一種新型螺栓組裝方形鋼管工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工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【技術(shù)領(lǐng)域】。包括工字形鋼芯和外約束體，工字形鋼芯位于外約束體內(nèi)，鋼芯與外約束體之間的空間分別填一個(gè)長(zhǎng)方形薄壁型鋼鋼管混凝土，所述外約束體的側(cè)面對(duì)應(yīng)工字形鋼芯局部變截面段面四個(gè)翅邊的位置開設(shè)有限位槽，限位槽的長(zhǎng)度稍大于局部變截面段翅邊的長(zhǎng)度；鋼芯從兩端向中間依次連接段a、截面局部變大段b以及屈服工作段c，兩側(cè)截面局部變大段的四個(gè)翅邊通過外約束體的限位槽伸出外約束體，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。此發(fā)明可廣泛應(yīng)用于高層建筑物的減震設(shè)計(jì)。
【專利說明】一種新型螺栓組裝方形鋼管工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)明屬于防屈曲支撐【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工字形，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(dá)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(dāng)?shù)拈g隙以釋放支撐鋼芯受壓時(shí)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(shí)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(xiǎn)絲”的作用，用于保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在大震下不屈服或者不嚴(yán)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)件由鋼芯耗能，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(diǎn)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(jìn)入屈月艮。僅考慮鋼芯一個(gè)耗能核心，忽略了外約束套筒的軸向剛度貢獻(xiàn)。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(duì)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)有常用的防屈曲支撐的基礎(chǔ)上，通過一定的改進(jìn)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工字形鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，此防屈曲限位耗能支撐受荷前期鋼芯屈服耗能，后期外約束體和屈服后鋼芯共同提供剛度限制結(jié)構(gòu)整體側(cè)移，達(dá)到限位效果。兩端向外彎折的相鄰?fù)饧s束鋼管采用裝配式螺栓連接形成方形截面，鋼芯采用焊接工字形變截面設(shè)計(jì)，工字形截面局部變大區(qū)域與外約束體的限位槽相嵌合并留有一定的限位距離，從而在鋼芯變形屈服后利用外約束體以及屈服后鋼芯的軸向剛度和限制結(jié)構(gòu)整體位移以達(dá)到限位的目標(biāo)。
[0005]為實(shí)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工字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，包括工字形鋼芯和外約束體，工字形鋼芯置于外約束體內(nèi)，工字形鋼芯與外約束體之間的兩個(gè)空間各填充一個(gè)長(zhǎng)方形薄壁型鋼鋼管混凝土，其特征在于，所述工字形鋼芯從兩端向中間依次包括連接段a、截面局部變大段b以及屈服工作段C，局部截面變大段b靠近外約束體的兩端，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。外約束體的側(cè)面對(duì)應(yīng)工字形鋼芯局部變截面段面四個(gè)翅邊的位置開設(shè)有限位槽，限位槽的長(zhǎng)度稍大于局部變截面段翅邊的長(zhǎng)度，兩處截面局部變大段b的四個(gè)翅邊通過外約束體的限位槽伸出外約束體。
[0007]坡度漸變式連接優(yōu)選:所述工字形鋼芯于外約束體限位槽處以60°坡角局部增大翼緣截面寬度，直至截面穿出外鋼管限位槽。
[0008]所述外約束體是由4片鋼板組裝而成截面為正分形的約束鋼管，鋼板相對(duì)的兩端部分別向外彎折135°且與相鄰兩鋼板由螺栓連接。
[0009]所述鋼芯包括連接段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對(duì)應(yīng)外約束鋼管的限位槽位置。
[0010]所述外約束鋼管中與鋼芯腹板平行的對(duì)邊鋼板對(duì)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(zhǎng)度e為鋼管長(zhǎng)度的1/12，開槽長(zhǎng)度d為外鋼管總長(zhǎng)度的1/6,開槽長(zhǎng)度與鋼芯截面變大長(zhǎng)度的距尚差,考慮包括鋼芯屈服時(shí)的受拉、受壓變形和設(shè)計(jì)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(jì)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。
[0011]所述外約束鋼管的寬度大于鋼芯屈服工作段截面寬度，小于芯材截面變大處的截面寬度，外約束鋼管和工字形鋼芯之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料。
[0012]所述外約束鋼管與鋼芯形成個(gè)長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)填充2個(gè)長(zhǎng)方形薄壁型鋼鋼管混凝土，以防止工字形鋼芯受壓局部失穩(wěn)，同時(shí)可以防止混凝土受壓破壞影響支撐的整體效果。
[0013]防屈曲支撐受力時(shí)，鋼芯首先耗能變形，變形達(dá)到一定程度受到限位槽的約束后，外約束體與鋼芯一起受力，并且由于外鋼管剛度較大，外約束體與屈服后鋼芯剛度之和能夠有效限制鋼芯屈服后結(jié)構(gòu)整體的側(cè)移，達(dá)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(jì)。
[0014]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(diǎn)和有益效果。
[0015]性能優(yōu)越:本發(fā)明的耗能能力為鋼芯的耗能能力，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。
[0016]施工方便:本發(fā)明的外約束鋼管采用螺栓組裝，現(xiàn)場(chǎng)施工以及工廠組裝都可以做到降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
[0017]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(duì)支撐構(gòu)件的震后檢查以及支撐更換。
