基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置及制作方法

摘要

本发明涉及一种基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置及制作方法，属于结构抗震和震后可恢复技术领域。包括：盖板、钢板耗能内芯、填充板和细直径高强螺栓和粗直径高强螺栓；钢板耗能内芯包括A类钢板耗能内芯以及B类钢板耗能内芯；其沿长度方向设有两类长条孔，分别供环形SMA拉索和施加预紧力的高强螺栓穿过。在正常运营或小震作用下，通过限位滑动连接组件满足结构的变形需求；在中震作用下，耗能钢板的相对位移使得环形SMA拉索受拉，装置的自复位能力被激活，通过耗能钢板间摩擦装置的一级耗能能力被激活；在大震作用下，高强螺栓开始与孔壁接触，耗能钢板开始进入塑性，装置的二级耗能能力也被激活。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置及制作方法，属于结构抗震和震后可恢复技术领域。

背景技术

现有的结构延性抗震设计和减隔震设计，虽有效实现了震后结构不倒塌的抗震设计理念，但震后结构残余位移引起结构修复性难度增大，甚至导致结构功能丧失，使得直接或间接的经济损失巨大，因而结构震后可恢复性需求十分迫切。

目前防屈曲约束支撑在地震作用下的耗能能力十分可观，但发生的塑性变形无法恢复，不能满足结构自复位的要求。近年来涌现出的自复位防屈曲约束耗能支撑，其构造多以耗能系统和自复位系统并联协同工作为主，两者相互独立，需要复杂的耦合构造才能实现协调性，而且由于兼顾复位性能，支撑的耗能性能变弱。为此，研究一种可以有效利用防屈曲约束支撑耗能芯材的延性，大大提高结构耗能能力且不影响自复位能力的装置是非常必要的。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置及制作方法，其充分发挥耗能钢板延性，将耗能系统与自复位系统串联成为一个系统，满足分级抗震设防理念的自复位防屈曲约束支撑装置，即在正常使用或小震作用下装置不启动，满足结构的变形需求，中震作用下激活装置的一级耗能性能和自复位性能，大震作用下保证装置稳定的自复位性能且使二级耗能性能被激活。本发明实现了分级耗能系统和自复位系统的串联构造，优化了以往自复位耗能装置耗能能力不足的问题，而且环形SMA拉索和耗能钢板内芯在震后能便捷地更换。

为解决上述技术问题，本发明所采取了如下技术方案：

一种基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置，包括：盖板、钢板耗能内芯、填充板和细直径高强螺栓和粗直径高强螺栓；所述钢板耗能内芯包括A类钢板耗能内芯以及B类钢板耗能内芯；

其中，A类钢板耗能内芯为两块，B类钢板耗能内芯为一块；每块A类钢板耗能内芯的厚度是B类钢板耗能内芯的一半，所述B类钢板耗能内芯夹在两块A类钢板耗能内芯之间；A类钢板耗能内芯和B类钢板耗能内芯之间通过粗直径高强螺栓连接；所述粗直径高强螺栓施加有预紧力，粗直径高强螺栓的螺帽和螺母可伸入盖板上的预留孔内；

所述钢板耗能内芯的两侧均设置有填充板；所述盖板为上、下两块，上、下两块盖板之间夹设有所述钢板耗能内芯以及填充板，即A类钢板耗能内芯以及B类钢板耗能内芯均包裹在上、下两块盖板以及两侧的填充板中间；所述盖板和填充板之间通过细直径高强螺栓连接；

所述钢板耗能内芯均包括一体连接的端部段、过渡段以及核心段；所述钢板耗能内芯的核心段上设置有多组Ⅰ类长条形开孔以及多组Ⅱ类长条形开孔，Ⅰ类长条形开孔设置在Ⅱ类长条形开孔两侧，即Ⅱ类长条形开孔间隔设置在多组Ⅰ类长条形开孔中间；其中，Ⅰ类长条形开孔用于环形SMA拉索穿过，Ⅱ类长条形开孔用于安装粗直径高强螺栓；A类钢板耗能内芯以及B类钢板耗能内芯上的各类开孔位置对应；

