CN106703244B - 一种具有环向双层内凹型诱导单元的套管屈曲诱导支撑 - Google Patents

一种具有环向双层内凹型诱导单元的套管屈曲诱导支撑 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有环向双层内凹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，屈曲诱导段由至少一个环向双层内凹型诱导单元沿着支撑的轴线方向组成；单个环向双层内凹型诱导单元由m个相同的环向双层内凹型子单元沿环向依次排列形成一个截面为2m边形的空间体环向双层内凹型子单元为由在同一平面内的六个三角形板和六个梯形板经过折叠形成的空间体。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。本发明可以在工厂预制成型，保证了构件质量，减小了现场施工作业工作量，节能环保。

Description

一种具有环向双层内凹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环向双层内凹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日提出了一种端部具有双向金字塔型耗能单元的屈曲控制支撑(申请号为201610380805.2)和一种端部具有交错金字塔型耗能单元的屈曲控制支撑(申请号为201610384216.1)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日提出了一种端部具有对称初始缺陷单元的耗能型屈曲约束支撑(申请号为201610383430.5)和一种端部具有钻石型耗能单元的屈曲控制支撑(申请号为201610380804.8)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，本发明将引入环向双层内凹型诱导单元到传统的普通支撑上，形成一种具有环向双层内凹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：
一种具有环向双层内凹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：屈曲诱导段由至少一个环向双层内凹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环向双层内凹型诱导单元的端部为同时通过一垂直于轴线方向且过顶点的横截面截去的平面；所述单个环向双层内凹型诱导单元由m个相同的环向双层内凹型子单元沿环向依次排列形成一个截面为2m边形的空间体，m为大于等于2的整数；环向双层内凹型子单元为由在同一平面内的六个三角形板和六个梯形板经过折叠形成的空间体，六个三角形板两两共线并相交于一顶点，六块梯形板围绕在六块三角形板的外侧，内层按照逆时针分别为三角形板一、三角形板二、三角形板三、三角形板四、三角形板五和三角形板六，其中三角形板二和三角形板三的公共边、三角形板三和三角形板四的公共边、三角形板五和三角形板六的公共边、三角形板六和三角形板一的公共边为峰线，三角形板一和三角形板二的公共边和三角形板四和三角形板五的公共边为谷线，外层按照逆时针分别为梯形板一、梯形板二、梯形板三、梯形板四、梯形板五和梯形板六，其中梯形板一和梯形板二的公共边和梯形板四和梯形板五的公共边为峰线，梯形板二和梯形板三的公共边、梯形板三和梯形板四的公共边、梯形板五和梯形板六的公共边、梯形板六和梯形板一的公共边为谷线；其中内层与外层之间的所有公共边都是谷线；相邻的板块沿着峰线向外折叠，沿着谷线向内折叠；所述向外折叠是指相邻的板块的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻的板块的外法线之间的夹角变小。
所述环向双层内凹型子单元的梯形板四的自由边与沿轴向相邻的环向双层内凹型子单元的梯形板一的自由边重合，环向双层内凹型子单元的梯形板五的自由边与沿轴向相邻的环向双层内凹型子单元的梯形板二的自由边重合。
所述的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。
所述的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，由峰线构成的折痕，厚度变化在内表面一侧，由谷线构成的折痕，厚度变化在外表面一侧。
有益效果：
本发明一种具有环向双层内凹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。采用具有环向双层内凹型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，不仅可以通过改变内层与外层之间的夹角，使支撑首先发生局部屈曲耗能。另一方面，屈曲诱导段中双层内凹型诱导单元具有较多的折痕，而且折痕分为两级，能够耗散更多的能量。同时在折痕处将板厚减小为原来的一半，更容易诱导支撑在地震作用下，产生高阶屈曲模态，防止构件过早发生整体屈曲。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。具有环向双层内凹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为环向双层内凹型诱导单元示意图；
图12为环向双层内凹型子单元示意图；
图13为环向双层内凹型子单元折叠前平面示意图；
图14为折痕处峰线板厚示意图；
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。
根据图4所示，屈曲诱导段2由30个环向双层内凹型诱导单元8沿着支撑的轴线方向组成，通过一垂直于轴线方向且过一顶点28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。屈曲诱导段2中的环向双层内凹型子单元的梯形板四的自由边26与沿轴向相邻的环向双层内凹型子单元的梯形板一的自由边24重合，环向双层内凹型子单元的梯形板五的自由边27与沿轴向相邻的环向双层内凹型子单元的梯形板二的自由边25重合。如图11中，单个环向双层内凹型诱导单元8由六个相同的环向双层内凹型子单元沿环向依次排列形成一个截面为正十二边形的空间体。根据图12、图13所示，环向双层内凹型子单元由在同一平面内的六个三角形板和六个梯形板经过折叠形成的空间体组成，六个三角形板两两共线并相交于一顶点，六块梯形板围绕在六块三角形板的外侧，内层按照逆时针分别为三角形板一10、三角形板二11、三角形板三12、三角形板四13、三角形板五14和三角形板六15，其中三角形板二11和三角形板三12的公共边、三角形板三12和三角形板四13的公共边、三角形板五14和三角形板六15的公共边、三角形板六15和三角形板一10的公共边为峰线22，三角形板一10和三角形板二11的公共边和三角形板四13和三角形板五14的公共边为谷线23，外层按照逆时针分别为梯形板一16、梯形板二17、梯形板三18、梯形板四19、梯形板五20和梯形板六21，其中梯形板一16和梯形板二17的公共边和梯形板四19和梯形板五20的公共边为峰线22，梯形板二17和梯形板三18的公共边、梯形板三18和梯形板四19的公共边、梯形板五20和梯形板六21的公共边、梯形板六21和梯形板一16的公共边为谷线23；其中内层与外层之间的所有公共边都是谷线23；相邻的板块沿着峰线22向外折叠，沿着谷线23向内折叠；所述向外折叠是指相邻的板块的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻的板块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，由峰线构成的折痕，厚度变化在内表面一侧，由谷线构成的折痕，厚度变化在外表面一侧。折痕处的峰线谷线局部放大见图14、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 (5)

