CN107190877A - 一种半刚性节点摩擦耗能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半刚性节点摩擦耗能器，包括木柱，和通过榫卯节点连接木柱的木梁，榫卯节点处的木柱和木梁之间连接有摩擦耗能器，摩擦耗能器分别通过梁端连接件和柱端连接件连接在木梁和木柱上；摩擦耗能器包括连接在梁端连接件上的梁端连杆、连接在柱端连接件上的若干柱端连杆，若干柱端连杆通过其之间设有摩擦片的中间连接件连接梁端连杆；摩擦耗能器在梁柱节点发生位移之前提供刚度，当梁柱节点发生位移之后提供摩擦耗能。该装置解决了摩擦耗能器在摩擦力控制方面的局限性。具有耐久性强，使用灵活，安装简单的优点。

Description

一种半刚性节点摩擦耗能器
技术领域
本发明涉及一种可调节摩擦力大小的半刚性梁柱节点摩擦耗能装置，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。适用于采用半刚性节点及铰接点的建筑及结构。
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。古代木结构多数为榫卯节点木框架结构，木材长时间使用易导致干裂、腐朽、虫蛀、老化等累计损伤，也需要进行维护和修复。而在现代新型的木结构建筑的建造过程中，总结了过去古建筑木结构的经验，在建造过程中采用的许多新型的建造技术及结构。但是所有的木结构建筑都无法避开木材本身性能的缺点，所以木结构的加固及修缮方式不管对古建筑木结构或者是现代木结构都是亟待解决的主要问题。
古建筑木结构梁柱节点主要采用榫卯连接方式，主要分为燕尾榫及直榫连接方式，为典型的半刚性连接。其承载能力及抗弯刚度较低，且在使用过程中由于自然环境及地震作用下容易因挤压变形产生无法自动回复的残余变形，从而使榫卯节点产生松动，进而造成整体结构的倾斜歪闪，严重威胁着结构的使用寿命及使用安全，因此榫卯节点为结构的薄弱位置，一般通过加固节点就能有效提高木框架的承载能力和抗震性能。
在现代建筑及结构当中，人们采用了更多形式的节点作为结构的连接方式，在混凝土结构，钢结构，木结构或者混合结构当中，半刚性节点或者铰接点在结构当中都得到大量使用，但是在结构抗震过程中，节点的破坏对结构的稳定及耗能都有着严重的影响。强柱弱梁，强节点弱构件已经是现代结构的重要理念。节点的强弱，以及其耗能能力受到人们的大量重视。所以，在结构当中对节点的保护也越来越受到人们的重视。
摩擦耗能是现代建筑中常用的减震耗能方式，摩擦耗能构件具有安装方便，容易替换，可调节刚度等特点，在使用过程中能够通过摩擦的形式将能量进行消散。而且可以经受多次地震，对结构本身没有损坏。在建筑的加固及修缮过程中有很高的适用价值。
由于摩擦耗能的优良性能，摩擦阻尼器在现代建筑中的得到了大量的使用，国内外学者陆续研制开发了多种摩擦阻尼器，主要有：普通摩擦阻尼器、Pall摩擦阻尼器、Sumitomo摩擦阻尼器、T形芯板摩擦阻尼器等。传统的摩擦阻尼器主要应用于现代钢筋混凝土框架结构当中，安装于结构的框架之间，用螺栓对不同的金属板进行紧固，通过不同金属板之间的相对平行滑动达到摩擦耗能的目的。目前，还没有研发针对节点尤其是半刚性节点的摩擦耗能器，使摩擦耗能器的使用范围局限于结构整体框架。在结构中所使用的摩擦阻尼器存在着体型过大，需要较大的工作空间，摩擦材料使用单一的铜-钢金属材料使得难以控制摩擦系数的变化，且通过多个螺栓进行紧固，使得摩擦预紧力难以控制等缺点。