CN106639463B - 一种具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，由端部约束段、屈曲诱导段、内套管和外套管组成屈曲诱导段夹在内套管与外套管之间，内套管与外套管分别与一个端部约束段连接，屈曲诱导段由至少一个斜向螺旋型诱导单元沿着支撑的轴线方向组成，斜向螺旋型诱导单元是由m个斜向螺旋型子单元沿斜向依次排列形成一个截面为螺旋线的空间体；斜向螺旋型子单元为由位于同一平面内的两块三角形板共线折叠而成的空间体。本发明套管屈曲诱导支撑，在小震作用下，本屈曲诱导支撑保持弹性，在中震或大震作用时，屈曲诱导段进入屈服阶段，其良好的滞回耗能性能又可以起到阻尼器的效果。

Description

一种具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，特别是涉及一种具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，适用于带屈曲约束支撑的钢结构或者混凝土结构。

背景技术

在钢结构或者钢筋混凝土结构使用过程中，普通支撑受压会产生屈曲现象，当支撑受压屈曲后，刚度和承载力急剧降低。在地震或风的作用下，支撑的内力在受压和受拉两种状态下往复变化。当支撑由压曲状态逐渐变至受拉状态时，支撑的内力以及刚度接近为零。因而普通支撑在反复荷载作用下滞回性能较差。为解决普通支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题，在支撑外部设置套管，约束支撑的受压屈曲，构成屈曲约束，屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接，所受的荷载全部由芯板承担，外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲，使芯板在受拉和受压下均能进入屈服，因而，屈曲约束支撑的滞回性能优良。屈曲约束支撑一方面可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷，另一方面具有金属阻尼器的耗能能力，可以在结构中充当“保险丝”，使得主体结构基本处于弹性范围内。因此，屈曲约束支撑的应用，可以全面提高传统的支撑框架在中震和大震下的抗震性能。

申请人在2016年6月1日提出了一种具有双向金字塔型耗能单元的套管约束防屈曲支撑(申请号为201610383458.9)和一种具有交错金字塔型耗能单元的套管约束防屈曲支撑(申请号为201610383230.X)的基本耗能单元是金字塔型，金字塔型耗能单元是非刚性可展；所以屈曲控制支撑按高阶屈曲模态耗能的难度较大。申请人在2016年6月1日提出了一种具有对称初始缺陷的套管约束防屈曲支撑(申请号为201610383428.8)和一种具有钻石型耗能单元的套管约束防屈曲支撑(申请号为201610383133.0)的几何构型是固定的，设计灵活性小。且上述支撑中耗能单元在折痕处板的厚度、构造等和非折痕处一致，不利于在折痕处产生塑性铰。另外，这些支撑由端部约束段、屈曲段和套管组成，套管在屈曲段的外侧，而屈曲段内侧没有支撑，容易产生向内侧的低阶失稳，从而减弱支撑的耗能能力。

发明内容

发明目的：由于现有屈曲约束支撑在反复荷载作用下，与屈曲约束支撑相连接的构件或节点受力较大；且在地震作用下，现有屈曲约束支撑屈服变形位置具有随机性，为了克服现有技术存在的问题，本发明将引入斜向螺旋型诱导单元到传统的普通支撑上，形成一种具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，是工程结构中选用约束防屈曲支撑时的优先选择。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，由端部约束段、屈曲诱导段、内套管和外套管组成，所述端部约束段位于所述屈曲诱导段的两端，所述屈曲诱导段夹在内套管与外套管之间，所述内套管与外套管分别与一个端部约束段连接，其特征在于：所述屈曲诱导段由至少一个斜向螺旋型诱导单元沿着支撑的轴线方向组成，位于所述屈曲诱导段两侧的斜向螺旋型诱导单元的端面为通过一垂直于轴线方向且过斜向螺旋型诱导子单元一顶点的横截面截去的平面；所述斜向螺旋型诱导单元是由m个斜向螺旋型子单元沿斜向依次排列形成一个截面为螺旋线的空间体，所述螺旋线从轴向方向投影到垂直于轴线方向的截面上的边数为m-1，m为大于等于3的整数；所述斜向螺旋型子单元为由位于同一平面内的两块三角形板共线折叠而成的空间体，两块三角形板分别为三角形板一和三角形板二，其中三角形板一和三角形板二的公共边为谷线；三角形板沿着谷线向内折叠，所述向内折叠是指相邻的三角形板的外法线之间的夹角变小；螺旋线的起点处的斜向螺旋型诱导子单元一顶点和螺旋线的终点处的斜向螺旋型诱导子单元一顶点重合。

