專利名稱：纖維增強復(fù)合材料約束防屈曲耗能鋼支撐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型防屈曲耗能支撐構(gòu)件，可用于工程結(jié)構(gòu)的抗震減振，屬于結(jié)構(gòu)工程 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋼支撐框架結(jié)構(gòu)在強震作用下有著較好的抗震性能，但普通支撐在強震作用下容易發(fā)生 屈曲，斷面利用率較低，且低周疲勞性能不理想，而纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,即FRP)約束防屈曲支撐則能彌補這一不足，能夠有效地防止支撐發(fā)生整體失穩(wěn)， 并通過較好滯回耗能進一步改善整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。
約束屈曲耗能支撐的概念最早在1971年由Yoshino等人提出，并進行了以剪力墻為外約 束的約束屈曲支撐的試驗研究。此后大量的學者進行了各種形式約束屈曲支撐(Buckling Restrained Brace,簡稱為BRB)構(gòu)件的受力性能研究。此外，還有許多的研究者對采用BRB 的結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進行了研究，充分說明了BRB對提高結(jié)構(gòu)抗震性能的有效性。目前， 日本已有300多棟，美國有30多棟建筑采用了這種支撐，美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(AISC)和加州工 程師協(xié)會(SEAOC)己經(jīng)將BRB框架的設(shè)計寫入設(shè)計指南AISC/SEA0C(2001)和AISC(2002)， FEMA368中也加入了 BRB支撐框架的設(shè)計方法和試驗指標。BRB的研究與應(yīng)用在我國發(fā)展很快， 2004年前后被引入國內(nèi)，很快就被我國結(jié)構(gòu)工程師所接受，并己在一些工程中進行了應(yīng)用。
目前，己有的BRB產(chǎn)品都是采用鋼材和混凝土制成。最新研究發(fā)現(xiàn)，BRB中外包約束的 抑制屈曲效果與其極限強度有關(guān)，鋼材和混凝土的比強度(強度/密度)較小，為實現(xiàn)BRB的 功能需要用較厚的混凝土和鋼材。因此，這些現(xiàn)有的BRB的重量都較重，運輸和安裝都不便， 自重荷載較大等缺點，在推廣應(yīng)用和對原有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場改造和加固中應(yīng)用存在著一定的困難。 而FRP材料的比強度高于鋼材和混凝土，因此本發(fā)明建議采用FRP作為約束體系，砂漿、輕 質(zhì)混凝土、竹篾、木材或泡沫等材料作為填充材料，可有效的減輕BRB的自重和截面尺寸， 以較輕的重量獲得同樣的效果。另外，對于已經(jīng)在使用中的普通支撐無需拆換就能改造成為BRB。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型FRP約束防屈曲耗能支撐，即采用工廠生產(chǎn)的FRP管拉 擠型材與縱向纖維布組成套管通長套住核心鋼鋼支撐，再外纏環(huán)向纖維布進行環(huán)向約束，F(xiàn)RP 套管與核心鋼支撐間填入砂漿、輕質(zhì)混凝土、竹篾、木材或泡沫等填充材料，從而提高鋼支 撐的剛度、承載力和滯回耗能能力，實現(xiàn)一種輕質(zhì)、施工成型方便、耐腐蝕等顯著優(yōu)點的新 型FRP約束防屈曲耗能支撐。
FRP是由玻璃纖維或碳纖維等高性能纖維與樹脂基體混合經(jīng)過一定的加工工藝復(fù)合而成 的非金屬材料。它具有輕質(zhì)、高強、施工成型方便、耐腐蝕等顯著優(yōu)點。近十年，F(xiàn)RP在結(jié) 構(gòu)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展迅速，現(xiàn)已成為混凝土、鋼材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的重要補充，合理地 將FRP應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)物中已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的一個重要方向。
FRP約束防屈曲耗能鋼支撐采用FRP (FRP套管和外纏FRP布)及填充材料(砂漿、輕質(zhì) 混凝土、竹篾、木材或泡沬等)構(gòu)成外約束系統(tǒng)，可以形成FRP約束防屈曲鋼支撐，或?qū)⑵?通鋼支撐改造成為FRP約束防屈曲支撐。相對有以下優(yōu)點
(1) 構(gòu)件自重輕，給運輸、安裝都帶來便利，附加荷載也小；
(2) 具有可設(shè)計性，可根據(jù)的受力需求設(shè)計纖維的鋪設(shè)方向和比例，能充分利用材料提高 支撐性能，減小斷面。
