CN101718123B

CN101718123B - “巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑

Info

Publication number: CN101718123B
Application number: CN2009102596418A
Authority: CN
Inventors: 郭彦林; 江磊鑫; 田广宇; 兰涛
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: CN101718123A

Abstract

“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑，属于结构工程技术领域。其特征在于：所述支撑由两个“巨”字形扣件和热轧H型钢组成；两个“巨”字形扣件通过螺栓连接在一起，组成外围约束构件；两个“巨”字形扣件的封闭矩形管内灌注混凝土；两个“巨”字形扣件于热轧H型钢之间要留有适当的间隙。本发明能够为多高层建筑结构提供的抗侧力作用，且在大震作用下能够达到全截面屈服，从而有效耗能。用热轧H形钢作为内核受力构件，截面规格选择宽泛，可实现较大吨位的屈服荷载，并且比起焊接工字钢具有更好的延性。此外，取材容易，加工简单，施工方便，造价低廉，便于工业化批量生产。

Description

“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑

技术领域

本发明涉及一种新型的防屈曲耗能支撑，属于结构工程技术领域。

技术背景

日本阪神地震与美国北岭地震后，防屈曲耗能支撑作为一种性能优越的消能减震构件，在日美等多震的发达国家得到了快速的推广应用。防屈曲耗能支撑由内核与外围两部分组成：内核构件直接承受轴向荷载作用，一般采用低屈服点的钢材，之所以采用低屈服点的钢材，是希望在中震和大震下防屈曲耗能支撑能够先于框架进入屈服，从而提高结构的延性性能并充分发挥支撑的耗能作用；外围约束构件并不直接承受轴压作用，但它对内核构件的约束作用可提高内核构件的屈曲荷载，使内核部分在外压力作用下发生全截面屈服，从而提高构件滞回环的饱满度和构件的耗能能力。

防屈曲耗能支撑兼具“支撑”和“耗能”两种作用，是一种在地震作用下表现良好的消能减震构件。在小震作用下，防屈曲耗能支撑保持弹性，从而为主体结构提供足够的刚度，保证主体框架的侧移满足要求；在中震和大震作用下，防屈曲耗能支撑进入屈服，通过其内核截面的屈服耗散地震能量，从而保护主体框架的安全并有效消减地震反应。

在我国防屈曲耗能支撑尚处于起步阶段，我国目前在工程上普遍采用的防屈曲耗能支撑，大多是由外围钢管混凝土与内核钢板组成，内核钢板要刷上一层无粘结材料，并与填充混凝土之间留有一定的空隙，以防止外围钢管混凝土约束内核钢板的受压膨胀变形，制作过程较为复杂，制作成本较高，并且不利于实现工业化批量生产。如果对防屈曲耗能支撑的屈服荷载要求不高，通常可采用“一”字型内核；如果需要较高的屈服荷载，则通常采用三块板焊接成的“工”字型内核，而焊接的过程对钢材材性影响较大，会存在残余应力并导致周围材料变脆，防屈曲耗能支撑可在次数不多的拉压循环下就发生断裂。

为克服普通防屈曲耗能支撑的上述缺点，本发明提出了一种全新的装配式防屈曲耗能支撑，它利用螺栓将两个“巨”字形扣件组合在一起作为外围约束构件，利用热轧H型钢作为内核受力构件，从而得到一种低成本、高效率的消能减震构件。在地震作用下，热轧H型钢在受压时会达到全截面屈服，而不发生屈曲，这对控制地震下的结构变形和好散地震能量都是是很有利的。这种防屈曲耗能支撑的内核与外围之间也要留有一定的间隙，但是它的间隙存在于“巨”字形扣件与内核之间，即钢材与钢材之间的间隙，而不是混凝土与钢材之间的间隙，加工精度很容易满足；另外，这种防屈曲耗能支撑利取材便利，材料成本较低；大部分的工序都可以在加工厂完成，构件运至施工现场拼装起来即可，现场施工十分便利简单；它利用H型钢作为内核受压部件，延性很好，并且屈服荷载能够达到较大的吨位；它将约束构件放置于内核部分的周边，从而实现了截面效率的最大化。

发明内容

本发明提出的“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑，目的在于提供一种全新的装配式的支撑消能构件，为结构主体提供抗侧力作用，并在大震作用下有效耗能，消减地震作用；在防屈曲耗能支撑的构成方面，本发明的防屈曲耗能支撑的突出特点是，内核采用热轧H形钢，比起普通防屈曲耗能支撑的焊接组合截面内核具有更高的延性和更好的耗能能力；另外，该防屈曲耗能支撑采用组合冷弯薄壁型钢作为外围约束构件，并布置在内核部分周围，实现了截面承载效率的最大化。

约束比是防屈曲耗能支撑的一个重要参数，它是防屈曲耗能支撑整体弹性屈曲荷载与内核屈服荷载的比值，即

ζ = \frac{P_{cr}}{P_{y}} = \frac{π^{2} (E_{1} I_{1} + E_{2} I_{2}) / L^{2}}{A_{1} f_{y 1}}

