CN102900167B - 两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑及其制作方法，两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑包括横截面为一字形的芯板以及套设在所述芯板上的外围约束套筒，所述外围约束套筒的内壁上相对设置两对轴向延伸的槽钢，所述槽钢的开口面或背面与外围约束套筒的内壁固定连接，并且同侧的槽钢间设有间隙，所述芯板卡设在所述间隙内。本两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑通过将芯板的两侧分别卡设在两个约束件的卡槽内实现线接触约束，提高并且利用了芯材抗局部屈曲的能力，不必填充约束料，使得自重大大降低，钢材利用率很高，从而达到了较好的经济性。

Description

两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑及其制作方法

技术领域

本发明涉及建筑结构抗震防灾技术领域，属于结构减震被动控制范畴，具体涉及一种两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑及其制作方法，可用于建筑结构中抵抗水平地震作用，提高结构抗震性能。

背景技术

地震灾害的强随机性与破坏性，会给人类的生命财产安全带来巨大威胁。结构在地震中倒塌的主要原因是其自身的耗能能力不足以消耗地震输入能量，从而导致结构的节点、梁、柱等关键部件发生疲劳损伤断裂破坏。为建筑结构附加耗能减震装置是减小结构地震损伤有效手段，其可使损伤集中于耗能减震装置本身，从而起到保护主体结构，减小结构关键部位构件损伤的作用。

屈曲约束支撑是金属耗能减震装置的一种，其通过耗能核心单元轴向拉压屈服的高效耗能机制，耗散地震输入能量。通常屈曲约束支撑有两种主要形式，即（1）钢管混凝土型屈曲约束支撑；（2）纯钢型屈曲约束支撑。纯钢型屈曲约束支撑较钢管混凝土型屈曲约束支撑轻，加工速度快，精度易控制，质量易保证。

屈曲约束支撑的核心单元在轴向压力作用下有两种屈曲破坏模式，即整体屈曲与局部屈曲。现有的纯钢型屈曲约束支撑，都是通过加劲板等构造措施限制了核心单元的这两种屈曲破坏模式的发生。常见的核心单元有“一”字形板和“十”字形组合断面等。

但是，现有的纯钢型屈曲约束支撑在设计时都忽略了一个重要问题，即没有利用核心单元自身抵抗局部屈曲的能力，加劲约束措施一般采用面面接触，即加劲约束单元在核心单元的整个外表面都紧贴约束，这将不可避免地造成钢材的浪费。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无须使用填充材料，完全通过自身构造起到稳定约束作用的两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑及其制作方法，用于解决现有技术中的上述问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑，包括横截面为一字形的芯板以及套设在所述芯板上的外围约束套筒，所述外围约束套筒的内壁上相对固定设置两个轴向延伸的约束件，每个约束件上具有一条轴向延伸的卡槽，所述芯板的两侧分别卡设在所述两个卡槽内。

进一步地，所述约束件由两块槽钢并排构成，所述卡槽由两块槽钢之间的间隙构成。

进一步地，所述槽钢的开口面与所述外围约束套筒的内壁贴合并且固定连接。

进一步地，所述外围约束套筒的横截面为方形。

进一步地，还包括固定在所述芯板两端的多块加劲板，所述加劲板为自所述芯板表面的中心线向外延伸至与所述外围约束套筒的内壁相接触的平板。

进一步地，所述加劲板与所述芯板垂直固定。

进一步地，所述加劲板位于所述外围约束套筒最内侧的侧边与所述芯板间的夹角为锐角。

本发明还提供一种上述两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，包括以下步骤：（1）制作两个具有卡槽的约束件，所述卡槽的槽宽为芯板厚度；（2）制作拼装外围约束套筒的各壁板，将所述两个约束件分别焊接在组成外围约束套筒并且相对设置的两块壁板上；（3）将芯板的两侧插入所述两个约束件的卡槽内并且固定；（4）将所述各壁板拼装成所述外围约束套筒，并且用对接焊缝焊接固定。

