CN101974950A - 棒式芯杆屈曲约束钢支撑 - Google Patents
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Abstract
本发明具体为一种棒式芯杆屈曲约束钢支撑，解决了现有屈曲约束支撑的消能段各向刚度和稳定性差异大且支撑安装难、约束构造复杂的问题。核心主受力部件由消能段、转换段和安装段组成，消能段为实心钢棒或者空心钢管；外部约束钢部件由局部约束钢件和整体约束钢件组成，局部约束钢件包括芯杆钢套筒，整体约束钢件包括固定在芯杆钢套筒外侧的拓延钢架以及辅助钢筒；两转换段中的其中一段与转换段钢筒摩擦接触且与芯杆钢套筒及拓延钢架间留有间隙。该支撑的消能段截面各向尺寸均匀，消除了不同方向的刚度及稳定性差异，局部稳定承载力和整体防屈曲能力高，在大轴向压应变及强震下的工作可靠性高，且安装方便，适用于工程抗震设防和加固。
Description
技术领域
本发明涉及结构工程抗震防灾领域，尤其涉及工程结构中的的屈曲约束支撑，具体为一种棒式芯杆屈曲约束钢支撑。
背景技术
传统钢支撑可在受拉时屈服并消能，但在受压时会发生屈曲失稳，受压承载力低，无法屈服消能，其抗震性能不好。屈曲约束支撑是一种受压下不发生屈曲失稳的轴心受力构件，又称防压曲支撑，屈曲约束支撑在主受力部件的周围设置约束部件，使主受力部件在受压时不致屈曲失稳，从而达到全截面塑性屈服。在水平地震往复作用下，屈曲约束支撑的主受力部件不仅在轴心受拉作用时能够屈服，在受压时也能屈服，从而有效消耗地震输入结构中的能量，减小结构的水平侧移变形，起到高效减震防灾的功效。
屈曲约束支撑一般由主受力部件、约束部件组成。主受力部件和约束部件均采用钢材制造时，形成全钢型屈曲约束支撑，其便于减少工序，缩短制造周期。
屈曲约束支撑的主受力部件用于承受轴心拉压力作用并产生屈服耗能，多位于支撑内部。主受力部件沿轴向一般分为消能段、转换段和安装段。消能段是轴心拉压力作用下全截面产生屈服的区段，常见截面多为长方形、十字形、工字形等薄壁截面。安装段是将支撑与结构连接的区段，其受力应处于弹性阶段，安装段设置在支撑的两端，用于将支撑与工程结构连接起来，安装段主要承受轴心力，并传递到消能段，安装段应尽量采用铰接以减小弯矩作用，防止消能段偏心受力。转换段是消能段与工程结构连接之前的一个过渡，转换段既要避免象消能段那样屈服，又要防止屈曲失稳，并转换到安装段而脱离约束。
约束部件用于防止主受力部件屈曲失稳，多设在主受力部件的外围。主受力部件应避免通过粘结、摩擦或机械作用向约束部件传递轴力，保证主受力部件屈服耗能而约束部件不发生屈服。
现有的全钢型屈曲约束支撑，多采用薄壁钢件充当消能段，其存在下列方面的问题：
一方面，消能段薄壁钢件的薄壁肢件在厚度方向及其正交方向的尺寸、刚度及稳定性相差悬殊，导致约束构造复杂，约束可靠性不易保证，在轴向动态压应变较大时容易发生局部高阶屈曲失稳，耗能性能得不到保证，在强震动力作用下的工作可靠性差；另一方面，制作工艺困难，质量不易保证；而且，支撑安装段构造不合理，与工程结构的连接安装往往很困难，原因是支撑的安装连接多是在工程结构的节点梁柱构件及节点连接件施工安装之后进行的，在支撑安装过程中往往产生支撑不易就位、不易临时固定或者就位后附加连接件不宜安装等问题，不利于工程应用。
发明内容
