一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件的制作方法
【專利摘要】一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，屬于防屈曲支撐構(gòu)件【技術(shù)領(lǐng)域】。鋼芯從兩端到中間依次為連接段a、截面局部變大段b以及屈服工作段c，截面局部變大段b分別靠近外約束鋼管的兩端，外約束鋼管在對應(yīng)的一字形鋼芯截面局部變大段b處開設(shè)有限位槽，限位槽的長度稍大于截面局部變大段b的長度，截面局部變大段b通過限位槽伸出外約束鋼管外，屈服工作段c與截面局部變大段b之間、截面局部變大段b與連接段a之間均采用坡度漸變式連接。防屈曲耗能限位支撐受荷前期一字形鋼芯屈服耗能，后期外約束鋼管和屈服后一字形鋼芯共同提供剛度限制結(jié)構(gòu)整體側(cè)移，達到限位效果。此發(fā)明可廣泛應(yīng)用于高層建筑物的減震設(shè)計。
【專利說明】一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種工程結(jié)構(gòu)抗震耗能及限位的支撐構(gòu)件，尤其是一種鋼芯為變截面一字形，外約束鋼管為方形螺栓裝配式的防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件。受荷前期鋼芯屈服耗能，后期外約束鋼管和屈服后鋼芯共同提供剛度限制結(jié)構(gòu)整體側(cè)移，達到限位效果。
【背景技術(shù)】
[0002]防屈曲支撐(BRB)是一種兼具普通支撐和金屬阻尼器雙重功能的支撐形式，其主要由支撐鋼芯、外圍約束構(gòu)件組成，且兩者之間通常設(shè)置有無粘結(jié)材料或適當?shù)拈g隙以釋放支撐鋼芯受壓時所產(chǎn)生的膨脹變形。屈曲約束單元提供給核心單元足夠的約束，使得核心單元在受壓時屈服而不屈曲。屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力，在大震下可起到“保險絲”的作用，用于保護主體結(jié)構(gòu)在大震下不屈服或者不嚴重破壞，并且大震后，經(jīng)核查，可以方便地更換損壞的支撐。
[0003]傳統(tǒng)的防屈曲支撐構(gòu)件由內(nèi)芯耗能，外圍約束構(gòu)件只起到支撐并限制鋼芯面外屈曲的作用，其特點是僅鋼芯與結(jié)構(gòu)構(gòu)件相連，荷載完全由鋼芯承擔(dān)，外套筒和填充材料僅約束鋼芯板防止其受壓屈曲，即防止鋼芯板受壓失穩(wěn)，使鋼芯板在受拉和受壓下均能進入屈月艮。僅考慮鋼芯一個耗能核心，忽略了外約束套筒的軸向剛度貢獻。目前研究開發(fā)的防屈曲支撐主要著重提高其耗能能力，對防屈曲支撐的限位作用研究較少。鑒于此，考慮鋼芯屈服后利用鋼芯和外鋼管的剛度限制結(jié)構(gòu)整體位移的研究是有必要的，我們可以在現(xiàn)有防屈曲支撐的基礎(chǔ)上，通過一定的改進技術(shù)手段完成這一構(gòu)想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明充分利用防屈曲支撐外圍約束構(gòu)件的剛度，提出一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，此防屈曲耗能限位支撐受荷前期一字形鋼芯屈服耗能，后期外約束鋼管和屈服后一字形鋼芯共同提供剛度限制結(jié)構(gòu)整體側(cè)移，達到限位效果。兩端向外彎折且相鄰鋼片由螺栓連接的外約束鋼管為方形截面，鋼芯采用一字形變截面設(shè)計，一字形截面局部變大區(qū)域與外約束鋼管的限位槽相嵌合并留有一定限位距離，從而在一字形鋼芯變形屈服后利用外約束鋼管以及屈服后鋼芯的軸向剛度限制結(jié)構(gòu)整體位移以達到限位的目標。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，包括一字形鋼芯和外約束鋼管，一字形鋼芯位于外約束鋼管內(nèi)部，外約束鋼管與一字形鋼芯形成的2個長方形區(qū)域內(nèi)填充2個長方形薄壁型鋼鋼管混凝土，其特征在于，所述一字形鋼芯從兩端到中間依次為連接段段a、截面局部變大段b以及屈服工作段C，屈服工作段c與截面局部變大段b之間、截面局部變大段b與連接段a之間均采用坡度漸變式連接，屈服工作段C位于兩截面局部變大段b之間，截面局部變大段b分別靠近外約束鋼管的兩端，外約束鋼管在對應(yīng)的一字形鋼芯截面局部變大段b處開設(shè)有限位槽，限位槽的長度稍大于截面局部變大段b的長度，截面局部變大段b通過限位槽伸出外約束鋼管。
