CN218843401U - 基于sma的可更换耗能阻尼器的摇摆结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，包括混凝土基座，混凝土基座上开设凹槽，混凝土基座的凹槽内连接十字形的钢柱，混凝土基座上位于钢柱的相邻两边之间分别连接一个长螺栓，每个长螺栓与相邻的钢柱两个边之间连接多个耗能阻尼器，钢柱每个边垂直焊接翼缘板，每个翼缘板上通过螺栓连接SMA柱端固定连接件，混凝土基座上正对SMA柱端固定连接件处通过螺栓连接SMA基座固定连接件，SMA柱端固定连接件通过SMA绞线连接SMA基座固定连接件；通过在钢柱脚节点的连接处设有耗能阻尼器，使钢柱发生摇摆且转动时形成塑性变形，耗散地震能量，进而降低结构的地震损伤程度。
Description
技术领域
本实用新型属于消能减震结构及可恢复功能摇摆结构体系技术领域，具体涉及基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构。
背景技术
传统的抗震理念通常是通过增大结构的刚度、强度和延性来增强结构的抗震能力，传统的抗震结构往往包括钢柱、混凝土基座；传统钢柱脚按构造形式一般分为外露式柱脚、外包式柱脚和埋入式柱脚三类。经过调查表明，框架结构较多在柱端形成塑性铰，未能实现预期“强柱弱梁”的抗震目标，特别是柱脚区域破坏严重。传统钢柱脚易受到非延性损伤，容易出现屈曲或断裂等破坏，未充分考虑震后修复策略，抗震韧性有待提升。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，通过在钢柱脚节点的连接处设有耗能阻尼器，使钢柱发生摇摆且转动时形成塑性变形，耗散地震能量，进而降低结构的地震损伤破坏。
本实用新型所采用的技术方案是，基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，包括混凝土基座，混凝土基座上开设凹槽，混凝土基座的凹槽内连接十字形的钢柱，混凝土基座上位于钢柱的相邻两边之间分别连接一个长螺栓，每个长螺栓与相邻的钢柱两个边之间连接多个耗能阻尼器，钢柱每个边垂直焊接翼缘板，每个翼缘板上通过螺栓连接SMA柱端固定连接件，混凝土基座上正对SMA柱端固定连接件处通过螺栓连接SMA基座固定连接件，SMA柱端固定连接件通过SMA绞线连接SMA基座固定连接件。
本实用新型的特点还在于：
耗能阻尼器包括环状型钢，环状型钢外壁焊接圆环，多个圆环套接在长螺栓上，环状型钢通过螺栓连接钢柱上。
环状型钢与钢柱之间还设置黄铜片，黄铜片上开设多个孔，环状型钢与钢柱之间的螺栓穿过黄铜片的孔。
黄铜片上的孔为椭圆孔。
长螺栓上位于相邻圆环之间套接支撑环。
长螺栓远离混凝土基座的一端连接长螺栓固定螺母。
混凝土基座的凹槽内还连接加强板，钢柱连接于混凝土基座凹槽内的加强板上。
本实用新型有益效果是：
1).解除钢柱与混凝土基座间的部分约束，改变了传统钢柱脚破坏模式，使其由弯曲破坏、剪切破坏或弯剪破坏转变为整体的刚体摇摆模式，从根本上改变柱脚受力机制，实现主体结构震后无损伤或低损伤；
2).在地震作用下，钢柱柱脚通过摇摆使耗能阻尼器自身塑性变形来耗散能，使钢柱、混凝土基座基本保持弹性，提高了强震下的抗震性能，有效地降低了柱脚节点的损伤；
3).柱脚通过四周设置SMA绞线以实现结构的自复位能力，能够通过耗能阻尼器和SMA绞线的数量与位置来满足不同条件下的需要；
4)耗能阻尼器不承担竖向荷载，震后易对耗能阻尼器进行更换，且更换时不影响结构的正常功能，可实现更高效的可恢复功能防震结构；
5).耗能阻尼器可根据环境需求和实际情况，改变存在形式和数量，再套入长螺栓；支撑环和耗能阻尼器替换为任何形式耗能组件，来适应不同的实际工程，耗能阻尼器安装到固定长螺栓上仅为套入，操作简单，且施工成本低。
6)全部部件均可采用工厂加工现在装配的方式进行施工。通过预先在结构上开设孔洞，各部件可以通过预设连接孔与混凝土基础组件的柱底连接组件进行连接，从而降低现场作业的要求，缩短施工工期。
附图说明
图1是本实用新型基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构示意图；
图2是本实用新型中转换头与混凝土基座连接关系示意图；
图3是本实用新型中长螺栓的结构示意图；
图4是本实用新型中耗能阻尼器的结构示意图；
图5是本实用新型中支撑环的结构示意图；
图6是本实用新型中黄铜片的结构示意图；
