CN109098305B - 一种自复位支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程耗能减震技术领域，公开了一种自复位支撑结构，包括耗能组件和弹性复位组件；所述耗能组件包括防屈曲支撑；所述弹性复位组件包括第一推拉杆、第二推拉杆、弹性件、第一外锚固板、第二外锚固板、内套管和外套管。本发明的有益效果包括：1、弹性件与防屈曲支撑并联，使得整个自复位支撑结构的轴力为弹性件复位力和防屈曲支撑轴力之和，其力学性能稳定，变形能力强；2、弹性件与两外锚固板连接，可通过调节弹性件的初始形变来实现预应力可调，可应对后期自复位支撑结构松弛等不利现象，并且后期拆卸修理也比较方便。

Description

一种自复位支撑结构

技术领域

本发明涉及土木工程耗能减震技术领域，尤其是涉及一种自复位支撑结构。

背景技术

一次地震动给结构输入的能量与结构自重和基本周期相关。耗能减振技术通过在结构中设置被动阻尼装置，消耗部分本来由结构构件(例如梁柱结点)消耗的地震能量，大大减轻了结构的变形和损伤。被动耗能减震技术是目前被国际上认为最有效、最可行且最可靠的减震技术。摩擦阻尼器作为一种被动耗能装置，因其耗能能力强，荷载及其频率的大小对其性能影响不大，且构造简单，取材容易，造价低廉，因而具有很好的应用前景；防屈曲支撑因其饱满稳定的滞回耗能性能，较好的变形能力而受到研究者和工程师的青睐。然而摩擦阻尼器和防屈曲支撑在大震作用下产生不可忽略的残余变形，震后受损结构修复困难，费时费财，防屈曲支撑的更换也很困难，且耗资巨大。合理设计的自复位摩擦阻尼器和自复位防屈曲支撑能较好地控制甚至消除自身的残余变形，也可以减少结构的残余变形，提高结构震后功能可恢复性能，为可恢复城市的构建提供利器。然而现有的自复位装置存在较多的弊端，难以满足实际工程应用：形状记忆合金丝作为复位材料的自复位装置造价昂贵，力学性能不稳定，随温度变化有较大的波动；预应力钢绞线自复位装置存在变形能力不足的缺陷；碟簧自复位装置加载困难，构造复杂。因此，研究出新型变形能力强、造价低廉、制造相对简单、性能稳定的自复位耗能装置是实际工程应用急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种自复位支撑结构，解决现有技术中自复位装置力学性能不稳定、变形能力不足的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种自复位支撑结构，包括耗能组件和弹性复位组件；

所述耗能组件包括防屈曲支撑；

所述弹性复位组件包括第一推拉杆、第二推拉杆、弹性件、第一外锚固板、第二外锚固板、内套管和外套管；

所述防屈曲支撑两端分别连接所述第一推拉杆和所述第二推拉杆；所述内套管套设于所述防屈曲支撑，所述外套管滑动套设于所述内套管，且所述内套管和所述外套管的相对端分别连接所述第一推拉杆和所述第二推拉杆；所述弹性件设于所述内套管与所述防屈曲支撑之间，且与所述防屈曲支撑并联，所述弹性件的两端分别连接所述第一外锚固板和所述第二外锚固板；所述第一外锚固板与所述外套管和/或所述内套管抵接，所述第二外锚固板套设于所述防屈曲支撑上，且与所述内套管和/或所述外套管抵接。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：1、弹性件与防屈曲支撑并联，使得整个自复位支撑结构的轴力为弹性件复位力和防屈曲支撑轴力之和，其力学性能稳定，变形能力强，复位性能可靠，防屈曲支撑发生塑性残余变形时，弹性组件能提供复位力将防屈曲支撑拉伸或者压缩到原长，消除防屈曲支撑的残余变形；2、弹性件与两外锚固板连接，可通过调节弹性件的初始形变来实现预应力可调，可应对后期自复位支撑结构松弛等不利现象，并且后期拆卸修理也比较方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明拉伸状态示意图；

