CN108625653B - 一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑，属于结构工程领域。该防屈曲支撑由2个边段内核构件、n个中间段内核构件、2个带法兰盘的边段外围约束构件、n‑1个带法兰盘的中间段外围约束构件、2(n+1)个内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群及第二高强螺栓群组成。基于构件分段装配式设计理念，将超长超重型防屈曲支撑分成若干段，有效克服其在加工、运输、安装过程中的诸多不便。通过设置内核外侧连接盖板及内核构件分段顶紧传递轴向力，通过在内核构件上设置削弱区实现塑性损伤控制，震后只需通过拆卸高强螺栓群及内核外侧连接盖板即可将内核构件抽离更换，有效克服了传统整体约束型防屈曲支撑在破坏后无法更换内核构件的弊端。

Description

一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑
技术领域
本专利涉及一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑，属于结构工程技术领域。
背景技术
防屈曲支撑由内核构件和外围约束构件组成，内核构件承受轴向压力，外围构件约束内核构件的横向位移，使其在轴压作用下发生全截面屈服。自上个世纪90年代的日本阪神地震和美国北岭地震以来，防屈曲支撑在美国、日本等一些发达国家进行了大量的工程实践，由于其兼具“正常使用状态及小震时的支撑作用”以及“大震作用下的耗能作用”，使其成为最好的消能减震构件之一，并在近几年得以迅速推广应用。
目前，工程中采用的整体约束型防屈曲支撑，其内核构件通常采用“一”字型、“十”字型或“工”字型构件，外围约束构件采用混凝土外围约束型构件、钢管混凝土外围约束型构件或全钢外围约束型构件，且内核构件表面与外围约束构件表面之间留有一定间隙，防止内核构件受压时横向膨胀而塞死。在正常使用状态以及小震作用下，防屈曲支撑的内核构件受力保持弹性状态，并为主体框架提供足够的刚度；大震发生时，内核构件会首先进入屈服，大量消耗地震能量，保护主体框架。
然而，在一些大型建筑物中所使用的超长超重型防屈曲支撑，由于其构件长而重，使得其在加工、运输、安装等环节有诸多不便，很大一部分资金用于重型机械运输吊装方面；此外，一旦安装完成即无法拆卸，地震发生后即使发生局部损伤也只能整体更换，造成建筑材料的严重浪费，不符合现在提倡绿色建筑的内涵。
基于此，本发明提出一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑，该防屈曲支撑可有效克服了传统超长超重型防屈曲支撑在加工、运输、安装过程中的诸多不便，以及在震后无法修复的弊端。该防屈曲支撑由2个边段内核构件、n个中间段内核构件、2个带法兰盘的边段外围约束构件、n-1个带法兰盘的中间段外围约束构件、2(n+1)个内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群以及第二高强螺栓群，其中n为正整数。本发明提出的防屈曲支撑通过内核外侧连接盖板及第一高强螺栓群传递轴向拉力，通过在内核构件上设置狗骨削弱或开槽削弱来控制各段内核构件塑性发展区域，外围约束构件仍起到防止内核构件屈曲失稳的目的。震后只需通过拆卸内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群及第二高强螺栓群即可将有损伤的内核构件可从相应段的外围约束构件中抽离更换，震后修复工作简单快捷，也避免了因内核局部损伤而更换防屈曲支撑造成的材料浪费，且更换内核构件后的防屈曲支撑仍可继续使用，满足震后修复需求。
此外，第一高强螺栓群连接的是内核外侧连接盖板，第二高强螺栓群连接的是法兰盘。用于连接的第一高强螺栓群有传力作用和限位作用，当内核构件受拉时，第一高强螺栓群传递各内核构件上的拉力至对应的内核外侧连接盖板上，同时其限制外围约束构件滑动，此时外围约束构件不参与受力。当内核构件受压时，第一高强螺栓群限制外围约束构件滑动，外围约束构件处于受弯状态，有效约束各段内核构件屈曲失稳。
本发明采用常用板件通过合理布置即可实现长、重型整体约束型防屈曲支撑的合理分段以及内核构件的更换修复，而且无需另外设置外围约束构件的限位装置；本发明整体构造精巧且传力合理，特别适用于地震设防烈度较高地区的大型建筑，在保证重型结构抗侧力构件“承载”与“耗能”的同时，又能有效解决其运输成本昂贵以及震后无法修复等问题，降低成本，提高功效和时效。
发明内容
