CN107514068A - 双阶屈服消能钢支撑 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双阶屈服消能钢支撑，涉及土木结构工程技术领域。该双阶屈服消能钢支撑包括支撑芯板、屈曲约束套筒、两个连接节点、钢套管阻尼器、无缝钢管；支撑芯板的两端各自通过一个连接节点与框架结构连接；屈服约束套筒置于支撑芯板外，并与支撑芯板共同构成支撑主体；支撑主体的两端分别套有钢套管阻尼器和无缝钢管，套有钢套管阻尼器的一端为消能端，另一端为固定端；钢套管阻尼器具有开缝的两对面，分别开设有两排竖向的槽缝，槽缝之间为刚条带。本发明提供的方案，有益效果在于：本发明提供的双阶屈服消能钢支撑解决了传统消能钢支撑在小震或中震作用下无法消耗地震能量的问题，同时该双阶屈服消能钢支撑震后的损伤也易于检测。
Description
技术领域
本发明涉及土木结构工程技术领域，尤其涉及一种双阶屈服消能钢支撑。
背景技术
在钢框架结构或混凝土框架结构中，通过梁柱节点的刚性连接来提供结构整体的抗侧刚度。虽然说其制作工艺较简单，但为满足设计需要，梁、柱尺寸往往被设计得很大，造成了结构整体的不经济。基于此情况，在框架结构中添加支撑形成了支撑框架结构，利用支撑的轴向受力，来提高结构整体的抗侧刚度和承载力，比纯框架结构的经济性有了较大的提升。但是，一般的支撑存在受压易屈曲的问题，在支撑受压屈曲后，不仅支撑的屈服承载力未能得到充分发挥，且结构整体抗侧刚度和抗侧承载力也将骤减，对于结构安全十分不利。在此基础上，有学者提出并研发了屈曲约束支撑，以此形成了屈曲约束支撑框架结构。屈曲约束支撑解决了普通支撑受压易屈曲的问题，滞回曲线饱满，构件在地震作用下也具有充分的耗能能力。但是，屈曲约束支撑屈服承载力较大，在较小的地震作用下将保持弹性，无法为结构提供耗能能力，其耗能能力当且仅当发生大震时才可体现，且震后支撑的损伤程度较难检验，无法为震后支撑的修复或更换提供充分的依据。至此，纯框架结构、设置支撑和屈曲约束支撑的框架支撑结构和屈曲约束框架支撑结构皆存在着上文提到的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种用于钢框架或混凝土框架的双阶屈服消能钢支撑，其不但可以解决普通支撑受压屈曲的问题，而且具有双阶屈服特征，可为框架结构提供小震耗能能力，并易于震后支撑受损程度的检测。
为实现上述目标，本发明提供了如下技术方案:
一种双阶屈服消能钢支撑，其特征在于：包括支撑芯板(1)、屈曲约束套筒(2)、两个连接节点(3)、钢套管阻尼器(4)、无缝钢管(5)；
所述屈服约束套筒(2)置于支撑芯板(1)外，用以抑制支撑芯板(1)的屈服，并与支撑芯板(1)共同构成该双阶屈服消能钢支撑的支撑主体；
所述支撑主体的两端分别通过支撑芯板(1)与两个连接节点(3)连接，并通过两个连接节点(3)与框架结构连接；
所述支撑主体的两端分别外套有钢套管阻尼器(4)和无缝钢管(5)，其中套有钢套管阻尼器(4)的一端为整根双阶屈服消能钢支撑的消能端，套有无缝钢管(5)的一端为整根双阶屈服消能钢支撑的固定端；
所述钢套管阻尼器(4)和无缝钢管(5)分别与该支撑主体的屈曲约束钢套筒(2)刚性连接；
所述钢套管阻尼器(4)具有开缝的两对面；所述开缝的两对面上分别开设有两排竖向的槽缝(41)，槽缝(41)之间为刚条带(42)，所述刚条带(42)用以调整承载力并提高耗能能力。
