本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，涉及一種用于減小工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的耗能桿。

背景技術(shù)：

城市及其建筑物遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)不僅會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，還會(huì)產(chǎn)生火災(zāi)等次生災(zāi)害，并由此引發(fā)一系列連鎖災(zāi)害反應(yīng)。據(jù)此研究者提出的消能減震的概念，旨在通過(guò)在結(jié)構(gòu)中安裝耗能裝置，通過(guò)其吸收與耗散能量，有效地減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)主體部位的嚴(yán)重破壞。軟鋼阻尼器是一種性能優(yōu)越的消能減震構(gòu)件，在日本和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已取得快速的推廣應(yīng)用，而我國(guó)對(duì)于軟鋼阻尼器的研究與應(yīng)用尚處于起步階段，仍存在許多問(wèn)題需要進(jìn)一步解決。耗能桿作為一種新型的軟鋼阻尼器，在小震作用下要求保持彈性，與結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，提供足夠的整體側(cè)向剛度，而在設(shè)防烈度或者罕遇地震作用下，耗能桿的核心部件進(jìn)入屈服，且外約束部件對(duì)核心的變形進(jìn)行有效地約束，抑制耗能桿的局部或整體失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)耗能桿的拉壓屈服耗能。因此，耗能桿既可以作為結(jié)構(gòu)的普通支撐，又同時(shí)兼有耗能裝置的作用，最終使得主體結(jié)構(gòu)在地震作用下不至發(fā)生破壞或僅有較輕程度的破壞，是一種理想的消能減震裝置。

傳統(tǒng)屈曲約束支撐的外約束部件通常由鋼與混凝土組合而成，造價(jià)相對(duì)較低，但是仍存在一定的問(wèn)題：(1)澆注混凝土的質(zhì)量，如密實(shí)度，受工藝的影響較大，混凝土凝固會(huì)延長(zhǎng)了制作時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率；(2)由于混凝土局部不密實(shí)可能導(dǎo)致局部被核心部件壓碎，從而引起核心部件局部屈曲，降低耗能桿性能；(3)為了保證核心受力部件能夠自由拉壓，常在核心受力部件包裹無(wú)粘結(jié)材料，使得混凝土與核心受力部件表面脫開(kāi)，同時(shí)給核心受力部件受壓膨脹提供一定的空間，但是在澆筑和振搗混凝土的過(guò)程中，很難保證無(wú)粘結(jié)材料按照設(shè)計(jì)要求包裹核心受力部件，從而影響屈曲約束支撐的性能。

進(jìn)一步，采用全鋼約束截面的竹形屈曲約束支撐，如專(zhuān)利申請(qǐng)文件(申請(qǐng)?zhí)枺?01610121121.0)，其核心部件為多個(gè)圓形消能段和圓形彈性段沿縱向同軸線相間設(shè)置構(gòu)成，圓形彈性段的設(shè)置導(dǎo)致核心部件有效的屈服消能段長(zhǎng)度的減少。在軸向位移作用下，核心部件消能段的塑性應(yīng)變?cè)龃螅瑥亩档土酥裥吻s束支撐的低周疲勞性能。此外，專(zhuān)利申請(qǐng)文件(申請(qǐng)?zhí)枺?01610645166.8)提出的一種縱向削弱圓棒式屈曲約束耗能裝置，其要求約束套筒套在所述耗能芯材的耗能段位置，實(shí)際上當(dāng)耗能裝置受拉伸長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分耗能段伸出約束套管之外，反向壓縮時(shí)伸出約束套管之外的耗能段會(huì)發(fā)生局部屈曲。進(jìn)一步，此專(zhuān)利申請(qǐng)文件中并沒(méi)有給出限定外套筒與耗能芯材之間的措施，而本專(zhuān)利申請(qǐng)人在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在耗能段中無(wú)限位段會(huì)導(dǎo)致外約束部件沿著核心部件滑動(dòng)，引起耗能段在荷載作用局部變形過(guò)大，滯回曲線出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱(chēng)，嚴(yán)重影響了耗能裝置的滯回性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決鋼與混凝土組合約束部件的屈曲約束支撐中混凝土密實(shí)和無(wú)粘結(jié)材料設(shè)置困難及對(duì)性能的影響、竹形屈曲約束支撐的核心部件因圓形彈性段的設(shè)置導(dǎo)致核心部件有效的屈服消能段長(zhǎng)度減少以及無(wú)限位段的縱向削弱圓棒式耗能桿存在耗能段受壓提前屈曲等問(wèn)題，提出了一種新型帶有限位段的圓棒耗能桿。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種圓棒耗能桿，包括核心部件、外約束部件和定位栓；

