一种螺纹套筒式拉伸摩擦耗能器及使用方法

本发明涉及一种摩擦耗能器使用方法，尤其是一种适用于建筑工程技术领域的螺纹套筒式拉伸摩擦耗能器使用方法。

背景技术：

地震灾害是土木工程结构面临的主要灾害之一，当前，减小结构地震损害的一个主要技术路径是采用耗能减震技术。结构的耗能减震技术已经发展了几十年，主要技术思路是在结构的适当部位设置延性耗能钢筋或型钢、摩擦耗能器、黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器等。其中，黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器造价较高、长期性能控制难度较大，应用范围相对较小。

延性耗能钢筋或型钢主要用于混凝土结构的耗能减震方案，这种方案是利用钢筋或型钢在大震时的塑性屈服耗散地震能量，存在的不足是耗能过程会引起钢筋或型钢发生冷作硬化而使耗能能力逐渐退化，同时会使钢筋或型钢产生不可逆的严重损伤而导致整个结构失效。

摩擦耗能器是利用材料的摩擦将地震输入的机械能转化为热能，这种耗能方案的构造简单、造价低、耗能效果好、对耗能器件的损伤轻微(基本不影响继续使用)，是一种性价比很高的耗能方案。摩擦耗能器的主要形式有板式摩擦耗能器和筒式摩擦耗能器两大类。

但现有摩擦耗能器存在问题是，对于板式摩擦耗能器，为了提供较大的摩擦力，需要额外采用大量的螺栓施加足够的正压力，螺栓消耗大，预紧力施加和控制繁琐；对于筒式摩擦耗能器，外筒与内杆之间的横向挤压力的控制和实现也有难度；同时，现有摩擦耗能器在往复受力的两个方向都会发生摩擦耗能，从而导致结构的复位能力差，给震后修复带来麻烦。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中存在的不足之处，提供一种构造简单、应用方便、耗能低、器件损伤小，效果好、使用寿命长的螺纹套筒式拉伸摩擦耗能器及使用方法。

技术方案：本发明的一种螺纹套筒式拉伸摩擦耗能器，包括抗旋扭簧、限位螺钉、摩擦螺杆、对称设在摩擦螺杆上的两个套筒，所述的套筒呈圆筒形，圆筒形孔内前端部开有摩擦内丝，后端部开有筒尾内丝，摩擦内丝与筒尾内丝之间的套筒壁上钻有一个筒壁小孔；所述的摩擦螺杆整体呈圆柱状，摩擦螺杆的杆体上对称设有分别与两个套筒内孔中摩擦内丝相配合的两段摩擦外丝，两段摩擦外丝的螺旋方向相反；所述的摩擦外丝凸出摩擦螺杆圆柱外表面；摩擦螺杆的杆体两端部对称设有一段与摩擦螺杆总体共轴但直径缩小的套簧细段，两端部的套簧细段的内侧设有一个杆身小孔；所述的抗旋扭簧和限位螺钉依次设置在套簧细段上，抗旋扭簧的内侧端穿过杆身小孔，外侧端穿过筒壁小孔。

所述的摩擦内丝的横截面呈矩形，与摩擦内丝相配合的摩擦外丝的横截面亦呈矩形。

所述的套筒、摩擦螺杆、摩擦内丝及摩擦外丝相互啮合的截面尺寸，以及螺旋角参数、抗旋扭簧和限位螺钉的型号根据工程设计需要确定。

上述螺纹套筒式拉伸摩擦耗能器的使用方法：按常规工程设计需要，确定套筒、摩擦螺杆、摩擦内丝及摩擦外丝相互啮合的截面尺寸，以及螺旋角参数、抗旋扭簧和限位螺钉的型号；

组装：先将抗旋扭簧套接到套簧细段上，并将抗旋扭簧内侧一端的直段伸进杆身小孔；然后将带着抗旋扭簧的摩擦螺杆的两端套簧细段端分别从对称的两个套筒各自的摩擦内丝一端伸入，并将摩擦外丝旋进摩擦内丝，直至抗旋扭簧的外侧一端直段与套筒壁小孔位置匹配并伸出筒壁小孔，此时，两个套筒对称于摩擦螺杆中横截面；

