CN109322417B - 一种摩擦—防屈曲耗能支撑 - Google Patents
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Abstract
本专利涉及一种新型的结构构件，具体涉及一种摩擦—防屈曲耗能支撑，所述支撑具有摩擦耗能以及防屈曲耗能双重功能。所述摩擦—防屈曲耗能支撑中部为摩擦耗能段L1，两端为防屈曲耗能段L2，所述摩擦—防屈曲耗能支撑包括两个内芯100、两组防屈曲约束构件200、一组摩擦约束构件300。本专利解决防屈曲支撑在风荷载或者小震情况下屈服耗能会导致防屈曲支撑的检修和更换周期缩短、增加整体结构的后期维护和使用费用这一问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的结构构件，具体涉及一种具有摩擦耗能以及防屈曲耗能双重功能的全钢支撑。
背景技术
防屈曲支撑作为一种金属阻尼器，以其稳定的力学性能以及优异的耗能能力而被广泛地应用于建筑结构之中。依靠钢质耗能内芯的弹塑性变形，防屈曲支撑可以有效耗散掉作用在主体结构上的外部能量，起到主体结构“保险丝”的作用。防屈曲支撑耗能的同时也是耗能内芯塑性损伤累积的过程，当塑性损伤累积到一定程度后，防屈曲支撑的耗能内芯不可避免会发生疲劳断裂。在实际情况中，建筑结构主要承受的是风荷载及小震作用，经历中震或者大震的概率很低。使防屈曲支撑在风荷载或者小震作用下便屈服耗能虽然能够增加结构的安全性以及舒适度，但带来的问题是防屈曲支撑的检修和更换周期需要大幅缩短，从而导致整体结构的后期维护和使用费用明显增加。
发明内容
本发明为了解决防屈曲支撑在风荷载或者小震情况下屈服耗能会导致防屈曲支撑的检修和更换周期缩短、增加整体结构的后期维护和使用费用这一问题，提出了一种新型的结构构件。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下所述：
一种摩擦—防屈曲耗能支撑，如图5所示，中部为摩擦耗能段L1，两端为防屈曲耗能段L2，所述摩擦—防屈曲耗能支撑包括两个内芯100、两组防屈曲约束构件200、一组摩擦约束构件 300；
如图1所示，内芯100为局部段翼缘切削处理的H型钢，所述内芯100两端未切削段的一端的翼缘上制有若干椭圆形长孔，并在该端喷砂处理后粘贴摩擦材料，该喷砂处理端部分为所述内芯100的摩擦耗能段内芯110，所述内芯100的局部段翼缘切削端部分为所述内芯100 的防屈曲耗能段内芯120；
防屈曲约束构件200包括两块U型槽钢201、两块盖板202、四块垫块203和若干高强螺栓 10，
如图2所示，两块U型槽钢201分别嵌入所述内芯100的防屈曲耗能段内芯120的凹槽101 内，四块垫块203在上下两块盖板201的夹持下分别嵌入所述内芯100翼缘切削部的间隙内，其中，所述垫块203的厚度略大于所述内芯100的翼缘厚度，所述U形槽钢201的高度略小于所述内芯100的凹槽101的高度，使得所述内芯100和防屈曲约束构件200之间留有间隙，同时，所述U型槽钢201、盖板202、垫块203的对应位置均制有用于装配高强螺栓10的圆孔，然后，用高强螺栓10将上述防屈曲约束构件200定位在所述内芯100的防屈曲耗能段内芯120四周并拧紧，此时，完成防屈曲耗能段L2组装，如图3所示；
依上述相同步骤再次组装一个防屈曲耗能段L2；
摩擦约束构件300包括两块摩擦U型槽钢301、两块摩擦盖板302若干高强螺栓10，并且所述摩擦U型槽钢301、摩擦盖板302与所述内芯100的接触面上均喷砂处理后粘贴摩擦材料，然后，如图4所示，将两个防屈曲耗能段L2的摩擦耗能段内芯110端相对布置，并且二者之间不接触留有间隙以保证足够的变形空间，间隙长度值为d1，
