CN103711216B - 一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件 - Google Patents
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Abstract
一种田字形组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，属于防屈曲支撑技术领域。包括十字形钢芯和外约束体，十字形钢芯位于外约束体内，钢芯与外约束体之间的四个空间分别填一个薄壁型钢钢管混凝土，其特征在于，所述钢芯为局部截面变大，局部截面变大段c处对应的外约束体有限位槽（3），限位槽的槽长略大于对应局部截面变大段的段长，局部截面变大段b的十字形钢芯通过对应的限位槽向外伸出约束体。在钢钢芯变形屈服后利用外约束钢管以及屈服后钢芯的轴向刚度和限制结构整体位移以达到限位的目标。
Description
技术领域
本发明属于防屈曲支撑技术领域，涉及一种工程结构抗震耗能及限位的支撑构件，尤其是一种钢芯为变截面十字形，外约束钢管为方形螺栓装配式的防屈曲耗能限位支撑构件。受荷前期钢芯屈服耗能，后期外约束钢管和屈服后钢芯共同提供刚度限制结构整体侧移，达到限位效果。
背景技术
防屈曲支撑(BRB)是一种兼具普通支撑和金属阻尼器双重功能的支撑形式，其主要由支撑钢芯、外围约束构件组成，且两者之间通常设置有无粘结材料或适当的间隙以释放支撑钢芯受压时所产生的膨胀变形。屈曲约束单元提供给核心单元足够的约束，使得核心单元在受压时屈服而不屈曲。屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力，在大震下可起到“保险丝”的作用，用于保护主体结构在大震下不屈服或者不严重破坏，并且大震后，经核查，可以方便地更换损坏的支撑。
传统的防屈曲支撑构件由钢芯耗能，外围约束构件只起到支撑并限制钢芯面外屈曲的作用，其特点是仅钢芯与结构构件相连，荷载完全由钢芯承担，外套筒和填充材料仅约束钢芯板防止其受压屈曲，即防止钢芯板受压失稳，使钢芯板在受拉和受压下均能进入屈服。仅考虑钢芯一个耗能核心，忽略了外约束套筒的轴向刚度贡献。目前研究开发的防屈曲支撑主要着重提高其耗能能力，对防屈曲支撑的限位作用研究较少。鉴于此，考虑钢芯屈服后利用钢芯和外钢管的刚度限制结构整体位移的研究是有必要的，我们可以在现有常用的防屈曲支撑的基础上，通过一定的改进技术手段完成这一构想。
发明内容
本发明充分利用防屈曲支撑外围约束构件的刚度，提出一种田字形螺栓组装方形钢管钢芯变截面防屈曲限位耗能支撑构件，此防屈曲限位耗能支撑受荷前期钢芯屈服耗能，后期外钢管(外约束体)和屈服后钢芯共同提供刚度限制结构整体侧移，达到限位效果。两端向外弯折的相邻4片外约束钢板采用装配式螺栓连接形成方形截面，钢芯采用焊接十字形变截面设计，十字形截面局部变大区域b与外约束体的限位槽相嵌合并留有一定限位距离，从而在钢芯变形屈服后利用外约束钢管以及屈服后钢芯的轴向刚度之和限制结构整体位移以达到限位的目标。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，包括十字形钢芯和外约束体，十字形钢芯位于外约束体内，钢芯与外约束体之间的四个空间分别填一个方形薄壁型钢钢管混凝土，其特征在于，所述钢芯包括连接段a、局部截面变大段b以及屈服工作段c，局部截面变大段b分别靠近外约束体的两端，钢芯的两端到中间位置依次为连接段a、局部截面变大段b、屈服工作段c，屈服工作段c位于两局部截面变大段b之间；连接段a与局部截面变大段b之间、局部截面变大段b与屈服工作段c之间的十字形钢芯均采用坡度渐变式连接。局部截面变大段c处对应的外约束体开设有限位槽，限位槽的槽长略大于对应局部截面变大段的段长，局部截面变大段b的十字形钢芯通过对应的限位槽向外伸出约束体。
优选坡度渐变式连接：十字形钢芯截面于外约束体限位槽处以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外钢管限位槽。
所述外约束体是4片钢板螺栓组装而成的截面为正方形的外约束钢管，钢板两端分别向外弯折135°且与相邻两钢板由螺栓连接；所述外约束钢管4个侧面开限位槽，开槽位置与钢芯变截面区域一致，距离外约束钢管两端的长度d为钢管长度的1/12，开槽长度e为约束钢管总长度的1/6；开槽长度与钢芯截面变大段b长度的距离差，考虑包括钢芯屈服时的受拉、受压变形和设计此消能限位体系的控制位移量，根据结构抗震设计规范中弹塑性层间位移角的限制要求规定其最大距离差。
所述外约束钢管的宽度大于十字形钢芯屈服工作段c截面宽度，小于芯材截面变大处b的截面宽度，外约束钢管、钢芯及钢管混凝土之间的缝隙设置无粘结材料。
所述外约束钢管与十字形钢芯形成的4个正方形区域内填充薄壁型钢钢管混凝土，防止十字形钢芯受压局部失稳，同时可以防止混凝土受压破坏影响支撑的整体效果。
根据以上技术方案，与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
防屈曲支撑受力时，十字形钢芯首先耗能变形，变形达到一定程度受到限位槽的约束，外钢管与十字形钢芯一起受力，并且由于外钢管刚度较大，外钢管与屈服后钢芯刚度之和能够有效限制钢芯屈服后结构整体的侧移，达到限位的效果。此发明可广泛应用于高层建筑物的减震设计。
性能优越：本发明的耗能能力为十字形钢芯的耗能能力，但十字形钢芯屈服后充分利用了外约束钢管的轴向刚度限制结构的整体位移。
施工方便：本发明的外约束钢管采用螺栓组装，现场施工以及工厂组装都可以做到降低生产成本，扩大应用范围。
修复方便：本发明的外约束钢管采用螺栓装配式，便于对支撑构件的震后检查以及支撑更换。
取材方便：本发明采用的钢材来源广泛，规格齐全，购买方便。
