CN107675815A - 震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器，适用于建筑结构的抗风、减震。本发明包括：耗能金属板，等屈服强度线形状优化的菱形开孔孔型，防屈曲板，带限位功能的加劲肋，光滑面，L型支座，限位键，摩擦面，预应力扣锁，摩擦板，高强度螺栓，螺母，垫片，预埋连接钢板，锚固件，带螺纹的螺栓孔，隔板，光滑凹面，滑道，逐渐卸载残余应力法。本发明的金属耗能器遭受风振或地震作用时，能量集中于耗能金属板，利用其弹塑性滞回变形耗散不利能量，保护主体结构；耗能金属板开优化的菱形孔，变形均匀，抗震能力强。采取可更换连接，震后存在残余位移的情况下，仍可安全拆装，快速恢复结构的使用功能。

Description

震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金 属耗能器

技术领域

本发明涉及建筑结构工程、桥梁工程的抗风、抗震技术领域，涉及一种震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器。

背景技术

近年来，越来越多的大地震活动严重威胁了建筑结构工程以及桥梁工程的安全，导致了巨大的人员伤亡和财产损失，随着我国“抗规”的不断修订，越来越多的城市提高了设防烈度。传统的结构抗震形式很难满足新规范的设计要求。为此，“消能减震”技术被不断地应用于建筑结构工程以及桥梁工程，同时，为了帮助人们在震后尽快恢复正常生活，结构恢复使用功能，一个行之有效的办法是通过将结构易发生损伤的部位替换为可更换的耗能元件，地震作用下牺牲自己，集中损伤，耗散能量，保护主体结构不受破坏或只受微小破坏，地震作用后更换损伤的元件即可恢复结构的使用功能，该元件也称作耗能器。

按照材料属性可将耗能器分为四大类：粘滞型、金属型、粘弹性和摩擦型。金属耗能器因具有构造方式简单、传力途径明确、耗能卓越且不受环境温度影响等优点，被广泛应用于建筑工程与桥梁工程的消能减震设计中。常规的金属耗能器利用面内塑性变形消耗能量，刚度与承载力较大，但金属耗能板的面外不利位移难以控制。传统的金属耗能器多为焊接组成，试验表明：第一，焊缝处应力过于集中，其过早的开裂严重削弱了耗能器的消能能力；第二，传统的金属耗能器截面利用率低，塑性分布不均匀，未充分耗能；而且，因焊接固定，在损伤后难于拆装与修复。

发明内容

本发明旨在克服以上技术的不足，提出了一种震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器。该装置利用金属面内弯、剪耦合变形机制耗散能量，并通过开设等屈服强度线形状优化的菱形孔，充分利用全截面进行耗能，各截面同时受弯矩、剪力以及轴力，将这三部分在横截面上产生的应力作用效果根据材料力学第四强度理论耦合叠加，以其叠加计算的Mises应力为目标，寻找在地震来临时，各开孔边缘的Mises应力相等的孔形，使得耗能器各截面同时进入屈服，有效解决应力集中问题，明显减少了塑性应变的累计峰值，提高了金属耗能器的低周疲劳性能与耗能能力,需要注意的是，相邻两排孔之间应保持足够距离，使得该区域近似满足平截面假定，起到约束耗能单元转动的作用。采用防屈曲措施，能够更有效地利用耗能器面内变形机制，提高整体抗剪强度。全螺栓装配以及采用摩擦片与滑道相结合的设计，使得在地震过后的残余大变形下，可逐渐卸载残余应力，并快速更换新的耗能金属板。除耗能金属板以外的部分在灾后可多次反复使用，绿色环保，减少修复成本，缩短修复时间，增强结构灾后功能可快速恢复的能力。该耗能器即可用于建筑结构中的剪力墙连梁跨中、框架梁的层间、斜撑的节点，也可作为阻尼墙，以及作为桥梁工程的隔震挡块。

本发明震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器包括有：耗能金属板1，等屈服强度线形状优化的菱形开孔孔型2，防屈曲板3，带限位功能的加劲肋4，光滑面5，L型支座6，限位键7，摩擦面8，预应力扣锁9，摩擦板10，高强度螺栓11，螺母12，垫片13，预埋连接钢板14，锚固件15，带螺纹的螺栓孔16，隔板17，光滑凹面18，滑道19，逐渐卸载残余应力法20。

