CN101974947A

CN101974947A - 一种h形截面装配式防屈曲支撑构件

Info

Publication number: CN101974947A
Application number: CN 201010515892
Authority: CN
Inventors: 郭彦林; 王小安
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University; Wuxi Research Institute of Applied Technologies of Tsinghua University
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: CN101974947B

Abstract

一种H形截面装配式的防屈曲支撑构件，属于结构工程技术领域。由H形内核构件和外围约束构件组成。H形内核构件由三块钢板焊接而成，并在其表面粘贴硬质橡胶。外围约束构件由两根方矩管与两块平钢板捆绑组成，或者由四根方矩管捆绑而成。捆绑作用通过对各约束构件进行高强度螺栓连接实现；高强度螺栓穿过约束构件上的螺栓孔及其之间布置的钢垫板以及若干橡胶垫片，将四根约束构件连为一体。钢垫板的厚度大于H形内核构件的翼缘厚度，并通过调节橡胶垫片的厚度，使得在高强度螺栓预紧力下约束构件表面与H形内核构件表面间保持1mm～2mm的间隙，该间隙由粘贴在H形内核构件表面的硬质橡胶填充，以满足H形内核构件受压膨胀向横向扩展的需要。

Description

一种H形截面装配式防屈曲支撑构件

技术领域

本专利涉及一种新型防屈曲支撑构件，属于结构工程技术领域。

技术背景

在日本阪神地震与美国北岭地震之后，防屈曲支撑构件因其极佳的耗能减震性能为结构设计人员广为接受，并在一些发达国家得到大量且快速的推广应用。防屈曲支撑构件一般由内核构件与外围约束构件两部分组成。根据其外围约束材料以及组合情况可分为三类，即钢筋混凝土外围约束截面，钢与混凝土组合外围约束截面(一般钢管外置，混凝土内置且混凝土与内核之间通过隔离剂分离)，全钢装配式外围约束截面。受压内核构件的材料一般为低屈服点高延性钢材，截面形式多为“一”字形或“十”字形。一般在内核构件表面涂装特制的无粘结材料，而且在外围构件表面与内核构件表面之间预留一定的间隙，以防止内核构件受压时发生横向膨胀而被塞死。在小震作用下，防屈曲支撑构件的内核构件保持弹性，为主体结构提供足够的抗侧刚度；在中震和大震作用下，内核构件会率先进入屈服，对主体框架起到保护的作用，并消耗大量的地震输入能量。防屈曲支撑构件兼具“耗能”与“支撑”的双重功用，在地震设防烈度较高的区域，其被视为最好的消能减震构件之一，近几年来防屈曲支撑结构体系在我国的高层建筑也开始采用。

通常采用的钢筋混凝土外围约束截面以及钢与混凝土组合外围约束截面主要存在以下缺点：(1)这类构件的制作精度往往要求高，进而导致制作费用增加，特别在浇注混凝土时，很难保证内核构件与外围约束构件之间的预留间隙满足精度方面的要求；(2)浇注混凝土等湿作业给制作与施工带来了影响，其精度控制难度大；(3)涂装在内核构件表面的隔离材料多采用环氧树脂，品种单一，其耐久性差，易于从内核表面脱离。

为解决上述问题，作者也曾经提出一种全钢装配式防屈曲支撑构件[200910081817.5]，采用四根槽形截面热轧型钢捆绑起来进而约束一根“一”字形内核构件，但由于内核构件面积较小，屈服荷载有限，还不能满足工程上日益需要的截面种类与超大支撑力的要求。

