预应力消能索撑装置以及其计算方法技术领域
本发明涉及一种预应力消能索撑装置以及其计算方法，属于建筑领域。
背景技术
结构的抗侧力构件是结构的重要组成，承担着抵抗风荷载以及地震作用的重要作用。而消能减震思想是近二十年来在我国逐渐受到重视的技术方法，这一思想的核心在于在结构中设置消能装置来耗散外部作用输入给结构的能量，从而保护主体结构、减小主体结构损伤。消能减震装置按照机理，可以划分为粘滞阻尼器装置、金属滞回耗能装置、摩擦耗能装置、粘弹性耗能装置等。而金属滞回耗能装置一方面为结构提供刚度，另一方面在结构受到较大外部作用时通过自身的滞回耗能消耗外部输入能量，减小主体结构损伤。在建筑领域，金属滞回耗能装置因为其机理易于接受、造价便宜、设计易于设计师理解、性能相对稳定等特性而有相对较多的应用。
目前常用的金属消能装置包括有剪切板阻尼器SPD(shearpaneldamper，剪切板阻尼器)、屈曲约束支撑(BucklingRestrainedBrace，BRB)、ADAS(AdditionnalDamperAndStiffness，附加阻尼和刚度)。这些装置通过金属的拉压、剪切、弯曲塑形变形消耗地震能量。然而这些装置任然有一些缺陷，不能完全适应实际工程的需要。为了实现屈曲约束支撑拉压一致的功能往往需要在其轴向受力芯材外包裹约束材料(钢材或者钢与混凝土等)；而剪切型阻尼器或ADAS安装于框架中需要配合设置支撑才能发挥效益，而所配合的支撑按照刚度进行设计，因此尺寸较大。这些原因导致虽然这类耗能部件虽然性能远远高于普通支撑，但是造价较高，阻碍了消能减震技术的推广。因此，开发一种较小尺寸，却具有稳定抗侧力性能、能够实现良好耗能特性的减震构件具有非常明显的现实意义。
索撑系统是一种常用的建筑结构抗侧力构件，常用于较轻的建筑结构，具有安装方便快捷的特点，能够有效提高结构抗侧刚度。但是传统的索撑抗侧力系统拉压性质截然不同，耗能能力差，不具备消能建筑构件诸如屈曲约束支撑、剪切型阻尼器的饱满滞回曲线特征。
发明内容
为了克服传统金属耗能装置尺寸较大，造价较贵的缺陷；同时为了克服传统索撑系统滞回曲线不饱满，耗能能力差的缺陷，本发明提出了一种预应力消能索撑装置以及其计算方法，该装置兼有金属消能的功能和索撑轻巧的优点，抗侧性能稳定，材质便宜加工方便，并同时提出了这种装置的设计计算方法，该方法可以计算预应力索撑系统的各项力学参数，进而校核目标是否满足。
为解决上述技术问题本发明的构思是：一种预应力消能索撑装置，其特征在于，其包括第一盖板、第二盖板、金属消能器、第一索撑系统、第二索撑系统，金属消能器位于第一盖板与第二盖板之间；第一索撑系统由四根第一拉索组成，其中每两根第一拉索分别交叉布置于第一盖板的两侧且与第一盖板相连；第二索撑系统由四根第二拉索组成，四根第二拉索成发散布置且与第二盖板相连。
优选地，所述第一索撑系统、第二索撑系统都需要预拉适当的拉力。
优选地，所述第一盖板上设有第一圆形孔，第二盖板上设有第二圆形孔，第二圆形孔的直径大于第一圆形孔的直径。
优选地，所述金属消能器采用环形的均匀厚度金属板。
优选地，所述金属消能器采用环形的不等厚度金属板。
本发明还提供一种预应力消能索撑装置的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
环形剪切板的剪切变形如下式：
![]()
优选地，所述环形剪切板的内边界与外边界的相对变形如下式计算：
![]()
优选地，所述内边界与外边界的旋转角度采用如下式：
![]()
优选地，所述环形剪切板的内外边界转角与力矩的如下式：
θ
=
∫
R
i
R
o
T
GR
i
×
d
(
ρ
)
×
2
πρ
2
d
ρ
=
δ
T
.
