一种基于大应变FRP的新型自复位耗能支撑的制作方法

一种基于大应变frp的新型自复位耗能支撑
技术领域
1.本发明属于结构工程消能减震技术领域，具体地说，是涉及一种基于大应变frp的新型自复位耗能支撑。


背景技术：

2.桥梁结构震后残余变形的存在会严重减小结构本身抵抗余震的能力，并且增加震后桥梁结构加固维修费用，甚至需要将其推倒重建，从而造成了巨大的经济损失。为了减少震后结构的残余位移，学者们提出了不同种类的自复位耗能支撑。该体系通过耗能装置消耗地震输入能量，保护主体结构安全，同时通过附加自复位装置提供自恢复力从而减小甚至消除结构残余变形，保证结构震后能够恢复其使用功能。附加自复位耗能装置既能够提高结构的耗能性能又减小震后结构的残余位移，所以受到许多专家学者青睐。常见的耗能系统有主要分为钢材塑性变形耗能、摩擦耗能和粘弹性材料耗能三大类。而摩擦耗能相比粘弹性材料耗能和钢材塑性变形耗能显得更有优势：对荷载频率和周围环境不敏感、相对便宜、耗能大且稳定、可重复利用且生产简单。耐疲劳自复位系统主要分为形状记忆合金(sma)类和弹性材料类(如碟簧、弹簧等)两大类。但是sma价格昂贵，应变超过8％之后会出现应力强化、塑形位移减小以及刚度下降的现象，容易受温度的影响，且随着荷载频率的增加sma耗能能力有所下降。而弹簧类组件较多，安装复杂。而自复位支撑多采用单组预压碟簧提供恢复力不能充分利用碟簧的轴向变形能力，且预压碟簧的过程中需要使用大型加载设备，对安装环境要求较高。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于至少解决现有技术所存在的问题之一，提供一种具有良好的自复位及耗能能力，并且容易安装及更换的新型自复位滑移摩擦支撑。
4.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.一种基于大应变frp的新型自复位耗能支撑，主要由两端的端板以及中间的摩擦耗能系统和frp自复位系统组成；
6.所述摩擦耗能系统由上部外套筒、下部外套筒、第一楔形内芯、第二楔形内芯、左端板以及右端板组成。
7.具体的，所述上部外套筒与第一楔形内芯及第二楔形内芯的上部紧密贴合，所述下部外套筒与第一楔形内芯及第二楔形内芯的下部紧密贴合，上部外套筒与下部外套筒结构相同关于中轴线上下对称。
8.具体的，所述第一楔形内芯左端伸出上下部外套筒与左端板相连接，所述第二楔形内芯右端伸出上下部外套筒与右端板相连接，第一楔形内芯及第二楔形内芯都可以在套筒中运动，当两端板受挤压时，端板同时挤压楔形内芯运动，为了避免内芯在外套管凹槽轨道中滑动时出现应力集中现象，楔形内芯边缘和外套管凹槽轨道棱角处采用弧形设计。
9.所述自复位系统由frp、上部外套筒、下部外套筒组成，frp可分为frp条带及frp整
包两种形式；
10.具体的，所述frp为大应变frp，断裂应变大，具有良好的延性。
11.具体的，所述frp条带形式中frp条带上端与上部外套筒紧密连接，下端与下部外套筒紧密连接，条带frp均匀的分布在上下部外套筒的两侧，所述frp整包形式中frp将整个外套筒包裹，上部及下部与外套筒紧密连接。
12.具体的，所述frp的纤维方向在附图中均为上下走向。
13.本发明的工作原理如下：
14.当支撑不受外界荷载作用或者所受外界荷载小于楔形内芯与上下部外套筒之间摩擦力水平分量时，内芯在外套管凹槽轨道中不发生滑动。支撑左右两楔形内芯之间的水平距离及上下外套管之间的竖向距离均保持不变。当支撑所受外界荷载大于内芯和外套管之间摩擦力水平分量时，内芯和外套管之间发生滑动。楔形内芯在上下外套管凹槽轨道中受拉发生滑动时，由于楔形角度的存在，使得上下两外套管之间竖向距离增大，条带frp受拉，反之会给外套管一个压力，使得内芯和外套管之间压力也随之增大。条带frp提供的恢复力和内芯外套管之间摩擦力都随着受拉位移的增大而增大，即随着受拉位移的增大，耗能能力和自复位能力都有所提高。由于左右内芯构造相同，位移荷载值也一样，上下部两外套管受到的两楔形内芯反作用力在水平方向和竖直方向的分力大小相等，方向相反，所以上下两部外套管处于一个自平衡状态。受拉状态下只要楔形内芯与外套管之间表面贴合，支撑就能工作，所以受拉时，支撑最大变形量主要取决于frp的约束力和内芯水平尺寸的一半。受拉荷载卸载以后，由于内芯楔形角度的存在，条带frp或者整包的frp提供的恢复力将楔形内芯沿着外套管凹槽轨道“捏”回到原来的位置，支撑实现完全自复位能力。当支撑受压工作时，左右两楔形内芯在外界荷载作用下沿着外套管凹槽轨道相互滑动靠拢，同支撑受拉一样，上下部外套筒之间竖向距离随着支撑变形量增大，frp约束力也增大。随着受压位移的增大，支撑耗能能力和自复位能力都有所提高。受压时支撑最大变形量取决于左右内芯之间的水平距离和frp条带的有效约束力。卸载时，frp的约束力使内芯沿着轨道回到原来的位置，支撑实现完全自复位能力。通过支撑工作机理可以看出，该支撑通过简单的力学原理实现耗能和完全自复位效果。