进一步，所述钢套管阻尼器(4)具有与屈曲约束套筒(2)相适应的套管结构，且钢套管阻尼器(4)的尺寸大于屈曲约束套管(2)的尺寸，并紧密外套于屈曲约束套筒(2)外。
进一步，所述钢套管阻尼器(4)中开缝的两对面在开缝所剩的钢条端部(43)采用角焊与塞焊同屈曲约束套筒(2)刚性连接。
进一步，所述钢套管阻尼器(4)在其远离无缝钢管(5)的一端通过端板(6)与其所在一侧的连接节点(3)刚性连接。
进一步，所述无缝钢管(5)具有与屈曲约束套筒(2)相适应的套管结构，且无缝钢管(5)的尺寸大于屈曲约束套管(2)的尺寸，并紧密外套于屈曲约束套筒(2)外，与屈曲约束套筒(2)采用角焊缝进行刚性连接。
进一步，所述无缝钢管(5)在其远离钢套管阻尼器(4)的一端通过端板(6)与其所在一侧的连接节点(3)刚性连接。
本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，作为举例而非限定，具有以下的有益效果：本发明提供的双阶屈服消能钢支撑解决了传统消能钢支撑在小震或中震作用下无法消耗地震能量的问题，同时该双阶屈服消能钢支撑震后的损伤也易于检测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双阶屈服消能钢支撑的正视图和俯视图；
图2为本发明实施例提供的双阶屈服消能钢支撑的纵向截面图；
图3为本发明实施例提供的钢套筒阻尼器的耗能面示意图；
图4为本发明实施例提供的双阶屈服消能钢支撑与框架结构的连接示意图；
图5为本发明实施例提供的双阶屈服消能钢支撑在地震作用下的工作示意图。
附图标记说明：
支撑芯板1，屈曲约束套筒2，连接节点3，钢套管阻尼器4，槽缝41，刚条带42，钢条端部43，无缝钢管5，端板6、加劲肋7。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的双阶屈服消能钢支撑的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
实施例
如图1至图5所示，本发明提供一种用于钢框架或混凝土框架的双阶屈服消能钢支撑。
如图1所示，该双阶屈服消能钢支撑包括支撑芯板1、屈曲约束钢套筒2、两个连接节点3、钢套管阻尼器4和无缝钢管5。其中，支撑芯板1的两端各自通过一个连接节点3与框架结构连接，具体的，每个连接节点3的一端与支撑芯板1的端部刚性连接(如焊接)，另一端与框架结构采用高强度螺栓连接；屈服约束套筒2置于支撑芯板1外用以抑制支撑芯板1的屈服，并与支撑芯板1共同构成该双阶屈服消能钢支撑的支撑主体；该支撑主体的两端分别套有钢套管阻尼器4和无缝钢管5，其中套有钢套管阻尼器4的一端为整根双阶屈服消能钢支撑的消能端，套有无缝钢管5的一端为整根双阶屈服消能钢支撑的固定端，且钢套管阻尼器4和无缝钢管5分别与该支撑主体的屈曲约束钢套筒2刚性连接。
进一步，钢套管阻尼器4在其远离无缝钢管5的一端通过端板6与其所在一侧的连接节点3刚性连接；同时，无缝钢管5在其远离钢套管阻尼器4的一端通过另一端板6与其所在一侧的连接节点3刚性连接。此外，每个连接节点3与端板6之间都设置有若干加劲肋7，且若干加劲肋7分别环绕于连接节点3外。
在本发明中，该双阶屈服消能钢支撑的最大承载能力由支撑芯板1决定，因此可根据实际需要，对支撑芯板1的截面面积、截面形状进行设计，但应保证其在小震作用下能够保持弹性，在大震作用下可发生塑性变形且不至断裂。