]]>
本发明的与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和优点：(1)在索撑的基础上加入了金属消能器，克服了索撑系统滞回曲线不饱满的缺点，能够为结构提供更可靠的抗侧与消能作用；(2)相比较传统的金属消能器，采用索撑的独特构造，通过施加预应力的方式使得索撑在结构变形时始终保持受拉状态，无失稳问题，材料利用效率最高；(3)相比较传统消能减震装置，本发明提出的装置具有索撑质量轻的特点，方便快速安装施工；(4)阻尼器整体使用钢材，具有价格低、加工方便的特点，因此成本较低。
附图说明
图1为本发明预应力消能索撑装置的爆炸图。
图2为本发明预应力消能索撑装置的组装图。
图3为本发明预应力消能索撑装置在框架结构中的安装示意图。
图4层间位移下拉索的编号以及其变形的示意图。
图5环形剪切板的隔离体的示意图。
图6环形剪切板的剪应力分布的示意图。
图7(a)为第一索撑系统层间位移下的变形与运动(转动后)的示意图。
图7(b)为第一索撑系统层间位移下的变形与运动(平动后)的示意图。
图8(a)为第二索撑系统在层间位移下的变形与运动(转动后)的示意图。
图8(b)为第二索撑系统在层间位移下的变形与运动(平动后)的示意图。
图9层间位移下拉索的受力改变量以及其分量的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
本发明预应力消能索撑装置包括第一盖板1、第二盖板2、金属消能器5、第一索撑系统、第二索撑系统，金属消能器5位于第一盖板1与第二盖板2之间；第一索撑系统由四根第一拉索组成，其中每两根第一拉索分别交叉布置于第一盖板的两侧且与第一盖板相连；第二索撑系统由四根第二拉索4组成，四根第二拉索成发散布置，不交叉，与第二盖板相连。如图1、图2所示，当发生层间位移时，四根第一拉索组成的第一索撑系统与四根第二拉索组成的第二索撑系统分别带动第一盖板、第二盖板发生相反方向的转动，从而带动第一盖板和第二盖板之间的金属消能器变形，从而发挥承载与耗能的关系。
第一索撑系统的四根第一拉索对称连接于第一盖板上，第二索撑系统对称连接于第二盖板，消能装置与两块盖板分别连接，如图1、图2所示。整个预应力索撑系统连接于框架的四个节点处，如图3。当发生层间位移时，第一索撑系统与第二索撑系统带动两块盖板发生相反方向的转动，从而使得与盖板相连的金属消能装置发生弹塑性变形，为结构提供刚度且消耗输入能量。第一索撑系统、第二索撑系统都需要预拉适当的拉力。第一盖板1上设有第一圆形孔，第二盖板2上设有第二圆形孔，第二圆形孔的直径大于第一圆形孔的直径。金属消能器采用环形的均匀厚度金属板或环形的不等厚度金属板。
本发明预应力消能索撑装置的设计计算方法包括以下步骤，
作为金属消能器的环形剪切板变形的设计计算，从图5的隔离体可见，环形剪切板的剪切变形如下式(1)：
![]()
其中ρ为圆环的半径根据剪切胡克定律![]()
环形剪切板的内边界与外边界的相对变形如下式(2)计算：
![]()
其中，Ro为圆环的外半径，Ri为圆环的内半径。![]()
为剪应变，![]()
为半径为ρ处的剪应力，G为剪切模量。内边界与外边界的旋转角度采用式(3)：
![]()
根据图6所示的平衡条件，半径为(ρ)处的剪应力采用式(4)：
![]()
为d(ρ)为半径为ρ处的直径。将(4)带入到(3)式，并改写如，得到环形剪切板的内外边界转角θ与力矩T的关系式(5)：
θ
=
∫
R
i
R
o
T
GR
i
×
d
(
ρ
)
×
2
πρ
2
d
ρ
=
δ
T
...
(
5
)
]]>
其中T代表由索撑引起的扭矩，![]()
是环形剪切板的弹性转动柔度；G是剪切模量。
层间位移引起索撑受力与变形的计算。系统在工作状态下的受力与变形可以看作是预应力引起的状态与层间位移引的状态改变量的叠加。其中，计算层间位移引起的状态改变量时，可以视索或拉杆为拉压一致的二力杆，且无需考虑失稳问题。对于整个系统而言，由于对称性，旋转弹簧竖向无位移。支撑的位移与伸长量可以由消能器部分的整体水平位移和两块盖板的转角决定。
假定层间位移为Δ，整个RSPD的水平位移为![]()
θ1和θ2分别是两块盖板的转角。如图7(a)和图7(b)所示，第一转动引起长度改变量为f1，第一平动引起长度改变量为f2，编号ls1的支撑的伸长量可以表示为式(6)：
Δ
1
=
1
2
Δ
·
c
o
s
α
-
θ
1
·
r
·
s
i
n
α
...
