CN104612278B - 三芯板并联耗能型防屈曲支撑 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三芯板并联耗能型防屈曲支撑，其结构包括：由一级耗能构件、二级耗能构件和三级耗能构件组成的核心受力构件，包覆在所述核心受力构件外围的外围约束构件，填充在所述核心受力构件与所述外围约束构件之间的填充材料，以及与核心受力构件两端分别相接的传力构件；所述传力构件由长加肋板、短加肋板和端部连接板组成。本发明采用三个一字型耗能芯板并联，形成核心受力构件，在实现多级耗能性能要求的同时，提高了核心受力构件的安全储备。与现有同承载力的防屈曲支撑相比，本发明三芯板并联防屈曲支撑的外围约束单元的截面积大大减小，实现了施工方便，减少了对建筑使用空间的占用和浪费。

Description

三芯板并联耗能型防屈曲支撑

技术领域

本发明涉及一种防屈曲支撑构件，具体地说是一种三芯板并联耗能型防屈曲支撑。

背景技术

防屈曲支撑是通过钢材的轴向压拉来消耗能量的构件，它由防屈曲支撑内芯单元和外围约束单元构成，内芯单元与外围约束单元间留有缝隙或填充无粘结材料。防屈曲支撑内芯作为轴向受力构件，其在外围约束单元的侧向约束下，当受到拉力和压力作用时，均能达到全截面的充分屈服，能更好的消耗输入结构的地震能量，从而起到抗震耗能的作用。

理想的防屈曲支持要求其性能为：低屈服，确保在小震下就可以耗能；耗能能力大，保证在大震下也可以达到减震耗能的效果；变形量大，与地震作用下的建筑物的层间变形相适应。然而，在实际实施中，上述技术要求不可能在单一芯材的支撑杆件中实现。为了优化防屈曲支撑性能，科研人员从两个方面去向理想的防屈曲支撑靠近：一个是通过改变耗能核心区的材料；一个是改变耗能支撑的结构形式。

现有的防屈曲支撑一般为只有一个耗能核心的单级或多级耗能核心并联的情况，多级耗能核心并联的情况是以铅为其第一耗能段，为铅制；第二耗能段为钢制。其原理是通过铅的摩擦力来实现耗能，而铅的摩擦力很难控制。然而采用单一耗能芯板，难以实现不同地震设防水准下的耗能需求。现有防屈曲支撑受力芯板一般采用普通钢材（例如Q235B）制作完成，其耗能状态多集中于结构处在中震或大震作用下的耗能，对结构处于小震状态下的耗能贡献则不是很大，甚至没有；再者，当防屈曲支撑处于大震状态下，构件芯板因受力超过芯板极限承载力而一旦断裂后，防屈曲支撑构件退出工作，结构安全度难以得到保障；第三，现阶段的防屈曲支撑构件，当其屈服承载力较大时，往往芯材截面较大，近而使得外围约束单元截面尺寸较大，既对施工造成不便，又对建筑使用空间造成多余的浪费。

发明内容

本发明的目的就是提供一种三芯板并联耗能型防屈曲支撑，以解决现有防屈曲支撑难以实现不同地震设防水准下的耗能需求问题。

本发明是这样实现的：一种三芯板并联耗能型防屈曲支撑，包括有：核心受力构件，包覆在所述核心受力构件外围的外围约束构件，充填在所述核心受力构件与所述外围约束构件之间的填充材料，以及与所述核心受力构件两端相连接的传力构件。

所述核心受力构件包括平板状的一级耗能构件、平板状的二级耗能构件和平板状的三级耗能构件；所述三级耗能构件居中设置，所述一级耗能构件设置在所述三级耗能构件的上层，所述二级耗能构件设置在所述三级耗能构件的下层；所述一级耗能构件、所述二级耗能构件和所述三级耗能构件的长度基本相当、端部排列基本整齐且相互之间设有空隙。

