CN101827983B - 铸造的结构屈服熔丝 - Google Patents

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Abstract

一种屈服熔丝装置，其用于与支撑组件中的支撑件相关联地使用，该支撑组件用于结构框架。该装置包括当支撑组件处于拉伸或压缩荷载状态、支撑件在轴向方向上运动时挠性地屈服的臂或元件。作为大量定制的铸造装置，本发明的装置特别有用。所述装置很适合地震支撑用途。

Description

铸造的结构屈服熔丝
优先权
本申请要求2007年5月15日提交的美国临时申请No.60/917,652的优先权。
技术领域
本发明涉及用在建筑业中的构件。本发明尤其涉及用于地震用途的铸造构件。
背景技术
许多建筑结构设计包括使用对角撑以提供横向稳定性，尤其是为了增强该结构的横向刚性并减少工程造价。在这种支撑系统中，众所周知要使用一个或多个牺牲屈服熔丝(fuse)元件以便如果发生动态荷载例如在强烈地震期间消散地震输入能量。选择这种牺牲屈服熔丝元件是因为它们与传统的横向抗负载系统相比改善了地震特性并减小了地震荷载。
例如，Fanucci等人的美国专利No.6530182和No.6701680描述了一种吸收能量的地震支撑，其具有由垫片和套筒构造包围的中心支柱。
类似地，Powell等人的美国专利No.6837101和No.7065927、美国专利申请公开No.2005/0108959中描述了一种地震支撑，其包括壳体、容器件和屈服芯。
美国专利7174680和美国专利申请公开No.2001/0000840中也公开了支撑装置。
这些现有技术系统的大部分都需要与屈服件一起使用的抑制弯曲(buckling)装置，并且通常由钢板形成而不是铸造。另外，这些现有技术系统使用轴向屈服件，尽管使用弯曲的屈服件是有利的，因为受到过度非弹性应变时它们不易破裂。
White的美国专利No.4823522、Scholl的美国专利No.4910929、以及Tsai和Li的美国专利No.5533307都披露了钢制屈服熔丝元件，它们设置在梁的中心处并用于给抗震荷载力矩框架增加阻尼和刚度。阻尼元件一般用裁切成三角形的钢板制成，并被焊接或螺栓连接于刚性基底上。而且，这些元件一般安装在倒V型支撑框架中的上部支撑的中心。因而这些元件的屈服由所述框架的层内位移控制。然而，与支撑框架伸长部而不是层内位移相连的屈服元件会更容易与当前的施工程序结合。
另一现有技术的熔丝系统，即EaSy减震器，采用制造复杂的设备，以通过用带孔的强化钢板的弯曲和剪切屈服的结合来替换所述支撑的轴向屈服和弯曲来提高支撑元件的地震性能。这些板的形状不会导致屈服元件的曲率恒定，因此导致不希望的应变集中。
上述的两种现有技术都需要辛苦地裁切和焊接。此外，当前可用的轧钢的有限的几何结构限制了这种装置的严格的屈服元件的潜在几何结构。
已经对挠性屈服元件的几何结构进行了进一步的控制，使得不仅允许控制熔丝屈服时的力，还允许控制熔丝的弹性和后(post)屈服刚度以及与发生熔丝屈服有关的位移。采用铸造技术，可以设计和制造性能更佳的熔丝。而且，自由的几何结构控制使得能够设计比现有技术更容易与现有的钢建筑物和建造工艺结合的部件。
根据上文所述，一种改进的用于动态荷载用途的屈服熔丝元件是理想的。
发明内容
本发明涉及一种屈服熔丝装置和包含该屈服熔丝装置的支撑组件。
在一个实施例中，本发明涉及一种使用在用于结构框架的支撑组件中的结构装置，该支撑组件包括支撑件，该结构装置包括：第一端，其被构造成容纳所述支撑件并与该支撑件相连接；第二端，其适于与所述结构框架相连接；以及离心屈服臂。通过强制所述支撑件仅沿轴向运动来防止不稳定的摇摆型倒塌。屈服臂优选为锥形，以促进整个臂的屈服而不是局部屈服，局部屈服会导致由于过度的非弹性应变而过早断裂。
