CN101982624A

CN101982624A - 一种由四根方矩管捆绑组成的防屈曲支撑构件

Info

Publication number: CN101982624A
Application number: CN 201010515902
Authority: CN
Inventors: 郭彦林; 王小安
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: CN101982624B

Abstract

一种由四根方矩管捆绑组成的防屈曲支撑构件，属于结构工程领域。由十字形内核构件和外围约束构件组成。十字形内核构件由三块平钢板焊接而成，并在其表面粘贴硬质橡胶。外围约束构件由四根带外伸钢板带的方矩管捆绑组成，每根方矩管由两根不同尺寸的等边角钢对焊组成或由四块平钢板焊接而成，方矩管内空置或者浇注混凝土。方矩管间的捆绑作用通过对其外伸钢板带进行高强度螺栓连接实现。高强度螺栓穿过外伸钢板带及其之间布置的钢垫板以及若干橡胶垫片，将四根方矩管连为一体。此时外围约束构件表面与十字形内核构件表面间保持1mm～2mm的间隙，该间隙由粘贴在十字形内核构件表面的硬质橡胶填充，以满足十字形内核构件受压膨胀的需要。

Description

一种由四根方矩管捆绑组成的防屈曲支撑构件

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

目前，防屈曲支撑构件的截面种类按照外围约束材料以及组合情况可以分为三类，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(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为钢材且具有足够的延性要求，目前常用的内核截面形式为“一”字形与“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屈服时由于钢材的泊松效应而引起的横行膨胀而被塞死。采用钢筋混凝土外围约束截面与采用钢与混凝土组合外围约束截面，其存在的问题有：(1)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，其精度控制难度增大；(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。作者也曾经提出了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。

为解决上述问题，本专利提出一种由四根方矩管捆绑组成的防屈曲支撑构件。该防屈曲支撑构件的外围约束构件由四根带外伸钢板带的方矩管捆绑组成，每根带外伸钢板带的方矩管由两根不同尺寸的等边角钢对焊组成或者由四块平钢板焊接而成，方矩管内空置或者浇注混凝土。内核构件采用十字形截面，由三块平钢板焊接而成。外围约束构件的捆绑作用是通过对方矩管上的外伸钢板带进行高强度螺栓连接而实现的；在方矩管的外伸钢板带之间通过设置能穿过高强度螺栓的钢垫板，以保证高强度螺栓预张力不能直接传递到内核截面表面。钢垫板与外伸钢板带之间设置若干橡胶垫片，以方便调节方矩管之间的连接距离，弥补构件制作与安装时产生的几何偏差。外围约束构件与十字形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，方可满足十字形内核构件受压膨胀量的要求。

本发明的优点有：(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)外围约束构件采用方矩管的截面形式，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钢板之间的精度控制更方便、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)采用螺栓连接的优点，一是方便现场装配，二是可以通过增加与减少钢垫板的厚度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，使防屈曲构件获得最佳的受力性能；(5)内核构件与外围约束构件的表面之间采用硬质橡胶隔离，不仅其耐久性好，而且其制作厚度容易控制与调整；(6)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，可供结构设计与加固有更多的选择范围。

发明内容

本发明提出一种由四根方矩管捆绑组成的防屈曲支撑构件，旨在提供一种具备更大承载力的装配式支撑消能构件，为结构提供抗侧力作用，并在中、大震下有效耗能。

一种由四根方矩管捆绑组成的防屈曲支撑构件，其特征在于，由以下部件组成：十字形内核构件，四根方矩管，硬质橡胶，钢垫板，橡胶垫片，高强度螺栓，混凝土；

所述十字形内核构件由两块较窄的平钢板与一块较宽的平钢板通过焊接组成；在十字形内核构件的被四根方矩管包裹的区域表面粘贴硬质橡胶；

所述方矩管共四根，其尺寸均相同，其长度小于十字形内核构件的长度；所述方矩管采用两根不同尺寸的等边角钢对焊组成，或分别采用四块平钢板焊接组成；采用两根不同尺寸的等边角钢对焊时，两根角钢相扣放置并焊接，此时尺寸较大的角钢的两个分肢的端部形成两道相同宽度的外伸钢板带；采用四块平钢板焊接时，其中两块平钢板的宽度大于另两块平钢板的宽度，将较宽的两块平钢板与较窄的两块平钢板首先分别焊接形成两根等边L形的构件，然后再将两根等边L形构件相扣放置并对焊，此时较宽的两块平钢板形成的等边L形构件在其两个分肢的端部形成两道相同宽度的外伸钢板带；在四根方矩管的所有外伸钢板带上相对应的位置分别开螺栓孔；

四根方矩管分别置于十字形内核构件的四个凹角处，并使得十字形内核构件在两端外伸的构件段长度相同，同时使得用于螺栓连接的外伸钢板带相邻放置且保持螺栓孔对齐；在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；高强度螺栓穿过外伸钢板带上的螺栓孔、橡胶垫片与钢垫板，通过施加螺栓预紧力将四根方矩管连为一体，形成十字形内核构件的外围约束构件；钢垫板的厚度大于十字形内核构件的板件厚度，通过调节橡胶垫片的厚度，使得在螺栓预紧力作用下方矩管的表面与十字形内核构件的表面间形成1mm～2mm的间隙，此间隙由粘贴在十字形内核构件表面的硬质橡胶填充；