15.与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
16.(1)本发明中支撑构造简单，易于制造和安装，震后无需更换，且支撑组件一般可采用钢材、铝材等材料加工制作而成，造价也相对比较便宜，具有较高的使用价值和经济效益。
17.(2)本发明中frp为大应变frp断裂应变大，约5％，因此具有良好的延性。
18.(3)本发明中提供自复位能力的大应变frp还具有轻质高强耐腐蚀性等特点，因此使得相比于现有支撑，可以大大降低重量，方便运输。同时也可以应用于海洋等酸性环境中。
19.(4)本发明采用摩擦耗能系统，具有对荷载频率和周围环境不敏感、相对便宜、耗能大且稳定、可重复利用且生产简单及耐疲劳等优势。
20.(5)本发明在不同的环境下均能达到良好的减震效果，且可实现多水准抗震设计，发明利用外套筒与楔形内芯的摩擦力形成摩擦耗能机制，减小结构的损伤，同时通过大应变frp实现自复位功能，减小结构残余变形。
附图说明
21.为了更加清晰地阐述本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明实施例提出的frp整包自复位滑移摩擦支撑的结构示意图；
23.图2是本发明实施例提出的frp条带自复位滑移摩擦支撑的结构示意图；
24.图3是本发明实例中涉及的楔形内芯的结构示意图；
25.图4是本发明实例中涉及的下部外套筒结构示意图；
26.图5是本发明实例中涉及的楔形内芯和下部外套筒连接示意图；
27.图6是本发明实例中涉及的楔形内芯、下部外套筒、端板连接示意图；
28.其中1、第一楔形内芯；2、第二楔形内芯；3、下部外套筒；4、上部外套筒；5、整包frp；6、条带frp；7、左端板；8、右端板。
具体实施方式
29.下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行详尽、完整地描述，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
30.如图1、2所示，本实施例提供了一种新型自复位滑移摩擦支撑系统，该支撑系统主要包括第一楔形内芯、第二楔形内芯、上部外套筒、下部外套筒、frp条带组或整包frp、左端板以及右端板。上述构件根据各自的功能及作用，构成本支撑系统的耗能系统及自复位系统。
31.耗能系统主要由第一楔形内芯、第二楔形内芯、上下部外套筒组成。上下部外套筒将两个楔形内芯夹在中间，两个楔形内芯可左右相对运动。楔形内芯穿过上下部外套筒与两端板相连，两个楔形内芯中间一端不相接触，保证两楔形内芯可以自由运动，可适应建筑结构的变形能力。两楔形内芯与外套筒相对运动时产生的摩擦力提供耗能作用，相对位移越大，内芯与外套筒接触的正压力越大，摩擦力也越大，耗能能力也提高。
32.所述的上部外套筒、下部外套筒中间设有与第一楔形内芯、第二楔形内芯相配合的楔形凹槽，上部外套筒、下部外套筒与第一楔形内芯、第二楔形内芯之间通过凹槽进行配合连接。
33.本实施例中，为了避免楔形内芯在外套管凹槽轨道中滑动时出现应力集中现象，在楔形内芯边缘和外套管凹槽轨道棱角处采用弧形设计。
34.自复位系统主要由外套筒及对称设置在外套筒上下两侧的条带frp或整包的frp
组成。无论是整包的frp还是条带frp都与上部外套筒顶部、下部外套筒底部紧密连接，条带frp及整包的frp都应预拉以提供足够的恢复力。
35.本实施例中，采用大应变frp，其断裂应变比常规frp大，具有良好的延性。
36.本实施例中，采用frp条带或整包的frp提供足够的恢复力，保证了结构的自复位能力，降低结构的残余变形，提高了结构的震后可恢复能力，相比于预应力筋、sma及弹簧，具有工作性能稳定，安装简便，易于运输等优点。
37.本实施里中，大应变frp走向为上下走向，保证了支撑在受力时，frp发挥最大的力学性能。
38.本实施例楔形内芯与端板的连接采用焊接的方式。大应变frp与外套筒的连接利用环氧树脂进行粘结。
39.本实施例中，影响支撑性能的因素有楔形内芯角度、内芯和外套管之间摩擦系数、frp初始预紧力以及frp刚度。卸载后刚度和恢复力随着楔形内芯角度的增大而增大，从耗能角度，随着楔形内芯角度的增大，支撑的耗能能力也有所增大。而随着摩擦系数和frp条带初始预紧力的增大，支撑的耗能能力也有所增大。frp刚度主要影响支撑的自复位能力，刚度越大，自复位能力越好。在实际设计中，可以自行调节这些参数以兼顾经济效益及结构效果。
40.上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。