一种设坡面的多级自复位结构及其自复位方法

本发明涉及抗震建筑结构自复位，尤其涉及一种设坡面的多级自复位结构及其自复位方法。

背景技术：

1、在建筑钢结构体系中，梁柱节点在结构中起到传递力和变形的作用，其耗能能力直接影响结构的抗震性能。传统的钢框架支撑体系主要依靠支撑构件在地震作用下的金属塑性变形来消耗地震能量。但支撑构件在屈服后会产生较大的残余变形，震后结构难以恢复至初始位置，需要对节点进行修复甚至更换受损构件。

2、针对上述问题，已有研究人员提出自复位节点装置并将其应用于建筑结构中。自复位节点装置在节点处设置带有预拉力的弹性部件，使结构在受力变形后能够依靠弹性部件的恢复力回到初始位置。这类装置通常与摩擦型耗能单元配合使用，弹性部件提供复位力，摩擦面消耗地震能量。

3、然而，在工程实践中，现有的自复位节点装置在承受较大变形时存在以下不足：

4、第一，单级自复位装置中所有弹性部件在同一变形阶段同时参与工作。当外部变形量较小时，全部弹性部件就产生伸长变形，单个弹性部件的伸长量随节点位移的增大而持续增加。当伸长量超过弹性部件材料的弹性变形范围后，弹性部件无法在卸载后恢复至原始长度，自复位功能随之丧失。

5、第二，为控制单个弹性部件的伸长量，现有技术通常采用增加弹性部件数量的方式来分担变形量。但增加弹性部件数量会使节点构造变得复杂，多个弹性部件在有限空间内的布置和安装难度增加，同时节点的用钢量和制造成本也随之上升。

6、第三，部分方案采用单一坡面配合单根螺栓的结构形式，构造相对简洁。但该方案中螺栓的伸长量由外部变形量和坡面角度共同决定，当变形量较大时，螺栓伸长量相应增大。若伸长量超出螺栓材料的弹性变形范围，螺栓将无法恢复，自复位功能失效。

7、上述方案的共同局限在于，所有组件在同一变形阶段同时参与工作，缺乏在不同变形阶段的分级控制能力。因此，需要一种构造简洁且能够在不同变形阶段按顺序激活和复位的自复位结构，使不同模组在不同变形量下先后参与工作，在小变形时仅部分组件参与工作以控制伸长量，大变形时逐步激活更多组件共同承担荷载，使各弹性部件的伸长量保持在可控范围内，同时在卸载后各组件能够依次恢复至初始位置。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种设坡面的多级自复位结构及其自复位方法，通过对不同自复位模组设置不同的坡面倾角和不同的初始接触状态，使各模组在不同变形阶段按顺序激活和复位，同时控制弹性拉结件的伸长量，实现分级激活与震后自复位。

2、本发明公开一种设坡面的多级自复位结构，包括：

3、包括若干个自复位模组，至少包括相邻设置的第一自复位模组和第二自复位模组；

4、每个自复位模组均设有坡面、盖板和弹性拉结件；所述第一自复位模组设有第一坡面，所述第二自复位模组设有第二坡面；所述第一坡面与水平方向的倾角不同于所述第二坡面与水平方向的倾角；

5、所述第一自复位模组与所述第二自复位模组的初始接触状态不同：在初始状态下，所述第一自复位模组的盖板与所述第一坡面贴合，所述第二自复位模组的盖板与所述第二坡面之间设有预设间隔；

6、在外部荷载作用下，所述第一自复位模组先于所述第二自复位模组沿各自坡面产生位移；外部荷载卸除时，所述第一自复位模组与所述第二自复位模组依次恢复至初始状态；

7、所述弹性拉结件被施加预拉力，通过各弹性拉结件对各自所连接盖板的挤压力驱动结构在外部荷载卸载后恢复至初始位置。

8、可以理解，本发明的一种设坡面的多级自复位结构，包括若干个自复位模组，所述自复位模组至少包括相邻设置的第一自复位模组和第二自复位模组。每个自复位模组均设有坡面、盖板和弹性拉结件。具体来说，夹层上设有坡面，盖板位于夹层的一侧或两侧，弹性拉结件穿过盖板与夹层连接。弹性拉结件被施加预拉力后，将盖板与夹层夹紧。

9、第一自复位模组设有第一坡面，第二自复位模组设有第二坡面。第一坡面与水平方向之间的倾角记为，第二坡面与水平方向之间的倾角记为，且与不同。由于坡面倾角不同，盖板在沿各自坡面滑动时，弹性拉结件因坡面高度变化而产生的伸长量也不同。倾角较大的坡面在相同的水平位移下使弹性拉结件产生更大的伸长量，倾角较小的坡面产生的伸长量相对较小。因此，两个模组虽然承受相同的水平位移，但各自的弹性拉结件所承受的拉力增量不同，形成不同的力学贡献。

10、两个模组的初始接触状态不同。在初始状态下，第一自复位模组的盖板与第一坡面贴合，两者之间不存在间隔；第二自复位模组的盖板与第二坡面之间存在预设间隔，两者在初始状态下未接触。这一预设间隔决定了第二自复位模组开始参与工作的条件。当外部荷载使结构产生位移时，第一自复位模组的盖板因已贴合坡面而能够立即沿坡面滑动，弹性拉结件随即开始伸长；而第二自复位模组的盖板需要先移动预设间隔的距离后才能接触到第二坡面，在间隔消除之前，第二自复位模组的盖板不沿坡面上行，弹性拉结件不因坡面滑动而产生额外的伸长量。

