CN106400997B - 一种圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置，包括夹层橡胶端板，穿过夹层橡胶端板的圆管形连接件，连接圆管形连接件无约束端上、下表面的摩擦内板，连接在摩擦内板两侧的摩擦外板。夹层橡胶端板包括橡胶垫，设置在橡胶垫朝向摩擦内板一侧的端板，设置在橡胶垫另一侧的内垫板和外垫板。摩擦内板上设有槽孔，使得摩擦内板和摩擦外板可沿着槽孔相对滑移。自定心屈曲约束支撑端部连接装置与自定心屈曲约束支撑的连接方式为：圆管形连接件的约束端分别与核心板一端和外套管焊接，外垫板与外套管接触，内垫板与内套管接触，设置在内套管中的预拉杆在施加预应力后锚固在端板上。

Description

一种圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置

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灾害的圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置。

背景技术

地震给人类带来极其严重的灾难。传统的抗震设计采用的是延性设计方法，即在地震作用下，通过结构部分构件（例如耗能支撑）的提前屈服和破坏，但整体不至于丧失功能，依靠构件的塑性变形来耗散大部分的地震能量，从而达到保证主体结构安全的目的。其中，屈曲约束支撑由于具有耗能能力强、减震效果好和震后易更换等优点，在近年来得到广泛的应用。

屈曲约束支撑是一种金属屈服耗能构件，它由承受轴向荷载的核心单元和防止核心单元产生低阶屈曲的约束单元组成。屈曲约束支撑在小震和设计风荷载作用下，始终处在全构件的弹性变形阶段，为结构提供足够的刚度和强度。在中震和大震作用下，屈曲约束支撑的核心单元会进入屈服阶段，从而通过塑性变形耗散地震能量，减少主体结构的地震影响，保证主体的安全性。但是屈曲约束支撑较低的屈服后刚度则会使其框架结构在震后易于产生较大残余变形，从而大幅提高了结构修复的难度和费用。

为有效控制屈曲约束支撑的残余变形，可将由预拉杆、双重套管和端板组成的自定心系统引入屈曲约束支撑中，形成自定心屈曲约束支撑。地震时，自定心屈曲约束支撑凭借施加在预拉杆中的预张力能有效克核心单元的塑性变形，从而显著减小支撑的残余变形，使其达到自定心的效果。但传统自定心屈曲约束支撑初始刚度很大，会导致地震时结构产生较大的基底剪力。此外，受套管长度加工误差的影响，传统自定心屈曲约束支撑的初始刚度难以确定，使得结构的基本周期无法精确估计，从而影响结构的设计。由于传统预拉杆材料极限弹性应变较小，在产生较大变形后会引起不可恢复的塑性应变，甚至发生预拉杆的断裂，从而导致预张力的损失，不但影响结构的自定心效果，还会形成薄弱层效应。

发明内容

技术问题：本发明针对已有自定心屈曲约束支撑初始刚度大，受套管长度加工误差的影响显著和发生较大变形时易出现预拉杆断裂的缺陷，提供一种既能减小自定心屈曲约束支撑的初始刚度，降低套管长度加工误差影响，而且还能有效避免预拉杆断裂的圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置。

技术方案：本发明的圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置，包括夹层橡胶端板、穿过夹层橡胶端板的圆管形连接件、插入所述圆管形连接件无约束端并与圆管形连接件上、下外表面连接的摩擦内板、连接在所述摩擦内板两侧的摩擦外板。夹层橡胶端板包括橡胶垫、设置在所述橡胶垫朝向摩擦内板一侧的端板、设置在所述橡胶垫另一侧的内垫板和外垫板，外垫板位于内垫板的外侧，通过螺栓将所述端板、橡胶垫和内垫板相互固定，通过钢卡将所述端板、橡胶垫和外垫板相互固定。摩擦内板与摩擦外板的连接方式为：在所述摩擦内板上设置有槽孔，在摩擦外板上设有螺栓孔，将槽孔沿圆管形连接件的轴向布设，将螺栓穿过螺栓孔和槽孔使摩擦内板和摩擦外板连为一体。

