CN109306810A - 一种具有双屈服点的双芯材多重钢管全钢防屈曲支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双屈服点的双芯材多重钢管全钢防屈曲支撑，其具有双屈服点，抗震耗能能力良好，承载力高，能满足高层、大跨度建筑在地震作用下的支撑承载力需求，其技术方案为：包括内芯材管件和外芯材管件，内芯材管件采用低屈服点钢材制成，外芯材管件采用高屈服点钢材制成。所述内芯材管件套设于外芯材管件内部，且内芯材管件和外芯材管件之间具有设定空隙；所述内芯材管件和外芯材管件两端均固定于端部连接板，所述内芯材管件内套设有内约束套管，内约束套管一端与两端部连接板二者之一固定，内约束套管另一端悬空；所述外芯材管件外部套设有外约束套管，外约束套管一端与两端部连接板二者之另一固定，外约束套管另一端悬空。

Description

一种具有双屈服点的双芯材多重钢管全钢防屈曲支撑

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，涉及一种新型的减震耗能支撑构件，特别是涉及一种具有双屈服点的双芯材多重钢管全钢防屈曲支撑。

背景技术

框架-支撑体系作为一种延性良好的结构体系常用于抗震结构中，采用支撑的结构体系在建筑结构中应用十分广泛。普通支撑受压会产生屈曲现象，当支撑受压屈曲后，刚度和承载力急剧降低。在地震作用下，支撑的内力在受压和受拉两种状态下往复变化。当支撑由压曲状态逐渐变至受拉状态时，支撑的内力以及刚度接近为零。因而普通支撑在反复荷载作用下滞回性能较差。为解决普通支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题，在支撑外部设置套管，约束支撑的受压屈曲，构成防屈曲支撑。

防屈曲支撑横向通常由三部分组成，包括核心耗能芯材、侧向支撑约束构件和无粘结材料。传统防屈曲支撑其耗能芯材通常为单芯材，无粘结材料通常为混凝土或砂浆。在地震作用下，荷载完全由单个芯材承担，侧向约束构件和无粘结材料约束芯材防止其在受压时发生屈曲，以保证芯材在受拉和受压时都能屈服。传统单芯材防屈曲支撑在小震和中震作用下具有足够的刚度，滞回耗能性能良好。但在大震作用下，传统防屈曲支撑通常以全截面达到屈服甚至损坏为主要特征，在屈服耗能后导致刚度的丧失，尤其是当遇到罕遇地震时，该类防屈曲支撑的滞回耗能能力往往不能满足预期设计地震要求，导致刚度过早丧失，最终防屈曲支撑失效。

防屈曲支撑的核心受力构件又可划分成三个区域：约束屈服段、约束非屈服段和无约束非屈服段。为了保证防屈曲支撑在受力过程中仅在约束屈服段产生屈曲，需保证端部连接的可靠性，确保防屈曲支撑的无约束非屈服段始终保持弹性状态。传统防屈曲支撑通常是增大无约束非屈服段的强度，如增大端部面积或采用加劲肋等。为避免应力集中，还需要使约束非屈服段截面变化平缓，造成制造困难。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有双屈服点的双芯材多重钢管全钢防屈曲支撑，其具有双屈服点，抗震耗能能力良好，承载力高，能满足高层、大跨度建筑在地震作用下的支撑承载力需求。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有双屈服点的双芯材多重钢管全钢防屈曲支撑，包括内芯材管件和外芯材管件，所述内芯材管件套设于外芯材管件内部，且内芯材管件和外芯材管件之间具有设定空隙；