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种与梁柱节点构成矩形的半刚性梁柱节点摩擦耗能构件，通过在梁柱节点安装摩擦耗能装置的形式，增加结构框架的刚度，并为结构提供一种通过摩擦进行耗能的构件。满足结构的刚度及耗能需求，为后续的使用提供保障。可以通过转动摩擦的形式将结构所受到的外力进行消散并为结构提供一定刚度的装置。当结构不发生震动的时候提供刚度，在结构发生震动时为结构提供摩擦耗能。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种半刚性节点摩擦耗能器，包括木柱，和通过榫卯节点连接木柱的木梁，榫卯节点处的木柱和木梁之间连接有摩擦耗能器，摩擦耗能器分别通过梁端连接件和柱端连接件连接在木梁和木柱上；所述摩擦耗能器包括连接在梁端连接件上的梁端连杆、连接在柱端连接件上的n个柱端连杆，n个柱端连杆通过其之间设有摩擦片的中间连接件连接梁端连杆；摩擦耗能器在梁柱节点发生位移之前提供刚度，当梁柱节点发生位移之后提供摩擦耗能。
作为优选，所述柱端连接件包括连接在木柱上的一对弧形钢板，和连接弧形钢板的螺栓；木柱外侧弧形钢板通过螺栓连接，木柱内侧弧形钢板通过螺栓连接柱端连杆。
作为优选，所述梁端连接件包括连接在木梁上的一对框型钢板，和连接框型钢板的螺栓；木梁外侧框型钢板通过螺栓连接，木梁内侧框型钢板连接有紧贴木梁的梁端垫块，梁端连杆连接在梁端垫块中部。
作为优选，所述柱端连杆为一端梯形、一端带有圆弧的长方形板的结构，梯形端通过螺栓连接到木柱上的一对弧形钢板上，带有圆弧的长方形端连接中间连接件，带有圆弧的长方形端设有偏心圆孔。
作为优选，所述中间连接件为一端设有偏心圆孔，一端设通孔的圆弧形板，通孔连接梁端连杆。
进一步，所述摩擦片为带有螺栓孔的偏心圆结构，摩擦片的大小与柱端连杆和中间连接件中的偏心圆孔相对应，摩擦片能够镶装进该预留的偏心圆孔中。
进一步，所述摩擦片与中间连接件处于同一平面内。
进一步，n个中间连接件被n+1个柱端连杆夹持。
本发明提供一种梁柱节点耗能构件，解决了现有半刚性节点加固方式中存在的耐久性差、易损坏、耗能效果不明显等问题。该摩擦耗能构件采用预制环形摩擦块相互挤压的形式，通过调节摩擦块之间的正压力，以及摩擦块本身的摩擦系数的形式改变摩擦力的大小。通过静摩擦与滑动摩擦相互转换的形式使结构在静定体系与可变体系之间进行转换，从而达到在静定体系状态下提供刚度，在可变体系状态下提供耗能。
本发明采用环形摩擦片，摒弃传统摩擦片水平滑动的摩擦方式，使摩擦片之间发生相对转动，摩擦力更加均匀稳定；并且采用单根螺栓控制摩擦片之间的正压力。减少由于不均匀的预紧力对摩擦力的影响。
本发明采用可替换的预制摩擦材料，即可以通过预制不同摩擦系数的摩擦块改变摩擦力的大小，也可以通过改变摩擦块之间的正压力的方式改变摩擦力的大小。相对于传统摩擦耗能构件摩擦系数控制形式单一的缺点，解决了摩擦耗能器在摩擦力控制方面的局限性。
本发明通过放大梁柱节点的相对位移，将梁柱节点之间的小位移放大到环形摩擦块之间的大位移，从而可以更好的通过摩擦消耗能量。并且在梁柱节点发生位移之前提供相应的刚度，当梁柱节点发生位移之后，为结构提供摩擦耗能。