进一步，如图1所示，钢套管阻尼器4是由前后上下四个面构成的套管结构，其中前后面为开缝的两对面，上下面为不开缝的两对面；所述开缝的两对面上分别开设有两排竖向的槽缝41，槽缝41之间为刚条带42，用以调整承载力并提高耗能能力。其中，所述槽缝41的长度宽度、数量以及钢套管阻尼器4的壁厚等因素皆可根据框架结构需要进行调整，以满足框架结构的抗侧刚度与承载力的需要；且钢套管阻尼器4的厚度越大，承载力、刚度越大；当厚度一定时，钢条带42的长宽比(可以通过槽缝的长度和宽度调节)越小，刚度、承载力越大，低周疲劳性能越低，低周疲劳性能变差。此外，钢条带并列的数目亦可调整。
进一步，如图2所示，钢套管阻尼器4具有与屈曲约束套筒2相适应的套管结构，且钢套管阻尼器4的尺寸略大于屈曲约束套管2的尺寸，以使得钢套管阻尼器4可以外套于屈曲约束套筒2，并与屈曲约束套筒2之间能够牢固焊接且便于制作加工。
如图3所示，钢套管阻尼器4中开缝的两对面在开缝所剩的钢条端部43可采用角焊与塞焊同屈曲约束套筒2刚性连接。同时，钢套管阻尼器4的各项力学性能包括刚度、承载力、低周疲劳性能等皆由图3所示的槽缝41之间留下的钢条带42决定；因此，实际使用时可根据对整根双阶屈服消能钢支撑的性能要求反过来对钢条带42进行设计，进而影响钢套管阻尼器4和整根双阶屈服消能钢支撑的力学性能。
由此，在本发明中，可以根据框架结构对于整根双阶屈服消能钢支撑的性能要求来调整钢套管阻尼器4的钢条带42的尺寸以及支撑芯板1的截面积来满足结构要求。
同时，无缝钢管5也具有与屈曲约束套筒2相适应的套管结构，且无缝钢管5的尺寸也略大于屈曲约束套管2的尺寸，以使得无缝钢管5可以紧密外套于屈曲约束套筒2，并与屈曲约束套筒2之间能够牢固焊接且便于制作加工。优选的，无缝钢管5与屈曲约束钢套筒2之间可以采用角焊缝进行刚性连接。此外，由于无缝钢管5还通过端板6与其所在一侧的连接节点3采用角焊的方式刚性连接，且该连接节点3与端板6之间还设置有若干加劲肋7。因此，屈曲约束套筒2沿整根支撑轴向的刚性位移就可以得以约束。
如图4所示，在使用过程时，该双阶屈服消能钢支撑可以与框架结构采用螺栓连接，具体连接方式为：在梁柱节点处焊接节点板，节点板上开与连接节点3相对应的螺栓孔，二者采用高强螺栓直接连接。
在本发明中，由于钢套管阻尼器4的屈服承载力低于支撑芯板1的屈服承载力。因而，在较小的地震荷载作用下，钢套管阻尼器4发生屈服，并消耗地震能量；而在较大地震荷载作用下，钢套管阻尼器4发生第一阶屈服，支撑芯板1发生第二阶屈服。
如图5所示，在地震作用下，钢套管阻尼器4中的钢条带42率先发生塑性变形消耗能量。在地震过程中，随着沿支撑轴向荷载的增大，钢套管阻尼器4、屈曲约束钢套筒2、无缝钢管5三个构件会发生沿支撑轴向的变形，由于屈曲约束套筒2的刚性移动被无缝钢管5限制，即无缝钢管5限制了所在一侧的屈曲约束套筒2与连接节点3之间不发生刚性相对位移；由此，当整根支撑受力后，刚套管阻尼器4的钢条带42将发生弯曲、剪切变形，随着荷载的逐步增大，弯曲、剪切变形逐步变大，直到钢条带42的端部发生屈服，钢套管阻尼器4的刚度开始下降，承载力上升缓慢，至此第一阶屈服发生。