同时，所述摩擦U型槽钢301、摩擦盖板302上制有椭圆形长孔，并且所述椭圆形长孔的个数、尺寸及布置位置与所述内芯100的摩擦耗能段内芯110翼缘上的椭圆形长孔一一对应，将两块所述摩擦U型槽钢301在两块摩擦盖板302上下夹持下分别嵌入两个防屈曲耗能段L2 的摩擦耗能段内芯110的凹槽101内连接两个防屈曲耗能段L2，然后装配高强螺栓10并拧紧使两个防屈曲耗能段L2紧密连接，此时，完成所述摩擦—防屈曲耗能支撑的组装，如图5 所示，其中，所述摩擦约束构件300定位的所述摩擦—防屈曲耗能支撑的中段部为摩擦耗能段L1；
同时，所述摩擦约束构件300与两组防屈曲约束构件200之间不接触留有间隙以保证足够的变形空间，间隙长度值为d2，且间隙值d2不小于d1，
同时，所述摩擦耗能段L1的起滑力设计值小于防屈曲耗能段L2的屈服力设计值防止所述摩擦—防屈曲耗能支撑过早进入塑性耗能阶段，
其中，所述摩擦耗能段L1的长度Lf、高强螺栓10的尺寸、个数、预紧力以及椭圆形长孔的开孔长度需要根据结构分析得到的起滑力和变形能力需求加以确定，从而设计出符合所述摩擦—防屈曲耗能支撑需要的起滑力，并且防屈曲耗能段L2的H型钢内芯100的翼缘切削宽度需要根据结构分析得到的设计屈服力确定，从而设计出符合所述摩擦—防屈曲耗能支撑需要的屈服力。
优选，所述垫块203的厚度略大于所述内芯100的翼缘厚度，所述U形槽钢201的高度略小于所述内芯100的凹槽101的高度，使得所述内芯100和防屈曲约束构件200之间留有间隙，间隙值为1mm-2mm。
本发明的创新之处及优点具体体现在以下方面：
(1)在摩擦耗能段L1起滑之前，所述支撑作为普通抗侧支撑使用，为主体结构提供稳定的抗侧刚度；
(2)与普通防屈曲支撑相比，所述支撑可以实现风荷载或者小震作用下便能进行耗能但却不产生塑性损伤累积，从而明显提高所述支撑的使用寿命，进而降低整体结构的后期维护和使用费用；
(3)与普通的摩擦耗能支撑相比，在中震或者大震情况下，所述支撑不仅可以耗散地震能量、减小地震作用，还可以为结构提供一定的抗侧刚度，从而提高整体结构的安全性能；
(4)本发明提出的所述支撑所有部件均采用装配成型，可以在仅拆除部分约束构件的情况下便完成日常使用过程中的检修维护以及震后的鉴定加固，从而能够有效降低结构维护对建筑使用功能的影响。
附图说明
为使本发明的目的、特性和优点更加明确，下面结合附图就本发明的最佳实施方式做详细说明。
图1为本发明的内芯100的加工示意图，
其中，图1中的图(1)所述内芯100为H型钢，图(2)为所述H型钢局部的翼缘切削后示意图，图(3)为所述H型钢端部翼缘开椭圆形长孔示意图，图(4)为所述H型钢开椭圆形长孔的端部喷砂处理并粘贴摩擦材料示意图。
图2为本发明的防屈曲耗能段L2的组装示意图。
图3为本发明的防屈曲耗能段L2组装后的示意图，
其中，图3-1、图3-2、图3-3、图3-4分别为图3中防屈曲耗能段L2组装后1-1、2-2、3-3、 4-4处截面示意图。
图4为本发明的摩擦耗能段L1组装示意图。
图5为本发明的一种摩擦—防屈曲耗能支撑的整体示意图，
其中，图5-1、图5-2分别为图5中摩擦耗能段L1的5-5、6-6处截面示意图。
上述附图中的数字标识说明：
摩擦耗能段L1，防屈曲耗能段L2；
内芯100，防屈曲约束构件200，摩擦约束构件300，高强螺栓10；
内芯100中的凹槽101，摩擦耗能段内芯110，防屈曲耗能段内芯120；
防屈曲约束构件200中U型槽钢201，盖板202，垫块203；
摩擦约束构件300中摩擦U型槽钢301，摩擦盖板302；
摩擦耗能段L1的长度Lf。
再者，本发明中所提到的方向用语，例如，上、下、前、后、左、右、内、外、顶、高、低、高度、厚度等，仅是按照附图中的方向为所指。进一步举例说明的是，如，垫块203 的厚度或内芯100的翼缘厚度是按照附图中上下方向的厚度，U形槽钢201的高度或内芯100 的凹槽101的高度是按照附图中上下方向的高度。
因此，使用方向用语是用于说明及理解本发明，而非用于限制本发明。
具体实施方式
实施例1
一种摩擦—防屈曲耗能支撑的制备实施过程。
