CN105735504A - 矩形竹节屈曲约束支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形竹节屈曲约束支撑，包括核心部件和外约束部件；所述核心部件由多个圆形消能段、多个矩形弹性段和端部连接段沿纵向同轴线连接构成，圆形消能段和矩形弹性段相间设置，圆形消能段的截面直径小于或等于矩形弹性段的截面最小边长，端部连接段设置在圆形消能段和矩形弹性段形成整体的两端；所述外约束部件为矩形管，核心部件位于外约束部件内部，核心部件的矩形弹性段四周与外约束部件内侧紧贴，圆形消能段与外约束部件之间存在空隙。本发明能够有效限制矩形弹性段的扭转变形，从而限制了核心部件整体扭转变形，降低了核心部件圆形消能段的表面应变，增强屈曲约束支撑的低周疲劳性能。

Description

矩形竹节屈曲约束支撑

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种用于减小工程结构地震响应的屈曲约束支撑。

背景技术

地震是城市及其建筑物可能遭受的重大自然灾害之一，强烈地震不仅造成结构破坏，还会引起火灾等次生灾害和连锁效应。而消能减震的概念是指通过耗能装置吸收和耗散地震能量，有效减小结构的响应和损伤，避免主体结构的严重破坏，是实现结构基于性态设防的重要手段之一。屈曲约束支撑作为一种性能优越的消能减震构件，在日本、美国等发达国家得到了快速的推广应用，在我国的研究和应用也处于起步阶段。屈曲约束支撑在小震作用下保持弹性，与普通中心支撑一样能为结构提供足够的侧向刚度，在设防烈度或罕遇地震作用下，屈曲约束支撑的核心受力部件被外围约束部件有效抑制避免了整体或局部失稳，可通过拉压屈服来耗散能量，如此屈曲约束支撑既能作为普通支撑，又能发挥其耗能作用，使主体结构在地震作用下不会破坏或者破坏较小，是一种较为理想的消能减震方式。

传统屈曲约束支撑的约束部件通常由钢与混凝土组合形成，虽然造价相对较低，但是也存在一定的问题：(1)浇注混凝土的质量，如密实度，受工艺的影响较大，混凝土凝固会延长了制作时间，降低了生产效率；(2)由于混凝土局部不密实可能导致局部被核心部件压碎，从而引起核心部件局部屈曲，降低屈曲约束支撑性能；(3)为了保证核心受力部件能够自由拉压，常在核心受力部件包裹无粘结材料，使得混凝土与核心受力部件表面脱开，同时给核心受力部件受压膨胀提供一定的空间，但是在浇筑和振捣混凝土的过程中，很难保证无粘结材料按照设计要求包裹核心受力部件，从而影响屈曲约束支撑的性能。

进一步，采用全钢约束截面的屈曲约束支撑，如公开专利CN101974950B，其核心部件为圆形棒式芯杆，但是由于圆形棒式芯杆各方向抗弯刚度相等，在任意方向都可能发生整体或者局部屈曲，因此约束部件应在各方向对芯杆沿全长进行全面约束，因此构造要求较为复杂，而材料用量也会较大，此外更值得关注的是，屈曲约束支撑的圆形芯棒受压会发生扭转变形，扭转变形的存在会导致圆形芯棒局部变形的增加，从而降低屈曲约束支撑的低周疲劳性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决钢与混凝土组合约束部件的屈曲约束支撑中混凝土密实和无粘结材料设置困难及对性能的影响、圆形芯棒屈曲约束支撑受压时芯棒发生扭转变形等问题，提出了一种矩形竹节屈曲约束支撑。

本发明采用的技术方案为：一种矩形竹节屈曲约束支撑，包括核心部件和外约束部件；

所述核心部件由多个圆形消能段、多个矩形弹性段和端部连接段沿纵向同轴线连接构成，圆形消能段和矩形弹性段相间设置，圆形消能段的截面直径小于或等于矩形弹性段的截面最小边长，端部连接段设置在圆形消能段和矩形弹性段形成整体的两端。

所述外约束部件为矩形管，核心部件位于外约束部件内部，核心部件的矩形弹性段四周与外约束部件内侧紧贴，圆形消能段与外约束部件之间存在较大空隙，所述端部连接段的外端伸出外约束部件的两端管口，并与结构相连。

