CN101413298B - 轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器，由核心受力管、屈曲约束管、定位栓和端部连接件组成。核心受力管由屈服强度较低、具有优良延性的金属材料制成，通过在中部开槽来加强端部截面，确保端部截面在整个受力过程中处于弹性受力状态，位于屈曲约束内管、外管之间；屈曲约束管由内约束管、外约束管和填充板条组成，内外约束管限制核心受力管沿着径向的局部屈曲屈曲，并提供防止耗能器整体屈曲的抗弯刚度；填充板条通过与内管沿着支撑轴向相连，具有相当的抗弯刚度，可以限制核心管屈服段沿着切向的移动；定位栓用于固定三重金属圆管之间的相对位置。

Description

轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器

技术领域

本发明涉及一种新型屈曲约束支撑耗能器，属于土木工程领域，可用于新建或加固工程结构，提高其抗震能力，从而提高结构安全性。

背景技术

在正常使用或结构遭遇较小地震作用时，结构中设置的屈曲约束支撑耗能器能为结构提供有效支撑，而在中震或罕遇地震作用下，它将利用金属的屈服、滞回性能耗散地震能量，保护主体结构，地震后可以方便地予以更换。

屈曲约束支撑耗能器一般由核心受力部件、屈曲约束部件、无粘结隔离和可压缩层及端部连接部件等部分组成，基本受力原理是：在屈曲约束部件的限制下，核心受力部件在整个受力过程中始终处于接近轴向受力状态而不会发生整体或低阶的局部屈曲，在外力作用下产生拉压塑性变形从而消耗地震输入结构的能量。

屈曲约束支撑的核心受力部件又可以划分成以下三个区域：约束屈服段、约束非屈服段和无约束非屈服段。约束屈服段作为核心受力部件的最重要区域，以往最常见的截面形式为一字型、十字型截面。无约束非屈服段是屈曲约束支撑与主体结构相连的部分，通常为螺栓连接，也可采用焊接连接。为了保证耗能器在受力过程中仅在约束屈服段产生屈服效应，并保证端部连接的可靠性，需确保无约束非屈服段始终处于弹性状态，为了达到这一目的，以往的措施为加大无约束非屈服段的面积，或采取加劲肋等构造措施。约束非屈服段是连接约束屈服段和无约束屈服段的部分，由于上述两个部分的截面积不等，约束非屈服段作为两者之间的过渡部分，截面的变化应该平缓，从而避免应力集中。核心受力部件常采用延性较好的Q235B钢材或低屈服钢材制作。

屈曲约束部件作为屈曲约束支撑的重要组成部分，需要有足够的抗弯刚度，才能确保核心受力部件处于较为理想的轴向拉、压受力状态并产生拉压塑性变形，从而使得屈曲约束支撑发挥优越的耗能性能。现有的屈曲约束支撑耗能器中，屈曲约束部件一般采用钢套管内灌混凝土、砂浆的方式来为核心受力部件提供约束。由于混凝土或砂浆自重较大，给耗能器的制作、安装及性能带来不利影响。同时由于混凝土或砂浆质量的离散性，也影响了耗能器耗能性能的稳定发挥。现有屈曲约束支撑耗能器的另一个问题是通过加大端部截面来保护非屈曲段，但往往增加了制造时的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种构造合理、制造安装方便，同时具有稳定耗能能力的轻型三重金属管屈曲约束支撑耗能器。

本发明的技术方案如下：一种轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器，包括核心受力部件、屈曲约束部件、定位栓以及端部连接件组成，所述的核心受力部件为核心受力管，所述的屈曲约束部件为内约束管、外约束管和填充板条，所述的核心受力管设置在内约束管和外约束管之间，且其长度大于内约束管和外约束管的长度，在所述的核心受力管、内约束管与外约束管的一端采用定位栓固定，在所述的核心受力管的中部沿管的圆周等分地设置有至少两个长槽，所述的端部连接件设置在核心受力管的两端，所述的填充板条固定于内约束管的外表面上，该填充板条的形状与所述的长槽相适应。

由于受到内、外约束管的限制，核心受力部件在承受压力时将不会发生沿圆管径向的低阶屈曲变形，从而迫使其达到接近全截面屈服的受力状态。为了防止核心受力管产生沿圆管切向的变形，在所述的内约束管的外表面上设置填充板条，该填充板材的形状与所述的长槽相适应。这一措施特别在核心受力管受压屈服后将发挥作用，此时若不采取如上措施，由于核心金属切线模量降低、抗弯刚度急剧下降，而沿径向的屈曲受到内、外约束管的限制，核心受力管有可能产生切向变形。