[0007]坡度漸變式連接優(yōu)選:一字形鋼芯截面于外鋼管限位槽處以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外約束鋼管限位槽。
[0008]所述外約束鋼管由4片鋼板螺栓組裝而成，鋼板相對的兩端部分別向外彎折135°且與相鄰兩鋼板由螺栓連接。外約束鋼管的寬度大于鋼芯屈服工作段截面寬度，小于鋼芯截面變大處的截面寬度，外約束鋼管內(nèi)部和一字形鋼芯表面與長方形薄壁型鋼鋼管混凝土之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料。
[0009]所述外約束鋼管一對對邊鋼板對應(yīng)于鋼芯端部截面局部變大段開限位槽，開槽位置與鋼芯變截面區(qū)域一致，距離外鋼管端部的長度d為鋼管長度的1/12，開槽長度e為外鋼管總長度的1/6，開槽長度與鋼芯截面變大長度的距離差，考慮包括一字形鋼芯屈服時的受拉、受壓變形和設(shè)計此消能限位體系的控制位移量，根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中彈塑性層間位移角的限制要求規(guī)定其最大距離差。
[0010]所述外約束鋼管與一字形鋼芯形成的2個長方形區(qū)域內(nèi)填充2個長方形薄壁型鋼鋼管混凝土，以防止一字形鋼芯受壓失穩(wěn)，同時可以防止混凝土受壓破壞影響支撐的整體效果。
[0011]所述連接段實際連接到構(gòu)件時，可根據(jù)需要焊接加勁肋板或角鋼增大連接段強度，保證連接段鋼芯雙向穩(wěn)定性
[0012]防屈曲支撐受力時，鋼芯首先耗能變形，變形達到一定程度受到限位槽的約束后，外鋼管與鋼芯一起受力，并且由于外鋼管剛度較大，外鋼管與屈服后鋼芯剛度之和能夠有效限制內(nèi)芯屈服后結(jié)構(gòu)整體的側(cè)移，達到限位的效果。此發(fā)明可廣泛應(yīng)用于高層建筑物的減震設(shè)計。
[0013]根據(jù)以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下特點和有益效果。
[0014]性能優(yōu)越:本發(fā)明的耗能能力為一字形鋼芯的耗能能力，但鋼芯屈服后充分利用了外約束鋼管的軸向剛度限制結(jié)構(gòu)的整體位移；
[0015]施工方便:本發(fā)明的外約束鋼管采用螺栓組裝，現(xiàn)場施工以及工廠組裝都可以做到降低生產(chǎn)成本，擴大應(yīng)用范圍。
[0016]修復(fù)方便:本發(fā)明的外約束鋼管采用螺栓裝配式，便于對支撐構(gòu)件的震后檢查以及支撐更換。
[0017]取材方便:本發(fā)明采用的鋼材來源廣泛，規(guī)格齊全，購買方便。
[0018]傳力明確:鋼芯軸向受拉或受壓屈服后，外約束鋼管的軸向剛度作為支撐體系的附加剛度有利于限制結(jié)構(gòu)側(cè)移，實現(xiàn)限位功能。
[0019]本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于建筑物的耗能減震及限位控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0021]圖2為圖1A-A處剖面圖。
[0022]圖3為圖1B-B處剖面圖。[0023]附圖標記:1-芯材、2-外約束鋼管、3-鋼管端部限位槽、4-薄壁型鋼鋼管混凝土、5-螺栓、6-無粘結(jié)材料、a-連接段、b-截面局部變大段、C-屈服工作段、d-限位槽距離鋼管端部的距離、e-限位槽長度。
【具體實施方式】
[0024]如圖1所示，一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，包括一字形鋼芯(I)和外約束鋼管(2)，外約束鋼管尺寸300X300mm。所述一字形鋼芯(I)包括連接段a、截面局部變大段b以及屈服工作段C。所述鋼芯(I)截面于外鋼管限位槽(3)處以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外鋼管限位槽約30mm。所述耗能一字形鋼芯(I)與外約束鋼管(2)之間填充2個長方形薄壁型鋼鋼管混凝土(4)。所述外約束鋼管(2)由4片鋼板組裝而成，鋼板端部50mm分別向外彎折135°且相鄰兩鋼板由螺栓(5)連接。外約束鋼管的寬度大于芯材屈服工作段截面寬度約10_，小于芯材截面變大處的截面寬度約30mm，外約束鋼管(2)和工作段一字形鋼芯(I)之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料(6);所述外約束鋼管(2)—對對邊鋼板開設(shè)限位槽(3)，另一對鋼板不做處理。開槽位置與鋼芯變截面區(qū)域一致，距離外鋼管端部的長度d為鋼管長度的1/12，開槽長度e為外鋼管總長度的1/6，開槽長度與鋼芯截面變大長度的距離差，考慮包括一字形鋼芯(I)屈服時的受拉、受壓變形和設(shè)計此消能限位體系的控制位移量，根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中彈塑性層間位移角的限制要求規(guī)定其最大距離差。