进一步地，上述步骤（1）中，所述约束件由两块槽钢并排构成，所述卡槽由两块槽钢之间的间隙构成。

进一步地，在进行步骤（3）前，在所述芯板两端的两表面焊接加劲板。

通过以上技术方案，本发明具有以下技术效果：

本发明通过利用芯材自身抗局部屈曲的能力，实现芯材屈服而不屈曲的耗能机制，可极大地提高钢材利用效率，减小钢材用量，提高经济性。因此本两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑通过将芯板的两侧分别卡设在两个约束件的卡槽内实现线接触约束，提高并且利用了芯材抗局部屈曲的能力，不必填充约束料，使得自重大大降低，钢材利用率很高，从而达到了较好的经济性。同时芯材屈服前可为结构提供较大的抗侧刚度与承载能力，其作用同普通钢支撑，但由于本发明不会发生整体失稳破坏，材料利用效率更高；芯材屈服后可耗散大量地震输入能量，为结构提供附加阻尼，是一种性能优良的金属阻尼器。

附图说明

图1为本发明两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑的示意图。

图2为图1中A-A向的俯视图。

图3为图1中B-B向的侧视图。

图4为沿图1中C-C的横截面图。

图5为沿图1中D-D的横截面图。

图6为沿图1中E-E的横截面图。

图7为沿图1中F-F的横截面图。

图8为本发明在建筑结构中的布置方式示意图。

元件标号说明：

1-芯板；

2-槽钢；

3-外围约束套筒；

4-加劲板；

5-两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图8。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1及图7示出了本发明两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑的一种实施方式，包括横截面为一字形的芯板1以及套设在芯板上的外围约束套筒3，外围约束套筒的内壁上相对固定设置两个轴向延伸的约束件，每个约束件上具有一条轴向延伸的卡槽，芯板1的两侧分别卡设在两个卡槽内。根据我国《钢结构设计规范》，若仅在“一”字形核心单元的两侧边采用线接触约束，并保证核心钢板的宽厚比不大于（fy为钢材屈服强度标准值）就能使其不发生局部屈曲。本发明正是采用该原理制作，通过将芯板卡设在约束件卡槽中实现线接触约束使芯板不发生局部屈伸。

下面结合上述原理进一步阐述，芯板的屈曲分为整体屈曲和局部屈曲，整体屈曲为芯板以一个正弦曲线半波的形式弯曲失稳，局部屈曲为芯板的边缘发生波浪状的失稳破坏。因此通过约束件的卡槽夹紧芯板用以约束芯板在受压的情况下屈曲，既能防止其发生局部屈曲，也能防止整体屈曲，提高芯板的屈曲承载能力，使其大于芯板的屈服承载力，这样就能使芯板在受压情况下先发生屈服，不发生屈曲，从而达到屈服耗能的目的。本实施例中约束件由两块槽钢2并排构成，两块槽钢之间留有间隙构成上述卡槽。采用槽钢一方面因为其开口槽结构可以节省材料，减轻重量，另一方面槽钢2可以提供良好的抗侧力。

并且理论上槽钢2的开口面方向并无严格限制，若采用槽钢背面固定，槽钢侧壁略显单薄，若采用槽钢开口面与外围约束套筒的内壁固定连接，则可形成一个闭合截面，提供的抗侧力较大，可以提供更好的约束效果，故优选槽钢的开口面与外围约束套筒的内壁固定连接（图3所示）。

外围约束套筒3作为屈曲约束支撑的重要组成部分，需要有足够的抗弯强度，才能确保芯板处于较为理想的轴向拉、压受力状态并产生抗压塑性变形，从而使得屈伸约束支撑发挥优越的耗能性能。理论上外围约束套筒的横截面可以是圆形的也可以是方形的，但是考虑到采用方形截面的外围约束套筒，其壁板可以和槽钢2垂直焊接，方便约束芯板1；若采用圆形截面的外围约束套筒3，则必须对槽钢2进行切削，才能保证和芯板接触的槽钢面是平行的，加工起来比较复杂，故优选外围约束套筒3的横截面为方形。（图5所示）