参照图1至图5所示，具有摩擦耗能以及防屈曲耗能双重功能的一种摩擦—防屈曲耗能支撑的具体实施过程按以下步骤进行：
第一步，内芯100的加工，即H型钢内芯的加工。
如图1所示：首先，对H型钢局部范围内的翼缘进行切削，如图1中(2)所示，切削长度根据所述摩擦—防屈曲耗能支撑的设计刚度确定，切削宽度根据所述摩擦—防屈曲耗能支撑的设计屈服力确定，并且H型钢内芯100未切削段横截面不小于两倍切削段横截面积；切削翼缘是为了保证H型钢内芯100端部不受防屈曲约束构件200约束的部分(即图3中防屈曲耗能段L2中左侧未被防屈曲约束构件200约束的端部部位)在整个工作过程中始终处于弹性阶段，以确保所述支撑端部连接的可靠性。如果不对翼缘进行切削的话，H型钢内芯100中间段和端部的屈服力是相同的，一旦外部荷载超过了H型钢内芯100的屈服力，中间段由于防屈曲约束构件200的存在仍可以继续工作，但是端部由于没有防屈曲约束构件200进行约束，所以必然会进入塑性状态，导致整个所述支撑失效并退出工作。通过切削翼缘并要求未切削段横截面积不小于切削段横截面积的2倍，可以保证H型钢内芯100中间段塑性耗能的同时其端部始终处于弹性，从而避免所述支撑因端部先发生屈服失效而无法发挥其耗能能力。
其次，在H型钢未切削段一端的翼缘上开椭圆形长孔，如图1中(3)所示，并进行喷砂处理后粘贴摩擦材料，如图1中(4)所示。
椭圆形长孔的尺寸和数量以及喷砂区域的长度根据所述摩擦—防屈曲耗能支撑设计起滑力和设计变形确定。
第二步，防屈曲耗能段L2的组装。
如图2所示，首先，在U型槽钢201、盖板202、垫块203对应位置上钻圆孔；之后，使用高强螺栓10将上述防屈曲耗能段L2的防屈曲约束构件200定位所述内芯100四周并拧紧，其中，垫块203的厚度略大于所述内芯100的翼缘厚度，所述U形槽钢201的高度略小于所述内芯100的凹槽101的高度，使得所述内芯100和防屈曲约束构件200之间留有间隙。需要特别说明的是间隙值是必须要预留的，因为H型钢内芯100受压时会存在横向膨胀，必须要有预留的空间来释放这部分膨胀变形，否则防屈曲耗能段内芯120就直接和防屈曲约束构件200接触而无法进行屈服耗能。另外，垫块203的厚度必须大于H型钢内芯100的翼缘厚度，同时U型槽钢201的高度必须要小于H型钢内芯100的凹槽101的高度，这样配套起来使用才能在H型钢内芯100和防屈曲约束构件200之间预留出设计的间隙值，间隙的设计参照图3-2和图3-3所示。
防屈曲耗能段L2的高强螺栓10的直径以及布置间距根据所述摩擦—防屈曲耗能支撑极限承载力设计值进行设计。
第三步，摩擦耗能段L1的组装。
如图4所示，首先，将两个防屈曲耗能段L2端部相对布置，为了预留一定的变形空间，二者之间不直接接触，间隙值d1，如图5所示，根据构件设计变形确定；
其次，在摩擦盖板302和摩擦U型槽钢301相应位置处开设椭圆形长孔，所述椭圆形长孔个数、尺寸及布置位置与所述内芯100端部翼缘上的椭圆长孔一一对应；
最后，使用高强螺栓10将摩擦约束构件300(摩擦盖板302和摩擦U型槽钢301)与所述内芯100紧密连接。
摩擦耗能段L1的高强螺栓10的个数以及预紧力需要根据设计起滑力确定。
为了避免摩擦耗能段L1的摩擦约束构件300与防屈曲耗能段L2的防屈曲约束构件200在工作过程中相互接触，如图5所示，二者之间同样留有间隙，间隙值d2需要根据构件设计变形确定同时不能小于d1。
组装完成后的摩擦—防屈曲耗能支撑如下述实施例2所述。
实施例2
一种摩擦—防屈曲耗能支撑。
一种摩擦—防屈曲耗能支撑，如图5所示，中部为摩擦耗能段L1，两端为防屈曲耗能段L2，所述摩擦—防屈曲耗能支撑包括两个内芯100、两组防屈曲约束构件200、一组摩擦约束构件300；
如图1所示，内芯100为局部段翼缘切削处理的H型钢，所述内芯100两端未切削段的一端的翼缘上制有若干椭圆形长孔，并在该端喷砂处理后粘贴摩擦材料，该喷砂处理端部分为所述内芯100的摩擦耗能段内芯110，所述内芯100的局部段翼缘切削端部分为所述内芯100 的防屈曲耗能段内芯120；