本发明提出一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑，旨在解决现有的超长超重型防屈曲支撑在加工、运输、安装过程中的诸多不便，以及在震后无法修复的弊端，降低成本，提高功效和时效，也为重型防屈曲支撑形式提供了更多的选择范围。
为实现上述目的，本发明采用如下技术手段：
一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑，其特征在于：该防屈曲支撑由2个边段内核构件、n个中间段内核构件、2个带法兰盘的边段外围约束构件、n-1个带法兰盘的中间段外围约束构件、2(n+1)个内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群及第二高强螺栓群组成，其中n为正整数；该防屈曲支撑克服了传统超长超重型防屈曲支撑在加工、运输、安装过程中的诸多不便，以及整体约束型防屈曲支撑在破坏后无法更换内核构件的弊端；基于构件分段装配式设计理念，通过各段内核构件相互顶紧传递轴向压力，通过内核外侧连接盖板及第一高强螺栓群传递轴向拉力，通过在内核构件上设置狗骨削弱或开槽削弱来控制各段内核构件塑性发展区域，外围约束构件仍起到防止内核构件屈曲失稳的目的；震后只需通过拆卸内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群及第二高强螺栓群即可将有损伤的内核构件从相应段的外围约束构件中抽离更换，也避免了因内核构件局部损伤而更换防屈曲支撑造成的材料浪费，且更换内核构件后的防屈曲支撑仍可继续使用，满足震后功能恢复需求；所述的外围约束构件表面与内核构件表面之间留有1-2mm间隙，或橡胶填充；所述的n+2段内核构件在安装时需穿过对应段的外围约束构件，且端部顶紧，而后通过内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群以及第二高强螺栓群将n+2段内核构件与n+1段带法兰盘的外围约束构件联系为整体。
所述的边段内核构件，单块通长分为三个区域：端部加强区——避免防屈曲支撑边段内核构件端部发生折曲破坏；中部削弱区——内核构件塑性发展区域，采用狗骨削弱或开槽削弱的方式进行控制，削弱宽度大于高强螺栓孔洞直径的两倍，削弱区填充橡胶材料，或不填充，保证该区域截面抗拉承载力弱于其他两区域，从而将塑性破坏控制在该区域内；端部开孔连接区——用于与内核外侧连接盖板及外围约束构件的连接，通过第一高强螺栓群有效传递轴向拉力，并限制外围约束构件滑动。
所述的中间段内核构件，单块通长分别为端部开孔连接区、中部削弱区、端部开孔连接区，各区域设置方式与边段内核构件对应区域相同，不设端部加强区。
所述的法兰盘四周开孔，在工厂焊接于外围约束构件端部；所述的内核外侧连接盖板及各带法兰盘的外围约束构件在相应段内核构件端部开孔连接区对应位置处开孔，通过安装第一高强螺栓群及第二高强螺栓群将内核外侧连接盖板、带法兰盘的外围约束构件以及内核构件连为一体。
所述的内核外侧连接盖板板件材质高于内核构件材质，2个内核外侧连接盖板总的抗拉承载力高于内核构件中部削弱区的抗拉承载力；所述的第一高强螺栓群有传力作用和限位作用，当内核构件受拉时，第一高强螺栓群传递内核构件上的拉力至内核外侧连接盖板上，同时其限制外围约束构件滑动，此时外围约束构件不参与受力；当内核构件受压时，第一高强螺栓群限制外围约束构件滑动，外围约束构件处于受弯状态，有效约束各段内核构件屈曲失稳。
所述的法兰盘为带孔矩形板，或其他形式的带孔板件；所述的内核构件，为一字型、十字型或工字型构件；所述的外围约束构件为钢管混凝土外围约束型构件或全钢外围约束型构件。
本专利的优点表现在以下几个方面：
(1)超长超重型构件分段化。本发明基于构件分段装配式设计理念，将内核构件与外围约束构件均分为若干段，通过螺栓连接为一体，该防屈曲支撑可有效克服传统长、重型构件在加工、运输、安装过程中的诸多不便，减少运输、吊装成本，降低造价。
(2)震后可分段更换内核构件。本发明通过各段内核构件顶紧传递轴向压力，通过内核外侧连接盖板及第一高强螺栓群传递轴向拉力，通过在内核构件上设置狗骨削弱或开槽削弱来控制内核构件塑性发展区域。使得该防屈曲支撑在满足基本承载与耗能的同时，震后只需通过拆卸第一高强螺栓群、第二高强螺栓群及内核外侧连接盖板即可将防屈曲支撑分割为若干段，有损伤的内核构件可从相应段的外围约束构件中抽离更换，也避免了因内核构件局部损害而更换防屈曲支撑造成的材料浪费，且更换内核构件后的防屈曲支撑仍可继续使用。本发明有效克服了传统装配式防屈曲支撑更换内核时需拆解外围约束装置的弊端，满足震后功能恢复需求，提高功效和时效。此外，将构件分段装配式理念应用到整体约束型防屈曲支撑，使得内核构件与外围约束构件均为分段装配式，且内核构件在震后可更换修复，为本领域首创。
