一种摩擦装置的螺栓拧紧方法及其摩擦装置

技术领域

本发明涉及建筑工程抗震领域，特别是涉及一种摩擦装置的螺栓拧紧方法及其摩擦装置。

背景技术

传统结构抗震是通过增强结构本身的抗震性能(强度、刚度、延性)来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，这是被动消极的抗震对策。由于人们尚不能准确地估计未来地震灾害作用的强度和特性，按照传统抗震方法设计的结构不具备自我调节能力。因此，结构很可能不能满足安全性的要求，而产生严重破坏或倒塌，造成重大的经济损失和人员伤亡。合理有效的抗震途径是对结构施加减震装置(系统)，由减震装置与结构共同承受地震作用，即共同储存和耗散地震能量，以调协和减轻结构的地震反应。这是积极主动的抗震对策，是抗震对策中的重大突破和发展。

结构耗能减震技术是在结构物的某些部位(如支撑、剪力墙、节点、联结缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等)设置耗能(阻尼)装置(或元件)，通过耗能(阻尼)装置产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)、弹塑(或粘滞、粘弹)性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控制的目的。耗能(阻尼)装置(元件)和支撑构件构成耗能部件，装有耗能部件的结构称为耗能减震结构。

摩擦阻尼器开始发展于上个世纪七十年代，其工作性能良好，构造简单，维护与更换费用低，震后只需更换摩擦材料。但是，现有的摩擦阻尼器存在不能精准控制的问题。

申请公布号为CN 107587625 A的中国专利公开了一种摩擦阻尼器，该摩擦阻尼器提供结构刚度，同时T型钢板与L型钢板发生相对滑动，与摩擦件摩擦耗能，从而有效避免结构主体构件的损伤，但是，该方案中对于摩擦材料的夹持力度不能根据不同的建筑情况进行合理设置和调整，更不能精准控制，适用性较差。授权公告号为CN 209892675 U的中国专利公开了一种新型摩擦阻尼器，包括一块内摩擦板、两块外摩擦板、两块侧板和基板，内摩擦板、两块外摩擦板和两块侧板的重叠部分上开有多个通孔，每个通孔内穿设有一个夹紧螺栓，该夹紧螺栓上套有碟簧和螺母，螺母将碟簧压在侧板外侧面上，夹紧螺杆位于内摩擦板上的通孔中心时，其夹紧螺杆上、下、左、右均有间隙，也就是说，该方案通过碟簧的设置以期能够调整摩擦阻尼器的预紧力大小，但是，由于碟簧的压缩程度并不固定，无法有效控制施加预紧力的大小。授权公告号为CN 209429304 U的中国专利公开了一种支撑式双阶滑移摩擦阻尼器，包括腹板开槽的H型钢梁段和腹板开槽的槽钢梁段，H型钢梁段两端分别设置大小不同的长圆槽口，以对应一阶滑移段和二阶滑移段，该方案通过摩擦型高强螺栓和蝶形弹簧把H型钢梁段、摩擦元件、槽钢梁段钢固定，通过调整碟簧数量及摩擦型高强螺栓的预紧力，以实现双阶滑动机制，但是，由于现有的工具无法准确控制施加的预紧力大小，因此，该方案对于预紧力的调整并不能达到精确的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种摩擦装置的螺栓拧紧方法及其摩擦装置，以解决上述现有技术存在的问题，根据预紧力和转角值均与碟簧的轴向变形量相关的原理，经计算得到预紧力和转角值的关系，再通过控制转角值控制施加的预紧力的大小，能够精确控制施加螺栓的预紧力大小，从而准确的控制摩擦装置的起滑力大小，达到对摩擦装置精准控制的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种摩擦装置的螺栓拧紧方法，包括以下步骤：

初拧，在螺栓与板件之间设置碟簧，按照规划的拧紧顺序依次拧紧所有螺栓，各板件之间均匀贴合；

终拧，松开其中一颗螺栓，拧紧到初始位，再拧紧至目标转角，通过控制转角值以控制施加的预紧力的大小，所述预紧力和所述转角值均与碟簧的轴向变形量相关，经计算得到所述预紧力和所述转角值的关系；

对螺栓逐一进行终拧的步骤，完成对所有螺栓的最终拧紧。

优选地，初拧步骤中，规划的拧紧顺序为由螺栓群中央向外或从接头刚度大的部位向约束小的方向逐一拧紧；在对螺栓逐一进行终拧时，按照初拧步骤中所规划的拧紧顺序相反的顺序进行。

