一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置

技术领域

本发明涉及一种多阶可更换式的自复位防屈曲支撑装置，属于建筑结构耗能减震装置技术领域。

背景技术

我国处于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，是世界上多地震国家，也是遭受地震灾害最为深重的国家之一。从上个世纪末到今天的短短几十年间，我国境内就发生过数次破坏性较大的地震，建筑抗震防灾面临非常严峻的形势。

传统的抗震理念为“以刚克刚”，现代的抗震理念为“以柔克刚”。结构由抗震到减、隔震，设防目标和安全度要求不断提高，其中耗能支撑好比建筑结构的“一只拐杖”，在地震作用下能很大程度提高结构的安全度。

目前，防屈曲支撑以自重轻、滞回性能和延性良好等优势，在消耗能减震领域得以广泛应用。但传统防屈曲支撑在多遇地震下保持弹性，仅可为结构提供抗侧刚度，不能为结构提供附加阻尼，耗散地震能量；随着地震作用增大时，支撑构件进入屈曲状态，且与构件连接的周边节点损伤严重，残余变形较大，灾后修复主体结构的难度大并且成本高，不利于灾后城市功能的正常运行；而且传统防屈曲支撑中耗能装置一般位于耗能支撑内部不便于更换与检测，也不利于震后的维护；其中耗能单元连接处也较为复杂，不能够实现“定点屈服”。

因此，亟需提出一种新型的多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发目的是为了解决传统防屈曲支撑小震时，不能为结构提供附加阻尼，耗散地震能量；多阶段耗能机构震后存在较大残余变形，不便于更换且不能实现定点屈服问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置，包括内管机构、外管机构、一级耗能约束机构和二级耗能约束机构，所述外管机构套装在内管机构外侧，外管机构内部的左右两侧分别通过一级耗能约束机构和二级耗能约束机构与内管机构的左右两端建立弹性连接，一级耗能约束机构和二级耗能约束机构的结构相同，外管机构的左侧设置有左侧连接部，内管机构的右侧设置有右侧连接部。

优选的：所述内管机构和外管机构均为中空的管状结构。

优选的：所述一级耗能约束机构包括耗能内芯和耗能内芯连接件，所述耗能内芯贴合在外管机构顶部外侧壁，耗能内芯左端通过耗能内芯连接件与外管机构固定连接，耗能内芯右端通过耗能内芯连接件穿过外管机构与内管机构固定连接。

优选的：所述一级耗能约束机构还包括耗能挡板组和复位碟簧组，所述内管机构外壁上安装有碟簧限位板，两个相邻的碟簧限位板之间设置有复位碟簧组，外管机构的内侧壁上安装有多个耗能挡板组，每相邻两个耗能挡板组之间的间距与每相邻两个碟簧限位板之间的间距相同，复位碟簧组顶部左右两端与相邻两个耗能挡板组之间的内侧壁贴合。

优选的：所述耗能挡板组分为设置于同一竖直面的上挡板和下挡板，上挡板安装在外管机构的上端内侧壁，下挡板安装在外管机构的下端内侧壁；

所述碟簧限位板为圆环状挡板，所述上挡板和下挡板之间的最小竖直距离大于碟簧限位板的最大直径。

优选的：所述复位碟簧组的数量至少为两组。

优选的：所述复位碟簧组包括碟簧和碟簧挡板，碟簧左右两端均安装有碟簧挡板，碟簧挡板顶部与耗能挡板组贴合，碟簧挡板底部与碟簧限位板贴合。

本发明为了解决传统防屈曲支撑小震作用下，支撑不能为结构提供附加阻尼，耗散地震能量；震后结构存在残余变形；耗能装置不便于更换与检测且不能实现定点屈服的问题，提出本发明的技术方案为：