本发明为了解决现有屈曲约束支撑的消能段钢肢件在不同方向的刚度和稳定性差异较大以及由此导致的局部稳定性差且支撑施工安装难、约束结构构造复杂的问题，提供了一种各向刚度稳定性均匀、性能优良、安装连接容易且结构简单的棒式芯杆屈曲约束钢支撑。
本发明是采用如下技术方案实现的：棒式芯杆屈曲约束钢支撑，包括核心主受力钢部件和外部约束钢部件，核心主受力钢部件包括位于其中部的消能段、固定在消能段轴向两端的转换段和固定在两个转换段外侧的安装段，消能段为实心钢棒或空心钢管，安装段包括接头钢板和沿其轴向正交固定的加劲钢板；外部约束钢部件包括局部约束钢件和整体约束钢件，局部约束钢件包括套在消能段四周且与消能段之间为空气间隙的芯杆钢套筒，整体约束钢件包括固定在芯杆钢套筒外侧的拓延钢架以及辅助钢筒，拓延钢架包括沿芯杆钢套筒轴线且固定在其外壁的轴向拓延钢板或/和垂直于芯杆钢套筒轴线且固定在其外壁的横向拓延钢板，辅助钢筒包括套在转换段上的转换段钢筒；两段转换段中的其中一段与转换段钢筒相互摩擦接触且与芯杆钢套筒及拓延钢架之间留有间隙。
由于消能段为各向尺寸较均匀的实心钢棒或为空心的薄壁闭口截面，因而消能段芯杆截面尺寸在各向对称或多向对称，各方向的尺寸较均匀，各方向的局部稳定承载力均匀、防屈曲能力高。消能段的截面采用空心钢管围套起来对钢棒的高阶屈曲进行约束十分有效而方便。制作时，将实心钢棒或空心钢管进行一般切割即可完成消能段的下料，将钢棒或钢管直接穿入芯杆钢套筒中完成消能段的局部屈曲约束，再在空心套管上固定少量的轴向或横向拓延钢件以及辅助钢筒，完成消能段及其局部约束钢筒的整体约束。在芯杆钢套筒上固定拓延钢架以防止其整体失稳，通过对钢棒的局部屈曲进行约束并对其整体稳定进行约束，实现对核心主受力部件的侧向约束。
两段安装段中的其中一段的接头钢板的数量为一块，接头钢板外部的加劲钢板位于接头钢板一侧。
两段安装段中的其中一段的接头钢板为板面相互平行且留有间隙的两块钢板。
安装段接头钢板的数量为一块时，接头钢板外部的加劲钢板位于接头钢板的一侧，从而接头钢板可与工程结构节点处的连接板直接相靠并连接固定，其与工程结构的连接安装十分容易。支撑安装段采用两块相互平行且留有间隙的接头钢板时，成为具有卡槽的安装段，当支撑在工程结构上安装连接时，将卡槽夹套住结构节点处的连接板或附加连接件，再进行固定即可，解决了施工安装的老大难问题。
转换段固定有若干与其轴线垂直的横隔板。
两段转换段中的另一段与转换段钢筒连接固定且与芯杆钢套筒连接固定。
实心钢棒的数量至少为两根，且实心钢棒平行固定。
转换段上固定的横隔板可使转换段在发生横向挠曲偏移时，转换段钢筒的筒壁受力均匀，防止筒壁的局部受力破坏；两段转换段中的另一段与转换段钢筒连接固定且与芯杆钢套筒连接固定，目的是既能防止外部约束钢部件在支撑上随机滑动，又可不妨碍核心主受力钢部件的自由拉压变形；消能段的实心钢棒采用两根以上的钢棒束，消能段的材料来源更加方便，可以使消能段更加容易取材和制作。
辅助钢筒还包括套在拓延钢架四周的消能段钢套筒，转换段钢筒外端固定有使辅助钢筒的内腔呈密封状态的端盖，消能段钢套筒与拓延钢架固定且与转换段钢筒固定。
设置辅助钢筒可进一步防止其整体失稳，提高支撑在大的轴向压应变及强震动态作用下的工作可靠性；设置消能段钢套筒以及转换段钢筒外端的端盖，可对支撑的核心主受力钢部件进行密封、防腐、提高支撑的耐久性。
本发明所述的棒式芯杆屈曲约束钢支撑具有以下优点：