其中预埋连接钢板14带预埋锚固件15与连接构件的混凝土部分浇筑成一体，预埋连接钢板14开有带螺纹的螺栓孔16用以连接摩擦板10与L型支座8，耗能金属板1利用高强度螺栓11通过L型支座6与预埋连接钢板14相连，L型支座6与预埋连接钢板14之间夹持摩擦板10，耗能金属板1、L型支座6、以及摩擦板10的相互连接处设置摩擦面8并开设螺栓孔，L型支座6与摩擦板连接端开设滑道19方便分阶段卸载震后残余应力，防屈曲板3外侧设置带限位功能的加劲肋4、内测设置光滑面5减小对耗能金属板1的摩擦，防屈曲板3通过预应力扣锁9限制面外位移，内外两个预应力扣锁9之间应预留适当空间使得防屈曲板3无面外压力，并通过高强度螺栓11提供扣锁之间的紧固力，带限位功能的加劲肋4即提高防屈曲板3的面外刚度又限制防屈曲板3与预应力扣锁9的水平相对滑动，多组耗能金属板1并联时，应设置隔板17，隔板17应设置光滑凹面18，L型支座6设置限位键7防止防屈曲板3与L型支座6脱落，同一个L型支座6上的两个限位键7之间应保留合适空间使得防屈曲板3在耗能器工作时跟随耗能金属板1适当平移，耗能金属板1开设多个等屈服强度线形状优化的菱形开孔孔型2，耗能器表面可喷涂抗氧化剂。

连接构件的抗剪强度不应小于耗能器的抗剪承载力，耗能器的刚度可根据开孔大小与数量灵活调整。在小震下，耗能金属板1保持弹性，提供维持结构需求的初始刚度。在中震下，耗能器先于其他构件进入弹塑性或全塑性状态，利用面内变形耗散地震能，保护了连接构件，提高了结构的安全性。在大震下，耗能器进入较大的塑性状态，吸收了结构中传导来的大部分地震能量，减少结构的地震响应。该耗能器也可用于高层或者超高层建筑抗风工程，减少风能对结构产生的振动能量。

本发明适用于建筑结构或桥梁结构在遭遇地震或大风时相对剪切变形较大的区域，如核心筒的连梁、框架梁层间、斜撑节点或桥梁支座。可根据实际结构的需求与尺寸限制将多个耗能器灵活地并联与串联，或者将多个耗能金属板1并联组成一个耗能器使用。

该发明将振动能量引导到耗能器上，地震或者风震时，保护其他结构构件（如斜撑、连梁、墙肢、桥梁支座）免受破坏，使损伤发生在耗能器上，灾后耗能器往往发生较大的残余变形，通过摩擦板10与高强螺栓11以及滑道19的配合并按照逐渐卸载残余应力法20循序渐进的卸载耗能器的残余应力。随后将新的耗能器安装上。

逐渐卸载残余应力法20的具体做法是，先沿着滑道19拆掉耗能金属板1残余变形方向一侧的高强螺栓11，然后依次向反方向拆除螺栓，注意在拆除一个螺栓时，应保持其他未拆除螺栓的紧固状态。该做法的优点是：当耗能器存在残余大变形时，L型支座6与预埋连接钢板14间存在较大的剪切力，此时保持螺栓的紧固状态，则该剪切力可由摩擦板10内外两侧的摩擦力来承担，而滑道19在耗能金属板1残余变形一侧的高强螺栓11与L型支座6之间的剪切力并不大，此时可先行卸掉这个螺栓，随后再依次向反方向拆卸其他螺栓，这使得摩擦力逐渐减小，同时滑道19中沿着残余变形方向的螺栓间隙逐渐增加，当摩擦板10两侧的摩擦力小于支座6与预埋连接钢板14之间的剪切力时，支座6开始滑动，残余变形逐渐变小，同时剪切力也逐渐变小至小于摩擦板10两侧的摩擦力，这时支座6停止滑动，此时可继续按顺序拆卸螺栓，达到逐渐卸载残余应力的效果。保护了施工人员的安全，提升拆卸过程的可操作性。

最终达到了结构损伤可控、灾后可快速修复功能、减少人员伤亡与经济损失的目的。

本发明的有益效果：

本发明的耗能部位采用基于经典力学原理推导的优化开孔，耗能分布均匀，截面利用率高；采用无焊缝拼接，避免热应力影响；采用全螺栓装配，配合滑道与摩擦板，运用“逐渐卸载残余应力法”可实现震后快速更换，以恢复整体结构的使用功能。本发明的所有部件均为钢材，材料表层喷涂隔氧层，耐久性良好；本发明除了耗能金属板以外的部分在工作时均保持弹性，在大地震过后，仅需更换耗能金属板，其他部件可再次使用，减少结构的灾后维修成本；本发明力学机理明确、抗震性能稳定、可靠度高；本发明在结构遭遇地震或风振时能有效吸收振动产生的能量，减小结构主体的动力反应，保护整体结构的稳定性；本发明的承载力与弹性刚度灵活可调，在有限的空间内，通过开孔的大小与数量实现刚度与强度的解耦调整，也可根据需求，将多个耗能器进行串、并联组装，适用于实际工程；本发明可用于高层、超高层建筑结构消能减震，如连梁跨中、框架结构的层间、节点，亦可作为桥梁结构的支座隔震挡块，抗震效果明显。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例1的结构示意图。