(
6
)
]]>
类型的，如图8(a)和图8(b)所示，第三转动引起长度改变量为f3，第四平动引起长度改变量为f4，β是第二索撑系统的第二索撑与水平线的夹角，支撑ls1的伸长量可以表示为式(7)：
Δ
2
=
1
2
Δ
·
c
o
s
β
+
θ
2
·
r
...
(
7
)
]]>
其中r为盖板对角线长度的一半。
如图9力矩平衡，索ls1与lx1的变形可以表示为式(8)：
Δ
1
Δ
2
=
R
S
=
EA
2
(
b
c
o
s
β
+
a
s
i
n
β
)
/
l
2
EA
1
(
b
c
o
s
α
-
a
s
i
n
α
)
/
l
1
=
χ
...
(
8
)
]]>
其中a与b分别为盖板长宽，A1，A2分别为索撑ls1与lx1的截面积，E是弹性模量，R＝EA2(bcosβ+asinβ)/l2,S＝，EA1(bcosα-asinα)/l1，χ为两类索撑系统索变形量的比值。α是第一索撑系统的第一索撑与水平线的夹角，如图7(b)所示；β是第二索撑系统的第二索撑与水平线的夹角，如图8(b)所示。力矩满足下下式(9)：
T＝T1＝T2＝2SΔ1＝2RΔ2……………………………(9)
其中T1,T2是拉索分别对盖板-1与盖板-2施加的力矩，其大小相等，方向相反。Δ1是索ls1的变形量，Δ2是索lx1的变形量。
利用等式θ＝θ2-θ1以及式(5)，式(8)，式(9)和式(11)，η为一系数，支撑的变形增量与层间位移的关系可以表示为式(10)和式(11)：
Δ1＝ηΔ……………………………(10)
Δ
2
=
S
R
η
Δ
=
η
Δ
/
χ
...
(
11
)
]]>
其中采用式(12)和式(13)：
χ＝A2l1(bcosβ+asinβ)/A1l2(bcosα-asinα)……………………………(12)
η＝(cosβ/2r+cosα/2rsinα)/(1/χr+1/rsinα+2Sδ)……………………………(13)
支撑的应变增量与层间位移的关系为式(14)和式(15)：
Δϵ
1
=
Δ
1
l
1
=
η
l
1
Δ
...
(
14
)
]]>
Δϵ
2
=
Δ
2
l
2
=
1
χ
η
l
2
Δ
...
(
15
)
]]>
其中Δε1是索ls1的应变增量，Δε2是索lx1的应变增量；l1是第一索撑系统中的每根第一拉索的长度；l2是第二索撑系统中每根第二拉索的长度。利用以上关系，则两块盖板的相对转角为式(16)：
θ＝δ·T＝δ·2·S·Δ1＝δ·2·S·η·Δ……………………………………………………………(16)
当θ＝θy时屈服层间位移为式(17)：
Δ
y
=
θ
y
2
·
S
·
η
·
δ
...
(
17
)
]]>
Δy为屈服层间位移，θy为环形剪切板的旋转屈服角度，![]()
是环形剪切板的弹性转动柔度。
索撑最小预应力与索在层间位移下最小预应力计算，为了索支撑保持张拉状态，预应力所产生的预张拉量当大于支撑变形所产生的缩短量。ls1－4与lx1－4的最小预应力采用式(18)和式(19)：
F
l
s
-
p
r
e
s
t
r
e
s
s
,
min
=
EA
1
Δϵ
1
,
y
=
EA
1
l
1
ηΔ
y
...
(
18
)
]]>
F
l
x
-
p
r
e
s
t
r
e
s
s
,
min
=
EA
2
Δϵ
2
,
y
=
EA
2
l
2
1
χ
ηΔ
y
...
(
19
)
]]>
其中Δε1,y和Δε2,y分别是ls1－4与lx1－4由层间位移由0到屈服层间位移的应变增量。
本发明在索撑上加入金属消能器，克服了索撑系统滞回曲线不饱满的缺点；施加的预应力使得索撑在结构变形时始终保持受拉状态，无失稳问题。本发明提出的装置质量轻、材料利用率高，方便快速安装施工。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合用于本发明旋转剪切阻尼器的结构和构造原理，都属于本发明的保护范围。