CN104947827B - 一种粘弹性‑防屈曲耗能支撑 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粘弹性‑防屈曲耗能支撑，其结构包括内芯耗能单元、Ⅰ级外围约束机构、Ⅱ级外围约束机构、粘弹性材料构件、端部封板构件和无粘结填充材料构件；所述内芯耗能单元包括“一”字形耗能内芯构件和端部加劲肋构件；所述Ⅰ级外围约束机构包括方钢管构件和连接板构件；所述Ⅱ级外围约束机构为方形筒体，所述粘弹性材料构件设置在所述钢板构件与所述连接板构件之间。本发明可为防屈曲支撑提供更大的侧向约束刚度，有利于防屈曲支撑耗能能力的充分发挥，同时粘弹性材料的应用可以使该耗能支撑在小位移、微振动作用下耗能，满足不同设防地震作用下的阻尼需求，为主体结构提供更大的阻尼需求，同时提高了构件的安全储备。

Description

一种粘弹性-防屈曲耗能支撑

技术领域

本发明涉及一种防屈曲支撑构件，具体地说是一种粘弹性-防屈曲耗能支撑。

背景技术

粘弹性阻尼器能够为结构提供一定刚度的同时提供较大的阻尼；它的力与位移滞回曲线近似于椭圆形，耗能能力强，能够有效减小建筑物的风振及地震反应。与位移相关型阻尼器相比（例如防屈曲耗能支撑），粘弹性阻尼器在所有振动条件下都能进行耗能，即使在较小的振动条件下，也能够进行耗能。它不像滞回耗能装置（如金属耗能装置和摩擦耗能装置）那样需要有较大的相对位移才能发生屈服变形或克服摩擦力以发挥它们的耗能作用。所以粘弹性阻尼器既能同时用于结构的地震和风振控制，又避免了其它耗能（阻尼）器存在的耗能器初始刚度如何与结构侧移刚度相匹配的问题。

现有技术中，防屈曲支撑是一种通过钢材的轴向压拉来消耗能量的位移相关型阻尼器，它主要由防屈曲支撑内芯单元和外围约束约束机构组成，内芯单元与外围约束机构间留有间隙或采用无粘结材料填充。防屈曲支撑内芯作为轴向受力构件，其在外围约束机构的侧向约束下，当受到拉力和压力的作用时，均能达到全截面的充分屈服，能够更好地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：一是低屈服性，以确保在小震下就可以耗能；二是耗能能力大，以保证在大震下也可以达到减震耗能的效果；三是变形量大，以与地震作用下的建筑物的层间变形相适应。

然而，在实际实施过程中，防屈曲支撑存在有以下两个问题：一是由于防屈曲耗能支撑属于位移相关型耗能构件，与主体结构相对层间位移大小有关，当结构处于小震状态下时，结构层间相对位移较小，难以达到防屈曲耗能支撑层间屈服位移，构件处于弹性状态，不能实现耗能的预期目标，无法消减由于小震产生的惯性力及结构振动，同时在正常使用条件下无法消减风荷载、室外环境等引起的结构振动。二是防屈曲支撑为结构增加了刚度的同时附带了一定的重量，这样就需要主体结构承受由此产生的重力和地震惯性力，增大了主体结构的受力。对于使用要求（如小侧移、微振动等）较高、振源较强但有减振需求，或是中等程度（如设防烈度）地震下需要确保建筑功能性，同时，在罕遇地震下需要保证优异的抗震性能的情况下，单一使用防屈曲支撑技术就难以做到两者兼顾了。

发明内容

本发明的目的就是提供一种粘弹性-防屈曲耗能支撑，以解决现有防屈曲耗能支撑会增大主体结构的受力并且在小震状态下无法消减由小震所产生的惯性力及结构振动、在正常状态下无法消减结构振动的问题。

本发明是这样实现的：一种粘弹性-防屈曲耗能支撑，包括内芯耗能单元、Ⅰ级外围约束机构、Ⅱ级外围约束机构、粘弹性材料构件、端部封板构件和无粘结填充材料构件。

所述内芯耗能单元包括“一”字形耗能内芯构件和端部加劲肋构件；所述“一”字形耗能内芯构件为端部宽、中部窄的长条板体，所述端部加劲肋构件焊接在所述“一”字形耗能内芯构件两端宽体部的顶面中心线和两端宽体部的底面中心线上，所述内芯耗能单元的两个端部分别组成截面为十字形的端部基体。

