CN103358098B - 一种可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，包括步骤：S1、用火焰枪将切割成形的一字形芯板两端将要焊接的区域进行局部预热；S2、确定加劲肋与芯板的相对位置，并在加劲肋两侧面采用点焊的方式将加劲肋垂直固定在芯板两端上下表面的对称线上，采用二氧化碳气体保护焊对加劲肋与芯板通过角焊缝进行焊接；S3、将加劲肋末端的焊缝截面沿芯板纵向进行局部打磨圆滑。本发明具有焊接残余应力小、焊接缺陷少、应力集中程度低三大优点，能有效提高防屈曲支撑的使用寿命及抗疲劳能力。

Description

一种可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法

技术领域

本发明涉及一种可有效提高防屈曲支撑在往复地震作用下低周疲劳寿命的加工方法，属于建筑结构减震技术领域。

背景技术

防屈曲支撑是兼具普通支撑和耗能减震装置于一体的新型支撑形式，目前正作为一种新兴技术被应用于土木建筑结构中（尤其是多高层建筑）。如图1~图5所示，防屈曲支撑主要由三个部分组成，包括承担轴力的芯板1，对芯板侧向失稳起约束作用的约束构件4，以及在上述两者之间设置的无粘结层或空气间隙层。对芯板1来说，一般分为三个部分(见图1)，包括位于芯板中间的耗能段 (耗散地震能量的部分，常采用截面较小的一字形)，芯板两端的连接段 (与主体结构连接的部分，端部焊有加劲肋形成截面较大的十字形)，以及位于上述两者之间的过渡段(连接段与耗能段之间的过渡部分，也为十字形截面)。在建筑结构中设置防屈曲支撑的目的是把地震传递给主体结构的能量转移给支撑耗能段进行集中消耗，从而可避免主体结构在地震中发生严重损伤，提高结构在大震下的抗震性能和抗倒塌能力，同时还可减少震后对主体结构修复所带来的巨大经济损失，具有非常可观的应用前景。

由于地震是往复作用，因此支撑芯板耗能段在拉压两个方向均要进入屈服并通过低周往复形式耗散地震能量，进而会不断累积损伤。鉴于此，芯板1需具有较好的低周疲劳性能才可避免其在往复循环荷载下发生过早断裂。通常，为了构造简单和加工方便，芯板1沿长度方向常采用如图1所示的一次变截面形式，但为避免芯板耗能段外露而发生受压屈曲，支撑的端部加劲肋2需延长到约束构件4内部并保留一定的约束长度，即端部加劲肋2与中间等截面部分的一字形芯板1之间也是通过四条焊缝进行连接的。但目前国内外大量试验研究表明，加劲肋2末端的焊缝会产生局部应力集中，使靠近加劲肋2末端的芯板耗能段容易形成薄弱环节而过早发生低周疲劳断裂(如图6所示)，导致整个构件提前失效。显然，这种焊缝应力集中程度取决于具体的加工方法，而当前防屈曲支撑的加工方法尚存不规范性和随机性，因此在以往试验研究中常常发现对于两个相同的防屈曲支撑构件，其低周疲劳性能却会出现显著的差异，这种现状给原本应起大震保险丝作用的防屈曲支撑的抗震安全性和可靠性带来了更多的不确定性因素。

发明内容

本发明为了解决防屈曲支撑中由于一字形芯板端部加劲肋末端焊缝应力集中而引起的支撑过早断裂问题，提出一种可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，以使此类支撑的耗能能力得到最为充分的发挥，进而提升此类建筑结构在大震下的抗震安全性和可靠性。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：

一种可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，包括步骤：

S1、用火焰枪4将切割成形的一字形芯板两端将要焊接的区域进行局部预热，使局部温度达到400~600摄氏度；

S2、确定加劲肋与芯板的相对位置，并在加劲肋两侧面采用点焊的方式将加劲肋垂直固定在芯板两端上下表面的对称线上，

采用二氧化碳气体保护焊对加劲肋与芯板通过角焊缝进行焊接，焊接电压为15~20V，焊接电流为100~200A，焊接时，芯板水平放置，加劲肋竖直放置，焊接时沿芯板两端向中间的方向焊接，当焊接至距离加劲肋末端10-20mm时收焊；

S3、将加劲肋末端的焊缝截面沿芯板纵向进行局部打磨圆滑，使其与芯板表面圆滑过渡。

进一步地，焊接时焊嘴中的焊丝始终对准加劲肋的外表面。

进一步地，所述局部预热需在芯板两端同时进行。

进一步地，所述局部加热是在芯板上下两个表面进行的。

本发明具有以下有益效果：本发明具有焊接残余应力(力学缺陷)小、焊接缺陷(物理缺陷)少、应力集中(构造缺陷)程度低三大优点，进而可显著降低支撑端部加劲肋的焊接对芯板耗能段低周疲劳性能的不利影响。本发明的优点具体表现在以下四个方面：