为此，本专利提出一种H形截面的新型装配式防屈曲支撑构件，相比一般防屈曲支撑构件而言，内核超大的截面积使得其支撑力大大提高。这种防屈曲支撑构件的内核构件由三块板焊接而成的H形截面构件组成；在H形内核构件腹板两侧，采用带外伸钢板带的矩形截面钢管作为其约束构件，而在内核H形截面翼缘外侧的约束构件采用“一”字板或者刚度更大的带外伸钢板带的矩形截面钢管的形式；其中带外伸钢板带的矩形截面构件采用“一”字板与热轧槽形截面对焊而成，或直接采用四块钢板焊接而成。无论H形内核构件腹板两侧的矩形截面钢管，还是H形内核构件翼缘外侧的矩形截面钢管，均可以在其内部填充混凝土材料，以增强其外围约束刚度并提高板件的局部稳定性。上述“一”字形板或矩形截面钢管捆绑成一体形成外围约束构件，使得内核构件受压屈服时外围约束构件能提供足够大的约束作用。外围构件的捆绑作用通过“一”字形板端部或矩形截面钢管的外伸钢板带上的高强度螺栓连接来实现，在板件之间设置能穿过高强度螺栓的钢垫板，以保证高强度螺栓预紧力不直接传递到内核截面表面。钢垫板与外围约束构件的板件之间设置若干个橡胶垫片，以方便调节外围约束构件与内核构件之间的连接距离，弥补构件制作与安装时产生的几何偏差。外围约束构件的表面与内核构件的表面之间采用硬质橡胶隔离，其厚度一般控制在1mm～2mm，以满足内核构件受压膨胀量的要求。

本专利的优点主要体现在以下七个方面：(1)内核构件与外围约束构件采用现场装配，施工方便且节约成本；(2)外围约束构件包含矩形截面钢管，在其管内可以浇注混凝土材料，这种直接在管内浇注混凝土的形式比采用钢与混凝土组合截面的防屈曲构件在处理混凝土表面与内核构件之间的精度控制方面更方便、更简洁；(3)所有钢构件均可以在工厂制作，加工精度容易控制；(4)采用螺栓连接，既方便现场装配，又可以通过增加与减少钢垫板与外围约束构件之间的橡胶垫片的数量实现内核构件与外围约束构件表面之间距离的调整，从而使防屈曲构件获得最佳的滞回性能；(5)内核构件与外围约束构件二者表面之间采用硬质橡胶隔离，不仅耐久性好，而且其制作厚度容易控制与调整；(6)容易调节两个方向的约束刚度比，满足防屈曲支撑构件绕两个主轴的稳定性要求；(7)具备超大的承载力，补充了现有防屈曲支撑构件的种类、外围约束的截面形式以及连接方式，为结构设计与加固提供更大的选择范围。

发明内容

本专利提出一种H形截面装配式防屈曲支撑构件，旨在提供一种具备更大承载力的新型全钢装配式支撑消能构件，为结构提供充足的抗侧刚度，并在中震和大震作用下保护主体结构且耗散地震输入能量。

一种H形截面装配式防屈曲支撑构件，其特征在于，由以下部件组成：H形内核构件，约束构件，硬质橡胶，钢垫板，橡胶垫片，高强度螺栓，混凝土；

所述H形内核构件由三块钢板通过焊接组成；在H形内核构件的被四根约束构件包裹的区域表面粘贴硬质橡胶；

所述约束构件共四根，其长度小于H形内核构件的长度；所述约束构件分为两类，分别为H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一、H形内核构件翼缘外侧的约束平钢板，或者分别为H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一、H形内核构件翼缘外侧的约束方矩管二；其中，H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一是由四块平钢板焊接而成的，并使得与H形内核构件的翼缘平行放置的两块平钢板的相同一侧形成两道等宽的外伸钢板带，或者由一根热轧槽钢和一块平钢板焊接组成，并使得热轧槽钢的两分肢端部形成两道等宽的外伸钢板带；H形内核构件翼缘外侧的约束方矩管二是由四块平钢板通过焊接组成的，并使得与H形内核构件翼缘平行且毗邻的平钢板两侧形成两道等宽的外伸钢板带，或者由一根热轧槽钢和一块平钢板通过焊接组成，并使得平钢板两侧形成两道等宽的外伸钢板带；在约束方钢管的外伸钢板带上、约束平钢板的端部的相对应的位置分别开螺栓孔；