所述核心部件由兩個(gè)消能段、中間限位段和兩端連接段沿縱向同軸線連接構(gòu)成，中間限位段位于兩個(gè)消能段的中間，兩個(gè)兩端連接段位于消能段和中間限位段形成整體的外側(cè)與結(jié)構(gòu)相連。中間限位段和兩端連接段都為圓棒，中間限位段的中間沿直徑方向開(kāi)孔一，消能段由圓棒沿長(zhǎng)度方向切削制作使得消能段的截面為兩平行對(duì)邊，另外兩短邊為原弧線，形成的新截面面積使得核心部件在軸向拉壓力作用下消能段進(jìn)入屈服，而中間限位段和兩端連接段始終保持彈性；

所述外約束部件為圓形管，核心部件位于外約束部件內(nèi)部，外約束部件的長(zhǎng)度滿(mǎn)足兩端連接段的一端伸入外約束部件內(nèi)部的長(zhǎng)度大于兩端連接段的直徑或大于消能段最大變形需求的1.5倍，且中間限位段和兩端連接段的直徑略小于外約束部件的內(nèi)徑，使得兩者之間存在微間隙，微間隙略大于中間限位段在最大軸向壓力作用下的徑向變形值。其中，通過(guò)限定外約束部件的長(zhǎng)度使得耗能桿受拉伸長(zhǎng)時(shí)，耗能段始終位于外約束部件內(nèi)部，反向壓縮時(shí)耗能段不會(huì)發(fā)生局部屈曲。

所述外約束部件的中間沿直徑方向開(kāi)孔二，孔二的直徑略大于中間限位段上的開(kāi)孔一，且使得定位栓能夠從孔二和孔一中穿過(guò)。

核心部件的消能段由圓棒沿長(zhǎng)度方向切削制作而成，消能段的截面為兩平行對(duì)邊與兩圓弧短邊，圓弧短邊與外約束部件之間僅存在微間隙。此類(lèi)局部切削方法使得核心部件的大部分都為消能段，有效提高了核心部件消能的材料利用率，降低了消能段的表面應(yīng)變。

進(jìn)一步，消能段的局部削弱方法，使得消能段受壓時(shí)的彎曲變形為垂直于削弱面，很大程度避免了消能段的扭轉(zhuǎn)變形，此外，消能段圓弧短邊、中間限位段以及兩端連接段與外約束管部件之間，僅存在微間隙，核心部件的變形也得到有效約束。由此核心部件的側(cè)向變形以及整體扭轉(zhuǎn)變形都得到很好的控制，又進(jìn)一步降低了核心部件的表面應(yīng)變，提高了耗能桿的低周疲勞性能。

作為優(yōu)選，所述核心部件為鋼材制作時(shí)，中間限位段和端部連接段的橫截面面積至少為消能段的1.6倍以上。

當(dāng)核心部件為鋼材制作時(shí)，圓棒耗能桿的核心部件在屈服后會(huì)伴有超強(qiáng)現(xiàn)象，即承載力進(jìn)一步提高，這種現(xiàn)象的主要原因歸為：(1)鋼材的應(yīng)變硬化，根據(jù)本申請(qǐng)發(fā)明人對(duì)前期進(jìn)行的多種鋼材(Q235、Q345、Q390)循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，結(jié)合已有文獻(xiàn)成果，確定鋼材的應(yīng)變硬化系數(shù)約為1.42；(2)受壓承載力調(diào)整，圓棒耗能桿的核心部件與外約束部件之間存在不可避免的摩擦以及泊松效應(yīng)，根據(jù)本申請(qǐng)發(fā)明人大量試驗(yàn)結(jié)果，受壓承載力調(diào)整的最大值可取為1.13。由此可得，圓棒耗能桿超強(qiáng)系數(shù)w可取為1.6(即1.42×1.13的值)。因此，本發(fā)明規(guī)定所述核心部件中間限位段和端部連接段的橫截面面積至少為消能段的1.6倍，可保證中間限位段和端部連接段的屈服承載力大于圓棒耗能桿最大承載力，中間限位段和端部連接段在荷載作用下可始終保持彈性。

