一种多级自恢复型消能支撑及其消能方法

技术领域

本发明涉及工程消能减震结构，具体涉及一种多级自恢复型消能支撑，还涉及一种多级自恢复型消能支撑的消能方法。

背景技术

随着我国工业化与城镇化的发展，如何降低建筑物在自然灾害下的损伤与破坏已成为广大工程师所需要关注的问题和工程设计过程中的关键任务。

目前，一般采用增加结构的阻尼和设置隔离层来减轻地震对整体结构的损伤，传统的防屈曲支撑构件主要由内部芯材、外部约束构件、无粘结可膨胀材料及无粘结滑移界面组成，兼备了普通钢支撑和金属耗能阻尼器的功能。强震发生时防屈曲支撑发生屈曲，具有优良的耗能能力和延性，显著降低主体结构的地震损伤。传统防屈曲支撑的内芯出现有明显的屈服变形，防屈曲支撑构件还可以为结构提供良好的抗侧能力。

事实上，由于传统的屈曲约束支撑的屈服承载能力大，当地震力较小时，支撑构件不能及时的进入屈曲状态，无法发挥出构件的耗能能力。随着遭遇地震力较大时，支撑构件进入屈曲状态，残余变形较大，且与构件连接的周边节点也同样损伤严重，灾后修复主体结构的难度大并且成本高，不利于灾后的重建工作和生产秩序的恢复。

因此，开发一种在小震和大震作用下都能消耗建筑物所遭受的地震输入能量，同时通过自身能够提供相应的自恢复力的多级自恢复型消能支撑装置，可以减轻由于支撑构件破坏所引起的主体结构的残余变形，从而减少灾后修复的时间和成本，有利于灾后对城市的快速重建和恢复人民的生活秩序，为人民群众的生命和财产安全提供保障。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种能有效耗散地震能量、具有自恢复力、且具有两阶段耗能功能的多级自恢复型消能支撑及其消能方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多级自恢复型消能支撑，包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧的承载力不同的两个二级防屈曲单元；二级防屈曲单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、耗能钢棒、固定承重板、钢架支撑、形状记忆合金棒、限位块；外套钢管的内端与中部定位板固定；连接节点、支撑核心构件、滑动承重板、耗能钢棒、固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接，支撑核心构件靠内的一段、滑动承重板、耗能钢棒、固定承重板、钢架支撑均位于外套钢管内，支撑核心构件的中部穿过外套钢管的外端；外套钢管的内壁设有防止滑动承重板向外滑移的限位块；外套钢管的外端和滑动承重板之间设有形状记忆合金棒；两个二级防屈曲单元排列成一字形。

作为一种优选，形状记忆合金棒的外端穿过外套钢管的外端，形状记忆合金棒的外端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的外端安装在外套钢管的外端；形状记忆合金棒的内端穿过滑动承重板，形状记忆合金棒的内端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的内端安装在滑动承重板上。

作为一种优选，每个二级防屈曲单元均包括多根形状记忆合金棒，多根形状记忆合金棒环绕支撑核心构件呈圆周均布。

作为一种优选，支撑核心构件采用横截面为方形的杆状结构；外套钢管为方形管，内端贯穿，外端面设有供支撑核心构件穿过的孔以及供形状记忆合金棒穿过的孔；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形；耗能钢棒的横截面为方形；钢架支撑的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕耗能钢棒设置。

作为一种优选，二级防屈曲单元还包括两组限位板，一组固定在滑动承重板的内侧，一组固定在固定承重板的外侧；每组限位板均包括四个限位板，排列成十字形，中间留有供耗能钢棒卡入的空间。

作为一种优选，支撑核心构件和滑动承重板之间、固定承重板和钢架支撑之间、钢架支撑和中部定位板之间均采用刚性连接。

作为一种优选，主体结构上装有节点板，连接节点与节点板通过高强螺栓连接。

一种多级自恢复型消能支撑的消能方法，采用一种多级自恢复型消能支撑，通过形状记忆合金棒和耗能钢棒的伸缩变形耗散能量，以提高构件的承载力；通过形状记忆合金棒提供自恢复能力；初始状态时，形状记忆合金棒处于不受力的状态；地震时，两侧二级防屈曲单元的承载力的不同，承载力小的二级防屈曲单元作为第一阶段的耗能构件，承载力大的二级防屈曲单元作为第二阶段的耗能构件；小震时，仅由承载力小的二级防屈曲单元发挥作用；大震时，两侧二级防屈曲单元均发挥作用。