核心部件的矩形弹性段与外约束矩形管紧贴，从而可以限制矩形弹性段的扭转变形，进一步圆形消能段和矩形弹性段相间分布，使得屈曲约束支撑的核心部件的整体扭转变形得到了很好抑制，从而降低了核心部件的表面应变，提高了屈曲约束支撑的低周疲劳性能。

作为优选，所述端部连接段可以为矩形或圆形，其位于外约束部件的部分的四周与外约束部件的内侧紧贴或者相切。

考虑到与不同的结构相连，端部连接段为圆形适用于通过螺纹螺栓连接，而端部连接段为矩形适用于焊接钢板形成扩大头与结构连接。

作为优选，所述核心部件矩形弹性段和端部连接段的横截面面积至少为圆形消能段的1.6倍。

屈曲约束支撑在核心部件屈服后的承载力会进一步提高，其超强主要分两部分：一是钢材的应变硬化系数，根据本申请发明人对多种钢材(Q235、Q345、Q390)的循环加载试验以及已有文献结果，钢材的应变硬化系数在1.42左右；二是受压承载力调整系数，主要影响因素为屈曲约束支撑核心部件和约束部件之间的摩擦效应以及泊松效应，根据本申请发明人大量试验结果，其最大值可取为1.13，综上所述，矩形竹节屈曲约束支撑超强系数w可取为1.6(即1.42×1.13的值)。因此，本发明规定所述核心部件矩形弹性段和端部连接段的横截面面积至少为圆形消能段的1.6倍，可保证矩形弹性段和端部连接段的屈服承载力大于支撑最大承载力，矩形弹性段和端部连接段在荷载作用下可始终保持弹性。

作为优选，所述核心部件多个圆形消能段的长度从核心部件的两端往中间逐渐增加。

屈曲约束支撑的核心部件和约束部件之间由于接触产生摩擦，使得核心部件杆轴力由两端往中部逐渐减小，因此，圆形消能段的长度从两端往中间可适当增加。

作为优选，所述核心部件单个圆形钢消能段的长度不超过其半径8倍。

本发明规定矩形竹节屈曲约束支撑的圆形弹性段，只发生屈服而不发生屈曲，因此单个圆形消能段的屈曲承载力大于在给定位移幅值下支撑的最大承载力，如下式所示：

$\frac{{\mathrm{\π}}^2{E}_{t}I}{{(l/2)}^2}\≥{\mathrm{w\σ}}_{y}A$

其中，E_t为核心部件材料的切线模量，I为圆形屈服段的截面惯性矩，l为单个圆形屈服段的长度，w为支撑超强系数，σ_y为支撑材料屈服应力，A为圆形屈服段面积。由上式可知，屈曲约束支撑的l的最大值和材料屈服强度σ_y成反比，屈曲约束支撑核心部件通常采用采用的材料为Q235、Q345等，代入相关参数经验值以及圆形屈服段半径r，可得：

l≤8.4r

故规定单个圆形消能段的长度不超过其半径8倍。

本发明核心部件矩形弹性段四周与外约束部件内侧紧贴，约束部件可控制核心部件矩形弹性段侧向变形，从而达到抑制屈曲约束支撑整体失稳的效果，同时圆形消能段长度较短，单个圆形消能段的长度不超过其半径8倍，因此不会发生单个圆形消能段内的失稳。

本发明具有以下有益效果：

1.屈曲约束支撑核心部件的矩形弹性段与外约束矩形管紧贴，从而限制矩形弹性段的扭转变形，进一步圆形消能段和矩形弹性段相间分布，使得屈曲约束支撑的核心部件的整体扭转变形得到了很好抑制，从而降低了核心部件的表面应变，提高了屈曲约束支撑的低周疲劳性能。

2.矩形竹节屈曲约束支撑核心部件由多个圆形消能段和矩形弹性段沿纵向相间分布构成，各圆形消能段长度较短，在轴力作用下只屈服不屈曲，因此约束部件与圆形消能段之间无需填充砂浆或者增加多余部件对其进行约束，使得屈曲约束支撑构造简单且加工方便。

3.矩形竹节屈曲约束支撑核心部件的圆形消能段截面面积相对于矩形弹性段较小，从而屈服力较小，对外约束部件的刚度要求较低，因此外约束部件可为简单矩形套管，使得屈曲约束支撑构造简单且自重较轻，方便安装。

