CN105401668A - 一种内约束防屈曲支撑 - Google Patents

Abstract

一种内约束防屈曲支撑，包括作为受力主体的外围构件和充实于外围构件内的泡沫金属。外围构件两端焊有端板，并在端板上焊有与主体结构连接的连接部件。本发明内约束防屈曲支撑，其受力合理、加工方便、成本低廉、自重轻，承载力高，是十分理想的耗能构件。外围构件部分作为受力单元，截面回转半径增大，支撑长细比减小，降低了对屈曲约束机制的要求，充分利用材料。泡沫金属部分作为防屈曲单元，泡沫金属强度高，密度低，能有效防止外围钢管发生局部屈曲。相比于外围钢构件，所述泡沫金属弹性模量低，不参与承担支撑轴力，避免影响支撑承载力和耗能性能。

Description

一种内约束防屈曲支撑

技术领域

本发明属于建筑工程领域，具体涉及一种内约束防屈曲支撑。

背景技术

防屈曲支撑因其优良的抗震耗能性能，使其在高地震烈度区的框架结构中得到广泛使用。与普通支撑相比，防屈曲支撑拉压性能相当，滞回曲线饱满稳定，其不但可作为结构构件，屈服后也是一种性能优良的阻尼器，可大量耗散地震输入能量，并将结构的损伤集中于屈曲约束支撑自身，保护了主体结构，降低了结构地震响应。

常见的防屈曲支撑包括芯材和外套筒，以及芯材与外套筒之间的填充材料。芯材部分是构件中的主要受力元件，外套筒部分对芯材提供约束，以防止芯材部分受压时发生整体屈曲。中国专利号200810204340.0公开的一种名称为“防屈曲耗能支撑”发明专利；中国专利号200910081817.5公开的一种名称为“一种全钢结构防屈曲耗能支撑”发明专利等，都属于此类防屈曲支撑。但现有的防屈曲支撑存在以下缺点：

1、钢材浪费：由于传统防屈曲支撑主要受力元件为芯材部分，处于核心位置的板件集中，长细比较大，容易发生屈曲，为防止芯材屈曲势必要增加外套筒的厚度；而外套筒只是负责约束芯材，并未参与轴向受力，未充分利用钢材，导致钢材浪费；

2、自重大：芯材与外套筒之间的混凝土类填充材料自重大，强度低，性能不稳定。

3、芯材与外套筒之间的约束混凝土容易被压碎而失去了约束与防屈曲作用，致使其耗能能力大幅降低。

因此将受力板件尽可能分散在周围，提高截面回转半径，进而减小支撑长细比避免其发生整体屈曲，并在内部充填低密度高强度的泡沫金属避免支撑的局部屈曲，是安全可靠，经济合理的解决方案。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种内约束防屈曲支撑。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种内约束防屈曲支撑，包括封闭的外围构件，填充于所述外围构件内并防止外围构件屈曲的泡沫金属；所述外围构件两端采用端板封闭，并在所述端板上焊有用以与主体结构连接的端部连接部件。

所述外围构件作为受力结构，使用闭口空心截面构件作为受力构件，使截面尽可能扩展，可以充分利用钢材强度高的性能，避免了传统防屈曲支撑仅将钢管作为约束结构而造成的钢材浪费。由于质量分布在外围，相对于同样尺寸的常规防屈曲支撑，其回转半径显著增大，长细比显著减小，可以有效的避免支撑的整体屈曲。

所述内部填充材料为泡沫金属。泡沫金属具有金属材料的高强度和高耐久性，同时具有较低的密度，可以减轻构件自重。泡沫金属是在熔融的金属中加入增粘剂和发泡剂制成，是一种集结构性能一体化的新型功能材料。发泡后金属的体积可扩大13倍以上，比重降低为原来的1/13，约相当于木材的三分之一；一方面泡沫金属的弹性模量高于普通支撑中用于填充的混凝土类材料，能有效防止薄壁钢管发生局部屈曲；另一方面泡沫金属弹性模量低于外围受力的钢构件的弹性模量，因此不参与承受轴向力。此外，它的多孔性构造能有效吸收撞击等瞬时荷载产生的能量。用泡沫金属来代替传统的混凝土作为填充材料，可以有效减少结构自重，增加结构的强度和稳定性。