一、核心主受力部件消能段的局部稳定性好，防屈曲能力高。由于消能段为各向尺寸较均匀的实心截面或为空心的薄壁闭口截面，具体为实心钢棒或空心钢管，因而消能段芯杆截面尺寸在各向对称或多向对称，各方向的尺寸较均匀，各方向的局部稳定承载力均匀、防屈曲能力高。相比较地，薄壁开口截面的消能段，其截面厚度远小于截面长度，消能段刚度在各向差别悬殊，截面厚度方向的稳定性远小于长度方向的稳定性，消能段在轴向压力下易发生沿厚度方向的高阶局部屈曲失稳。
二、对消能段的约束可靠、受力及构造简明。一方面，为了防止消能段局部失稳，采用钢管围套的方法进行侧向约束十分有效而方便，本发明采用空心钢管围套起来对钢棒的高阶局部屈曲进行约束，另一方面，消能段围套空心钢管后为了进一步防止其整体失稳，在空心套管上固定拓延钢架和设置辅助钢筒，通过对钢棒的局部屈曲进行约束并对其整体稳定进行约束，实现对核心主受力部件的有效侧向约束，受力明确，结构简明，且在大的轴向压应变及强震动态作用下的工作可靠性高、耗能性能稳定性优良。
三、施工安装连接得以简化。由于屈曲约束支撑为斜向构件，在工程施工安装中，为避免支撑临时固定难的问题，往往在工程结构的框架梁柱及其与支撑的连接件施工完毕之后，再安装屈曲约束支撑，这样，在支撑安装中，往往出现支撑不易就位的困难，或者支撑临时就位后不宜连接固定，往往要附加不少帮条连接板，造成接合部分长易发生屈曲，且在螺栓连接时极易出现螺栓孔错位、螺杆无法就位等问题，一直是连接安装中的老大难问题。本发明的安装段接头钢板的数量为一块时，接头钢板外部的加劲钢板位于接头钢板的一侧，从而接头钢板可与工程结构节点处的连接板直接相靠并连接固定，其与工程结构的连接安装十分容易。支撑安装段采用两块相互平行且留有间隙的接头钢板时，成为具有卡槽的安装段，当支撑在工程结构上安装连接时，将卡槽夹套住结构节点处的连接板或附加连接件，再进行固定即可，大大简化了施工安装。
四、制作容易，造价较低。本发明的钢支撑制作时，将实心钢棒或空心钢管进行一般切割即可完成消能段的下料，将钢棒或钢管直接穿入芯杆钢套筒中完成消能段的局部屈曲约束，再在空心套管上固定少量的轴向或横向拓延钢件以及辅助钢套筒，完成消能段及其局部约束钢筒的整体约束，制作容易，消能段的焊接操作少，质量高，造价低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的俯视示意图；
图3为图1的A-A剖视图；
图4为图1的B-B剖视图；
图5为图1的C-C剖视图；
图6为图1的D-D剖视图；
图7为图2的E-E剖视图；
图8为本发明的第二种结构示意图；
图9为图8的俯视示意图；
图10为图8的F-F剖视图；
图11为图8的G-G剖视图；
图12为图8的H-H的剖视图；
图13为图9的J-J剖视图；
图中：1-消能段，2-转换段，3-接头钢板，4-加劲钢板，5-安装段，6-芯杆钢套筒，7-转换段钢筒，8-轴向拓延钢板，9-横向拓延钢板，10-横隔板，11-端盖，12-消能段钢套筒。
具体实施方式
