CN101575884A - 纤维增强复合材料约束防屈曲耗能钢支撑 - Google Patents

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纤维增强复合材料约束防屈曲耗能钢支撑属于抗震减振结构工程技术领域，其特征在于，在内核心钢构件外通长地套一根全纤维增强复合材料套管，或者全外缠纤维布，或者，在所述FRP套管外再缠纤维布，构成一个FRP约束单元，为了传递所述内核心钢构件与该FRP管约束间的相互作用并提供一定的抗弯刚度，也可在所述内核心钢构件内外完全或局部加入填充材料；为了减少所述内核心钢构件与填充料，所述FRP约束单元之间的摩擦力，在该内核心钢构件表面加一个减摩层。本发明具有构件自重轻、设计灵活、成型容易、节省混凝土和钢材的优点。

Description

纤维增强复合材料约束防屈曲耗能钢支撑
发明领域
本发明涉及一种新型防屈曲耗能支撑构件，可用于工程结构的抗震减振，属于结构工程领域。
背景技术
钢支撑框架结构在强震作用下有着较好的抗震性能，但普通支撑在强震作用下容易发生屈曲，断面利用率较低，且低周疲劳性能不理想，而纤维增强复合材料(Fiber ReinforcedPolymer，即FRP)约束防屈曲支撑则能弥补这一不足，能够有效地防止支撑发生整体失稳，并通过较好滞回耗能进一步改善整体结构的抗震性能。
约束屈曲耗能支撑的概念最早在1971年由Yoshino等人提出，并进行了以剪力墙为外约束的约束屈曲支撑的试验研究。此后大量的学者进行了各种形式约束屈曲支撑(BucklingRestrained Brace，简称为BRB)构件的受力性能研究。此外，还有许多的研究者对采用BRB的结构的整体抗震性能进行了研究，充分说明了BRB对提高结构抗震性能的有效性。目前，日本已有300多栋，美国有30多栋建筑采用了这种支撑，美国钢结构协会(AISC)和加州工程师协会(SEAOC)已经将BRB框架的设计写入设计指南AISC/SEAOC(2001)和AISC(2002)，FEMA368中也加入了BRB支撑框架的设计方法和试验指标。BRB的研究与应用在我国发展很快，2004年前后被引入国内，很快就被我国结构工程师所接受，并已在一些工程中进行了应用。
目前，已有的BRB产品都是采用钢材和混凝土制成。最新研究发现，BRB中外包约束的抑制屈曲效果与其极限强度有关，钢材和混凝土的比强度(强度/密度)较小，为实现BRB的功能需要用较厚的混凝土和钢材。因此，这些现有的BRB的重量都较重，运输和安装都不便，自重荷载较大等缺点，在推广应用和对原有结构的现场改造和加固中应用存在着一定的困难。而FRP材料的比强度高于钢材和混凝土，因此本发明建议采用FRP作为约束体系，砂浆、轻质混凝土、竹篾、木材或泡沫等材料作为填充材料，可有效的减轻BRB的自重和截面尺寸，以较轻的重量获得同样的效果。另外，对于已经在使用中的普通支撑无需拆换就能改造成为BRB。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型FRP约束防屈曲耗能支撑，即采用工厂生产的FRP管拉挤型材与纵向纤维布组成套管通长套住核心钢钢支撑，再外缠环向纤维布进行环向约束，FRP套管与核心钢支撑间填入砂浆、轻质混凝土、竹篾、木材或泡沫等填充材料，从而提高钢支撑的刚度、承载力和滞回耗能能力，实现一种轻质、施工成型方便、耐腐蚀等显著优点的新型FRP约束防屈曲耗能支撑。
FRP是由玻璃纤维或碳纤维等高性能纤维与树脂基体混合经过一定的加工工艺复合而成的非金属材料。它具有轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等显著优点。近十年，FRP在结构工程领域中的应用发展迅速，现已成为混凝土、钢材等传统结构材料的重要补充，合理地将FRP应用于各类结构物中已经成为结构工程发展的一个重要方向。
FRP约束防屈曲耗能钢支撑采用FRP(FRP套管和外缠FRP布)及填充材料(砂浆、轻质混凝土、竹篾、木材或泡沫等)构成外约束系统，可以形成FRP约束防屈曲钢支撑，或将普通钢支撑改造成为FRP约束防屈曲支撑。相对有以下优点：
(1)构件自重轻，给运输、安装都带来便利，附加荷载也小；
(2)具有可设计性，可根据的受力需求设计纤维的铺设方向和比例，能充分利用材料提高支撑性能，减小断面。
(3)成型容易，可以设计出新的FRP约束防屈曲钢支撑，也可用于改造已有普通支撑结构。
本发明特征之一在于，含有：内核心钢和纤维增强复合材料屈曲约束单元，其中：
