預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置以及其計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置W及其計(jì)算方法，屬于建筑領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件是結(jié)構(gòu)的重要組成，承擔(dān)著抵抗風(fēng)荷載W及地震作用的重要作 用。而消能減震思想是近二十年來(lái)在我國(guó)逐漸受到重視的技術(shù)方法，運(yùn)一思想的核屯、在于 在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置來(lái)耗散外部作用輸入給結(jié)構(gòu)的能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)、減小主體 結(jié)構(gòu)損傷。消能減震裝置按照機(jī)理，可W劃分為粘滯阻尼器裝置、金屬滯回耗能裝置、摩擦 耗能裝置、粘彈性耗能裝置等。而金屬滯回耗能裝置一方面為結(jié)構(gòu)提供剛度，另一方面在結(jié) 構(gòu)受到較大外部作用時(shí)通過(guò)自身的滯回耗能消耗外部輸入能量，減小主體結(jié)構(gòu)損傷。在建 筑領(lǐng)域，金屬滯回耗能裝置因?yàn)槠錂C(jī)理易于接受、造價(jià)便宜、設(shè)計(jì)易于設(shè)計(jì)師理解、性能相 對(duì)穩(wěn)定等特性而有相對(duì)較多的應(yīng)用。
[0003] 目前常用的金屬消能裝置包括有剪切板阻尼器SPD(shearpaneldamper,剪切板 阻尼器）、屈曲約束支撐度ucklingRestrained化ace,BRB)、ADAS(AdditionnalDamper AndStifTness，附加阻尼和剛度）。運(yùn)些裝置通過(guò)金屬的拉壓、剪切、彎曲塑形變形消耗地 震能量。然而運(yùn)些裝置任然有一些缺陷，不能完全適應(yīng)實(shí)際工程的需要。為了實(shí)現(xiàn)屈曲約 束支撐拉壓一致的功能往往需要在其軸向受力忍材外包裹約束材料（鋼材或者鋼與混凝 ±等）；而剪切型阻尼器或ADAS安裝于框架中需要配合設(shè)置支撐才能發(fā)揮效益，而所配合 的支撐按照剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此尺寸較大。運(yùn)些原因?qū)е码m然運(yùn)類耗能部件雖然性能遠(yuǎn)遠(yuǎn) 高于普通支撐，但是造價(jià)較高，阻礙了消能減震技術(shù)的推廣。因此，開(kāi)發(fā)一種較小尺寸，卻具 有穩(wěn)定抗側(cè)力性能、能夠?qū)崿F(xiàn)良好耗能特性的減震構(gòu)件具有非常明顯的現(xiàn)實(shí)意義。
[0004] 索撐系統(tǒng)是一種常用的建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件，常用于較輕的建筑結(jié)構(gòu)，具有安裝 方便快捷的特點(diǎn)，能夠有效提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。但是傳統(tǒng)的索撐抗側(cè)力系統(tǒng)拉壓性質(zhì)截然 不同，耗能能力差，不具備消能建筑構(gòu)件諸如屈曲約束支撐、剪切型阻尼器的飽滿滯回曲線 特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服傳統(tǒng)金屬耗能裝置尺寸較大，造價(jià)較貴的缺陷；同時(shí)為了克服傳統(tǒng)索撐 系統(tǒng)滯回曲線不飽滿，耗能能力差的缺陷，本發(fā)明提出了一種預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置W及其 計(jì)算方法，該裝置兼有金屬消能的功能和索撐輕巧的優(yōu)點(diǎn)，抗側(cè)性能穩(wěn)定，材質(zhì)便宜加工方 便，并同時(shí)提出了運(yùn)種裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，該方法可W計(jì)算預(yù)應(yīng)力索撐系統(tǒng)的各項(xiàng)力學(xué) 參數(shù)，進(jìn)而校核目標(biāo)是否滿足。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的構(gòu)思是：一種預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置，其特征在于，其 包括第一蓋板、第二蓋板、金屬消能器、第一索撐系統(tǒng)、第二索撐系統(tǒng)，金屬消能器位于第一 蓋板與第二蓋板之間；第一索撐系統(tǒng)由四根第一拉索組成，其中每?jī)筛谝焕鞣謩e交叉 布置于第一蓋板的兩側(cè)且與第一蓋板相連；第二索撐系統(tǒng)由四根第二拉索組成，四根第二 拉索成發(fā)散布置且與第二蓋板相連。
[0007] 優(yōu)選地，所述第一索撐系統(tǒng)、第二索撐系統(tǒng)都需要預(yù)拉適當(dāng)?shù)睦Α?br>[0008] 優(yōu)選地，所述第一蓋板上設(shè)有第一圓形孔，第二蓋板上設(shè)有第二圓形孔，第二圓形 孔的直徑大于第一圓形孔的直徑。
[0009] 優(yōu)選地，所述金屬消能器采用環(huán)形的均勻厚度金屬板。
[0010] 優(yōu)選地，所述金屬消能器采用環(huán)形的不等厚度金屬板。
[0011] 本發(fā)明還提供一種預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置的計(jì)算方法，其特征在于，包括W下步 驟：