(3) 成型容易，可以設(shè)計出新的FRP約束防屈曲鋼支撐，也可用于改造已有普通支撐結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明特征之一在于，含有內(nèi)核心鋼和纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元，其中 內(nèi)核心鋼支撐為普通鋼構(gòu)件，兩端設(shè)有連接構(gòu)造，以便與主體結(jié)構(gòu)連接，所述的兩端連
接構(gòu)造構(gòu)成所述纖維增強復(fù)合材料約束防屈曲耗能鋼支撐的連接段，所述內(nèi)核心鋼支撐的截 面形式多樣；
纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元為沿軸向套在所述內(nèi)核鋼支撐外的纖維增強復(fù)合材料 管，構(gòu)成所述纖維增強復(fù)合材料約束防屈曲支撐的核心段，以及所述核心段與所述兩端連接 段之間的過渡段，提高所述內(nèi)核心鋼支撐整體的屈曲承載力，并約束該內(nèi)核心鋼支撐橫向變 形和局部變形。
本發(fā)明特征之二在于，所述纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元由全纖維增強復(fù)合材料套管構(gòu)成。
本發(fā)明特征之三在于，所述纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元由纖維布包纏構(gòu)成。 本發(fā)明特征之四在于，所述纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元由所述纖維增強復(fù)合材料套
管與包纏在該套管外的纖維布共同構(gòu)成。
本發(fā)明特征之五在于，所述纖維布外纏在所述纖維增強復(fù)合材料套管的兩端。 本發(fā)明特征之六在于，所述纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元和所述內(nèi)核心鋼支撐之間完
全或局部地填入填充物，所述填充物是下述材料中的任何一種砂槳、輕質(zhì)混凝土、竹篾、
木材或泡沫。
本發(fā)明特征之七在于，所述內(nèi)核心鋼支撐表面有一個減磨層，為涂油層、或PVC層、或 聚乙烯層、或特氟龍層。
本發(fā)明特征之八在于，所述內(nèi)核心鋼支撐截面為圖l所示各種截面形狀中任何一種。


圖l各種截面形式的FRP約束防屈曲耗能鋼支撐。 圖2 FRP約束防屈曲耗能鋼支撐的縱向組成示意圖。 圖3 FRP約束防屈曲耗能鋼支撐的構(gòu)造圖。
具體實施例方式
FRP約束防屈曲支撐包括內(nèi)核心鋼、FRP屈曲約束單元、填充材料、無粘結(jié)層4部分組成。 內(nèi)核心鋼和FRP屈曲約束單元為必須具有，填充材料不為必須設(shè)置部分，無粘結(jié)層可用空隙 替代。
內(nèi)核心鋼為普通鋼構(gòu)件，兩端設(shè)有連接構(gòu)造，可與主體結(jié)構(gòu)連接，其截面形式多樣，如 圖1所示。主要作用(l)提供軸向承載力和剛度；(2)在較大的地震作用時，通過鋼材的受壓 屈服和受拉屈服進行滯回耗能。
FRP屈曲約束單元為本項發(fā)明特有，由FRP管和外纏FRP布構(gòu)成，也可全用外纏FRP布 構(gòu)成，形成中空套管，將內(nèi)核心鋼套入其中。主要作用有(l)提高受壓構(gòu)件的抗彎剛度，從 而提高構(gòu)件整體的屈曲承載力；(2)約束內(nèi)部鋼核心橫向變形的發(fā)展，使其達到受壓屈服，能 夠提供滯回耗能。填充材料可為微膨脹泡沫砂漿、輕質(zhì)混凝土、竹篾、木材或泡沫，將FRP管與核心鋼之 間的空隙進行填充。主要作用有(l)傳達鋼核心與FRP約束間的相互作用；(2)提供一定的抗 彎剛度。
無粘結(jié)層為包覆在內(nèi)核心鋼表面的采用涂油、PVC層、聚乙烯層、特氟龍層等減少摩擦 的措施，主要目的是減小內(nèi)核心鋼與外填充材料及FRP約束單元間的摩擦力，使核心鋼能夠 沿縱向伸縮，而外部不受軸向力。如填充材料與核心鋼間設(shè)有微小空隙，也可不設(shè)置無粘結(jié) 層。
FRP約束防屈曲支撐分為連接段、過渡段和核心段。如圖2所示。 FRP約束防屈曲支撐中的外FRP約束單元的構(gòu)成方式多樣，典型的有3種形式，如圖3 所示
(1) 全FRP套管；
(2) 全纖維布包纏；
(3) FRP套管與纖維布外纏結(jié)合。
圖2 FRP約束防屈曲鋼支撐的縱向組成示意圖。內(nèi)核單元又可分為約束屈服段(核心段)、 約束非屈服段(過渡段)、無約束非屈服段(連接段)3部分，如圖2所示。 在圖3中
(a) 全FRP套管構(gòu)造形式；
(b) 纖維布外纏增強構(gòu)造形式；
(c) FRP套管與外纏纖維布組合的構(gòu)造形式。
1. 核心鋼支撐可用不同截面類型的鋼支撐，核心鋼支撐的截面類型如圖1所示；
2. 填充物分完全填充、部分填充和無填充，填入材料包括微膨脹泡沫砂漿、輕質(zhì)混凝
土、竹篾、木材或泡沫等各種輕質(zhì)填充材料；
3. FRP套管可用圓管、方管等不同形狀的截面；
4. 纖維布外纏增強用各種纖維布按照設(shè)計鋪設(shè)方式進行包纏，用樹脂粘接。 本發(fā)明的具體實施過程如下
設(shè)計階段
(1) 根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震減震的受力要求，設(shè)計支撐的承載力、剛度和變形能力要求；