图2：本发明实施例1的耗能金属板1示意图。

图3：本发明实施例1的L型支座6示意图。

图4：本发明实施例1的防屈曲板3示意图。

图5：本发明实施例1的预应力扣锁9示意图。

图6：本发明实施例1的摩擦板10示意图。

图7：本发明实施例1的预埋连接钢板14示意图。

图8：本发明实施例2的剖面图。

图9：本发明实施例2的隔板17示意图。

图10：本发明实施例3的结构示意图。

图11：本发明实施例4的结构示意图。

图中，1-耗能金属板，2-等屈服强度线形状优化的菱形开孔孔型，3-防屈曲板，4-带限位功能的加劲肋，5-光滑面，6-L型支座，7-限位键，8-摩擦面，9-预应力扣锁，10-摩擦板，11-高强度螺栓，12-螺母，13-垫片，14-预埋连接钢板，15-锚固件，16-带螺纹的螺栓孔，17-隔板，18-光滑凹面，19-滑道。

具体实施方式

实施例1

图1是本实施例的结构示意图。本实施例是由耗能金属板1，等屈服强度线形状优化的菱形开孔孔型2，防屈曲板3，带限位功能的加劲肋4，光滑面5，L型支座6，限位键7，摩擦面8，预应力扣锁9，摩擦板10，高强度螺栓11，螺母12，垫片13，预埋连接钢板14，锚固件15，带螺纹的螺栓孔16，滑道19构成。组装时，耗能金属板1、L型支座6按螺栓孔对应位置定位，并利用高强度螺栓11、螺母12与垫片13进行固定。将防屈曲板3放置耗能金属板1的内外两侧，带限位功能的加劲肋4朝外，每个防屈曲板3需定位在两个限位键7以内，通过内外两侧的预应力扣锁9将防屈曲板3限位，利用高强度螺栓11、螺母12和垫片13将防屈曲板3与预应力扣锁9连接并提供适当预紧力，预应力扣锁9应充分考虑厚度，同一个支座上的两个限位键7应充分考虑间距，使得防屈曲板3可在平行耗能金属板1的小范围内移动，且阻力很小，并能够约束耗能金属板1在工作时的面外变形。预埋连接钢板14与适当个数的锚固件15预埋在连梁Ⅰ里，且应具有足够的抗剪、抗弯承载力，并与混凝土协同工作。按上述组装后将L型支座6、摩擦板10通过高强度螺栓11、螺母12以及垫片13与预埋连接钢板14相连，最后将金属表面喷涂隔氧材料，防止钢材生锈。

图2是本实施例的耗能金属板1示意图，板面上可开设多行、多列等屈服强度线形状优化的菱形开孔孔型2，使得截面塑性变形分布均匀、充分耗能。两端按设计规范设计适当数量的螺栓孔，螺栓孔周围的夹持部位需在内外两侧设置摩擦面8，增强锚固效果。

图3是L型支座6示意图，在螺栓周围的夹持部位设置摩擦面8。在与耗能金属板1夹持一侧设置相应的螺栓孔以及限位键7，两个限位键7应保持适当距离（建议大于耗能器的0.5倍极限位移），以提供防屈曲板3的正常移动空间。限位键7应设计适当高度防止防屈曲板3在工作时滑出L型支座6。在与预埋连接钢板14连接一侧设置适当长度的滑道19，以配合摩擦板10实施“逐渐卸载残余应力法20”。

图4是本实施例的防屈曲板3示意图，外侧设置带限位功能的加劲肋4，2个加劲肋之间可固定1个预应力扣锁9，且可以增加防屈曲板3的平面外刚度，实现“一物两用”的功能。内侧设置光滑面5，用于减小防屈曲板3与耗能金属板1之间的摩擦。

图5是本实施例的预应力扣锁9示意图，其厚度设计应适当考虑防屈曲板3的适当平动，2个预应力扣锁9通过高强度螺栓11固定并提供预紧力，以约束防屈曲板3的面外变形。

图6是本实施例的摩擦板10示意图，应具有较大的面内刚度与强度。

图7是本实施例的预埋连接钢板14示意图，表面设置摩擦面8，开设相应的带螺纹的螺栓孔16，设置适当的锚固件15来提供抗剪、抗弯承载力，且与混凝土协同工作。

实施例2

图8是本实施例的结构剖面图。将多片耗能金属板1并联，1个隔板17将2片耗能金属板1隔开。当耗能器工作时，既约束耗能金属板1的面外变形又避免多片耗能金属板1之间的相互干扰，其余构造同实施例一。

