摩擦型有限跷动减震柱.pdf

本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种摩擦型有限跷动减震柱。该装置的上、下柱采用拼接连接，柱与拼接板通过高强螺栓连接，另在型钢柱翼缘外侧的拼接板上设置加劲肋。型钢柱提供竖向承载力和回复力，在大震时克服型钢柱与拼接板间的摩擦力产生滑动，使上部结构发生跷动。长圆孔的设置使结构跷动受到限制，从而使结构侧移不致过大，避免结构发生倾覆。型钢柱与拼接板间通过摩擦来耗散地震能量，摩擦片可增加摩擦效应，同时在柱固定时通过摩擦传递竖向力。本发具有限制结构侧移，残余变形小，拥有良好的抗震性能、延性和滞回耗能能力等优点，且便于安装和更换，并可安装在不同楼层处，实现局部楼层的跷动，是一种优越的减震耗能构件。

1.  一种摩擦型有限跷动减震柱，由H型钢柱上柱(1)、H型钢柱下柱(2)、拼接板(3)、加劲肋(4)组成，其特征在于H型钢柱上柱(1)下部的翼缘和腹板上沿轴向对称开设有长圆孔(7)，H型钢柱下柱(2)上部的翼缘和腹板上沿轴向对称开设有长圆孔(7)，H型钢柱上柱(1)的下部与H型钢柱下柱(2)的上部通过拼接板(3)连接，高强螺栓(5)穿过H型钢柱下柱(1)的上部的长圆孔(7)与拼接板(3)连接，H型钢柱上柱(1)的下部与拼接板(3)连接处设有摩擦片(8)，高强螺栓(5)穿过H型钢柱上柱(1)的下部的长圆孔(7)与拼接板(3)连接，H型钢柱下柱(2)的上部与拼接板(3)连接处设有摩擦片(8)，加劲肋(4)分别位于H型钢柱上柱(1)翼缘外侧和H型钢柱下柱(2)翼缘外侧的拼接板(3)上。

2.  根据权利要求1所述的摩擦型有限跷动减震柱，其特征在于H型钢柱上柱(1)与H型钢柱下柱(2)的高度比为2：1。

3.  根据权利要求1所述的摩擦型有限跷动减震柱，其特征在于所述摩擦片(8)选用铜片、石棉或橡胶中任一种。

4.  根据权利要求1所述的摩擦型有限跷动减震柱，其特征在于H型钢柱上柱(1)与H型钢柱下柱(2)之间设有橡胶垫，橡胶垫截面大小与型钢柱截面相同，橡胶垫紧贴H型钢柱下柱(2)顶端。

摩擦型有限跷动减震柱
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种摩擦型有限跷动减震柱。
背景技术
跷动(roc king)减震是一种新颖的减震设计概念。传统的抗震设计概念中，上部结构与下部基础紧固，结构不能上下跷动松脱下部基础，地震力主要靠抗侧力构件(支撑，剪力墙等)来抵抗。传统的隔震技术则是通过在建筑物中某层设置侧向刚度较小但变形能力大的隔震装置，来减小地震对上部楼层的能量输入，从而减少上部楼层的地震反应。
跷动结构在小震和中震的情况下和常规结构的地震反应基本相同。而在大震情况下，跷动减震技术允许结构的上部和基础脱离，利用结构上部的抬起来耗散地震能量，并且可以隔断强烈地震在上部结构中的传递，保证上部结构处于弹性，从而可以大大减少上部结构的抗侧力构件和上部结构构件的冗余度，此举可以节省材料，降低造价。另一方面，结构和基础的脱离使得结构的边柱和墙体不会产生竖向的拔力，从而防止基础和底层结构在大震情况下发生严重破坏，并可以简化基础构造，节省基础造价，经济效益明显。
现有跷动结构的不足主要在于，没有合理的跷动支座。已有的跷动支座耗能能力较弱，且对跷动的幅度没有限制，在大震情况下，结构整体耗能能力不足，跷动结构上部的抬起将引起结构产生侧移，侧移过大时，结构整体将发生倾覆。
发明内容
