CN107083812A - 一种基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑 - Google Patents

一种基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于：包括薄壁刚性约束套管、具有Yoshimura图样折痕的圆管型内核芯材、限位圆板、框架节点板，具有Yoshimura图样折痕的圆管型芯材两端与限位圆板固接，框架节点板与限位圆板另一侧固接，具有Yoshimura图样折痕的圆管型芯材与限位圆板的固接整体在薄壁约束刚性管内部。本发明在承受地震作用时，可根据预设Yoshimura图样折痕纹路的初始缺陷，控制内核芯材圆管的屈曲并在限位圆板和薄壁刚性约束套管的限制下保证多阶段协同工作，充分发挥各部件材料性能并提高滞回耗能性能。本发明结构轻质，形式简单，设计灵活，应用广泛，具有良好的市场前景。

Description

一种基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑
技术领域
本发明属于建筑结构工程相关技术领域，涉及一种基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑。
背景技术
框架-支撑体系是传统的抗震结构体系，具有良好的延性。钢支撑通过楼板的协调变形与框架共同工作以提高结构的抗侧刚度和承载力。钢支撑通过改造成为耗能支撑可以增加结构体系的阻尼起到耗能作用以降低结构地震反应。
防屈曲支撑是目前结构中广泛应用的耗能支撑构件，其基本原理是在外部约束套管的约束作用下，内核芯材构件在受压时先达到全截面屈服，并通过屈服滞回进行耗能。
一般的防屈曲支撑主要包括内核芯材、外部约束套管和滑动约束机制三大部分。通常内核芯材是防屈曲支撑最主要的承力构件，截面形状主要有“一”字板、“十”字板、“工”字板等。现有防屈曲支撑技术存在的缺陷或不足如下：
(1)内核芯材构件的屈曲性能不佳。常见内核芯材构件的截面形状限制了其屈曲性能，即便全截面屈服也是受芯材构件的初始缺陷等不可控因素影响表现出随机性，内核芯材构件屈服不充分而影响滞回耗能性能。
(2)填充材料带来的问题。常见的防屈曲支撑为了保证外部约束套管对内核芯材构件的约束作用，通常会填充砂浆或混凝土等填充材料，也带来相应的问题。首先，提高了整个防屈曲支撑的自重；其次，限制了内核芯材构件的屈服性能；最后，在地震往复作用下，容易被压碎和失去约束作用降低耗能性能。
(3)作为普通钢支撑的刚度不高。结构体系在不抵抗地震作用时，作为一种普通钢支撑构件，由于截面形式的限制，同等情况下的刚度有限。
因此，提出一种新型的防屈曲支撑，在保证轻质、经济的基础上，充分发挥出材料特性，使内核芯材构件屈曲充分且安全可控。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，通过合理布置内核芯材构件的初始缺陷纹路以改善其全截面屈服的可控性和有序性，提高支撑的抗震耗能性能。
技术方案
一种基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于包括具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材2、薄壁约束刚性套管1、限位圆板3和框架节点板4；具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材的两端固定连接限位圆板3，限位圆板3上固定连接框架节点板4，一并滑动置于薄壁约束刚性套管1内，并由薄壁约束刚性套管1两端的圆环钢板进行限位；所述具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材2为薄壁圆管且具有冲压成型的Yoshimura图样的折痕纹路，两端为不具有折痕纹路的光滑圆管的过渡段；所述限位圆板直径与薄壁约束刚性套管内径一致；所述限位圆板3、具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材2、框架节点板4为同轴。
所述Yoshimura图样的折痕纹路是以Yoshimura折纸折痕图案为基础，沿芯材圆管长度方向布置适当偶数组的对称折痕组，每组折痕沿圆管圆周布置适当个数颠倒交错的全等等腰三角形折痕，圆周上的三角形底边折痕均为谷线折痕，三角形的两腰折痕均为脊线折痕。
所述薄壁约束刚性套管内径大于芯材圆管外径，且同时不大于芯材圆管外径与两倍Yoshimura图样等腰三角形底边上的高之和。以保证芯材圆管在受压屈服变形时受到薄壁刚性套管的约束，约束刚性管套两端螺纹紧密连接圆环钢板以防止限位圆板从刚性套管中滑脱。
所述薄壁约束刚性套管1与两端的圆环钢板采用螺纹连接。
所述限位圆板3通过焊接固接在具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材2的两端。限位圆板直径与薄壁约束刚性套管内径一致，保证限位圆板能够在薄壁约束刚性套管中滑动。
所述框架节点板4通过焊接固接在圆管型芯材两端的限位圆板的外侧。
所述薄壁约束刚性套管1为高强度钢材。
所述限位圆板材料为高强度钢材。
所述框架节点板的设计符合一般钢结构的设计规范要求。
有益效果
本发明提出的一种基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，在承受地震作用时，可根据预设Yoshimura图样折痕纹路的初始缺陷，控制内核芯材圆管的屈曲并在限位圆板和薄壁刚性约束套管的限制下保证多阶段协同工作，充分发挥各部件材料性能并提高滞回耗能性能。本发明结构轻质，形式简单，设计灵活，应用广泛，具有良好的市场前景。
本发明与现有防屈曲支撑相比，有益效果如下：