优选地，初拧步骤中，在拧紧螺栓时利用扳手人力拧紧。

优选地，终拧步骤中，在拧向初始位时，直接用手不利用工具拧动螺栓，直到不能拧动为止。

本发明还提供一种摩擦装置，包括盖板，所述盖板包括摩擦工作部，所述摩擦工作部安装有第一芯板，所述第一芯板装夹在所述盖板之间并通过螺栓与所述盖板固定连接，所述第一芯板设置有长圆孔，所述盖板对应位置设置有圆孔，所述螺栓穿过所述圆孔和所述长圆孔后连接螺母，所述螺栓的头部与所述盖板之间以及所述螺母与另一所述盖板之间均设置有碟簧。

优选地，所述碟簧的外径大于所述螺栓的头部和所述螺母的大小，所述碟簧的内径大于所述螺栓的直径1-2mm，所述碟簧的厚度、挠度根据实际压平荷载与设计压平荷载的差值调整。

优选地，所述第一芯板的两面分别设置有摩擦材料。

优选地，所述摩擦材料包括第一摩擦材料和第二摩擦材料，所述第一摩擦材料焊接在所述第一芯板上且开设有与所述第一芯板一致或较大的长圆孔，所述第二摩擦材料安装在所述第一摩擦材料和所述盖板之间且开设有与所述盖板一致的圆孔。

优选地，所述第一摩擦材料为不锈钢，所述第二摩擦材料为黄铜。

优选地，所述盖板包括固定部，所述固定部包括第二芯板以及设置在所述第二芯板两面的调节板，所述第二芯板及所述调节板安装在所述盖板之间，所述第二芯板与其两面的所述调节板的厚度之和等于所述第一芯板与其两面的所述摩擦材料的厚度之和。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明根据预紧力和转角值均与碟簧的轴向变形量相关的原理，经计算得到预紧力和转角值的关系，再通过控制转角值控制施加的预紧力的大小，能够精确控制施加螺栓的预紧力大小，从而准确的控制摩擦装置的起滑力大小，达到对摩擦装置精准控制的目的；

(2)本发明在拧至目标转角之前，先进行了初步拧紧的操作，通过初步拧紧能够使得各板件之间处于完全贴合的状态，在此状态下，逐个松开螺栓后再进行施拧，能够保证每根螺栓的初始状态相同，从而在拧至目标转角时，能够保证转过的转角值的大小一致，从而进一步的提高预紧力的精度；

(3)本发明在芯板和盖板之间设置有两种摩擦材料，两种摩擦材料可以选取各种不同的组合，两种摩擦材料相互摩擦可具有稳定摩擦系数，在精准控制预紧力的基础上能够更进一步的控制摩擦装置的起滑力大小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的爆炸结构示意图；

图3为本发明的刚度分布计算示意图；

其中，1、盖板；2、摩擦材料；21、第一摩擦材料；22、第二摩擦材料；3、第二芯板；4、螺栓；5、碟簧；6、螺母；7、第一芯板；8、调节板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

本发明的目的是提供一种摩擦装置的螺栓拧紧方法及其摩擦装置，以解决现有技术存在的问题，根据预紧力和转角值均与碟簧的轴向变形量相关的原理，经计算得到预紧力和转角值的关系，再通过控制转角值控制施加的预紧力的大小，能够精确控制施加螺栓的预紧力大小，从而准确的控制摩擦装置的起滑力大小，达到对摩擦装置精准控制的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1～2所示的摩擦装置，本发明提供一种摩擦装置的螺栓4拧紧方法，该拧紧方法可以应用后文记载的摩擦装置，包括以下步骤：

初拧，在螺栓4与板件之间设置碟簧5，其中，板件是摩擦装置中所应用的板件，包括图1～2中的盖板1以及第一芯板7等部件，当然也可以包括摩擦材料2，板件可以为U型板、工字型板以及平板等各种结构形式，可以具有安装面能够安装摩擦材料2和第一芯板7等部件；螺栓4根据承载的载荷可以选取不同强度的螺栓4，在承载力较大的位置可以选取高强螺栓，在承载力相对较小且普通螺栓即能满足承载要求的场所可以选择普通螺栓。碟簧5套设在螺栓4上并安装在板件的两面，同时，碟簧5被螺栓4的头部以及螺母6压紧固定；螺栓4的数量依照实际应用的工况进行选择，可以为4颗、6颗或更多颗；在设置有多颗螺栓4的基础上，在初拧时，按照规划的拧紧顺序依次拧紧所有螺栓4，拧紧时可以采用普通扳手利用人力拧紧，也可以设定一定的扭矩值利用扭矩扳手拧紧，另外，此处所说的规划的顺序可以为由内侧到外侧、由上侧到下侧或其他任意规划的顺序，规划拧紧顺序的目的在于为了施拧方便，或为了施加预紧力均匀等。进行初拧最终的目的是要在初拧完成后保证各板件之间均匀贴合的状态，在此状态下，在后续进行终拧后能够保证每颗螺栓4的初始状态相同，从而在拧至目标转角时，能够保证转过的转角值的大小一致，从而进一步的提高预紧力的精度。