[0025]如圖2所示，外約束方形鋼管(2)相鄰兩片鋼片由螺栓(5)連接組裝而成，并且螺栓連接位置注意避開鋼管側(cè)面限位槽的位置，可以設(shè)置在四個直角處。一字形鋼芯(I)變截面處由外鋼管限位槽處穿出外約束鋼管(2)約30mm。
[0026]如圖3所示，防屈曲支撐工作屈服段鋼芯(I)包在外約束鋼管(2)內(nèi)部，外約束鋼管(2 )內(nèi)部和一字形鋼芯(I)表面與長方形薄壁型鋼鋼管混凝土( 4)之間均留有IOmm的間距，無粘結(jié)材料(6)的填滿此間隙。
[0027]本發(fā)明所述一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件的工作原理為:
[0028]外部荷載施加到防屈曲支撐，前期一字形鋼芯承受外荷載直至屈服，后期則由外約束鋼管和屈服后一字形鋼芯共同保證其限位功能。受壓狀態(tài)下，當鋼芯屈服后的壓縮變形達到限位槽的受壓極限時，即鋼芯截面變大段的向內(nèi)壓縮接觸到限位槽的端部時，外約束鋼管在鋼芯的作用下貢獻軸向抗壓剛度，控制結(jié)構(gòu)整體位移。受拉狀態(tài)下，當鋼芯屈服后的拉伸變形達到限位槽的受拉極限時，即鋼芯截面變大段向外拉伸接觸到限位槽的端部時，外約束鋼管在鋼芯的作用下貢獻軸向抗拉剛度，控制結(jié)構(gòu)整體位移。此時鋼芯和外約束鋼管作為一個整體共同承受外部荷載。此工作狀態(tài)表現(xiàn)為拉壓過程中的往復(fù)工作中。
【權(quán)利要求】
1.一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，包括一字形鋼芯和外約束鋼管，一字形鋼芯位于外約束鋼管內(nèi)部，外約束鋼管與一字形鋼芯形成的2個長方形區(qū)域內(nèi)填充2個長方形薄壁型鋼鋼管混凝土，其特征在于，所述一字形鋼芯從兩端到中間依次為連接段a、截面局部變大段b以及屈服工作段C，截面局部變大段b分別靠近外約束鋼管的兩端，屈服工作段c位于兩處截面局部變大段b之間；連接段a與截面局部變大段b之間、截面局部變大段b與屈服工作段c之間均采用坡度漸變式連接。外約束鋼管在對應(yīng)的一字形鋼芯截面局部變大段b處開設(shè)有限位槽，限位槽的長度稍大于截面局部變大段b的長度，截面局部變大段b通過限位槽伸出外約束鋼管。
2.按權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，坡度漸變式連接優(yōu)選:一字形鋼芯截面于外約束鋼管限位槽處以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外約束鋼管限位槽。
3.按權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，所述外約束鋼管由4片鋼板螺栓組裝而成，鋼板兩端部分別向外彎折135°且與相鄰兩鋼板由螺栓連接。
4.按權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，外約束鋼管的寬度大于鋼芯屈服工作段c截面寬度，小于鋼芯截面變大處的截面寬度。
5.按權(quán)利要求1的一種螺栓新型組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，外約束鋼管、一字形鋼芯及長方形薄壁型鋼鋼管混凝土之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料。
6.按權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，開槽位置距離外鋼管端部的長度d為鋼管長度的1/12，開槽長度e為外鋼管總長度的1/6。
7.按權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管一字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，連接段實際連接到構(gòu)件時，可根據(jù)需要焊接加勁肋板或角鋼增大連接段強度，保證連接段鋼芯雙向穩(wěn)定性。
【文檔編號】E04B1/98GK103711220SQ201310745143
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】馬華, 張芳亮, 姜新雨, 謝菲, 李振寶 申請人:北京工業(yè)大學(xué)