它反应了外围约束部分对内核的约束作用的强弱。通过设置合理的约束比，可保证防屈曲耗能支撑的正常工作。对于本发明提出的“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑，取约束比在1.8-2.0之间，即可保证外围具有足够的约束作用。

本发明提出的“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑，其特征在于：含有“巨”字形扣件和热轧H型钢，其中“巨”字形扣件共有两个：第一“巨”字形扣件(1)和第二“巨”字形扣件(2)，所述每一个“巨”字形扣件由一个帽形冷弯薄壁型钢和内嵌于该帽形冷弯薄壁型钢内侧的槽型冷弯薄壁型钢互相焊接而成，在由所述帽形冷弯薄壁型钢和槽型冷弯薄壁型钢形成的封闭矩形管内灌注混凝土，所述第一“巨”字形扣件(1)和第二“巨”字形扣件(2)以内侧相对的方式在帽缘处扣合，并在所述扣合处用螺栓连接；热轧H型钢，位于所述第一“巨”字形扣件(1)和第二“巨”字形扣件(2)扣合后形成的“H”字形空间中，构成内核构件；在所述第一“巨”字形扣件(1)、第二“巨”字形扣件(2)这两个扣件和所述热轧H型钢之间留有间隙，用以防止所述外围构件约束所述内核构件受压而产生的截面膨胀变形。

本发明提出的“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑，能够为多高层建筑结构提供良好的抗侧力作用，且在大震作用下，能够达到全截面屈服，从而有效耗能。此外，该防屈曲耗能支撑为装配式构件，易于加工与安装，能够有效降低结构造价，是一种性能卓越的防屈曲耗能支撑。

附图说明

图1为本发明的“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑截面示意图。

图2为本发明的“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑三维示意图。

图3为本发明的“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑的“巨”字形扣件详图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

在如图1～4中：

1-“巨”字形扣件1

2-“巨”字形扣件2

3-热轧H型钢

4-螺栓

如图1和图2所示，防屈曲耗能支撑由两个“巨”字形扣件1～2与内核热轧H型钢3组成。两个“巨”字形扣件1～2分别由一个帽形冷弯薄壁型钢和内嵌于该帽形冷弯薄壁型钢内侧的槽型冷弯薄壁型钢互相焊接而成；“巨”字形扣件1～2分别有一个封闭矩形管，封闭矩形管内要灌注混凝土；两个“巨”字形扣件1～2在帽缘处通过螺栓连接在一起，组成外围约束构件，两个“巨”字形扣件1～2形成H形的空间用于放置内核热轧H型钢3；“巨”字形扣件1、“巨”字形扣件2与热轧H型钢3之间要留有适当的间隙，防止外围构件约束内核热轧H型钢3的受压时的截面膨胀变形。

如图3所示，两个“巨”字形扣件1～2的帽形冷弯薄壁型钢的帽缘处要预先开设螺栓孔，孔径与螺栓的螺杆匹配即可，便于用螺栓将两个“巨”字形扣件1～2连接起来。

防屈曲耗能支撑与框架部分的连接构造，与其他的防屈曲耗能支撑相同。

实验证明，本发明具有如下明显的优点：

它在小震作用下保持弹性，发挥支撑的作用，为结构提供足够的抗侧刚度以满足层间位移限制要求；它在中震或大震作用下将进入屈服，发挥阻尼器的作用，耗散地震能量，降低主体结构的地震相应，并保护主体结构的安全。

它的生产过程简单，加工费用较低，可以实现工业化批量生产；

它是一种装配式的构件，所有的加工工序都能在工厂内完成，比如“巨”字形扣件封闭矩形管内灌注混凝土、开螺栓孔等，在施工现场的拼装十分快捷方便。

它的内核利用热轧H型钢承受轴压力，延性非常好，并且可以实现较大吨位的屈服荷载。而如果利用焊接的工字钢作为内核，则焊接残余应力和残余变形将会大大影响到防屈曲耗能支撑的加工精度与延性性能。

它将约束构件布置在内核的周边，增大了约束构件的惯性矩，提高了截面的效率。

Claims

1.“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支撑，其特征在于，含有“巨”字形扣件和热轧H型钢，其中：

“巨”字形扣件，共有两个：第一“巨”字形扣件(1)和第二“巨”字形扣件(2)，所述每一个“巨”字形扣件由一个帽形冷弯薄壁型钢和内嵌于该帽形冷弯薄壁型钢内侧的槽型冷弯薄壁型钢互相焊接而成，在由所述帽形冷弯薄壁型钢和槽型冷弯薄壁型钢形成的封闭矩形管内灌注混凝土，所述第一“巨”字形扣件(1)和第二“巨”字形扣件(2)以内侧相对的方式在帽缘处扣合，并在所述扣合处用螺栓连接；

热轧H型钢，位于所述第一“巨”字形扣件(1)和第二“巨”字形扣件(2)扣合后形成的“H”字形空间中，构成内核构件，在所述第一“巨”字形扣件(1)、第二“巨”字形扣件(2)这两个扣件和所述热轧H型钢之间留有间隙，用以防止这两个扣件约束所述内核构件受压而产生的截面膨胀变形。