(3)传力合理，受力巧妙。当内核构件受拉时，第一高强螺栓群传递内核构件上的拉力至内核外侧连接盖板上，同时限制外围约束构件滑动，此时外围约束构件不参与受力。当内核构件受压时，第一高强螺栓群限制外围约束构件滑动，外围约束构件处于受弯状态，有效约束各段内核构件屈曲失稳。
(4)构造精巧，一构件多用途。本发明构造简单，所有超长超重型构件均可在工厂分段预制完成，通过螺栓实施装配，加工精度高，没有过于繁杂的施工工序。本装置中用于连接各构件的第一高强螺栓群还起到“传力”与“限位”的作用，无需另外设置外围约束构件的限位装置。
附图说明
图1为一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑的三维图；
图2为一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑的拆分图；
图3为一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑的正视图；
图4为一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑的侧视图；
图5为一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑的俯视图；
图6为一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑的内核构件分区域示意图；如图6(a)所示边段内核构件(1)分为三个区域，如图6(b)所示中间段内核构件(2)分为两个区域；
图7为一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑的内核构件削弱类型示意图(a)为狗骨削弱形式，且不填充；(b)为狗骨削弱形式，且橡胶填充；(c)为开槽削弱形式；
图8为可供选择的外围约束构件的几类形式：(a)为可更换一字型内核的钢管混凝土约束型防屈曲支撑；(b)为可更换十字型内核的四钢管混凝土约束型防屈曲支撑；(c)为可更换一字型内核的双钢管混凝土约束型防屈曲支撑；(d)为可更换一字型内核的全钢约束型防屈曲支撑；(e)为可更换十字型内核的全钢约束型防屈曲支撑；(f)为可更换工字型内核的全钢约束型防屈曲支撑。
具体实施方式
下面结合附图1～8，详细说明本专利的实施方式。
如图1～8所示，一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑包括以下部件：
1——边段内核构件；
2——中间段内核构件；
3——带法兰盘的边段外围约束构件；
4——带法兰盘的中间段外围约束构件；
5——内核外侧连接盖板；
6——第一高强螺栓群；
7——第二高强螺栓群；
8——边段内核构件的端部加强区；
9——边段内核构件的中部削弱区；
10——边段内核构件的端部开孔连接区；
11——中间段内核构件的中部削弱区；
12——中间段内核构件的端部开孔连接区；
13——狗骨削弱；
14——开槽削弱；
15——橡胶材料填充；
16——一字型内核构件；
17——十字型内核构件；
18——工字型内核构件；
19——带法兰盘的钢管混凝土外围约束型构件；
20——带法兰盘的全钢外围约束型构件。
如图1-8所示，一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑，包括2个边段内核构件(1)、n个中间段内核构件(2)、2个带法兰盘的边段外围约束构件(3)、n-1个带法兰盘的中间段外围约束构件(4)、内核外侧连接盖板(5)、第一高强螺栓群(6)以及第二高强螺栓群(7)。安装时内核构件(1、2)穿过对应段带法兰盘的外围约束构件(3、4)，端部顶紧，而后通过内核外侧连接盖板(5)、第一高强螺栓群(6)以及第二高强螺栓群(7)将各段内核构件(1、2)以及若干段带法兰盘的外围约束构件(3、4)联系为整体，组成防屈曲支撑。
边段内核构件(1)分为三个区域，如图6(a)所示，分别为边段内核构件的端部加强区(8)、边段内核构件的中部削弱区(9)及边段内核构件的端部开孔连接区(10)。边段内核构件的端部加强区(8)可按常规方法加强，通过加宽内核构件即可；边段内核构件的中部削弱区(9)，采用狗骨削弱(13)或开槽削弱(14)方式进行控制，削弱宽度大于高强螺栓孔洞直径的两倍，削弱区填充橡胶材料(15)，或不填充，保证该区域截面抗拉承载力弱于其他两区域。中间段内核构件(2)分为两个区域，如图6(b)所示，中间段内核构件的中部削弱区(11)及中间段内核构件的端部开孔连接区(12)，各区域设置方式与边段内核构件对应区域相同，且不设端部加强区。本实例采用狗骨削弱(13)形式设置中部削弱区(9、11)，且削弱区未填充；端部开孔连接区(10、12)，用于内核外侧连接盖板(5)及带法兰盘的外围约束构件(3、4)的连接，保证第一高强螺栓群(6)的“传力”和“限位”功能。