[0018]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。
[0019]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)的層間側(cè)移，實(shí)現(xiàn)限位功能。
[0020]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】
[0021]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0022]圖2為圖1A-A處剖面圖。
[0023]圖3為圖1B-B處剖面圖。
[0024]附圖標(biāo)記:1-鋼芯、2-外約束體、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-限位槽的長(zhǎng)度、e-限位槽距離外約束體端部的長(zhǎng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0025]如圖1所示，一種新型螺栓組裝方形鋼管工字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件。包括工字形鋼芯(I)和外約束體即外約束鋼管(2)，外鋼管截面300X300mm。所述工字形鋼芯(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。所述耗能鋼芯(I)與外約束鋼管之間填充2個(gè)長(zhǎng)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鋼芯屈服工作段c截面寬度約10_，小于鋼芯截面變大處的截面寬度約30_，外約束鋼管(2)內(nèi)部和工字形鋼芯(I)表面與長(zhǎng)方形薄壁型鋼鋼管混凝土(4)之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料(6);所述外約束鋼管(2)中與鋼芯腹板平行的對(duì)邊鋼板對(duì)應(yīng)鋼芯截面局部變大段b開設(shè)限位槽(3)，另一對(duì)邊鋼板不做處理。開槽位置與鋼芯變截面區(qū)域一致，距離外鋼管端部的長(zhǎng)度e為鋼管長(zhǎng)度的1/12，開槽長(zhǎng)度d為外鋼管總長(zhǎng)度的1/6，開槽長(zhǎng)度與鋼芯截面變大長(zhǎng)度的距離差，考慮包括鋼芯(I)屈服時(shí)的受拉、受壓變形和設(shè)計(jì)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(jì)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。
[0026]除上述示例之外，鋼芯板(2)的截面形式還可以是H形截面。
[0027]如圖2所示，外約束方形鋼管(I)相鄰兩片鋼片由螺栓(5)連接組裝而成，并且螺栓連接位置可以設(shè)置在四個(gè)直角處。工字形鋼芯(I)變截面處由外鋼管限位槽處穿出外約束鋼管(2)約30mm。
[0028]如圖3所示，防屈曲支撐工作屈服段c鋼芯(I)包在外約束鋼管(2)內(nèi)部，且外約束鋼管(2)和鋼芯(I)之間留有IOmm的間距，無粘結(jié)材料(6)的厚度與外約束鋼管(2)和鋼芯(I)之間的間距一致。
[0029]本發(fā)明所述一種新型螺栓組裝方形鋼管工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:
[0030]外部荷載施加到防屈曲支撐，前期鋼芯承受外荷載直至屈服，后期則由外鋼管和屈服后鋼芯共同保證其限位功能。受壓狀態(tài)下，當(dāng)鋼芯屈服后的壓縮變形達(dá)到限位槽的受壓極限時(shí)，即鋼芯截面變大段的向內(nèi)壓縮接觸到限位槽的端部時(shí)，外約束鋼管在鋼芯的作用下貢獻(xiàn)軸向抗壓剛度，控制結(jié)構(gòu)整體位移。受拉狀態(tài)下，當(dāng)鋼芯屈服后的拉伸變形達(dá)到限位槽的受拉極限時(shí)，即鋼芯截面變大段向外拉伸接觸到限位槽的端部時(shí)，外約束鋼管在鋼芯的作用下貢獻(xiàn)軸向抗拉剛度，控制結(jié)構(gòu)整體位移。此時(shí)鋼芯和外約束鋼管作為一個(gè)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工字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，包括工字形鋼芯和外約束體，工字形鋼芯置于外約束體內(nèi)，工字形鋼芯與外約束體之間的兩個(gè)空間各填充一個(gè)長(zhǎng)方形薄壁型鋼鋼管混凝土，其特征在于，所述工字形鋼芯從兩端向中間依次包括連接段a、截面局部變大段b以及屈服工作段C，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靠近外約束體的兩端；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。外約束體的側(cè)面對(duì)應(yīng)工字形鋼芯局部變截面段b四個(gè)翅邊的位置開設(shè)有限位槽，限位槽的長(zhǎng)度稍大于局部變截面段翅邊的長(zhǎng)度；兩截面局部變大段的四個(gè)翅邊通過外約束體的限位槽伸出外約束體。
2.按照權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管工字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，坡度漸變式連接位置:工字形鋼芯截面變大段翼緣穿出外約束體四個(gè)翅邊；相對(duì)于外約束體限位槽處的四個(gè)翅邊以60°坡角局部增大使翼緣截面寬度，直至截面穿出外鋼管限位槽。
3.按照權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管工字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，所述外約束體由4片鋼板組裝而成截面為正分形或長(zhǎng)方形的約束鋼管，每片鋼板相對(duì)的兩端部分別向外彎折135°且與相鄰兩鋼板由螺栓連接。
4.按照權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管工字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，所述外約束鋼管的寬度大于鋼芯屈服工作段翼緣截面寬度，小于鋼芯截面變大處的截面寬度。
5.按照權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管工字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，外約束體開槽位置與鋼芯變截面區(qū)域一致，距離外約束鋼管端部的長(zhǎng)度e為鋼管長(zhǎng)度的1/12，開槽長(zhǎng)度d為外約束鋼管總長(zhǎng)度的1/6。
6.按照權(quán)利要求1的一種新型螺栓組裝方形鋼管工字形變截面鋼芯防屈曲耗能限位支撐構(gòu)件，其特征在于，外約束鋼管內(nèi)部和工字形鋼芯表面與長(zhǎng)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。
【文檔編號(hào)】E04B1/98GK103741829SQ201310749867
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)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, 汪瓅帆, 李漢杰, 李振寶 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)