图3是本发明压缩状态示意图；

图4是第一内锚固板的结构示意图；

图5是第二内锚固板的结构示意图；

图6是防屈曲支撑的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种自复位支撑结构，如图1所示，包括耗能组件1和弹性复位组件2；所述耗能组件1包括防屈曲支撑1a；所述弹性复位组件2包括第一推拉杆21a、第二推拉杆21b、弹性件22、第一外锚固板23a、第二外锚固板23b、内套管24a和外套管24b。

所述防屈曲支撑1a两端分别连接所述第一推拉杆21a和所述第二推拉杆21b；所述内套管24a套设于所述防屈曲支撑1a，所述外套管24b滑动套设于所述内套管24a，且所述内套管24a和所述外套管24b的相对端分别连接所述第一推拉杆21a和所述第二推拉杆21b；所述弹性件22设于所述内套管24a与所述防屈曲支撑1a之间，且与所述防屈曲支撑1a并联，所述弹性件22的两端分别连接所述第一外锚固板23a和所述第二外锚固板23b；所述第一外锚固板23a与所述外套管24b和/或所述内套管24a抵接，所述第二外锚固板23b套设于所述防屈曲支撑1a上，且与所述内套管24a和/或所述外套管24b抵接。

在主体结构受到振动的过程中，自复位支撑结构两端的第一推拉杆21a和第二推拉杆21b受力发生位移，从而带动内外套管发生错动，自复位支撑结构在外力作用下总长度被拉伸或压缩。弹性件22与防屈曲支撑1a并联，使弹性复位组件2能够分担耗能组件1所承担的轴向支撑力，力学性能稳定，变形能力强。

作为优选的，所述弹性件22包括组合碟簧22a、第一预应力筋22b和第二预应力筋22c，所述组合碟簧22a套设于所述防屈曲支撑1a，所述第一预应力筋22b和第二预应力筋22c串联于所述组合碟簧22a两端，且分别锚定于所述第一外锚固板23a和第二外锚固板23b。碟簧承载力高，变形能力强，缓冲吸振性能好，适合于轴向空间小的受力环境；可采用不同的组合方式，能使弹簧特性在很大范围内变化，碟簧对合组合变形能力成倍提高，叠合组合承载力成倍增大，可以是对合或叠合的组合方式，也可是对合和叠合的复合组合形式；其维修换装容易，经济、安全性高，耐疲劳性好，使用寿命长。组合碟簧22a与预应力筋串联组合成自复位组件，变形能力为组合碟簧22a变形能力和预应力筋变形能力之和，即变形能力得到极大增强，使自复位支撑结构在大震和超大震中依然能正常工作，为主体结构提供耗能和复位功能。弹性件22与两外锚固板采取后张拉锚固方法连接，可通过调节弹性件22的初始形变来实现预应力可调，可应对后期自复位支撑结构松弛等不利现象，并且后期拆卸修理也比较方便。采用后张拉预应力筋的方法同时给串联的弹性件22和预应力筋施加预力，消除碟簧复位单元和防屈曲支撑1a之间的轴向安装间隙，简化了施加预力的方法，同时降低弹性复位组件2施加预压力和制造难度，推广碟簧在弹性复位组件2中的应用。

给弹性复位组件施加的预力，应略大于防屈曲支撑的屈服轴力，保证弹性复位组件能将发生残余变形的防屈曲支撑强行拉伸或者压缩至原长，消除防屈曲支撑的残余变形。

作为优选的，所述弹性复位组件2还包括与所述组合碟簧22a两端连接且套设于所述防屈曲支撑1a上的第一内锚固板23c和第二内锚固板23d，所述第一预应力筋22b与所述第一内锚固板23c锚定连接，所述第二预应力筋22c与所述第二内锚固板23d锚定连接。两内锚固板一来便于两预应力筋的锚定，二来使组合碟簧的受力更加均匀，充当预应力筋和碟簧的连接传力构件。

