一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置及墙体

技术领域

本发明涉及土木工程的加固减振技术领域，具体涉及一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置及墙体，主要应用于加固墙体和控制墙体的水平及竖向变形。

背景技术

在建筑结构中，墙体作为主要的承重构件，承受着多种外部作用力，受力复杂，易出现裂缝与变形，影响结构的稳定性、可靠性和耐久性。

基于目前的建造基础，为满足墙体的抗震需求，通常需要对承重的墙体进行加固，目前常用的加固方法是在墙体内植入消能减振装置、钢筋网水泥砂浆加固法、外贴纤维聚合物加固法等。对于钢筋网水泥砂浆加固法而言，此方法施工工艺简单，可以大大提高墙体的承载能力，但是墙体的整体性较差，抵抗变形的能力较弱，无法满足墙体的耗能减振能力；对于外贴纤维聚合物加固法而言，可以提高墙体的整体性，增强其变形能力，但纤维聚合物FRP与墙体的连接较弱，容易发生剥离破坏，从而影响墙体的加固效果，上述的两种方法，需要进行大量的现场湿作业，工期较长，不便于施工。

对于在墙体内部植入减振器而言，仅单一提高了墙体抵抗变形的能力，无法实现提高墙体稳定性与控制其变形能力的目的。

综上所述，目前现有的技术方案大多是单一的采取减振或是加固的技术，无法实现，既能提高墙体的整体性和承载能力，又能减小或控制墙体的振动响应。

发明内容

基于以上研究现状，本发明的目的是提供一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置及墙体，旨在通过拉索、滑动组合体、滑槽板、滚珠丝杠副、刚性杆、履带和质量块放大墙体的微小变形，并通过摩擦阻尼器和内置耗能器，减小墙体在垂直荷载、风荷载或地震作用等其他外部作用力下各个方向的振动响应，以达到耗能减振的目的；同时通过外置的杆件与能量转换系统，减小墙体在竖直方向产生的压缩变形。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明公开了一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置，包括第一耗能装置，第一耗能装置包括第一箱体，在所述的第一箱体内设置小变形放大装置和摩擦阻尼器，所述的小变形放大装置设置在第一箱体的上部，小变形放大装置的两端各连接一个结构相同的摩擦阻尼器，每个摩擦阻尼器由被动板组、移动板组、内置耗能器组成；所述的被动板组包括被动板Ⅰ、被动板Ⅱ、被动板Ⅲ、被动板IV，所述的被动板Ⅰ与被动板Ⅲ上下对称；所述的被动板Ⅱ与被动板IV上下对称，且被动板Ⅰ与被动板Ⅲ通过弧形条带状的被动板V滑动连接，被动板Ⅱ与被动板IV通过另一个弧形条带状的被动板Ⅵ滑动连接；被动板Ⅰ、被动板Ⅱ与移动板I滑动相连、被动板Ⅲ、被动板IV通过移动板II滑动相连；在被动板组围成的空间内内置耗能器，内置耗能器与小变形放大装置相连；被动板Ⅵ通过可伸缩套管与箱体侧壁相连，被动板V也通过可伸缩套管与位于箱体内的隔板相连；被动板Ⅲ、被动板IV通过可伸缩套管与箱体底部相连。

作为进一步的技术方案，所述的被动板Ⅰ、被动板Ⅱ、被动板Ⅲ、被动板IV中均设有凹槽，使得移动板I和移动板II可以在被动板的凹槽中沿着槽道上下移动。

作为进一步的技术方案，所述的被动板Ⅴ的两个端面分别与被动板Ⅰ的弧形斜面和被动板III的弧形斜面滑动摩擦接触，对应设置的斜面上有相互匹配的凸出和凹陷的脊；所述的被动板Ⅵ的两个斜面分别与被动板II的弧形斜面和被动板Ⅳ的弧形斜面滑动摩擦接触，对应设置的斜面上有相互匹配的凸出和凹陷的脊。

作为进一步的技术方案，所述的内置耗能器由连接杆、内筒和支撑座组成；所述的支撑座固定在被动板Ⅲ、被动板IV顶部，内筒固定在支撑座上，内筒的顶部通过连杆与小变形放大装置相连。

