CN101476354A - 调频质量防屈曲支撑 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调频质量防屈曲支撑，包括调频质量减振部分和防屈曲消能减震部分，防屈曲消能减震部分由连接于结构重要节点之间的钢芯、外包于钢芯工作段的外套钢管、内填混凝土以及钢芯表面粘贴的柔性材料组成；调频质量减振部分由质量块、回弹元件及阻尼材料构成，所述质量块用外套钢管和内填混凝土构成，回弹元件由钢板弹簧制成，回弹元件固定于节点板连接件和外套钢管之间或固定于支座连接件和外套钢管之间，所述的阻尼材料与防屈曲消能减震部分的钢芯和内填混凝土之间的柔性材料是共用的。本发明融合了TMD减振技术和防屈曲支撑消能减震技术，具有制作容易、安装方便、经济耐用、免维护、可更换的特点，同时具有水平向和竖向减振功能。

Description

调频质量防屈曲支撑

技术领域：

本发明涉及一种调频质量防屈曲支撑，属于土木工程结构消能减震(振)技术领域。

背景技术：

众所周知，集中设置的TMD减振系统需要较大型的调频质量、支撑设施和阻尼设施。一些分散设置的TMD减振方案难以同时具有消减水平向和竖向的振动功能，也较难处理减微振和减强震的关系。

现有技术中，防屈曲支撑可增加结构刚度减小侧移、提高结构抗震能力、改善抗震性能。如图1所示，防屈曲支撑的钢芯安装在框架结构的节点之间，在风荷载和多遇地震条件下处于弹性工作状态，为结构提供侧移刚度可减小侧移；在罕遇地震下钢芯不会屈曲失稳，可进入拉(压)屈服状态以消耗地震能量。由于这种构件在反复荷载作用下的力—变形滞回曲线(如图2所示)规则饱满、耗能效率高，且制作及安装简便、免维护、可更换，近年来在日本、美国和台湾地区等得到了广泛应用，在中国大陆也有少量高层建筑使用了这一技术。

但是，上述普遍使用的防屈曲支撑在减小结构侧移、吸收强震能量保护主体结构的同时，也为结构增加了刚度并附带了一定的重量。这一方面需要主体结构承受由此产生的重力和地震惯性力，另一方面，由于钢芯在屈服前呈弹性工作状态，在正常使用条件下无法消减风荷载、室内设备、室外环境等引起的结构振动，也无法消减由于多遇烈度地震产生的惯性力及结构震动。对于使用要求(如小侧移、微振动等)较高、振源较强但有减振需求，或在中等程度(例如设防烈度)地震下需要确保建筑功能性，同时，在罕遇烈度下需要保证优异的抗震性能的情况下，单一使用防屈曲支撑技术就难以做到两者兼顾了。

发明内容：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有在多遇烈度地震及正常使用条件下调频减震(振)、在罕遇烈度地震下屈服耗能双重功能的带有调频质量的防屈曲支撑，即调频质量防屈曲支撑，具有制作容易、安装方便、经济耐用、免维护、可更换的特点。

本发明的调频质量防屈曲支撑，包括调频质量减振部分和防屈曲消能减震部分，其特征在于：所述防屈曲消能减震部分由连接于结构重要节点之间的钢芯、外包于钢芯工作段的外套钢管、内填混凝土以及钢芯表面粘贴的柔性材料组成；所述调频质量减振部分由质量块、回弹元件及阻尼材料构成，所述质量块用外套钢管和内填混凝土构成，与防屈曲消能减震部分的外套钢管和内填混凝土是共用的，所述回弹元件由钢板弹簧制成，回弹元件固定于节点板和外套钢管之间或固定于支座连接件和外套钢管之间，所述的阻尼材料与防屈曲消能减震部分的钢芯和内填混凝土之间的柔性材料是共用的；所述防屈曲支撑兼具防屈曲支撑的滞回屈服消能减震特性和调频质量阻尼器减振特性。

所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述的回弹元件安装在防屈曲支撑的上方或下方，或视设计需要在上、下方均安装。

所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述的回弹元件用钢板弹簧或螺旋弹簧制成，材料使用高强度弹簧钢材。

所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述钢板弹簧分主体部分和连接部分，主体部分设计成S形或折角形，连接部分的截面刚度大于主体部分的截面刚度。

所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述螺旋弹簧为圆形或正多边形，螺旋弹簧与外套钢管或支座采用螺栓固定。