作为一种优选，通过设计形状记忆合金棒的数量、位置、长度、横截面积提供相应的承载力和自恢复力；两个二级防屈曲单元的承载力不同，两个二级防屈曲单元的形状记忆合金棒的自恢复力不同。

作为一种优选，通过设计耗能钢棒的大小、长度和横截面积提供相应的承载力；通过设计支撑核心构件的长度、横截面积和形状提供相应的承载力；两个二级防屈曲单元的承载力不同。

本发明的原理是：在尽可能保证原有主体结构的设计下，多级自恢复型消能支撑可以增加主体结构的承载力，通过采用一侧二级防屈曲单元的承载力大于另一侧的方式，小震时，承载力小的二级防屈曲单元作为第一阶段的耗能构件，大震时，承载力大的二级防屈曲单元作为第二阶段的耗能构件，对应两侧不同的承载力，两侧形状记忆合金棒提供不同的自恢复力。通过设计耗能钢棒的大小、长度和横截面积提供相应的承载力；通过设计支撑核心构件的长度、横截面积和形状提供相应的承载力。通过设计形状记忆合金棒的数量、位置、长度、横截面积提供相应的承载力和自恢复力；

总的说来，本发明具有如下优点：

1.在遭受地震作用时，构件中的形状记忆合金棒处于拉伸或者压缩的状态，耗散地震输入的能量，发挥支撑的作用，保护整体结构受到的破坏较小，减少结构的残余变形，降低震后建筑物的修缮费用，节约国家的人力物力和财力，同时使得人民群众的生活在较短的时间内得到恢复。

2.多级自恢复型消能支撑构造简单，施工方便，具有很高的实用价值。

3.二级防屈曲单元可以提高整体构件的承载能力，并且能够根据所需要的承载力和自恢复力对其内部部件的大小进行相应的设计，便于在实际工程中应用。

4.外套钢管和支撑核心构件之间的间隙不采用任何材料进行填充。在形状记忆合金棒发生变形时，耗能钢棒与形状记忆合金棒发生变形，通过变形耗散构件所受到的部分能量，提高构件的承载能力。采用耗能钢棒与形状记忆合金棒作为主要的耗能构件，通过两个构件的拉压变形将支撑构件受到的能量进行耗散。形状记忆合金棒为构件提供了相应的自恢复力，减少构件在震后产生的残余变形。多级自恢复型消能支撑不光可以在小震和大震作用下消耗地震输入到建筑物当中的能量，同时能够通过自身的形状记忆合金棒来提供相应的自恢复力，可以减轻由于支撑构件破坏所引起的主体结构的残余变形，从而降低灾后修复的成本，加快灾后的重建与生活秩序的恢复。

5.采用刚性连接，可保证连接部位处于稳固状态。

6.不仅可广泛应用于多层和高层结构当中，还可以用于工业化建筑当中；解决了传统防屈曲消能支撑在地震作用下残余变形过大的问题。

附图说明

图1是一种多级自恢复型消能支撑的结构示意图。

图2是图1中A-A的截面图。

图3是图1中B-B的截面图。

图4是图1中C-C的截面图。

图5是图1中D-D的截面图。

图6是图1中E-E的截面图。

图7是一种多级自恢复型消能支撑在小震作用下的工作状态图。

图8是一种多级自恢复型消能支撑在大震作用下的工作状态图。

图9是一种多级自恢复型消能支撑在震后复位的工作状态图。

其中，1为形状记忆合金棒、2为滑动承重板、3为支撑核心构件、4为固定螺栓、5为中部定位板、6为钢架支撑、7为限位板、8为限位块、9为连接节点、10为外套钢管、11为自恢复装置、12为耗能钢棒、13为固定承重板。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

一种多级自恢复型消能支撑，包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧的承载力不同的两个二级防屈曲单元。用于减轻梁柱连接处在地震作用下发生破坏，减轻所引起主体结构的损伤及残余变形。两个二级防屈曲单元左右不对称，以提供不同的承载力。