终拧，松开其中一颗螺栓4，在松开时可以利用与初拧时相同的工具，在松开一颗螺栓4后即刻再拧紧到初始位，初始位即为开始计算转角值的位置，此时，基本上为螺栓4刚好压紧碟簧5，而碟簧5又没有发生形变的位置，一般可以为直接利用人力(不借助工具)所能拧动的极限位置；再拧至目标转角，也就是说，由初始位到目标转角转动一个转角值的大小，根据预紧力和转角值均与碟簧5的轴向变形量相关的原理，经计算可以得到预紧力和转角值的关系，再通过控制转角值控制施加的预紧力的大小，能够精确控制施加螺栓4的预紧力大小，从而精确的控制摩擦装置起滑力的大小，达到对摩擦装置精准控制的目的。

对于转角值的确定方法如下：

参考图3所示，螺栓4在拧紧过程中所产生的轴向变形，主要是由于板件和碟簧5被压缩引起的，所以碟簧5和板件可以看做串联形成的弹簧，碟簧5投入使用前，需要对碟簧5进行预压试验，从而获得碟簧5的刚度，由此可以计算板件和碟簧5的整体刚度。

板件刚度：

K

碟簧5刚度：

K

板件和碟簧5整体刚度：

预紧力计算公式：

考虑到螺栓4施拧初始阶段的非线性段，引入修正系数α，α由试验测得；

其中，P(kN)为螺栓轴力理论值，K为板件和碟簧5的整体刚度，Δ为板件和碟簧5的轴向变形，θ(°)为施加的转角值，δ(mm)为螺纹之间的间距，α为修正系数。

对螺栓4逐一进行终拧的步骤，完成对所有螺栓4的最终拧紧，需要说明的是，逐一拧紧螺栓4时可以按照一定的顺序进行，该顺序可以参照初拧时的顺序，例如，为由内侧到外侧、由上侧到下侧或其他任意的顺序，设定拧紧顺序的目的在于能够达到施拧方便或施加预紧力均匀等目的，根据摩擦装置所应用的环境和位置进行相应的调整。

初拧步骤中，规划的拧紧顺序可以为由螺栓4群中央向外或从接头刚度大的部位向约束小的方向逐一拧紧，此处需要说明的是，根据摩擦装置应用的位置和工况有所不同，规划的拧紧顺序会相应的改变和调整，具体的，当所应用的环境能够区分刚度大小时，例如，将摩擦装置安装在支撑立柱时，靠近支撑立柱侧的刚度较大，此时，拧紧顺序应当是从接头刚度大的部位向约束小的方向逐一拧紧螺栓4，即从支撑立柱侧向远离支撑立柱的方向；当所应用的环境不易或不能区分刚度大小时，例如，将摩擦装置安装成对称或近似对称结构时，拧紧顺序可以由螺栓4群中央向外进行；另外，如果螺栓4的数量相对较少，例如为4颗时，则拧紧顺序不会对拧紧的结果造成明显的影响，此时可以不考虑拧紧顺序。在对螺栓4逐一进行终拧时，可以按照初拧步骤中所规划的拧紧顺序相反的顺序进行，尤其是当初拧步骤中应用的是由刚度大的部位向约束小的方向拧紧的顺序时，在终拧时则是由约束小的部位向刚度大的方向拧紧，这样可以保证螺栓4在松开再拧紧的过程中受到的影响较小，能够保证每个螺栓4在终拧的过程中能够按照计算的转角值精确的设定预紧力的大小。

初拧步骤中，在拧紧螺栓4时可以利用扳手人力拧紧，因为此时拧紧的目的不在于施加多大的预紧力，而在于使得板件之间均匀贴合，因此人力拧紧的大小能够符合要求，且即便不同的个体存在力量大小的区别，都不会对后续的终拧结果产生大的影响。

终拧步骤中，在拧向初始位时，直接用手(可以戴手套)不利用工具拧动螺栓4，直到不能拧动为止。不同个体的人力施加的扭矩大小不一样对最后螺栓4预紧力大小影响的误差极小，可以忽略不计。

