CN103711223B - 一种槽钢开槽式十字形变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件 - Google Patents

一种槽钢开槽式十字形变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件 Download PDF

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一种槽钢开槽式十字形变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，属于防屈曲限位耗能支撑构件技术领域。钢芯从两端到中间依次为连接段a、截面局部变大段b以及屈服工作段c，截面局部变大段b分别靠近外约束钢管的两端，外约束钢管由两个开槽的槽钢对焊而成，外约束钢管在对应的十字形钢芯截面局部变大段b的四个翅处开设有限位槽，限位槽的长度稍大于截面局部变大段b的长度，截面局部变大段b的四个翅通过限位槽伸出外约束钢管外，十字形钢芯截面于限位槽处以60°坡角局部增大截面，直至穿出外约束钢管限位槽。钢芯屈服变形后的变形达到限位槽的极限时，屈服后钢芯与外钢管共同提供轴向刚度，限制结构整体侧移，充分利用了外约束钢管的轴向刚度。

Description

一种槽钢开槽式十字形变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件
技术领域
本发明属于防屈曲限位耗能支撑构件技术领域，涉及一种新型的工程结构抗震耗能及限位的支撑构件，尤其是一种内置钢芯为变截面十字形，外约束钢管为开槽式对焊槽钢的防屈曲耗能支撑构件。受荷前期变截面钢芯（1）耗能屈服，变形量达到限位槽（4）的约束点时，外约束钢管（2）与屈服后钢芯（1）共同提供轴向刚度，约束结构整体变形，实现限制位移的功能。
背景技术
屈曲约束支撑又称防屈曲支撑或BRB(Bucklingrestrainedbrace)，产品技术最早发展于1973年的日本，当时的一批日本学者成功研发了最早的墙板式防屈曲耗能支撑，并对其进行了加入不同无粘结材料的拉压试验；1994年北岭地震后，美国也开始对放屈曲支撑体系进行相应的设计研究和大比例试验，同时结合理论计算分析了该支撑体系较其他支撑体系的优点。防屈曲支撑由支撑内芯、外围约束构件组成，可为框架或排架结构提供很大的抗侧刚度和承载力，采用支撑的结构体系在建筑结构中应用十分广泛。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内芯受压时所产生的膨胀变形。外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲，使芯板在受拉和受压下均能进入屈服，因而，防屈曲约束支撑的滞回性能优良。
传统的防屈曲支撑构件具有以下特点，仅钢芯与结构构件相连，荷载完全由内芯板承担，外套筒和填充材料仅约束内芯板受压屈曲以防止内芯板受压失稳，使内芯板在受拉和受压下均能进入屈服。即仅考虑芯板一个耗能核心，不考虑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，我们准备设计一种可以在钢芯耗能屈服后，利用外约束钢管的轴向刚度限制结构整体侧移的一种新型的防屈曲支撑构件。
发明内容
本发明在现有防屈曲支撑基础上，提出一种槽钢开槽式十字形变截面防屈曲限位耗能支撑构件，是针对现有防屈曲支撑只依靠钢芯屈服耗能，而没有位移控制装置的功能上的改进。外约束钢管采用开槽式对焊槽钢形成的方形钢管，钢芯采用十字形钢变截面设计与外约束钢管的限位槽相嵌合，从而便于在钢芯屈服后利用外约束钢管的轴向刚度达到限位的目标。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种槽钢开槽式十字形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钢管，十字形钢芯位于外约束钢管内部，外约束钢管与十字形钢芯形成的四个长方形区域内填充四个正方形薄壁型钢钢管混凝土，其特征在于，所述十字形钢芯从两端到中间依次为连接段a、截面局部变大段b以及屈服工作段c，屈服工作段c位于两截面局部变大段b之间，截面局部变大段b分别靠近外约束钢管的两端，十字形钢芯的四个翅通过限位槽伸出外约束钢管外，约束钢管在对应的十字形钢芯截面局部变大段b的四个翅处开设有限位槽，限位槽的长度稍大于截面局部变大段b的长度，截面局部变大段b的四个翅处以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外约束钢管限位槽约30mm，所述外约束钢管由两个开槽的槽钢对焊形成方形截面，槽钢对接焊缝见；槽钢腰部长度为腿部长度的2倍，且外约束钢管的宽度大于十字形钢芯屈服工作段翼缘宽度，小于十字形钢芯截面变大处的翼缘宽度，外约束钢管、十字形钢芯及正方形薄壁型钢钢管混凝土之间的缝隙设置无粘结材料。所述外约束钢管的槽钢腰部中间开槽，纵向开槽位置与钢芯变截面区域一致，限位槽距离外约束钢管端部的长度d为钢管长度的1/12，限位槽长度e为外钢管总长度的1/6。两槽钢腿部对焊时要求局部焊接，与腰部限位槽相同位置的腿部局部不焊接作缀板为此对边内的限位槽。
所述十字形钢芯截面于外钢管限位槽处以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外钢管限位槽，保证受拉时钢芯与外钢管连接安全，防止滑脱并利用外钢管的轴向刚度限制结构侧移。
所述外约束钢管由两个开槽的槽钢对焊形成方形截面，且外约束钢管的宽度大于十字形钢芯屈服工作段翼缘宽度，小于十字形钢芯截面变大处的翼缘宽度。
所述外约束钢管的槽钢腰部中间开槽，纵向开槽位置与钢芯变截面区域一致，限位槽距离外钢管端部的长度d为钢管长度的1/12，限位槽长度e为外钢管总长度的1/6。
所述限位槽开槽长度与钢芯截面变大长度的距离差，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。
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。
性能优越：本发明的耗能能力为十字形钢芯的耗能能力，但钢芯屈服变形后的变形达到限位槽的极限时，屈服后钢芯与外钢管共同提供轴向刚度，限制结构整体侧移，由此充分利用了外约束钢管的轴向刚度。
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：钢芯屈服后，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的侧移，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为本发明的结构主视图和左视图。
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-外约束套管、3-薄壁型钢钢管混凝土、4-钢管端部限位槽、5-内芯与槽钢管之间填充无粘结材料、6-槽钢对接焊缝、a-连接段长度、b-截面局部变大段长度、c-屈服工作段长度、d-限位槽距离钢管端部的距离、e-限位槽的长度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例，以权利要求书为准。
如图1所示，一种槽钢开槽式十字形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）。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（4）处以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外钢管限位槽约30mm。所述耗能钢芯（1）和外约束钢管（2）之间形成的4个正方形区域填充4个正方形薄壁型钢钢管混凝土。所述外约束钢管（2）由两个开槽的槽钢对焊形成方形截面，槽钢腰部长度为腿部长度的2倍，且外约束钢管（2）的宽度大于十字形钢芯屈服工作段翼缘宽度约10mm，小于十字形钢芯截面变大处的翼缘宽度约30mm，外约束钢管（2）和工作段钢芯（1）之间的缝隙设置无粘结材料（5）。所述外约束钢管2的槽钢腰部中间开槽，纵向开槽位置与钢芯（1）变截面区域一致，限位槽距离外钢管端部的长度d为钢管长度的1/12，限位槽长度e为外钢管总长度的1/6。两槽钢腿部对焊时在要求局部焊接，与腰部限位槽相同位置的腿部局部不焊缀板作为此对边内的限位槽。开槽长度与钢芯截面变大长度的距离差，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。
所述十字形钢芯的可以是焊接十字形，也可为内错角钢十字形。
如图2所示，外约束钢管（2）由两个开槽的槽钢对焊形成方形截面，两槽钢脚部对齐焊接时，注意留出十字形钢芯截面变大段对应限位槽的一段距离不焊。十字形钢芯（1）变截面处由限位槽处穿出外约束钢管（2）约30mm。
如图3所示，外约束钢管（2）的宽度大于十字形钢芯屈服工作段翼缘宽度约10mm，小于十字形钢芯截面变大处的翼缘宽度约30mm。外约束钢管（2）和工作段钢芯（1）之间的缝隙以设置无粘结材料层（5）。
本发明所述变截面防屈曲限位耗能支撑构件：外部荷载施加到防屈曲支撑，首先十字形钢芯承受外荷载直至屈服。受压状态下，当钢芯屈服后钢芯的压缩变形达到受压限位槽的极限时，即钢芯截面放大处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，当钢芯屈服后钢芯的拉伸变形达到受拉限位槽的极限时，即钢芯截面放大处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。此工作状态表现在拉压过程中的往复工作。