图7是本实用新型中基座连接件的结构示意图；
图8是本实用新型中柱端连接件的结构示意图；
图9是本实用新型中混凝土基座的结构示意图。
图中，1.钢柱、2.长螺栓、3.长螺栓固定螺母，4.耗能阻尼器，5.支撑环，6.黄铜片，7.SMA柱端固定连接件，8.SMA基座固定连接件，9.SMA绞线，10.混凝土基座，11.加强板，12.翼缘板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
传统的抗震理念通常是通过增大结构的刚度、强度和延性来增强结构的抗震能力，但这种做法通常会导致结构震后损伤严重，修复困难。摇摆结构由于其能够显著减轻结构的震后损伤，成为地震工程领域重要的研究方向之一。目前已经有摇摆柱、摇摆墙、摇摆结构与消能减震装置相结合等多种实现形式。其中摇摆柱可以放松柱与基础之间的约束，在水平倾覆力矩的作用下，允许上部结构与基础交界面处产生一定的抬升；当遭受强震作用时，上部结构与基础交界面之间反复抬升就造成了上部结构的整体摇摆，并成为主要的变形反应，从而避免结构出现局部变形过大造成结构整体倒塌。另外，摇摆柱通过后张筋或钢绞线手段，使其具有自复位能力，一方面增强了结构在地震过程中摇摆反应的可控性，另一方面缩短了震后恢复周期，降低经济损失。结构摇摆时不会改变结构固有动力特性，只提供附加阻尼，力学滞回性能饱满，具有稳定的动力特性和很强的耗能能力。
形状记忆合金(SMA)具有形状记忆效应和超弹性效应，近年来被广泛应用于土木工程领域，其在大变形循环中具有良好的抗疲劳性，且能够自动恢复原状。
可更换耗能柱脚节点区别于传统刚性柱脚连接，可避免当结构出现不可逆残余变形，致使整体结构难以修复或者因修复成本过大、耗时较长而被迫拆除的问题，降低修复成本。
本实用新型基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，如图1所示，包括混凝土基座10，混凝土基座10上开设凹槽，混凝土基座10的凹槽内连接十字形的钢柱1，混凝土基座10能够支撑钢柱1进行摇摆，混凝土基座10上位于钢柱1的相邻两边之间分别连接一个长螺栓2，浇筑混凝土基座10时，如图2所示，长螺栓2预埋在混凝土基座10中，每个长螺栓2与相邻的钢柱1两个边之间连接多个耗能阻尼器4，钢柱1每个边垂直焊接翼缘板12，每个翼缘板12上通过螺栓连接SMA柱端固定连接件7，翼缘板12能够增强SMA柱端固定连接件7与钢柱1连接的稳定性，混凝土基座10上正对SMA柱端固定连接件7处通过螺栓连接SMA基座固定连接件8，SMA柱端固定连接件7通过SMA绞线9连接SMA基座固定连接件8，当钢柱1摇摆时，通过长螺栓2与相邻的钢柱1两个边之间的耗能阻尼器4发生形变，耗散地震能量，进而降低结构的地震损伤和破坏。
长螺栓2结构如图3所示，如图4所示，耗能阻尼器4包括环状型钢，环状型钢外壁焊接圆环，圆环套接在长螺栓2上，环状型钢通过螺栓连接钢柱1上，通过圆环能够对环状型钢进行位置固定，当钢柱1相对混凝土基座10发生振动时，能够挤压环状型钢，环状型钢通过自身形变耗散地震能量。
如图5所示，长螺栓2上位于相邻圆环之间套接支撑环5，支撑环5和耗能阻尼器4宽度一样，根据实际情况把支撑环5换成耗能阻尼器4，即可实现在不改变长螺栓尺寸的前提下，由每个长螺栓上放三个耗能阻尼器变成四个，或者五个等。
如图6所示，环状型钢与钢柱1之间还设置黄铜片6，黄铜片6上开设多个孔，环状型钢与钢柱1之间的螺栓穿过黄铜片6的孔，黄铜片6上的孔为椭圆孔，能够增大摩擦耗能能力。
如图7所示，SMA柱端固定连接件7包括连接翼缘板12上的支撑板，支撑板上垂直连接横向肋板，横向肋板连接SMA绞线9。
如图8所示，SMA基座固定连接件8底部连接板，底部连接板通过螺栓连接混凝土基座10，底部连接板上连接倒U字形顶部横向肋板，顶部横向肋板上连接SMA绞线9。
长螺栓2远离混凝土基座10的一端连接长螺栓固定螺母3，能够防止耗能阻尼器4、支撑环5脱离长螺栓2。
如图9所示，混凝土基座10的凹槽内还连接加强板11，钢柱1连接于混凝土基座10凹槽内的加强板11上，通过加强板11与钢柱1接触，防止混凝土被压裂。
本实用新型基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构的工作原理为：