作为进一步的技术方案，所述的内筒包括活塞、球形金属缸体、橡胶导管、方形金属缸体、阻尼液、阻尼网；所述的活塞固定在连接杆的下端，在方形金属缸体中上下移动；所述的方形金属缸体内含有阻尼液，缸体外伸出四根橡胶导管，分别与内筒四角处的球形金属缸体相连；所述的四个球形金属缸体通过四根弧形的橡胶导管连接；每一根橡胶导管中都沿一定的间隔放置阻尼网。

作为进一步的技术方案，所述的小变形放大装置包括拉索连接环、滑槽板、滑动组合体、滚珠丝杠副、刚性杆、履带和质量块；所述的拉索连接环下端连接滑动组合体，两者共同在滑槽板内做直线运动；在滑动组合体下方设有一个与其相连的滚珠丝杠副；所述的滚珠丝杠副两端各连接一个刚性杆，所述的两个刚性杆和滑槽板都安装在箱体内壁的固定座中，刚性杆可以在固定座做绕滚轴的转动，滑槽板不发生位置的改变；所述的履带缠绕在刚性杆上，质量块与履带相连。

作为进一步的技术方案，还包括第二耗能装置，所述的第二耗能装置包括第二箱体，在第二箱体内安装伸缩块，在伸缩块的底部设置多个碟簧。

第二方面，本发明提出了一种墙体，在所述的墙体内设置第一耗能装置，所述的第一耗能装置设置两个，位于墙体的两端，两个第一耗能装置各自通过两根拉索与位于墙体顶部的锚具相连。

第三方面，本发明一种墙体，在所述的墙体内设置第一耗能装置和第二耗能装置，所述的第一耗能装置设置两个，位于墙体的两端，两个第一耗能装置各自通过两根拉索与位于墙体顶部的锚具相连，所述的第二耗能装置位于墙体的中部，第二耗能装置的一侧通过两个呈V型的杆件与墙体顶部相连，第二耗能装置的另一侧通过另外两个呈V型的杆件与墙体顶部相连。

本发明的工作原理如下：

定义滚珠丝杠轴线所在的方向为X方向；与滚珠丝杠轴线垂直的方向为Y方向。当墙体承受水平及竖直方向的多种作用力时，易发生变形。墙体外部的拉索与杆件既可以直接实现提高墙体整体性的效果，又可以与第一耗能装置中的小变形放大装置联动，实现放大墙体微变形的目的，以此来提高墙体的耗能减振能力。当墙体发生轴线X方向振动时，墙体的变形会使拉索拉着第一耗能装置中的滑动组合体和凹槽在X方向上运动，由于螺母与凹槽固定连接，螺母在X方向上沿着丝杆做轴向运动，滚珠丝杠将螺母的直线运动转变为螺杆和刚性杆的旋转运动。刚性杆带动履带做旋转运动，继而带动与履带相连的质量块在Y方向上运动。此时固定在质量块下端的连接杆推动摩擦阻尼器中的移动板Ⅰ做沿Y方向的轴向运动，一方面，由于移动板Ⅰ的相对运动，上下和左右对称设置的被动板组和移动板Ⅱ之间相互挤压，产生摩擦滑动，实现一级耗能的目的；另一方面，连接杆底部的活塞会不断挤压内筒中方形金属缸体内的阻尼液，利用液体从大截面容器流向小截面容器时的惯性效应，使得阻尼液在橡胶导管内的流速增大，加之阻尼网的存在，实现了将液体的流动阻尼力放大和二级耗能的目的，进一步提高了装置的减振能力；摩擦阻尼器外设置的可伸缩弹簧套管可以实现板组运动后的自复位能力，保证下一次的正常使用。当墙体发生Y方向振动时，墙体外部的杆件可以带动第二耗能装置起作用，不断压缩装置内的伸缩块体和碟簧，减小墙体竖向的变形。