所述Ⅰ级外围约束机构包括四个方钢管构件和四个连接板构件；所述方钢管构件设置在所述内芯耗能单元周围四角；所述连接板构件焊接在相邻两个所述方钢管构件的共面外侧壁上，方钢管构件与连接板构件组成内部为“十”字型的空腔；所述连接板构件的两端分别开有中心穿插条缝，所述“一”字形耗能内芯构件的两端宽体部的侧沿或所述端部加劲肋构件的侧沿穿插在所在位置上的所述连接板构件的中心穿插条缝中；所述Ⅰ级外围约束机构的一端焊接在所述内芯耗能单元一端的所述端部基体上，所述Ⅰ级外围约束机构的另一端为自由端。

所述Ⅱ级外围约束机构是由四个钢板构件通过沿边依次相接所组成的方形筒体，每个所述钢板构件位于所述Ⅰ级外围约束机构中的一个所述连接板构件的外端面；在每个所述钢板构件的两端分别开有中心穿接条缝，所述“一”字形耗能内芯构件两端宽体部的侧沿或所述端部加劲肋构件的侧沿穿接在所在位置上的所述钢板构件的中心穿接条缝中，所述钢板构件其中一端的中心穿接条缝与所穿入的所述“一”字形耗能内芯构件的侧沿或所穿入的所述端部加劲肋构件侧沿通过焊接方式固定相接，所述Ⅱ级外围约束机构的另一端为自由端，所述Ⅱ级外围约束机构的自由端与所述Ⅰ级外围约束机构的自由端分设在所述内芯耗能单元的两端。

所述粘弹性材料构件设置在所述钢板构件与所述连接板构件之间，使所述Ⅰ级外围约束机构与所述Ⅱ级外围约束机构连接在一起。

所述Ⅰ级外围约束机构与端部封板构件间留有间隙；所述Ⅱ级外围约束机构与端部封板构件间留有间隙。

所述无粘结填充材料构件设置在所述Ⅰ级外围约束机构与所述内芯耗能单元之间。

所述连接板构件的两端与所述方钢管构件的两端平齐，与所述内芯耗能单元及端部封板构件焊接。

本发明是一种粘弹性-防屈曲耗能支撑，在多遇地震及风荷载作用过程中，该防屈曲支撑可为主体结构提供较大的初始刚度，减小结构的层间位移，其处于小位移状态下，内芯耗能单元构件尚未屈服而处于弹性状态，在此受力阶段，由于Ⅰ级外围约束机构与Ⅱ级外围约束机构间产生相对速度，使粘弹性材料构件提供所需求的阻尼，此时Ⅰ级外围约束机构、Ⅱ级外围约束机构与粘弹性材料构件共同起到了粘弹性阻尼器的作用，内芯耗能单元构件、Ⅰ级外围约束机构及Ⅱ级外围约束机构共同起到防屈曲支撑的作用，为主体结构提供刚度，不附加阻尼，实现了在小侧移、微振动作用下的耗能预期目标。在中遇地震或有较强振源的情况下，随着外部作用的增大，层间相对位移及层间相对速度均有所增加，本发明防屈曲支撑的内芯耗能单元构件开始屈服耗能，粘弹性材料构件继续进一步的耗能。在罕遇地震作用下，随着外部地震作用的进一步加大，建筑物的主体结构的地震反应也继续增大，本发明防屈曲支撑的内芯耗能单元构件充分屈服耗能，粘弹性材料构件继续耗能，此时本发明防屈曲支撑可为主体结构提供最大阻尼的需求，保证了主体结构具有优异的抗震性能，达到本发明预期的功能目标。

本发明融合了粘弹性阻尼器减振和防屈曲支撑消能减震两项技术，合理地利用了粘弹性阻尼材料在小侧移、微振动作用下提供阻尼和消减震（振）动能量的特性，拓展了现有防屈曲耗能支撑的耗能范围，为防屈曲支撑的应用拓展了空间。同时，本发明采用防屈曲支撑技术，有效地降低了粘弹性阻尼器因外部激荡频率等因素不同而降低减震效果的影响。