所述内芯材管件和外芯材管件两端均固定于端部连接板，所述内芯材管件内套设有内约束套管，内约束套管一端与两端部连接板二者之一固定，内约束套管另一端悬空；

所述外芯材管件外部套设有外约束套管，外约束套管一端与两端部连接板二者之另一固定，外约束套管另一端悬空。

进一步的，所述内芯材管件和内约束套管之间具有设定空隙。

进一步的，所述外芯材管件和外约束套管之间具有设定空隙。

进一步的，所述内芯材管件采用低屈服点钢材制成，外芯材管件采用高屈服点钢材制成。

优选的，所述内芯材管件的管壁上开设至少一个凹槽或孔洞。

进一步的，所述凹槽或孔洞为多个时，多个凹槽或孔洞在内芯材管件的管壁上对称均匀布设。

优选的，所述外芯材管件的管壁上开设至少一个凹槽或孔洞。

进一步的，所述凹槽或孔洞为多个时，多个凹槽或孔洞在外芯材管件的管壁上对称均匀布设。

进一步的，所述内芯材管件、外芯材管件、内约束套管、外约束套管均同心布设。

进一步的，所述内芯材管件和外芯材管件的长度相等。

进一步的，所述内约束套管和外约束套管的长度相等，且二者长度均小于内芯材管件和外芯材管件的长度。

进一步的，所述内约束套管和外约束套管强度分别比内芯材管件和外芯材管件高一到两个等级。

进一步的，所述内芯材管件、外芯材管件、内约束套管、外约束套管均为圆形钢管制成。

进一步的，所述端部连接板为圆形或方形钢板制成，其强度不低于外芯材管件，端部连接板与耳板固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的防屈曲支撑具有双屈服点，设有两道抗震防线，抗震耗能能力良好。本发明中的多重钢管防屈曲支撑内部设有屈服点不同的双芯材，当建筑物遭到小震作用时，两芯材都能够处于弹性状态；当地震作用增大至抗震设防烈度的地震时，低屈服点芯材进入屈服耗能，高屈服点芯材仍保持弹性，使防屈曲支撑仍具有足够的刚度，且高屈服点芯材能够充当低屈服点芯材的侧向约束支撑；当遭遇大震甚至罕遇地震时，低屈服点芯材和高屈服点芯材先后进入屈服进行耗能。因此，双屈服点防屈曲支撑在地震作用下具有双重抗震防线，在不同地震作用水平下都能发挥良好的耗能能力，在大震甚至罕遇地震作用下仍能保持良好的耗能能力，可以实现多水准抗震设防的目标要求。

2.本发明的防屈曲支撑承载力高。双屈服点多重钢管防屈曲支撑采用内外双重防屈曲约束套管，避免了芯材在受压时发生鼓曲而导致的构件承载力降低。且圆形钢管回转半径大，并设有双层内芯，可有效提高支撑的承载力，能满足高层、大跨度建筑在地震作用下的支撑承载力需求。

3.本发明的防屈曲支撑延性好，无需对支撑端部进行额外加强。本发明中的防屈曲支撑通过在芯材上开孔或开槽使防屈曲支撑的薄弱部位由端部转移到开槽或开孔处，具有定点屈服的功能，提高了支撑的延性。依据“核心单元局部削弱相当于其他部位加强”的设计思想，无需再对支撑端部进行加强，确保了防屈曲支撑的无约束非屈服段始终保持弹性状态。

4.本发明的防屈曲支撑采用全钢结构，自重轻，施工速度快。传统灌浆型防屈曲支撑需要浇筑砂浆或混凝土等无粘结材料，自重较大，且需要进行砂浆或混凝土的养护等，施工速度慢。双屈服点多重钢管防屈曲支撑为全钢型，可全部在工厂加工预制完成，不需要浇筑砂浆或混凝土，能有效降低结构的自重，提高施工速度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明防屈曲支撑的示意图；

图2是本发明防屈曲支撑的剖面图；

图3(a)是开槽式防屈曲支撑核心耗能芯材的示意图；

图3(b)是开槽式防屈曲支撑核心耗能芯材的剖面图；

图4(a)是开孔式防屈曲支撑核心耗能芯材的示意图；

图4(b)是开孔式防屈曲支撑核心耗能芯材的剖面图；

图中，1、内芯材管件，2、外芯材管件，3、内约束套管，4、外约束套管，5、端部连接板，6、耳板，7、空隙，8、凹槽，9、孔洞。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在防屈曲支撑滞回耗能能力不能满足要求，从而导致防屈曲支撑失效的不足，为了解决如上的技术问题，依据“核心单元局部削弱相当于其他部位加强”的设计思想，本申请提出了一种具有双屈服点的双芯材多重钢管全钢防屈曲支撑。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提供了一种具有双屈服点的双芯材多重钢管全钢防屈曲支撑，其包括内芯材管件1，外芯材管件2，内约束套管3，外约束套管4，端部连接板5和耳板6。各部件均可在工厂完成加工预制并组成防屈曲支撑构件。