所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述的钢芯表面不设限位卡。

其中，回弹元件的一端用螺栓连接方式与节点连接件连接，另一端用螺栓连接方式与外套钢管和内填混凝土连接。回弹元件的参数(如图8所示)根据设计要求确定。阻尼材料粘贴在钢芯表面，采用聚四氟乙烯及硅胶。防屈曲消能减震部分的钢芯可用Q235或Q345热轧钢板、热轧角钢制作。可采用机械切削法或端部加强法形成消能工作段。钢芯与节点板的连接可采用双螺栓锚接(如图4所示)或焊-锚连接方式(如图5所示)等。

本发明的技术原理如下：

第一，在正常使用阶段(包括多遇烈度地震下)采用分散TMD(调频质量阻尼器)减振方案减小结构振动，可在较宽的振动频带内减振，提高建筑物的功能性。分散TMD振动系统的自振频率可通过回弹元件的参数进行调整，以符合主体结构减振设计要求。

第二，在罕遇烈度(或设防烈度，按设计要求选定)地震下，防屈曲支撑的钢芯将进入屈服耗能阶段，保护主体结构，使主体结构保持在弹性状态或只有少量梁构件进入塑性状态(按设计要求选定)。防屈曲支撑钢芯的屈服力、弹性刚度和极限变形能力可通过钢材种类、钢芯截面积、工作段长度及产品试验参数的选取进行调整。

第三，将两种功能集中于一套设施，功能并不互相削弱。作为质量块的外套钢管及内填混凝土在钢芯上移动，不影响防止钢芯屈曲的功能。这是因为在正常使用条件下移动位移量是由回弹元件的刚度来限制的，设计时可保证振动位移幅值不超出钢芯预设范围。当外界出现振动干扰时，质量块可在重力平衡位置附近进行振动，起到减振效果。而在罕遇烈度(或设防烈度)地震下，钢芯屈服成为耗能减震的主体。此时，钢芯因受压屈服引起的截面横向膨胀将锁定质量块在钢芯表面的滑动，仅靠钢芯材料屈服消能减震，外套钢管和内填混凝土可防止钢芯发生受压屈曲；而当钢芯受拉屈服时，不需要外套钢管和内填混凝土的防屈曲功能，TMD运动与否并不影响钢芯的受拉屈服耗能。

利用本发明在设计分散式TMD减振参数时，图7、图8所示的钢板弹簧回弹元件沿钢芯纵轴方向的轴向刚度K_N按式(1)计算：

$K_N=f\left(\mathrm{\α}\right)\·\frac{\mathrm{EI}}{H^3}---\left(1\right)$

其中，E为回弹元件材料的弹性模量，α为回弹元件的尺寸参数α＝H₁/H，I为回弹元件截面的惯性矩I＝bt³/12，H、H₁、t、b为回弹元件的各部分尺寸参数(如图7所示)，f(α)为与回弹元件形状和参数α有关的函数。调整回弹元件的上述参数，可得到多种系列轴向刚度值。

分散式TMD减振系统的自振周期T按式(2)计算：

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{M}{K_N}}---\left(2\right)$

其中，M为质量块的质量，K_N为回弹元件沿钢芯纵轴方向的轴向刚度，按式(1)计算。

与现有TMD减振技术和防屈曲支撑消能减震技术相比，本发明的优点和有益效果为：

一是本发明融合了TMD减振技术和防屈曲支撑消能减震两项技术。采用分散TMD减振方案可在较宽的振动频带内消减建筑物因机械振动、风荷载振动和多遇烈度地震而产生的不适，提高建筑物功能性。防屈曲支撑的钢芯可在罕遇烈度(或设防烈度)地震下屈服耗能保护主体结构。

二是分散TMD减振方案不需要集中式TMD系统所需的大型支撑设施、阻尼设施及质量块运动调控设施，而是利用现有防屈曲支撑的元件，如用外套钢管及内填混凝土作为质量块，用钢芯作为质量块的移动滑轨，钢芯外包裹的阻尼材料可提供一定的阻尼等。

三是保留了现有防屈曲支撑的全部功能，即向主体结构提供弹性刚度、在罕遇烈度(或设防烈度，按设计要求确定)地震下钢芯屈服耗能。具备现有防屈曲支撑的全部优点，即力-变形滞回曲线饱满、耗能稳定、抗低周疲劳性能好、适用范围广(可在钢结构、劲性钢筋混凝土结构、混凝土结构中使用，新建和既有结构加固均可)、设计制作与安装方便、免维护、可更换。同其它传统结构技术相比，可较大幅度地降低结构工程造价并提高抗震性能。

四是钢芯不需要设置限位卡(如图3所示)，不仅比现有防屈曲支撑制作简单，而且还增加了钢芯的韧性及延性。全套设施设计、制作、安装简单易行，只需在现有防屈曲支撑的套管端部和节点连接件之间加设回弹元件，并合理选用阻尼材料，使质量块在正常使用状态下保持可滑动性。

