CN105040849A - 一种预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件，包括钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件，其特征在于，还含有预应力索。四根预应力索均匀分布在内核耗能构件的四周，沿支撑构件长度方向通长布置，预应力索在外围约束构件的两端，对混凝土施加预压力。防屈曲支撑构件的内核耗能构件在端部伸出外围约束构件，并且截面放大，形成抗弯刚度较大的外伸段，通过连接板及高强度螺栓实现与框架构件的铰接或刚接连接。对混凝土施加预应力后，可以解决外围约束钢管混凝土构件因受弯而导致的混凝土提前开裂的问题，使其外围约束构件的抗弯刚度不会因为混凝土的受拉开裂而退化，充分利用混凝土抗压承载力高的特点，提高了防屈曲支撑构件的承载能力。

Description

一种预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件

技术领域

本发明涉及一种新型预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件，旨在提供一种具备更大承载力和更好性能的支撑耗能构件，在小震作用下为结构提供抗侧力作用，在中震和大震作用下消能减震。属于结构工程技术领域。

背景技术

防屈曲支撑构件一般由内核构件与外围约束构件两部分组成，是一种具有卓越消能减震效果的新型抗侧力构件。在小震作用下，防屈曲支撑构件内核保持弹性，为主体结构提供足够的抗侧刚度；在中震和大震作用下，外围约束构件对内核构件提供足够的侧向约束，使内核在拉压反复荷载作用下全截面进入屈服，其滞回曲线饱满，能够消耗地震输入的能量，广泛应用于新建结构与已有结构的加固中。

传统式防屈曲支撑构件一般采用整体截面形式，内核构件一般采用低屈服点高延性钢材，设计成“一”字形板件或者“十”字形组合构件的形式；外围约束构件采用圆钢管或者方钢管内灌混凝土形成的组合截面；内核构件与外围约束构件之间留有一定间隙，表面涂装特制无粘结材料，使其相互分离又能相对滑移，防止内核构件受压屈服时引起的横向膨胀而被塞死。众所周知，防屈曲支撑的外围约束构件仅仅承担弯曲作用，不承担轴力作用。传统式的防屈曲支撑构件由于混凝土的抗拉强度很低，在较小的弯矩作用下混凝土就会受拉开裂，从而降低了外围约束构件的抗弯刚度，并且由于混凝土受拉开裂的不可恢复性，因此这种对外围约束构件的抗弯刚度的削弱是永久性的，会严重降低防屈曲支撑构件在中震和大震作用下的耗能能力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件。这种预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件由外围约束钢管(方钢管或圆钢管)、预应力索和混凝土组成。四根预应力索均匀分布在内核耗能构件的四周，沿支撑构件长度方向通长布置，预应力索锚固在外围约束构件的两端，对混凝土施加预压力。在端部对内核耗能构件的截面进行放大，从而形成抗弯刚度较大的外伸段，然后焊接到连接盖板上，在连接盖板上开螺栓孔并通过高强度螺栓实现与框架构件的铰接或刚接连接。

本发明提出的一种预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件，包括钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件，其特征在于，还含有预应力索4。

在上述防屈曲支撑构件中，所述支撑构件中外围约束钢管3、预应力索4和混凝土5共同组成外围约束构件；所述外围约束钢管3长度小于内核耗能构件1的长度，直接采用冷弯薄壁型钢或钢板焊接组成，内部灌注混凝土；所述预应力索4共四根，均匀分布在所述内核耗能构件1的四周，沿支撑构件长度方向通长布置；所述预应力索4锚固在外围约束构件的两端，对混凝土施加预压力。

在上述防屈曲支撑构件中，所述内核耗能构件1的截面在端部进行放大，形成抗弯刚度较大的外伸段，然后焊接到连接盖板上，在连接盖板上开螺栓孔且通过高强度螺栓实现与框架构件的铰接或刚接连接。

综上所述，本发明的优点主要有：(1)对外围约束构件的混凝土施加预应力，可以解决外围约束钢管混凝土构件因受弯而导致的混凝土提前开裂的问题，使其外围约束构件的刚度不因混凝土受拉开裂而退化，提高了防屈曲支撑构件在中震和大震作用下的承载能力，减小了构件的变形；(2)预应力的使用充分利用了混凝土的抗压强度高的特点，通过延迟混凝土开裂提高外围约束刚度，使得构件采用较小的截面即可满足外围约束构件对抗弯刚度的需求，节省了材料；(3)补充了现有防屈曲支撑构件的种类以及连接方式，为结构设计与加固提供了更大的选择范围。