图9是本实施例的1对隔板17示意图，中部内外两侧设置光滑凹面18，以减少与耗能金属板1的摩擦，可采用铣床工艺。两端开设相应螺栓孔，孔周围的夹持部位设置摩擦面8。平面内的1对隔板17之间应预留适当缝隙，以提供相对剪切运动以及轴向变形的空间。

实施例3

图10是本实施例的结构示意图。在框架结构的上下梁之间设置多个耗能器，地震或风振时，框架结构层间产生剪切相对位移，利用耗能器的面内剪切滞回机制进行耗能，耗能器上端预埋进框架梁的上层框架梁Ⅱ的混凝土部分，下端预埋进连接支墩Ⅲ中，连接支墩的强度应大于耗能器的抗剪承载力，连接支墩Ⅲ与下层框架梁Ⅳ相连。耗能器可根据实际空间与设计需求，进行多排多列放置。其他构造与实施例1相同。

实施例4

图11是本实施例的结构示意图。耗能器Ⅴ与上层框架梁Ⅱ和连接支撑Ⅵ相连，上下框架梁中的空隙布置填充墙Ⅶ。连接支撑Ⅵ宜采用钢结构，应具有足够的刚度与强度。连接支撑Ⅵ同时对填充墙Ⅶ起到加固作用，地震来临时，耗能器Ⅴ开始工作，层间剪切位移使得填充墙Ⅶ充满裂缝，甚至“外闪”，连接支撑Ⅵ有效地约束填充墙Ⅶ的破裂行为，防止非结构构件倒塌对人员造成的伤害。

以上是本发明的典型实例，本发明的实施不限于此。

Claims (7)

1.一种震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器包括有：耗能金属板1，等屈服强度线形状优化的菱形开孔孔型2，防屈曲板3，带限位功能的加劲肋4，光滑面5，L型支座6，限位键7，摩擦面8，预应力扣锁9，摩擦板10，高强度螺栓11，螺母12，垫片13，预埋连接钢板14，锚固件15，带螺纹的螺栓孔16，隔板17，光滑凹面18，滑道19，逐渐卸载残余应力法20，其中预埋连接钢板14带预埋锚固件15与连接构件的混凝土部分浇筑成一体，预埋连接钢板14开有带螺纹的螺栓孔16用以连接摩擦板10以及L型支座8，耗能金属板1利用高强度螺栓11通过L型支座6与预埋连接钢板14相连，L型支座6与预埋连接钢板14之间夹持摩擦板10，耗能金属板1、L型支座6、以及摩擦板10的相互连接处设置摩擦面8并开设螺栓孔，L型支座6与摩擦板连接端开设滑道19方便分阶段卸载震后残余应力，防屈曲板3外侧设置带限位功能的加劲肋4、内测设置光滑面5减小对耗能金属板1的摩擦，防屈曲板3通过预应力扣锁9限制面外位移，内外两个预应力扣锁9之间应预留适当空间使得防屈曲板3无面外压力，并通过高强度螺栓11提供扣锁之间的紧固力，带限位功能的加劲肋4即提高防屈曲板3的面外刚度又限制防屈曲板3与预应力扣锁9的水平相对滑动，多组耗能金属板1并联时，应设置隔板17，隔板17应设置光滑凹面18，L型支座6设置限位键7防止防屈曲板3与L型支座6脱落，同一个L型支座6上的两个限位键7之间应保留合适空间使得防屈曲板3在耗能器工作时跟随耗能金属板1适当平移，耗能金属板1开设多个等屈服强度线形状优化的菱形开孔孔型2，耗能器表面可喷涂抗氧化剂。

2.根据权利要求1所述的震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器，其特征在于，耗能金属板1截面开设多排多列的等屈服强度线形状优化的菱形开孔孔型2，工作时，减小累计塑性应变，缓解应力集中现象，提高设备的整体耗能能力。

3.根据权利要求1所述的震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器，其特征在于，耗能金属板1由防屈曲板3夹紧形成防屈曲机制。

4.根据权利要求1所述的震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器，其特征在于，带限位功能的加劲肋4对防屈曲板3即起到面外约束作用，又起到限制防屈曲板3的平面位移作用，实现一种构造两种用途。

5.根据权利要求1所述的震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器，其特征在于，限位键7依托于L型支座6对防屈曲板3起到限位作用，提高防屈曲能力。

6.根据权利要求1所述的震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器，其特征在于，滑道19配合摩擦板10与高强螺栓11，在震后即使存在残余变形的情况下，仍可实现安全、快速更换。

7.根据权利要求1所述的震后可更换的等屈服强度线形状优化的菱形开孔防屈曲型金属耗能器，其特征在于，逐渐卸载残余应力法20可指导震后耗能器在存在残余变形情况下，循序渐进的卸载耗能器的残余应力。