所述外围约束构件为截面呈矩形或圆形的筒体，套接在所述核心受力构件的外围，在所述外围约束构件的两端封接有端口板，在所述端口板与所述核心受力构件的端部之间设有空隙。

每端连接的所述传力构件包括一块长加肋板、一块短加肋板和两块端部连接板；所述长加肋板的长度大于所述端部连接板的长度，所述短加肋板的长度小于所述端部连接板的长度；两块所述端部连接板上下并行设置，并分别穿接在所述端口板的内外两侧，上部的所述端部连接板位于所述端口板以内的部分插接到所述一级耗能构件与所述三级耗能构件之间的空隙中，并与所述一级耗能构件和所述三级耗能构件固定连接在一起；下部的所述端部连接板位于所述端口板以内的部分插入到所述二级耗能构件与所述三级耗能构件之间的空隙中，并与所述二级耗能构件和所述三级耗能构件固定连接在一起；所述长加肋板垂直设置并固定连接在所述一级耗能构件的上板面的中心处，所述短加肋板垂直设置并固定连接在所述二级耗能构件的下板面中心处；所述长加肋板和所述短加肋板分别穿接在所述端口板的内外两侧，所述长加肋板、所述短加肋板和所述端部连接板的外端沿基本平齐。

所述一级耗能构件与所述二级耗能构件的宽度相等，所述三级耗能构件的宽度大于所述二级耗能构件的宽度；所述端部连接板的宽度小于所述三级耗能构件的宽度、但大于所述二级耗能构件的宽度。

所述一级耗能构件、所述二级耗能构件、所述三级耗能构件和所述端部连接板沿所述外围约束构件的轴向居中设置。

在所述一级耗能构件、所述二级耗能构件和所述三级耗能构件的外围分别包覆有隔离层。

本发明为三芯板并联耗能型防屈曲支撑，在地震作用过程中，通过传力构件将轴力传到核心受力构件上，通过设置在核心受力构件一侧的肋板，实现核心受力构件约束耗能段的不同长度，当一级耗能构件与二级耗能构件的截面相同时，通过改变长加肋板和短加肋板的长度，即可改变各芯板耗能屈服段长度，实现不同屈服位移，同时改变一级耗能构件（二级耗能构件）与三级耗能构件的截面面积，当二者长度相同时，实现不同屈服位移，近而实现不同位移下的屈服耗能。耗能核心段与外围约束单元之间填充有约束材料，在约束材料与核心受力构件间填充无粘结材料。当多遇地震作用过程中，核心受力构件中的一级耗能构件首先屈服耗能，同时构件提供较大的弹性刚度，保证小震耗能的同时实现刚度减低较少，满足工程需要；当中遇地震作用过程中，核心受力构件中的二级耗能构件屈服耗能（或二级耗能构件和三级耗能构件同时屈服耗能），实现中遇地震作用下防屈曲支撑耗能增大，提供附加阻尼，同时，一级耗能构件进一步屈服耗能；当罕遇地震作用过程中，所有耗能构件均屈服耗能，实现结构最终大震不倒的设防目标，同时核心受力构件经过三阶段性能化设计后，安全可靠性大幅提高，避免了单一芯板极限承载力不足而断裂的情况发生，有效地防止了结构主体的倒塌。

本发明采用单一钢制耗能芯材实现不同地震设防水准下屈服耗能；采用独特的构造形式将三个“一”字型耗能芯板并联，在实现多级耗能性能要求的同时，提高了核心受力构件的安全储备；与现有同承载力的防屈曲支撑相比，本发明三芯板并联防屈曲支撑的外围约束单元的截面积大大减小，实现了施工方便，减少了对建筑使用空间的占用和浪费。

本发明的可控耗能量为所有耗能单元耗能量的总和，通过特殊的三个耗能芯板并联的构造形式可以实现耗能构件初始屈服低而整体变形大的需要，在小震阶段，防屈曲支撑可提供足够刚度的同时，提供附加阻尼，由此实现了不同地震设防水准下均能屈服耗能的性能要求，核心受力构件通过芯板多级并联构造形式，避免了在大荷载作用下防屈曲支撑的破坏，确保了防屈曲支撑的安全，延长了防屈曲支撑的使用寿命。