一、采用焊前预热的方法可有效减少焊接局部高温而引起的不均匀温度场，从而可减小焊接残余应力的幅值等力学缺陷；

二、采用小电流和小电压焊接方式，可有效减小焊接区域的焊接温度以及焊缝周边一字形芯板的咬肉、咬边等焊接缺陷，进而减少加劲肋末端位置一字形芯板的物理缺陷以及减小该位置的应力集中程度；

三、采用在接近加劲肋末端位置前的提前收焊方式，可避免在加劲肋末端形成不规则形状的咬肉或咬边等物理缺陷；

四、采用焊后对加劲肋末端的焊缝沿支撑纵向进行局部打磨圆滑的方式，使一字形芯板与加劲肋之间的传力更加平顺，以减小焊缝截面高度的突然变化而引起的应力集中等构造缺陷。

附图说明

图1是一字形芯板的结构示意图。

图2是图1中A-A剖视示意图。

图3是图1中B-B剖视示意图。

图4是防屈曲支撑的组装示意图。

图5是图4的C-C剖视示意图。

图6是一字形芯板的常见断裂位置示意图。

图7是本发明实施例焊前预热方法示意图。

图8是本发明实施例加劲肋的初步点焊定位示意图。

图9是加劲肋的焊接过程示意图。

图10是图9中F点焊接位置的焊枪位置示意图。

图11是刚焊接完成时的加劲肋末端焊缝截面形状示意图。

图12是打磨圆滑后的加劲肋末端焊缝截面形状示意图。

图13是图12中G点位置焊缝截面的细部构造示意图。

图中所示为：1-芯板；2-加劲肋；3-焊缝；31-焊缝截面；4-约束构件；5-砂浆或混凝土；6-火焰枪；7-焊嘴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图7~13所示，一种可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，包括步骤：

S1、用火焰枪6将切割成形的一字形芯板1两端将要焊接的区域进行局部预热，使局部温度达到400摄氏度；

S2、确定加劲肋2与芯板1的相对位置，并在加劲肋2两侧面采用点焊的方式将加劲肋2垂直固定在芯板1两端上下表面的对称线上，具体地，首先通过物理方式对加劲肋2进行初步定位，然后对每一块加劲肋2(共四块)的左右两侧面分别在图示A、B两点位置进行点焊固定，其中A点位于加劲肋2的最外端，B点则位于加劲肋2的中间段并稍接近加劲肋2的末端C点，同时保证B点与C点之间的距离不小于30mm；

采用二氧化碳气体保护焊对加劲肋2与芯板1通过角焊缝进行焊接，焊接电压为15V，焊接电流为100A，焊接时，芯板1水平放置，加劲肋2竖直放置，焊接时沿芯板1两端向中间的方向焊接，当焊接至距离加劲肋2末端10mm时收焊，本实施例中，焊接时从加劲肋2最外侧的D点开始往芯板1中部方向进行，焊接过程中应令焊嘴中的焊丝始终对准加劲肋2的外表面而不应对准芯板1的外表面，直至到E点收焊，收焊位置应距离加劲肋2末端C点约10mm；

S3、将加劲肋2末端的焊缝截面31沿芯板1纵向进行局部打磨圆滑，使其与芯板表面圆滑过渡。

打磨时，应对焊完后的加劲肋2末端焊缝截面31采用角磨机(配上砂布轮片)沿支撑纵向进行局部打磨和圆滑，直至其沿纵向形成斜坡圆弧状截面，坡度尽量平缓，且坡脚位置应与芯板1紧密过渡，不应有局部余高或凹陷。

进一步地，焊接时焊嘴7中的焊丝始终对准加劲肋2的外表面。

进一步地，所述局部预热需在芯板1两端同时进行。

进一步地，所述局部加热是在芯板1上下两个表面进行的，以使温度沿板件厚度方向保持均匀。

实施例2

如图7~13所示，一种可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，包括步骤：

S1、用火焰枪6将切割成形的一字形芯板1两端将要焊接的区域进行局部预热，使局部温度达到500摄氏度；

S2、确定加劲肋2与芯板1的相对位置，并在加劲肋2两侧面采用点焊的方式将加劲肋2垂直固定在芯板1两端上下表面的对称线上，具体地，首先通过物理方式对加劲肋2进行初步定位，然后对每一块加劲肋2(共四块)的左右两侧面分别在图示A、B两点位置进行点焊固定，其中A点位于加劲肋2的最外端，B点则位于加劲肋2的中间段并稍接近加劲肋2的末端C点，同时保证B点与C点之间的距离不小于30mm；

采用二氧化碳气体保护焊对加劲肋2与芯板1通过角焊缝进行焊接，焊接电压为20V，焊接电流为150A，焊接时，芯板1水平放置，加劲肋2竖直放置，焊接时沿芯板1两端向中间的方向焊接，当焊接至距离加劲肋2末端15mm时收焊，本实施例中，焊接时从加劲肋2最外侧的D点开始往芯板1中部方向进行，焊接过程中应令焊嘴中的焊丝始终对准加劲肋2的外表面而不应对准芯板1的外表面，直至到E点收焊，收焊位置应距离加劲肋2末端C点约15mm；