在另一个实施例中，本发明涉及一种使用在用于结构框架的支撑组件中的结构装置，该支撑组件包括支撑件，该结构装置包括：端部，其被构造成容纳支撑件并与该支撑件相连接；和主体部，其通常远离由所述支撑件限定的轴线设置，该主体部包括朝向中心轴线延伸的多个偏心屈服臂，该屈服元件包括适于与所述结构框架相连接的顶部部分。
有利地，所述装置中的屈服元件是铸造的，因此屈服行为可以通过改变屈服臂的沿长度方向的截面和几何结构来被精心地控制。此外，本发明的屈服装置操作以在该支撑的拉伸和压缩加载作用下在支撑组件中发生屈服，并且由于所述装置挠性屈服，所以它不易于由过度的非弹性应变造成断裂。最后，考虑到可量测性，每个支撑组件中可使用多个所述装置。
在以下的详细说明书中，本发明的其它特征将被描述或者更清楚。
附图说明
以下仅通过示例并参照附图对本发明优选实施例进行详细描述，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的屈服熔丝元件的透视图；
图2A，2B，2C，2D和2E分别是根据本发明第一实施例的屈服熔丝元件的侧视图、顶视图、底视图、第二端和第一端视图；
图3是根据本发明第一实施例的两个屈服熔丝元件的分解透视图，其中，所述屈服熔丝元件与支撑件和角撑板对齐；
图4A，4B，4C和4D分别是根据本发明第一实施例的处于标准支撑框架中的屈服熔丝元件的侧视图和剖视图；
图5A，5B和5C分别示出了根据本发明第一实施例的包括屈服熔丝元件的熔丝组件分别处于非位移、拉伸屈服、压缩屈服的状态；
图6是根据本发明第二实施例的屈服熔丝元件的透视图；
图7A，7B，7C，7D和7E分别是根据本发明第二实施例的屈服熔丝元件的侧视图、顶视图、底视图、第二端和第一端视图；
图8是根据本发明第二实施例的两个屈服熔丝元件的分解透视图，所述屈服熔丝元件与圆形中空型材支撑件、两个连接板和角撑板对齐；
图9是根据本发明第二实施例的两个屈服熔丝元件的分解透视图，该屈服熔丝元件与宽凸缘支撑件、两个连接板和角撑板对齐；
图10A，10B，10C和10D分别是根据本发明第二实施例的处于标准支撑框架中的屈服熔丝元件的连接区域的侧视图和剖视图，所述元件通过焊接连接至圆形中空结构型材支撑件上以及通过螺栓连接至两个连接板上；
图11A，11B，11C和11D分别是根据本发明第二实施例的处于标准支撑框架中的屈服熔丝元件的连接区域的侧视图和剖视图，所述元件通过螺栓连接至宽凸缘型材支撑件上以及通过螺栓连接至两个连接板上；
图12A，12B和12C示出了根据本发明第二实施例的包括屈服熔丝元件的熔丝组件分别处于未位移、拉伸屈服、和压缩屈服的状态；
图13是根据本发明第一实施例的滞后图表，该图表来自于被加载几个循环的非弹性变形的屈服熔丝元件的非线性有限元分析；
图14是根据本发明第二实施例的屈服臂的滞后图表，该图表来自于锥形铸钢屈服臂循环变形的实验室试验；
图15是根据本发明第一实施例的屈服熔丝元件的非线性有限元分析的静态载荷与位移的关系曲线图表；
图16是根据本发明第二实施例的屈服臂的锥形铸钢屈服臂的静态载荷与位移的关系曲线图表；
图17显示了由根据本发明第一实施例的屈服熔丝元件的非线性有限元分析获得的塑性应变型面图；
图18显示了由根据本发明第二实施例的屈服熔丝元件的非线性有限元分析获得的塑性应变型面图；以及
特别要理解的是，说明书和附图仅是为了解释和作为对理解的帮助，而不是作为限制本发明的限定。
具体实施方式
作为大量定制的铸钢或其它铸造金属装置而用于主要轴向加载元件，本发明的屈服熔丝装置特别有用。这种装置可与中空结构型材、管和其它形状的结构型材例如W型材一起使用。这种装置被设计成用作受到动态载荷、包括极端的动态载荷例如处于强烈地震荷载状态下的支撑框架中的屈服熔丝。该装置通过吸收大部分能量来保护支撑件和结构框架在动态荷载状态(亦即地震)过程中不会过分损坏。“动态荷载状态”指的是拉伸和压缩屈服的重复循环，包括当屈服熔丝达到较大非弹性应变(由于超强度或二阶几何效应)时预计出现的强度增大。这些装置可结合在端部连接件中或者可居中设置在支撑件内。所述装置可用于形成大量生产的、标准的连接件产品线，该每个连接件在不同的载荷下屈服，从而使得包含足够连接件的产品线具有预期范围的支撑力。