本发明所采用的构件和耗能材料均为钢材，材料来源广，成本低，使用寿命长。

本发明通过传力构件及耗能芯板端部特殊U型开口与传力构件焊接，保证了传力明确，使耗能芯板受力均匀合理，实现耗能芯材充分耗能，为结构主体提供更多的附加阻尼，有效保护主体结构。

本发明中的外围约束单元与同类产品比较，当屈服承载力相同时，外围约束单元尺寸较小，当屈服承载力越大时，该特点越突出，为建筑功能的使用大大节省了建筑使用空间，避免了建筑使用空间的浪费，同时由于重量明显减少，施工更加方便。

本发明可广泛应用于建筑物的耗能减震中。

附图说明

图1是本发明防屈曲支撑的结构示意图。

图2是本发明防屈曲支撑的端部结构示意图。

图3a是图1的A-A向剖面图。

图3b是图1的B-B向剖面图。

图3c是图1的C-C向剖面图。

图4是BRB内芯钢板最大主应力随时间变化图。

图5是BRB外围约束钢管最大主应力随时间变化图。

图6是BRB内芯单元滞回曲线图。

图中：1、外围约束构件，2、长加肋板，3、端部连接板，4、端口板，5、空隙，6、一级耗能构件，7、二级耗能构件，8、三级耗能构件，9、短加肋板，10、填充材料，11、隔离层。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明防屈曲支撑包括核心受力构件、外围约束构件、填充材料和传力构件等四部分。

其中，核心受力构件包括由钢板制成的、呈一字平板状的一级耗能构件6、二级耗能构件7和三级耗能构件8，在一级耗能构件6、二级耗能构件7和三级耗能构件8的外围分别包覆有防锈蚀和抗氧化的隔离层11。一级耗能构件6与二级耗能构件7的宽度相同，三级耗能构件8的宽度大于一级耗能构件6和二级耗能构件7的宽度（图3c）。当然，也可将一级耗能构件、二级耗能构件和三级耗能构件设定为相同宽度。在图3c中，三级耗能构件8在上下方向上为居中设置，一级耗能构件6设置在三级耗能构件8的上层，二级耗能构件7设置在三级耗能构件8的下层，相互之间设有空当。一级耗能构件6、二级耗能构件7和三级耗能构件8的长度相同或基本相同，且一级耗能构件6、二级耗能构件7和三级耗能构件8的端部排列整齐（图1）。另外，一级耗能构件6、二级耗能构件7、三级耗能构件8和端部连接板3沿外围约束构件1的轴向居中设置。

外围约束构件1可以是截面呈正方形、长方形或圆形的钢制筒体，在外围约束构件1的两端分别焊接有端口板4，在端口板4与核心受力构件的端部之间设有空隙5（图2）。在外围约束构件1与核心受力构件之间充填有填充材料10，充填材料10可以是自流密实灌浆料或其他混凝土砂浆等建筑材料。