内核心钢支撑为普通钢构件，两端设有连接构造，以便与主体结构连接，所述的两端连接构造构成所述纤维增强复合材料约束防屈曲耗能钢支撑的连接段，所述内核心钢支撑的截面形式多样；
纤维增强复合材料屈曲约束单元为沿轴向套在所述内核钢支撑外的纤维增强复合材料管，构成所述纤维增强复合材料约束防屈曲支撑的核心段，以及所述核心段与所述两端连接段之间的过渡段，提高所述内核心钢支撑整体的屈曲承载力，并约束该内核心钢支撑横向变形和局部变形。
本发明特征之二在于，所述纤维增强复合材料屈曲约束单元由全纤维增强复合材料套管构成。
本发明特征之三在于，所述纤维增强复合材料屈曲约束单元由纤维布包缠构成。
本发明特征之四在于，所述纤维增强复合材料屈曲约束单元由所述纤维增强复合材料套管与包缠在该套管外的纤维布共同构成。
本发明特征之五在于，所述纤维布外缠在所述纤维增强复合材料套管的两端。
本发明特征之六在于，所述纤维增强复合材料屈曲约束单元和所述内核心钢支撑之间完全或局部地填入填充物，所述填充物是下述材料中的任何一种：砂浆、轻质混凝土、竹篾、木材或泡沫。
本发明特征之七在于，所述内核心钢支撑表面有一个减磨层，为涂油层、或PVC层、或聚乙烯层、或特氟龙层。
本发明特征之八在于，所述内核心钢支撑截面为图1所示各种截面形状中任何一种。
附图说明
图1各种截面形式的FRP约束防屈曲耗能钢支撑。
图2FRP约束防屈曲耗能钢支撑的纵向组成示意图。
图3FRP约束防屈曲耗能钢支撑的构造图。
具体实施方式
FRP约束防屈曲支撑包括内核心钢、FRP屈曲约束单元、填充材料、无粘结层4部分组成。内核心钢和FRP屈曲约束单元为必须具有，填充材料不为必须设置部分，无粘结层可用空隙替代。
内核心钢为普通钢构件，两端设有连接构造，可与主体结构连接，其截面形式多样，如图1所示。主要作用：(1)提供轴向承载力和刚度；(2)在较大的地震作用时，通过钢材的受压屈服和受拉屈服进行滞回耗能。
FRP屈曲约束单元为本项发明特有，由FRP管和外缠FRP布构成，也可全用外缠FRP布构成，形成中空套管，将内核心钢套入其中。主要作用有：(1)提高受压构件的抗弯刚度，从而提高构件整体的屈曲承载力；(2)约束内部钢核心横向变形的发展，使其达到受压屈服，能够提供滞回耗能。
填充材料可为微膨胀泡沫砂浆、轻质混凝土、竹篾、木材或泡沫，将FRP管与核心钢之间的空隙进行填充。主要作用有：(1)传达钢核心与FRP约束间的相互作用；(2)提供一定的抗弯刚度。
无粘结层为包覆在内核心钢表面的采用涂油、PVC层、聚乙烯层、特氟龙层等减少摩擦的措施，主要目的是减小内核心钢与外填充材料及FRP约束单元间的摩擦力，使核心钢能够沿纵向伸缩，而外部不受轴向力。如填充材料与核心钢间设有微小空隙，也可不设置无粘结层。
FRP约束防屈曲支撑分为连接段、过渡段和核心段。如图2所示。
FRP约束防屈曲支撑中的外FRP约束单元的构成方式多样，典型的有3种形式，如图3所示：
(1)全FRP套管；
(2)全纤维布包缠；
(3)FRP套管与纤维布外缠结合。
图2FRP约束防屈曲钢支撑的纵向组成示意图。内核单元又可分为约束屈服段(核心段)、约束非屈服段(过渡段)、无约束非屈服段(连接段)3部分，如图2所示。
在图3中
(a)全FRP套管构造形式；
(b)纤维布外缠增强构造形式；
(c)FRP套管与外缠纤维布组合的构造形式。
1.核心钢支撑：可用不同截面类型的钢支撑，核心钢支撑的截面类型如图1所示；
2.填充物：分完全填充、部分填充和无填充，填入材料包括微膨胀泡沫砂浆、轻质混凝土、竹篾、木材或泡沫等各种轻质填充材料；
3.FRP套管：可用圆管、方管等不同形状的截面；
4.纤维布外缠增强：用各种纤维布按照设计铺设方式进行包缠，用树脂粘接。
本发明的具体实施过程如下：
设计阶段：
(1)根据结构抗震减震的受力要求，设计支撑的承载力、刚度和变形能力要求；
(2)根据变形要求设计钢核心断面和连接节点，不考虑失稳；
(3)根据稳定承载力要求设计外约束FRP体系，包括厚度、纤维方向等参数；
(4)根据最大承载力设计局部构造，避免局部劈裂和扭转。
(5)形成设计图纸。
加工阶段：
(6)根据设计图纸加工钢构件；
(7)根据设计图纸准备FRP材料；
(8)对钢构件进行表面无粘结层处理；
(9)外套FRP管；
(10)填入轻质填充材料；
(11)外缠纤维布增强。
(12)进行产品质量检验。
*：根据支撑的实际构造，以上次序可有变化。
实施阶段：
(13)运送至工程现场；
(13)安装使用；
(15)定期检查。