所述端部约束段由方形钢板、T型短钢梁和梁柱等构件预留的连接板组成，方形钢板焊接在屈曲诱导段端部，两根T型短钢梁与方形钢板焊接连接，连接板夹在两根T型短钢梁中间，连接板与T型短钢梁用高强螺栓连接。

所述内套管的左端与左侧端部约束段的方形钢板焊接连接，内套管的右端与右侧端部约束段的方形钢板有一段不小于屈曲诱导段长度的1/40的距离；所述外套管的右端与右侧端部约束段的方形钢板焊接连接，外套管的左端与左侧端部约束段的方形钢板有一段不小于屈曲诱导段长度的1/40的距离。

所述屈曲诱导段与内套管及外套管之间的间隙不超过5mm；所述内套管和外套管都是由圆形截面的空心钢管组成。

所述屈曲诱导段中所有折痕处的板厚是板块板厚的一半，折痕处的厚度变化在外表面一侧。

有益效果：

本发明一种具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，由端部约束段、屈曲诱导段、内套管和外套管构成。屈曲诱导段的斜向螺旋型诱导单元的扭转刚度很小，导致支撑极易发生扭转运动，从而避免支撑过早的发生整体失稳；而且扭转运动将导致环向螺旋型诱导单元的折痕发生屈服，从而产生塑性变形来耗能，使支撑具有良好的耗能能力和轴向承载能力。同时将屈曲诱导段中的所有折痕处的板厚减小为原来的一半，削弱折痕处的刚度，更容易诱导支撑中屈曲诱导段在地震作用下，只会发生预设的高阶模态屈曲，在折痕处产生塑性铰，达到耗散地震能量的目的。在屈曲诱导段内外侧分别设置内套管和外套管使折痕处的塑性铰线扩大为塑性区，比普通支撑具有更好的耗能能力。而且内外套管还能给屈曲诱导段中折痕提供侧向支撑，有效地提高了支撑的轴向承载能力。本发明能够在工厂加工，到现场只需要用螺栓与梁柱等构件的预埋件连接，既保证了构件质量，又减小了现场的湿作业工作量，节能环保。具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑既具有一般约束防屈曲支撑的布置灵活，能更有效地耗散地震能量等优点，又可以解决与屈曲约束支撑相连接的构件或节点受力较大等问题，具有良好的推广效益。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构的剖面图(主视)；

图3为端部约束段示意图；

图4为屈曲诱导段示意图；

图5为内套管示意图；

图6为外套管示意图；

图7为图2中A-A剖面放大图；

图8为方形钢板示意图；

图9为T型短钢梁示意图；

图10为连接板示意图；

图11为斜向螺旋型诱导单元示意图；

图12为斜向螺旋型诱导单元沿逆时针旋转的空间顺序图；

图13为斜向螺旋型子单元示意图；

图14为斜向螺旋型子单元折叠前平面示意图；

图15为折痕处谷线板厚示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、2所示，由端部约束段1、屈曲诱导段2、内套管3和外套管4组成。端部约束段1固定于屈曲诱导段2的两端。内套管的左端与左侧端部约束段1的方形钢板5焊接连接，内套管的右端与右侧端部约束段的方形钢板有一段距离，距离不小于屈曲诱导段长度的1/40；外套管的右端与右侧端部约束段1的方形钢板5焊接连接，外套管的左端与左侧端部约束段的方形钢板有一段距离，距离也不小于屈曲诱导段长度的1/40。如图5～7所示，屈曲诱导段2夹在内套管3与外套管4之间，屈曲诱导段与内套管及外套管之间的间隙不超过5mm；内套管3和外套管4都是由圆形截面的空心钢管组成。

如图3所示，端部约束段1由方形钢板5、T型短钢梁6和梁柱等构件预留的连接板7组成，方形钢板5焊接在屈曲诱导段2端部，两根T型短钢梁6与方形钢板5焊接连接，方形钢板5和T型短钢梁6分别见图8、9所示。连接板7夹在两根T型短钢梁6中间，连接板7与T型短钢梁6用高强螺栓连接，其中连接板7见图10所示。

