移空间；
约束套管2、连接板A3、封口板4的材质均为纤维增强复合材料，泡沫板A5、泡沫板B6材质为可发性聚苯乙烯。
填充材料可采用混凝土，与约束套管的间距控制在1mm左右；当采用超高性能混凝土时，且在受力较小时，可实现无约束套管支撑。
本发明的一种高分子摩擦-金属自复位防屈曲三级耗能支撑能实现小震、中震高分子摩擦阻尼元件(PFD)两级耗能，大震摩擦-金属支撑协同耗能，同时采用记忆合金拉压弹簧解决残余变形恢复问题；且PFD和SMAs15串联后与防屈曲耗能支撑并联，在实现多级耗能和自复位功能的同时，不会降低支撑自身刚度；PFD采用高分子摩擦板，价格低廉，有利于降低阻尼器的成本，提高市场竞争力；且无腐蚀问题，各接触面为非金属间接触，长时间放置的情况下，两种材料不会粘结在一起，大大增加了阻尼器的使用寿命；防屈曲耗能支撑的芯材更换为钢棒，疲劳性能远远超出国标要求的30圈，达到90圈左右。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
最后所要说明的是：以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：包括PFD、SMAs(15)和防屈曲耗能支撑，所述PFD有四个，所述SMAs(15)有八个，每个所述PFD中均安装有两件SMAs(15)；
所述PFD包括固定板(11)、滑动板(7)、连接板B(16)、摩擦板A(9)、摩擦板B(10)、摩擦片(8)、紧固螺栓组件A及紧固螺栓(14)，所述滑动板(7)夹持于两个摩擦板A(9)之间，所述摩擦板B(10)嵌于固定板(11)内侧，所述摩擦板A(9)与摩擦板B(10)相接触，所述摩擦片(8)嵌于摩擦板A(9)内侧，与滑动板(7)腰形凸起的摩擦面共中心，所述连接板B(16)夹持于两块固定板(11)之间，连接板B(16)中心与滑动板(7)中心处于同一水平线上；所述滑动板(7)、固定板(11)、摩擦板A(9)、摩擦板B(10)通过紧固螺栓组件A相互连接，固定板(11)和连接板B(16)通过紧固螺栓(14)相互连接；所述紧固螺栓组件A包括螺栓(13)、蝶形弹簧(12)，所述螺栓(13)穿过固定板(11)、摩擦板A(9)、摩擦板B(10)和滑动板(7)，所述螺栓(13)总长小于PFD总厚，螺栓(13)与固定板(11)连接处设置有蝶形弹簧(12)；紧固螺栓(14)穿过固定板(11)和连接板B(16)将两部件固定；
所述SMAs(15)位于滑动板(7)和连接板B(16)之间，通过点焊分别将SMAs的两端固定于滑动板(7)和连接板B(16)的一端；
所述防屈曲耗能支撑包括芯材(1)、约束套管(2)、连接板A(3)、封口板(4)、泡沫板A(5)、泡沫板B(6)和填充材料；所述芯材(1)为一整根圆形钢棒且设置于约束套管(2)内，所述芯材(1)两端设置有连接板A(3)，所述封口板(4)有两个且分别位于约束套管(2)的两端，所述约束套管(2)内还设置有填充材料，所述填充材料为素混凝土或高性能混凝土，所述泡沫板A(5)及泡沫板B(6)布置于连接板A(3)的一端。
2.根据权利要求1所述的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：所述固定板(11)内侧开设有凹槽(112)、螺栓孔A(111)及螺栓孔B(113)，所述摩擦板B(10)设置于固定板(11)的凹槽(112)中并布置于摩擦板A(9)与固定板(11)之间，所述凹槽(112)深度为摩擦板B(10)厚度的一半，所述凹槽(112)的长、宽与摩擦板B(10)的长宽一致。
3.根据权利要求1所述的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：所述摩擦板A(9)沿长度方向开设有腰形孔B(91)，所述滑动板(7)沿长度方向开设有腰形孔A(71)，所述摩擦板A(9)的腰形孔B(91)中心距小于滑动板(7)的腰形孔A(71)的中心距；所述滑动板(7)具有板头和板身，板头边缘开有坡口，腰形孔A(71)开设于板身处；所述腰形孔A(71)两侧设置有腰形的凸台(72)，凸台(72)边缘倒圆角，所述凸台(72)长度小于摩擦片(8)长度且两者长度的差值小于摩擦板A(9)的腰形孔B(91)的中心距。
4.根据权利要求1所述的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：所述摩擦板A(9)与滑动板(7)接触的一侧开设有腰形槽(92)，摩擦片(8)放置于摩擦板A(9)的腰形槽(92)内，摩擦板A(9)开设的腰形槽(92)的尺寸和外形与摩擦片(8)的一致，以防止摩擦片(8)滑移。
5.根据权利要求1所述的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：所述摩擦板A(9)、摩擦板B(10)和摩擦片(8)均采用复合材料制造，所述摩擦片(8)与滑动板(7)的摩擦系数小于摩擦板A(9)与摩擦板B(10)的摩擦系数，所述摩擦板A(9)与摩擦板B(10)的摩擦系数小于摩擦板A(9)与滑动板(7)的摩擦系数，所述复合材料为高分子基复合材料，采用聚碳酸酯基复合材料或聚酰胺基复合材料其中一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：所述滑动板(7)、固定板(11)、连接板B(16)均采用Q355B钢板制作，并采取喷涂方式进行防腐处理。
7.根据权利要求1所述的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：所述约束套管(2)截面为正方形，壁厚5mm，总长较芯材(1)长400mm；所述约束套管(2)的一侧焊接固定两个耳板(21)，所述约束套管(2)两端通过焊接固定有封口板(4)。
8.根据权利要求1所述的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：所述连接板A(3)为两块板相互垂直拼焊组装，所述连接板A(3)的长度为400mm；所述连接板A(3)两端宽度不一且宽度较窄的一端开设有坡口(31)，所述连接板A(3)宽度较宽的一端中心开圆孔(32)，所述圆孔(32)的直径较芯材(1)的直径大1-3mm，圆孔深度为150mm；所述芯材(1)放置在连接板A(3)的圆孔(32)内并通过焊接固定。
9.根据权利要求1所述的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：所述封口板(4)为正方形，所述封口板(4)边长较约束套管(2)的大10mm，所述封口板(4)中间开设有十字形通孔(41)，所述连接板A(3)从通孔(41)穿过。
10.根据权利要求1所述的一种高分子摩擦-金属防屈曲自复位三级耗能支撑，其特征在于：所述约束套管(2)、连接板A(3)、封口板(4)的材质可为金属材料或纤维增强复合材料，所述泡沫板A(5)、泡沫板B(6)材质为可发性聚苯乙烯。
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