预紧：先限制两端套筒的旋转位移，不限制套筒轴向伸长的位移，然后在摩擦螺杆中点处拧动摩擦螺杆，驱使两端套筒沿着纵轴线方向向相互远离方向移动，期间带动抗旋扭簧发生扭紧变形和拉伸变形，然后将限位螺钉旋进筒尾内丝直至抵住套簧细段的尾部，然后松开摩擦螺杆的拧动扭矩，此时，整个摩擦耗能器处于预紧平衡状态；

安装使用：将预紧过的摩擦耗能器组装件的两头连接在工程结构所需部位，针对这些部位的不同构造特征，采用单个、串连、并联、串并联多种连接形式，通过现浇或预浇固定；

工作状态：当两个套筒的外端同时受到一对压力作用时，由于限位螺钉的限制，摩擦螺杆无法旋转，整个耗能器以轴向弹性受压状态工作；

当两个套筒的外端同时受到一对拉力作用时，两个套筒这对拉力会使摩擦螺杆的摩擦外丝产生顺着两个套筒的摩擦内丝旋转的趋势，而这个趋势会受到处于扭紧状态的抗旋扭簧所蓄积的弹性扭矩的阻碍；

当两个套筒这对拉力较小时，摩擦螺杆的旋转趋势也较小，抗旋扭簧所蓄积的弹性扭矩能阻止旋转趋势发展为旋转运动，整个摩擦耗能器以轴向弹性受拉状态工作；

当两个套筒拉力较大时，摩擦螺杆的旋转趋势也较大，抗旋扭簧所蓄积的弹性扭矩无法阻止旋转趋势发展为旋转运动，此时，摩擦螺杆开始发生旋转运动，抗旋扭簧也跟随发生进一步的扭紧变形和拉伸变形，并对摩擦螺杆旋转运动产生扭转阻力，同时，两个套筒向相反方向直线运动，整个摩擦耗能器在新的平衡状态下沿纵轴线方向伸长，使所服务的工程结构处于塑性工作状态，期间，由于两端套筒承受较大拉力，使得摩擦外丝与摩擦内丝之间具有较强的接触正压力，因而摩擦外丝与摩擦内丝的相对旋转运动会产生很大的摩擦阻力，该摩擦阻力会耗散大量能量；

当摩擦耗能器反向受力，即受压时，摩擦螺杆也发生反向旋转运动，期间，由于抗旋扭簧的恢复力方向与摩擦螺杆的旋转方向相同，因而实际并不需要压力即可保证摩擦螺杆旋回当初预紧时的状态，即耗能器由拉伸最大位移状态回到预紧状态的过程中自动复位，不会发生耗能；继而在较大的多次往复拉压力作用下，摩擦耗能器也能实现拉伸耗能—压缩自动复位的多次往复耗能—复位的效果。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明利用螺纹啮合形成的多螺旋接触面和纵向拉力形成的正压力提供旋转摩擦力以实现拉伸单向耗能，解决了现有板式摩擦耗能器为施加正压力而消耗大量预紧螺栓的问题、筒式摩擦耗能器外筒与内杆之间横向挤压力难以控制和实现的问题、以及往复摩擦耗能带来的结构复位能力差的问题。与现有技术相比，主要优点如下：

1)利用螺纹套筒的基本形式构造耗能器件，其构造简单，应用方便，比如可直接替换混凝土结构中的钢筋实现结构的耗能功能，应用面广；

2)利用螺纹啮合形成的多螺旋接触面和纵向拉力形成的正压力提供旋转摩擦力以实现耗能，不仅耗能效果好、器件损伤小，几乎可以永远使用下去，而且省去了大量为施加正压力而消耗的预紧螺栓以及由此带来的耗材与安装控制问题；