内芯材管件1和外芯材管件2为核心耗能芯材。内芯材管件1套设于外芯材管件2内部，内芯材管件1和外芯材管件2均采用钢管制成，内芯材管件1和外芯材管件2截面均为圆形，且外芯材管件2内径大于内芯材管件1的外径，外芯材管件2套在内芯材管件1的外侧，并使内芯材管件1和外芯材管件2之间留有一定的空隙7以保证芯材在受到压力产生侧向变形时所需的空间。

内芯材管件1采用低屈服点钢材制成，外芯材管件2采用高屈服点钢材制成，本发明中的低屈服点和高屈服点为相对的概念，即外芯材管件2采用钢材的屈服点比内芯材管件1采用钢材的屈服点高，以保证支撑在受到轴力时内芯材管件1能够先于外芯材管件2屈服。防屈曲支撑中的低屈服点芯材和高屈服点芯材能够在不同地震作用水平下先后进入定点屈服耗能，且在多遇地震作用下高屈服点芯材可作为低屈服点芯材的侧向约束支撑。

内芯材管件1和外芯材管件2长度相同，具体截面和长度尺寸根据实际受力计算确定。

内芯材管件1和外芯材管件2两端均焊接固定于端部连接板5，即内芯材管件1和外芯材管件2的一端均焊接固定于一端部连接板5，内芯材管件1和外芯材管件2的另一端均焊接固定于另一端部连接板5，两端部连接板5相对设置。

内芯材管件1内套设有内约束套管3，内约束套管3一端与两端部连接板5二者之一固定，内约束套管3另一端悬空，悬空端自由无约束；外芯材管件2外部套设有外约束套管4，外约束套管4一端与两端部连接板5二者之另一固定，外约束套管4另一端悬空，悬空端自由无约束。

其中，内约束套管3外径小于内芯材管件1的内径，内约束套管3置于内芯材管件1的内侧，为内芯材管件1提供侧向约束支撑，并使内约束套管3和内芯材管件1之间留有一定的空隙7，保证在内芯材管件1受压产生侧向变形时所需的空间。外约束套管4内径大于外芯材管件2的外径，外约束套管4套在外芯材管件2的外侧，为内芯材管件2提供侧向约束支撑，并使外约束套管4和外芯材管件2之间留有一定的空隙7，保证在外芯材管件2受压产生侧向变形时所需的空间。

内约束套管3和外约束套管4的长度相同且均略小于内芯材管件1和外芯材管件2的长度。

内约束套管3和外约束套管4均采用圆形钢管制成，所用钢材强度分别比内芯材管件1和外芯材管件2强度高一到两个等级以提供足够的屈曲约束能力。

本实施例中，内芯材管件1、外芯材管件2、内约束套管3、外约束套管4均同心布设。

端部连接板5可为圆形或方形钢板制成，采用强度不低于外芯材管件2的钢材，两端部连接板5均与内芯材管件1、外芯材管件2端部焊接固定，其中一端部连接板5与内约束套管3的端部焊接固定，另一端部连接板5和外约束套管4的端部焊接固定。

端部连接板5与耳板6固定连接。耳板6焊接固定在端部连接板5的表面，用于整个防屈曲支撑构件和外部结构的连接，其强度不低于端部连接板5。

作为一优选方案，如图3(a)-图3(b)所示，内芯材管件1和外芯材管件2的管壁上均开有凹槽8，凹槽8的数量可为一个或多个，开槽的大小和数量根据实际需求设定。

当凹槽8设置多个时，多个凹槽8在内芯材管件1/外芯材管件2的管壁上对称均匀布设。

本实施例中凹槽8为在内芯材管件1和外芯材管件2的管壁外周设置的环状凹槽，当然也可以采用其他形状的凹槽。

或者，在另一优选方案中，如图4(a)-图4(b)所示，内芯材管件1和外芯材管件2的管壁上均开有孔洞9，孔洞9的数量可以为一个或多个，开孔的数量和大小根据实际需求设定。