优选的：所述一级耗能约束机构还包括耗能内芯外挡板，耗能内芯外挡板底部与耗能内芯顶部滑动贴合，耗能内芯外挡板前后两侧壁与外管机构建立连接。

优选的：所述外管机构竖直开设有通孔，二级耗能约束机构的耗能内芯右侧置于通孔外侧，位于二级耗能约束机构右侧的耗能内芯连接件设置在通孔内，通孔的横截面积大于耗能内芯连接件的最大横截面积。

优选的：所述耗能内芯上开设有多个通孔，所述一级耗能约束机构的耗能内芯的长度、宽度和厚度均小于和二级耗能约束机构的耗能内芯的长度、宽度和厚度；

所述一级耗能约束机构内每相邻两个耗能挡板组之间的间距小于和二级耗能约束机构内每相邻两个耗能挡板组之间的间距。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明的一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置，因该装置设置两级耗能区域，每级耗能区域承载力不同，从而在地震作用下可以实现多阶段屈服耗能。当遇到小震或小振时，支撑在弹性阶段首先进行第一次屈服耗能；当遇到多遇和罕遇地震时支撑进行二次屈服耗能，可为结构提供附加刚度，进而更大程度的耗散地震作用力，减少主体结构的地震响应；

2.本发明的一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置，该装置一级耗能约束机构和二级耗能约束机构中复位碟簧组安装在外管机构和耗能内芯之间，其复位碟簧组防止耗能内芯在厚度上的屈曲变形，地震作用后，方便耗能内芯的检查、维护和更换，更大程度上减少支撑造价和后期维护的成本；

3.本发明的一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置，该装置一级耗能约束机构和二级耗能约束机构中复位碟簧组安装在外管机构和耗能内芯之间，并且耗能内芯开有一定数量通孔，通过消弱中部来实现增强端部连接处以延缓失稳破坏、实现支撑定点屈服，避免了使用当时国内尚无法自主研制低屈服点钢，以及不同屈服点钢材的焊接问题；

4.本发明的一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置，该装置复位碟簧组采用碟簧作为复位材料，其中碟簧性能较其他复位材料性能稳定，且较其他复位材料变形能力强，为装置提供自复位能力，可以抵抗因支撑破坏导致的主体结构的残余变形，更大程度上降低了灾后修复的难度和成本；

5.本发明的一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置，该装置的耗能内芯采用全钢约束，全钢约束质轻且安装简单，适合大跨度和高层结构建筑；

6.本发明的一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置，不仅可广泛应用于框架结构、钢结构、大跨度和高层结构中，还可以用于工业化建筑、老城区改建加固当中。

附图说明

图1是一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置的立体图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2的A-A剖面图；

图4是本发明耗能内芯的结构图；

图5是具体实施方式中处于正常状态时的结构原理图；

图6是具体实施方式中处于小震作用时的结构原理图；

图7是具体实施方式中处于大震作用时的结构原理图；

图中1-内管机构，2-外管机构，3-一级耗能约束机构，4-二级耗能约束机构，5-左侧连接部，6-右侧连接部，11-碟簧限位板，21-长通孔，31-耗能内芯，32-耗能内芯连接件，33-耗能挡板组，34-复位碟簧组，35-耗能内芯外挡板，331-上挡板，332-下挡板，341-碟簧，342-碟簧挡板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种多阶可更换式自复位防屈曲支撑装置，包括内管机构1、外管机构2、一级耗能约束机构3和二级耗能约束机构4，所述外管机构2套装在内管机构1外侧，外管机构2内部的左右两侧分别通过一级耗能约束机构3和二级耗能约束机构4与内管机构1的左右两端建立弹性连接，一级耗能约束机构3和二级耗能约束机构4的结构相同，外管机构2的左侧设置有左侧连接部5，内管机构1的右侧设置有右侧连接部6,使用时一级耗能约束机构3和二级耗能约束机构4分为两级起到复位防屈曲的作用，在地震作用时，可以实现多阶段耗能，从而为结构安全提供多重保障；地震作用后，有利于减少因支撑破坏带来的主体结构的残余变形，也便于装置后期耗能机构的更换和检测，一级耗能约束机构3属于一级耗能区域，二级耗能约束机构4属于二级耗能区域，左侧连接部5和右侧连接部6与外部建筑结构建立连接，一级耗能约束机构3和二级耗能约束机构4均可设置为多组，一级耗能区域和二级耗能区域有不同的承载能力，所述承载能力可由具体工程实例确定。