S3、将加劲肋2末端的焊缝截面31沿芯板1纵向进行局部打磨圆滑，使其与芯板表面圆滑过渡。

打磨时，应对焊完后的加劲肋2末端焊缝截面31采用角磨机(配上砂布轮片)沿支撑纵向进行局部打磨和圆滑，直至其沿纵向形成斜坡圆弧状截面，坡度尽量平缓，且坡脚位置应与芯板1紧密过渡，不应有局部余高或凹陷。

进一步地，焊接时焊嘴7中的焊丝始终对准加劲肋2的外表面。

进一步地，所述局部预热需在芯板1两端同时进行。

进一步地，所述局部加热是在芯板1上下两个表面进行的，以使温度沿板件厚度方向保持均匀。

实施例3

如图7~13所示，一种可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，包括步骤：

S1、用火焰枪6将切割成形的一字形芯板1两端将要焊接的区域进行局部预热，使局部温度达到600摄氏度；

S2、确定加劲肋2与芯板1的相对位置，并在加劲肋2两侧面采用点焊的方式将加劲肋2垂直固定在芯板1两端上下表面的对称线上，具体地，首先通过物理方式对加劲肋2进行初步定位，然后对每一块加劲肋2(共四块)的左右两侧面分别在图示A、B两点位置进行点焊固定，其中A点位于加劲肋2的最外端，B点则位于加劲肋2的中间段并稍接近加劲肋2的末端C点，同时保证B点与C点之间的距离不小于30mm；

采用二氧化碳气体保护焊对加劲肋2与芯板1通过角焊缝进行焊接，焊接电压为20V，焊接电流为200A，焊接时，芯板1水平放置，加劲肋2竖直放置，焊接时沿芯板1两端向中间的方向焊接，当焊接至距离加劲肋2末端20mm时收焊，本实施例中，焊接时从加劲肋2最外侧的D点开始往芯板1中部方向进行，焊接过程中应令焊嘴中的焊丝始终对准加劲肋2的外表面而不应对准芯板1的外表面，直至到E点收焊，收焊位置应距离加劲肋2末端C点约20mm；

S3、将加劲肋2末端的焊缝截面31沿芯板1纵向进行局部打磨圆滑，使其与芯板表面圆滑过渡。

打磨时，应对焊完后的加劲肋2末端焊缝截面31采用角磨机(配上砂布轮片)沿支撑纵向进行局部打磨和圆滑，直至其沿纵向形成斜坡圆弧状截面，坡度尽量平缓，且坡脚位置应与芯板1紧密过渡，不应有局部余高或凹陷。

进一步地，焊接时焊嘴7中的焊丝始终对准加劲肋2的外表面。

进一步地，所述局部预热需在芯板1两端同时进行。

进一步地，所述局部加热是在芯板1上下两个表面进行的，以使温度沿板件厚度方向保持均匀。

经对比，采用本发明所提供的方法与现有方法的防屈曲支撑，各自的关键实验数据对比如下：

表1. 低周疲劳性能对比

方法类型	材料等级	极限应变 (%)	累积塑性变形	破坏模式
					本发明方法	Q235-B	3.1	1068	屈服段断裂
现有方法	Q235-B	1~2.5	250~700	加劲肋末端断裂

可见，采用本发明所提方法制作的防屈曲支撑在极限变形能力以及累积塑性变形能力（反映支撑低周疲劳性能的两个关键性能指标）这两方面均远远超过了传统方法下防屈曲支撑的性能指标，同时由破坏模式可知，防屈曲支撑的断裂位置也由原来的加劲肋末端断裂转移到屈服段中间断裂，说明本发明所提方法可很好地减轻加劲肋末端的应力集中程度，大大提升此类构件的低周疲劳性能。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，其特征在于，包括步骤：

S1、用火焰枪(6)将切割成形的一字形芯板(1)两端将要焊接的区域进行局部预热，使局部温度达到400~600摄氏度；

S2、确定加劲肋(2)与芯板(1)的相对位置，并在加劲肋(2)两侧面采用点焊的方式将加劲肋(2)垂直固定在芯板(1)两端上下表面的对称线上，

采用二氧化碳气体保护焊对加劲肋(2)与芯板(1)通过角焊缝进行焊接，焊接电压为15~20V，焊接电流为100~200A，焊接时，芯板(1)水平放置，加劲肋(2)竖直放置，焊接时沿芯板(1)两端向中间的方向焊接，当焊接至距离加劲肋(2)末端10-20mm时收焊；

S3、将加劲肋(2)末端的焊缝截面(31)沿芯板(1)纵向进行局部打磨圆滑，使其与芯板表面圆滑过渡。

2.根据权利要求1所述的可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，其特征在于：焊接时焊嘴(7)中的焊丝始终对准加劲肋(2)的外表面。

3.根据权利要求1所述的可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，其特征在于：所述局部预热需在芯板(1)两端同时进行。

4.根据权利要求3所述的可有效提高防屈曲支撑低周疲劳性能的加工方法，其特征在于：所述局部加热是在芯板(1)上下两个表面进行的。