将两根约束方矩管一置于H形内核构件的腹板两侧，将两块约束平钢板置于H形内核构件的上、下翼缘外侧，并使约束方钢管一的外伸钢板带上的螺栓孔与约束平钢板的两端的螺栓孔对齐；或者，将两根约束方矩管一置于H形内核构件的腹板两侧，将两根约束方钢管二置于H形内核构件上、下翼缘外侧，并使约束方钢管一的外伸钢板带上的螺栓孔与约束方钢管二的外伸钢板带上的螺栓孔对齐；所述约束方矩管的放置须使得H形内核构件在两端的外伸构件段的长度相同；

在约束构件之间开有螺栓孔的位置放置钢垫板，并在钢垫板与约束构件之间放置橡胶垫片；高强度螺栓穿过约束构件上的螺栓孔、橡胶垫片与钢垫板，通过施加螺栓预紧力将四根约束构件连为一体，形成H形内核构件的外围约束构件；钢垫板的厚度大于H形内核构件的翼缘厚度，并通过调节橡胶垫片的厚度，使得在高强度螺栓的预紧力作用下约束构件的表面与H形内核构件的表面间形成1mm～2mm的间隙，此间隙由粘贴在H形内核构件表面的硬质橡胶填充；

保持约束方钢管一与约束方钢管二的管内中空，或在其内浇注混凝土；

所述防屈曲支撑构件的H形内核构件在端部对其翼缘板进行外扩，其与框架结构的连接通过连接板及高强度螺栓按照通用做法实现。

本专利给出的这种H形截面装配式防屈曲支撑构件，由于其内核面积的增大，因而具备超大的承载力；而且多采用螺栓连接，方便现场装配，可有效节省施工成本。这种H形截面装配式防屈曲支撑构件是一种经济性好，抗震效果优越的新型抗侧力耗能构件。

附图说明

图1为一种H形截面装配式防屈曲支撑构件的截面图，当H形内核构件的翼缘外侧的约束构件采用平钢板时；

图2为一种H形截面装配式防屈曲支撑构件的截面图，当H形内核构件的翼缘外侧的约束构件采用方矩管时；

图3为H形内核构件的截面分解图；

图4为H形内核构件的腹板外侧的约束方钢管的组成图，当其由四块平钢板焊接而成时；

图5为H形内核构件的腹板外侧的约束方钢管的组成图，当其由一根热轧槽钢与一块平钢板焊接而成时；

图6为H形内核构件的翼缘外侧的约束方钢管的组成图，当其由四块平钢板焊接而成时；

图7为H形内核构件的翼缘外侧的约束方钢管的组成图，当其由一根热轧槽钢与一块平钢板焊接而成时；

图8为约束构件的螺栓连接的组成图；

图9为一种H形截面装配式防屈曲支撑构件的三维图，当H形内核构件的翼缘外侧的约束构件采用平钢板时；

图10为一种H形截面装配式防屈曲支撑构件的三维分解图，当H形内核构件的翼缘外侧的约束构件采用平钢板时；

图11为一种H形截面装配式防屈曲支撑构件的三维图，当H形内核构件的翼缘外侧的约束构件采用方矩管时；

图12为一种H形截面装配式防屈曲支撑构件的三维分解图，当H形内核构件的翼缘外侧的约束构件采用方矩管时；

具体实施方式

下面结合附图1～12，详细说明本专利的实施方式。

如图1、2所示，一种H形截面装配式防屈曲支撑构件包括以下部件：

1——H形内核构件；

2——约束构件，其中包括2-1——H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一；2-2——H形内核构件翼缘外侧的约束平钢板；2-3——H形内核构件翼缘外侧的约束方矩管二；

3——硬质橡胶；

4——钢垫板；

5——橡胶垫片；

6——高强度螺栓；

7——混凝土；

如图3所示，所述H形内核构件(1)由三块钢板(8)、(9)、(10)通过焊接组成；如图3、10、12所示，在H形内核构件(1)的被四根约束构件包裹的区域表面粘贴硬质橡胶(3)；