1.一种具有环向双层内凹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：屈曲诱导段（2）由至少一个环向双层内凹型诱导单元（8）沿着支撑的轴线方向组成，位于所述屈曲诱导段（2）两侧的环向双层内凹型诱导单元（8）的端部为同时通过一垂直于轴线方向且过顶点（28）的横截面截去的平面；单个所述环向双层内凹型诱导单元（8）由m个相同的环向双层内凹型子单元沿环向依次排列形成一个截面为2m边形的空间体，m为大于等于2的整数；环向双层内凹型子单元为由在同一平面内的六个三角形板和六个梯形板经过折叠形成的空间体，六个三角形板两两共线并相交于一顶点，六块梯形板围绕在六块三角形板的外侧，内层按照逆时针分别为三角形板一（10）、三角形板二（11）、三角形板三（12）、三角形板四（13）、三角形板五（14）和三角形板六（15），其中三角形板二（11）和三角形板三（12）的公共边、三角形板三（12）和三角形板四（13）的公共边、三角形板五（14）和三角形板六（15）的公共边、三角板形六（15）和三角形板一（10）的公共边为峰线（22），三角形板一（10）和三角形板二（11）的公共边和三角形板四（13）和三角形板五（14）的公共边为谷线（23），外层按照逆时针分别为梯形板一（16）、梯形板二（17）、梯形板三（18）、梯形板四（19）、梯形板五（20）和梯形板六（21），其中梯形板一（16）和梯形板二（17）的公共边和梯形板四（19）和梯形板五（20）的公共边为峰线（22），梯形板二（17）和梯形板三（18）的公共边、梯形板三（18）和梯形板四（19）的公共边、梯形板五（20）和梯形板六（21）的公共边、梯形板六（21）和梯形板一（16）的公共边为谷线（23）；其中内层与外层之间的所有公共边都是谷线（23）；相邻的板块沿着峰线（22）向外折叠，沿着谷线（23）向内折叠；所述向外折叠是指相邻的板块的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻的板块的外法线之间的夹角变小；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所述的具有环向双层内凹型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，其特征在于：所述环向双层内凹型子单元的梯形板四的自由边（26）与沿轴向相邻的环向双层内凹型子单元的梯形板一的自由边（24）重合，环向双层内凹型子单元的梯形板五的自由边（27）与沿轴向相邻的环向双层内凹型子单元的梯形板二的自由边（25）重合。
3.根据权利要求1所述的具有环向双层内凹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。
4.根据权利要求1所述的具有环向双层内凹型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，其特征在于：所述屈曲诱导段（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。
5.根据权利要求1所述的具有环向双层内凹型诱导单元的套管屈曲诱导支撑，其特征在于：所述屈曲诱导段（2）中所有折痕处的板厚是板块板厚的一半，由峰线构成的折痕，厚度变化在内表面一侧，由谷线构成的折痕，厚度变化在外表面一侧。
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