棒式芯杆屈曲约束钢支撑，包括核心主受力钢部件和外部约束钢部件，核心主受力钢部件包括位于其中部的消能段1、固定在消能段1轴向两端的转换段2和固定在两个转换段2外侧的安装段5，消能段1为实心钢棒或空心钢管，安装段5包括接头钢板3和沿其轴向正交固定的加劲钢板4；外部约束钢部件包括局部约束钢件和整体约束钢件，局部约束钢件包括套在消能段1四周且与消能段1之间为空气间隙的芯杆钢套筒6，整体约束钢件包括固定在芯杆钢套筒6外侧的拓延钢架以及辅助钢筒，拓延钢架包括沿芯杆钢套筒6轴线且固定在其外壁的轴向拓延钢板8或/和垂直于芯杆钢套筒6轴线且固定在其外壁的横向拓延钢板9，辅助钢筒包括套在转换段2上的转换段钢筒7；两段转换段2中的其中一段与转换段钢筒7相互摩擦接触且与芯杆钢套筒6及拓延钢架之间留有间隙。两段安装段5中的其中一段的接头钢板3的数量为一块，接头钢板3外部的加劲钢板4位于接头钢板3一侧；两段安装段5中的其中一段的接头钢板3为板面相互平行且留有间隙的两块钢板；转换段2固定有若干与其轴线垂直的横隔板10；两段转换段2中的另一段与转换段钢筒7连接固定且与芯杆钢套筒6连接固定；实心钢棒的数量至少为两根，且实心钢棒平行固定；辅助钢筒还包括套在拓延钢架四周的消能段钢套筒12，转换段钢筒7外端固定有使辅助钢筒的内腔呈密封状态的端盖11，消能段钢套筒12与拓延钢架固定且与转换段钢筒7固定。具体实施过程中，实心钢棒的截面为圆形或正多边形，芯杆钢套筒6为圆形筒或多边形筒。
Claims (7)
1.一种棒式芯杆屈曲约束钢支撑，包括核心主受力钢部件和外部约束钢部件，其特征在于：核心主受力钢部件包括位于其中部的消能段（1）、固定在消能段（1）轴向两端的转换段（2）和固定在两个转换段（2）外侧的安装段（5），消能段（1）为实心钢棒或空心钢管，安装段（5）包括接头钢板（3）和沿其轴向正交固定的加劲钢板（4）；外部约束钢部件包括局部约束钢件和整体约束钢件，局部约束钢件包括套在消能段（1）四周且与消能段（1）之间为空气间隙的芯杆钢套筒（6），整体约束钢件包括固定在芯杆钢套筒（6）外侧的拓延钢架以及辅助钢筒，拓延钢架包括沿芯杆钢套筒（6）轴线且固定在其外壁的轴向拓延钢板（8）或/和垂直于芯杆钢套筒（6）轴线且固定在其外壁的横向拓延钢板（9），辅助钢筒包括套在转换段（2）上的转换段钢筒（7）；两段转换段（2）中的其中一段与转换段钢筒（7）相互摩擦接触且与芯杆钢套筒（6）及拓延钢架之间留有间隙。
2.根据权利要求1所述的棒式芯杆屈曲约束钢支撑，其特征在于：两段安装段（5）中的其中一段的接头钢板（3）的数量为一块，接头钢板（3）外部的加劲钢板（4）位于接头钢板（3）一侧。
3.根据权利要求1所述的棒式芯杆屈曲约束钢支撑，其特征在于：两段安装段（5）中的其中一段的接头钢板（3）为板面相互平行且留有间隙的两块钢板。
4.根据权利要求1或2或3所述的棒式芯杆屈曲约束钢支撑，其特征在于：转换段（2）固定有若干与其轴线垂直的横隔板（10）。
5.根据权利要求1或2或3所述的棒式芯杆屈曲约束钢支撑，其特征在于：两段转换段（2）中的另一段与转换段钢筒（7）连接固定且与芯杆钢套筒（6）连接固定。
6.根据权利要求1或2或3所述的棒式芯杆屈曲约束钢支撑，其特征在于：实心钢棒的数量至少为两根，且实心钢棒平行固定。
7.根据权利要求1或2或3所述的棒式芯杆屈曲约束钢支撑，其特征在于：辅助钢筒还包括套在拓延钢架四周的消能段钢套筒（12），转换段钢筒（7）外端固定有使辅助钢筒的内腔呈密封状态的端盖（11），消能段钢套筒（12）与拓延钢架固定且与转换段钢筒（7）固定。
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