CN106836927A - 圆棒耗能杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆棒耗能杆，包括核心部件、外约束部件和定位栓；所述核心部件由两个消能段、中间限位段和两端连接段沿纵向同轴线连接构成，中间限位段位于两个消能段的中间，两个两端连接段位于消能段和中间限位段形成整体的外侧与结构相连。中间限位段和两端连接段都为圆棒，中间限位段的中间沿直径方向开孔一，消能段由圆棒沿长度方向切削制作使得消能段的截面为两平行对边，另外两短边为原弧线，形成的新截面面积使得核心部件在轴向拉压力作用下消能段进入屈服，而中间限位段和两端连接段始终保持弹性。

Description

圆棒耗能杆

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耗能杆。

背景技术

城市及其建筑物遭遇强烈地震时不仅会发生结构破坏，还会产生火灾等次生灾害，并由此引发一系列连锁灾害反应。据此研究者提出的消能减震的概念，旨在通过在结构中安装耗能装置，通过其吸收与耗散能量，有效地减小结构地震响应，从而避免结构主体部位的严重破坏。软钢阻尼器是一种性能优越的消能减震构件，在日本和美国等发达国家已取得快速的推广应用，而我国对于软钢阻尼器的研究与应用尚处于起步阶段，仍存在许多问题需要进一步解决。耗能杆作为一种新型的软钢阻尼器，在小震作用下要求保持弹性，与结构协同工作，提供足够的整体侧向刚度，而在设防烈度或者罕遇地震作用下，耗能杆的核心部件进入屈服，且外约束部件对核心的变形进行有效地约束，抑制耗能杆的局部或整体失稳，实现耗能杆的拉压屈服耗能。因此，耗能杆既可以作为结构的普通支撑，又同时兼有耗能装置的作用，最终使得主体结构在地震作用下不至发生破坏或仅有较轻程度的破坏，是一种理想的消能减震装置。

传统屈曲约束支撑的外约束部件通常由钢与混凝土组合而成，造价相对较低，但是仍存在一定的问题：(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，降低耗能杆性能；(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竹形屈曲约束支撑，如专利申请文件(申请号：201610121121.0)，其核心部件为多个圆形消能段和圆形弹性段沿纵向同轴线相间设置构成，圆形弹性段的设置导致核心部件有效的屈服消能段长度的减少。在轴向位移作用下，核心部件消能段的塑性应变增大，从而降低了竹形屈曲约束支撑的低周疲劳性能。此外，专利申请文件(申请号：201610645166.8)提出的一种纵向削弱圆棒式屈曲约束耗能装置，其要求约束套筒套在所述耗能芯材的耗能段位置，实际上当耗能装置受拉伸长时，会导致部分耗能段伸出约束套管之外，反向压缩时伸出约束套管之外的耗能段会发生局部屈曲。进一步，此专利申请文件中并没有给出限定外套筒与耗能芯材之间的措施，而本专利申请人在试验中发现，在耗能段中无限位段会导致外约束部件沿着核心部件滑动，引起耗能段在荷载作用局部变形过大，滞回曲线出现明显的不对称，严重影响了耗能装置的滞回性能。

发明内容

本发明为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、竹形屈曲约束支撑的核心部件因圆形弹性段的设置导致核心部件有效的屈服消能段长度减少以及无限位段的纵向削弱圆棒式耗能杆存在耗能段受压提前屈曲等问题，提出了一种新型带有限位段的圆棒耗能杆。

本发明采用的技术方案为：一种圆棒耗能杆，包括核心部件、外约束部件和定位栓；

所述核心部件由两个消能段、中间限位段和两端连接段沿纵向同轴线连接构成，中间限位段位于两个消能段的中间，两个两端连接段位于消能段和中间限位段形成整体的外侧与结构相连。中间限位段和两端连接段都为圆棒，中间限位段的中间沿直径方向开孔一，消能段由圆棒沿长度方向切削制作使得消能段的截面为两平行对边，另外两短边为原弧线，形成的新截面面积使得核心部件在轴向拉压力作用下消能段进入屈服，而中间限位段和两端连接段始终保持弹性；

