CN108678482A - 一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑 - Google Patents

一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑 Download PDF

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Abstract

一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，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个带法兰盘的边段装配式外围约束装置、n‑1个带法兰盘的中间段装配式外围约束装置、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，克服长、重型构件在加工、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，以上设置使该防屈曲支撑在震后无需拆解外围约束装置即可将损坏的内核构件从外围约束装置中直接抽离更换，优化震后修复工作。

Description

一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑
技术领域
本专利涉及一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，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装置组成，内核构件承受轴向压力，外围装置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，工程中采用的装配式防屈曲支撑，其内核构件通常采用“一”字型、“十”字型或“工”字型构件，外围约束装置采用混凝土装配式外围约束型装置、钢管混凝土组合装配式外围约束型装置或纯钢装配式外围约束型装置，且内核构件表面与外围约束装置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装配式防屈曲支撑，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，地震过后在进行内核构件的更换时还需先拆解外围约束装置，修复工作费时费力，且内核构件即使发生局部损伤，也需要整段更换，造成了钢材的严重浪费，不符合现在提倡绿色建筑的内涵。
基于此，本发明提出一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，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，以及在震后内核更换时还需拆解装配式外围约束装置的弊端。该防屈曲支撑由2个边段一字型内核构件、n个中间段一字型内核构件、4个带法兰盘的边段外伸式约束构件、2(n-1)个带法兰盘的中间段外伸式约束构件、2(n+1)个垫板、2(n+1)个内核外侧连接盖板、第一高强螺栓群、第二高强螺栓群以及第三高强螺栓群组成，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，通过在一字型内核构件上设置狗骨削弱或开槽削弱来控制各段一字型内核构件塑性发展区域，外围约束装置仍起到防止一字型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一字型内核构件可从相应段的装配式外围约束装置中直接抽离，无需拆解装配式外围约束装置，震后修复工作简单快捷，也避免了因内核局部损伤而整段更换内核造成的材料浪费，且更换一字型内核构件后的防屈曲支撑仍可继续使用，优化震后修复工作。
此外，用于连接的第一高强螺栓群有传力作用和限位作用，当一字型内核构件受拉时，第一高强螺栓群传递各一字型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装置滑动，此时外围约束装置不参与受力。当一字型内核构件受压时，第一高强螺栓群限制外围约束装置滑动，外围约束装置处于受弯状态，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重型装配式防屈曲支撑的合理分段以及内核构件的直接更换，而且无需另外设置外围约束装置的限位装置；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，又能解决其运输成本昂贵以及震后无法快速修复等问题，降低成本，提高功效和时效，优化震后修复工作。
发明内容
本发明提出一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，旨在解决现有的超长超重型装配式防屈曲支撑在加工、运输、安装过程中的诸多不便，以及在震后内核构件更换时还需拆解装配式外围约束装置的弊端，降低成本，提高功效和时效，优化震后修复工作，也为重型装配式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：
一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，其特征在于：该防屈曲支撑由2个边段一字型内核构件、n个中间段一字型内核构件、2个带法兰盘的边段装配式外围约束装置、n-1个带法兰盘的中间段装配式外围约束装置、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，以及在震后内核更换时还需拆解装配式外围约束装置的弊端；基于构件分段装配式设计理念，通过各段一字型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，通过在一字型内核构件上设置狗骨削弱或开槽削弱来控制各段一字型内核构件塑性发展区域，外围约束装置仍起到防止一字型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一字型内核构件从相应段的装配式外围约束装置中直接抽离，无需拆解装配式外围约束装置，震后修复工作简单快捷，也避免了内核局部损伤而整体更换防屈曲支撑构件造成的材料浪费，且更换一字型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；所述的装配式外围约束装置，由带法兰盘的外伸式约束构件和两个垫板通过第三高强螺栓群连接组成，垫板厚度用来控制外伸式约束构件与内核构件间的间隙；所述的n+2段一字型内核构件在安装时需穿过对应段的外围约束装置，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段一字型内核构件与n+1段外围约束装置联系为整体。
所述的边段一字型内核构件，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人为控制，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装置的连接，通过第一高强螺栓群传递轴向拉力，并限制外围约束装置滑动；
所述的中间段一字型内核构件，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一字型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，在工厂焊接于外伸式约束构件端部；所述的带法兰盘的外伸式约束构件和垫板均在两侧对应位置处开孔，通过安装第三高强螺栓群组成装配式外围约束装置单元；所述的内核外侧连接盖板及各装配式外围约束装置单元在相应段一字型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、装配式外围约束装置单元以及一字型内核构件连为全装配分段式防屈曲支撑。
所述的内核外侧连接盖板板件材质屈服强度高于一字型内核构件材质，2个内核外侧连接盖板总的抗拉承载力高于一字型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，当一字型内核构件受拉时，第一高强螺栓群传递一字型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装置滑动，此时外围约束装置不参与受力；当一字型内核构件受压时，第一高强螺栓群限制外围约束装置滑动，外围约束装置处于受弯状态，约束各段一字型内核构件屈曲失稳。
