CN103711224A - 一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑构件 - Google Patents

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一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑构件，属于防屈曲消能限位支撑构件领域，外约束体主要由构成田字形的4个正方形薄壁型钢钢管混凝土组成，4个正方形薄壁型钢钢管混凝土外侧通过局部焊接缀板约束；外约束体对应截面变大段b的短边没有焊接缀板，其他均焊接有缀板。钢芯位于4个正方形薄壁型钢钢管混凝土中间的十字结构的空隙中，形钢芯包括屈服工作段a、截面局部变大段b以及连接段c，形钢芯截面于外钢管不焊缀板处以60°坡角局部增大截面，使屈服后钢芯与外约束体良好连接，防止滑脱并利用外约束体的轴向刚度实现限位功能。钢芯屈服后，外约束体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向位移。

Description

一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑构件
技术领域
本发明属于防屈曲限位耗能支撑构件，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，外约束体为四钢管外贴缀板式的防屈曲耗能支撑构件。受荷前期十字形钢芯耗能屈服，变形达到一定程度受到外贴缀板的限制时外约束体参与受力，提供轴向刚度限制结构整体位移，达到先耗能后限位的效果。 
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具有以下特点，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受压屈曲，防止钢芯受压失稳，使钢芯在受拉和受压下均能进入屈服。即仅考虑钢芯一个耗能核心，忽略了外约束套筒的耗能作用及轴向刚度贡献。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，我们可以试图利用外部约束构件的轴向刚度作为钢芯屈服后的附加刚度，参与限制结构整体位移。 
发明内容
本发明提出一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑 构件，要解决现有防屈曲支撑没有位移控制装置的问题。外约束体采用由外贴缀板焊接约束的4个方形薄壁型钢钢管混凝土。钢芯采用十字形变截面设计与外约束体不焊缀板处相嵌合，从而在钢芯屈服后利用外约束钢管的轴向刚度实现限位目标。 
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 
一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑构件，主要由十字形耗能钢芯和外约束体组成，外约束体主要由构成田字形的4个正方形薄壁型钢钢管混凝土组成，所述的4个正方形薄壁型钢钢管混凝土外侧通过局部焊接缀板约束。十字形钢芯位于4个正方形薄壁型钢钢管混凝土中间的十字结构的空隙中，所述十字形钢芯包括屈服工作段a、截面局部变大段b以及连接段c，屈服工作段a位于两截面局部变大段b之间；所述十字形钢芯截面两端于外钢管不焊缀板处以60°坡角局部增大截面。 
所述外约束体的宽度大于十字形钢芯屈服工作段a宽度，小于十字形钢芯截面局部变大段b的宽度，外约束体和十字形钢芯之间的缝隙设置无粘结材料。所述外约束体一端距离端部1/12钢管总长度d开始不焊缀板，不焊区域总长度e为钢管长度的1/6，另一端同样处理。不焊缀板区域总长度大于十字形截面变大段b长度，其长度差考虑钢芯屈服时的受拉、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值。 
所述外约束体由焊接缀板约束，且对应于钢芯截面局部变大段b局部不焊缀板，不焊缀板区域总长度e大于十字形截面变大段长度b，其长度差考虑钢芯屈服时的受拉、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值。 
所述十字形钢芯截面于外约束体不焊缀板处以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外钢管限位槽，使屈服后钢芯与外约束体良好连接，利用外约束体的轴向刚度实现限位功能。 
所述缀板焊接约束薄壁型钢管混凝土组成的约束体，可以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。 
四钢管外贴缀板式防屈曲支撑受力时，钢芯首先耗能屈服，当钢芯屈服后变形达到一定程度被外贴缀板约束时，外约束体参与受力提供轴向刚度，并且外约束体刚度较大，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。 
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屈服强度，变形屈服受到缀板的约束时，外约束体参与受力，充分利用了外约束体的轴向刚度限制结构侧向位移。 
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，外约束体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向位移，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：1-十字形钢芯、2-薄壁型钢钢管混凝土的外约束体、3-外贴缀板、4-钢芯与外约束之间的无粘结材料、a-屈服工作段长度、b-钢芯截面局部缩小段 长度、c-连接段长度、d-不焊区域端部距离钢管端部的长度、e-不焊区域总长度。 
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1-3所示，一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑构件，由十字形钢芯（1）和局部焊接缀板约束的4个正方形薄壁型钢钢管混凝土（2）组成，支撑截面300×300mm。所述十字形钢芯（1）包括屈服工作段a、截面局部变大段b以及连接段c。所述十字形钢芯（1）截面局部变大段b两端于外钢管不焊缀板处以60°坡角局部增大截面，直至截面穿出外钢管限位槽30mm。所述外约束体的宽度大于十字形钢芯屈服工作段a翼缘宽度10mm，小于十字形钢芯截面局部变大段b的翼缘宽度30mm，外约束钢管（2）和十字形钢芯（1）之间的缝隙设置无粘结材料（4）。所述外约束体（2）一侧距端部1/12钢管总长度d开始不焊缀板，不焊区域总长度e为钢管长度的1/6，另一端同样处理。不焊缀板区域总长度e大于十字形截面变大段长度b，其长度差考虑钢芯（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值。四钢管外贴缀板式防屈曲支撑受力时，钢芯（1）首先耗能屈服，当钢芯（1）屈服后变形达到一定程度被外贴缀板（3）约束时，外约束体参与受力提供轴向刚度，并且外约束体刚度较大，能够有效限制钢芯（1）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。 
除上述示例之外，钢芯（1）的截面形式还可以是内错角钢十字形。 
本发明所述十字形变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件的工作原理为： 
外部荷载施加到防屈曲支撑时，十字形变截面钢芯（1）首先承受外荷载。 受压状态下，直到钢芯（1）屈服后钢芯的压缩变形达到受压缀板（3）的极限时，即钢芯（1）截面变大处的向内压缩接触到焊接缀板（3）的端部时，外约束体（2）在钢芯（1）的作用下贡献轴向抗压刚度，参与限制结构位移。受拉状态下，直到钢芯（1）屈服后钢芯的拉伸变形达到焊接缀板（3）的极限时，即钢芯（1）截面放大处的向外拉伸接触到缀板（3）的端部时，外约束体（2）在钢芯（1）的作用下贡献轴向抗拉刚度，参与限制结构位移。此时钢芯（1）和外约束体（2）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 (5)