传力明确：十字形钢芯轴向受拉或受压屈服后，外约束钢管的轴向刚度作为支撑体系的附加刚度有利于限制结构侧移，实现限位功能。
本发明可广泛应用于建筑物的耗能减震及限位控制。
附图说明
图1为本发明的结构侧视图；
图2为图1A-A处剖面图；
图3为图1B-B处剖面图；
附图标记：1-钢芯、2-外约束钢管、3-钢管端部限位槽、4-薄壁型钢钢管混凝土、5-螺栓、6-无粘结材料、a-连接段、b-截面局部变大段、c-屈服工作段、d-限位槽距钢管端部距离、e-限位槽长度。
具体实施方式
如图1所示，一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件。包括十字形钢芯(1)和外约束钢管(2)，外约束体尺寸300×300mm。所述十字形钢芯(1)包括连接段a、截面局部变大段b以及屈服工作段c。所述十字形钢芯(1)截面于外钢管限位槽(3)处以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外钢管限位槽30mm。所述十字形耗能钢芯(1)与外约束钢管(2)之间填充4个薄壁型钢钢管混凝土(4)。所述外约束钢管(2)由4片钢板组装而成，钢板端部50mm分别向外弯折135°且相邻两钢板由螺栓(5)连接。外约束钢管的宽度大于钢芯屈服工作段截面宽度10mm，小于钢芯截面变大处的截面宽度30mm，外约束钢管(2)内部与薄壁型钢钢管混凝土(4)表面和十字形钢芯(1)之间的缝隙设置无粘结材料(6)；所述外约束钢管(2)4个侧面开限位槽(3)，开槽位置与钢芯变截面区域一致，距离外钢管端部的长度d为钢管长度的1/12，开槽长度e为外钢管总长度的1/6，开槽长度e与钢芯截面变大段b长度的距离差，考虑包括钢芯(1)屈服时的受拉、受压变形和设计此消能限位体系的控制位移量，根据结构抗震设计规范中弹塑性层间位移角的限制要求规定其最大距离差。
钢芯(1)的截面可以是焊接十字形或者内错角钢十字形。
如图2所示，方形外约束钢管(2)相邻两片钢片通过螺栓(5)连接组装而成，并且螺栓连接位置注意避开钢管侧面限位槽的位置，可以设置在四个直角处。十字形钢芯(1)变截面处由外钢管限位槽处穿出外约束钢管(2)约30mm。
如图3所示，防屈曲支撑工作屈服段c钢芯(1)包在外约束钢管(2)内部，且外约束钢管(2)和钢芯(1)之间留有10mm的间距，无粘结材料(6)的厚度与外约束钢管(2)和钢芯(1)之间的间距一致。
本发明所述田字形螺栓组装方形截面钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件：外部荷载施加到防屈曲支撑，前期钢芯承受外荷载直至屈服，后期则由外钢管和屈服后钢芯共同保证其限位功能。受压状态下，当钢芯屈服后的压缩变形达到限位槽的受压极限时，即钢芯截面变大段的向内压缩接触到限位槽的端部时，外约束钢管在钢芯的作用下贡献轴向抗压刚度，控制结构整体位移。受拉状态下，当钢芯屈服后的拉伸变形达到限位槽的受拉极限时，即钢芯截面变大段向外拉伸接触到限位槽的端部时，外约束钢管在钢芯的作用下贡献轴向抗拉刚度，控制结构整体位移。此时钢芯和外约束钢管作为一个整体共同承受外部荷载。此工作状态表现为拉压过程中的往复工作中。
Claims (7)
1.一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，包括十字形钢芯和外约束体，十字形钢芯位于外约束体内，钢芯与外约束体之间的四个空间分别填一个薄壁型钢钢管混凝土，其特征在于，钢芯包括连接段a、局部截面变大段b以及屈服工作段c，局部截面变大段b分别靠近外约束体的两端，钢芯的两端到中间位置依次为连接段a、局部截面变大段b、屈服工作段c，屈服工作段c位于两局部截面变大段b之间；连接段a与局部截面变大段b之间、局部截面变大段b与屈服工作段c之间的十字形钢芯均采用坡度渐变式连接；局部截面变大段b处对应的外约束体开设有限位槽，限位槽的槽长略大于对应局部截面变大段b的长度，局部截面变大段b的十字形钢芯通过对应的限位槽向外伸出约束体。
2.按照权利要求1的一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，所述的坡度渐变式连接：十字形钢芯截面于外约束体限位槽处以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外钢管限位槽，形成局部截面变大段b。
3.按照权利要求1的一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，所述外约束体是由4片钢板组装而成的截面为正方形的外约束钢管，每片钢板相对两端分别向外弯折135°且与相邻两钢板由螺栓连接。
4.按照权利要求3的一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，外约束钢管的宽度大于钢芯屈服工作段c截面宽度，小于钢芯局部截面变大段b的截面宽度。
5.按照权利要求3的一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，外约束钢管内部和十字形钢芯表面与薄壁型钢钢管混凝土之间的缝隙设置无粘结材料。
6.按照权利要求3的一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，所述外约束钢管4个侧面开限位槽，开槽位置与钢芯变截面区域一致，分别距外约束钢管两端的长度d为钢管长度的1/12，开槽长度e为约束钢管总长度的1/6。
7.按照权利要求1的一种田字形螺栓组装方形钢管变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，十字形钢芯的截面是焊接十字形或者内错角钢十字形。
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