五是本发明的调频质量防屈曲支撑同时具有水平向和竖向减振功能。

附图说明：

图1是现有防屈曲支撑在框架结构中的安装使用情况示意图。

图2是现有的某防屈曲支撑的力—变形滞回曲线。

图3是现有防屈曲支撑经常使用的某种限位卡构造，这种限位卡在本发明中无需设置。

图4是本发明调频质量防屈曲支撑一种实施例的节点连接构造图。

图5是本发明的另一种实施例的节点连接构造图。

图6是图4中的剖面图。

图7是图4中回弹元件的3D视图。

图8(A)是图7回弹元件的主视图，图8(B)是俯视图。

图9是两个结构模型在Tianjin-UD波多遇烈度下顶点竖向位移的比较。

图10是两个结构在首层同一位置设置的防屈曲支撑在罕遇烈度下力-变形滞回曲线的比较。

其中，1—节点板；2、3—节点连接件；4—回弹元件；5—锚固螺拴；6—钢芯；7—外套钢管；8—阻尼材料；9—内填混凝土；10—框架梁；11—框架柱；12—加劲肋；13—限位卡；14—纵向对称轴。

具体实施方式：

实施例1：螺栓连接调频质量防屈曲支撑的制作

主要元件的制备：根据结构设计对屈服承载力和弹性刚度的要求首先选用钢芯6的材料、截面和工作段长度，对钢芯6的工作段、过渡段和连接端按设计进行机械加工。按钢芯6工作段长度确定外套钢管7，其厚度根据施工要求确定，在外套钢管7端部钻孔。根据钢芯6工作段长度，选用硅胶和聚四氟乙烯材料作为阻尼材料8，涂刷、粘贴至钢芯6表面。根据结构设计对分散式TMD自振频率的要求，按式(1)及式(2)设计回弹元件4，选购或加工制作回弹元件4。按设计确定主体结构节点板1尺寸，加工制作节点板1及节点连接件2、3。

装配安装：在外套钢管7端部钻孔内安装锚固螺栓5。将钢芯6穿入外套钢管7并作临时固定。采用立式法浇筑C30内填混凝土9，内填混凝土9为碎石混凝土，养护至设计强度。在主体结构上、下节点附近焊接安装节点板1。将调频质量防屈曲支撑吊装就位作临时固定，用扭力扳手将固定节点连接件2、3的螺栓旋紧，同时装配回弹元件4。拆除调频质量防屈曲支撑外套钢管7和钢芯6之间的临时固定，拆除调频质量防屈曲支撑与框架节点间的临时固定。装配完毕。

质量要求：钢芯6表面机械加工须按设计要求控制表面光洁度，保证工作段与过渡段、过渡段与连接段均匀变化，保证钢芯6表面平直度及截面扭曲度误差应分别控制在1/1000/m和0.5°/m以内。浇筑内填混凝土9时须保证钢芯6和外套钢管7之间临时固定的可靠性，防止钢芯发生移位或扭动，此临时固定需保持至构件安装就位以后方可拆除。节点板1焊接需采取减小温度应力的措施。

实施例2：焊-锚连接调频质量防屈曲支撑的制作

主要元件的制备：同实施例1。

装配安装：在外套钢管7端部钻孔内安装锚固螺栓5。将钢芯6穿入外套钢管7并作临时固定。采用立式法浇筑C30碎石混凝土，养护至设计强度。在主体结构下节点附近焊接安装节点板1。将调频质量防屈曲支撑吊装就位作临时固定，用扭力扳手将固定节点连接件2、3的螺栓旋紧，同时装配回弹元件4。将主体结构上节点板与调频质量防屈曲支撑连接，就位后将上节点板1焊接至上部的框架节点。拆除调频质量防屈曲支撑外套钢管7和钢芯6之间的临时固定，拆除调频质量防屈曲支撑与节点间的临时固定。装配完毕。

质量要求：上节点板1需现场焊接安装，应按受拉钢结构构件的焊接要求进行。其他质量要求同实施例1。

实施例3：减小微震设计算例及效果比较

本发明设计了两个4层双跨(平面)框架结构算例。2个结构算例中的结构构件相同，减震(振)方案有所不同，见表1。其中，S4B2-0模型采用普通防屈曲支撑，旨在罕遇烈度下达到消能减震的目的；S4B2-2模型采用本发明微振强震调频质量防屈曲支撑，旨在小震(或微振)下减小结构振动，在强震下消能减震。该例主要用于比较在难以控制的多遇地震作用下，本发明对减小机械震动有一定效果，而罕遇烈度下消能减震效果不变。

