CN107842124B - 一种诱导损伤可观测竹节耗能杆 - Google Patents

Abstract

一种诱导损伤可观测竹节耗能杆，包括竹节核心杆和外约束套管，竹节核心杆由竹节、耗能段、连接段以及诱导损伤段沿纵向同轴线固结而成，其中诱导损伤段由耗能段打磨切削使得诱导损伤段的截面略小于耗能段的截面；外约束套管上预留观测窗，其位置与诱导损伤段保持一致，可直接观测诱导损伤段的变化。该诱导损伤可观测竹节耗能杆构造简单、方便加工、自重较轻，同时具有诱导损伤以及损伤可观测的特点，可以实现损伤诱导，破坏定位的功能。该新型耗能杆的构型能够为结构震后损伤、破坏程度的观测提供便利，能为耗能杆件震后更换提供直接依据，具有广大的工程应用前景。

Description

一种诱导损伤可观测竹节耗能杆

技术领域

本发明涉及诱导损伤可观测竹节耗能杆，具体涉及一种用于减小工程结构地震响应的屈曲约束支撑，属于土木工程领域。

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。

虽然传统耗能杆具有受力以及抗震方面的优势，但是耗能杆本身的构造特点也给工程推广应用带来了新的问题：（1）灌浆密实难，耗能杆的外约束套管与竹节核心杆的间隙较小，无法充分的密实灌浆，容易产生空隙、气泡等不良灌浆现象，严重影响了耗能杆的滞回性能；（2）耗能杆内核的损伤不可观测，虽然耗能杆性能优异，但是地震无法直观判断其是否需要更换，可能会造成较大的性能浪费。（3）进一步，带观察窗的屈曲约束支撑，如专利申请文件（申请号：201310420362.1），为了观察内核钢芯一字钢板的变形和屈曲，在外围约束单元上设置了多个观察窗，观察窗的大小需要通过复杂的计算确定，而且多个观察窗会削弱外围约束单元的多个截面，从而影响外围约束单元的整体稳定性能。

上述问题的存在使得耗能杆在结构抗震领域的使用具有一定的阻碍作用。

发明内容

本发明为解决耗能杆灌浆密实困难，耗能杆核心杆的损伤破坏位置不确定以及损伤破坏难以直接观测等问题，提出了一种诱导损伤可观测竹节耗能杆。

本发明的具体技术方案为：

一种诱导损伤可观测竹节耗能杆，包括竹节核心杆和外约束套管，竹节核心杆居中贯 穿在外约束套管中，

所述竹节核心杆的两端为连接段，连接段之间设置有若干个耗能段，选取耗能段打磨 形成诱导损伤段，任意相邻的耗能段之间、任意相邻的诱导损伤段和耗能段之间都通过竹节连接，竹 节的横截面面积大于耗能段的横截面面积，

所述外约束套管开设有观测窗，且观测窗正对着诱导损伤段，用于直接观测诱导损伤 段的变化。

所述竹节的横截面面积大于耗能段的横截面面积，当竹节核心杆居中贯穿在外约束套管中时，所述竹节的径向四周填满外约束套管的内腔，所述耗能段和诱导损伤段的径向四周与外约束套管的内腔壁之间留有间隙。

所述竹节核心杆居中贯穿在外约束套管中时，所述连接段的自由端延伸出外约束套管，连接段部分位于外约束套管中。

所述外约束套管的横截面为多边形或者圆形。

所述竹节的横截面为多边形或者圆形，竹节的径向四周固定于外约束套管中。

所述耗能段的截面为多边形、圆弧形或者多折线形。

所述诱导损伤段的任意横截面均相同、部分相同或者各不相同。

所述观测窗的形状为矩形或者圆弧形，其沿竹节核心杆轴向长度大于诱导损伤段的长度。

所述竹节核心杆由Q235钢制得，竹节和连接段的横截面面积均大于耗能段的横截面面积1.4倍。

所述连接段带有螺纹。

所述诱导损伤段横截面面积比耗能段横截面面积小0.1%~5%。

诱导损伤段有一个以上，每个诱导损伤段均设置有对应的观测窗。

本发明工作原理：

本发明，连接段截面面积大于耗能段和诱导损伤段，目的是在耗能段和诱导损伤段进 入塑性后，连接段仍保持弹性。如果没有诱导损伤段，则耗能杆最后断裂位置可能出现在任 一耗能段的任意位置。通过控制打磨切削耗能段的程度来形成诱导损伤段，在低周疲劳荷 载作用下使得诱导损伤段的累积损伤比耗能杆更为严重，最终核心杆的断裂位于诱导损伤 段。