所述约束构件(2)共四根，其长度小于H形内核构件的长度；所述约束构件(2)分为两类，如图1、9、10所示，分别为H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一(2-1)、H形内核构件翼缘外侧的约束平钢板(2-2)，或者如图2、11、12所示，分别为H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一(2-1)、H形内核构件翼缘外侧的约束方矩管二(2-3)；如图4所示，H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一(2-1)由四块平钢板(11)、(12)、(13)、(14)焊接而成，并使得与H形内核构件的翼缘平行放置的两块平钢板(13)、(14)的相同一侧形成两道等宽的外伸钢板带，或如图5所示由一根热轧槽钢(15)和一块平钢板(16)焊接组成，并使得热轧槽钢(15)的两分肢端部形成两道等宽的外伸钢板带；如图6所示，H形内核构件翼缘外侧的约束方矩管二(2-3)由四块平钢板(17)、(18)、(19)、(20)通过焊接组成，并使得与H形内核构件翼缘平行且毗邻的平钢板(17)两侧形成两道等宽的外伸钢板带，或如图7所示由一根热轧槽钢(21)和一块平钢板(17)通过焊接组成，并使得平钢板(17)两侧形成两道等宽的外伸钢板带；如图10、12所示，在约束方钢管一(2-1)的外伸钢板带上、约束平钢板(2-2)的端部或约束方钢管二(2-3)的外伸钢板带上的相对应的位置分别开螺栓孔(22)；

如图1、9所示，将两根约束方矩管一(2-1)置于H形内核构件(1)的腹板两侧，将两块约束平钢板(2-2)置于H形内核构件(1)的上、下翼缘外侧，并使约束方钢管一(2-1)的外伸钢板带上的螺栓孔(22)与约束平钢板(2-2)的两端的螺栓孔(22)对齐；或者如图2、11所示，将两根约束方矩管一(2-1)置于H形内核构件(1)的腹板两侧，将两根约束方钢管二(2-3)置于H形内核构件(1)上、下翼缘外侧，并使约束方钢管一(2-1)的外伸钢板带上的螺栓孔(22)与约束方钢管二(2-3)的外伸钢板带上的螺栓孔(22)对齐；所述约束方矩管(2)的放置须使得H形内核构件(1)在两端的外伸构件段的长度相同；

如图1、2、8所示，在约束构件之间开有螺栓孔(22)的位置放置钢垫板(4)，并在钢垫板(4)与约束构件之间放置橡胶垫片(5)；高强度螺栓(6)穿过约束构件上的螺栓孔(22)、橡胶垫片(5)与钢垫板(4)，通过施加螺栓预紧力将四根约束构件连为一体，形成H形内核构件(1)的外围约束构件；钢垫板(4)的厚度大于H形内核构件(1)的翼缘厚度，并通过调节橡胶垫片(4)的厚度，使得在高强度螺栓的预紧力作用下约束构件的表面与H形内核构件(1)的表面间形成1mm～2mm的间隙，此间隙由粘贴在H形内核构件(1)表面的硬质橡胶(3)填充；

如图1、2所示，保持约束方钢管一(2-1)与约束方钢管二(2-3)的管内中空，或在其内浇注混凝土(7)；

如图9、10、11、12所示，所述防屈曲支撑构件的H形内核构件(1)在端部对其翼缘板进行外扩，其与框架结构的连接通过连接板及高强度螺栓按照通用做法实现。

对这种H形截面装配式防屈曲支撑构件的设计主要包括以下两个方面：

(1)外围约束构件与内核构件约束比要求：约束比ζ定义为防屈曲支撑整体弹性屈曲荷载与内核构件屈服荷载的比值：

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

其中，E₁I₁为内核构件的弯曲刚度，E₂I₂为外围约束构件的弯曲刚度，L为支撑的长度，A₁为内核构件的截面面积，f_y1为内核构件的钢材屈服强度；取ζ在1.8～2.0之间，就能保证外围约束构件对内核构件产生足够的约束作用；