所述泡沫金属为泡沫铝、泡沫镍、或泡沫铜；所述外围构件为钢构件。

所述外围构件为直径不小于150mm的圆管或边长不小于150mm的方管。

所述内部填充材料的截面为实心或空心。

当所述外围构件为直径小于等于200mm的圆管或边长小于等于200mm的方管时，所述内部填充材料的截面选择实心；当所述外围构件为直径大于200mm的圆管或边长大于200mm的方管时，所述内部填充材料的截面选择空心，所述填充材料的壁厚不小于100mm。

所述端部连接部件一端焊接于所述端板的外侧，另一端与主体结构连接。

所述端部连接部件与主体结构采用销轴连接、焊接或高强螺栓连接。

当所述端部连接部件与主体结构采用销轴连接时，所述端部连接部件为两块相互平行的耳板，所述耳板上开设安装销轴的圆孔。

当所述端部连接部件与主体结构采用焊接或高强螺栓连接时，所述端部连接部件为两块相互垂直的十字形板件。

当所述端部连接部件与主体结构采用焊接连接时，十字形板件外端设有用于焊接的坡口，确保融透焊接。

当所述端部连接部件与主体结构采用高强螺栓连接时，十字形板件外端设有螺栓孔，相对应的主体结构上的节点板也需开设螺栓孔。

本发明的有益效果是：

1.本发明所述的内约束防屈曲支撑，其受力合理、加工方便、成本低廉、自重轻，承载力高，是十分理想的耗能构件。

2.本发明中将所述外围构件作为受力单元，截面回转半径增大，支撑长细比减小，降低了对屈曲约束机制的要求，充分利用材料。

3.本发明中将所述泡沫金属部分作为防屈曲单元。泡沫金属强度高，密度低，能有效防止所述薄壁钢管发生局部屈曲，避免混凝土类材料易出现的压碎和磨损现象。

4.本发明中所述泡沫金属部分弹性模量低于受力的外围钢管的弹性模量，不参与承受轴力，避免了提高了支撑的轴向承载力，确保其在设计荷载下能屈服和耗能。

附图说明

图1为本发明所述内约束防屈曲支撑的构件示意图；

图2为本发明所述内约束防屈曲支撑的钢管横截面图；

图3为本发明所述内约束防屈曲支撑的实心填充泡沫金属横截面图；

图4为本发明所述内约束防屈曲支撑的空心填充泡沫金属横截面图；

图5为本发明所述内约束防屈曲支撑采用销轴连接时的节点正视图；

图6为本发明所述内约束防屈曲支撑采用销轴连接时的节点左视图；

图7为本发明所述内约束防屈曲支撑采用销轴连接时的节点俯视图；

图8为本发明所述内约束防屈曲支撑采用高强螺栓连接时的十字型节点正视图；

图9为本发明所述内约束防屈曲支撑采用高强螺栓连接时的十字型节点俯视图；

图10为本发明所述内约束防屈曲支撑采用焊接连接时的十字型节点正视图；

图11为本发明所述内约束防屈曲支撑采用焊接连接时的十字型节点俯视图；

在图1-11中，1为钢管，2-1为实心泡沫金属，2-2为空心泡沫金属，3为钢管封口端板，4为连接板，5为拼接板，6为主结构连接板，7为销轴连接板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

一种内约束防屈曲支撑构件，结合附图，包括钢管1、泡沫金属2，钢管封口端板3，防屈曲支撑与主体结构采用焊接连接或高强螺栓连接时的连接板4，防屈曲支撑与主体结构采用高强螺栓连接时的拼接板5，和防屈曲支撑与主体结构采用销轴连接时的销轴连接板7。钢管1与钢管封口端板3采用对接焊接；钢管封口端板3和十字形连接板4或销轴连接板7采用对接焊接。采用高强螺栓连接时，连接板4和主结构连接板6通过拼接板5采用高强螺栓连接。泡沫金属填充于钢管1内，并具有足够的粘结强度。