二级防屈曲单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、耗能钢棒、固定承重板、钢架支撑、形状记忆合金棒、限位块；外套钢管的内端与中部定位板固定；连接节点、支撑核心构件、滑动承重板、耗能钢棒、固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接，支撑核心构件靠内的一段、滑动承重板、耗能钢棒、固定承重板、钢架支撑均位于外套钢管内，支撑核心构件的中部穿过外套钢管的外端；外套钢管的内壁设有防止滑动承重板向外滑移的限位块；外套钢管的外端和滑动承重板之间设有形状记忆合金棒；两个二级防屈曲单元排列成一字形。

为了保证构件的耗能能力，将耗能钢棒位于固定承重板与滑动承重板之间；并且在耗能钢棒的两端设置限位板，防止耗能钢棒出现侧向的滑移，滑移会减少构件的耗能能力；同时根据构件承载力的要求设置相应的限位块，防止由于形状记忆合金棒的恢复力太大，将超出原有的设计尺寸；中部定位板与外套钢管之间采用焊接进行连接，保证两者之间的连接是可靠的。同时限位块的位置可以根据设计的需要进调整。

本实施例中，设计左侧的支撑核心构件的长度与右侧的不同，从而左侧二级防屈曲单元的承载力大小与右侧不相等，所以在遭受地震作用时，两侧的二级防屈曲单元进入耗能状态的次序是不同的，右侧的二级防屈曲单元先进入屈曲耗能状态，形状记忆合金棒和耗能钢棒提供相应的承载能力，此时为第一阶段消能状态；而后随着地震作用力的增强，左侧的二级防曲单元后进入屈曲耗能状态，此作为第二阶段消能状态。耗能钢棒在轴向荷载的作用下，不断的通过自身的拉伸和压缩变形耗散掉一部分的能量，提高构件的承载能力。

左右侧的形状记忆合金棒的规格大小直接影响该二级防屈曲单元的承载力大小，左右侧形状记忆合金棒的规格(截面面积、数量、规格、长度、安装位置)可以根据项目的实际需求进行设计，并且保证左右两侧的自恢复力的大小能够和支撑核心构件相匹配，但应保证其在地震作用下能够保持弹性，在大震作用下通过发生拉压变形耗散能量且不失效。

中部定位板也是受力的关键部分，中部定位板在受力时需要与外套钢管有着可靠的连接，并且应保证在大震作用下中部定位板与外套钢管之间不发生断裂破坏；因此，实际使用时可以先确定所需整个多级自恢复型消能支撑的性能要求，然后再对中部定位板的大小进行设计，进而保证左右侧防屈曲单元和整个消能支撑的力学性能。

形状记忆合金棒的外端穿过外套钢管的外端，形状记忆合金棒的外端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的外端安装在外套钢管的外端；形状记忆合金棒的内端穿过滑动承重板，形状记忆合金棒的内端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的内端安装在滑动承重板上。

形状记忆合金棒优选采用Ni-Ti系合金材料制成；Ni-Ti系形状记忆合金具有良好的力学性能，抗疲劳，耐磨损，抗腐蚀，形状记忆恢复率高，在工程领域得到了广泛的应用。

每个二级防屈曲单元均包括多根形状记忆合金棒，多根形状记忆合金棒环绕支撑核心构件呈圆周均布。本实施例中，形状记忆合金棒的数量为两根，设置在支撑核心构件的上下方。

支撑核心构件采用横截面为方形的杆状结构；外套钢管为方形管，内端贯穿，外端面设有供支撑核心构件穿过的孔以及供形状记忆合金棒穿过的孔；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形；耗能钢棒的横截面为方形；钢架支撑的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕耗能钢棒设置。

二级防屈曲单元还包括两组限位板，一组固定在滑动承重板的内侧，一组固定在固定承重板的外侧；每组限位板均包括四个限位板，排列成十字形，中间留有供耗能钢棒卡入的空间。限位板，保证连接节点在受到轴向荷载时，荷载完全通过支撑核心构件传递给内部的自恢复装置，自恢复装置中的形状记忆合金棒通过不断的压缩和拉伸消耗地震能量，减轻和降低主体结构的损伤和参与变形。