所述环形SMA拉索为对称设计的两根，每根依次穿过一组Ⅰ类长条形开孔以及与之对应的盖板上的长条孔；环形SMA拉索的两个端头在约束装置的中部位置用拉索连接头连接，使得环形SMA拉索闭环，保证环形SMA拉索贴紧孔壁，此外，所述Ⅰ类长条形开孔以及长条孔内还均套设有管状凸出构造物，环形SMA拉索套设在管状凸出构造物内部；

所述钢板耗能内芯的端部段外侧均固定设置有端板，端板与端部段的连接处均设置有加劲肋；其中，与A类钢板耗能内芯连接的端板的外侧还设置有限位连接活动组件，与B类钢板耗能内芯连接的端板的外侧设置有活动铰；

该分级耗能型自复位防屈曲约束装置的分级耗能性能主要由A类钢板耗能内芯和B类钢板耗能内芯间的摩擦和钢板耗能内芯的塑性变形来提供。

进一步地，所述填充板的宽厚可调；通过调整填充板的宽厚，可使得A类钢板耗能内芯、B类钢板耗能内芯与盖板和填充板之间留有一定的间隙，为A类钢板耗能内芯以及B类钢板耗能内芯提供所需的横向变形空间。

进一步地，所述限位连接活动组件为板式抽拉式结构，其包括开有圆端头长条形孔的两竖肢钢板和开有圆形孔的两竖肢钢板，两竖肢钢板与一块构造竖肢钢板相连接，两竖肢钢板与所述端板相连接，两竖肢钢板与两竖肢钢板之间通过连接销轴连接，连接销轴可在两竖肢钢板的圆端头长条形孔中滑动。

进一步地，所述活动铰包括开有圆形孔的两竖肢钢板和开有圆形孔的两竖肢钢板，两竖肢钢板与一块构造竖肢钢板相连接，两竖肢钢板与所述端板相连接，两竖肢钢板与两竖肢钢板之间通过连接销轴连接，连接销轴穿过两竖肢钢板和两竖肢钢板上的圆形孔；即活动铰与限位连接活动组件的区别只在于竖肢钢板的开孔均为圆形孔，而其余构造与连接措施均与限位连接活动组件相同。

进一步地，当分级耗能型自复位防屈曲约束装置受到拉、压作用力时，A类钢板耗能内芯、B类钢板耗能内芯开始产生相对位移，由于Ⅰ类长条形开孔的存在，使得环形SMA拉索两端，分别只与Ⅰ类长条形开孔的孔壁开始接触，接触区域产生的作用力使环形SMA拉索总是处于受拉状态，从而实现装置的自复位性能。

进一步地，设所述限位连接活动组件的连接销轴在受拉、受压时的滑动极限位移值为S，用来供粗直径高强螺栓穿过的Ⅱ类长条形开孔的长度为L，粗直径高强螺栓的直径D，粗直径高强螺栓与Ⅱ类长条形开孔的孔壁的净间距为Δ＝(L-D)/2，则所述的分级耗能型自复位防屈曲约束支撑装置，其一级耗能能力启动阈值为滑动极限位移值S；此时A类钢板耗能内芯、B类钢板耗能内芯开始发生相对位移，环形SMA拉索开始受拉，通过A类钢板耗能内芯、B类钢板耗能内芯间的摩擦来提供耗能能力；当加载位移达到S+2Δ时，此时穿过Ⅱ类长条形开孔的粗直径高强螺栓与Ⅱ类长条形开孔的孔壁开始接触，A类钢板耗能内芯、B类钢板耗能内芯开始进入塑性，同时环形SMA拉索也开始进入塑性，分级耗能型自复位防屈曲约束装置的二级耗能能力被激活。