1.一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑构件，主要由十字形钢芯和外约束体组成。其特征在于，所述外约束体主要由构成田字形的4个正方形薄壁型钢钢管混凝土组成，4个正方形薄壁型钢钢管混凝土通过局部焊接缀板约束；十字形钢芯位于4个正方形薄壁型钢钢管混凝土中间的十字结构的空隙中，所述十字形钢芯包括屈服工作段a、截面局部变大段b以及连接段c，所述十字形钢芯截面局部变大段b两端于外钢管不焊缀板处以60°坡角局部增大截面。
2.按照权利要求1的一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑构件，其特征在于，外约束体的宽度大于十字形钢芯屈服工作段宽度，小于十字形钢芯截面局部变大段的宽度，使钢芯在拉压屈服后与外约束体良好连接，防止滑脱并利用外约束体的轴向刚度实现限位功能。
3.按照权利要求1的一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑构件，其特征在于，外约束体和十字形钢芯之间的缝隙设置无粘结材料。
4.按照权利要求1的一种四钢管外贴缀板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，所述外约束体一端距离端部1/12钢管总长度d开始不焊缀板，不焊区域总长度e为钢管长度的1/6，另一端同样处理。
5.按照权利要求1的一种四钢管外贴缀板式十字形变截面钢芯消能限位防屈曲支撑构件，其特征在于，不焊缀板区域总长度e大于十字形截面变大段长度b。其长度差考虑钢芯（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值。
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