作為優(yōu)選，所述中間限位段的長(zhǎng)度至少大于其半徑。

中間限位段與外約束部件的中間皆沿著直徑方向開(kāi)孔，使得定位栓能夠從外約束部件的孔和中間限位段的孔中穿過(guò)。開(kāi)孔的半徑大小一般取為1.5mm，在開(kāi)孔處會(huì)引起較大的應(yīng)力集中，根據(jù)申請(qǐng)人前期的試驗(yàn)結(jié)果，中間限位段長(zhǎng)度大于半徑時(shí)，可以保證定位栓的有效工作，不出現(xiàn)中間限位段的提前破壞。此外，申請(qǐng)人完成的試驗(yàn)表明，限位段對(duì)于圓棒耗能桿的滯回性能具有顯著影響，若無(wú)限位段圓棒耗能桿的滯回曲線明顯非對(duì)稱(chēng)，并且出現(xiàn)耗能段的提前屈曲現(xiàn)象，有無(wú)限位段的耗能桿的滯回曲線如圖17-18所示。

作為優(yōu)選，所述兩個(gè)兩端連接段位于消能段和中間限位段形成整體的外側(cè)與結(jié)構(gòu)相連。

考慮到與結(jié)構(gòu)的相連，兩端連接段沿圓周方向可開(kāi)螺牙形成連接螺桿，螺桿的凈截面面積至少為消能段的1.5倍以上。

作為優(yōu)選，所述核心部件的兩個(gè)消能段沿圓周方向可錯(cuò)位90度進(jìn)行削弱制作，使得兩個(gè)消能段的平行對(duì)邊互相垂直。

相互垂直的消能段，被削弱方向也互相垂直，因而消能段的側(cè)向變形也互相垂直，使得核心部件的扭轉(zhuǎn)變形最大程度的被抑制。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.圓棒耗能桿核心部件的消能段由圓棒沿長(zhǎng)度方向切削制作而成，消能段的截面為兩平行對(duì)邊與圓弧短邊，圓弧短邊與外約束部件之間僅存在微間隙。此類(lèi)局部切削方法使得核心部件的大部分都為消能段，與竹形屈曲約束支撐(申請(qǐng)?zhí)枺?01610121121.0)相比，有效提高了核心部件消能的材料利用率，降低了消能段的表面應(yīng)變。

2.圓棒耗能桿消能段的局部削弱方法，使得消能段側(cè)向變形為朝削弱部分變形，很大程度避免了消能段的扭轉(zhuǎn)變形，此外，消能段圓弧短邊、中間限位段以及兩端連接段與外約束管部件之間，僅存在微間隙，核心部件的變形得到有效約束。由此核心部件的側(cè)向變形以及整體扭轉(zhuǎn)變形都得到很好的約束，降低了核心部件的表面應(yīng)變，提高了屈曲約束支撐的低周疲勞性能。

3.圓棒耗能桿核心部件由兩個(gè)消能段、中間限位段和兩端連接段沿縱向同軸線連接構(gòu)成，在軸力作用下消能段的彎曲變形又受到外約束部件圓弧面的抑制，所以消能段發(fā)生屈服的同時(shí)避免了過(guò)大的屈曲變形，因此外約束部件與圓形消能段之間無(wú)需填充砂漿或者增加多余部件對(duì)其進(jìn)行約束，使得耗能桿的構(gòu)造簡(jiǎn)單且加工方便。

4.圓棒耗能桿核心部件的消能段截面面積相對(duì)于中間限位段和兩端連接段較小，從而屈服力較小，對(duì)外約束部件的剛度要求較低，因此外約束部件可為簡(jiǎn)單圓形套管，使得圓棒耗能桿構(gòu)造簡(jiǎn)單且自重較輕，方便安裝。

5.圓棒耗能桿核心部件的中間限位段和兩端連接段的橫截面面積至少為消能段的1.6倍，使得中間限位段和兩端連接段始終保持彈性，雖然有部分區(qū)域處于無(wú)約束狀態(tài)，但不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)，對(duì)比傳統(tǒng)屈曲約束支撐需在核心部件無(wú)約束區(qū)域設(shè)置加勁肋來(lái)保證其穩(wěn)定性而言，構(gòu)造更為簡(jiǎn)單。

6.圓棒耗能桿核心部件的中間限位段的長(zhǎng)度至少大于其半徑，從而在保證限位段不發(fā)生由應(yīng)力集中引起的破壞的前提下，對(duì)屈曲約束支撐的性能有明顯的改善，避免出現(xiàn)大受壓調(diào)整系數(shù)、耗能段提前屈曲以及滯回曲線不對(duì)稱(chēng)等現(xiàn)象，同時(shí)提供了一種簡(jiǎn)便的限位措施，方便屈曲約束支撐的設(shè)計(jì)與制作。