本发明的目的在于提供一种摩擦型有限跷动减震柱，使其具备传统跷动减震结构地性能和优点，即中小震下和常规结构地震反应相同，大震下允许上部结构和基础产生相对位移，耗散地震能量，并具有自回复性能等等。同时主要克服已有跷动支座存在的两种不足，即支座抬起后结构侧移过大以致结构整体倾覆和支座耗能能力较弱。另外支座回落时的冲击效应，支座抬起后产生较大的残余变形等不足也得到了很好地解决。
本发明提出的摩擦型有限跷动减震柱，由H型钢柱上柱1、H型钢柱下柱2、拼接板3、加劲肋4组成，其中，H型钢柱上柱1下部的翼缘和腹板上沿轴向对称设有长圆孔7，H型钢柱下柱2上部的翼缘和腹板上沿轴向对称开设有长圆孔7，H型钢柱上柱1的下部与H型钢柱下柱2的上部通过拼接板3连接，高强螺栓5穿过H型钢柱上柱1的下部的长圆孔7与拼接板3连接，H型钢柱上柱1的下部与拼接板3连接处设有摩擦片8，高强螺栓5穿过H型钢柱下柱2的上部的长圆孔7与拼接板3连接，H型钢柱下柱2的上部与拼接板3连接处设有摩擦片8，加劲肋4分别位于H型钢柱上柱1翼缘外侧和H型钢柱下柱2翼缘外侧的拼接板3上。
本发明中，H型钢柱上柱1与H型钢柱下柱2的高度比为2：1。
本发明中，所述摩擦片8选用铜片、石棉或橡胶中任一种。
本发明中，H型钢柱上柱1与H型钢柱下柱2之间设有橡胶垫。橡胶垫截面大小与型钢柱截面相同。橡胶垫紧贴H型钢柱下柱2顶端。
本发明中，钢框架型钢柱分为上柱、下柱两部分，在离柱底约1/3层高处通过拼接板拼接而成，型钢柱承受竖向荷载。在靠近型钢柱上下两部分连接处的柱翼缘和腹板上对称开设长圆孔。在型钢柱与拼接板之间夹设摩擦片(可选用铜片、石棉、橡胶等)，可通过摩擦传递竖向力，型钢柱与拼接板之间用高强螺栓连接。在正常使用状态或者中小地震下，通过此构造形成的柱和普通型钢柱一样，为结构提供足够的承载力和刚度。而在大震作用下，型钢柱与拼接板之间的摩擦力被克服，型钢柱相对拼接板产生滑动，从而使整体结构发生跷动；由于长圆孔的孔长有限，型钢柱与拼接板之间的相对滑动将受到限制，因而结构的侧移将受到限制，结构不会因侧移过大而发生倾覆；通过型钢柱、摩擦片和拼接板之间的摩擦可有效耗散地震能量，从而整柱达到限位跷动减震的目的。
摩擦型有限跷动减震柱由上、下两部分型钢柱拼接而成，上、下两部分型钢柱分别称为上柱和下柱。型钢柱、摩擦片和拼接板通过高强螺栓连接，相互之间具有足够的紧固力。在正常使用情况状态下，竖向力不足以克服上述三者相互之间的最大静摩擦力，主体结构处于弹性状态。因此该柱与普通型钢柱一样承载，并为结构提供足够的刚度。当较大地震发生时，水平地震力使各柱产生较大的竖向拉、压力，从而克服连接处的摩擦力产生滑动，整体结构呈现跷动效应。结构发生跷动后，由于摩擦连接处一旦开始起滑，其刚度即变为零，使结构刚度软化，从而延长结构的自振周期。因此在滑动过程中改变了原结构的自振频率和基本振型，减小了结构的振幅，避免了结构的共振或准共振效应，进一步避免结构产生严重破坏。
在正常使用情况下，高强螺栓紧固于上、下柱长圆孔的底端，连接型钢柱、摩擦片和拼接板。此时柱的竖向力在拼接处主要依靠摩擦片与型钢柱、摩擦片与拼接板之间的摩擦来传递。由于预先对高强螺栓施加预拉力，因此连接后接触面间足够紧固，从而为摩擦面提供强大的摩擦力。此时高强螺栓不承受剪力，因此对高强螺栓有利。当结构发生跷动时，受拉侧型钢柱上柱向上移动，其上的长圆孔相对孔内的高强螺栓向上移动。高强螺栓初始时位于长圆孔底端，由于相对运动趋势使螺栓受剪，带动拼接板向上移动，从而带动拼接板下端高强螺栓在下柱的长圆孔内向上滑动。下柱固接于基础底板上。在向上运动的过程中，上柱的长圆孔与高强螺栓没有相对位移，高强螺栓始终位于长圆孔底端；下柱固定，高强螺栓在长圆孔内向上滑动。由于长圆孔长度有限，当下柱长圆孔内的螺栓滑动至长圆孔顶时，滑动受到限制，螺栓连同拼接板不能继续向上滑动，从而使上柱不能继续向上滑动，结构跷动受到限制，结构侧移也将不再增大。