CN103967158A - 一种耗能元件及预应力免屈曲耗能支撑构件 - Google Patents

Abstract

一种耗能元件及预应力免屈曲耗能支撑构件。所述耗能支撑构件包括拉索支撑及耗能元件；拉索支撑由Ⅰ号拉索和Ⅱ号拉索对称斜向布置而成；耗能元件沿轴向安置在拉索之间。其中耗能元件包括外筒、内筒、弹簧和螺栓副；外筒为一端面设有中心孔，另一端面设有耳环，其余四面各设有至少一个通孔的六面空腔体；内筒安置在外筒内，由一段圆管和一段管径远大于圆管外径的矩形钢管构成，圆管的端头从内向外可滑动穿入在外筒设有中心孔中，端面设有耳环，矩形钢管的四个面上对应外筒设有的通孔均设有腰形通孔；弹簧套装在内筒的圆管上；所述外筒与内筒通过所述螺栓副连接为一体。本发明具有良好的耗能能力，能有效提高结构的抗侧刚度，避免压杆屈曲问题。

Description

一种耗能元件及预应力免屈曲耗能支撑构件

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，涉及一种建筑结构抗震减灾的耗能元件及耗能支撑构件，更具体地说，是涉及一种耗能元件及预应力免屈曲耗能支撑构件。

背景技术

为提高框架结构的承载能力和侧向刚度，增大结构建造高度，避免过多地加大梁柱截面及相应的用钢量，以框架结构为基础，沿结构高度布置一定数量的支撑所形成的框架-支撑结构是一种经济有效的常用抗侧力结构体系。现有支撑主要有按照当前规范设计的普通支撑及防屈曲支撑。这两种支撑存在以下问题：普通支撑容易受压屈曲，其拉压滞回反应明显不对称，大震时的往复荷载极易造成支撑本身和连接的失效或破坏，且屈曲后的滞回耗能能力变差，难以有效地消耗地震输入的能量；防屈曲支撑采用双线性滞回模型，滞回曲线饱满，耗能能力强，但这种支撑体系在地震作用后，尤其是大震后，存在很大的残余变形，使得加固修复比较困难，甚至无法修复，造成了经济损失并且影响使用；另外，对建筑结构的维修如果影响建筑使用，会对公众心理带来较大的冲击，导致公众对建筑的安全产生怀疑。

框架-支撑结构在地震或强风等水平往复荷载作用下，支撑构件要承受反复拉压轴向力，但常规支撑的受压稳定承载力通常小于其抗拉承载力，受压时容易屈曲，受压屈曲后，其承载能力降低，刚度退化，导致在整个地震或风灾过程中，无法提供稳定的耗能能力；支撑构件受压屈曲破坏，也将增大灾后的维修费用。为此，发明人贺拥军等提出了单向耗能支撑构件（ZL201320455039.3），单向耗能支撑构件在结构各层中成对反向布置，当地震或风往复作用使单向耗能支撑构件受压时，通过与支撑垂直的拉杆装置，使得单向耗能支撑构件承受的轴向压力大大减小或消失，防止单向耗能支撑构件受压屈曲，从而降低灾后的维修费用。但是，仅受拉一侧的支撑构件起作用，受压一侧的支撑构件不但没起到耗能作用，连最基本的抗侧作用都没有，这也造成了极大的资源浪费。

随着工程技术的不断进步，以及材料工艺的发展，预应力拉索在建筑结构中的作用日益被工程技术人员所认识和掌握，预应力拉索的索材也日趋多样化，有钢丝绳索体、钢绞线索体、钢丝束索体和钢拉杆索体，带有预应力拉索的结构越来越多地应用在大跨度公共与工业建筑中。上海新国际博览中心的展览大厅及南京火车站候车大厅，均以预应力拉杆作为抗风支撑；发明人唐柏鉴等提出的一种预应力巨型支撑-框架结构（ZL20092023698.6），将预应力拉索作为侧向支撑应用到了普通钢框架领域。研究表明，将大跨预应力拉索作为侧向支撑，预应力为斜向布置的柔性拉索建立了轴向刚度和稳定性，使预紧过的拉索既可承受拉力，也可承受压力（只要预应力大于外部荷载引起的压应力），从而为结构提供弹性约束支撑，且无需考虑压杆稳定性问题。在地震和强风作用下，预应力拉索支撑中的内力表现为受拉索拉力增大，受压索拉力减小，由于拉索的高强度特性，受拉索虽然拉力增大，但仍处于弹性阶段，受压索则拉力减小，更是处于弹性阶段。因此，必须指出，预应力拉索虽然可以作为侧向支撑，为结构提供抗侧刚度，但它不具有耗散地震和风灾输入建筑结构的能量的功能，这也正是目前预应力拉索支撑进一步突破和广泛应用的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的普通刚性支撑容易受压屈曲而预应力拉索支撑又不具有耗散地震和风灾输入建筑结构的能量的功能的缺陷和技术问题，提供一种耗能元件及预应力免屈曲耗能支撑构件。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种耗能元件，包括外筒、内筒、弹簧和螺栓副；所述外筒为一端面开设有中心孔，另一端面设置有第二耳环，其余四面靠近耳环端对称设有至少一个通孔的六面空腔体；所述内筒安置在所述外筒内，由一段圆管和一段管径远大于圆管外径的矩形钢管相连接构成，所述圆管的端头从内向外可滑动穿入在所述外筒开设有中心孔中，端面还设置有第一耳环，所述矩形钢管的四个面上对应所述外筒设有的通孔均设置有长径沿轴向的腰形通孔；所述弹簧套装在所述内筒的圆管上，弹簧的一端抵挡在所述内筒的矩形钢管与圆管相连接的端面上，另一端抵挡在所述外筒开设有中心孔一端的内端面上；所述外筒与内筒通过所述螺栓副连接为一体。