两个结构的具体设计参数见表1，主体结构构件采用Q235热轧工字型截面钢材。两个框架结构所受竖向荷载相同，均布恒荷载18kN/m，均布活荷载15kN/m。梁构件考虑楼板的加强作用，将截面刚度增大系数取1.5。结构构件截面尺寸经非抗震组合强度验算合格后进行抗震计算。选取E1-Centro波(NS向)、迁安波(EW)、天津南北波和竖向地震波分别进行线性、非线性时程分析。抗震设防烈度8度，其中，多遇烈度下水平加速度峰值为700mm/s²，竖向加速度峰值为455mm/s²，罕遇烈度下水平加速度峰值为4000mm/s²，竖向加速度峰值为2600mm/s²。

表1 两个结构模型参数

 

模型编号	层数	跨数	层高(m)	跨度(m)	梁截面	柱截面	支撑形式	减微振方案	减强震方案	钢管尺寸(mm)
											S4B2-0	4	2	3.6	6.0	I:450×150×8	I:525×165×9	人字形	无	BRB	2502
S4B2-2	4	2	3.6	6.0	I：450×150×	I：525×165	人字	两种	BRB	2502

 

8

×9

形

S4B2-2模型的TMD减微震采用了两种谐振频率方案，即第1-2层TMD谐振频率为2.12Hz，第3-4层TMD谐振频率为6.66Hz，分别对应于主体结构第1、2阶自振频率，设计参数如表2所示，其中两种TMD的弹簧轴向刚度K_Ni按式(1)计算，移动质量M_i为防屈曲支撑的外套钢管7及内填混凝土9的质量。两个结构模型的防屈曲支撑的钢芯截面面积、轴向刚度和屈服承载力等参数相同，在罕遇烈度下可进行消能减震。

表2 两个结构模型的防屈曲支撑设计参数

^*注：用Bauc-Wen模型计算恢复力曲线时采用的指数。

表3 两个结构模型的顶点加速度峰值计算结果比较

表3分别列出了两种结构在多遇烈度和罕遇烈度下结构顶点加速度的比较。可以看出，模型S4B2-2在多遇烈度下具有明显的减震效果，在罕遇烈度下两种模型效果基本一致。值得注意的是S4B2-2模型在多遇烈度下竖向减震效果比较明显。

表4分别列出了两种结构在多遇烈度和罕遇烈度下结构顶点位移的比较。所得结果与上述顶点加速度的比较结论一致。图9为两个模型在多遇烈度下顶点竖向位移的比较。

表4 两个结构模型的顶点位移峰值计算结果比较

两个结构模型内设置的防屈曲支撑在多遇烈度下保持弹性状态，在罕遇烈度下进入塑性消能阶段。图10比较了两个模型内在首层同一位置上的防屈曲支撑在罕遇地震下力-变形滞回曲线。说明了在罕遇烈度下两种防屈曲支撑所达到的消能减震效果基本一致。

结论：分析结果表明，本发明的调频质量防屈曲支撑可改善传统框架结构或安装有普通防屈曲支撑的框架结构因机械振动、风荷载振动和多遇烈度地震而产生的不适，提高建筑物功能性。可同时削减建筑物水平方向和竖向的振动以及在罕遇烈度地震下依靠钢芯6的屈服耗能来保护主体结构。

Claims (6)

1.一种调频质量防屈曲支撑，包括调频质量减振部分和防屈曲消能减震部分，其特征在于：所述防屈曲消能减震部分由连接于结构重要节点之间的钢芯、外包于钢芯工作段的外套钢管、内填混凝土以及钢芯表面粘贴的柔性材料组成；所述调频质量减振部分由质量块、回弹元件及阻尼材料构成，所述质量块用外套钢管和内填混凝土构成，与防屈曲消能减震部分的外套钢管和内填混凝土是共用的，所述回弹元件由钢板弹簧制成，回弹元件固定于节点板和外套钢管之间或固定于支座连接件和外套钢管之间，所述的阻尼材料与防屈曲消能减震部分的钢芯和内填混凝土之间的柔性材料是共用的；所述防屈曲支撑兼具防屈曲支撑的滞回屈服消能减震特性和调频质量阻尼器减振特性。

2.根据权利要求1所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述的回弹元件安装在防屈曲支撑的上方或下方，或视设计需要在上、下方均安装。

3.根据权利要求1所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述的回弹元件用钢板弹簧或螺旋弹簧制成。

4.根据权利要求3所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述钢板弹簧分主体部分和连接部分，主体部分设计成S形或折角形，连接部分的截面刚度大于主体部分的截面刚度。

5.根据权利要求3所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述螺旋弹簧为圆形或正多边形，螺旋弹簧与外套钢管或支座采用螺栓固定。

6.根据权利要求1所述的调频质量防屈曲支撑，其特征在于：所述的钢芯表面不设限位卡。

Images