耗能段和诱导损伤段通过竹节与外约束套管贴紧，控制了耗能段和诱导损伤段两端的侧向变形，进而优化耗能段轴压变形模式，目的是提升耗能段的疲劳性能。

本发明，外约束套管上预留观测窗，其位置与诱导损伤段保持一致，便于直接观测诱导损伤段的变化。

本发明，预留观测窗的位置与诱导损伤段相配合，仅需在诱导损伤段的位置开设观测窗。反之，如果没有诱导损伤段，则需要在所有耗能段的全长开窗，才能观察到耗能段的损伤，但是会显著削弱外约束套管的刚度。因此，最小限度地预留观测窗，保证了耗能杆的整体稳定性，同时通过诱导损伤段进行断裂定位并通过观测窗来直接观测，进一步结合现代监测技术，可以追踪损伤过程中金属微裂纹及其扩展过程，体现了耗能杆损伤破坏过程可观测的理念。该诱导损伤可观测竹节耗能杆的构型能够为结构震后耗能构件提供损伤状态评估，进一步为耗能杆震后更换提供依据，具有广阔的工程应用前景。

本发明具有多种形式的外约束套管横截面以及多种形式的竹节截面，不同形式的外约束套管截面和竹节截面可以进行进一步的组合，为实际工程中诱导损伤可观测竹节耗能杆的使用提供了更多截面形式的选择，使得诱导损伤可观测竹节耗能杆可以根据连接部件的实际需求以及结构外观等要求，进行外约束套管截面以及竹节截面的选取；根据实际需求选择耗能杆的截面形式，进一步扩大了该诱导损伤可观测竹节耗能杆的使用范围。

虽然诱导损伤段由耗能段切削加工而来，但是作为耗能杆中具有重要作用的诱导损伤段，其长度可不局限于等于耗能段长度，结合观测窗的开设以及实际观察的需要，诱导损伤段的长度可以大于或者小于耗能段的长度；耗能段的切削可以整段切削削弱，也可以对耗能段的局部进行切削弱，不同的削弱方式，对于观测窗的要求不同，局部削弱所需求的观测窗明显小于全长削弱所需求的观测窗，此外，局部削弱的诱导损伤段具有更多位置选择。

根据外约束套管开洞的加工需求，可以选择矩形或者圆弧线形的观测窗，并且考虑到耗能段在变形过程中会保留不可恢复的塑性变形，使得耗能杆长度略有增加，由此要求观测窗长度要大于诱导损伤段长度。

当竹节、耗能段和连接段选用Q235钢材时，其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1.4，因此选定竹节和连接段的横截面面积至少为耗能段的1.4倍，该值保证了诱导损伤可观测耗能杆在荷载作用下竹节和连接段不会先于耗能段和诱导损伤段破坏。

对连接段进行机械切削，加工成带有螺纹的连接段，能够通过预埋套筒或螺母与结构进行简单的机械连接，提高施工效率，创造出可观的经济效益，并且机械连接的方式能够避免焊接对于耗能杆可更换的影响。

本发明具有以下有益效果：

1. 损伤破坏诱导：诱导损伤可观测竹节耗能杆的诱导损伤段由相同截面的耗能段打 磨切削而得，诱导损伤段截面面积比耗能段截面面积略小0.1%~5%。当耗能杆承受轴向荷载 作用时，力沿耗能杆全长相等，不同的截面面积将导致不同的截面应力，通过合理的截面设 计，可使得损伤主要集中于诱导损伤段，并且将最终破坏定位于诱导损伤段，形成具有损伤 诱导，破坏定位功能的诱导损伤可观测竹节耗能杆。

2. 损伤-破坏过程可观测。通过在外约束套管上开设观测窗，可以直接观诱导损伤段损伤的发展过程，结合现代监测技术，可以进一步追踪损伤过程中金属微裂纹及其扩展过程；观测窗的存在不仅使得诱导损伤可观测耗能杆的损伤过程可观测，也为设置于结构中的诱导损伤可观测竹节耗能杆的震后损伤、破坏的观测提供可能，通过耗能杆的损伤-破坏观测结果，耗能杆件的震后更换将具有事实依据，诱导损伤可观测竹节耗能杆同时也具有了广大的工程应用前景。

3. 诱导损伤段与观测窗位置对应集中。预留于外约束套管上的观测窗，其开设位置与诱导损伤段保持一致，使得观测窗的开设位置限定在诱导损伤段附近，极大程度的减少了开窗对于外约束套管的削弱，保证了耗能杆的整体稳定性，并且提高了材料的利用率，避免了专利申请文件（申请号：201310420362.1）中设置多个观察窗的不利影响。