本发明的装置用特别设计的屈服元件臂的显著挠性变形来替代典型支撑的轴向拉伸屈服和非弹性弯曲。因为这些装置可以铸造，所以熔丝屈服元件的几何结构和铸件金属可以特别设计成使得所述臂具有屈服力、刚度和延性的最佳组合。这些装置也被设计成以固定的形式屈服。
本发明的结构屈服装置的第一个可能的实施例在图1-5中示出。屈服装置10包括第一端12、第二端14和至少一个挠性屈服臂16，第一端12构造成容纳支撑件22并连接(例如焊接)到该支撑件上，第二端14适于连接到支撑组件端部接头24上。如图所示，第一端12和第二端14可处于由支撑件22限定的同一轴线上。如图所示，支撑件22可以是管状并且第一端12可以包括与支撑件的曲率对应的曲率。例如，屈服装置10的另一个实施例可包括被成形为容纳W型材类型的支撑件22的第一端12。所述装置10在第一端12的连接需要足够的强度以抵抗轴向剪切力和弯曲力，这些力在屈服臂16的周期性非弹性变形过程中被施加，所述非弹性变形在动态荷载状态下例如地震过程中会发生。这种设计应依照大多数结构钢设计规范中所描述的公知地震设计方法论来实施。所述方法论的目的是为了在屈服元件出现其超强度时保护结构的所有元件。
在本发明的一个实施例中，第一端12被焊接至支撑件22上。屈服臂16偏离由该支撑件22限定的轴线，亦即屈服臂是偏心的。从而屈服臂通过轴向力、剪切力和弯曲力的组合将支撑件22中的轴向力传递给支撑组件端部接头24，例如角撑板。
根据本发明的特定方面，至少一个屈服臂16为锥形。锥形区域确保了整个臂16在支撑件被轴向加载时具有几乎恒定的曲率。这确保了当获得理想的屈服力时，所述臂的整个长度都受到屈服、而不是仅在一个或多个离散的铰接位置处屈服。这减少了臂中的应变，从而显著降低了在非弹性加载期间过早断裂的可能性。屈服臂16可采用不同的剖面，例如图4D所示的矩形剖面。屈服臂16应被定向为使其主要围绕剖面的弱挠性轴线弯曲。这消除了不稳定的偏离平面(out-of-plane)的横向扭曲失效的潜在可能性。
根据图3所示的一个特定实施例，用于结构框架的支撑组件28包括支撑件22和至少两个屈服装置10。支撑组件还可包括组件端部接头24例如角撑板，和用于连接支撑件22的远端的装置，例如第二角撑板26和标准的焊接或栓接(未示出栓接方式的选择)零件。第二端14可以包括一个或多个凸缘部分18，该凸缘部分18可以被构造成带有孔20以连接到支撑组件端部接头例如角撑板24上。在该一个或多个凸缘部分18中的孔20一般对应于角撑板24中的孔，从而允许所述第二端14通过螺栓固定到角撑板24上。在本发明的一个实施例中，设有两个相对的凸缘部分18，当组装成支撑组件28时每个凸缘部分18设置在角撑板24的每侧上。应当理解，凸缘部分18、螺栓、以及组件端部接头24可能需要具有抵抗轴向力、剪切力和弯曲力的最小强度，这些力在屈服臂16的循环非弹性变形期间由该臂16施加，其中，该屈服臂16的循环非弹性变形发生在动态荷载状态过程中。这些元件的设计应该依照大多结构钢设计规范中所描述的公知地震设计方法论来进行。
一个支撑组件28中可采用两个屈服装置10，以在轴向加载期间提供对称的压缩或拉伸屈服。但是，本领域技术人员应理解的是，可以是包括三个或多个屈服装置10的其它对称结构。
根据本发明的其它方面，所述装置10包括允许支撑件22仅轴向运动的限制装置，以防止屈服臂16出现不稳定的失效过程、亦即摇摆失效过程。例如，如图4B所示，第二端14包括与凸缘部分18相邻的弯曲部分，该弯曲部分用于限制支撑件22仅在轴向方向上运动。此外，支撑件22可以包括槽23，该槽23允许该支撑件22在角撑板24之上在轴向方向上自由地滑动，同时还限制该支撑件22的脱离平面的旋转。槽23可以设置为使其足够长，以在受到动态荷载状态时容许拉伸和压缩的轴向支撑位移为预期的支撑变形的至少两倍。该预期的支撑变形源自于对上述结构受到地震荷载时的分析，该分析在周知的地震设计规范中有规定。这仅是限制在轴向方向上支撑变形的一个方法的例子。本领域技术人员应理解，可以有许多获得理想的限制的方式。