(1)充分且可控的屈曲耗能性能。内核芯材构件采用冲压成型的Yoshimura图样的折痕纹路的初始缺陷，可以使芯材按照预设的初始缺陷进行有序屈服，通过预设折痕纹路的布置参数，可以控制芯材的全截面屈曲程度和性能，可以充分发挥材料的屈服以提高滞回耗能性能。
(2)外部薄壁刚性约束套管的协同工作。在内核芯材未发生屈服的情况下，限位圆板约束芯材在约束刚性套管中运动以保证与其协同工作；在内核芯材屈服时，由于折痕纹路的设置，内核芯材沿径向扩展屈服并最终受约束刚性套管限制，接触并协同工作。以此改善防屈曲支撑性能并能多阶段工作。
(3)自重小，充分发挥材料性能。上述工作原理使得内核芯材和外部薄壁约束刚性套管之间不需要额外的填充材料，同时又能充分发挥每个部件的材料性能，协同工作耗能。
(4)结构形式简单，设计灵活，应用广泛。可根据不同震区烈度的要求合理选择折痕纹路的布置参数，可应用于各种不同的抗震支撑框架体结构，具有良好的市场前景。
附图说明
图1是本发明基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑立体图；
图2是本发明基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑主视图；
图3是本发明基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑沿中心轴线的剖面图；
图4是本发明基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑的具有Yoshimura图样的折痕的圆管型内核芯材的立体图；
图5是本发明基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑的限位圆板和框架节点板固接整体的立体图；
图6是本发明基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑的内核芯材与限位圆板所组成的固接整体和框架节点板的立体图；
图7是本发明基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑的薄壁刚性约束套管的立体图；
图8是本发明基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑受到轴向力作用向内屈曲变形后的主视图；
图中：1-薄壁刚性约束套管、2-具有Yoshimura图样的折痕的圆管型内核芯材、3-限位圆板、4-框架节点板、5-沿芯材圆管长度方向布置的对称折痕组、6-芯材圆管端部预留的不具有折痕纹路的光滑圆管过渡段、7-薄壁刚性约束套管端部圆环钢板。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑主要部件包括(见图2或图3)：薄壁刚性约束套管1、具有Yoshimura图样的折痕的圆管型内核芯材2、限位圆板3、框架节点板4。
通过冲压低屈服点钢圆管得到具有Yoshimura图样的折痕纹路的内核芯材圆管2(见图4)。Yoshimura图样折痕以Yoshimura折纸折痕图案为基础，沿芯材圆管长度方向布置适当偶数组的对称折痕组5(见图4)，每组折痕沿圆管圆周布置适当个数颠倒交错的全等等腰三角形折痕，圆周上的三角形底边折痕均为谷线折痕，三角形的两腰折痕均为脊线折痕。芯材圆管两端预留一定长度的不具有折痕纹路的光滑圆管过渡段6(见图4)。
限位圆板3(见图5或图6)由高强度钢材制成，焊接在具有Yoshimura图样的折痕的圆管型内核芯材2两端且两者同轴，得到的内核构件设置在由高强度钢材制成的薄壁约束刚性套管1内(见图1)。
限位圆板3的直径要求与薄壁约束刚性套管1的内径一致，保证限位圆板3能够在薄壁约束刚性套管1中滑动(见图3)。薄壁约束刚性套管1的内径要求大于芯材圆管2的外径，且同时不大于芯材圆管2的外径与两倍Yoshimura图样等腰三角形底边上的高之和，以保证芯材圆管2在受压屈服变形时受到薄壁刚性套管1的约束(见图8)。
薄壁约束刚性套管1两端以螺纹紧密连接圆环钢板7(见图7)以防止限位圆板从刚性管中滑脱。
得到的构件将框架节点板4通过焊接固接在圆管型芯材2两端的限位圆板3的外侧且两者同轴(见图5或图6)。框架节点板4要求材料与一般钢结构材料一致，其设计符合一般钢结构的设计规范要求。
最终得到本发明的基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑(见图1或图2)。
本发明的基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑的多阶段协同工作具体描述如下：
基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑在非地震作用下作为普通支撑构件的状态(见图2)，内核芯材圆管2仅发生微小应变而没有进入屈服阶段。
当两端框架节点板4受到地震作用引起的轴向压力F时(见图8)，由于内核芯材圆管2布置的若干Yoshimura图样对称折痕组5的初始缺陷，沿着预设纹路发生有序的变形，当两端轴向压力到达标定的屈服点时，内核芯材圆管2开始进入全截面屈曲并扩展变形使得最终与薄壁约束刚性套管1相接触而限制继续沿径向扩展(见图8)，此时薄壁约束刚性套管1与内核芯材圆管2协同工作，薄壁约束刚性套管1的环向约束作用适当提高了抗屈曲性能和变形耗能性能。
当两端框架节点板4受到地震作用引起的轴向拉力时，以发生全截面屈服的内核芯材圆管2得到拉伸并回复到原始位置，同时当限位圆板3随框架节点板4位移接触到薄壁约束刚性套管1两端设置圆环钢板7时，薄壁约束刚性套管1与内核芯材圆管2协同工作受拉。
如此多阶段工作充分发挥各部件材料特性，提高在地震作用下的滞回耗能性能。