本发明的有益效果是：

(1)本发明将墙体的水平振动通过拉索传入墙体内的减振装置中，运用滚珠丝杠转化为刚性杆的转动，再通过履带的传动转化为质量块的直线运动，提高了传动机械的联动效率实现了将平动转化为转动和将变形放大的目的；同时将墙体的竖向振动通过杆件传入墙体内的减振装置中，运用碟簧和伸缩块体，实现能量的转换，提高了两类装置的协同减振能力；

(2)本发明利用被动板组和移动板组之间的挤压产生摩擦滑动，使板组的各摩擦接触的板件将一部分能量转化为热能，实现了一级耗能的目的；

(3)本发明利用惯容原理即液体从大截面容器流向小截面容器时的惯性效应，使得阻尼液在流通管和球形金属缸体内快速流动，同时由于流通管中阻尼网的存在，实现了放大液体流动阻尼力的目的；金属缸体和橡胶导管之间形成连通器，避免液体流动时出现空行程现象；

(4)本发明通过设置中部贯通的连接杆将小变形放大装置、摩擦阻尼器和内置耗能器联结在一起，当变形放大后，板组内各摩擦接触的板件不断发生挤压，实现摩擦耗能的同时，又将运动传递到内置耗能器中，使得连接杆底部的活塞不断挤压方形金属缸体内的阻尼液向橡胶导管和球形金属缸体内流动，实现二级耗能的目的，进一步提高了装置的耗能减振效果。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置的正视图；

图2为一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置的A-A剖面图；

图3为一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置中第一耗能装置的正视图；

图4为一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置中第一耗能装置的B-B剖面图；

图5为一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置中第一耗能装置的摩擦阻尼器的正视图；

图6为一种摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置中第二耗能装置的正视图；

图中：1墙体，2锚具，3拉索，4杆件，5第一耗能装置，6第二耗能装置，7拉索连接环，8滑槽板，9滑动组合体，10滚珠，11螺母，12丝杆，13刚性杆，14固定座，15履带，16质量块，17连接杆，18移动板Ⅰ，19移动板Ⅱ，20被动板Ⅰ，21被动板Ⅱ，22被动板V，23被动板Ⅵ，24被动板Ⅲ，25被动板Ⅳ，26内筒，27活塞，28球形金属缸体，29方形金属缸体，30橡胶导管，31阻尼网，32阻尼液，33支撑座，34可伸缩弹簧套管，35弹簧，36底座，37隔板，38伸缩块体，39碟簧。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

本发明的一种典型的实施方式如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本实施例公开的摩擦-惯容复合式墙体加固与耗能装置，包括第一耗能装置5与第二耗能装置箱体6，其中第一耗能装置5由小变形放大装置、摩擦阻尼器、内置耗能器、可伸缩弹簧套管34组成；第二耗能装置6由伸缩块体38和碟簧39组成；第一耗能装置5分别在墙体1底部的左右两侧各设置一个，第二耗能装置6在墙体1底部的中间设置一个；两个第二耗能装置6的顶部通过两个向墙体前侧面延伸的拉索3与墙体顶部前端的锚具2相连，同时两个第二耗能装置6的顶部还通过两个向墙体后侧面延伸拉索3与墙体顶部后端的锚具2相连，拉索分布的前面视图如图1所示，侧面视图如图2所示，靠近外侧墙体上的两根拉索3的上端通过墙体1上部外侧的锚具2汇聚于一点，下端各连接一个第一耗能装置5；墙体靠近内侧上的两根拉索3的上端通过墙体1上部内侧的锚具2汇聚于一点，下端各连接一个第一耗能装置5，即按照图1所示的方位，位于墙体左侧的第一耗能装置5与左侧的前后两根拉索3相连，连接的侧视图如图2所示，位于墙体右侧的第一耗能装置5与右侧的前后两根拉索3相连，连接的侧视图也可以参考图2所示；

同样的，内侧墙体的两个杆件4拼接成倒三角状(V型)如图1所示，与墙体1下部的第二耗能装置6连接在一起；外侧墙体的两个杆件4也拼接成倒三角状(V型)，与墙体1下部的第二耗能装置6连接在一起；即四根杆件4均连接到同一个第二耗能装置6上，四个杆件4的另一端与墙体通过连接件固定在一起。

