一种免预应力自复位耗能拉索支撑

1.本发明涉及一种抗震支撑结构，具体涉及一种自复位支撑结构。


背景技术：

2.工程结构在地震后往往会产生较大的残余变形，对人员及结构的安全造成严重威胁，且震后修复困难、代价高昂。自复位支撑是一类新型的抗震支撑形式，对于提高工程结构的抗震性能，特别是减小结构在地震后的残余变形具有显著的技术优势，符合未来抗震技术的发展方向。
3.现有自复位支撑的自复位功能主要依赖于形状记忆合金或预应力技术实现。形状记忆合金具有超弹性效应和形状记忆效应，通过升温或卸载即可恢复原状，但其价格高昂，且受环境温度影响较大，因此难以在工程中推广应用。基于预应力技术的自复位支撑，可采用预拉筋材或预压弹簧作为复位构件，提供支撑的恢复力。但此类自复位支撑的预应力施加工艺繁琐，且需使用特殊的张拉设备，预应力控制及锚固措施都要求较高，否则将影响其自复位效果。


技术实现要素：

4.发明目的：针对上述现有技术，提出一种免预应力自复位耗能拉索支撑，无需采用形状记忆合金材料或施加预应力，即可实现自复位和耗能的功能。
5.技术方案：一种免预应力自复位耗能拉索支撑，包括外套筒、螺纹杆、内套筒、棘轮、耗能机构、自复位机构、钢拉索；内套筒与外套筒同轴设置，之间设有滚珠；所述内套筒内设有棘轮槽，棘轮嵌入所述棘轮槽内；所述内套筒的下部外径小于上部，并在底部固接有圆环形的摩擦板；螺纹杆位于内套筒的中心轴线上，并与棘轮的中央螺孔连接，螺纹杆的下端从外套筒的下端中央孔穿出；耗能机构包括上压板、下压板、上摩擦环、下摩擦环；上压板和上摩擦环套接在所述内套筒的下部，所述上摩擦环位于上压板与摩擦板的上表面之间；下压板和下摩擦环套接在所述螺纹杆上，所述下摩擦环位于摩擦板的下表面与下压板之间；下压板的底面通过若干加劲板与外套筒内壁固定；所述上摩擦环和摩擦板的上表面形成旋转摩擦副，所述下摩擦环和摩擦板的下表形成旋转摩擦副，并通过若干螺栓连接上压板和下压板来施加预紧力；自复位机构包括弹簧端板、弹簧、拉索连接件；弹簧端板固定在螺纹杆的下部，弹簧套接在所述螺纹杆上，并位于弹簧端板与外套筒的下端之间；钢拉索由锚固端头固定在拉索连接件的底部，拉索连接件通过内螺纹与螺纹杆的底端连接；所述棘轮能够绕内套筒中心轴线单向旋转，当螺纹杆向下位移时带动棘轮旋转，棘轮旋转带动棘轮套筒发生旋转。
6.进一步的，所述螺纹杆的两端设有螺纹，中间部分光滑，螺纹部分的直径与光滑部
分的直径一致。
7.进一步的，在外套筒和拉索连接件之间设有橡胶垫圈。
8.有益效果：本发明提出的一种新型减震免预应力自复位耗能拉索支撑，结构上由外套筒、棘轮、耗能机构、自复位机构、钢拉索连接构成，与现有的自复位耗能支撑相比，具有的优点是：无需施加预应力，实现自复位功能。在地震作用下，支撑处于反复加载与卸载两种状态，其中卸载是支撑复位的过程。由于棘轮的存在，在加载过程初期，棘齿卡住棘轮槽，当外力不足以克服摩擦力时，只有钢拉索发挥支撑作用，外力持续增大时，静摩擦力被克服，棘轮发生旋转从而带动棘轮套筒旋转，棘轮套筒旋转时摩擦板与上摩擦环和下摩擦环之间发生旋转摩擦进行摩擦耗能；当卸载时，棘齿与棘轮槽脱开，棘轮与棘轮套筒之间无接触，不存在摩擦力阻碍，支撑在弹簧的恢复力作用下将自由地向原位运动，直至完全恢复原位，实现自复位。
附图说明
9.图1为本发明免预应力自复位耗能拉索支撑的剖视图；图2为连接件结构示意图；图3为外套筒剖视图；图4为螺纹杆结构示意图；图5为内套筒剖视图；图6为棘轮结构示意图；图7为螺栓示意图；图8为上压板结构示意图；图9为上摩擦环结构示意图；图10为下摩擦环结构示意图；图11为下压板结构示意图；图12为加劲板结构示意图；图13为弹簧结构示意图；图14为橡胶垫圈结构示意图；图15为拉索连接件结构示意图；图16为锚固端头结构示意图；图17为钢拉索结构示意图。
具体实施方式
10.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
11.如图1所示，一种免预应力自复位耗能拉索支撑，包括连接件1、外套筒2、螺纹杆3、内套筒4、棘轮6、耗能机构、自复位机构、钢拉索17。
12.内套筒4与外套筒2同轴设置。如图3、图5所示，外套筒2的内壁和内套筒4的外壁相对开有环形槽，并共同组成滚珠槽18，滚珠槽18内设有一圈滚珠5，从而限制内套筒4在外套筒2内的左右位移。