安装过程中，将长螺栓2预埋进混凝土基座10中，SMA基座固定连接件8通过螺栓固定于混凝土基座10中，将钢柱1插入混凝土基座10的凹槽中，多个耗能阻尼器4和支撑环5按顺序套入固定长螺栓2，每次套接一个耗能阻尼器4后，通过螺栓进行固定，耗能阻尼器4通过螺栓与翼缘板12连接，并在中间加入黄铜片6，最后通过长螺栓固定螺母3套在固定长螺栓2上；通过螺栓使SMA柱端固定连接件7固定于钢柱1上；SMA绞线9一端连接SMA柱端固定连接件7横向肋板，另一端连接SMA基础固定连接件8顶部横向肋板。
发生地震作用时，钢柱1会在混凝土基座10上摆动，耗能阻尼器4和SMA绞线9处于受拉和受压的状态以消耗地震能量，同时耗能阻尼器4与之连接的两端构件之间布置黄铜片6之间进行摩擦耗能，且地震作用结束后，SMA绞线9会因其自身特性进行自复位。
在较小地震作用下，摇摆结构发生振动，但地震作用不足以克服结构自重和耗能阻尼器4的初始抗力，耗能阻尼器4形状基本不变，摇摆结构处于弹性工作阶段，地震能量在结构动能和弹性势能之间相互转化，震后完全使用。
在较大地震作用下，摇摆结构发生振动，地震作用克服了结构自重和耗能阻尼器4的初始抗力，柱脚向一侧抬升，受压一侧耗能阻尼器4发生扭动，相反一侧发生反向扭动。地震能量被耗能阻尼器4和SMA绞线9变形进行耗能，通过SMA绞线9恢复力，使结构在地震作用下获得被动控制能力，达到结构功能可恢复的目的。
通过上述方式，本实用新型基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，包括上方的钢柱、耗能装置和下方的混凝土基座，混凝土基座与钢柱之间设有耗能阻尼器，型钢翼缘内侧设置有可更换的耗能阻尼器。通过解除柱底与基础间部分约束，集自复位装置和耗能装置于一体，设计可更换新型耗能阻尼器的摇摆钢柱。当钢框架在受到地震作用时，通过SMA绞线和新型耗能阻尼器的变形进行耗能，通过SMA绞线的恢复力，使钢柱在地震作用下获得被动控制能力，达到钢柱功能可恢复的目的，提高钢柱的抗震性能，有效地降低其地震损伤。
Claims (7)
1.基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，其特征在于，包括混凝土基座（10），所述混凝土基座（10）上开设凹槽，所述混凝土基座（10）的凹槽内连接十字形的钢柱（1），所述混凝土基座（10）上位于钢柱（1）的相邻两边之间分别连接一个长螺栓（2），每个所述长螺栓（2）与相邻的钢柱（1）两个边之间连接多个耗能阻尼器（4），所述钢柱（1）每个边垂直焊接翼缘板（12），每个所述翼缘板（12）上通过螺栓连接SMA柱端固定连接件（7），所述混凝土基座（10）上正对SMA柱端固定连接件（7）处通过螺栓连接SMA基座固定连接件（8），所述SMA柱端固定连接件（7）通过SMA绞线（9）连接SMA基座固定连接件（8）。
2.根据权利要求1所述基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，其特征在于，每个所述耗能阻尼器（4）包括环状型钢，所述环状型钢外壁焊接圆环，多个所述圆环套接在长螺栓（2）上，所述环状型钢通过螺栓连接钢柱（1）上。
3.根据权利要求2所述基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，其特征在于，所述环状型钢与钢柱（1）之间还设置黄铜片（6），所述黄铜片（6）上开设多个孔，所述环状型钢与钢柱（1）之间的螺栓穿过黄铜片（6）的孔。
4.根据权利要求3所述基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，其特征在于，所述黄铜片（6）上的孔为椭圆孔。
5.根据权利要求2所述基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，其特征在于，所述长螺栓（2）上位于相邻圆环之间套接支撑环（5）。
6.根据权利要求1所述基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，其特征在于，所述长螺栓（2）远离混凝土基座（10）的一端连接长螺栓固定螺母（3）。
7.根据权利要求1所述基于SMA的可更换耗能阻尼器的摇摆结构，其特征在于，所述混凝土基座（10）的凹槽内还连接加强板（11），所述钢柱（1）连接于混凝土基座（10）凹槽内的加强板（11）上。
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