进一步地，所述管状凸出构造物为带有弧形曲面的管状凸出构造物，用于减轻环形SMA拉索的磨损和避免粗直径高强螺栓的干扰。

进一步地，所述管状凸出构造物可采用滑轮替代。

进一步地，所述环形SMA拉索可分批设置，通过设置不同的松弛长度分批进入塑性，进而使得装置的自复位性能更加富余。

上述一种基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：采用同类型低强度钢板切割出A类钢板耗能内芯、B类钢板耗能内芯，按照其构造要求，使其具备端部段、过渡段以及核心段，并在核心段依据所需穿孔类型开设多组Ⅰ类长条形开孔以及多组Ⅱ类长条形开孔，并对Ⅰ类长条形开孔孔壁边缘进行倒圆处理；

步骤二：采用高强度钢材制作盖板、填充板、内部带有弧形曲面的管状凸出构造物、端板、加劲肋、限位连接活动组件及活动铰；

步骤三：盖板总计两块，盖板之间直接与其相连的是填充板，填充板形状与钢板耗能内芯外形对应匹配，并采用细直径高强螺栓将盖板与填充板相连接；在盖板与填充板之间是A类钢板耗能内芯、B类钢板耗能内芯，A类钢板耗能内芯、B类钢板耗能内芯之间通过粗直径高强螺栓相连接，并且粗直径高强螺栓需要施加预紧力，其螺帽和螺母可伸入盖板的预留孔，预留孔不应设置过大，需要兼顾对螺栓的限位作用；A类钢板耗能内芯、B类钢板耗能内芯与盖板、填充板间，通过填充板的宽厚构造，留有一定的间隙，为A类钢板耗能内芯和B类钢板耗能内芯提供所需的横向变形空间；内部带有弧形曲面的管状凸出构造物上下端焊接在盖板的长条孔上；

步骤四：A类钢板耗能内芯和B类钢板耗能内芯端部设置端板，在连接处设置加劲肋，用来提高结构稳定性和使结构受力更合理；在端板外侧分别设置限位连接活动组件及活动铰；

步骤五：穿设环形SMA拉索，环形SMA拉索通过钢板耗能内芯的Ⅰ类长条形开孔、盖板上的长条孔以及穿过内部带有弧形曲面的管状凸出构造物，在装置中部位置利用拉索连接头连接形成闭环，保证环形SMA拉索贴紧孔壁，从而完成分级耗能型自复位防屈曲约束装置的制作。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明所提供的一种基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置，力学原理明确，结构构造简单，实现了耗能系统与自复位系统的串联构造，不仅安全可靠，而且有利于发挥钢材延性，利用环形SMA拉索实现稳定、优异的自复位性能的同时，使得装置的耗能性能分级，耗能能力得以提升和优化，可经过设计，在正常使用或小震作用下满足结构的变形需求，在中震作用下激活自复位性能和一级耗能能力，在大震作用下下保证装置稳定的自复位性能且使二级耗能能力被激活，环形SMA拉索和耗能钢板还具有方便更换的特点。

