CN101974948B - 一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件 - Google Patents

Abstract

一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件，属于结构工程领域。由一字形内核构件和外围约束构件组成。一字形内核构件采用低屈服点高延性平钢板，并在其表面粘贴硬质橡胶。外围约束构件由两根带外伸钢板带的约束方钢管捆绑而成。捆绑作用通过对方钢管进行高强度螺栓连接实现，高强度螺栓穿过方钢管的外伸钢板带上的螺栓孔及其之间布置的钢垫板以及若干橡胶垫片，将两根方钢管连为一体。钢垫板的厚度大于一字形内核构件的厚度，并通过调节橡胶垫片的厚度，使得在高强度螺栓预紧力下外围约束构件表面与一字形内核构件表面间保持1mm～2mm的间隙，该间隙由粘贴在一字形内核构件表面的硬质橡胶填充，以满足一字形内核构件受压膨胀的需要。

Description

一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件

技术领域

本发明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

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。1994年美国北岭地震和1995年日本神户地震后，工程师开始意识到防屈曲支撑构件在消能减震上具有卓越效果，在日本和美国大量的工程项目中开始采用。至今，日本已有超过300栋建筑、美国也有不少于30栋已建和在建的建筑使用了防屈曲支撑体系。

目前，防屈曲支撑构件的截面种类按照外围约束材料、构件以及组合形式可以分为三类，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与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，防屈曲支撑构件被认为是最好的消能减震构件之一，近几年来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要求高，导致制作费用增加，特别在浇注混凝土时，无论采用何种精致的模板材料与支撑方法，都很难保证内核与外围之间的预留精度要求；(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。

申请人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，可解决上述混凝土湿作业与精度控制方面的问题。

除上述全钢装配式防屈曲支撑构件[200910081817.5]外，本专利提出的一种双矩管对扣的新型装配式防屈曲支撑构件，也能彻底解决上述问题。这种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件的外围约束截面由两根带外伸钢板带的矩形钢管捆绑组成，矩形钢管内可浇注混凝土；内核受压构件采用低强度高延性的一字形截面低碳钢板。外围矩形钢管的捆绑作用是通过在其外伸钢板带上的高强度螺栓连接而实现的，两个外伸钢板带之间设置能穿过高强度螺栓的钢垫板，钢垫板的厚度大于内核板的厚度，以保证高强度螺栓预张力不直接传递到内核截面表面，而由外围约束构件与钢垫板之间相互平衡。钢垫板与外伸钢板带之间设置若干个圆形橡胶垫片，以帮助调节两个矩形钢管的连接间距，弥补构件制作与安装时产生的几何偏差。外围约束构件与内核构件的表面之间采用硬质橡胶隔离，其厚度控制在1mm～2mm，便能满足内核构件受压膨胀量的要求。

本发明的优点主要有：(1)内核构件与外围约束构件采用现场装配，由于采用螺栓连接，既方便现场装配、节约成本，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；(2)外围约束构件的矩形钢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钢板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)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；(5)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；(6)地震后更换已发生屈服或者屈曲的防屈曲支撑构件非常方便。

发明内容

本发明提出一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件，旨在提供一种新型装配式支撑消能构件，在小震时为结构提供抗侧刚度，并在中震和大震作用下保护主体结构并有效耗能。

一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件包括以下部件：一字形内核构件、约束方钢管、硬质橡胶、钢垫板、橡胶垫片、高强度螺栓、混凝土；

所述一字形内核构件采用低强度高延性的平钢板；在一字形内核构件被约束构件包裹的区域表面粘贴硬质橡胶；

所述约束方钢管共两根，其尺寸均相同，其长度小于一字形内核构件的长度；其由一块平钢板与一块热轧槽钢通过焊接组成，并使得平钢板两端分别形成两道外伸钢板带，或者由四块平钢板通过焊接组成，并使得与一字形内核构件平行且毗邻的平钢板的两端分别形成两道外伸钢板带；在两根约束方钢管的外伸钢板带上的相对应的位置分别开螺栓孔；

将两根约束方钢管分别置于一字形内核构件的两侧，并使得一字形内核构件两端的外伸板件的长度相同，同时使得两根约束方钢管的外伸钢板带上的螺栓孔对齐；在约束方钢管的外伸钢板带之间开有螺栓孔的位置放置钢垫板，并在钢垫板与外伸钢板带之间放置橡胶垫片；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两根约束方钢管连为一体，形成一字形内核构件的外围约束构件；钢垫板的厚度大于一字形内核构件的板件厚度，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方钢管的表面与一字形内核构件的表面间形成1mm～2mm的间隙，此间隙由粘贴在一字形内核构件表面的硬质橡胶填充；

保持约束方钢管的管内中空，或在管内浇注混凝土。

这种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件的一字形内核构件在端部进行外扩，其与框架构件的连接采用通用做法；在一字形内核构件在端部的外伸板件上焊接两块翼板，形成十字形端面，在一字形内核构件的外伸板件上与翼板上开螺栓孔，与框架构件的连接通过连接板及高强度螺栓实现。