防屈曲约束构件200包括两块U型槽钢201、两块盖板202、四块垫块203和若干高强螺栓 10，
如图2所示，两块U型槽钢201分别嵌入所述内芯100的防屈曲耗能段内芯120的凹槽101 内，四块垫块203在上下两块盖板201的夹持下分别嵌入所述内芯100翼缘切削部的间隙内，其中，所述其中，垫块203的厚度略大于所述内芯100的翼缘厚度，所述U形槽钢201的高度略小于所述内芯100的凹槽101的高度，使得所述内芯100和防屈曲约束构件200之间留有间隙，同时，所述U型槽钢201、盖板202、垫块203的对应位置均制有用于装配高强螺栓10的圆孔，然后，用高强螺栓10将上述防屈曲约束构件200定位在所述内芯100的防屈曲耗能段内芯120四周并拧紧，此时，完成防屈曲耗能段L2组装，如图3所示；
依上述相同步骤再次组装一个防屈曲耗能段L2；
摩擦约束构件300包括两块摩擦U型槽钢301、两块摩擦盖板302若干高强螺栓10，并且所述摩擦U型槽钢301、摩擦盖板302与所述内芯100的接触面上均喷砂处理后粘贴摩擦材料，然后，如图4所示，将两个防屈曲耗能段L2的摩擦耗能段内芯110端相对布置，并且二者之间不接触留有间隙以保证足够的变形空间，间隙长度值为d1，
同时，所述摩擦U型槽钢301、摩擦盖板302上制有椭圆形长孔，并且所述椭圆形长孔的个数、尺寸及布置位置与所述内芯100的摩擦耗能段内芯110翼缘上的椭圆形长孔一一对应，将两块所述摩擦U型槽钢301在两块摩擦盖板302上下夹持下分别嵌入两个防屈曲耗能段L2 的摩擦耗能段内芯110的凹槽101内连接两个防屈曲耗能段L2，然后装配高强螺栓10并拧紧使两个防屈曲耗能段L2紧密连接，此时，完成所述摩擦—防屈曲耗能支撑的组装，如图5 所示，其中，所述摩擦约束构件300定位的所述摩擦—防屈曲耗能支撑的中段部为摩擦耗能段L1；
同时，所述摩擦约束构件300与两组防屈曲约束构件200之间不接触留有间隙以保证足够的变形空间，间隙长度值为d2，且间隙值d2不小于d1。
同时，所述摩擦耗能段L1的起滑力设计值小于防屈曲耗能段L2的屈服力设计值防止所述摩擦—防屈曲耗能支撑过早进入塑性耗能阶段，其中摩擦耗能段L1的长度Lf、高强螺栓 10的尺寸、个数、预紧力以及椭圆形长孔的开孔长度需要根据对实际建筑进行结构分析得到的力和变形能力需求加以确定，以实现所述摩擦—防屈曲耗能支撑在风振或者小震作用下便可以耗能减震但却不产生塑性损伤累积这一目标。
实施例3
一种摩擦—防屈曲耗能支撑。
在防屈曲耗能段L2，为保证所述内芯100在受压时因泊松效应产生的横向膨胀能够得到有效释放，本例中的一种摩擦—防屈曲耗能支撑与实施例2一致，进一步的在于所述垫块 203厚度及所述U形槽钢201的高度使所述内芯100和防屈曲约束构件200之间的间隙值保持在1mm-2mm。
实施例4
实施例2或3的一种摩擦—防屈曲耗能支撑的工作机理。
实施例2或3的一种摩擦—防屈曲耗能支撑的工作过程具体可以分为三个阶段：
第一阶段：当作用在所述摩擦—防屈曲耗能支撑上的轴向荷载小于摩擦耗能段L1的起滑力时，此时所述摩擦—防屈曲耗能支撑不耗能，在结构中主要作为一种普通的抗侧支撑工作。
第二阶段：当作用在结构上的轴向荷载大于摩擦耗能段L1的起滑力而小于防屈曲耗能段L2的屈服力时，所述摩擦—防屈曲耗能支撑摩擦耗能段L2开始工作。
此时，在外界往复荷载作用下，摩擦耗能段L1的H型钢内芯100和摩擦约束构件300(包括摩擦U形钢301和摩擦盖板302)之间产生相对滑动并引起二者之间摩擦材料的相互摩擦，从而到达耗散外界输入能量的目的。
第三阶段：当作用在结构上的轴向荷载大于防屈曲耗能段L2的屈服力时，所述摩擦—防屈曲耗能支撑的摩擦耗能段L1和防屈曲耗能段L2同时工作。
此时，防屈曲耗能段L2由于防屈曲约束构件200(包括U型槽钢201、盖板202和垫块203)的存在，H型钢内芯100能够实现屈服而不屈曲，从而依靠H型钢内芯100的弹塑性变形进行滞回耗能，由于此时摩擦耗能段L1和防屈曲耗能段L2同时工作，所以这种情况下该构件耗能能力最强。