Claims (7)

1.一种槽钢开槽式十字形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钢管，十字形钢芯位于外约束钢管内部，外约束钢管与十字形钢芯形成的田字形区域内填充四个正方形薄壁型钢钢管混凝土，其特征在于，所述十字形钢芯从两端到中间依次为连接段a、截面局部变大段b以及屈服工作段c，屈服工作段c位于两截面局部变大段b之间，截面局部变大段b分别靠近外约束钢管的两端；所述外约束钢管由两个开槽的槽钢对焊形成方形截面，外约束钢管在对应的十字形钢芯截面局部变大段b的四个翅处开设有限位槽，限位槽的长度稍大于截面局部变大段b的长度，截面局部变大段b的四个翅通过限位槽伸出外约束钢管外，十字形钢芯截面于限位槽处以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外约束钢管限位槽。
2.按照权利要求1的一种槽钢开槽式十字形变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，槽钢腰部长度为腿部长度的2倍。
3.按照权利要求1的一种槽钢开槽式十字形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十字形钢芯屈服工作段翼缘宽度，小于十字形钢芯截面变大处的翼缘宽度。
4.按照权利要求1的一种槽钢开槽式十字形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、十字形钢芯及正方形薄壁型钢钢管混凝土之间的缝隙设置无粘结材料。
5.按照权利要求1的一种槽钢开槽式十字形变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，限位槽距离外约束钢管端部的长度d为钢管总长度的1/12，限位槽长度e为外钢管总长度的1/6。
6.按照权利要求1的一种槽钢开槽式十字形变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，十字形钢芯可为焊接十字形或内错角钢十字形截面。
7.按照权利要求1的一种槽钢开槽式十字形变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，两槽钢腿部对焊时要求局部焊接，与腰部限位槽相同位置的腿部局部不焊接作缀板为此对边内的限位槽。
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