所述外约束部件为圆形管，核心部件位于外约束部件内部，外约束部件的长度满足两端连接段的一端伸入外约束部件内部的长度大于两端连接段的直径或大于消能段最大变形需求的1.5倍，且中间限位段和两端连接段的直径略小于外约束部件的内径，使得两者之间存在微间隙，微间隙略大于中间限位段在最大轴向压力作用下的径向变形值。其中，通过限定外约束部件的长度使得耗能杆受拉伸长时，耗能段始终位于外约束部件内部，反向压缩时耗能段不会发生局部屈曲。

所述外约束部件的中间沿直径方向开孔二，孔二的直径略大于中间限位段上的开孔一，且使得定位栓能够从孔二和孔一中穿过。

核心部件的消能段由圆棒沿长度方向切削制作而成，消能段的截面为两平行对边与两圆弧短边，圆弧短边与外约束部件之间仅存在微间隙。此类局部切削方法使得核心部件的大部分都为消能段，有效提高了核心部件消能的材料利用率，降低了消能段的表面应变。

进一步，消能段的局部削弱方法，使得消能段受压时的弯曲变形为垂直于削弱面，很大程度避免了消能段的扭转变形，此外，消能段圆弧短边、中间限位段以及两端连接段与外约束管部件之间，仅存在微间隙，核心部件的变形也得到有效约束。由此核心部件的侧向变形以及整体扭转变形都得到很好的控制，又进一步降低了核心部件的表面应变，提高了耗能杆的低周疲劳性能。

作为优选，所述核心部件为钢材制作时，中间限位段和端部连接段的横截面面积至少为消能段的1.6倍以上。

当核心部件为钢材制作时，圆棒耗能杆的核心部件在屈服后会伴有超强现象，即承载力进一步提高，这种现象的主要原因归为：(1)钢材的应变硬化，根据本申请发明人对前期进行的多种钢材(Q235、Q345、Q390)循环加载实验，结合已有文献成果，确定钢材的应变硬化系数约为1.42；(2)受压承载力调整，圆棒耗能杆的核心部件与外约束部件之间存在不可避免的摩擦以及泊松效应，根据本申请发明人大量试验结果，受压承载力调整的最大值可取为1.13。由此可得，圆棒耗能杆超强系数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中间限位段和端部连接段的横截面面积至少为消能段的1.6倍，可保证中间限位段和端部连接段的屈服承载力大于圆棒耗能杆最大承载力，中间限位段和端部连接段在荷载作用下可始终保持弹性。

作为优选，所述中间限位段的长度至少大于其半径。

中间限位段与外约束部件的中间皆沿着直径方向开孔，使得定位栓能够从外约束部件的孔和中间限位段的孔中穿过。开孔的半径大小一般取为1.5mm，在开孔处会引起较大的应力集中，根据申请人前期的试验结果，中间限位段长度大于半径时，可以保证定位栓的有效工作，不出现中间限位段的提前破坏。此外，申请人完成的试验表明，限位段对于圆棒耗能杆的滞回性能具有显著影响，若无限位段圆棒耗能杆的滞回曲线明显非对称，并且出现耗能段的提前屈曲现象，有无限位段的耗能杆的滞回曲线如图17-18所示。

作为优选，所述两个两端连接段位于消能段和中间限位段形成整体的外侧与结构相连。

考虑到与结构的相连，两端连接段沿圆周方向可开螺牙形成连接螺杆，螺杆的净截面面积至少为消能段的1.5倍以上。

作为优选，所述核心部件的两个消能段沿圆周方向可错位90度进行削弱制作，使得两个消能段的平行对边互相垂直。

相互垂直的消能段，被削弱方向也互相垂直，因而消能段的侧向变形也互相垂直，使得核心部件的扭转变形最大程度的被抑制。

本发明具有以下有益效果：

1.圆棒耗能杆核心部件的消能段由圆棒沿长度方向切削制作而成，消能段的截面为两平行对边与圆弧短边，圆弧短边与外约束部件之间仅存在微间隙。此类局部切削方法使得核心部件的大部分都为消能段，与竹形屈曲约束支撑(申请号：201610121121.0)相比，有效提高了核心部件消能的材料利用率，降低了消能段的表面应变。