[0012] 環(huán)形剪切板的剪切變形如下式：
[0013]
[0014] 優(yōu)選地，所述環(huán)形剪切板的內(nèi)邊界與外邊界的相對(duì)變形如下式計(jì)算：
[0015]
[0016] 優(yōu)選地，所述內(nèi)邊界與外邊界的旋轉(zhuǎn)角度采用如下式：
[0017]
[0018] 優(yōu)選地，所述環(huán)形剪切板的內(nèi)外邊界轉(zhuǎn)角與力矩的如下式：
[0019]
[0020] 本發(fā)明的與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：（1)在索 撐的基礎(chǔ)上加入了金屬消能器，克服了索撐系統(tǒng)滯回曲線不飽滿的缺點(diǎn)，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供 更可靠的抗側(cè)與消能作用；(2)相比較傳統(tǒng)的金屬消能器，采用索撐的獨(dú)特構(gòu)造，通過(guò)施加 預(yù)應(yīng)力的方式使得索撐在結(jié)構(gòu)變形時(shí)始終保持受拉狀態(tài)，無(wú)失穩(wěn)問(wèn)題，材料利用效率最高； (3)相比較傳統(tǒng)消能減震裝置，本發(fā)明提出的裝置具有索撐質(zhì)量輕的特點(diǎn)，方便快速安裝施 工；(4)阻尼器整體使用鋼材，具有價(jià)格低、加工方便的特點(diǎn)，因此成本較低。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置的爆炸圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置的組裝圖。
[0023]圖3為本發(fā)明預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置在框架結(jié)構(gòu)中的安裝示意圖。
[0024] 圖4層間位移下拉索的編號(hào)W及其變形的示意圖。
[00巧]圖5環(huán)形剪切板的隔離體的示意圖。
[0026] 圖6環(huán)形剪切板的剪應(yīng)力分布的示意圖。
[0027]圖7(a)為第一索撐系統(tǒng)層間位移下的變形與運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)后）的示意圖。
[0028] 圖7(b)為第一索撐系統(tǒng)層間位移下的變形與運(yùn)動(dòng)（平動(dòng)后）的示意圖。
[0029] 圖8(a)為第二索撐系統(tǒng)在層間位移下的變形與運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)后）的示意圖。
[0030] 圖8(b)為第二索撐系統(tǒng)在層間位移下的變形與運(yùn)動(dòng)（平動(dòng)后）的示意圖。
[0031] 圖9層間位移下拉索的受力改變量W及其分量的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] W下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0033] 本發(fā)明預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置包括第一蓋板1、第二蓋板2、金屬消能器5、第一索 撐系統(tǒng)、第二索撐系統(tǒng)，金屬消能器5位于第一蓋板1與第二蓋板2之間；第一索撐系統(tǒng)由 四根第一拉索組成，其中每?jī)筛谝焕鞣謩e交叉布置于第一蓋板的兩側(cè)且與第一蓋板相 連；第二索撐系統(tǒng)由四根第二拉索4組成，四根第二拉索成發(fā)散布置，不交叉，與第二蓋板 相連。如圖1、圖2所示，當(dāng)發(fā)生層間位移時(shí)，四根第一拉索組成的第一索撐系統(tǒng)與四根第二 拉索組成的第二索撐系統(tǒng)分別帶動(dòng)第一蓋板、第二蓋板發(fā)生相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)第 一蓋板和第二蓋板之間的金屬消能器變形，從而發(fā)揮承載與耗能的關(guān)系。
[0034] 第一索撐系統(tǒng)的四根第一拉索對(duì)稱連接于第一蓋板上，第二索撐系統(tǒng)對(duì)稱連接于 第二蓋板，消能裝置與兩塊蓋板分別連接，如圖1、圖2所示。整個(gè)預(yù)應(yīng)力索撐系統(tǒng)連接于 框架的四個(gè)節(jié)點(diǎn)處，如圖3。當(dāng)發(fā)生層間位移時(shí)，第一索撐系統(tǒng)與第二索撐系統(tǒng)帶動(dòng)兩塊蓋 板發(fā)生相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得與蓋板相連的金屬消能裝置發(fā)生彈塑性變形，為結(jié)構(gòu)提 供剛度且消耗輸入能量。第一索撐系統(tǒng)、第二索撐系統(tǒng)都需要預(yù)拉適當(dāng)?shù)睦Α５谝簧w板 1上設(shè)有第一圓形孔，第二蓋板2上設(shè)有第二圓形孔，第二圓形孔的直徑大于第一圓形孔的 直徑。金屬消能器采用環(huán)形的均勻厚度金屬板或環(huán)形的不等厚度金屬板。
[0035] 本發(fā)明預(yù)應(yīng)力消能索撐裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算方法包括W下步驟，
[0036] 作為金屬消能器的環(huán)形剪切板變形的設(shè)計(jì)計(jì)算，從圖5的隔離體可見(jiàn)，環(huán)形剪切 板的剪切變形如下式（1):
[0037]
[0038] 其中P為圓環(huán)的半徑根據(jù)剪切胡克定律環(huán)形剪切板的內(nèi)邊界與外邊 (./ 界的相對(duì)變