本发明采用内、外双约束机构，可为防屈曲支撑提供更大的侧向约束刚度，有利于防屈曲支撑耗能能力的充分发挥，为主体结构提供更大的阻尼需求，同时提高了构件的安全储备。

本发明可以实现耗能构件初始屈服低而整体变形大的需要，实现小震阶段，支撑提供足够刚度同时提供附加阻尼，实现了不同地震设防水准下均能屈服耗能的性能要求，通过不同技术耗能，构件自身耗能能力得到了合理分配，降低了采用单一耗能技术对构件自身带来的负担，避免了在大荷载作用下支撑的破坏，确保了支撑的安全，延长了支撑的使用寿命。

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。

本发明可广泛应用于土木工程结构消能减震（振）技术。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A向剖面图。

图3是图1的B-B向剖面图。

图4是图1的C-C向剖面图。

图中：1、端部加劲肋构件，2、钢板构件，3、粘弹性材料构件，4、连接板构件，5、方钢管构件，6、“一”字形耗能内芯构件，7、端部封板构件，8、无粘结填充材料构件。

具体实施方式

如图1所示，本发明粘弹性-防屈曲耗能支撑包括：内芯耗能单元、Ⅰ级外围约束机构、Ⅱ级外围约束机构、粘弹性材料构件3、端部封板构件7和无粘结填充材料构件8等部分。

所述内芯耗能单元包括“一”字形耗能内芯构件6和端部加劲肋构件1；“一”字形耗能内芯构件6为端部宽、中部窄的长条钢板，端部加劲肋构件1焊接在“一”字形耗能内芯构件6两端宽体部的顶面中心线和两端宽体部的底面中心线上，端部加劲肋构件1与“一”字形耗能内芯构件6的两个端部分别组成截面为十字形的端部基体（图2）。该内芯耗能单元的约束屈服段采用“一”字型截面（图4），无约束非屈服段采用“十”字型截面（图2），约束屈服段与无约束非屈服段之间的过渡段即约束非屈服段采用“十”字型截面（图3）。

所述Ⅰ级外围约束机构包括四个方钢管构件5和四个连接板构件4。方钢管构件5采用方钢管，设置在内芯耗能单元中。方钢管构件5的两端设置在内芯耗能单元的端部基体的十字形分隔直角槽内（图3）。四个方钢管构件5形成“田”字形的分布格局，相邻设置的两个方钢管构件5上各有一个相邻的外侧壁处于同一平面内。连接板构件4为连接钢板，焊接在相邻两个方钢管构件5的共面外侧壁上（图4）；四个连接板构件4就将田字分布的四个方钢管构件5焊接在一起。在每个连接板构件4的两端分别开有中心穿插条缝，“一”字形耗能内芯构件6的两端宽体部的侧沿以及端部加劲肋构件1的侧沿分别穿插在各自所在位置上的连接板构件4的该中心穿插条缝中（图3）。Ⅰ级外围约束机构的一端焊接在内芯耗能单元一端的端部基体上，Ⅰ级外围约束机构的另一端为自由端。

所述Ⅱ级外围约束机构是由四个钢板构件2通过两侧边沿的依次对接，再焊接对接缝后，组成一个钢制方形筒体（图4），每个钢板构件2位于Ⅰ级外围约束机构中的一个连接板构件4的外端面上。在每个钢板构件2的两端分别开有中心穿接条缝，“一”字形耗能内芯构件6两端宽体部的侧沿以及端部加劲肋构件1的侧沿分别穿接在各自所在位置上的钢板构件2的中心穿接条缝中（图3）。钢板构件2其中一端的中心穿接条缝与所穿入的”一”字形耗能内芯构件6的侧沿或所穿入的端部加劲肋构件1的侧沿通过焊接方式固定相接，Ⅱ级外围约束机构的另一端为自由端。Ⅰ级外围约束机构的自由端与Ⅱ级外围约束机构的自由端分设在内芯耗能单元的两端。