钢管1是闭口空心截面构件，如图2所述。

实心泡沫金属2-1可实心填充于钢管1内，根据外部钢管的形状，填充截面形状可以为圆形、方形或正多边形，如图3所示。

空心泡沫金属2-2可空心填充于钢管1内，内部空心截面可以为圆环形、方环形或正六边形。

防屈曲支撑与主体结构采用销轴连接时，将销轴连接板7一端与封口端板3对接焊接，然后销轴连接板7另一端与主结构连接板6采用销轴连接，如图5-7所示。

防屈曲支撑与主体结构采用高强螺栓连接时，将连接板4一端与钢管封口端板3对接焊接，然后连接板4另一端与位于主体结构上的主结构连接板6，通过拼接板5采用高强螺栓焊接，如图8-10所示。

防屈曲支撑与主体结构采用焊接连接时，将连接板4一端与钢管封口端板3对接焊接，然后连接板4另一端与位于主体结构上的主结构连接板6采用对接焊接，如图10-11所示。

泡沫金属填充材料充填于外围构件的内部，可根据外围构件的局部屈曲要求，对直径小于等于200mm的圆管或边长小于等于200mm的方管构件选择实心填充，对直径大于200mm的圆管或边长大于200mm的方管的构件选择空心材料进行填充，填充材料的壁厚不小于100mm。足够的截面积的填充材料可以保证支撑具有足够的弹性模量以减小变形，避免局部屈曲。

实施例1:

一种内约束防屈曲支撑，其长度为9m，承载力为300t，钢材采用Q235，钢管外径为416mm，内径384mm，所填泡沫金属为泡沫铝。采用空心填充，填充材料的壁厚厚为100mm，密度为0.2g/cm³。表1为内约束防屈曲支撑与传统防屈曲支撑性能参数对比。

表1长9m承载力300t不同类型防屈曲支撑性能参数对比

实施例2:

一种内约束防屈曲支撑，其长度为6m，承载力为110t，钢材采用LY160，钢管外径为330mm，内径309mm，所填泡沫金属为泡沫铝，采用空心，厚度为100mm，密度为0.2g/cm³。表2为内约束防屈曲支撑与传统防屈曲支撑性能参数对比。

表2长6m承载力110t不同类型防屈曲支撑性能参数对比

由以上两个实施例及表1和表2不同类型防屈曲支撑性能参数对比可以看出，本发明提出的内约束型防屈曲支撑在保持承载力不变的前提下，可显著降低防屈曲支撑总重，提高承重板件所占比重及材料利用率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：包括封闭的外围构件，填充于所述外围构件内并防止外围构件屈曲的泡沫金属；所述外围构件两端采用端板封闭，并在所述端板上焊有用以与主体结构连接的端部连接部件。

2.根据权利要求1所述的一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：所述泡沫金属为泡沫铝、泡沫镍、或泡沫铜；所述外围构件为钢构件。

3.根据权利要求1或2所述的一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：所述外围构件为直径不小于150mm的圆管或边长不小于150mm的方管。

4.根据权利要求1所述的一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：所述内部填充材料的截面为实心或空心。

5.根据权利要求4所述的一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：当所述外围构件为直径小于等于200mm的圆管或边长小于等于200mm的方管时，所述内部填充材料的截面选择实心；当所述外围构件为直径大于200mm的圆管或边长大于200mm的方管时，所述内部填充材料的截面选择空心，所述填充材料的壁厚不小于100mm。

6.根据权利要求1所述的一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：所述端部连接部件一端焊接于所述端板的外侧，另一端与主体结构连接。

7.根据权利要求6所述的一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：所述端部连接部件与主体结构采用销轴连接、焊接或高强螺栓连接。

8.根据权利要求6所述的一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：所述端部连接部件为两块相互平行的耳板，所述耳板上开设安装销轴的圆孔。

9.根据权利要求6所述的一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：所述端部连接部件为两块相互垂直的十字形板件；所述十字形板件外端设有用于焊接的坡口，确保融透焊接。

10.根据权利要求9中任一所述的一种内约束防屈曲支撑，其特征在于：所述十字形板件外端设有螺栓孔，相应的主体结构上的节点板上也开有螺栓孔。