上述的拉索与第一耗能装置相连，实现了拉索、小变形放大装置、摩擦阻尼器和内置耗能器的联动，将墙体的微小变形转化为箱体结构中的机械运动，实现多级耗能的目的。摩擦阻尼器外设置可伸缩弹簧套管，可实现当摩擦阻尼器中板组之间不断挤压，发生摩擦滑动使得各板件的位置发生变化时，具有自复位的能力。杆件与第二耗能装置相连，实现了当墙体发生竖向变形时，带动墙体外部的杆件发生变形，从而压缩块体和碟簧，实现能量的转化。

进一步的，第一耗能装置5中的小变形放大装置具体参见图2、图3，其由箱体5、拉索连接环7、滑槽板8、滑动组合体9、滚珠丝杠副、刚性杆13、履带15和质量块16组成；拉索连接环7的下端连接滑动组合体9，两者共同在具有滑槽的滑槽板8内做直线运动(运动方向以图1所示的方位为例，是左右移动)；在滑动组合体9下方设有一个与其相连的滚珠丝杠副，其中滚珠丝杠副包括滚珠10、丝杠12和螺母11，滑动组合体9与螺母11相连；所述的滚珠丝杠副的丝杠12两端各连接一个刚性杆13，两个刚性杆13和滑槽板8都安装在箱体5内壁的固定座14中，分别保证刚性杆13可以在固定座14做绕滚轴的转动，且滑槽板8不发生位置的改变；在每个刚性杆13上缠绕有一个履带15，在每个履带15上设置一个质量块16，保证当履带15围绕刚性杆13发生转动时，质量块16可以沿着履带15做向上或向下的直线运动，实现将小变形放大的目的。

摩擦阻尼器包括两个，左端的摩擦阻尼器通过中部的连接杆17与小变形放大装置左端的质量块16连接，右端的摩擦阻尼器通过另外一个连接杆17与小变形放大装置右端的质量块16连接；两个摩擦阻尼器的结构相同，均各自由被动板组、移动板组、内置耗能器组成；

其中，被动板组包括被动板Ⅰ20、被动板Ⅱ21、被动板Ⅲ24、被动板Ⅳ25、被动板Ⅴ22、被动板Ⅵ23，其中被动板Ⅰ20、被动板Ⅱ21、被动板Ⅲ24、被动板Ⅳ25大小相同，形状均为弧段方形，被动板Ⅰ20与被动板Ⅲ24上下对称，被动板Ⅱ21与被动板Ⅳ25上下对称，被动板Ⅰ20与被动板Ⅲ24的短边与弧段相对设置，被动板Ⅱ21与被动板Ⅳ25的短边与弧段相对设置；被动板Ⅴ22、被动板Ⅵ23大小相同，形状均为弧形条带状，两者相对设置；被动板Ⅴ22的两个斜面分别与被动板Ⅰ20的弧形斜面和被动板III24的弧形斜面滑动摩擦接触，对应设置的斜面上有相互匹配的凸出和凹陷的脊；被动板Ⅳ23的两个斜面分别与被动板II24的弧形斜面和被动板IV25的弧形斜面滑动摩擦接触，对应设置的斜面上有相互匹配的凸出和凹陷的脊；

移动板组由移动板Ⅰ18和移动板Ⅱ19组成，两者大小相同，形状为标准正方形，相对设置；移动板Ⅰ18的左端与被动板Ⅰ20配合，移动板Ⅰ18的右端与被动板Ⅱ21配合，移动板Ⅱ19的左端与被动板III24配合，移动板Ⅰ19的右端与被动板IV25配合，其中被动板Ⅰ20、被动板Ⅱ21、被动板Ⅲ24、被动板Ⅳ25中均设有凹槽，使得对应的移动板可以在被动板的凹槽中沿着槽道上下移动；被动板Ⅴ22、被动板Ⅵ23外分别各自连接两个可伸缩弹簧套管34，靠近箱体外侧的两个可伸缩弹簧套管34与箱体侧壁上的底座相连，靠近箱体中间位置的两个可伸缩弹簧套管34与箱体内的隔板上的底座相连。