在四根方矩管中灌注混凝土，或者保持管内中空；

所述防屈曲支撑构件的十字形内核构件在端部外扩，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。

附图说明

图1为所述防屈曲支撑构件的截面图，当方矩管采用两根不同尺寸的角钢对焊时；

图2为所述防屈曲支撑构件的截面图，当方矩管采用四块平钢板焊接时；

图3为十字形内核构件的截面分解图；

图4为方矩管的组装图，当方矩管采用两根不同尺寸的角钢对焊时；

图5为方矩管的组装图，当方矩管采用四块平钢板焊接时；

图6为方矩管螺栓连接的分解图；

图7为所述防屈曲支撑构件的三维图，当方矩管采用两根不同尺寸的角钢对焊时；

图8为所述防屈曲支撑构件的三维分解图，当方矩管采用两根不同尺寸的角钢对焊时；

具体实施方式

下面结合附图1～8，详细说明本专利的具体实施方式。

如图1～2所示，一种由四根方矩管捆绑组成的防屈曲支撑构件包括以下部件：

1——十字形内核构件；

2——方矩管，四根；

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，十字形内核构件(1)由两块较窄的平钢板(8)、(9)与一块较宽的平钢板(10)通过焊接组成；如图3、8所示，在十字形内核构件(1)的被四根方矩管包裹的区域表面粘贴硬质橡胶(3)；

所述方矩管(2)共四根，其尺寸均相同，其长度小于十字形内核构件(1)的长度；如图4所示，所述方矩管(2)采用两根不同尺寸的等边角钢对焊组成，或如图5所示，分别采用四块平钢板(13)、(14)、(15)、(16)焊接组成；采用两根不同尺寸的等边角钢(11)、(12)对焊时，角钢(11)、(12)相扣放置并焊接，形成方矩管(2)，此时尺寸较大的角钢(11)的两个分肢的端部形成两道相同宽度的外伸钢板带(17)；采用四块平钢板(13)、(14)、(15)、(16)焊接时，平钢板(13)、(14)的宽度大于平钢板(15)、(16)的宽度，将平钢板(15)、(16)与平钢板(13)、(14)首先分别焊接形成两根等边L形的构件，然后将两根等边L形构件相扣放置并对焊，形成方矩管(2)，此时平钢板(13)、(14)形成的等边L形构件其两个分肢的端部形成两道相同宽度的外伸钢板带(17)；如图8所示，在四根方矩管的所有外伸钢板带(17)上相对应的位置分别开螺栓孔(18)；

如图1、2、7所示，四根方矩管分别置于十字形内核构件(1)的四个凹角处，并使得十字形内核构件(1)在两端外伸的构件段长度相同，同时使得用于螺栓连接的外伸钢板带相邻放置且保持螺栓孔(18)对齐；如图1、2、6所示，在外伸钢板带之间开有螺栓孔(18)的位置放置钢垫板(4)，并在钢垫板(4)与外伸钢板带之间放置橡胶垫片(5)；高强度螺栓穿过外伸钢板带上的螺栓孔(18)、橡胶垫片(5)与钢垫板(4)，通过施加螺栓预紧力将四根方矩管连为一体，形成十字形内核构件(1)的外围约束构件；钢垫板(4)的厚度大于十字形内核构件(1)的板件厚度，通过调节橡胶垫片(5)的厚度，使得在螺栓预紧力作用下方矩管(2)的表面与十字形内核构件(1)的表面间形成1mm～2mm的间隙，此间隙由粘贴在十字形内核构件(1)表面的硬质橡胶(3)填充；

如图1～2所示，在四根方矩管中灌注混凝土(7)，或者保持管内中空；

如图7、8所示，所述防屈曲支撑构件的十字形内核构件1在端部外扩，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。

对这种由四根方矩管捆绑组成的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

1.一种由四根方矩管捆绑组成的防屈曲支撑构件，其特征在于，由以下部件组成：十字形内核构件，四根方矩管，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所述的防屈曲支撑构件，其特征在于，所述十字形内核构件由两块较窄的平钢板与一块较宽的平钢板通过焊接组成；在十字形内核构件的被四根方矩管包裹的区域表面粘贴硬质橡胶。

3.根据权利要求1所述的防屈曲支撑构件，其特征在于，所述方矩管共四根，其尺寸均相同，其长度小于十字形内核构件的长度；所述方矩管采用两根不同分肢尺寸的等边角钢对焊组成，或采用四块平钢板焊接组成；采用两根不同尺寸的等边角钢对焊时，角钢相扣放置并焊接，此时尺寸较大的角钢的两个分肢的端部形成两道相同宽度的外伸钢板带；采用四块平钢板焊接时，其中两块平钢板的宽度大于另两块平钢板的宽度，将较宽的两块平钢板与较窄的两块平钢板首先分别焊接形成两根等边L形的构件，然后再将两根等边L形构件相扣放置并对焊，此时较宽的两块平钢板形成的等边L形构件在其两个分肢的端部形成两道相同宽度的外伸钢板带；在四根方矩管的所有外伸钢板带上相对应的位置分别开螺栓孔。

4.根据权利要求1所述的防屈曲支撑构件，其特征在于，四根方矩管分别置于十字形内核构件的四个凹角处，并使得十字形内核构件在两端外伸的构件段长度相同，同时使得用于螺栓连接的外伸钢板带相邻放置且保持螺栓孔对齐；在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；高强度螺栓穿过外伸钢板带上的螺栓孔、橡胶垫片与钢垫板，通过施加螺栓预紧力将四根方矩管连为一体，形成十字形内核构件的外围约束构件；钢垫板的厚度大于十字形内核构件的板件厚度，通过调节橡胶垫片的厚度，使得在螺栓预紧力作用下方矩管的表面与十字形内核构件的表面间形成1mm～2mm的间隙，此间隙由粘贴在十字形内核构件表面的硬质橡胶填充。

5.根据权利要求1所述的防屈曲支撑构件，其特征在于，在四根方矩管中灌注混凝土，或者保持管内中空。