当结构发生跷动时，受压侧型钢柱上柱向下移动，其上的长圆孔相对孔内的高强螺栓向下移动。由于型钢柱与拼接板之间有滑动摩擦力，使拼接板也有向下运动的趋势。高强螺栓初始时均位于长圆孔底端，位于下柱长圆孔内的螺栓不能向下移动。因此，在向下运动的过程中，拼接板、高强螺栓和下柱固定不动，上柱向下移动。同样受到孔长的限制，当上柱长圆孔孔顶滑移至螺栓处后，上柱不能继续向下滑动。上柱在向下滑动时，为了防止其对下柱的冲击，可在上、下柱截面间隙夹设橡胶材料，以起到缓冲作用；同时也可以减小上柱内螺栓与孔壁的冲击。长圆孔的有效滑动长度为3cm左右，由此滑动引起的结构侧移符合侧移限值的规定，结构不会发生倾覆。因此此减震结构能达到限位即有限跷动的目的。
当型钢柱上长圆孔孔壁与高强螺栓接触并发生挤压时，螺栓受到冲切和剪力作用。由于连接处有足够大摩擦面积，能够分担一部分螺栓受到的剪力，因此设置强度和螺栓直径较大的高强螺栓即可保证其抗剪能力。在抗剪承载力方面，由于在型钢柱翼缘和腹板的两侧均设置拼接板，受剪截面积增大，抗剪承载力也得到加强。在型钢柱的翼缘和腹板上，由于长圆孔孔径不是很大，截面削弱不是很多，仍可提供足够的抗剪能力。在翼缘外侧的拼接板上设置加劲肋，可以保证柱在拼接处的抗弯能力。
结构发生跷动后，通过型钢柱与拼接板的摩擦可以耗散地震能量，两者之间夹设的摩擦片增加了结构的摩擦耗能能力。因此与传统的跷动减震结构相比，除了通过结构的整体跷动减震之外，还可以通过摩擦耗能耗散相当一部分地震输入能量，结构总体耗能能力大为增加。
总之，本发明在轴向、抗剪和抗弯承载力没有大幅下降的情况下，允许跷动的发生，通过摩擦耗能并提供稳定的滞回耗能性能，限制了结构的侧移，起到防止结构倾覆的作用；同时，把跷动部位从支座移到柱上，柱可以事先组装好，便于安装，不需要采用特殊的复杂支座形式，也可以安装在不同楼层处，实现局部楼层的跷动，且震后更换简便，是一种颇具前景的跷动构件形式。此种跷动构件中，长圆孔在使结构可以发生跷动的同时，又起到限制结构侧移的作用，同时主要通过摩擦耗能，所以称之为摩擦型有限跷动减震柱。
本发明中，分别在型钢柱拼接处的翼缘和腹板上开设长圆孔。为防止柱在平面内的相对转动，沿每条翼缘和腹板的轴线均对称开设两个长圆孔。为防止长圆孔端部钢板剪断，孔底(孔顶)离柱断面边缘距离不应小于4倍孔径。
本发明中，分别在型钢柱拼接处的翼缘和腹板两侧均设置与柱等强度的拼接板和夹设摩擦片。
本发明中，在型钢柱翼缘外侧拼接板上设置加劲肋。
本发明中，高强螺栓固定于拼接板上，位于上、下柱的长圆孔底端。
本发明中，上柱与下柱之间设一橡胶垫。橡胶垫约3cm厚，截面大小与型钢柱截面相同。橡胶垫紧贴下柱顶端，与上柱底端留有一定距离，此距离与螺栓在长圆孔内的绝对滑动长度相等或略小，约为3cm左右。
本发明中，型钢柱与靴梁和底板焊接。靴梁之间设置隔板，靴梁和隔板均与底板焊接。底板与基础用锚栓连接。
在本发明中，型钢柱长圆孔沿竖向滑移时，由于螺栓的阻挡(实质是长圆孔长度有限)不再向上或向下继续滑移，限制了结构的顶层侧移。在型钢柱翼缘和腹板处均设置双剪型摩擦连接，对于给定的高强螺栓预拉力和摩擦材料，摩擦连接双剪时的摩擦力是单剪时的2倍。摩擦元件在反复荷载作用下，不但受拉，而且受压。当受压时，单剪摩擦元件的压力不在一条直线上，形成力偶，容易引起翘曲或侧向失稳。双剪时对称受力，型钢柱翼缘和腹板受两侧拼接板约束，不易引起侧向翘曲或失稳。拉压时的翘曲会导致摩擦元件性能不稳定。由双剪型摩擦连接构成的耗能器性能较为稳定，摩擦力无较大的波动。为了增大耗能能力，并保证摩擦滑动力均衡稳定，在摩擦接触面处作喷砂处理。