在核心受力构件的两端分别连接有传力构件，如图2所示，传力构件包括一块长加肋板2、一块短加肋板9和两块端部连接板3。两块端部连接板3的长度相同，并且两块端部连接板3的宽度均小于三级耗能构件8的宽度、但大于二级耗能构件7的宽度（图3b）。长加肋板2的长度大于端部连接板3的长度，短加肋板9的长度小于端部连接板3的长度。两块端部连接板3上下并行设置（图3a），并且，两块端部连接板3还分别穿接在端口板4的内外两侧，长加肋板2和短加肋板9分别穿接在端口板4的内外两侧。上部的端部连接板3位于端口板4以内的部分插接到一级耗能构件6与三级耗能构件8之间的空隙中，并与一级耗能构件6和三级耗能构件8焊接在一起；下部的端部连接板位于端口板4以内的部分插入到二级耗能构件7与三级耗能构件8之间的空隙中，并与二级耗能构件7和三级耗能构件8焊接在一起。在一级耗能构件6和二级耗能构件7的两端板面中心处可开出一段通槽，长加肋板2的下沿穿入一级耗能构件6端部的通槽中，垂直设置在一级耗能构件6的上板面的中心处，并与一级耗能构件6和上部的端部连接板3均焊接在一起；短加肋板9的上沿穿入二级耗能构件7端部的通槽中，垂直设置在二级耗能构件7的下板面的中心处，并与二级耗能构件7和下部的端部连接板3均焊接在一起。由于一级耗能构件6和二级耗能构件7的端部均包围在端口板4的内侧，因此，长加肋板2和短加肋板9在端口板4以外的部分则焊接在两个端部连接板3外伸段的板面中心处（图3a）。长加肋板2、短加肋板9和端部连接板3的外端沿基本平齐（图2）。

本发明防屈曲支撑中的连接构件与核心受力构件的两端通过焊接方式固定连接，由于该连接部位存在应力集中，易遭破坏，故采用设置长加肋板2和短加肋板9的方式以提高其连接强度。

如图2所示，一级耗能构件6、二级耗能构件7、三级耗能构件8通过焊接方式与长加肋板2、端部连接板3及短加肋板9焊接在一起：一级耗能构件6、二级耗能构件7通过端部通槽与端部连接板3焊接，这种连接方式在保证了连接强度的同时还避免了错动位差。传力构件中的长加肋板2、短加肋板9保证了传力构件的整体稳定，使轴力更好的分配到核心耗能构件中，实现了不同级别耗能芯材的屈服位移差和不同屈服位移下的分级耗能，有效地发挥耗能段的耗能性能。在端部连接板3的内侧端与填充材料10之间、在长加肋板2、短加肋板9的内侧端与填充材料10之间以及在各耗能构件与端口板4之间均设置有空隙5，保证了耗能芯材在反复拉压轴向力的作用下能够自由伸缩，保证了构件滞回耗能的发挥。各空隙5可采用弹性填充材料如聚苯乙烯泡沫板等进行填充。

本发明中的外围约束构件1和填充材料10构成外围约束单元。外围约束构件1可采用方钢管（图3c），也可采用圆钢管，填充材料10采用自流密实灌浆料填充，由于灌浆料施工过程中无需对支撑振捣，故使构件加工过程更加方便，同时保证了无粘结层脱粘材料的稳定性。脱粘材料可采用硅胶板、橡胶板或其他聚乙烯高分子材料。由于硅胶板具有不溶于水和任何溶剂、无毒无味、化学性质稳定、除强碱和氢氟酸外不与任何物质发生反应等诸多优点，故优选硅胶板。

下面对三芯板并联耗能屈曲约束支撑数值进行模拟分析和说明。

数值模型的基本参数：三芯板并联耗能屈曲约束支撑的数值模拟采用有限元分析软件ABAQUS，对屈曲约束支撑的整体稳定性及延性性能进行分析，并对核心钢在循环位移荷载下的滞回曲线进行数值描述，对其滞回耗能性能做出评价，从而得出屈曲约束支撑具有良好的耗能性能。

有限元分析模型采用C3D8R单元进行网格划分，内芯钢板及外围约束单元钢构件采用热轧钢板Q235钢，弹性模量E=206000N/mm²，泊松比，填充材料为灌浆料填充，弹性模量E=30000N/mm²，泊松比，在有限元分析过程中采用经典双线性随动强化模型来模拟，双线性随动强化是指使用双线性曲线来表示应力——应变曲线，有两个斜率，弹性斜率和塑性斜率，其中弹性斜率取钢材的弹性模量，塑性斜率采用弹性模量的0.02，长度为3000mm。