4. 无灌浆、无焊接处理。诱导损伤可观测竹节耗能杆无灌浆料填充于外约束套管与竹节核心杆的间隙之间，解决了耗能杆灌浆中灌浆料难密实和无粘结材料设置困难等问题对性能的影响；对诱导损伤可观测竹节耗能杆的连接段进行机械切削，加工成带有螺纹的连接段，通过预埋套筒或螺母与结构进行简单的机械连接，提高施工效率，创造出可观的时间经济效益，并且机械连接的方式能够避免焊接对于耗能杆更换的不利影响。

5. 多种外约束套管、竹节和耗能段截面形式选取以及不同诱导损伤段长度和削弱形式设定。诱导损伤可观测竹节耗能杆具有多种形式的外约束套管截面以及多种形式的竹节截面，不同形式的外约束套管截面和连接段截面可以进行进一步的组合，为实际工程中诱导损伤可观测竹节耗能杆的使用提供了更多截面形式的选择，使得诱导损伤可观测竹节耗能杆可以根据连接部件的实际需求以及结构外观等要求，进行外约束套管截面以及竹节截面的选取；同时耗能段的截面可以是多边形、圆弧形或者多折线形等多种形式，可以根据实际需求选择耗能杆的截面形式，进一步扩大了该诱导损伤可观测竹节耗能杆的使用范围。结合观测窗的开设以及实际观察的需要，诱导损伤段的长度可以大于或者小于耗能段的长度；耗能段的切削可以整段切削削弱或者局部切削削弱，不同的削弱方式，又会对观测窗提出不同要求。

附图说明

图1是本发明实施例1的分解图；

图2是本发明实施例1的组合状态图；

图3是图2中A-A剖面图；

图4是图2中B-B剖面图；

图5是图2中C-C剖面图；

图6是本发明实施例1的竹节核心杆结构示意图；

图7是图6中D-D剖面图；

图8是图6中E-E剖面图；

图9是图6中F-F剖面图；

图10是本发明实施例1的外约束套管结构示意图;

图11是图10中G-G剖面图；

图12是本发明实施例2的外约束套管与竹节截面组装状态侧视图；

图13是本发明实施例3的外约束套管与竹节截面组装状态侧视图；

图14是本发明实施例4的外约束套管与竹节截面组装状态侧视图；

图15是本发明实施例5的5种耗能段剖面图，

其中：图15（a）表示耗能段的剖面为正六边形，

图15（b）表示耗能段的剖面为三角星形，

图15（c）表示耗能段的剖面为半圆形，

图15（d）表示耗能段的剖面为三角形，

图15（e）表示耗能段的剖面为正方形；

图16是本发明实施例6的诱导损伤段长度不等于耗能段长度的结构示意图；

图17是本发明实施例7的部分削弱诱导损伤段的结构示意图；

图18是本发明实施例8的外约束套管结构示意图；

图中标记名称列表：1—竹节核心杆，1-1—竹节，1-2—耗能段，1-3—连接段，1-4—诱 导损伤段，2—外约束套管，2-1—观测窗。

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1~11所示：一种诱导损伤可观测竹节耗能杆，包括竹节核心杆1和外约束套管2，竹 节核心杆1由竹节1-1、耗能段1-2、连接段1-3以及诱导损伤段1-4轴向一体固结而成，竹节 核心杆1居中贯穿在外约束套管2中，竹节核心杆1的长度大于外约束套管2，使得连接段1-3 的部分外露在外约束套管2外。

所述竹节核心杆1的两端为连接段，连接段之间设置有若干个耗能段，选取耗能段打磨形成诱导损伤段，任意相邻的耗能段之间、任意相邻的诱导损伤段和耗能段之间都通过竹节连接。诱导损伤段1-4由耗能段1-2打磨切削形成，诱导损伤段1-4的横截面略小于耗能段1-2 的横截面。

所述外约束套管2开设有观测窗2-1，观测窗2-1的数量与诱导损伤段的数量一致，且观测窗2-1正对着诱导损伤段1-4，用于直接观测诱导损伤段1-4的变化。

所述竹节1-1的横截面面积大于耗能段1-2的横截面面积，当竹节核心杆1居中观察在外约束套管2中时，所述竹节1-1的径向四周填满外约束套管2的内腔，所述耗能段1-2和诱导损伤段1-4的径向四周与外约束套管2的内腔壁之间留有间隙。