作为本发明的优选，上述所述内筒的矩形钢管的四个面上还设置有摩擦元件，所述的摩擦元件由粘弹性材料制成。

作为本发明的优选，上述所述的通孔为4个，2个一组，偏离并平行轴线对称设置。

作为本发明的优选，上述所述的腰形通孔为2个，偏离并平行轴线对称设置。

作为本发明的优选，上述所述的连接为焊接。

作为本发明的优选，上述所述的外筒为可装配式结构。

为了实现上述目的，本发明采用的另一技术方案是：

一种包括耗能元件的预应力免屈曲耗能支撑构件，包括拉索支撑及耗能元件；所述拉索支撑由Ⅰ号拉索和Ⅱ号拉索对称斜向布置而成，所述拉索包括上半拉索和下半拉索；所述耗能元件沿轴向安置，一端与所述上半拉索相连接，另一端与所述下半拉索相连接，并且所述耗能元件包括外筒、内筒、弹簧和螺栓副；所述外筒为一端面开设有中心孔，另一端面设置有第二耳环，其余四面靠近耳环端对称设有至少一个通孔的六面空腔体；所述内筒安置在所述外筒内，由一段圆管和一段管径远大于圆管外径的矩形钢管相连接构成，所述圆管的端头从内向外可滑动穿入在所述外筒开设有中心孔中，端面还设置有第一耳环，所述矩形钢管的四个面上对应所述外筒设有的通孔均设置有长径沿轴向的腰形通孔；所述弹簧套装在所述内筒的圆管上，弹簧的一端抵挡在所述内筒的矩形钢管与圆管相连接的端面上，另一端抵挡在所述外筒开设有中心孔一端的内端面上；所述外筒与内筒通过所述螺栓副连接为一体。

作为本发明的优选，上述所述的Ⅰ号拉索和Ⅱ号拉索对称斜向布置的形式为“X”形或“V”形中的任一种，与水平线的夹角为30～60度。

本发明与现有技术比所具有的优点和有益效果为：

本发明能有效提高结构的抗侧刚度，避免传统刚性支撑的压杆屈曲问题。在一般地震或风灾情况下，拉索中的内力变化量小于摩擦元件产生的摩擦力，内筒与外筒之间不会发生相对滑动，本发明充当一个普通的双向支撑构件提供结构所需的抗侧刚度。结构承受强烈地震或严重风灾时，拉索中内力变化量大于摩擦元件产生的摩擦力，内筒与外筒之间发生相对滑动，从而有效耗散地震或风传输给主结构的能量，起到分灾功能。

附图说明

图1为本发明的一种预应力免屈曲耗能支撑构件的结构示意图；

图2为本发明的一种预应力免屈曲耗能支撑构件中的耗能元件的结构示意图；

图3为图2所示耗能元件中的内筒的结构示意图；

图4为图2所示耗能元件中的外筒的结构示意图；

图5为图2所示耗能元件的A-A剖面图；

图6为图2所示耗能元件的B-B剖面图；

图7为图2所示耗能元件的左视图；

图8为图3所示内筒的俯视图；

图9为图4所示外筒的俯视图；

图10为本发明应用于多层钢框架结构的示意图。

图中：100-拉索支撑；110-Ⅰ号拉索；111-Ⅰ号拉索上半索；112-Ⅰ号拉索下半索；120-Ⅱ号拉索；121-Ⅱ号拉索上半索；122-Ⅱ号拉索下半索；200-耗能元件；210-内筒；211-圆管；212-矩形钢管；213-左侧端板；214-矩形钢管左侧挡板；215-摩擦元件；216-腰形通孔；220-外筒；221-外管；222-外筒左侧挡板；223-右侧端板；224-通孔；230-弹簧；240-螺栓副；250-耳环；251-第一耳环；252-第二耳环；300-钢框架