粘弹性材料构件3采用粘弹性高阻尼橡胶材料制成，设置在钢板构件2与连接板构件4之间，通过采用硫化工艺的处理方法，使其与钢板构件2和方钢管构件5硫化为一个整体，使Ⅰ级外围约束机构与Ⅱ级外围约束机构连接在一起，由此就能够充分发挥粘弹性材料构件3的阻尼耗能性能。

如图1所示，Ⅰ级外围约束机构的左端与端部封板构件7留有间隙，另一端与端部封板构件7及内芯耗能单元端部焊接；Ⅱ级外围约束机构右端与端部封板构件7留有间隙，另一端与端部封板构件7及内芯耗能单元端部焊接。

端部封板构件7为矩形钢板体。

在Ⅰ级外围约束机构与内芯耗能单元之间设置有无粘结填充材料构件8。无粘结填充材料构件8可采用硅胶板、橡胶板或聚乙烯高分子材料制成，其作为Ⅰ级外围约束机构与核心耗能单元间的脱粘层，有效减小Ⅰ级外围约束机构与核心耗能单元之间的摩擦，有利于提高外围约束机构的侧向约束作用，充分发挥内芯耗能作用。由于硅胶板不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应，故可优选硅胶板作为无粘结填充材料。

Claims (2)

1.一种粘弹性-防屈曲耗能支撑，其特征是，包括内芯耗能单元、Ⅰ级外围约束机构、Ⅱ级外围约束机构、粘弹性材料构件、端部封板构件和无粘结填充材料构件；

所述内芯耗能单元包括“一”字形耗能内芯构件和端部加劲肋构件；所述“一”字形耗能内芯构件为端部宽、中部窄的长条板体，所述端部加劲肋构件焊接在所述“一”字形耗能内芯构件两端宽体部的顶面中心线和两端宽体部的底面中心线上，所述内芯耗能单元的两个端部分别组成截面为十字形的端部基体；

所述Ⅰ级外围约束机构包括四个方钢管构件和四个连接板构件；所述方钢管构件设置在所述内芯耗能单元周围四角；所述连接板构件焊接在相邻两个所述方钢管构件的共面外侧壁上，方钢管构件与连接板构件组成内部为“十”字型的空腔；所述连接板构件的两端分别开有中心穿插条缝，所述“一”字形耗能内芯构件的两端宽体部的侧沿或所述端部加劲肋构件的侧沿穿插在所在位置上的所述连接板构件的中心穿插条缝中；所述Ⅰ级外围约束机构的一端焊接在所述内芯耗能单元一端的所述端部基体上，所述Ⅰ级外围约束机构的另一端为自由端；

所述Ⅱ级外围约束机构是由四个钢板构件通过沿边依次相接所组成的方形筒体，每个所述钢板构件位于所述Ⅰ级外围约束机构中的一个所述连接板构件的外端面；在每个所述钢板构件的两端分别开有中心穿接条缝，所述“一”字形耗能内芯构件两端宽体部的侧沿或所述端部加劲肋构件的侧沿穿接在所在位置上的所述钢板构件的中心穿接条缝中，所述钢板构件其中一端的中心穿接条缝与所穿入的所述“一”字形耗能内芯构件的侧沿或所穿入的所述端部加劲肋构件侧沿通过焊接方式固定相接，所述Ⅱ级外围约束机构的另一端为自由端，所述Ⅱ级外围约束机构的自由端与所述Ⅰ级外围约束机构的自由端分设在所述内芯耗能单元的两端；

所述粘弹性材料构件设置在所述钢板构件与所述连接板构件之间，使所述Ⅰ级外围约束机构与所述Ⅱ级外围约束机构连接在一起；

所述Ⅰ级外围约束机构与端部封板构件间留有间隙；所述Ⅱ级外围约束机构与端部封板构件间留有间隙；

所述无粘结填充材料构件设置在所述Ⅰ级外围约束机构与所述内芯耗能单元之间。

2.根据权利要求1所述的粘弹性-防屈曲耗能支撑，其特征是，所述连接板构件的两端与所述方钢管构件的两端平齐，与所述内芯耗能单元及端部封板构件焊接。