2.圆棒耗能杆消能段的局部削弱方法，使得消能段侧向变形为朝削弱部分变形，很大程度避免了消能段的扭转变形，此外，消能段圆弧短边、中间限位段以及两端连接段与外约束管部件之间，仅存在微间隙，核心部件的变形得到有效约束。由此核心部件的侧向变形以及整体扭转变形都得到很好的约束，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。

3.圆棒耗能杆核心部件由两个消能段、中间限位段和两端连接段沿纵向同轴线连接构成，在轴力作用下消能段的弯曲变形又受到外约束部件圆弧面的抑制，所以消能段发生屈服的同时避免了过大的屈曲变形，因此外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，使得耗能杆的构造简单且加工方便。

4.圆棒耗能杆核心部件的消能段截面面积相对于中间限位段和两端连接段较小，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圆形套管，使得圆棒耗能杆构造简单且自重较轻，方便安装。

5.圆棒耗能杆核心部件的中间限位段和两端连接段的横截面面积至少为消能段的1.6倍，使得中间限位段和两端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。

6.圆棒耗能杆核心部件的中间限位段的长度至少大于其半径，从而在保证限位段不发生由应力集中引起的破坏的前提下，对屈曲约束支撑的性能有明显的改善，避免出现大受压调整系数、耗能段提前屈曲以及滞回曲线不对称等现象，同时提供了一种简便的限位措施，方便屈曲约束支撑的设计与制作。

7.核心部件的两个消能段沿圆周方向可错位90度进行削弱制作，使得两个消能段的平行对边互相垂直，从核心部件的几何构造上进一步抑制了整体扭转变形的可能。

8.详细给出了外约束部件的长度的具体要求：满足两端连接段的一端伸入外约束部件内部的长度大于两端连接段的直径或大于消能段最大变形需求的1.5倍，确保耗能杆受拉伸长时，耗能段始终位于外约束部件内部，反向压缩时耗能段不会发生局部屈曲。

附图说明

图1是本发明实施例1的圆棒耗能杆平视图；

图2是本发明实施例1的圆棒耗能杆A-A剖面图；

图3是本发明实施例1的圆棒耗能杆B-B剖面图；

图4是本发明实施例1的圆棒耗能杆核心部件平视图；

图5是本发明实施例1的圆棒耗能杆核心部件C-C剖面图；

图6是本发明实施例1的圆棒耗能杆核心部件D-D剖面图；

图7是本发明实施例1的圆棒耗能杆核心部件E-E剖面图；

图8是本发明实施例2的圆棒耗能杆平视图；

图9是本发明实施例2的圆棒耗能杆F-F剖面图；

图10是本发明实施例2的圆棒耗能杆G-G剖面图；

图11是本发明实施例2的圆棒耗能杆H-H剖面图；

图12是本发明实施例2的圆棒耗能杆核心部件平视图；

图13是本发明实施例2的圆棒耗能杆核心部件I-I剖面图；

图14是本发明实施例2的圆棒耗能杆核心部件J-J剖面图；

图15是本发明实施例2的圆棒耗能杆核心部件K-K剖面图；

图16是本发明实施例2的圆棒耗能杆核心部件L-L剖面图。

图17是有限位段圆棒耗能杆的试验滞回曲线。

图18是无限位段圆棒耗能杆的试验滞回曲线。

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：一种圆棒耗能杆，包括核心部件1、外约束部件2和定位栓3；