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种包括耗能元件的预应力免屈曲耗能支撑构件，包括拉索支撑100及耗能元件200，与水平线的夹角为30～60度；其中所述拉索支撑100由Ⅰ号拉索110及Ⅱ号拉索120成“X”形交叉布置，其中所述Ⅰ号拉索110包括上半拉索111和下半拉索112；所述耗能元件200沿轴向安置，采用销钉，一端与所述上半拉索111相连接，另一端与所述下半拉索112相连接，所述Ⅱ号拉索120包括上半拉索121和下半拉索122；所述耗能元件200沿轴向安置，采用销钉，一端与所述上半拉索121相连接，另一端与所述下半拉索122相连接。其中所述的Ⅰ号拉索110及Ⅱ号拉索120的索体材料均为钢丝绳、钢绞线、钢丝束和钢拉杆中的任意一种。

如图2至图9所示，为一种使用于预应力免屈曲耗能支撑构件中的耗能元件，包括内筒210、外筒220、弹簧230、螺栓副240及耳环250；其中内筒210由圆管211、矩形钢管212、贴于矩形钢管212外侧的摩擦元件215、左侧端板213、矩形钢管左侧挡板214构成，所述矩形钢管212、矩形钢管左侧挡板214、圆管211、左侧端板213依次焊接连接；所述外筒220由外管221、外筒左侧挡板222、右侧端板223构成的六面空腔体，外筒左侧挡板222开设有一中心孔，焊接于外管221左侧，端面设置有第一耳环251；右侧端板223固接连接于外管221右侧，端面设置有第二耳环252；外管221的四个面上靠近第二耳环252端分别设有4个通孔224，2个为一组，偏离并平行轴线对称排列；所述内筒210安置在所述外筒220内，所述内筒210的矩形钢管212的四个面上对应所述外筒220的外管221的四个面上设有的通孔224均设置有长径沿轴向的腰形通孔216；外筒220与内筒210通过螺栓副240连为一体；弹簧230套置在圆管211上，弹簧230左端连接外筒左侧挡板222，弹簧230右端连接矩形钢管左侧挡板214。

图10所示，为将本发明的包括耗能元件的预应力免屈曲耗能支撑构件设置在一个五层四跨的普通钢框架300中的一个具体实施例，包括耗能元件的预应力免屈曲耗能支撑构件贴紧框架平面，所述Ⅰ号拉索110与Ⅱ号拉索120成“X”形布置，Ⅰ号拉索110的两端分别锚固于所述钢框架300左下角及钢框架300右侧顶点上，Ⅱ号拉索120的两端分别锚固于所述钢框架300右下角及钢框架300左侧顶点上。所述螺栓副240在Ⅰ号拉索110及Ⅱ号拉索120预张拉前仅处于自然拧紧状态，即保证所述内筒210、外筒220能发生自由的相对滑动。将Ⅰ号拉索110及Ⅱ号拉索120对称张拉至常规使用状态，预张拉过程中所述内筒210与外筒220相互背离，所述弹簧230被相互靠近的外筒左侧挡板222及矩形钢管左侧挡板214压缩，完成预张拉并达到平衡状态时弹簧230中的压力等于Ⅰ号拉索110及Ⅱ号拉索120中的预拉力，所述弹簧230在所述内筒210与外筒220之间起到传力的作用。二次拧紧螺栓副240，矩形钢管212与外管221之间产生压紧力，从而耗能元件200靠贴于矩形钢管外侧的摩擦元件215产生的摩擦力来承受外荷载及传递索力。在地震或风往复作用下，Ⅰ号拉索110及Ⅱ号拉索120中的内力将以常规使用状态下的索力（预拉力）为基准，在一定范围内上下浮动。在一般地震或风灾情况下，Ⅰ号拉索110及Ⅱ号拉索120中的内力变化量小于贴于矩形钢管外侧的摩擦元件215产生的最大静摩擦力，所述内筒210与外筒220之间不会发生相对滑动，所述弹簧230中的压力不变，耗能元件215充当一个普通的传力构件。本发明的一种包括耗能元件的预应力免屈曲耗能支撑构件充当一个普通的双向支撑构件提供结构所需的抗侧刚度。结构承受强烈地震或严重风灾时，Ⅰ号拉索110及Ⅱ号拉索120中内力变化量大于贴于矩形钢管外侧的摩擦元件215产生的最大静摩擦力，所述内筒210与外筒220之间发生相对滑动，从而实现摩擦耗能，本发明的一种包括耗能元件的预应力免屈曲耗能支撑构件成为双向耗能支撑。