所述的法兰盘为带孔矩形板，或其他形式的带孔板件；所述的垫板为通长的带孔单板，或带孔的多个垫块；所述的外伸式约束构件为外伸式矩形钢管约束构件内填混凝土，或不填。
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装置均分为若干段，通过螺栓连接为一体，该防屈曲支撑克服传统长、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)震后可直接分段更换内核构件。本发明通过各段一字型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，通过在一字型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装配式防屈曲支撑分割为若干段，有损伤的一字型内核构件可从相应段的外围约束装置中直接抽离，无需拆解外围约束装置，震后修复工作简单快捷，也避免了内核构件局部损害而整段内核更换造成的材料浪费，且更换一字型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。本发明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，提高功效和时效，优化震后修复工作。此外，将构件分段装配式理念应用到装配式防屈曲支撑，使得内核构件与外围约束装置均为分段装配式，且内核构件在震后可直接更换，为本领域首创。
(3)传力合理，受力巧妙。当一字型内核构件受拉时，第一高强螺栓群传递一字型内核构件上的拉力至内核外侧连接盖板上，同时限制外围约束装置滑动，此时外围约束装置不参与受力。当一字型内核构件受压时，第一高强螺栓群限制外围约束装置滑动，外围约束装置处于受弯状态，约束各段一字型内核构件屈曲失稳。
(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装置的限位装置。
附图说明
图1为一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑的三维图；
图2为一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑的拆分图；
图3为一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑的正视图；
图4为一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑的侧视图；
图5为一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑的俯视图；
图6为一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑的装配式外围约束装置单元立体图；
图7为一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑的内核构件分区域示意图；
图8为一种可直接更换一字型内核的全装配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9为可供选择的外伸式约束构件的几类形式(a)为可直接更换一字型内核的外伸式钢管混凝土约束型防屈曲支撑；(b)为可直接更换一字型内核的外伸式双矩管约束型防屈曲支撑。(c)为可直接更换一字型内核的外伸式双矩管约束型防屈曲支撑。
具体实施方式
下面结合附图1～9，详细说明本专利的实施方式。
如图1～9所示，一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑包括以下部件：
1——边段一字型内核构件；
2——中间段一字型内核构件；
3——带法兰盘的边段外伸式约束构件；
4——带法兰盘的中间段外伸式约束构件；
5——垫板；
6——内核外侧连接盖板；
7——第一高强螺栓群；
8——第二高强螺栓群；
9——第三高强螺栓群；
10——装配式边段外围约束装置单元；
11——装配式中间段外围约束装置单元；
12——边段一字型内核构件的端部加强区；
13——边段一字型内核构件的中部削弱区；
14——边段一字型内核构件的端部开孔连接区；
15——中间段一字型内核构件的中部削弱区；
16——中间段一字型内核构件的端部开孔连接区；
17——狗骨削弱；
18——开槽削弱；
19——橡胶材料填充；
20——带法兰盘的外伸式矩形钢管约束构件；
21——混凝土填充。
如图1-9所示，一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，包括2个边段一字型内核构件(1)、n个中间段一字型内核构件(2)、4个带法兰盘的边段外伸式约束构件(3)、2(n-1)个带法兰盘的中间段外伸式约束构件(4)、2(n+1)个垫板(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)以及第三高强螺栓群(9)。安装时每两个带法兰盘的边段外伸式约束构件(3)与两个垫板(5)通过第三高强螺栓群(9)连接组成一个装配式边段外围约束装置单元(10)，每两个带法兰盘的中间段外伸式约束构件(4)与两个垫板(5)通过第三高强螺栓群(9)连接组成一个装配式中间段外围约束装置单元(11)，根据实际需求组成若干单元，而后一字型内核构件(1、2)穿过对应段外围约束装置单元(10、11)，端部顶紧，最后通过内核外侧连接盖板(6)、第一高强螺栓群(7)以及第二高强螺栓群(8)将各段一字型内核构件(1、2)以及若干外围约束装置单元(10、11)联系为整体，组成全装配分段式防屈曲支撑。
边段一字型内核构件(1)分为三个区域，如图7所示，分别为边段一字型内核构件的端部加强区(12)、边段一字型内核构件的中部削弱区(13)及边段一字型内核构件的端部开孔连接区(14)。边段一字型内核构件的端部加强区(12)可按常规方法加强，通过加设肋板即可；边段一字型内核构件的中部削弱区(13)，采用狗骨削弱(17)或开槽削弱(18)方式进行人为控制，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(19)，或不填充，保证该区域截面抗拉承载力弱于其他两区域。中间段一字型内核构件(2)分为两个区域，分别为中间段一字型内核构件的端部开孔连接区(16)、中间段一字型内核构件的中部削弱区(15)及中间段一字型内核构件的端部开孔连接区(16)，各区域设置方式与边段一字型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(17)形式设置中部削弱区(13、15)，且削弱区未填充；端部开孔连接区(14、16)，用于内核外侧连接盖板(6)及装配式外围约束装置单元(10、11)的连接，保证第一高强螺栓群(7)的“传力”和“限位”功能。
具体组装时将两个带法兰盘的边段外伸式约束构件(3)与两个垫板(5)通过第三高强螺栓群(9)连接组成装配式边段外围约束装置单元(10)，将两个带法兰盘的中间段外伸式约束构件(4)与两个垫板(5)通过第三高强螺栓群(9)连接组成装配式中间段外围约束装置单元(11)，根据实际需求组成若干单元，而后将一字型内核构件(1、2)分别从穿入外围约束装置单元(10、11)，且端部顶紧，最后通过第一高强螺栓群(7)和第二高强螺栓群(8)将各段一字型内核(1、2)、内核外侧连接盖板(6)以及各装配式外围约束装置单元(10、11)连为一体。
带法兰盘的外伸式约束构件(3、4)为带法兰盘的外伸式矩形钢管约束构件(20)，矩形钢管内可做混凝土填充(21)，也可不填充。上述带法兰盘的外伸式约束构件(3、4)组成的外围约束装置的具体形式详见图9，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个边段一字型内核构件(1)、2个中间段一字型内核构件(2)、2个装配式边段外围约束装置单元(10)、1个装配式中间段外围约束装置单元(11)；选取带法兰盘的外伸式矩形钢管约束构件(20)，且不做混凝土填充；垫板(5)选取通长的带孔单板。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 (6)