(2)外围约束构件的捆绑作用要求：外围约束构件之间的连接须有一定的强度与刚度要求，即连接螺栓的大小以及螺栓设置的间距须满足一定要求，以防止在内核压力达到屈服时外围构件之间的连接破坏而导致其捆绑作用失效。

高强度螺栓连接的计算的原则是：在考虑防屈曲支撑构件具有一定几何初始缺陷的情况下，其内核构件在反复荷载作用下不仅具有完整饱满以及一定循环次数的滞回曲线，而且内核构件对外围约束构件的作用力不致使得外围约束构件的捆绑作用失效。

Claims

1.一种H形截面装配式防屈曲支撑构件，其特征在于，由以下部件组成：H形内核构件，约束构件，硬质橡胶，钢垫板，橡胶垫片，高强度螺栓，混凝土。

2.根据权利要求1所述的H形截面装配式防屈曲支撑构件，其特征在于，所述H形内核构件由三块钢板通过焊接组成；在H形内核构件的被四根约束构件包裹的区域表面粘贴硬质橡胶。

3.根据权利要求1所述的H形截面装配式防屈曲支撑构件，其特征在于，所述约束构件共四根，其长度小于H形内核构件的长度；所述约束构件分为两类，分别为H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一、H形内核构件翼缘外侧的约束平钢板，或者分别为H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一、H形内核构件翼缘外侧的约束方矩管二；其中，H形内核构件腹板两侧的约束方矩管一是由四块平钢板焊接而成的，并使得与H形内核构件的翼缘平行放置的两块平钢板的相同一侧形成两道等宽的外伸钢板带，或者由一根热轧槽钢和一块平钢板焊接组成，并使得热轧槽钢的两分肢端部形成两道等宽的外伸钢板带；H形内核构件翼缘外侧的约束方矩管二是由四块平钢板通过焊接组成的，并使得与H形内核构件翼缘平行且毗邻的平钢板两侧形成两道等宽的外伸钢板带，或者由一根热轧槽钢和一块平钢板通过焊接组成，并使得平钢板两侧形成两道等宽的外伸钢板带；在约束方钢管的外伸钢板带上、约束平钢板的端部的相对应的位置分别开螺栓孔。

4.根据权利要求1或3所述的H形截面装配式防屈曲支撑构件，其特征在于，将两根约束方矩管一置于H形内核构件的腹板两侧，将两块约束平钢板置于H形内核构件的上、下翼缘外侧，并使约束方钢管一的外伸钢板带上的螺栓孔与约束平钢板的两端的螺栓孔对齐；或者，将两根约束方矩管一置于H形内核构件的腹板两侧，将两根约束方钢管二置于H形内核构件上、下翼缘外侧，并使约束方钢管一的外伸钢板带上的螺栓孔与约束方钢管二的外伸钢板带上的螺栓孔对齐；所述约束方矩管的放置须使得H形内核构件在两端的外伸构件段的长度相同。

5.根据权利要求1所述的H形截面装配式防屈曲支撑构件，其特征在于，在约束构件之间开有螺栓孔的位置放置钢垫板，并在钢垫板与约束构件之间放置橡胶垫片；高强度螺栓穿过约束构件上的螺栓孔、橡胶垫片与钢垫板，通过施加螺栓预紧力将四根约束构件连为一体，形成H形内核构件的外围约束构件；钢垫板的厚度大于H形内核构件的翼缘厚度，并通过调节橡胶垫片的厚度，使得在高强度螺栓的预紧力作用下约束构件的表面与H形内核构件的表面间形成1mm～2mm的间隙，此间隙由粘贴在H形内核构件表面的硬质橡胶填充。

6.根据权利要求1所述的H形截面装配式防屈曲支撑构件，其特征在于，保持约束方钢管一与约束方钢管二的管内中空，或在其内浇注混凝土。