随着循环次数的增加，连接处的摩擦力呈下降趋势，主要是由于摩擦面的磨损而造成的。当摩擦板表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着节点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，使摩擦面变得光滑而使摩擦系数降低，同时，摩擦面的磨损还会使高强螺栓中的预拉力产生损失而使正压力降低，从而导致摩阻力降低。有试验研究表明，装有铜板摩擦片摩擦耗能器，随着循环次数的增加，摩阻力无明显下降。因此本发明中建议选用夹设铜板摩擦片。螺栓孔和长槽应尽量采用精加工，使其与高强螺栓紧密配合，高强螺栓与螺栓孔间存在间隙，会产生相对滑移，使滞回曲线失去库仑特性，长孔槽边缘的不光滑，会使高强螺栓卡住，使摩擦力产生跳跃。摩擦元件与连杆或支撑的连接不紧密，将使摩擦元件的性能得不到充分发挥。螺栓孔可用铰刀进行精加工，使螺栓孔直径仅比螺杆直径大0.2～0.3mm，高强螺栓宜采用精制螺栓。
本发明中，型钢柱沿竖向跷动，由于长圆孔的长度限制使型钢柱不能继续向上或向下滑动，限制了结构顶层侧移，防止了结构由于过大的侧移发生倾覆。在中震或大震作用下(根据设计确定)，型钢柱在主体结构构件屈服之前，按预定滑动荷载产生滑移，提供了依靠摩擦耗散能量的机制，同时由于柱起滑后连接处只承担固定的荷载，即接触面间摩擦力保持不变，其余荷载仍由结构来承担，结构的内力将发生有效的重分配。发生跷动后，上部结构和基础脱离，在抬起柱中的拉力被限制在接触面滑动摩擦力水平上，从而使柱中的拉力显著减小，这样减轻了基础的负担；由于柱的拉力减小了，在跷动产生的另一侧，柱中的压力也相应的减小了，这样也减轻了基础的负担，防止了基础和底层柱的严重破坏，保证结构安全的同时，也降低了基础的造价。
本发明消除了已有跷动支座的缺点，改善了结构的延性，此种构件本质上是一种耗能减震构件，通过耗能连接产生摩擦来耗散地震能量，以减小主体结构的地震反映，在耗能的同时限制结构的跷动范围，从而起到限制结构侧移的作用，避免了上部结构的破坏或倒塌，达到减震控制的目的。
本发明提供的摩擦型有限跷动减震柱是一种新型的跷动减震构件，它能有效地减震，提供有稳定地滞回耗能性能，避免上部结构和基础破坏的同时，有效地减低了上部结构和下部基础的造价，是一种颇具前景的跷动构件形式。
附图说明
图1为本发明的摩擦型有限跷动减震柱的整体示意图。
图2为本发明的摩擦型有限跷动减震柱的安装示意图。
图3为本发明的摩擦型有限跷动减震柱的正立面示意图。
图4为本发明的摩擦型有限跷动减震柱的侧立面示意图。
图5为本发明的摩擦型有限跷动减震柱的剖面示意图。
图中标号：1为H型钢柱上柱，2为H型钢柱下柱，3为拼接板，4为加劲肋，5为高强螺栓，6为橡胶垫，7为长圆孔，8为摩擦片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1，2，3，4，5所示，本发明中的摩擦型有限跷动减震柱由H型钢柱上柱1、H型钢柱下柱2、拼接板3、加劲肋4、高强螺栓5、橡胶垫6和摩擦片8组成；H型钢柱上柱1沿每条翼缘和腹板的轴线均对称开设有两个长圆孔7，相应地，H型钢柱下柱2沿每条翼缘和腹板的轴线均对称开设有两个长圆孔7，长圆孔7的孔底离上柱1或下柱2的断面边缘距离不应小于4倍孔径，长圆孔7可在工厂预留。H型钢柱上柱1与H型钢柱下柱2可以在工厂预先拼接完成。拼接时，摩擦片8预先用黏胶先固定于H型钢柱上柱1下部和II型钢柱下柱2上部，然后用拼接板3通过高强螺栓5拼接将H型钢柱上柱1、H型钢柱下柱2连接，高强螺栓5固定于拼接板3上，位于长圆孔7内底端。施工时，将在工厂拼接好的H型钢柱直接与基础和梁连接即可。