如图4A所示，可以安装一个或多个支撑组件28来支撑结构框架30。包括在支撑组件28中的装置10通过屈服臂16的挠性屈服来消散由于动态荷载状态产生的能量。该装置10的连接部分，亦即第一端12和第二端14用来在地震或其它动态荷载过程期间保持弹性。为了利用以铸造工艺为表示的批量生产的机会，第一端12设计成连接到支撑件22的范围。如图4C所示，第一端12具有与支撑件22的外表面的曲率匹配的曲率，但可以与改变壁厚的中空结构型材一起使用。
图5示出了熔丝组件在拉伸或压缩屈服中的位移。
本发明的屈服熔丝装置的第二个实施例如图6-12所示。在这个情况下，结构屈服装置32包括端部34和主体部36，该端部34构造成容纳支撑件22并与该支撑件22相连接，该主体部36通常远离由支撑件22限定的轴线设置，该主体部36包括多个朝向该轴线延伸的挠性屈服臂38，该屈服臂38包括底部部分39和顶部部分40。通过屈服臂38中的挠性塑性铰链的变形，屈服装置32可操作以消散由于动态荷载状态产生的能量例如地震能。可以设置一个或多个接合板42以保持屈服臂38的顶部部分40。接合板42可以通过螺栓保持顶部部分40，该螺栓穿过接合板42中的槽孔并穿过屈服臂38的顶部40中的孔。这允许屈服臂38的顶部部分40相对于接合板42旋转和平移，从而避免在屈服臂38中产生严重的轴向力。在另一个实施例(未示出)中，屈服臂38的顶部部分40可铸造成实心圆柱体，其直接由接合板42中的槽孔限制。在这两种情况下，螺栓或实心圆柱体以及它们的槽需要具有足够的强度，以便当屈服臂38在动态荷载状态情况例如地震中如所预料地经受循环的非弹性变形时保持弹性和最小变形。
屈服臂38可以是锥形，以在沿该屈服臂的整个长度上促进屈服，并且屈服臂38偏心于支撑件22的轴线。在本发明的一个方面中，屈服臂38沿着其高度方向而不是通过其厚度方向为锥形。在屈服臂38的底部部分39和顶部部分40，可以改变该锥形，从而使得底部部分39和顶部部分40的厚度和高度被加厚，以便确保屈服被包含在预定的锥形部部分38内。
装置32的端部部分34可以包括与支撑件22的形状相对应的形状，支撑件22的形状在图8的情况中为管状，因此，第一端34的形状具有与支撑件22的曲率对应的曲率。在装置32的第一端34处的接头需要具有足够的强度以抵抗预期的轴向力、剪切力和弯曲力，这些力在屈服臂38的非弹性变形期间被施加于其上。为了利用以铸造工艺为表示的批量生产的机会，第一端34设计成连接至支撑件22的范围。在图8和10B所示的实施例中，第一端34具有与支撑件22的外表面的曲率匹配的曲率，但可以与改变壁厚的中空结构型材一起使用。
对于装置32的适当功能而言，主体部36必须是比例均衡的，以确保其在锥形屈服臂的循环非弹性变形期间保持弹性。主体部36的截面可以不同于图10C和11C所示的“T”型截面。该主体部36的截面应被成形为促进可铸性，同时使部件的重量最小化。主体部36还应充分延伸超过支撑件22的端部以留出间隙46，该间隙是当受到动态荷载状态时最大的预期轴向支撑变形的至少两倍。该预期的支撑变形来自在地震荷载下对结构件的分析，该分析在周知的地震设计规范中有规定。类似地，接合板42延伸超过角撑板24的端部以在结构装置32的端部与角撑板24的端部之间提供间隙48。
端部连接的角撑板24和接合板42每个都具有相应的孔以允许接合板通过螺栓固定到角撑板上，其中，接合板中的孔形成为槽状，以允许屈服臂38的顶部部分40在所述装置屈服时进行平移和旋转。在图10C和11C中，接合板42包括用于保持屈服臂38的顶部部分40的两个相对部分。接合板42可以是图9所示的铸钢元件或者由图8所示的轧钢产品制造。在任一情况下，接合板42和接头必须被设计以在受到周期轴向拉伸和压缩时保持弹性和刚性，所述周期轴向拉伸和压缩在屈服臂38的循环非弹性变形期间被施加于其上，其中，该屈服臂38的循环非弹性变形发生在动态荷载状态过程中。