进一步，还可以通过调整钢套管阻尼器4与屈曲约束套筒2的沿支撑轴向刚度之比，来调整轴向位移的发生区域：若希望钢套管阻尼器4在较小轴向位移下屈服，则提高屈曲约束套筒2与钢套管阻尼器4的刚度比；若希望钢套管阻尼器4在较大轴向位移下屈服，则降低屈曲约束套筒2与钢套管阻尼器4的刚度比。在本发明中，以上可调节设计，以及第一阶屈服的实现都是基于采用了无缝钢管5，并通过无缝钢管5限制住屈曲约束套筒2在固定端的刚性位移，即避免了屈曲约束套筒2与连接节点3之间发生相对位移。
本发明的技术方案，作为举例而非限定，具有如下有益效果：
(1)设计支撑芯板时，钢套管阻尼器的屈服承载力低于支撑芯板的屈服承载力。因而，在较小的地震荷载作用下，钢套管阻尼器发生屈服，并消耗地震能量，而在较大地震荷载作用下，钢支撑芯板发生第二阶屈服，进一步消耗地震能量，解决了传统消能钢支撑小震或中震作用下无法消耗地震能量的问题。
(2)该双阶屈服消能钢支撑的损伤易于检测。由于钢套管阻尼器耗能原件外露，其塑性变形甚至断裂程度容易检测，可指导决定震后是否需要更换支撑。
(3)该双阶屈服消能钢支撑为工厂预制构件，现场螺栓连接，施工速度快，节能环保。
(4)本发明适用于钢结构、混凝土结构住宅或办公建筑，特别是装配式减震建筑中。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (6)
1.一种双阶屈服消能钢支撑，其特征在于：包括支撑芯板(1)、屈曲约束套筒(2)、两个连接节点(3)、钢套管阻尼器(4)、无缝钢管(5)；
所述屈服约束套筒(2)置于支撑芯板(1)外，用以抑制支撑芯板(1)的屈服，并与支撑芯板(1)共同构成该双阶屈服消能钢支撑的支撑主体；
所述支撑主体的两端分别通过支撑芯板(1)与两个连接节点(3)连接，并通过两个连接节点(3)与框架结构连接；
所述支撑主体的两端分别外套有钢套管阻尼器(4)和无缝钢管(5)，其中套有钢套管阻尼器(4)的一端为整根钢支撑的消能端，套有无缝钢管(5)的一端为整根钢支撑的固定端；
所述钢套管阻尼器(4)和无缝钢管(5)分别与该支撑主体的屈曲约束钢套筒(2)刚性连接；
所述钢套管阻尼器(4)上具有开缝的两对面；所述开缝的两对面上分别开设有上下两排竖向的槽缝(41)，槽缝(41)之间为刚条带(42)，所述刚条带(42)用以调整承载力并提高耗能能力。
2.根据权利要求1所述的双阶屈服消能钢支撑，其特征在于：所述钢套管阻尼器(4)具有与屈曲约束套筒(2)相适应的套管结构，且钢套管阻尼器(4)的尺寸大于屈曲约束套管(2)的尺寸，并紧密外套于屈曲约束套筒(2)外。
3.根据权利要求1所述的双阶屈服消能钢支撑，其特征在于：所述钢套管阻尼器(4)开缝的两对面在开缝所剩的钢条端部(43)采用角焊与塞焊同屈曲约束套筒(2)刚性连接。
4.根据权利要求1所述的双阶屈服消能钢支撑，其特征在于：所述钢套管阻尼器(4)在其远离无缝钢管(5)的一端通过端板(6)与其所在一侧的连接节点(3)刚性连接。
5.根据权利要求1所述的双阶屈服消能钢支撑，其特征在于：所述无缝钢管(5)具有与屈曲约束套筒(2)相适应的套管结构，且无缝钢管(5)的尺寸大于屈曲约束套管(2)的尺寸，并紧密外套于屈曲约束套筒(2)外，与屈曲约束套筒(2)采用角焊缝进行刚性连接。
6.根据权利要求1所述的双阶屈服消能钢支撑，其特征在于：所述无缝钢管(5)在其远离钢套管阻尼器(4)的一端通过端板(6)与其所在一侧的连接节点(3)刚性连接。
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