作为优选的，所述第一内锚固板23c位于所述组合碟簧22a与第二外锚固板23b之间，所述第二内锚固板23d位于所述组合碟簧22a与第一外锚固板23a之间。参见图2和图3，自复位支撑结构两端发生拉伸或者压缩的轴向位移时，内外套筒发生相对错动，内外套筒的总长度延长，强迫牵拉预应力筋，预应力筋伸长，由于预应力筋交叉锚固在组合碟簧22a两端，组合碟簧22a被压缩，使得无论自复位防屈曲支撑1a两端发生拉伸或者压缩的轴向位移，组合碟簧22a始终是压缩状态，预应力筋始终是拉伸状态。

作为优选的，如图4所示，所述第一内锚固板23c上设有用于所述第二预应力筋22c穿过的通孔25a，所述第二内锚固板23d上设有用于所述第一预应力筋22b穿过的通孔25b，如图5所示。通孔可便于预应力筋的合理布局，锚固孔26用于锚固预应力筋。

作为优选的，所述第一内锚固板23c上的通孔与所述第二内锚固板23d上的通孔相差90°的相位差，这样可使第一预应力筋22b和第二预应力筋22c互不干扰，且使两内锚固板受力均匀。

作为优选的，如图6所示，所述防屈曲支撑1a包括一字芯板a1，套设于所述一字芯板a1的圆钢管a2，及设于所述一字芯板a1轴向两端的加劲肋a3，所述一字芯板a1与圆钢管a2之间充满水泥砂浆填充物。一字芯板a1在圆钢管a2内具备一定可伸缩性，以满足主体结构形变要求。圆钢管a2和水泥砂浆组合成钢管混凝土约束构件，为一字芯板a1提供径向支撑，以克服一字芯板a1的径向变形。

作为优选的，所述一字芯板与水泥砂浆填充物接触的表面设有脱离层。

作为优选的，所述外套管、内套管、第一推拉杆、第二推拉杆、第一外锚固板、第二外锚固板、第一内锚固板和第二内锚固板均为常用钢结构用钢，如Q235钢、Q345钢、Q490钢等，承载力需满足要求；所述一字芯板为Q235钢或者低屈服点软钢，如Q195钢、Q160钢、Q100钢等；所述第一预应力筋和第二预应力筋均为预应力钢绞线，可以是1720级预应力钢绞线、1860级预应力钢绞线、或1960级预应力钢绞线等。

土木工程结构领域定义，层间位移角为层间水平相对位移与层高的比值，同一结构在不同等级烈度的地震作用下结构的层间位移角不同，一般情况烈度越大，层间位移角越大，结构破坏越严重。本自复位防屈曲支撑一般长5-8m，在框架结构中的布置方案有对角布置、人字形布置和V形布置。合理设计的自复位防屈曲支撑，在框架结构到达0.2％层间位移角后防屈曲支撑的耗能一字芯板进入屈服而消耗地震输入给结构的能量，在框架结构到达3％～5％层间位移角时破坏。本自复位防屈曲支撑中的预应力筋能提供大概0.6％～0.7％的框架层间位移角对应的弹性变形，其余部分弹性变形需求由碟簧对合组合数来满足要求，预计可以到达2～4％层间位移角对应的变形能力，能够包络GB50011-2010建筑结构抗震设计规范表5.5.5弹塑性层间位移角限值(例如钢筋混凝土框架结构限值2％，多高层钢结构限值2％，单层钢筋混凝土柱排架限值1/30)，变形能力满足结构大震下层间变形能力的需求，保证弹性复位组件在地震中不先于结构失效；弹性复位组件的最大出力可以通过合理选取碟簧的型号、叠合的层数以及预应力筋的型号和数量来控制，满足土木工程自复位支撑大震下最大出力的需求。碟簧的数量、组合方式、位置在空间允许范围，可以根据支撑的变形和出力要求灵活布置。预应力筋的长度得到了延长，可以增加复位装置的变形能力。

本自复位支撑结构的取材都为廉价材料，制作相对简单，无复杂机构和特殊处理工艺，造价相对较低，且变形能力增强。可解决现有预应力筋自复位装置变形能力不足、形状记忆合金自复位装置造价高、碟簧自复位装置施加预力困难且构造复杂等问题。本方案通过合理设计，能做到弹性复位组件在大震下保持弹性，并提供复位功能，减少甚至消除自复位防屈曲支撑1a的残余变形，减小结构的残余变形。