Claims (9)

1.一种基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于包括具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材(2)、薄壁约束刚性套管(1)、限位圆板(3)和框架节点板(4)；具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材的两端固定连接限位圆板(3)，限位圆板(3)上固定连接框架节点板(4)，一并滑动置于薄壁约束刚性套管(1)内，并由薄壁约束刚性套管(1)两端的圆环钢板进行限位；所述具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材(2)为薄壁圆管且具有冲压成型的Yoshimura图样的折痕纹路，两端为不具有折痕纹路的光滑圆管的过渡段；所述限位圆板直径与薄壁约束刚性套管内径一致；所述限位圆板(3)、具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材(2)、框架节点板(4)为同轴。
2.根据权利要求1所述基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于：所述Yoshimura图样的折痕纹路是以Yoshimura折纸折痕图案为基础，沿芯材圆管长度方向布置适当偶数组的对称折痕组，每组折痕沿圆管圆周布置适当个数颠倒交错的全等等腰三角形折痕，圆周上的三角形底边折痕均为谷线折痕，三角形的两腰折痕均为脊线折痕。
3.根据权利要求1所述基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于：所述薄壁约束刚性套管内径大于芯材圆管外径，且同时不大于芯材圆管外径与两倍Yoshimura图样等腰三角形底边上的高之和。
4.根据权利要求1所述基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于：所述薄壁约束刚性套管(1)与两端的圆环钢板采用螺纹连接。
5.根据权利要求1所述基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于：所述限位圆板(3)通过焊接固接在具有Yoshimura图样的折痕的圆管型芯材(2)的两端。
6.根据权利要求1所述基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于：所述框架节点板(4)通过焊接固接在圆管型芯材两端的限位圆板的外侧。
7.根据权利要求1所述基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于：所述薄壁约束刚性套管1为高强度钢材。
8.根据权利要求1所述基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于：所述限位圆板材料为高强度钢材。
9.根据权利要求1所述基于Yoshimura图样折痕圆管型芯材的防屈曲支撑，其特征在于：所述框架节点板的设计符合一般钢结构的设计规范要求。
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