3)器件的弹性工作(不旋转)与塑性工作(旋转)临界点可人为控制，而且对控制的实施非常简便，只需要在预紧时控制摩擦螺杆中点处的拧动扭矩即可；

4)能够实现受拉单向摩擦耗能和自动复位，从而保证结构的耗能与复位能力俱佳。

附图说明

图1为本发明套筒的剖分结构示意图；

图2为本发明摩擦螺杆的结构示意图；

图3为本发明的初始组装剖分结构示意图；

图4为本发明的预紧组装剖分结构示意图；

图5为本发明用于现浇钢筋混凝土框架结构实施例一中节点结构示意图；

图6为本发明用于现浇钢筋混凝土框架结构实施例一边节点结构示意图；

图7为本发明用于装配整体式钢筋混凝土框架结构实施例二中节点结构示意图；

图8为本发明用于装配整体式钢筋混凝土框架结构实施例二边节点结构示意图；

图9为本发明用于预压装配全预制钢筋混凝土框架结构实施例三中节点结构示意图；

图10为本发明用于预压装配全预制钢筋混凝土框架结构实施例三边节点结构示意图；

图11为本发明用于大变形锚杆实施例四结构示意图。

图中：1-套筒；2-摩擦螺杆；3-摩擦内丝；4-筒尾内丝；5-筒壁小孔；6-摩擦外丝；7-套簧细段；8-杆身小孔；9-抗旋扭簧；10-限位螺钉；101-连接螺杆；11-现浇上柱；12-现浇下柱；13-现浇左梁；14-现浇右梁；15-现浇节点；131-现浇左梁上部纵筋；132-现浇左梁下部纵筋；141-现浇右梁上部纵筋；142-现浇右梁下部纵筋；151-现浇右梁上部锚筋；152-现浇右梁下部锚筋；21-预制上柱；22-预制下柱；23-预制左梁；24-预制右梁；25-后浇节点；26-左梁叠合层；27-右梁叠合层；251-右梁叠合层锚筋；261-左梁叠合层纵筋；271-右梁叠合层纵筋；31-全预制柱上段；32-全预制柱下段；33-全预制左梁；34-全预制右梁；35-全预制柱节点区；331-左梁梁肩；332-左梁上部孔道；333-左梁下部孔道；334-左梁上部锚筋；335-左梁下部锚筋；336-左梁上筋锚头；337-左梁下筋锚头；341-右梁梁肩；342-右梁上部孔道；343-右梁下部孔道；344-右梁上部锚筋；345-右梁下部锚筋；346-右梁上筋锚头；347-右梁下筋锚头；351-节点上部孔道；352-节点下部孔道；353-节点上部锚筋；354-节点下部锚筋；355-节点上部锚头；356-节点下部锚头；41-岩土体；42-锚孔；421-锚固注浆体；422-防锈注浆体；43-锚杆接头；44-锚杆锚头。

具体实施方式

下面结合附图中对本发明作进一步的说明：

如图3所示，本发明的螺纹套筒式拉伸摩擦耗能器，主要由两个套筒1、一个摩擦螺杆2、两个抗旋扭簧9和两个限位螺钉10组装而成，所述的套筒1为两个，套筒结构如图1所示，两个套筒1对称设在一摩擦螺杆2上，摩擦螺杆2的结构如图2所示，所述的套筒1呈圆筒形，圆筒形孔内前端部开有摩擦内丝3，后端部开有筒尾内丝4，摩擦内丝3与筒尾内丝4之间的套筒壁上钻有一个筒壁小孔5；所述摩擦内丝3陷入套筒1内壁；优选摩擦内丝3的横截面呈矩形，所述筒尾内丝4陷入套筒内壁，并采用常规内丝形式。