根据图8所示的一个特定方面，支撑组件44包括支撑件22、至少两个屈服装置32、组件端部接头24例如角撑板、以及用于连接支撑件22的远端的装置例如第二角撑板，其中，所述组件端部接头24包括接合板42。
一方面，两个屈服装置32如图10A和11A所示地应用在支撑组件44中，以在强烈的轴向加载期间提供对称屈服。但是，本领域技术人员应理解的是，包括三个或多个屈服装置32的其它对称构造当然也是可行的。
支撑组件44可以被构造成具有两个屈服装置32以促进响应于拉伸或压缩的对称屈服(见图10)。应当理解，根据由接合板42提供的限制，支持组件44仅通常在支撑件22的轴线所限定的轴向方向上屈服。换句话说，由接合板42提供的限制禁止支撑组件44脱离平面的弯曲。
屈服臂38可以或者不可以与支撑件22的轴线垂直。倾斜所述屈服臂38会导致系统的弹性刚度增加。
本发明的屈服熔丝装置利用有限元分析和实验室试验进行了检验。图13提供了根据本发明的第一实施例的屈服装置10的表明该屈服装置实施例的滞后响应的循环载荷位移图表，图14提供了根据本发明的第二实施例的屈服装置32的表明该屈服装置实施例的滞后响应的循环载荷位移图表。图15和16提供了表明响应屈服装置熔丝10和32受到压缩或拉伸作用实施例时的静态载荷位移图表。图17和18所示为从屈服装置10，32实施例的数值模拟获得的等效(von-Mises)塑性变形分布。
本发明的其它实施例当然也是可行的，例如图9和11A所示，本发明的屈服熔丝装置可通过螺栓(如所示)或焊接(未示出)与W型材而不是中空结构型材相连接。其它变型也可行，包括：改变屈服装置中的臂的数量；改变屈服臂的几何结构；改变屈服装置、支撑件、以及结构框架之间的连接方式，无论是通过焊接、螺栓还是其它方式、以及包括一个或多个中间接头例如角撑板；采用不同形状和尺寸的支撑件，等。
本领域技术人员应该理解到，本发明的屈服装置可用各种不同的材料铸造。尤其是，任何适当的铸造材料都是可行的，尤其是可铸钢。例如，硅重量含量小于0.55％的ASTM A958等级SC8620类80/50钢是用于屈服装置的适当材料。ASTM A216/A216M WCB和ASTMA352/A352M LCB也适合。采用这些等级确保了屈服装置被认为是可焊接的基础金属。根据特定应用所需的特性，可用不同的合金和不同型号的钢来铸造。
应理解的是，上文描述仅通过示例来说明本发明。关于本发明的许多改变对于本领域技术人员是显而易见的，这种显而易见的改变无论是否明确描述都落于本发明这里所述的范围内。

Claims (25)

1.一种结构装置，其用于支撑组件中，该支撑组件用于结构框架，该支撑组件包括支撑件，所述支撑件用于被轴向加载，其特征在于，所述结构装置是一体形成的铸造结构装置，所述结构装置包括：
(a)端部，其被构造成容纳支撑件并与该支撑件连接；和
(b)主体部，其远离由所述支撑件限定的轴线设置，该主体部包括从该主体部向所述轴线延伸的多个挠性屈服臂，该屈服臂包括适于与所述结构框架连接的顶部部分。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，支撑组件还包括接合板和用于将该支撑组件连接到结构框架上的支撑组件端部接头，其中，接合板被构造成保持屈服臂的顶部部分和支撑组件端部接头。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述顶部部分通过螺栓连接被保持在接合板中。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述端部接头是角撑板，所述接合板具有与角撑板中的孔相对应的孔，以允许接合板通过螺栓连接被保持到角撑板上。