边界条件：屈曲约束支撑核心钢一端固定，另一端沿轴向施加轴向循环位移荷载位移±30mm。

接触属性：内芯耗能芯板与外围约束单元间定义接触属性，切向行为为无摩擦，法向行为为“硬”接触。

从图4的屈曲约束支撑内芯及约束构件最大主应力随时间变化图中可以看出，最大主应力为257Mpa，该应力值257 Mpa＞屈服强度标准值=235Mpa，说明防屈曲支撑芯材在受力构成中屈服开始耗能。从图5的BRB外围约束钢管最大主应力随时间变化图中可以看出当防屈曲约束支撑受力过程中，外围约束套管极限应力值没有达到其材料屈服强度标准值，外围约束单元为屈服破坏。图中，纵坐标表示应力（Mpa），横坐标表示时间（s）。

从图6的BRB内芯单元滞回曲线图中可以看出防屈曲支撑内芯单元在受力过程中，能够实现不同位移下的屈服耗能，且滞回曲线饱满，无捏拢、无刚度、无强度退化明显等现象，构件性能稳定；滞回性能良好的同时，实现了不同地震设防水准下的滞回耗能，满足预期的构件设计要求，实现了构件预定功能。

Claims (4)

1.一种三芯板并联耗能型防屈曲支撑，包括核心受力构件，所述核心受力构件包括平板状的一级耗能构件、平板状的二级耗能构件和平板状的三级耗能构件；所述三级耗能构件居中设置，所述一级耗能构件设置在所述三级耗能构件的上层，所述二级耗能构件设置在所述三级耗能构件的下层；所述一级耗能构件、所述二级耗能构件和所述三级耗能构件的长度基本相当、端部排列基本整齐且相互之间设有空隙；其特征是，还包括有：包覆在所述核心受力构件外围的外围约束构件，充填在所述核心受力构件与所述外围约束构件之间的填充材料，以及与所述核心受力构件两端相连接的传力构件；

所述外围约束构件为截面呈矩形或圆形的筒体，套接在所述核心受力构件的外围，在所述外围约束构件的两端封接有端口板，在所述端口板与所述核心受力构件的端部之间设有空隙；

每端连接的所述传力构件包括一块长加肋板、一块短加肋板和两块端部连接板；所述长加肋板的长度大于所述端部连接板的长度，所述短加肋板的长度小于所述端部连接板的长度；两块所述端部连接板上下并行设置，并分别穿接在所述端口板的内外两侧，上部的所述端部连接板位于所述端口板以内的部分插接到所述一级耗能构件与所述三级耗能构件之间的空隙中，并与所述一级耗能构件和所述三级耗能构件固定连接在一起；下部的所述端部连接板位于所述端口板以内的部分插入到所述二级耗能构件与所述三级耗能构件之间的空隙中，并与所述二级耗能构件和所述三级耗能构件固定连接在一起；所述长加肋板垂直设置并固定连接在所述一级耗能构件的上板面的中心处，所述短加肋板垂直设置并固定连接在所述二级耗能构件的下板面中心处；所述长加肋板和所述短加肋板分别穿接在所述端口板的内外两侧，所述长加肋板、所述短加肋板和所述端部连接板的外端沿基本平齐。

2.根据权利要求1所述的三芯板并联耗能型防屈曲支撑，其特征是，所述一级耗能构件与所述二级耗能构件的宽度相等，所述三级耗能构件的宽度大于所述二级耗能构件的宽度；所述端部连接板的宽度小于所述三级耗能构件的宽度、但大于所述二级耗能构件的宽度。

3.根据权利要求1所述的三芯板并联耗能型防屈曲支撑，其特征是，所述一级耗能构件、所述二级耗能构件、所述三级耗能构件和所述端部连接板沿所述外围约束构件的轴向居中设置。

4.根据权利要求1所述的三芯板并联耗能型防屈曲支撑，其特征是，在所述一级耗能构件、所述二级耗能构件和所述三级耗能构件的外围分别包覆有隔离层。