具体的说，在如图10所示方向向右的水平荷载作用下，所述Ⅰ号拉索110为受拉索，Ⅰ号拉索上半索111的内力先增大：若此内力增加量小于贴于矩形钢管外侧的摩擦元件215产生的最大静摩擦力，所述外筒220对所述内筒210产生一个背向Ⅰ号拉索上半索111的静摩擦力，静摩擦力大小等于Ⅰ号拉索上半索111的内力增加量，从而所述内筒210保持受力平衡，相对的，所述内筒210也会传给所述外筒220一个背向Ⅰ号拉索下半索112的静摩擦力，为保持外筒220受力平衡，Ⅰ号拉索下半索112的内力增加量要等于该静摩擦力，从而实现了Ⅰ号拉索上半索111与Ⅰ号拉索下半索112之间的力传递；若此内力增加量大于贴于矩形钢管外侧的摩擦元件215产生的最大静摩擦力，则内筒210与外筒220之间将背向滑动，所述弹簧230继续被压缩，贴于矩形钢管外侧的摩擦元件215摩擦耗能。

具体的说，在如图10所示方向向右的水平荷载作用下，所述Ⅱ号拉索120为受压索（外部水平荷载引起的压应力小于预应力），Ⅱ号拉索上半索121的内力先减小：若此内力减小量小于贴于矩形钢管外侧的摩擦元件215产生的最大静摩擦力，所述外筒220对所述内筒210产生一个指向Ⅱ号拉索上半索121的静摩擦力，静摩擦力大小等于Ⅱ号拉索上半索121的内力减小量，从而内筒210保持受力平衡，相对的，内筒210也会传给外筒220一个指向Ⅱ号拉索下半索122的静摩擦力，为保持外筒220受力平衡，Ⅱ号拉索下半索122的内力减小量要等于该静摩擦力，从而实现Ⅱ号拉索上半索121与Ⅱ号拉索下半索122之间的力传递；若此内力减小量大于贴于矩形钢管外侧的摩擦元件215产生的最大静摩擦力，则内筒210与外筒220之间将在弹簧230压力的驱动下相向滑动，贴于矩形钢管外侧的摩擦元件215摩擦耗能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种耗能元件，其特征在于，包括外筒、内筒、弹簧和螺栓副；所述外筒为一端面开设有中心孔，另一端面设置有第二耳环，其余四面靠近耳环端对称设有至少一个通孔的六面空腔体；所述内筒安置在所述外筒内，由一段圆管和一段管径远大于圆管外径的矩形钢管相连接构成，所述圆管的端头从内向外可滑动穿入在所述外筒开设有中心孔中，端面还设置有第一耳环，所述矩形钢管的四个面上对应所述外筒设有的通孔均设置有长径沿轴向的腰形通孔；所述弹簧套装在所述内筒的圆管上，弹簧的一端抵挡在所述内筒的矩形钢管与圆管相连接的端面上，另一端抵挡在所述外筒开设有中心孔一端的内端面上；所述外筒与内筒通过所述螺栓副连接为一体。

2.根据权利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述内筒的矩形钢管的四个面上还设置有摩擦元件。

3.根据权利要求2所述的耗能元件，其特征在于，所述的摩擦元件由粘弹性材料制成。

4.根据权利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述的通孔的数量为4个，2个一组，偏离并平行轴线对称设置。

5.根据权利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述的腰形通孔的数量为2个，偏离并平行轴线对称设置。

6.根据权利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述的连接为焊接。

7.根据权利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述的外筒为可装配式结构或整体式结构中的一种。

8.一种包括权利要求1～7任意一项所述的耗能元件的预应力免屈曲耗能支撑构件，其特征在于，包括拉索支撑及耗能元件；所述拉索支撑由Ⅰ号拉索和Ⅱ号拉索对称斜向布置而成，所述拉索包括上半拉索和下半拉索；所述耗能元件沿轴向安置，一端与所述上半拉索相连接，另一端与所述下半拉索相连接，并且所述耗能元件包括外筒、内筒、弹簧和螺栓副；所述外筒为一端面开设有中心孔，另一端面设置有第二耳环，其余四面靠近耳环端对称设有至少一个通孔的六面空腔体；所述内筒安置在所述外筒内，由一段圆管和一段管径远大于圆管外径的矩形钢管相连接构成，所述圆管的端头从内向外可往返穿入在所述外筒开设有中心孔中，端面还设置有第一耳环，所述矩形钢管的四个面上对应所述外筒设有的通孔均设置有长径沿轴向的腰形通孔；所述弹簧套装在所述内筒的圆管上，弹簧的一端抵挡在所述内筒的矩形钢管与圆管相连接的端面上，另一端抵挡在所述外筒开设有中心孔一端的内端面上；所述外筒与内筒通过所述螺栓副连接为一体。

9.根据权利要求8所述的预应力免屈曲耗能支撑构件，其特征在于，所述的Ⅰ号拉索和Ⅱ号拉索对称斜向布置的形式为“X”形或“V”形中的任一种。