如图4所示，屈曲诱导段2由18个斜向螺旋型诱导单元8沿着支撑的轴线方向组成，同时通过一垂直于轴线方向且过斜向螺旋型子单元一顶点13的横截面截去屈曲诱导段2的端部锯齿段部分，则屈曲诱导段端部所有边在同一平面上。如图11中，斜向螺旋型诱导单元8由六个相同的斜向螺旋型子单元9沿斜向依次排列形成一个截面为螺旋线的空间体，螺旋线从轴向方向投影到垂直于轴线方向的截面上的边数为五边形，螺旋线的起点处的斜向螺旋型诱导子单元一顶点14和螺旋线的终点处的斜向螺旋型诱导子单元一顶点15重合。如图12所示，(a)-(f)为斜向螺旋型诱导单元沿着逆时针方向每隔72°旋转所形成的空间顺序图。根据图13、14所示，斜向螺旋型子单元9由两块三角形板共线组成，分别为三角形板一10和三角形板二11，其中三角形板一10和三角形板二11的公共边为谷线12。三角形板沿着谷线12向内折叠，所述向内折叠指相邻的三角形板的外法线之间的夹角变小。

屈曲诱导段2中所有折痕处的板厚(d/2)是板块板厚d的一半，折痕处的厚度变化在外表面一侧。折痕处的谷线局部放大见图15所示，图中字母A表示一侧为外表面一侧，字母B表示一侧为内表面一侧。

Claims (4)

1.一种具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，由端部约束段（1）、屈曲诱导段（2）、内套管（3）和外套管（4）组成，所述端部约束段（1）位于所述屈曲诱导段（2）的两端，所述屈曲诱导段（2）夹在内套管（3）与外套管（4）之间，所述内套管与外套管分别与一个端部约束段连接，其特征在于：所述屈曲诱导段（2）由至少一个斜向螺旋型诱导单元（8）沿着支撑的轴线方向组成，位于所述屈曲诱导段（2）两侧的斜向螺旋型诱导单元（8）的端面为通过一垂直于轴线方向且过斜向螺旋型诱导子单元一顶点（13）的横截面截去的平面；所述斜向螺旋型诱导单元（8）是由m个斜向螺旋型子单元（9）沿斜向依次排列形成一个截面为螺旋线的空间体，所述螺旋线从轴向方向投影到垂直于轴线方向的截面上的边数为m-1，m为大于等于3的整数；所述斜向螺旋型子单元（9）为由位于同一平面内的两块三角形板共线折叠而成的空间体，两块三角形板分别为三角形板一（10）和三角形板二（11），其中三角形板一（10）和三角形板二（11）的公共边为谷线（12），三角形板沿着谷线（12）向内折叠，所述向内折叠是指相邻的三角形板的外法线之间的夹角变小；螺旋线的起点处的斜向螺旋型诱导子单元一顶点（14）和螺旋线的终点处的斜向螺旋型诱导子单元一顶点（15）重合；所述内套管（3）的左端与左侧端部约束段（1）的方形钢板（5）焊接连接，内套管（3）的右端与右侧端部约束段的方形钢板（5）有一段不小于屈曲诱导段（2）长度的1/40的距离；所述外套管（4）的右端与右侧端部约束段（1）的方形钢板（5）焊接连接，外套管（4）的左端与左侧端部约束段的方形钢板（5）有一段不小于屈曲诱导段长度的1/40的距离。

2.根据权利要求1所述的具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，其特征在于：所述的端部约束段（1）由方形钢板（5）、T型短钢梁（6）和梁柱等构件预留的连接板（7）组成，方形钢板（5）焊接在屈曲诱导段（2）端部，两根T型短钢梁（6）与方形钢板（5）焊接连接，连接板（7）夹在两根T型短钢梁（6）中间，连接板（7）与T型短钢梁（6）用高强螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，其特征在于：所述的屈曲诱导段（2）与内套管（3）及外套管（4）之间的间隙不超过5mm；所述内套管（3）和外套管（4）都是由圆形截面的空心钢管组成。

4.根据权利要求1所述的具有斜向螺旋型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，其特征在于：屈曲诱导段（2）中所有折痕处的板厚是板块板厚的一半，折痕处的厚度变化在外表面一侧。