所述核心部件1由两个消能段1-1、中间限位段1-2和两端连接段1-3沿纵向同轴线连接构成，中间限位段1-2位于两个消能段1-1的中间，两个两端连接段1-3位于消能段1-1和中间限位段1-2形成整体的外侧与结构相连；所述中间限位段1-2和两端连接段1-3都为圆棒，中间限位段1-2的中间沿直径方向开孔一1-2-1，所述消能段1-1由圆棒沿长度方向切削制作使得消能段的截面为两平行对边1-1-1，另外两短边为原弧线1-1-2；

所述外约束部件2为圆形管，核心部件1位于外约束部件2内部，外约束部件2的长度满足两端连接段1-3的一端伸入外约束部件2的内部长度大于两端连接段1-3的直径或大于消能段1-1最大变形需求的1.5倍，且中间限位段1-2和两端连接段1-3的直径略小于外约束部件2的内径，使得两者之间存在微间隙；

所述外约束部件2的中间沿直径方向开孔二2-1，孔二2-1的直径略大于中间限位段1-2上的开孔一1-2-1，且使得定位栓3能够从孔二2-1和孔一1-2-1中穿过。

核心部件1为钢材制作时，中间限位段1-2和端部连接段1-3的横截面面积至少为消能段1-1的1.6倍以上。中间限位段1-2的长度至少大于其半径。两端连接段1-3沿圆周方向可开螺牙形成连接螺杆，螺杆的净截面面积至少为消能段1-1的1.5倍以上。

实施例2

如图8～16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1的两个消能段1-1沿圆周方向可错位90度进行削弱制作，使得两个消能段1-1的平行对边1-1-1互相垂直。

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)

1.一种圆棒耗能杆，包括核心部件(1)、外约束部件(2)和定位栓(3)，其特征在于：

所述核心部件(1)由两个消能段(1-1)、中间限位段(1-2)和两端连接段(1-3)沿纵向同轴线连接构成，中间限位段(1-2)位于两个消能段(1-1)的中间，两个两端连接段(1-3)位于消能段(1-1)和中间限位段(1-2)形成整体的外侧与结构相连；所述中间限位段(1-2)和两端连接段(1-3)都为圆棒，中间限位段(1-2)的中间沿直径方向开孔一(1-2-1)，所述消能段(1-1)由圆棒沿长度方向切削制作使得消能段的截面为两平行对边(1-1-1)，另外两短边为原弧线(1-1-2)；

所述外约束部件(2)为圆形管，核心部件(1)位于外约束部件(2)内部，外约束部件(2)的长度满足两端连接段(1-3)的一端伸入外约束部件(2)的内部长度大于两端连接段(1-3)的直径或大于消能段(1-1)最大变形需求的1.5倍，且中间限位段(1-2)和两端连接段(1-3)的直径略小于外约束部件(2)的内径，使得两者之间存在微间隙；

所述外约束部件(2)的中间沿直径方向开孔二(2-1)，孔二(2-1)的直径略大于中间限位段(1-2)上的开孔一(1-2-1)，且使得定位栓(3)能够从孔二(2-1)和孔一(1-2-1)中穿过。

2.根据权利要求1所述的一种圆棒耗能杆，其特征在于：所述核心部件(1)为钢材制作时，中间限位段(1-2)和端部连接段(1-3)的横截面面积至少为消能段(1-1)的1.6倍以上。

3.根据权利要求1所述的一种圆棒耗能杆，其特征在于：所述中间限位段(1-2)的长度至少大于其半径。

4.根据权利要求1所述的一种圆棒耗能杆，其特征在于：所述两端连接段(1-3)沿圆周方向开螺牙形成连接螺杆，螺杆的净截面面积至少为消能段(1-1)的1.5倍以上。

5.根据权利要求1所述的一种圆棒耗能杆，其特征在于：所述核心部件(1)的两个消能段(1-1)沿圆周方向可错位90度进行削弱制作，使得两个消能段(1-1)的平行对边(1-1-1)互相垂直。