本自复位支撑结构的制作方法如下：

S1、制作防屈曲支撑，将一字芯板轴向两端焊接加劲肋，做好脱离层后，推入圆钢管中定位，再向圆钢管内的间隙处灌入水泥砂浆，振捣、标准养护；

S2、将防屈曲支撑与第一推拉杆焊接，向第一推拉杆上串第一外锚固板，向防屈曲支撑上串上第二内锚固板、碟簧垫片、组合碟簧、第一内锚固板，将第一预应力筋穿过第二内锚固板的通孔，并使其两端分别与第一外锚固板和第一内锚固板相锚固，将第二预应力筋穿过第一内锚固板的通孔，且一端与第二内锚固板相锚固；

S3、将S2中组装的部件，整体推入内套管，第一推拉杆与内套管左端在预留的焊接处焊接；

S4、将S3中组装的部件，整体推入外套管，将第二外锚固板串上防屈曲支撑，将第二预应力筋穿过第二外锚固板预留孔，捋直第二预应力筋，通过锚具使其临时锚固在第二外锚固板上；

S5、将外套管与第二推拉杆的T形连接杆焊接，开始按设定的程序逐根张拉预应力筋，到设定的预拉力，组装完毕。

注意，焊接时需控制预应力筋锚固板的温度，可在传热路径中采用压缩空气冷却或者冰袋冷却。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种自复位支撑结构，其特征在于：包括耗能组件和弹性复位组件；

所述耗能组件包括防屈曲支撑；

所述弹性复位组件包括第一推拉杆、第二推拉杆、弹性件、第一外锚固板、第二外锚固板、内套管和外套管；

所述防屈曲支撑两端分别连接所述第一推拉杆和所述第二推拉杆；所述内套管套设于所述防屈曲支撑，所述外套管滑动套设于所述内套管，且所述内套管和所述外套管的相对端分别连接所述第一推拉杆和所述第二推拉杆；所述弹性件设于所述内套管与所述防屈曲支撑之间，且与所述防屈曲支撑并联，所述弹性件的两端分别连接所述第一外锚固板和所述第二外锚固板；所述第一外锚固板与所述外套管和/或所述内套管抵接，所述第二外锚固板套设于所述防屈曲支撑上，且与所述内套管和/或所述外套管抵接；

其中，所述弹性件包括组合碟簧、第一预应力筋和第二预应力筋，所述组合碟簧套设于所述防屈曲支撑，所述第一预应力筋和第二预应力筋串联于所述组合碟簧两端，且分别锚定于所述第一外锚固板和第二外锚固板；

所述弹性复位组件还包括与所述组合碟簧两端连接且套设于所述防屈曲支撑上的第一内锚固板和第二内锚固板，所述第一预应力筋与所述第一内锚固板锚定连接，所述第二预应力筋与所述第二内锚固板锚定连接；

所述防屈曲支撑包括一字芯板，套设于所述一字芯板的圆钢管，及设于所述一字芯板轴向两端的加劲肋，所述一字芯板与圆钢管之间充满水泥砂浆填充物；所述一字芯板与水泥砂浆填充物接触的表面设有脱离层；所述一字芯板为Q235钢、Q195钢、Q160钢或Q100钢；所述第一预应力筋和第二预应力筋均为预应力钢绞线。

2.根据权利要求1所述的自复位支撑结构，其特征在于：所述第一内锚固板位于所述组合碟簧与第二外锚固板之间，所述第二内锚固板位于所述组合碟簧与第一外锚固板之间。

3.根据权利要求2所述的自复位支撑结构，其特征在于：所述第一内锚固板上设有用于所述第二预应力筋穿过的通孔，所述第二内锚固板上设有用于所述第一预应力筋穿过的通孔。

4.根据权利要求3所述的自复位支撑结构，其特征在于：所述第一内锚固板上的通孔与所述第二内锚固板上的通孔相差90°的相位差。