孔洞9形状可为长条形、圆形、椭圆形等。

当孔洞9设置多个时，多个孔洞9在内芯材管件1/外芯材管件2的管壁上对称均匀布设。本实施例中，在内芯材管件1/外芯材管件2的管壁上开设5组孔洞，每一组在内芯材管件1/外芯材管件2同一径向断面的管壁外周均匀对称开设4个孔洞9。

在内芯材管件1/外芯材管件2设置凹槽或孔洞后，内芯材管件1/外芯材管件2在凹槽或孔洞处的截面面积变小，由此可使防屈曲支撑的薄弱部位由端部转移到开槽或开孔处，支撑受力后将会在开孔或开槽处定点屈服。

当建筑物遭到小震作用时，内芯材管件1和外芯材管件2均处于弹性状态，通过弹性变形耗散地震能量；当地震作用增大至抗震设防烈度的地震时，内芯材管件1由于屈服点较低进入屈服耗能，且屈服位置在开槽或开孔处，外芯材管件2仍保持弹性，此时防屈曲支撑仍具有足够的刚度，且内约束套管3和外芯材管件2均可作为内芯材管件1的侧向约束支撑；当遭遇大震甚至罕遇地震时，内芯材管件1和外芯材管件2先后进入屈服进行耗能，屈服位置均在开槽或开孔处，具有定点屈服的功能，且芯材屈服时其端部仍处于弹性状态。内约束套管3和外约束套管4为内芯材管件1和外芯材管件2提供侧向约束支撑。双屈服点开槽或开孔式双芯材多重钢管防屈曲支撑具有双重抗震防线，具有定点屈服的功能，延性高，端部无需额外加强，在不同地震作用水平下都能发挥良好的耗能能力，可实现多水准抗震设防的目标要求。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有双屈服点的双芯材多重钢管全钢防屈曲支撑，其特征是，包括内芯材管件和外芯材管件，所述内芯材管件套设于外芯材管件内部，且内芯材管件和外芯材管件之间具有设定空隙；

所述内芯材管件和外芯材管件两端均固定于端部连接板，所述内芯材管件内套设有内约束套管，内约束套管一端与两端部连接板二者之一固定，内约束套管另一端悬空；

所述外芯材管件外部套设有外约束套管，外约束套管一端与两端部连接板二者之另一固定，外约束套管另一端悬空。

2.如权利要求1所述的防屈曲支撑，其特征是，所述内芯材管件和内约束套管之间具有设定空隙。

3.如权利要求1所述的防屈曲支撑，其特征是，所述外芯材管件和外约束套管之间具有设定空隙。

4.如权利要求1所述的防屈曲支撑，其特征是，所述内芯材管件采用低屈服点钢材制成，外芯材管件采用高屈服点钢材制成。

5.如权利要求1所述的防屈曲支撑，其特征是，所述内芯材管件的管壁上开设至少一个凹槽或孔洞。

6.如权利要求5所述的防屈曲支撑，其特征是，所述凹槽或孔洞为多个时，多个凹槽或孔洞在内芯材管件的管壁上对称均匀布设。

7.如权利要求1所述的防屈曲支撑，其特征是，所述外芯材管件的管壁上开设至少一个凹槽或孔洞。

8.如权利要求7所述的防屈曲支撑，其特征是，所述凹槽或孔洞为多个时，多个凹槽或孔洞在外芯材管件的管壁上对称均匀布设。

9.如权利要求1所述的防屈曲支撑，其特征是，所述内芯材管件、外芯材管件、内约束套管、外约束套管均同心布设；所述内芯材管件、外芯材管件、内约束套管、外约束套管均为圆形钢管制成；所述端部连接板为圆形或方形钢板制成，其强度不低于外芯材管件，端部连接板与耳板固定连接。

10.如权利要求1所述的防屈曲支撑，其特征是，所述内芯材管件和外芯材管件的长度相等；

所述内约束套管和外约束套管的长度相等，且二者长度均小于内芯材管件和外芯材管件的长度；

所述内约束套管和外约束套管钢材强度分别比内芯材管件和外芯材管件高一到两个等级。