(2) 根據(jù)變形要求設(shè)計鋼核心斷面和連接節(jié)點，不考慮失穩(wěn)；(3) 根據(jù)穩(wěn)定承載力要求設(shè)計外約束FRP體系，包括厚度、纖維方向等參數(shù);
(4) 根據(jù)最大承載力設(shè)計局部構(gòu)造，避免局部劈裂和扭轉(zhuǎn)。
(5) 形成設(shè)計圖紙。 加工階段
(6) 根據(jù)設(shè)計圖紙加工鋼構(gòu)件；
(7) 根據(jù)設(shè)計圖紙準備FRP材料；
(8) 對鋼構(gòu)件進行表面無粘結(jié)層處理；
(9) 外套FRP管；
鵬填入輕質(zhì)填充材料； (U)外纏纖維布增強。 肪進行產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。
*:根據(jù)支撐的實際構(gòu)造，以上次序可有變化。 實施階段
(13)運送至工程現(xiàn)場； (13)安裝使用； (15)定期檢查。
權(quán)利要求
1.纖維增強復(fù)合材料約束防屈曲耗能鋼支撐，其特征在于，含有內(nèi)核心鋼支撐和纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元，其中內(nèi)核心鋼支撐為普通鋼構(gòu)件，兩端設(shè)有連接構(gòu)造，以便與主體結(jié)構(gòu)連接，所述的兩端連接構(gòu)造構(gòu)成所述纖維增強復(fù)合材料約束防屈曲耗能鋼支撐的連接段，所述內(nèi)核心鋼支撐的截面形式多樣；纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元為沿軸向套在所述內(nèi)核鋼支撐外的纖維增強復(fù)合材料管，構(gòu)成所述纖維增強復(fù)合材料約束防屈曲支撐的核心段，以及所述核心段與所述兩端連接段之間的過渡段，提高所述內(nèi)核心鋼支撐整體的屈曲承載力，并約束該內(nèi)核心鋼支撐橫向變形和局部變形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的纖維增強復(fù)合材料約束耗能防屈曲鋼支撐，其特征在于，所述 纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元由全纖維增強復(fù)合材料套管構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的纖維增強復(fù)合材料約束耗能防屈曲鋼支撐，其特征在于，所述 纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元由纖維布包纏構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的纖維增強復(fù)合材料約束耗能防屈曲鋼支撐，其特征在于，所述 纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元由所述纖維增強復(fù)合材料套管與包纏在該套管外的纖維布共 同構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的纖維增強復(fù)合材料約束耗能防屈曲鋼支撐，其特征在于，所述 纖維布外纏在所述纖維增強復(fù)合材料套管的兩端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的纖維增強復(fù)合材料約束耗能防屈曲鋼支撐，其特征在于，所述 纖維增強復(fù)合材料屈曲約束單元和所述內(nèi)核心鋼支撐之間完全或局部地填入填充物，所述填 充物是下述材料中的任何一種砂漿、輕質(zhì)混凝土、竹篾、木材或泡沬。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的纖維增強復(fù)合材料約束耗能防屈曲鋼支撐，其特征在于，所述 內(nèi)核心鋼支撐表面有一個減磨層，為涂油層、或PVC層、或聚乙烯層、或特氟龍層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的纖維增強復(fù)合材料約束耗能防屈曲鋼支撐，其特征在于，所述 內(nèi)核心鋼支撐截面為圖1所示各種截面形狀中任何一種。
全文摘要
纖維增強復(fù)合材料約束防屈曲耗能鋼支撐屬于抗震減振結(jié)構(gòu)工程技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，在內(nèi)核心鋼構(gòu)件外通長地套一根全纖維增強復(fù)合材料套管，或者全外纏纖維布，或者，在所述FRP套管外再纏纖維布，構(gòu)成一個FRP約束單元，為了傳遞所述內(nèi)核心鋼構(gòu)件與該FRP管約束間的相互作用并提供一定的抗彎剛度，也可在所述內(nèi)核心鋼構(gòu)件內(nèi)外完全或局部加入填充材料；為了減少所述內(nèi)核心鋼構(gòu)件與填充料，所述FRP約束單元之間的摩擦力，在該內(nèi)核心鋼構(gòu)件表面加一個減摩層。本發(fā)明具有構(gòu)件自重輕、設(shè)計靈活、成型容易、節(jié)省混凝土和鋼材的優(yōu)點。
文檔編號E04B1/98GK101575884SQ20091008591
公開日2009年11月11日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者鵬 馮, 葉列平, 沙吾列提·拜開依 申請人:清華大學