支撑核心构件和滑动承重板之间、固定承重板和钢架支撑之间、钢架支撑和中部定位板之间均采用刚性连接，例如焊接的方式，保证在轴向拉力的作用下不发生破坏。

主体结构上装有节点板，连接节点与节点板通过高强螺栓连接。具体连接方式为：在相关部位(如梁柱节点处)焊接节点板，节点板上开与连接节点相对应的螺栓孔，二者采用高强螺栓直接连接。

一种多级自恢复型消能支撑的消能方法，采用一种多级自恢复型消能支撑，通过形状记忆合金棒和耗能钢棒的伸缩变形耗散能量，以提高构件的承载力；通过形状记忆合金棒提供自恢复能力；初始状态时，形状记忆合金棒处于不受力的状态；地震时，两侧二级防屈曲单元的承载力的不同，承载力小的二级防屈曲单元作为第一阶段的耗能构件，承载力大的二级防屈曲单元作为第二阶段的耗能构件；小震时，仅由承载力小的二级防屈曲单元发挥作用；大震时，两侧二级防屈曲单元均发挥作用。

通过设计形状记忆合金棒的数量、位置、长度、横截面积提供相应的承载力和自恢复力；两个二级防屈曲单元的承载力不同，两个二级防屈曲单元的形状记忆合金棒的自恢复力不同。

通过设计耗能钢棒的大小、长度和横截面积提供相应的承载力；通过设计支撑核心构件的长度、横截面积和形状提供相应的承载力；两个二级防屈曲单元的承载力不同。

本发明的有益效果是：为了防止消能支撑受压时发生整体屈曲，在支撑核心构件外套上一个外套钢管，这样就增加了支撑的平面内外的整体刚度，从而提高耗能支撑的整体稳定。并且由于左右两侧的支撑核心构件的长度不同，左侧二级防屈曲单元的承载力大小与右侧不相等。所以在遭受地震作用时，右侧的二级防屈曲单元承载力较小，因此先进入屈曲耗能状态，耗能钢棒与形状记忆合金棒的拉伸变形耗散所遭受的能量，此时为第一阶段消能状态；而当遭受地震作用继续增大时，左侧的二级防屈曲单元承载力较大，此时也相应的进入屈曲耗能状态，此时为第二阶段消能状态。通过耗能钢棒与形状记忆合金棒的拉伸变形来耗散地震能量，保证内部支撑核心构件在地震作用下不屈曲。当消能支撑的承载力与形状记忆合金棒的强度相关时，这样能使形状记忆合金棒在拉压荷载作用下收缩变形，充分发挥形状记忆合金棒的耗能作用。当构件受到较小的轴向力作用时，耗能钢棒的承载力较小，其右侧的支撑核心构件在压力作用下先发生变形，此时右侧的形状记忆合金棒处于拉伸的状态，但是支撑核心构件不屈曲。当所受到轴向力继续增大时，超出左侧防屈曲构件的设计承载力，左侧的支撑核心构件在压力作用下后向中间靠拢，拉伸左侧的形状记忆合金棒，保证支撑核心构件不屈服。相应的，在形状记忆合金棒自身的拉力作用下，形状记忆合金棒将滑动承重板向回拉伸。并且设置相应的限位板保证形状记忆合金棒收缩不超过其能够承受的范围。这样在反复拉压荷载作用下，形状记忆合金棒反复处于伸缩变形状态，并且耗能钢棒随着形状记忆合金棒的伸缩变形也不断的发生变形，从而达到消耗地震能量，起到保护主体结构的目的。并且当地震力消失后，多级自恢复型消能支撑可以通过左右两侧相应的形状记忆合金棒提供的恢复力使其恢复到初始状态，减小整体结构的残余变形。本发明既能够在小震作用下发挥作用，又可以在大震作用下耗散地震能量，同时可以避免在震后支撑变形过大导致整体结构出现较大的残余变形，有效减轻整体结构在地震作用下的产生的结构损伤及残余变形。该多级自恢复型消能支撑可以采用工厂预制的方式生产，现场螺栓安装，施工速度快，节能环保。本发明适用于框架结构、钢结构、高层结构建筑，特别是装配式的减震建筑中。

除了本实施例提及的方式外，二级防屈曲单元可根据承载力和自恢复力设计四根钢索，布置在支撑核心构件的上下前后位置。每个防屈曲单元还可包括其他数量的形状记忆合金棒，多根形状记忆合金棒环绕支撑核心构件呈圆周均布。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。