附图说明

图1(a)为本发明预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件的方钢管截面；

图1(b)为本发明预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件的方钢管截面为圆钢管截面；

图2为本发明预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件的侧视图(方钢管)；

图3为本发明预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件的三维图；

图4为本发明预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件的三维分解图；

图5为本发明预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件的端部节点三维示意图。

具体实施方式

下面通过对比传统防屈曲支撑构件和本发明提出的预应力钢管约束型防屈曲支撑构件，进一步说明二者之间受力性能的差异。记防屈曲支撑的内核承受轴压力为N，假设外围约束构件与内核构件之间的挤压力按照单波正弦曲线模式分布，跨中挤压力幅值为q₀，轴压力N与q₀之间满足线性关系，即挤压力的分布函数为q＝q₀sin(πx/L)，其中L为外围约束构件的长度。外围约束构件受挤压力作用处于受弯状态，其跨中弯矩最大，因而跨中混凝土最容易开裂。对防屈曲支撑外围约束构件施加预应力后，外围混凝土材料的抗拉强度由f_t提高到f_t+P_c/A_c，相当于提高了混凝土的开裂荷载，其中P_c为混凝土分担的预应力，A_c为混凝土截面积。假设防屈曲支撑长度为10m，外围约束钢管截面尺寸为412×412×6×6mm，混凝土截面尺寸为400×400mm，内核十字板采用宽200×30mm的一字板且材料为Q235。混凝土标号为C30，抗拉强度为1.43MPa。未施加预应力时，混凝土开裂时跨中弯矩为14.2kN·m。通过预应力索对混凝土共施加800kN的预压力后，混凝土开裂时跨中弯矩可提高到26.61kN·m，与未施加预应力相比提高了87.39％。因此，如果以混凝土开裂作为防屈曲支撑的失效状态，则采用预应力技术使混凝土开裂荷载提高了87.39％，也就是说，防屈曲支撑的轴向承载力提高了87.39％。可见，在传统的防屈曲支撑的基础上施加预应力，可带来可观的经济效益。

进一步结合附图1～5，详细说明本发明的具体实施方式。

如图1～3所示，一种预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件包括以下部件：

1——内核耗能构件；

2——无粘结材料；

3——约束钢管(方钢管或圆管，以方钢管为例)；

4——预应力索；

5——混凝土；

6——端部盖板；

7——预应力索锚具；

如图1(a)、1(b)、3、4所示，预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件由内核耗能构件1、无粘结材料2、约束钢管(方钢管或圆钢管)3、预应力索4和混凝土5组成；

如图3、4所示，约束钢管3共一根，可采用方钢管或圆钢管，直接采用冷弯薄壁型钢，或者钢板焊接组成；

如图1(a)和1(b)所示，在两根约束钢管3中灌注混凝土5；

如图1(a)、1(b)、3、4所示，内核耗能构件1共一个，采用三块低强度高延性的一字型截面钢板焊接组成；如图1所示，在内核耗能构件(1)表面涂装无粘结材料2，与约束钢管3内浇注的混凝土5分离，使内置的混凝土5与内核耗能构件1之间保留一定间隙以满足内核耗能构件1受压膨胀量的要求；

如图2～4所示，预应力索4共四根，均匀分布在十字形内核耗能构件1四周，沿支撑构件长度方向通长布置，预应力索4在两端通过预应力索锚具7锚固在外围约束构件的混凝土上，对混凝土施加预压力；

如图2、5所示，内核耗能构件1在端部伸出约束钢管3后截面扩大，形成抗弯刚度较大的外伸段，然后焊接到端部盖板6上，通过连接板及高强度螺栓实现与框架构件的铰接或刚接连接。

Claims (3)

1.一种预应力钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件，包括钢管混凝土约束型防屈曲支撑构件，其特征在于，还含有预应力索(4)。

2.根据权利要求1所述的防屈曲支撑构件，其特征在于，所述支撑构件中外围约束钢管(3)、预应力索(4)和混凝土(5)共同组成外围约束构件；所述外围约束钢管(3)长度小于内核耗能构件(1)的长度，直接采用冷弯薄壁型钢或钢板焊接组成，内部灌注混凝土；所述预应力索(4)共四根，均匀分布在所述内核耗能构件(1)的四周，沿支撑构件长度方向通长布置；所述预应力索(4)锚固在外围约束构件的两端，对混凝土施加预压力。

3.根据权利要求1所述的防屈曲支撑构件，其特征在于，所述内核耗能构件(1)的截面在端部进行放大，形成抗弯刚度较大的外伸段，然后焊接到连接盖板上，在连接盖板上开螺栓孔且通过高强度螺栓实现与框架构件的铰接或刚接连接。