所述的摩擦螺杆2整体呈圆柱状，摩擦螺杆2的杆体上对称设有分别与两个套筒1内孔中摩擦内丝3相配合的两段摩擦外丝6，两段摩擦外丝6的螺旋方向相反；所述的摩擦外丝6凸出摩擦螺杆圆柱外表面；优选摩擦外丝6的横截面呈矩形，与摩擦内丝3相配合。摩擦螺杆2的杆体两端部对称设有一段与摩擦螺杆2总体共轴但直径缩小的套簧细段7，两端部的套簧细段7的内侧设有一个杆身小孔8；所述的抗旋扭簧9为常规扭簧，抗旋扭簧9和限位螺钉10依次设置在套簧细段7上，抗旋扭簧9的内侧端穿过杆身小孔8，外侧端穿过筒壁小孔5，即两端各弯出一段直段分别与筒壁小孔5和杆身小孔8的方向和位置对应。所述限位螺钉10为常规无帽螺钉，其外丝须与筒尾内丝4相互匹配。所述摩擦内丝3及摩擦外丝6在几何上需要相互啮合，所述的套筒1、摩擦螺杆2、摩擦内丝3及摩擦外丝6相互啮合的截面尺寸，以及螺旋角参数、抗旋扭簧9和限位螺钉10的型号根据工程设计需要确定，它们的截面尺寸以及螺旋角等参数需要根据实际获信息参数计算确定。

本发明的螺纹套筒式拉伸摩擦耗能器的使用方法：根据工程设计需要，确定套筒1、摩擦螺杆2、摩擦内丝3及摩擦外丝6相互啮合的截面尺寸以及螺旋角的参数，以及抗旋扭簧9和限位螺钉10的型号；

组装：先将抗旋扭簧9套接到套簧细段7上，并将抗旋扭簧9内侧一端的直段伸进杆身小孔8；然后将带着抗旋扭簧9的摩擦螺杆2的两端套簧细段7端分别从对称的两个套筒各自的摩擦内丝3一端伸入，并将摩擦外丝6旋进摩擦内丝3，直至抗旋扭簧9的外侧一端直段与套筒壁小孔位置匹配并伸出筒壁小孔5，此时，两个套筒1对称于摩擦螺杆中横截面；如图3所示，

预紧：先限制两端套筒1的旋转位移，不限制套筒轴向伸长的位移，然后在摩擦螺杆2中点处拧动摩擦螺杆2，驱使两端套筒1沿着纵轴线方向向相互远离方向移动，期间带动抗旋扭簧9发生扭紧变形和拉伸变形，将限位螺钉10旋进筒尾内丝4直至抵住套簧细段7的尾部，然后松开摩擦螺杆2的拧动扭矩，此时，整个摩擦耗能器处于预紧平衡状态；如图4所示，

安装使用：将预紧过的摩擦耗能器组装件的两头(即两个套筒1的外端)连接在工程结构所需部位，针对这些部位不同的构造特征，采用单个、串连、并联、串并联多种连接形式，通过现浇或预浇固定；

工作状态：当两个套筒1的外端同时受到一对压力作用时，由于限位螺钉10的限制，摩擦螺杆2无法旋转，整个耗能器以轴向弹性受压状态工作；

当两个套筒1的外端同时受到一对拉力作用时，两个套筒这对拉力会使摩擦螺杆2的摩擦外丝6产生顺着两个套筒的摩擦内丝3旋转的趋势，而这个趋势会受到处于扭紧状态的抗旋扭簧9所蓄积的弹性扭矩的阻碍；

当两个套筒这对拉力较小时，如所服务的工程结构处于正常工作状态时，摩擦螺杆2的旋转趋势也较小，抗旋扭簧9所蓄积的弹性扭矩能阻止旋转趋势发展为旋转运动，整个摩擦耗能器以轴向弹性受拉状态工作；

当两个套筒这对拉力较大时，如所服务的工程结构处于大震工作状态时，摩擦螺杆2的旋转趋势也较大，抗旋扭簧9所蓄积的弹性扭矩无法阻止旋转趋势发展为旋转运动，于是，摩擦螺杆2开始发生旋转运动，抗旋扭簧9也跟随发生进一步的扭紧变形和拉伸变形，并对摩擦螺杆2旋转运动产生扭转阻力，同时，两个套筒1向相反方向直线运动，整个摩擦耗能器在新的平衡状态下沿纵轴线方向伸长，使所服务的工程结构处于塑性工作状态，期间，由于摩擦外丝6与摩擦内丝3之间会产生较强的接触正压力，此时摩擦外丝6与摩擦内丝3的相对旋转运动会产生很大的摩擦阻力，该摩擦阻力会耗散大量能量；