7.核心部件的兩個(gè)消能段沿圓周方向可錯(cuò)位90度進(jìn)行削弱制作，使得兩個(gè)消能段的平行對(duì)邊互相垂直，從核心部件的幾何構(gòu)造上進(jìn)一步抑制了整體扭轉(zhuǎn)變形的可能。

8.詳細(xì)給出了外約束部件的長(zhǎng)度的具體要求：滿(mǎn)足兩端連接段的一端伸入外約束部件內(nèi)部的長(zhǎng)度大于兩端連接段的直徑或大于消能段最大變形需求的1.5倍，確保耗能桿受拉伸長(zhǎng)時(shí)，耗能段始終位于外約束部件內(nèi)部，反向壓縮時(shí)耗能段不會(huì)發(fā)生局部屈曲。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的圓棒耗能桿平視圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的圓棒耗能桿A-A剖面圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的圓棒耗能桿B-B剖面圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的圓棒耗能桿核心部件平視圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的圓棒耗能桿核心部件C-C剖面圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例1的圓棒耗能桿核心部件D-D剖面圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例1的圓棒耗能桿核心部件E-E剖面圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的圓棒耗能桿平視圖；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例2的圓棒耗能桿F-F剖面圖；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例2的圓棒耗能桿G-G剖面圖；

圖11是本發(fā)明實(shí)施例2的圓棒耗能桿H-H剖面圖；

圖12是本發(fā)明實(shí)施例2的圓棒耗能桿核心部件平視圖；

圖13是本發(fā)明實(shí)施例2的圓棒耗能桿核心部件I-I剖面圖；

圖14是本發(fā)明實(shí)施例2的圓棒耗能桿核心部件J-J剖面圖；

圖15是本發(fā)明實(shí)施例2的圓棒耗能桿核心部件K-K剖面圖；

圖16是本發(fā)明實(shí)施例2的圓棒耗能桿核心部件L-L剖面圖。

圖17是有限位段圓棒耗能桿的試驗(yàn)滯回曲線。

圖18是無(wú)限位段圓棒耗能桿的試驗(yàn)滯回曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1～7所示：一種圓棒耗能桿，包括核心部件1、外約束部件2和定位栓3；

所述核心部件1由兩個(gè)消能段1-1、中間限位段1-2和兩端連接段1-3沿縱向同軸線連接構(gòu)成，中間限位段1-2位于兩個(gè)消能段1-1的中間，兩個(gè)兩端連接段1-3位于消能段1-1和中間限位段1-2形成整體的外側(cè)與結(jié)構(gòu)相連；所述中間限位段1-2和兩端連接段1-3都為圓棒，中間限位段1-2的中間沿直徑方向開(kāi)孔一1-2-1，所述消能段1-1由圓棒沿長(zhǎng)度方向切削制作使得消能段的截面為兩平行對(duì)邊1-1-1，另外兩短邊為原弧線1-1-2；

所述外約束部件2為圓形管，核心部件1位于外約束部件2內(nèi)部，外約束部件2的長(zhǎng)度滿(mǎn)足兩端連接段1-3的一端伸入外約束部件2的內(nèi)部長(zhǎng)度大于兩端連接段1-3的直徑或大于消能段1-1最大變形需求的1.5倍，且中間限位段1-2和兩端連接段1-3的直徑略小于外約束部件2的內(nèi)徑，使得兩者之間存在微間隙；

所述外約束部件2的中間沿直徑方向開(kāi)孔二2-1，孔二2-1的直徑略大于中間限位段1-2上的開(kāi)孔一1-2-1，且使得定位栓3能夠從孔二2-1和孔一1-2-1中穿過(guò)。

核心部件1為鋼材制作時(shí)，中間限位段1-2和端部連接段1-3的橫截面面積至少為消能段1-1的1.6倍以上。中間限位段1-2的長(zhǎng)度至少大于其半徑。兩端連接段1-3沿圓周方向可開(kāi)螺牙形成連接螺桿，螺桿的凈截面面積至少為消能段1-1的1.5倍以上。

實(shí)施例2

如圖8～16所示：本實(shí)施例與實(shí)施例1其余部分相同，不同之處在于所述核心部件1的兩個(gè)消能段1-1沿圓周方向可錯(cuò)位90度進(jìn)行削弱制作，使得兩個(gè)消能段1-1的平行對(duì)邊1-1-1互相垂直。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。