附图说明

图1为一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件的截面图；

图2为约束方钢管的截面分解图，当其由一块平钢板和一根热轧槽钢焊接而成时；

图3为约束方钢管的截面分解图，当其由四块平钢板焊接而成时；

图4为约束构件的螺栓连接的组成图；

图5为一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件的三维图；

图6为一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件的三维分解图；

图7为一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件的端部节点放大图。

具体实施方式

下面结合附图1～6，详细说明本专利的实施方式。

如图1所示，一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件包括以下部件：

1——一字形内核构件；

2——约束方钢管；

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1、5、6所示，所述一字形内核构件(1)采用低强度高延性的平钢板；如图6所示，在一字形内核构件(1)被约束构件(2)包裹的区域表面粘贴硬质橡胶(3)；

如图1、5、6所示，所述约束方钢管(2)共两根，其尺寸均相同，其长度小于一字形内核构件(1)的长度；如图2所示，所述约束构件(2)由一块平钢板(8)与一块热轧槽钢(9)通过焊接组成，并使得平钢板(8)两端分别形成两道外伸钢板带(13)，或者如图3所示，由四块平钢板(8)、(10)、(11)、(12)通过焊接组成，并使得与一字形内核构件(1)平行且毗邻的平钢板(8)的两端分别形成两道外伸钢板带(13)；如图6所示，在两根约束方钢管(2)的外伸钢板带(13)上的相对应的位置分别开螺栓孔(14)；

如图1、5所示，将两根约束方钢管(2)分别置于一字形内核构件(1)的两侧，并使得一字形内核构件(1)两端的外伸板件的长度相同，同时使得两根约束方钢管(2)的外伸钢板带(13)上的螺栓孔(14)对齐；如图1、4所示，在约束方钢管(2)的外伸钢板带(13)之间开有螺栓孔(14)的位置放置钢垫板(4)，并在钢垫板(4)与外伸钢板带(13)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(14)、橡胶垫片(5)与钢垫板(4)，通过施加螺栓预紧力将两根约束方钢管连为一体，形成一字形内核构件(1)的外围约束构件；钢垫板(4)的厚度大于一字形内核构件(1)的板件厚度，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方钢管(2)的表面与一字形内核构件(1)的表面间形成1mm～2mm的间隙，此间隙由粘贴在一字形内核构件(1)表面的硬质橡胶(3)填充；

如图1、5所示，保持约束方钢管(2)的管内中空，或在管内浇注混凝土(7)；

如图5、6所示，所述双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件的端部采用通用做法，即一字形内核构件(1)在端部进行外扩，并在端部一字形内核构件(1)的外伸板件上焊接两块翼板(15)，形成十字形端面，与框架构件的连接通过连接板及高强度螺栓实现；如图7所示，为保证翼板(15)的平滑过渡，约束方钢管(2)须开槽口，翼板(15)与约束方钢管(2)间须留有一定的距离g，g为大震作用下一字形内核构件(1)发生的最大压缩变形的一半。

对这种双矩管对扣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的要求：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：

$\mathrm{\ζ}=\frac{{\mathrm{\π}}^2(E_1{I}_1+E_{2}I_2)/L^2}{A_1{f}_{y1}}$

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。为此，高强度螺栓的连接计算可以按照外围约束构件达到其受弯极限承载力时螺栓所受到的最大剪力与最大拉力设计。螺栓连接的计算要考虑到防屈曲构件分别绕两个主轴弯曲的情况，当绕y-y轴弯曲时，垫板的计算要考虑到防屈曲构件内核在其平面内弯曲时对其垫板的最大推力作用。其垫板与螺栓的设计可以按照高强度螺栓承压型连接计算。

Claims (1)

1.一种双矩管对扣装配式防屈曲支撑构件，其特征在于，由以下部件组成：一字形内核构件、约束方钢管、硬质橡胶、钢垫板、橡胶垫片、高强度螺栓；所述一字形内核构件采用低强度高延性的平钢板；在一字形内核构件被约束方钢管包裹的区域表面粘贴硬质橡胶；所述约束方钢管共两根，其尺寸均相同，其长度小于一字形内核构件的长度；其由一块平钢板与一块热轧槽钢通过焊接组成，并使得平钢板两端分别形成两道外伸钢板带，或者由四块平钢板通过焊接组成，并使得与一字形内核构件平行且毗邻的平钢板的两侧分别形成两道外伸钢板带；在两根约束方钢管的外伸钢板带上的相对应的位置分别开螺栓孔；将两根约束方钢管分别置于一字形内核构件的两侧，并使得一字形内核构件两端的外伸板件的长度相同，同时使得两根约束方钢管的外伸钢板带上的螺栓孔对齐；在约束方钢管的外伸钢板带之间开有螺栓孔的位置放置钢垫板，并在钢垫板与外伸钢板带之间放置橡胶垫片；高强度螺栓穿过约束方钢管上的螺栓孔、橡胶垫片与钢垫板，通过施加螺栓预紧力将两根约束方钢管连为一体，形成一字形内核构件的外围约束构件；钢垫板的厚度大于一字形内核构件的板件厚度，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方钢管的表面与一字形内核构件的表面间形成1mm～2mm的间隙，此间隙由粘贴在一字形内核构件表面的硬质橡胶填充；保持约束方钢管的管内中空，或在管内浇注混凝土。

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