再次参考图1～2所示，本发明还提供一种摩擦装置，该摩擦装置可以应用现有技术的方法或其他新的方法进行拧紧，也可以应用前文记载的螺栓4的拧紧方法进行拧紧操作，并能够完全实现前文所记载的技术效果；包括盖板1，盖板1一般至少包括两层，形成夹心结构，盖板1的形状可以为矩形等平面形状，也可以为U型、工字型等立体结构，但需要有安装面用于安装第一芯板7等部件。盖板1包括摩擦工作部，摩擦工作部可以设置在盖板1的一侧(另一侧可以为安装部，安装部可以通过螺栓连接或者焊接的方式固定在构件上)，也可以将盖板1的两侧均设置成摩擦工作部。摩擦工作部安装有第一芯板7，第一芯板7用于支撑和安装其他构件，第一芯板7装夹在盖板1之间并通过螺栓4与盖板1固定连接。第一芯板7设置有长圆孔，盖板1对应位置设置有圆孔，螺栓4穿过圆孔和长圆孔后连接螺母6，螺栓4的头部与盖板1之间以及螺母6与另一盖板1之间均设置有碟簧5，当将螺母6与螺栓4拧紧后，碟簧5被轴向压缩，施加给第一芯板7和盖板1之间一定的预紧力，因此，第一芯板7和盖板1之间需要施加一定的破坏力才能克服预紧力所形成的摩擦阻力，也就是说，通过碟簧5以及螺栓4的作用能够限定第一芯板7和盖板1之间的起滑力大小，从而能够控制和调整摩擦装置。

碟簧5尺寸主要根据摩擦装置的构造要求进行确定，与使用硬化垫圈的螺栓副传递的局部夹紧力相比，使用碟簧5会使夹紧力在边缘分布更加广泛，可以增加摩擦装置滑动系统的摩擦系数(约25％)，并且降低由于摩擦滑动导致的材料磨损，因此，在构造允许的前提下，为了最大程度地发挥这种效果，碟簧5的外径可以设置的较大，在大于螺栓4的头部和螺母6的大小的基础上还可以适当加大直径。碟簧5的内径大于螺栓4的直径1-2mm，以能够使得螺栓4能够顺利穿过碟簧5的内径，碟簧5的厚度、挠度根据实际压平荷载与设计压平荷载的差值调整。

第一芯板7的两面可以分别设置有摩擦材料2，摩擦材料2可以选择同种材料，也可以选择不同种类的材料，具体的可以根据不同的工况和需求进行确定；摩擦材料2的应用能够加大第一芯板7和盖板1之间的摩擦系数，并且该摩擦系数可以经过试验进行确定；在摩擦材料2磨损后可以直接更换摩擦材料2即可，不需要整体更换或更换第一芯板7和盖板1。

摩擦材料2可以包括第一摩擦材料21和第二摩擦材料22，第一摩擦材料21和第二摩擦材料22的组合可以有：黄铜-不锈钢、铝-不锈钢、刹车片-不锈钢、耐磨钢-普通钢，等等，需要说明的是，上文只是对第一摩擦材料21和第二摩擦材料22可能选取的组合进行了举例说明，并不应该成为对于本方案组合的限定，也就是说，本方案还可以选择其他种组合方式，不应局限于上文列举的组合类型；其中，第一摩擦材料21焊接在第一芯板7上且开设有与第一芯板7一致或较大的长圆孔，也就是说，第一摩擦材料21能够与第一芯板7一同移动，而第二摩擦材料22安装在第一摩擦材料21和盖板1之间且开设有与盖板1一致的圆孔，也就是说，第二摩擦材料22能够在螺栓4的作用下与盖板1一同移动，因此，第一摩擦材料21和第二摩擦材料22之间可以相对移动产生摩擦，进而产生阻尼效果，通过螺栓4和碟簧5的作用对第一摩擦材料21和第二摩擦材料22施加预紧力来控制摩擦力的大小；因为设置了两种摩擦材料2，两种摩擦材料2相互摩擦可具有稳定摩擦系数，在精准控制预紧力的基础上能够更进一步的控制摩擦装置的起滑力大小。

第一摩擦材料21可以为不锈钢，能够焊接在第一芯板7上，第二摩擦材料22为黄铜，硬度相对较低，通过螺栓4带动其移动。

盖板1可以包括固定部，固定部包括第二芯板3以及设置在第二芯板3两面的调节板8，第二芯板3可以采用与第一芯板7相同的材质和形状大小，不同的是，第二芯板3上开设的孔为圆孔而不是长圆孔，也就是说，第二芯板3与盖板1之间在安装好螺栓4后是不可以相对移动或滑动的，而此处螺栓4所安装的垫片也不需要采用碟簧5，采用普通的垫片即可。第二芯板3及调节板8安装在盖板1之间，第二芯板3与其两面的调节板8的厚度之和等于第一芯板7与其两面的摩擦材料2的厚度之和，进而能够保证盖板1之间的间距处在一个平行的间距，能够使得盖板1之间的摩擦材料2受力均匀，依靠摩擦力和预紧力实现更为精确的控制。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。