本发明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，而且可以通过改变摩擦块的摩擦系数以及改变摩擦块的预紧力的两种方式改变提供不同的摩擦力矩。本发行即可以用与古建筑木结构的加固及修缮，也可以用于现代结构当中。相较于传统的摩擦耗能器有着耐久性强，使用灵活，安装简单的优点。
附图说明
图1为构件整体布置三维图；
图2为构件整体布置图；
图3为柱端连杆、摩擦片、中间连接件安装***图；
图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为柱端链接装置三视图；
图5(a)、图5(b)和图5(c)分别为梁端连接装置三视图；
图6(a)、图6(b)和图6(c)分别为梁端垫块三视图；
图7(a)、图7(b)和图7(c)分别为梁端连杆三视图；
图8(a)、图8(b)和图8(c)分别为柱端连杆三视图；
图9(a)、图9(b)和图9(c)分别为中间连接件三视图；
图10(a)、图10(b)和图10(c)分别为摩擦片三视图。
图中:1、木梁；2、木柱；3、梁端连接件；4、柱端连接件；5、柱端连杆；6、梁端垫块；7、梁端连杆；8、摩擦片；9、中间连接件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1、图2所示，一种半刚性节点摩擦耗能器，包括木柱2，和通过榫卯节点连接木柱2的木梁1，榫卯节点处的木柱2和木梁1之间连接有摩擦耗能器，其中，摩擦耗能器分别通过梁端连接件3连接在木梁1上，通过柱端连接件4连接在木柱2上，摩擦耗能器包括连接在梁端连接件3上的梁端连杆7、连接在柱端连接件4上的n个柱端连杆5，n个柱端连杆5通过其之间设有摩擦片8的中间连接件9连接梁端连杆7。摩擦耗能器在梁柱节点发生位移之前提供刚度，当梁柱节点发生位移之后提供摩擦耗能。
如图4(a)、图4(b)和图4(c)以及图5(a)、图5(b)和图5(c)所示，本装置中，柱端连接件4包括连接在木柱2上的一对弧形钢板，和连接弧形钢板的螺栓；梁端连接件3包括连接在木梁1上的一对框型钢板，和连接框型钢板的螺栓，框型钢板在连接梁端连杆7端设有紧贴木梁1的梁端垫块6，见图6(a)、图6(b)和图6(c)所示。梁端连杆7连接在梁端垫块6中部。图7(a)、图7(b)和图7(c)为梁端连杆7三视图。
如图3所示，柱端连杆5为一端梯形、一端带有圆弧的长方形板的结构，见图8(a)、图8(b)和图8(c)所示，梯形端通过螺栓连接到木柱2上的一对弧形钢板上，带有圆弧的长方形端连接中间连接件9，带有圆弧的长方形端设有偏心圆孔。
中间连接件9结构见图9(a)、图9(b)和图9(c)所示，中间连接件9为两端圆弧形板，一端设有偏心圆孔，一端设连接梁端连杆7的通孔。
如图10(a)、图10(b)和图10(c)所示，摩擦片8为带有螺栓孔的偏心圆结构，摩擦片8的大小与柱端连杆5和中间连接件9中的偏心圆孔相对应，摩擦片8能够镶装进该偏心圆孔中。
其中，n个中间连接件9被n+1个柱端连杆5夹持，在每块中间连接件9被夹持端垫有摩擦片8。
本发明摩擦片8采用加工厂预制的方式制作成偏心圆(葫芦形)带螺栓孔的摩擦片。
本发明构件的具体实施方式为：
(1)首先在距离梁柱节点距离相同的位置安装梁端连接件3及柱端连接件4，通过螺栓与螺母进行紧固，使加固装置与梁柱之间不会产生相对位移。
(2)将柱端连杆5与柱端连接件4通过螺栓与螺母进行连接；柱端连杆共有三片，如图1所示与三片柱端连杆相互平行与柱在垂直方向进行连接。
(3)将三片摩擦片8依次放入柱端连杆5所预留的孔洞当中，摩擦片8与柱端连杆处于同一平面当中。