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述接合板包括用于保持屈服臂的顶部部分的两个相对的部分。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，接合板包括：用于保持屈服臂的顶部部分的第一端；用于连接到组件端部接头的第二端；位于第一端和第二端之间的中间部。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述接合板延伸超过所述组件端部接头，从而使得在结构装置与组件端部接头之间形成间隙，其中，所述间隙的长度为在动态荷载状态过程中最大的预期轴向支撑变形的至少两倍。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑件没有延伸超过所述装置的端部。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，支撑件与所述装置的主体部之间形成有间隙。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，屈服臂沿着其长度方向为锥形。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑件为管状，所述端部包括与该支撑件的曲率相对应的曲率。
12.如权利要求1所述的装置，其用于动态荷载状态下。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置用于保护结构框架在动态荷载状态过程中不受损坏。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述动态荷载状态包括强烈的地震荷载状态。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述结构框架经受动态荷载状态时所述装置用作屈服熔丝。
16.一种用于结构框架的支撑组件，其特征在于，该支撑组件包括：
(a)支撑件，所述支撑件用于被轴向加载；和
(b)至少两个结构装置，所述结构装置是一体形成的铸造结构装置，每个结构装置包括：
(i)端部，其被构造成容纳支撑件并与该支撑件相连接；以及
(ii)主体部，其远离由该支撑件限定的轴线设置，该主体部包括从该主体部朝向所述轴线延伸的多个屈服臂，所述屈服臂包括适于与所述结构框架相连接的顶部部分。
17.如权利要求16所述的支撑组件，其特征在于，设有两个铸造的结构装置。
18.如权利要求16所述的支撑组件，其特征在于，支撑组件还包括接合板和用于将支撑组件连接到结构框架上的支撑组件端部接头，其中，接合板被构造成保持屈服臂的顶部部分和支撑组件端部接头。
19.如权利要求18所述的支撑组件，其特征在于，所述顶部部分通过螺栓装置由接合板保持。
20.如权利要求18所述的支撑组件，其特征在于，所述端部接头是角撑板，所述接合板具有与角撑板中的孔对应的孔，以允许接合板通过螺栓连接被保持在角撑板上。
21.如权利要求18所述的支撑组件，其特征在于，所述接合板包括用于保持屈服臂的顶部部分的两个相对的部分。
22.如权利要求16所述的支撑组件，其特征在于，所述支撑件是管状的，所述端部包括与该支撑件的曲率对应的曲率。
23.如权利要求16所述的支撑组件，其特征在于，所述至少两个结构装置中每一个的屈服臂能够操作以当支撑件在轴向上朝向或远离端部接头运动时挠性屈服。
24.如权利要求16所述的支撑组件，其特征在于，支撑组件还包括用于将所述支撑件的远端连接到结构框架上的连接装置。
25.如权利要求16所述的支撑组件，其特征在于，所述结构装置用于保护支撑件和结构框架在动态荷载状态过程中不受损坏。
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