1.一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，其特征在于：该防屈曲支撑由2个边段一字型内核构件、n个中间段一字型内核构件、2个带法兰盘的边段装配式外围约束装置、n-1个带法兰盘的中间段装配式外围约束装置、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震后内核更换时还需拆解装配式外围约束装置的弊端；基于构件分段装配式设计理念，通过各段一字型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，通过在一字型内核构件上设置狗骨削弱或开槽削弱来控制各段一字型内核构件塑性发展区域，外围约束装置仍起到防止一字型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一字型内核构件从相应段的装配式外围约束装置中直接抽离，无需拆解装配式外围约束装置，也避免了内核局部损伤而整体更换防屈曲支撑构件造成的材料浪费，且更换一字型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；所述的装配式外围约束装置，由带法兰盘的外伸式约束构件和两个垫板通过第三高强螺栓群连接组成，垫板厚度用来控制外伸式约束构件与内核构件间的间隙；所述的n+2段一字型内核构件在安装时需穿过对应段的外围约束装置，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段一字型内核构件与n+1段外围约束装置联系为整体。
2.根据权利要求1所述的一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，其特征在于：所述的边段一字型内核构件，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装置的连接，通过第一高强螺栓群传递轴向拉力，并限制外围约束装置滑动。
3.根据权利要求1所述的一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，其特征在于：所述的中间段一字型内核构件，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一字型内核构件对应区域相同，不设端部加强区。
4.根据权利要求1所述的一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，其特征在于：所述的法兰盘四周开孔，在工厂焊接于外伸式约束构件端部；所述的带法兰盘的外伸式约束构件和垫板均在两侧对应位置处开孔，通过安装第三高强螺栓群组成装配式外围约束装置单元；所述的内核外侧连接盖板及各装配式外围约束装置单元在相应段一字型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、装配式外围约束装置单元以及一字型内核构件连为全装配分段式防屈曲支撑。
5.根据权利要求1所述的一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，其特征在于：所述的内核外侧连接盖板板件材质屈服强度高于一字型内核构件材质，2个内核外侧连接盖板总的抗拉承载力高于一字型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，当一字型内核构件受拉时，第一高强螺栓群传递一字型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装置滑动，此时外围约束装置不参与受力；当一字型内核构件受压时，第一高强螺栓群限制外围约束装置滑动，外围约束装置处于受弯状态，约束各段一字型内核构件屈曲失稳。
6.根据权利要求1所述的一种可直接更换一字型内核的全装配分段式防屈曲支撑，其特征在于：所述的法兰盘为带孔板件；所述的垫板为通长的带孔单板，或带孔的多个垫块；所述的外伸式约束构件为外伸式矩形钢管约束构件内填混凝土，或不填。
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