进一步的，本发明端部连接装置中，夹层橡胶端板上设置有用以穿过圆管形连接件的缺口，所述内垫板位于缺口内侧，所述外垫板位于缺口外侧。

进一步的，本发明端部连接装置中，圆管形连接件的无约束端设有与夹层橡胶端板的缺口相匹配的槽口，圆管形连接件的无约束端穿过夹层橡胶端板的缺口，摩擦内板通过所述槽口插入圆管形连接件无约束端。

本发明的圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置与自定心屈曲约束支撑的连接方式为：圆管形连接件的约束端分别与自定心屈曲约束支撑的核心板一端和外套管焊接、外垫板与自定心屈曲约束支撑的外套管接触、内垫板与自定心屈曲约束支撑的内套管接触、设置在内套管中的预拉杆在施加预应力后通过锚具锚固在端板上。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明技术方案能有效减小自定心屈曲约束支撑的初始刚度。传统的自定心屈曲约束支撑初始刚度等于内、外套管、预拉杆和核心板的轴向刚度之和，为避免内、外套管发生整体或局部屈曲，套管通常具有很大的轴向刚度，导致自定心屈曲约束支撑的初始刚度较大。而本发明采用了夹层橡胶端板，使得端板中的橡胶垫与内、外套管串联在一起。由于橡胶的弹性模量很低，从而能显著降低自定心屈曲约束支撑的初始刚度，既能有效控制结构地震时的基底剪力，降低建造费用，又能降低结构地震时的最大楼层加速度，减小了建筑中的非结构构件和设备损伤程度。

（2）本发明技术方案能有效降低套管长度加工误差对自定心屈曲约束支撑初始刚度的影响。在传统的自定心屈曲约束支撑统中，由于套管长度加工误差的存在，在施加预张力后长度较短的套管两端无法与两侧端板同时接触，使得自定心屈曲约束支撑的初始刚度与理论值相差较大，从而导致结构的基本周期难以确定，对结构的设计造成影响。而本发明采用了夹层橡胶端板，并且夹层橡胶端板分别通过外垫板和内垫板与外套管和内套管接触。由于橡胶的弹性模量较低，使得长度较短的套管也能与两侧端板同时接触，从而有效降低了套管长度加工误差对自定心屈曲约束支撑初始刚度的影响。

（3）本发明能有效避免预拉杆的断裂。与传统的自定心屈曲约束支撑端部连接装置相比，本发明由于带有摩擦保险装置，当自定心屈曲约束支撑轴力达到其的滑动摩擦力时，摩擦保险装置便启动，而自定心屈曲约束支撑主体不再继续变形。因此在结构设计时，只需计算出预拉杆断裂时对应的自定心屈曲约束支撑轴力限值，并取摩擦保险装置的滑动摩擦力小于该值，便能防止预拉杆的断裂，从而保证在控制结构残余变形的同时，避免由于预拉杆断裂引起的结构薄弱层效应。

（4）本发明能有效的控制自定心屈曲约束支撑的最大轴力。由于传统自定心屈曲约束支撑端部连接装置仅起到连接自定心屈曲约束支撑与主体结构并传递内力的作用，而不能控制自定心屈曲约束支撑轴力。在大震作用下，由于结构出现较大变形，而引起自定心屈曲约束支撑轴力过大，会对相邻节点和构件产生不利影响，甚至引起结构的局部破坏。而本发明由于带有摩擦保险装置，当摩擦保险装置启动后，自定心屈曲约束支撑的轴力便不再增加，从而避免相邻构件的破坏，有利于保证大震下结构的整体性。