具体组装时将内核构件(1、2)分别从穿入带法兰盘的外围约束构件(3、4)，且端部顶紧，而后通过第一高强螺栓群(6)和第二高强螺栓群(7)将各段内核构件(1、2)、内核外侧连接盖板(5)以及各带法兰盘的外围约束构件(3、4)连为一体。
内核构件(1、2)为一字型内核构件(16)、十字型内核构件(17)和工字型内核构件(18)；带法兰盘的外围约束构件(3、4)为带法兰盘的钢管混凝土外围约束型构件(19)和带法兰盘的全钢外围约束型构件(20)。上述内核构件(1、2)与带法兰盘的外围约束构件(3、4)具体组合形式详见图8，使用者可根据结构设计需求自主选择。本实例选取n＝2作为说明，即本实例采用2个边段内核构件(1)、2个中间段内核构件(2)、2个带法兰盘的边段外围约束构件(3)、1个带法兰盘的中间段外围约束构件(4)；内核构件选取一字型内核构件(16)；带法兰盘的外围约束构件选取带法兰盘的钢管混凝土外围约束型构件(19)。此外，本发明不限于本实例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑，其特征在于：该防屈曲支撑包括2个边段内核构件、n个中间段内核构件、2个带法兰盘的边段外围约束构件、n-1个带法兰盘的中间段外围约束构件、2（n+1）个内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群及第二高强螺栓群，其中n为正整数；基于构件分段装配式设计理念，通过各段内核构件相互顶紧传递轴向压力，通过内核外侧连接盖板及第一高强螺栓群传递轴向拉力；震后只需通过拆卸内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群及第二高强螺栓群即可将有损伤的内核构件从相应段的外围约束构件中抽离更换，且更换内核构件后的防屈曲支撑仍可继续使用，满足震后功能恢复需求；所述的边段内核构件，单块通长分为三个区域：三个区域分别为边段内核构件的端部加强区（8）、边段内核构件的中部削弱区（9）及边段内核构件的端部开孔连接区（10）；端部加强区——避免防屈曲支撑边段内核构件端部发生折曲破坏；中部削弱区——内核构件塑性发展区域，采用狗骨削弱或开槽削弱的方式进行控制，削弱宽度大于高强螺栓孔洞直径的两倍，削弱区填充橡胶材料，或不填充，保证该区域截面抗拉承载力弱于其他两区域，从而将塑性破坏控制在该区域内；端部开孔连接区——用于与内核外侧连接盖板及外围约束构件的连接，通过第一高强螺栓群有效传递轴向拉力，并限制外围约束构件滑动；所述的中间段内核构件分为两个区域，中间段内核构件的中部削弱区（11）及中间段内核构件的端部开孔连接区（12），各区域设置方式与边段内核构件对应区域相同，不设端部加强区；所述的外围约束构件表面与内核构件表面之间留有1-2mm间隙，或橡胶填充；所述的n+2段内核构件在安装时需穿过对应段的外围约束构件，且端部顶紧，而后通过内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群以及第二高强螺栓群将n+2段内核构件与n+1段带法兰盘的外围约束构件联系为整体；所述的法兰盘四周开孔，在工厂焊接于外围约束构件端部；所述的内核外侧连接盖板及各带法兰盘的外围约束构件在相应段内核构件端部开孔连接区对应位置处开孔，通过安装第一高强螺栓群及第二高强螺栓群将内核外侧连接盖板、带法兰盘的外围约束构件以及内核构件连为一体；所述的内核外侧连接盖板在外围约束装置外侧，内核外侧连接盖板的板件材质屈服强度高于内核构件材质，2个内核外侧连接盖板总的抗拉承载力高于内核构件中部削弱区的抗拉承载力；所述的第一高强螺栓群有传力作用和限位作用，当内核构件受拉时，第一高强螺栓群传递内核构件上的拉力至内核外侧连接盖板上，同时其限制外围约束构件滑动，此时外围约束构件不参与受力；当内核构件受压时，第一高强螺栓群限制外围约束构件滑动，外围约束构件处于受弯状态，有效约束各段内核构件屈曲失稳。
2.根据权利要求1所述的一种可更换内核的整体约束分段式防屈曲支撑，其特征在于：所述的法兰盘为带孔板件；所述的内核构件，为一字型、十字型或工字型构件；所述的外围约束构件为钢管混凝土外围约束型构件或全钢外围约束型构件。
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