所述竹节核心杆1居中贯穿在外约束套管2中时，所述连接段的自由端延伸出外约束套管2，连接段部分位于外约束套管2中。

所述竹节1-1的横截面为多边形或者圆形，竹节1-1的径向四周固定于外约束套管2中。

所述竹节核心杆1由Q235钢制得，竹节1-1和连接段1-3的横截面面积均大于耗能段1-2的横截面面积1.4倍。

所述连接段1-3带有螺纹，通过螺母与其他结构连接。

所述诱导损伤段1-4横截面面积比耗能段1-2横截面面积小0.1%~5%。

实施例2

如图12所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于外约束套管2的截面为 圆形，竹节1-1的截面为多边形，竹节1-1的周边与外约束套管2的内壁贴紧；

实施例3

如图13所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于外约束套管2的截面为 多边形，竹节1-1的截面为圆形，竹节1-1的周边与外约束套管2的内壁相切；

实施例4

如图14所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于外约束套管2的截面为 多边形，竹节1-1的截面为多边形，竹节1-1的周边与外约束套管2的内壁平行；

实施例5

如图15所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述耗能段1-2的截面 为多种不同形式。

实施例6

如图16所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述诱导损伤段1-4的 长度不等于耗能段1-2的长度。

实施例7

如图17所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述诱导损伤段1-4部 分削弱。

实施例8

如图18所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述观测窗2-1的形状 为圆弧形。

实施例9

诱导损伤段有一个以上，每个诱导损伤段对应的均设置有对应的观测窗（2-1）。其他特征与实施例1-8相同。

本发明耗能杆长度通常为50cm左右，最为本发明的一个优选方案，诱导损伤段设计一个。

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 (10)

1.一种诱导损伤可观测竹节耗能杆，包括竹节核心杆（1）和外约束套管（2），竹节核心杆（1）居中贯穿在外约束套管（2）中，其特征在于： 所述竹节核心杆（1）的两端为连接段（1-3），连接段（1-3）之间设置有若干个耗能段（1- 2），选取一个耗能段（1-2）打磨削弱形成诱导损伤段（1-4），任意相邻的耗能段（1-2）之间、任意相邻的诱导损伤段（1-4）和耗能段（1-2）之间都通过竹节（1-1）连接，竹节（1-1）的横截面面积大于 耗能段（1-2）的横截面面积，所述外约束套管（2）开设有观测窗（2-1），且观测窗（2-1）正对着诱导损伤段（1-4），用 于直接观测诱导损伤段（1-4）的变化。

2.根据权利要求1所述的诱导损伤可观测竹节耗能杆，其特征在于：竹节核心杆（1）居中贯穿在外约束套管（2）中时，所述竹节（1-1）的径向四周填满外约束套管（2）的内腔，所述耗能段（1-2）和诱导损伤段（1-4）的径向四周与外约束套管（2）的内腔壁之间留有间隙。

3.根据权利要求1所述的诱导损伤可观测竹节耗能杆，其特征在于：所述竹节核心杆（1）居中贯穿在外约束套管（2）中时，所述连接段的自由端延伸出外约束套管（2），连接段部分位于外约束套管（2）中。

4.根据权利要求1所述的诱导损伤可观测竹节耗能杆，其特征在于：所述外约束套管（2）的横截面为多边形或者圆形； 所述竹节（1-1）的横截面为多边形或者圆形，竹节（1-1）的径向四周固定于外约束套管 （2）中； 所述耗能段（1-2）的截面为多边形、圆弧形或者多折线形。

5.根据权利要求1所述的诱导损伤可观测竹节耗能杆，其特征在于：所有耗能段（1-2）的长度均相同、部分相同或者各不相同，所述诱导损伤段（1-4）的长度与任一耗能段（1-2）的长度相同，或者与所有的耗能段（1-2）的长度均不相同。

6.根据权利要求1所述的诱导损伤可观测竹节耗能杆，其特征在于：所述观测窗（2-1）的形状为矩形或者圆弧形，其沿竹节核心杆（1）轴向长度大于诱导损伤段（1-4）的长度。

7.根据权利要求1所述的诱导损伤可观测竹节耗能杆，其特征在于：所述竹节核心杆（1）由Q235钢制得，竹节（1-1）和连接段（1-3）的横截面面积均大于耗能段（1-2）的横截面面积1.4倍。

8.根据权利要求1所述的诱导损伤可观测竹节耗能杆，其特征在于：所述连接段（1-3）带有螺纹。

9.根据权利要求1所述的诱导损伤可观测竹节耗能杆，其特征在于：所述诱导损伤段（1-4）横截面面积比耗能段（1-2）横截面面积小0.1%~5%。

10.根据权利要求1所述的诱导损伤可观测竹节耗能杆，其特征在于：诱导损伤段（1-4）有一个以上，每个诱导损伤段（1-4）对应的外约束套管（2）位置均设置有对应的一个 观测窗（2-1）。