11、由于初始接触状态存在差异，外部荷载作用下第一自复位模组先于第二自复位模组沿各自坡面产生位移。这一工作过程具体分为以下几个阶段：

12、在加载初期，外部荷载较小。第一自复位模组的盖板与第一坡面已处于贴合状态，当外部荷载克服盖板与坡面接触面之间的摩擦力后，盖板开始沿坡面滑动。盖板沿坡面上行的过程中，弹性拉结件随盖板共同位移，在夹层的螺栓扩孔内滑动并产生伸长变形，弹性拉结件的伸长量随坡面高度的增加而增大。与此同时，第二自复位模组的盖板在预设间隔范围内水平滑动，尚未接触到第二坡面，第二弹性拉结件未因坡面滑动而产生伸长。在这一阶段，仅第一自复位模组参与抵抗外部荷载，结构的抗力由第一坡面处的法向反力、摩擦力以及第二模组在坡底水平滑动时产生的摩擦力共同提供。

13、随着外部荷载继续增大，第二自复位模组的盖板逐渐靠近第二坡面。当预设间隔被完全消除后，第二盖板接触到第二坡面的起始端并开始沿坡面上行。在此阶段，两个模组的弹性拉结件同时因坡面滑动而产生伸长变形，两个模组共同参与抵抗外部荷载。结构的整体抗力为两个模组坡面处的法向反力与摩擦力之和。

14、当外部荷载开始卸载时，荷载数值逐渐减小。两个模组的弹性拉结件在伸长状态下对各自盖板产生挤压力，该挤压力在坡面方向上的分力驱动盖板沿坡面回移。由于盖板在回移过程中与坡面之间存在摩擦力，且摩擦力的方向与盖板运动方向相反，与加载阶段上坡时的摩擦力方向相反，两个模组的复位过程并不是在外部荷载降至零的瞬间同时完成的，而是依据各自坡面的倾角和摩擦条件分步进行。

15、具体来说，当外部荷载减小到某一数值时，第二坡面处的坡面反力在水平方向上的分量已能够克服外部荷载和摩擦力的共同作用，第二自复位模组的盖板率先沿第二坡面回移至初始位置。此后，第二模组不再提供坡面方向的复位力，仅第一自复位模组的盖板继续沿第一坡面回移。当外部荷载进一步减小至零或接近零时，第一自复位模组也恢复至初始位置，整个结构从而完成了一次分级复位过程。

16、弹性拉结件被施加预拉力后，通过各自的预拉力对盖板产生挤压力，驱动结构在外部荷载卸载后恢复至初始位置。预拉力的大小决定了弹性拉结件在初始状态下对盖板施加的夹紧力。夹紧力越大，坡面处的法向反力越大，复位驱动力也越大。预拉力需要根据结构的复位需求和弹性拉结件的材料性能进行合理选取。

17、从构造层面来看，每个自复位模组采用前后对称的三层构造，由两块盖板和一块夹层组成，夹层居中，两块盖板分别设置在夹层的两侧。盖板上开设有螺栓孔，夹层上开设有螺栓扩孔和坡面。弹性拉结件依次穿过两块盖板的螺栓孔及夹层的螺栓扩孔，弹性拉结件与盖板同步移动，并在夹层的螺栓扩孔内相对滑动。当盖板沿夹层坡面滑动时，弹性拉结件在螺栓扩孔中随之滑动并产生伸长变形。螺栓扩孔的尺寸大于螺栓的直径，为螺栓在孔内的滑动和盖板的位移提供了空间。

18、本发明的一种设坡面的多级自复位结构及其自复位方法具有以下技术效果：

19、第一，本发明通过初始接触状态的差异实现工作顺序的分时控制。第一自复位模组的盖板与坡面贴合，在加载时率先参与变形；第二自复位模组的盖板与坡面之间存在预设间隔，需待间隔消除后方开始参与变形。两个模组不在同一时刻开始工作，而是按照外部荷载的大小分先后参与工作。在小变形阶段，仅第一自复位模组工作，弹性拉结件的伸长量由单一模组的坡面几何关系决定，伸长量相对较小。随着变形继续增大，第二自复位模组逐步参与工作，两个模组共同分担外部荷载引起的位移，避免单一模组因承担全部变形而导致弹性拉结件伸长量过大。

20、第二，本发明卸载后两个模组按照坡面条件依次复位。由于两个模组的坡面倾角不同，各模组坡面处的法向分力和摩擦力在不同位移阶段的大小关系不同。卸载过程中，第二自复位模组率先满足复位条件并恢复至初始位置，第一自复位模组继续独立复位，最终两个模组均回到初始位置，结构不产生残余变形。

21、第三，本发明中两个模组的坡面倾角不同，在相同水平位移下，各自坡面处的法向反力和摩擦力的水平合力不同。倾角较大的模组在坡面方向上产生的复位驱动力分量较大，倾角较小的模组产生的复位驱动力分量相对较小。因此，在外部荷载逐渐减小的卸载过程中，两个模组先后达到各自的力平衡切换点，先满足复位条件的模组率先回移至初始位置，另一个模组则继续复位，最终两者均回到初始位置。

22、第四，本发明结构整体构造简洁，各模组均采用前后对称的三层构造，由两块盖板和一块夹层组成，通过弹性拉结件连接，不依赖控制机构或主动驱动装置。通过调整坡面倾角、预设间隔的大小以及弹性拉结件的材料参数，使结构适应不同的抗震设防要求和结构变形控制需求。