附图说明

图1是本发明的基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置的立体图；

图2是本发明的基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置的前视图；

图3是本发明的基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置的俯视图；

图4是钢板耗能内芯两类钢板分解示意图；

图5是A类钢板耗能内芯与端板构造关系立面图；

图6是B类钢板耗能内芯与端板构造关系立面图；

图7是两类钢板耗能内芯与端板、环形SMA拉索、粗直径高强螺栓构造关系示意图；

图8是盖板构造示意图；

图9是填充板构造示意图；

图10是内部带有弧形曲面的管状凸出构造物构造示意图；

图11是限位连接活动组件分解装配图；

图12是活动铰分解装配图；

图13是本发明整体分解示意图。

图14是本发明在中震作用下的静止、受拉、受压工作机理图。

具体实施方式

下面结合附图1-14和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

如图1-图14所示，本发明的一种基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置，，包括：盖板4、钢板耗能内芯、填充板5和细直径高强螺栓7和粗直径高强螺栓8。钢板耗能内芯包括A类钢板耗能内芯1以及B类钢板耗能内芯2。如图4所示，A类钢板耗能内芯1为两块，B类钢板耗能内芯2为一块。每块A类钢板耗能内芯1的厚度是B类钢板耗能内芯2的一半，B类钢板耗能内芯2夹在两块A类钢板耗能内芯1之间。A类钢板耗能内芯1和B类钢板耗能内芯2之间通过粗直径高强螺栓8连接。粗直径高强螺栓8施加有预紧力，粗直径高强螺栓8的螺帽和螺母可伸入盖板4上的预留孔4c内。如图8-9所示，钢板耗能内芯的两侧均设置有填充板5。盖板4为上、下两块，上、下两块盖板4之间夹设有钢板耗能内芯以及填充板5，即A类钢板耗能内芯1以及B类钢板耗能内芯2均包裹在上、下两块盖板4以及两侧的填充板5中间。盖板4和填充板5之间通过细直径高强螺栓7连接。本实施例中，填充板5的宽厚可调。通过调整填充板5的宽厚，可使得A类钢板耗能内芯1、B类钢板耗能内芯2与盖板4和填充板5之间留有一定的间隙，为A类钢板耗能内芯1以及B类钢板耗能内芯2提供所需的横向变形空间。

如图4所示，钢板耗能内芯均包括一体连接的端部段1a、2a、过渡段1b、2b以及核心段1c、2c。钢板耗能内芯的核心段1c、2c上设置有多组Ⅰ类长条形开孔1d、2d以及多组Ⅱ类长条形开孔1e、2e，Ⅰ类长条形开孔1d、2d设置在Ⅱ类长条形开孔1e、2e两侧，即Ⅱ类长条形开孔1e、2e间隔设置在多组Ⅰ类长条形开孔1d、2d中间。其中，Ⅰ类长条形开孔1d、2d用于环形SMA拉索3穿过，Ⅱ类长条形开孔1e、2e用于安装粗直径高强螺栓8。A类钢板耗能内芯1以及B类钢板耗能内芯2上的各类开孔位置对应。

如图1、图3、图13所示，环形SMA拉索3为对称设计的两根，每根依次穿过一组Ⅰ类长条形开孔1d、2d以及与之对应的盖板4上的长条孔4b。环形SMA拉索3的两个端头在约束装置的中部位置用拉索连接头11连接，使得环形SMA拉索3闭环，保证环形SMA拉索3贴紧孔壁，此外，Ⅰ类长条形开孔1d、2d以及长条孔4b内还均套设有管状凸出构造物6，环形SMA拉索3套设在管状凸出构造物6内部。钢板耗能内芯的端部段1a、2a外侧均固定设置有端板9，端板9与端部段1a、2a的连接处均设置有加劲肋10。其中，如图11-12所示，与A类钢板耗能内芯1连接的端板9的外侧还设置有限位连接活动组件12，与B类钢板耗能内芯2连接的端板9的外侧设置有活动铰13。限位连接活动组件12为板式抽拉式结构，其包括开有圆端头长条形孔的两竖肢钢板12b和开有圆形孔的两竖肢钢板12d，两竖肢钢板12b与一块构造竖肢钢板12a相连接，两竖肢钢板12d与端板9相连接，两竖肢钢板12b与两竖肢钢板12d之间通过连接销轴12c连接，连接销轴12c可在两竖肢钢板12b的圆端头长条形孔中滑动。活动铰13包括开有圆形孔的两竖肢钢板13b和开有圆形孔的两竖肢钢板13d，两竖肢钢板13b与一块构造竖肢钢板13a相连接，两竖肢钢板13d与端板9相连接，两竖肢钢板13b与两竖肢钢板13d之间通过连接销轴13c连接，连接销轴13c穿过两竖肢钢板13b和两竖肢钢板13d上的圆形孔。即活动铰13与限位连接活动组件12的区别只在于竖肢钢板13b的开孔均为圆形孔，而其余构造与连接措施均与限位连接活动组件12相同。