另外，由于防屈曲耗能段L2即使在H型钢内芯100屈服以后仍可以提供一定的侧向刚度，所以与普通的摩擦耗能支撑相比，本发明提出的新型的所述摩擦—防屈曲耗能支撑有助于提高整体结构的安全性和安全储备。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (3)
1.一种摩擦—防屈曲耗能支撑，其特征在于所述摩擦—防屈曲耗能支撑中部为摩擦耗能段L1，两端为防屈曲耗能段L2，所述摩擦—防屈曲耗能支撑包括两个内芯（100）、两组防屈曲约束构件（200）、一组摩擦约束构件（300）；
内芯（100）为局部段翼缘切削处理的H型钢，所述内芯（100）两端未切削段的一端的翼缘上制有若干椭圆形长孔，并在该端喷砂处理后粘贴摩擦材料，该喷砂处理端部分为所述内芯（100）的摩擦耗能段内芯（110），所述内芯（100）的局部段翼缘切削端部分为所述内芯（100）的防屈曲耗能段内芯（120）；
防屈曲约束构件（200）包括两块U型槽钢（201）、两块盖板（202）、四块垫块（203）和若干高强螺栓（10），
两块U型槽钢（201）分别嵌入所述内芯（100）的防屈曲耗能段内芯（120）的凹槽（101）内，四块垫块（203）在上下两块盖板（202）的夹持下分别嵌入所述内芯（100）翼缘切削部的间隙内，其中，所述垫块（203）的厚度略大于所述内芯（100）的翼缘厚度，所述U型槽钢（201）的高度略小于所述内芯（100）的凹槽（101）的高度，使得所述内芯（100）和防屈曲约束构件（200）之间留有间隙，同时，所述U型槽钢（201）、盖板（202）、垫块（203）的对应位置均制有用于装配高强螺栓（10）的圆孔，然后，用高强螺栓（10）将上述防屈曲约束构件（200）定位在所述内芯（100）的防屈曲耗能段内芯（120）四周并拧紧，此时，完成防屈曲耗能段L2组装；
依上述相同步骤再次组装一个防屈曲耗能段L2；
摩擦约束构件（300）包括两块摩擦U型槽钢（301）、两块摩擦盖板（302）若干高强螺栓（10），并且所述摩擦U型槽钢（301）、摩擦盖板（302）与所述内芯（100）的接触面上均喷砂处理后粘贴摩擦材料，
然后，将两个防屈曲耗能段L2的摩擦耗能段内芯（110）端相对布置，并且二者之间不接触留有间隙以保证足够的变形空间，间隙长度值为d 1，
同时，所述摩擦U型槽钢（301）、摩擦盖板（302）上制有椭圆形长孔，并且所述椭圆形长孔的个数、尺寸及布置位置与所述内芯（100）的摩擦耗能段内芯（110）翼缘上的椭圆形长孔一一对应，
将两块所述摩擦U型槽钢（301）在两块摩擦盖板（302）上下夹持下分别嵌入两个防屈曲耗能段L2的摩擦耗能段内芯（110）的凹槽（101）内连接两个防屈曲耗能段L2，然后装配高强螺栓（10）并拧紧使两个防屈曲耗能段L2紧密连接，此时，完成所述摩擦—防屈曲耗能支撑的组装，其中，所述摩擦约束构件（300）定位的所述摩擦—防屈曲耗能支撑的中段部为摩擦耗能段L1；并且，所述摩擦约束构件（300）与两组防屈曲约束构件（200）之间不接触留有间隙以保证足够的变形空间，间隙长度值为d 2，且间隙值d 2不小于d 1；
同时，所述摩擦耗能段L1的起滑力设计值小于防屈曲耗能段L2的屈服力设计值。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦—防屈曲耗能支撑，其特征在于所述内芯（100）和防屈曲约束构件（200）之间的间隙值为1mm-2mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种摩擦—防屈曲耗能支撑，其特征在于作为所述内芯（100）的H型钢未切削段横截面不小于两倍切削段横截面积。
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