4.矩形竹节屈曲约束支撑核心部件的端部连接段和矩形弹性段的横截面面积至少为圆形消能段的1.6倍，1.6约为核心部件屈服后的超强系数，因此端部连接段始终保持弹性，虽然有部分区域处于无约束状态，但不会发生局部失稳，对比传统屈曲约束支撑需在核心部件无约束区域设置加劲肋来保证其稳定性而言，构造更为简单。

5.采用全钢外围约束截面，避免了混凝土湿作业，所有钢构件均可以在工厂制作，加工精度更容易控制。

6.由于摩擦力存在，屈曲约束支撑核心部件端部轴力大于中部轴力，根据各圆形消能段所承受的轴力确定其所需稳定承载力，使核心部件多个圆形消能段的长度从两端往中间逐渐增加，可充分利用材料。

附图说明

图1是本发明实施例1的矩形竹节屈曲约束支撑平视图；

图2是本发明实施例1的矩形竹节屈曲约束支撑A-A剖面图；

图3是本发明实施例1的矩形竹节屈曲约束支撑B-B剖面图；

图4是本发明实施例1的矩形竹节屈曲约束支撑核心部件平视图；

图5是本发明实施例1的矩形竹节屈曲约束支撑核心部件C-C剖面图；

图6是本发明实施例1的矩形竹节屈曲约束支撑核心部件D-D剖面图；

图7是本发明实施例1的矩形竹节屈曲约束支撑核心部件E-E剖面图；

图8是本发明实施例2的矩形竹节屈曲约束支撑核心部件E-E剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1～7所示：一种矩形竹节屈曲约束支撑包括核心部件1和外约束部件2，所述核心部件1由多个圆形消能段1-1、多个矩形弹性段1-2和端部连接段1-3沿纵向同轴线连接构成，圆形消能段1-1和矩形弹性段1-2相间设置，圆形消能段1-1的截面直径小于或等于矩形弹性段1-2的截面最小边长，端部连接段1-3位于圆形消能段1-1和矩形弹性段1-2形成整体的两端，所述外约束部件2为矩形管，核心部件1位于外约束部件2内部，核心部件1的矩形弹性段1-2四周与外约束部件2内侧紧贴，圆形消能段1-2与外约束部件2之间存在较大空隙，所述端部连接段1-3为圆形，其外端伸出外约束部件2的两端管口，并与结构通过铰接或者固接相连。

核心部件矩形弹性段1-2和端部连接段1-3的横截面面积至少为圆形消能段1-1的1.6倍。

核心部件多个圆形消能段1-1的长度从核心部件1的两端往中间逐渐增加。

核心部件单个圆形消能段1-1的长度不超过其半径8倍。

实施例2

如图8所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述核心部件的端部连接段1-3为矩形。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种矩形竹节屈曲约束支撑，其特征在于：包括核心部件和外约束部件；

所述核心部件由多个圆形消能段、多个矩形弹性段和端部连接段沿纵向同轴线连接构成，圆形消能段和矩形弹性段相间设置，圆形消能段的截面直径小于或等于矩形弹性段的截面最小边长，端部连接段设置在圆形消能段和矩形弹性段形成整体的两端；

所述外约束部件为矩形管，核心部件位于外约束部件内部，核心部件的矩形弹性段四周与外约束部件内侧紧贴，圆形消能段与外约束部件之间存在空隙，所述端部连接段的外端伸出外约束部件的两端管口，并与结构相连。

2.根据权利要求1所述矩形竹节屈曲约束支撑，其特征在于：所述端部连接段为矩形或圆形，其位于外约束部件的部分的四周与外约束部件的内侧紧贴或者相切。

3.根据权利要求1所述矩形竹节屈曲约束支撑，其特征在于：所述核心部件矩形弹性段和端部连接段的横截面面积至少为圆形消能段的1.6倍。

4.根据权利要求1所述矩形竹节屈曲约束支撑，其特征在于：所述核心部件多个圆形消能段的长度从核心部件的两端往中间逐渐增加。

5.根据权利要求1所述矩形竹节屈曲约束支撑，其特征在于：所述核心部件单个圆形钢消能段的长度不超过其半径8倍。