所述内管机构1和外管机构2均为中空的管状结构，内管机构1为中空圆管状结构，外管机构2为中空方管状结构。

所述一级耗能约束机构3包括耗能内芯31和耗能内芯连接件32，所述耗能内芯31滑动贴合在外管机构2顶部外侧壁，耗能内芯31左端通过耗能内芯连接件32与外管机构2固定连接，耗能内芯31右端通过耗能内芯连接件32穿过外管机构2与内管机构1固定连接，其中耗能内芯31通过内管机构1和外管机构2的相对运动拉伸和压缩，从而实现耗能，一级耗能约束机构3的耗能内芯31的厚度、宽度、以及屈服阶段的长度有别于二级耗能约束机构4的耗能内芯31，即使两级耗能内芯刚度不同，所述的耗能内芯连接件32为可拆卸卡装结构，包括固定在内管机构1上的安装柱和与之可拆卸连接的安装板，耗能内芯31卡装在安装柱顶部的卡装槽内，然后顶部通过安装板与安装柱通过螺栓拧紧，如此设置降低耗能装置中耗能内芯31更换和检测的难度，减轻震后因支撑构件破坏所引起的主体结构的残余变形，从而减小灾后修复的难度和成本，有利于保持灾后城市功能的正常运行，符合“韧性城市”要求。

所述一级耗能约束机构3还包括耗能挡板组33和复位碟簧组34，所述内管机构1外壁上安装有碟簧限位板11，两个相邻的碟簧限位板11之间设置有复位碟簧组34，外管机构2的内侧壁上安装有多个耗能挡板组33，每相邻两个耗能挡板组33之间的间距与每相邻两个碟簧限位板11之间的间距相同，复位碟簧组34顶部左右两端与相邻两个耗能挡板组33之间的内侧壁贴合。

二级耗能约束机构4与一级耗能约束机构3采用相同的结构设计，内管机构1通过一级耗能约束机构3和二级耗能约束机构4的压缩和回弹，实现相对的往返运动。

所述耗能挡板组33分为设置于同一竖直面的上挡板331和下挡板332，上挡板331安装在外管机构2的上端内侧壁，下挡板332安装在外管机构2的下端内侧壁；

所述碟簧限位板11为圆环状挡板，所述上挡板331和下挡板332之间的最小竖直距离大于碟簧限位板11的最大直径。

所述复位碟簧组34的数量至少为两组。

所述复位碟簧组34包括碟簧341和碟簧挡板342，碟簧341左右两端均安装有碟簧挡板342，碟簧挡板342顶部与耗能挡板组33贴合，碟簧挡板342底部与碟簧限位板11贴合，其中碟簧341为碟簧组，通过先叠合再对合的形式组装起来，其作用原理通过碟簧柔度串联再刚度并联，一级耗能约束机构3中碟簧的数量、大小、形状不同于二级耗能约束机构4，设置时使一级耗能约束机构3碟簧整体刚度小于二级耗能约束机构4碟簧整体刚度，其中碟簧预应力可以通过改变限位部距离来施加，预应力大小依据耗能机构所匹配的复位能力来调控，其中碟簧通过内管机构1与外管机构2的相对运动实现压缩和拉伸，从而为支撑提供复位能力。

所述一级耗能约束机构3还包括耗能内芯外挡板35，耗能内芯外挡板35为门型挡板，耗能内芯外挡板35设置在耗能内芯31顶部，耗能内芯外挡板35前后两侧壁的底部与外管机构2通过长螺栓建立连接，耗能内芯外挡板35与耗能内芯31之间设置有一定的活动距离，以便耗能内芯31有足够变形的空间。