为了减少核心受力管端部约束非屈服段区域的应力集中程度，在所述的核心受力管上还设置有导流孔，该导流孔位于约束屈服段有效区域的外侧。

由于内、外约束管的长度比核心受力管要短，为了在制造时便于固定三者的位置关系，在三重金属管的一端相同位置开设定位孔，并穿入定位栓。在核心受力管上，定位孔的位置位于长槽外侧的约束非屈服段，并在长槽的中心延伸线上。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器，包括核心受力管以及内外约束管，并通过在核心受力管约束屈服段内开长槽的方式来确保约束非屈服段和无约束非屈服段处于弹性受力状态，构造简单，制作方便，易于实现。

2、通过在核心受力管的长槽外即约束非屈服段上开设导流孔，减小了核心受力管端部约束非屈服段区域的应力集中程度，导流孔的设置可以使约束屈服段中的应力传递到约束非屈服段中时能够适当分流，使约束非屈服段中的应力分布更加趋于平均化，从而保证这一区域中的应力始终处于较低水平而不会进入屈服状态，保护约束非屈服段和无约束非屈服段，并使无约束非屈服段与端部连接板的连接更加可靠。

3、在内约束管上设置填充板条，填充板条通过强力结构胶粘贴或其它方式固定在内约束管的外表面上，其位置与核心受力管的长槽相对应，其宽度略小于长槽的宽度，其长度小于长槽的长度并留下核心受力管压缩变形的空间。填充板条的作用在于防止核心受力管产生沿圆管切向的变形。特别是在核心受力管受压屈服后，由于核心金属切线模量降低、抗弯刚度急剧下降，而沿径向的屈曲受到内、外约束管的限制，核心受力管有可能产生切向变形，此时填充板条可依靠内约束管的刚度为核心受力管提供支撑。

4、轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器全部由金属制成，材料离散性小，性能稳定；显著减小了屈曲约束支撑的重量，降低了施工难度；

5、轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器核心受力管的无约束段采用圆管型截面，在各个方向上均具有较大的抗弯刚度，可有效防止该区段内产生整体或局部屈曲现象；

6、本发明的定位孔，在核心受力管上的位置位于长槽外侧的约束非屈服段，并在长槽的中心延伸线上。在耗能器工作时，此处的应力很小，不会影响耗能能力的正常发挥。

7、本发明的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器除了端部连接外不采用焊接工艺，没有焊接残余应力，也不产生焊接残余变形，可进一步保证其性能的稳定。

8、由于采用圆形截面，本发明的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器具有优美的外观，不需要进行其它修饰即可满足大多数结构的外形要求，在应用到空间结构减震中具有特别的优势。

附图说明

图1为本发明提供的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器组装后的俯视图

图2为本发明提供的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器组装后的侧视图

图3为本发明提供的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器核心受力管俯视图

图4为本发明提供的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器核心受力管侧视图

图5为本发明提供的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器内约束管及填充板条俯视图

图6为本发明提供的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器内约束管及填充板条侧视图

图7为图1的A—A剖面

图8为图1的B—B剖面

图9为本发明提供的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器的中间部分分解图(不包含端部连接件)

图10为本发明提供的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器组装后的外观示意图

图11为本发明提供的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器组装过程示意图

具体实施方式

本节结合附图，对本发明的具体实施方式做详细描述

1、轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器主要由三个金属圆管组成，即由内到外分别为内约束管1、核心受力管2和外约束管3。核心受力管作为耗能器的核心受力部件，内、外约束管组成耗能器的屈曲约束部件。核心受力管采用延性较好的Q235B钢材、低屈服钢材或其它具有良好延性的金属材料制成，而内、外约束管一般采用钢管制作。三根金属圆管采用设置在一端的定位栓5固定相对位置。轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器通过机加工制作而成，相互间的尺寸精度可以得到很好的控制，同时主要材料为金属，材料性能的离散性较小，可以保证其稳定的性能；

2、轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器的核心受力管可以划分为约束屈服段L0---、约束非屈服段L1和无约束非屈服段L2，其中L0、L1区域的部分被约束在内、外约束管中，而约束屈服段L0的截面上设有长槽202，开槽的目的是为了减小约束屈服段的受力面积，使得承受轴力时该部分截面率先进入屈服阶段。本说明书附图中以核心受力管开设两个长槽的耗能器为例来说明其原理，但本发明的实际实施可能包括更多对称分布的长槽；