被动板III24和被动板IV25底部也分别设置一个可伸缩弹簧套管34，该可伸缩弹簧套管34与固定在箱体5内壁底部的底座36相连；

套管34外壁采用可伸缩材料，套管34内安装弹簧35；弹簧35采用形状记忆合金材料，利用此材料的超弹性特性，保证弹簧35的自复位能力，从而确保摩擦阻尼器的自复位；

摩擦阻尼器的板组内形成封闭空间，空间内放置耗能器；阻尼器通过连接杆17与上部的小变形放大装置中的质量块16相连；连接杆17贯通移动板Ⅰ18，与板组中内置的耗能器相连，实现了当上部小变形放大装置运作时，既能通过板组内各摩擦接触的板件之间耗能，又能通过内置耗能器增大阻尼，达到多级耗能的效果；

如图5所示，内置耗能器由连接杆17、内筒26和支撑座33组成；内筒26包括活塞27、球形金属缸体28、橡胶导管30、方形金属缸体29、阻尼网31、阻尼液32；活塞27固定在连接杆17的下端，可在方形金属缸体29中上下移动；方形金属缸体29内含有阻尼液31，缸体外伸出四根直线型的橡胶导管30，分别与内筒26四角处的球形金属缸体28相连；四个球形金属缸体28通过四根弧形的橡胶导管30连接；每一根橡胶导管30中都沿一定的间隔放置阻尼网31，当活塞27向下压时，方形金属缸体29中的阻尼液32被积压到橡胶导管30和球形金属缸体28中，利用惯容原理，实现了增大液体流动阻尼力的目的；内置耗能器通过底部的支撑座33固定在摩擦阻尼器形成的封闭空间内；第一耗能装置5的中部设置一隔板37，隔板37的左右两侧，对称设置有相同的摩擦阻尼器、内置耗能器和可伸缩弹簧套管34；

进一步的，第二耗能装置6的结构如图6所示，第二耗能装置6内安装一个伸缩块体38和一组碟簧39；伸缩块体38的两端延伸至墙体外与四个杆件4相连，伸缩块体38的底部与碟簧39相连，当墙体1发生竖向变形时，可带动墙体1外部的杆件4的变形，从而压缩块体38和碟簧39，实现能量的转化。

本发明的工作原理如下：

定义滚珠丝杠轴线所在的方向为X方向；与滚珠丝杠轴线垂直的方向为Y方向，当墙体承受水平及竖直方向的多种作用力时，易发生变形。墙体外部的拉索与杆件既可以直接实现提高墙体整体性的效果，又可以与第一耗能装置中的小变形放大装置联动，实现放大墙体微变形的目的，以此来提高墙体的耗能减振能力。当墙体发生轴线X方向振动时，墙体的变形会使拉索拉着第一耗能装置中的滑动组合体和凹槽在X方向上运动，由于螺母与凹槽固定连接，螺母在X方向上沿着丝杆做轴向运动，滚珠丝杠将螺母的直线运动转变为螺杆和刚性杆的旋转运动。刚性杆带动履带做旋转运动，继而带动与履带相连的质量块在Y方向上运动。此时固定在质量块下端的连接杆推动摩擦阻尼器中的移动板Ⅰ做沿Y方向的轴向运动，一方面，由于移动板Ⅰ的相对运动，上下和左右对称设置的被动板组和移动板Ⅱ之间相互挤压，产生摩擦滑动，实现一级耗能的目的；另一方面，连接杆底部的活塞会不断挤压内筒中方形金属缸体内的阻尼液，利用液体从大截面容器流向小截面容器时的惯性效应，使得阻尼液在橡胶导管内的流速增大，加之阻尼网的存在，实现了将液体的流动阻尼力放大和二级耗能的目的，进一步提高了装置的减振能力；摩擦阻尼器外设置的可伸缩弹簧套管可以实现板组运动后的自复位能力，保证下一次的正常使用。当墙体发生Y方向振动时，墙体外部的杆件可以带动第二耗能装置起作用，不断压缩装置内的伸缩块体和碟簧，减小墙体竖向的变形。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

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。