该分级耗能型自复位防屈曲约束装置的分级耗能性能主要由A类钢板耗能内芯1和B类钢板耗能内芯2间的摩擦和钢板耗能内芯的塑性变形来提供。当分级耗能型自复位防屈曲约束装置受到拉、压作用力时，A类钢板耗能内芯1、B类钢板耗能内芯2开始产生相对位移，由于Ⅰ类长条形开孔1d、2d的存在，使得环形SMA拉索3两端，分别只与Ⅰ类长条形开孔1d、2d的孔壁开始接触，接触区域产生的作用力使环形SMA拉索3总是处于受拉状态，从而实现装置的自复位性能。设限位连接活动组件12的连接销轴12c在受拉、受压时的滑动极限位移值为S，用来供粗直径高强螺栓8穿过的Ⅱ类长条形开孔1e、2e的长度为L，粗直径高强螺栓8的直径D，粗直径高强螺栓8与Ⅱ类长条形开孔1e、2e的孔壁的净间距为Δ＝(L-D)/2，则的分级耗能型自复位防屈曲约束支撑装置，其一级耗能能力启动阈值为滑动极限位移值S。此时A类钢板耗能内芯1、B类钢板耗能内芯2开始发生相对位移，环形SMA拉索3开始受拉，通过A类钢板耗能内芯1、B类钢板耗能内芯2间的摩擦来提供耗能能力。当加载位移达到S+2Δ时，此时穿过Ⅱ类长条形开孔1e、2e的粗直径高强螺栓8与Ⅱ类长条形开孔1e、2e的孔壁开始接触，A类钢板耗能内芯1、B类钢板耗能内芯2开始进入塑性，同时环形SMA拉索3也开始进入塑性，分级耗能型自复位防屈曲约束装置的二级耗能能力被激活。

本实施例中，管状凸出构造物6为带有弧形曲面的管状凸出构造物，用于减轻环形SMA拉索3的磨损和避免粗直径高强螺栓8的干扰。其也可采用滑轮替代。

上述一种基于环形SMA拉索的分级耗能型自复位防屈曲约束装置的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：采用同类型低强度钢板切割出A类钢板耗能内芯1、B类钢板耗能内芯2，按照其构造要求，使其具备端部段1a、2a、过渡段1b、2b以及核心段1c、2c，并在核心段1c、2c依据所需穿孔类型开设多组Ⅰ类长条形开孔1d、2d以及多组Ⅱ类长条形开孔1e、2e，并对Ⅰ类长条形开孔1d、2d孔壁边缘进行倒圆处理。

步骤二：采用高强度钢材制作盖板4、填充板5、内部带有弧形曲面的管状凸出构造物6、端板9、加劲肋10、限位连接活动组件12及活动铰13。

步骤三：盖板4总计两块，盖板4之间直接与其相连的是填充板5，填充板5形状与钢板耗能内芯外形对应匹配，并采用细直径高强螺栓7将盖板4与填充板5相连接。在盖板4与填充板5之间是A类钢板耗能内芯1、B类钢板耗能内芯2，A类钢板耗能内芯1、B类钢板耗能内芯2之间通过粗直径高强螺栓8相连接，并且粗直径高强螺栓8需要施加预紧力，其螺帽和螺母可伸入盖板4的预留孔4c，预留孔4c不应设置过大，需要兼顾对螺栓的限位作用。A类钢板耗能内芯1、B类钢板耗能内芯2与盖板4、填充板5间，通过填充板5的宽厚构造，留有一定的间隙，为A类钢板耗能内芯1和B类钢板耗能内芯2提供所需的横向变形空间。内部带有弧形曲面的管状凸出构造物6上下端焊接在盖板4的长条孔4b上。

步骤四：A类钢板耗能内芯1和B类钢板耗能内芯2端部设置端板9，在连接处设置加劲肋10，用来提高结构稳定性和使结构受力更合理。在端板9外侧分别设置限位连接活动组件12及活动铰13。

步骤五：穿设环形SMA拉索3，环形SMA拉索3通过钢板耗能内芯的Ⅰ类长条形开孔1d、2d、盖板4上的长条孔4b以及穿过内部带有弧形曲面的管状凸出构造物6，在装置中部位置利用拉索连接头11连接形成闭环，保证环形SMA拉索贴紧孔壁，从而完成分级耗能型自复位防屈曲约束装置的制作。

实施例2

除了实施例1中的装置组件和制作方式外，可以将环形SMA拉索3分批激活设置，即通过不同的松弛长度分批进入塑性，进而使得装置的自复位性能更加富余。其它方式同实施例1。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围，受专利法的保护。