Claims (8)

1.纤维增强复合材料约束防屈曲耗能钢支撑，其特征在于，含有：内核心钢支撑和纤维增强复合材料屈曲约束单元，其中：内核心钢支撑为普通钢构件，两端设有连接构造，以便与主体结构连接，所述的两端连接构造构成所述纤维增强复合材料约束防屈曲耗能钢支撑的连接段，所述内核心钢支撑的截面形式多样；纤维增强复合材料屈曲约束单元为沿轴向套在所述内核钢支撑外的纤维增强复合材料管，构成所述纤维增强复合材料约束防屈曲支撑的核心段，以及所述核心段与所述两端连接段之间的过渡段，提高所述内核心钢支撑整体的屈曲承载力，并约束该内核心钢支撑横向变形和局部变形。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料约束耗能防屈曲钢支撑，其特征在于，所述纤维增强复合材料屈曲约束单元由全纤维增强复合材料套管构成。
3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料约束耗能防屈曲钢支撑，其特征在于，所述纤维增强复合材料屈曲约束单元由纤维布包缠构成。
4.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料约束耗能防屈曲钢支撑，其特征在于，所述纤维增强复合材料屈曲约束单元由所述纤维增强复合材料套管与包缠在该套管外的纤维布共同构成。
5.根据权利要求4所述的纤维增强复合材料约束耗能防屈曲钢支撑，其特征在于，所述纤维布外缠在所述纤维增强复合材料套管的两端。
6.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料约束耗能防屈曲钢支撑，其特征在于，所述纤维增强复合材料屈曲约束单元和所述内核心钢支撑之间完全或局部地填入填充物，所述填充物是下述材料中的任何一种：砂浆、轻质混凝土、竹篾、木材或泡沫。
7.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料约束耗能防屈曲钢支撑，其特征在于，所述内核心钢支撑表面有一个减磨层，为涂油层、或PVC层、或聚乙烯层、或特氟龙层。
8.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料约束耗能防屈曲钢支撑，其特征在于，所述内核心钢支撑截面为图1所示各种截面形状中任何一种。
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