(4)将另外两片摩擦片8放入中间连接件9的预留孔洞当中，使摩擦片8与中间连接件9处于同一平面内。
(5)如图3所示将安装好摩擦片8的中间连接件9与安装好摩擦片8的柱端连杆通过螺栓与螺母进行连接；螺栓通过5片摩擦片8，两端用螺母进行紧固。
(6)在梁端连接装置3的下端安装梁端垫块6，通过螺栓与梁端链接装置3进行紧固。
(7)将梁端连杆7的两端分别安装在梁端垫块6以及中间连接件9上，螺栓通过构件上预留的孔洞；在安装螺母时不要进行紧固，使梁端连杆6与梁端垫块及中间连接件9之间可以自由的转动。
如图2所示，本发明装置与梁柱节点形成一个大小适宜的正方形，通过扁钢与梁柱节点进行加固，当梁柱节点发生相对转动时，环形摩擦片之间会发生更大的相对转动，从而可以放大梁柱节点之间的小位移。本发明装置中的摩擦块属于可替换构件，相对与不同大小的梁柱节点可以替换不同摩擦系数的摩擦块；当结构承受大震后也可以将整个构件进行替换。本发明所采用的摩擦块可在加工厂进行预制，并且可以采用不同的材料进行加工。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种半刚性节点摩擦耗能器，包括木柱(2)和通过榫卯节点连接木柱(2)的木梁(1)，榫卯节点处的木柱(2)和木梁(1)之间连接有摩擦耗能器，其特征在于，摩擦耗能器分别通过梁端连接件(3)和柱端连接件(4)连接在木梁(1)和木柱(2)上；所述摩擦耗能器包括连接在梁端连接件(3)上的梁端连杆(7)，以及连接在柱端连接件(4)上的n个柱端连杆(5)，n个柱端连杆(5)通过其之间设有摩擦片(8)的中间连接件(9)连接梁端连杆(7)；摩擦耗能器在梁柱节点发生位移之前提供刚度，当梁柱节点发生位移之后提供摩擦耗能。
2.根据权利要求1所述的半刚性节点摩擦耗能器，其特征在于，所述柱端连接件(4)包括连接在木柱(2)上的一对弧形钢板，和连接弧形钢板的螺栓；木柱(2)外侧弧形钢板通过螺栓连接，木柱(2)内侧弧形钢板通过螺栓连接柱端连杆(5)。
3.根据权利要求1所述的半刚性节点摩擦耗能器，其特征在于，所述梁端连接件(3)包括连接在木梁(1)上的一对框型钢板和连接框型钢板的螺栓；木梁外侧框型钢板通过螺栓连接，木梁内侧框型钢板连接有紧贴木梁(1)的梁端垫块(6)，梁端连杆(7)连接在梁端垫块(6)中部。
4.根据权利要求1所述的半刚性节点摩擦耗能器，其特征在于，所述柱端连杆(5)为一端梯形、一端带有圆弧的长方形板的结构，梯形端通过螺栓连接到木柱(2)上的一对弧形钢板上，带有圆弧的长方形端连接中间连接件(9)，带有圆弧的长方形端设有偏心圆孔。
5.根据权利要求4所述的半刚性节点摩擦耗能器，其特征在于，所述中间连接件(9)为一端设有偏心圆孔，一端设通孔的圆弧形板，通孔连接梁端连杆(7)。
6.根据权利要求5所述的半刚性节点摩擦耗能器，其特征在于，所述摩擦片(8)为带有螺栓孔的偏心圆结构，摩擦片(8)的大小与柱端连杆(5)和中间连接件(9)上的偏心圆孔相对应，摩擦片(8)能够镶装进该预留的偏心圆孔中。
7.根据权利要求6所述的半刚性节点摩擦耗能器，其特征在于，所述摩擦片(8)与中间连接件(9)处于同一平面内。
8.根据权利要求1所述的半刚性节点摩擦耗能器，其特征在于，n个中间连接件(9)被n+1个柱端连杆(5)夹持。
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