3、为了减小端部约束非屈服段L1区域的应力集中程度，设置应力导流孔201。应力导流孔201的位置处于每个受力板条的正中，并处于约束非屈服段内，两端各设一处。导流孔201的设置可以使约束屈服段L0中的应力传递到约束非屈服段L1中时能够适当分流，使L1中的应力分布更加趋于平均化，从而保证这一区域中的应力始终处于较低水平而不会进入屈服状态，保护约束非屈服段L1和无约束非屈服段L2，并使L2与端部连接板的连接更加可靠；

4、填充板条6通过强力结构胶粘贴或其它方式固定在内约束管1的外表面上，其位置与核心受力管2的长槽202相对应，其宽度略小于202的宽度。填充板条的作用在于防止核心受力管产生沿圆管切向的变形。特别是在核心受力管受压屈服后，由于核心金属切线模量降低、抗弯刚度急剧下降，而沿径向的屈曲受到内、外约束管的限制，核心受力管有可能产生切向变形，此时填充板条可依靠内约束管的刚度为核心受力管提供支撑；

5、在核心受力管2与内约束管1、外约束管3一端的相同位置开设有定位孔501，在制作完成后穿入定位栓5来保证三重金属圆管的相对位置。定位孔501的位置应相对于核心受力管的长槽顶部，并处于约束非屈服段L1范围内；

6、端部连接件4设置在核心受力管2的两端，可采用对接焊缝或角焊缝进行连接。

7、核心受力管2与内约束管1、外约束管3之间的间隙以及长槽202、填充板条6侧表面之间的间隙在制造许可的条件下尽可能地小，可保证核心受力管在受压时仅发生高阶屈曲，从而发挥稳定的耗能能力。这些间隙的存在同时也提供核心受力管在受压时由于泊松效应引起的侧向膨胀空间。上述间隙表面也可采用低摩擦镀层或无粘结涂层来进一步减小接触时产生的摩擦力，防止长期使用过程中的腐蚀。

本发明的制作工序：

1)、按照设计参数对核心受力管2中部开设长槽202，并在约束非屈服段的受力板条两端正中位置开设应力导流孔201，在一端的长槽中心线延伸线位置开设定位孔501；

2)、在内约束管1的相应位置开设定位孔501，并将内约束管1穿入核心受力管2，确定相对位置后临时固定；

3)、制作形状、大小合适的填充板条6，分别确定相对位置后采用强力结构胶粘贴或其它方式固定于内约束管1的表面；

4)、在外约束管3的相应位置开设定位孔501，并将已经组装好的部件穿入，确定相对位置后采用定位栓5固定；

5)、将两端的连接部件4采用焊接的方式与核心受力管两端进行连接；

6)、上述部件的表面可在组装前采用低摩擦镀层或无粘结涂层来减小受力时的接触摩擦。

Claims (3)

1.一种轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器，包括核心受力部件、屈曲约束部件、定位栓(5)以及端部连接件(4)组成，其特征在于：所述的核心受力部件为核心受力管(2)，所述的屈曲约束部件为内约束管(1)、外约束管(3)和填充板条(6)，所述的核心受力管(2)设置在内约束管(1)和外约束管(3)之间，且其长度大于内约束管(1)和外约束管(3)的长度，在所述的核心受力管(2)、内约束管(1)与外约束管(3)的一端采用定位栓(5)固定，在所述的核心受力管(2)的中部沿管的圆周等分地设置有至少两个长槽(202)，所述的端部连接件(4)设置在核心受力管(2)的两端，所述的填充板条(6)固定于内约束管(1)的外表面上，该填充板条(6)的形状与所述的长槽(202)相适应；在所述的核心受力管(2)上还设置有导流孔(201)，该导流孔(201)位于长槽(202)的外侧，并处于约束非屈服段内，两端各设一处。

2.根据权利要求1所述的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器，其特征在于：通过在核心受力管(2)、内约束管(1)和外约束管(3)一端的同一位置设置定位孔(501)，并穿入定位栓(5)来确定三重金属管之间的安装位置，在核心受力管(2)上，定位孔位于长槽(202)的外侧的约束非屈服段，并在长槽的中心延伸线上。

3.根据权利要求1所述的轻型三重金属圆管屈曲约束支撑耗能器，其特征在于：所述的核心受力管(2)由金属制成，所述的内约束管(1)由金属制成，所述的外约束管(3)由金属制成，所述的填充板条(6)由金属制成。

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