所述外管机构2竖直开设有长通孔21，二级耗能约束机构4的耗能内芯31右侧置于长通孔21外侧，位于二级耗能约束机构4右侧的耗能内芯连接件32设置在长通孔21内，长通孔21的横截面积大于耗能内芯连接件32的最大横截面积，长通孔21设置的目的是可供二级耗能约束机构4右侧的耗能内芯连接件32自由通过，其中长通孔21横向运动方向的距离可由复位能力大小决定。

所述耗能内芯31上开设有一定数量、形状的通孔使内芯充分发挥其性能，有利于支撑装置实现“定点屈服”，还能很好地保护支撑端部，以延缓其失稳破坏，避免了使用当时国内尚无法自主研制低屈服点钢，以及不同屈服点钢材的焊接问题，所述一级耗能约束机构3的耗能内芯31的长度、宽度和厚度均小于和二级耗能约束机构4的耗能内芯31的长度、宽度和厚度；如此设置的目的是使一级耗能约束机构3的耗能能力小于二级耗能约束机构4的耗能能力，可以提高耗能支撑多阶段耗能能力，分散整体的受力状态，使结构更加稳定，不易发生屈曲；

所述一级耗能约束机构3内每相邻两个耗能挡板组33之间的间距小于和二级耗能约束机构4内每相邻两个耗能挡板组33之间的间距。

当装置处于支撑状态没有额外振动外力施加的正常状态时，其内部结构的受力状况如图5所示，参照图5-7，以支撑受拉状态为例简述其在小震和大震作用下的工作原理：

小震作用下：如图6所示，支撑右侧一级耗能区域。当支撑受拉时，支撑所受的轴向力大于一级耗能约束机构3内复位碟簧组34的预压力时，右侧一级耗能约束机构3压缩工作，内管机构1和外管机构2开始相对运动。外管机构2向左运动，内管机构1向右运动。内管机构1通过碟簧限位板11带动复位碟簧组34向左挤压耗能挡板组33，使复位碟簧组34受压。由于耗能内芯31与内管机构1和外管机构2的连接，当内管机构1和外管机构2相对变形增大，耗能内芯31逐渐伸长。卸载时，复位碟簧组34回弹使得外管机构2向右运动和内管机构1向左运动，完成自复位。上述自复位过程中耗能内芯31分为两阶段：第一阶段，耗能内芯31受拉卸载，伸长量逐渐缩小至0；第二阶段，耗能内芯31开始反向受压，小震作用下以右侧一级耗能区域工作为主，左侧二级耗能约束机构4产生与右侧一级耗能约束机构3相同的受力和运动状态，但是二级耗能约束机构4自身的相对运动距离小于一级耗能约束机构3。

大震作用下：如图7所示，支撑左侧二级耗能区域，当支撑受拉时，支撑所受的轴向力大于二级耗能约束机构4内复位碟簧组34的预压力时，右侧一级耗能约束机构3和左侧的二级耗能约束机构4同时产生压缩工作，内管机构1和外管机构2开始相对运动。外管机构2向左运动，内管机构1向右运动。内管机构1通过碟簧限位板11带动复位碟簧组34向左挤压耗能挡板组33，使复位碟簧组34受压。由于耗能内芯31与内管机构1和外管机构2的连接，当内管机构1和外管机构2相对变形增大，耗能内芯31逐渐伸长，此时右侧一级耗能约束机构3保持上述小震作用下的压缩状态；卸载时，复位碟簧组34回弹使得外管机构2向右运动和内管机构1向左运动，完成自复位。上述自复位过程中耗能内芯31分为两阶段：第一阶段，耗能内芯31受拉卸载，伸长量逐渐缩小至0；第二阶段，耗能内芯31开始反向受压，大震作用下以左侧二级耗能区域工作为主，右侧一级耗能区域保持小震作用工作状态或者继续工作。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。