当摩擦耗能器反向受力，即受压时，摩擦螺杆2也发生反向旋转运动，期间，由于抗旋扭簧9的恢复力方向与摩擦螺杆2的旋转方向相同，因而实际并不需要压力即可保证摩擦螺杆2旋回当初预紧时的状态，即耗能器由拉伸最大位移状态回到预紧状态的过程中自动复位，不发生耗能；继而在较大的多次往复拉压力作用下，摩擦耗能器也能实现拉伸耗能—压缩自动复位的多次往复耗能—复位的效果。

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明：

实施例一、图5、图6所示为本发明耗能器在现浇钢筋混凝土框架结构梁柱节点中的应用实施例。

如图5所示为中节点，基本构成包括现浇上柱11、现浇下柱12、现浇左梁13、现浇右梁14和现浇节点15。应用时，采用并联的上下两对耗能器通过筒尾内丝4串连连接后，现浇左梁上部纵筋131与现浇右梁上部纵筋141、以及现浇左梁下部纵筋132与现浇右梁下部纵筋142；上下串连的两个耗能器之间均通过筒尾内丝4的一个连接螺杆101连接。

类似的，如图6所示为边节点，基本构成包括现浇上柱11、现浇下柱12、现浇右梁14和现浇节点15。应用时，分别用并联的两个耗能器通过筒尾内丝4连接现浇右梁上部锚筋151与现浇右梁上部纵筋141、以及现浇右梁下部锚筋152与现浇右梁下部纵筋142。

实施例二、图7、图8所示为本发明耗能器在装配整体式钢筋混凝土框架结构梁柱节点中的应用实施例：

如图7所示为中节点，基本构成包括预制上柱21、预制下柱22、预制左梁23、预制右梁24、后浇节点25、左梁叠合层26和右梁叠合层27。应用时，采用串连的两个耗能器通过筒尾内丝4连接左梁叠合层纵筋261与右梁叠合层纵筋271；两个耗能器之间通过筒尾内丝4由一个连接螺杆101连接。

类似的，如图8所示为边节点，基本构成包括预制上柱21、预制下柱22、预制右梁24、后浇节点25和右梁叠合层27。应用时，用一个耗能器通过筒尾内丝4连接右梁叠合层锚筋251与右梁叠合层纵筋271。

实施例三、图9、图10所示为本发明耗能器在预压装配全预制钢筋混凝土框架结构梁柱节点中的应用实施例：

如图9所示为中节点，基本构成包括全预制柱上段31、全预制柱下段32、全预制左梁33、全预制右梁34和全预制柱节点区35。应用时，用并联的上下两个耗能器通过筒尾内丝4串连连接左梁上部锚筋334与右梁上部锚筋344、以及左梁下部锚筋335与右梁下部锚筋345；上下两个耗能器之间通过筒尾内丝4的一个连接螺杆101连接。

类似的，如图10所示为边节点，基本构成包括全预制柱上段31、全预制柱下段32、全预制右梁34和全预制柱节点区35。应用时，采用上下并联的两个耗能器通过筒尾内丝4连接节点上部锚筋353与右梁上部锚筋344、以及节点下部锚筋354与右梁下部锚筋345。

实施例四、图11所示为本发明耗能器在岩土锚固结构中用作大变形锚杆的实施例：该实施例中，将一个耗能器伸进岩土体41的锚孔42中，并用锚固注浆体421对锚杆内锚段进行锚固；然后利用锚杆接头43与耗能器外端的筒尾内丝4连接，然后张拉锚杆接头43并用锚杆锚头44进行锚固，以此实现对整个锚杆的张拉锚固。