附图说明

图1为本发明装置的正视图；

图2为本发明装置与自定心屈曲约束支撑连接后的构造示意图；

图3为图2的A-A剖面图；

图4为图2的B-B剖面图；

图5为图2的C-C剖面图；

图6为摩擦内板的正视图；

图7为摩擦内板的侧视图；

图8为摩擦外板的正视图；

图9为摩擦外板的侧视图；

图10为夹层橡胶端板正视图；

图11为夹层橡胶端板后视图；

图12为夹层橡胶端板侧视图；

图13为橡胶垫正视图；

图14为橡胶垫侧视图；

图15为圆管形连接件正视图；

图16为圆管形连接件侧视图；

图17为本发明的原位示意图；

图18为本发明装置受拉的工作示意图；

图19为本发明装置受压的工作示意图。

图中有：夹层橡胶端板1、端板11、橡胶垫12、内垫板13、外垫板14、钢卡15、缺口16、圆管形连接件2、槽口21、摩擦内板3、槽孔31、摩擦外板4、螺栓孔41、自定心屈曲约束支撑外套管5、自定心屈曲约束支撑内套管6、核心板7、预拉杆8、锚具9。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1~图5和图10~图16所示，本发明的圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置，包括夹层橡胶端板1，穿过夹层橡胶端板1的圆管形连接件2，插入圆管形连接件2无约束端并与圆管形连接件2上、下外表面连接的摩擦内板3，设置在摩擦内板3两侧的摩擦外板4。夹层橡胶端板1包括橡胶垫12，设置在橡胶垫12靠近摩擦内板3一侧的端板11，设置在橡胶垫12另一侧的内垫板13和外垫板14，外垫板14位于内垫板13的外侧，并保证外垫板14与内垫板13之间存在间隙，通过螺栓将端板11、橡胶垫12和内垫板13相互固定，通过钢卡15将端板11、橡胶垫12和外垫板14相互固定。圆管形连接件2无约束端上开有多个槽口21，夹层橡胶端板1上设置有与圆管形连接件2无约束端相匹配的缺口16，以保证圆管形连接件2的无约束端能穿过夹层橡胶端板1，且圆管形连接件2能沿自定心屈曲约束支撑的轴向与夹层橡胶端板1相对滑移。摩擦内板3通过槽口21插入圆管形连接件2无约束端。

如图1~图9所示，摩擦内板3与摩擦外板4的连接方式为：在摩擦内板3上设有槽孔31，在摩擦外板4上设有螺栓孔41，将槽孔31沿圆管形连接件2的轴向布设，将螺栓穿过螺栓孔41和槽孔31使摩擦内板3和摩擦外板4连为一体。螺栓可在槽孔31中滑动，拧紧螺丝后在摩擦内板3和摩擦外板4之间可以产生摩擦力，当外力大于摩擦内板3和摩擦外板4之间的最大静摩擦力后，摩擦内板3和摩擦外板4可沿着槽孔31相对滑移，形成摩擦保险装置。基于支撑自定心屈曲约束支撑中预拉杆的极限弹性应力和截面面积，得到预拉杆断裂时支撑的轴向荷载，然后通过改变施加在螺栓上的扭矩使摩擦内板3和摩擦外板4之间的最大静摩擦力小于该轴力，以避免由于支撑轴力过大而引起预拉杆的断裂。

如图2~图5所示，圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置与自定心屈曲约束支撑的连接方式为：圆管形连接件2的约束端分别与自定心屈曲约束支撑的核心板7一端和外套管5焊接，外垫板14与自定心屈曲约束支撑的外套管5接触，内垫板13与自定心屈曲约束支撑的内套管6接触，设置在内套管6中的预拉杆8在施加预应力后通过锚具9锚固在端板11上。自定心屈曲约束支撑另一端既可采用传统的自定心屈曲约束支撑端部连接装置，也可采用圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置，但支撑另一端的连接装置需分别与核心板7的另一端和内套管6焊接，以保证随着结构的变形，自定心屈曲约束支撑两端的连接装置能分别带动外套管5和内套管6产生相互错动，使自定心系统启动，为结构提供刚度和自定心恢复力。

圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置的工作原理如图17~图19所示，当自定心屈曲约束支撑未承受外荷载时（见图17），由于对预拉杆8施加了初始预张力，通过橡胶垫12的变形，可使存在套管长度加工误差的外套管5和内套管6都能与夹层橡胶端板1接触。当自定心屈曲约束支撑受拉时（见图18），圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置会带动外套管5向右移动并顶推夹层橡胶端板1，而另一端的自定心屈曲约束支撑端部连接装置会带动内套管6向左移动并与夹层橡胶端板1脱离，外垫板14在外套管5的顶推下会挤压其下部的橡胶垫12，而内套管6与内垫板13脱离后，内垫板13下部的橡胶垫12会松弛，核心板在支撑两端连接装置的带动下受拉伸长。当自定心屈曲约束支撑受压时（见图19），圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置会带动外套管5向左移动并与夹层橡胶端板1脱离，而另一端的自定心屈曲约束支撑端部连接装置会带动内套管6向右移动并顶推夹层橡胶端板1，内垫板12在内套管6的顶推下会挤压其下部的橡胶垫12，而外套管5与外垫板14脱离后，外垫板14下部的橡胶垫12会松弛，核心板在支撑两端连接装置的带动下受压缩短。无论自定心屈曲约束支撑受拉或受压，橡胶垫12均有局部受压和松弛，从而使得橡胶垫12的刚度能串联到自定心屈曲约束支撑中。摩擦保险装置工作原理为：当地震作用下结构变形较小时，变形完全集中于自定心屈曲约束支撑，而摩擦保险装置不启动；当地震作用下结构变形较大时，变形首先集中于自定心屈曲约束支撑，当支撑轴力达到摩擦内板3和摩擦外板4之间的最大静摩擦力后，摩擦内板3和摩擦外板4便产生相对滑移，自定心屈曲约束支撑轴力不再增加，变形集中于摩擦保险装置，一方面避免了预拉杆的断裂，另一方面控制了自定心屈曲约束支撑的最大轴力，防止对相邻节点和构件产生不利的影响。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，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等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置，其特征在于，该装置包括夹层橡胶端板（1）、穿过所述夹层橡胶端板（1）的圆管形连接件（2）、插入所述圆管形连接件（2）无约束端并与圆管形连接件（2）上、下外表面连接的摩擦内板（3）、连接在所述摩擦内板（3）两侧的摩擦外板（4）；

所述夹层橡胶端板（1）包括橡胶垫（12）、设置在所述橡胶垫（12）朝向摩擦内板（3）一侧的端板（11）、设置在所述橡胶垫（12）另一侧的内垫板（13）和外垫板（14），所述外垫板（14）位于内垫板（13）的外侧，通过螺栓将所述端板（11）、橡胶垫（12）和内垫板（13）相互固定，通过钢卡（15）将所述端板（11）、橡胶垫（12）和外垫板（14）相互固定；

所述摩擦内板（3）与摩擦外板（4）的连接方式为：在所述摩擦内板（3）上设置有槽孔（31），在摩擦外板（4）上设有螺栓孔（41），将槽孔（31）沿圆管形连接件（2）的轴向布设，将螺栓穿过螺栓孔（41）和槽孔（31）使摩擦内板（3）和摩擦外板（4）连为一体。

2.根据权利要求1所述的圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置，其特征在于，所述夹层橡胶端板（1）上设置有用以穿过圆管形连接件（2）的缺口（16），所述内垫板（13）位于缺口（16）内侧，所述外垫板（14）位于缺口（16）外侧。

3.根据权利要求2所述的圆管自定心屈曲约束支撑端部连接装置，其特征在于，所述圆管形连接件（2）的无约束端设有与夹层橡胶端板（1）的缺口（16）相匹配的槽口（21），圆管形连接件（2）的无约束端穿过夹层橡胶端板（1）的缺口（16），摩擦内板（3）通过所述槽口（21）插入圆管形连接件（2）无约束端。