13.如图5所示，内套筒4内设有棘轮槽22，如图6所示，棘轮6带有两层棘齿，棘轮6嵌入棘轮槽22内，棘轮6的棘齿和棘轮槽22啮合，棘轮槽22限制棘轮6的上下位移。内套筒4的下部外径小于上部，并在底部固接有圆环形的摩擦板23。螺纹杆3位于内套筒4的中心轴线上，并与棘轮6的中央螺孔连接，螺纹杆3的下端从外套筒2的下端中央孔19穿出。
14.耗能机构包括上压板8、下压板11、上摩擦环9、下摩擦环10。上压板8和上摩擦环9套接在内套筒4的下部，上摩擦环9位于上压板8与摩擦板23的上表面之间。下压板11和下摩擦环10套接在螺纹杆3上，下摩擦环10位于摩擦板23的下表面与下压板11之间。下压板11的底面通过如图12所示的若干加劲板12与外套筒2内壁固定，具体的，加劲板12一边与下压板11的底面固定，一边与外套筒2内壁固定。上摩擦环9和摩擦板23的上表面形成旋转摩擦副，下摩擦环10和摩擦板23的下表形成旋转摩擦副，并通过如图7所示的若干螺栓7连接上压板8和下压板11来施加预紧力。
15.具体的，上摩擦环9如图9所示，其内径略大于内套筒4下部的外径，其外径等同于摩擦板23的外径；上压板8如图8所示，其内径等于上摩擦环9的内径，其外径略小于外套筒2内径，略大于内套筒4下部的外径；下摩擦环10如图10所示，其内径小于摩擦板23的内径，大于螺纹杆3的直径，下摩擦环10的外径等于摩擦板23的外径；下压板11如图11所示，其内径略大于螺纹杆3的直径，外径略小于外套筒2的内径。上压板8的四周有若干个螺栓孔24，在下压板11的四周同样有若干个螺栓孔24，螺栓7穿过上压板8和下压板11的螺栓孔24，使上压板8、下压板11、上摩擦环9、下摩擦环10和摩擦板23共同组成耗能机构。
16.自复位机构包括弹簧端板21、弹簧13、拉索连接件15。弹簧端板21位于外套筒2内，固定在螺纹杆3的下部，如图13所示的弹簧13套接在螺纹杆3上，并位于弹簧端板21与外套筒2的下端之间。如图17所示的钢拉索17由如图16所示的锚固端头16固定在如图15所示的拉索连接件15的底部，拉索连接件15通过内螺纹20与螺纹杆3的底端连接。在外套筒2和拉索连接件15之间设有如图14所示的橡胶垫圈14。
17.如图4所示，螺纹杆3的两端设有螺纹301，中间部分光滑，螺纹301部分的直径与光滑部分的直径一致。棘轮6能够绕内套筒4中心轴线单向旋转，当螺纹杆3向下位移时带动棘轮6旋转，棘轮6旋转带动棘轮套筒4发生旋转；当螺纹杆3向上位移时，棘轮6不旋转。
18.如图2所示的连接件1固定在外套筒2的顶端。
19.本发明的免预应力自复位耗能拉索支撑，其免预应力效果主要依靠棘轮结构单向旋转的特性实现：由于螺纹部与棘轮的中央螺孔螺纹连接，当螺纹杆受拉向下运动时，将带动棘轮、棘轮套筒单向旋转，进而启动摩擦机构开始转动摩擦，从而将地震输入结构的能量以摩擦热能的形式耗散掉，实现保护支撑及结构的效果；当卸载时，棘轮与棘轮套筒之间无接触，不存在摩擦力阻碍，支撑在弹簧的恢复力作用下将自由地向原位运动，直至完全恢复原位，实现自复位。具体的，在小震条件下，钢拉索受到向下的拉力作用，拉力通过拉索连接件传递给螺纹杆。此时，螺纹杆有向下运动的趋势，棘轮和棘轮套筒有发生旋转的趋势。但由于上摩擦环、下摩擦环和摩擦板之间通过螺栓施加了较大的预紧力，进而产生较大的摩擦力阻止棘轮套筒、棘轮的旋转以及螺纹杆的向下运动。在这一条件下，拉索的锚固端头相当于拉索的固定端，因此，只有钢拉索发挥支撑的作用，提供刚度，而无耗能和自复位的效果。
20.在中震或者大震条件下，钢拉索的拉力不断增大，直至摩擦机构的摩擦力被克服，
此时螺纹杆向下运动，弹簧长度被压缩，棘轮和棘轮套筒发生旋转，同时带动摩擦板与上摩擦环、下摩擦环之间发生转动摩擦，支撑的耗能机制启动，开始耗散地震能量。
21.当卸载时，钢拉索的拉力不断减小，弹簧逐渐恢复原长，同时推动弹簧端板向和螺纹杆向上运动，直至回到初始位置，实现自复位。在这一过程中，棘轮的棘齿不会卡住棘轮槽，更不会带动棘轮和棘轮套筒旋转，因此也不会受到摩擦力的阻碍。基于此，对于本发明中的弹簧无需施加预应力，也避免了预应力维持和锚固等问题，这一点和现有的采用预应力技术的自复位支撑相比具有显著的创造性。
22.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。