同时为加强外围约束套筒3的刚度，也使外围约束套筒3对芯板1提供更好的约束作用，芯板两端设置多块加劲板4以加大端部截面。而且芯板端部会承受一定的弯矩作用，需要通过加劲板4与外围约束套筒内部的接触力传递，因此加劲板4为自芯板表面的中心线向外延伸并与外围约束套筒的内壁相接触的平板，如此能约束住芯板端部的转动，更有利于受力。

由于本两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑最终需要安装在建筑结构的梁柱节点处，而梁柱节点处的节点板一般是垂直设置的十字形截面，因此加劲板4与芯板1垂直设置构成十字节点方便连接。同时为避免芯板1受压时，其与加劲板4连接处产生应力集中，加劲板位于所述外围约束套筒最内侧的侧边与芯板间的夹角为锐角，这样相比直角连接，过渡更加平缓，加劲板4采用直角梯形板等具有斜边的板状结构即可实现此效果（图2所示）。

通常芯板在地震往复作用下会产生应变强化现象，使其实际内力大于初始屈服力，但是支撑设计时又要保证节点是弹性的，如果不提高钢材强度，就只能增大截面面积，从而用钢量也会增加。因此加劲板4优选采用高强钢，以减小用钢量。

本发明还包括两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，包括以下步骤：

（1）根据建筑与分析设计要求，确定两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑5的尺寸，包括长度、高度、宽度等参数，以方便与建筑主体结构连接；

（2）根据屈服承载力与屈服位移要求，选择“一”字形芯板1的尺寸，确保其宽厚比满足设计要求。芯板厚度约为12~30mm，适用吨位在100吨~300吨，芯板钢材为低碳钢或者低屈服点钢；

（3）根据支撑屈服承载力及长度确定外围约束套筒3的厚度与尺寸，使其满足整体稳定要求。制作拼装外围约束套筒3的各壁板，本实施例用四块钢板围成一个方形的外围约束套筒3，其尺寸为200*200mm~500*500mm，长度为2m~6m。

（4）将加劲板4用对接焊缝焊接在芯板两端的两表面；

（5）将两对槽钢2用角焊缝分别焊接在组成外围约束套筒的相对设置的两块壁板上，使两块槽钢之间预留一定间隙构成卡槽，同侧两块槽钢的间距（即卡槽的宽度）为芯板的厚度，槽钢选用热轧标准槽钢；

（6）将芯板的两侧插入上述卡槽内并且固定；

（7）将外围约束套筒各壁板拼装好用对接焊缝焊接在一起。

本发明两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑制作完成后，按以下步骤实施：

（1）确定两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑5的安装位置与数量，将其尽量布置在结构抗震的薄弱位置。

（2）根据结构分析设计，确定两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑5的屈服承载力、刚度与节点连接力等参数。

（3）根据设计参数，结合具体构造措施进行两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑5的设计与加工。

（4）将两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑5与建筑结构主体通过螺栓、焊接等方式，进行可靠连接，构成一人字形支撑（图8所示）。

综上所述，本两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑无须采用填充材料，完全依靠自身构造起到稳定的约束作用，避免受压芯板在弹性和塑性阶段下的屈曲问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，所述两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑包括横截面为一字形的芯板以及套设在所述芯板上的外围约束套筒，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：

(1)制作两个具有卡槽的约束件，所述卡槽的槽宽为芯板厚度；

(2)制作拼装外围约束套筒的各壁板，将所述两个约束件分别焊接在组成外围约束套筒并且相对设置的两块壁板上；

(3)将芯板的两侧插入所述两个约束件的卡槽内并且固定；

(4)将所述各壁板拼装成所述外围约束套筒，并且用对接焊缝焊接固定。

2.根据权利要求1所述的两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，其特征在于，所述约束件由两块槽钢并排构成，所述卡槽由两块槽钢之间的间隙构成。

3.根据权利要求1所述的两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，其特征在于，在进行步骤(3)前，在所述芯板两端的两表面焊接加劲板。