CN109339545A - 防屈曲耗能支撑 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防屈曲耗能支撑，包括端部约束段、屈曲段和套管；端部约束段位于屈曲段的两端，起传递载荷的作用，端部约束段一侧与屈曲段相连接，另一侧用于与梁、柱构件或节点连接；套管通过灌浆填充混凝土固定在屈曲段外侧，并且混凝土和屈曲段外侧之间有一层无粘结材料；屈曲段起耗能作用，其材质为合金钢，合金钢的微观组织结构由亚稳态奥氏体和体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体组成，在进入屈服阶段，合金钢的微观组织在拉伸‑压缩交变载荷作用下发生奥氏体和应力/应变诱发的ε马氏体之间的可逆相变。本发明防屈曲耗能支撑可以具有更大屈服承载力和累积塑性耗能功效，能显著提高建筑物的抗震性能和实现耗能支撑的轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及一种防屈曲耗能支撑，属于土木工程结构技术领域。
背景技术
大规模地震以及外部长时间、长周期震动均会对高层建筑物和构筑物造成巨大危害。利用消能减震装置和技术可以有效地吸收外部震动能量，使建筑物和构筑物损伤降低到最低程度。防屈曲支撑是一种常见的消能减震元件，被广泛应用于土木工程结构中。在小震下，防屈曲支撑能够给梁柱结构提供附加刚度和减小结构变形；在大震下，防屈曲支撑在受拉或者受压时均能够达到屈服，表现出良好的滞回耗能能力。
目前，防屈曲支撑主要以软钢和低屈服点碳钢(如工业纯铁、屈服强度为100～225MPa级减震用低屈服点钢、Q235钢等)作为耗能芯材。尽管上述芯材用钢具有较低屈服强度、相对稳定的滞回特性且滞回曲线饱满，但是它们的低周疲劳性能差，大震下材料在较少周次拉伸-压缩循环载荷作用后就会发生疲劳断裂，因而采用上述芯材制造的防屈曲支撑无法在高烈度地震以及长时间震动下发挥重要作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防屈曲耗能支撑。
区别于现有防屈曲耗能支撑，本发明的防屈曲耗能支撑的芯板材料不仅具有稳定的滞回特性且滞回曲线饱满，同时它还具有优良的低周疲劳性能。因而，本发明防屈曲耗能支撑具有更强的累积塑性变形能力和滞回耗能能力，能够在高烈度地震以及长时间震动下仍然发挥重要作用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种防屈曲耗能支撑，包括端部约束段、屈曲段和套管；所述端部约束段位于所述屈曲段的两端，起传递载荷的作用，所述端部约束段一侧与屈曲段相连接，另一侧用于与梁、柱构件或节点连接；所述套管通过灌浆填充混凝土固定在所述屈曲段外侧，并且混凝土和屈曲段外侧之间有一层无粘结材料；所述屈曲段起耗能作用，其材质为合金钢，所述合金钢的微观组织结构由亚稳态奥氏体和体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体组成，在进入屈服阶段，所述合金钢的微观组织在应力/应变作用下发生ε马氏体相变，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应力/应变诱发的ε马氏体之间的可逆相变。
本发明限定屈曲段所用合金钢材质的显微组织为奥氏体和体积分数不超过10％的ε马氏体(由热诱发形成)，其目的是促进拉伸-压缩交变载荷作用下应力/应变诱发具有单一变体晶体学特征的片状ε马氏体的生成，避免原始基体组织中的热诱发ε马氏体和应力/应变诱发形成的ε马氏体之间发生强烈交互作用，从而促进奥氏体和应力/应变诱发的ε马氏体之间的可逆相变，减少合金钢基体晶体缺陷的产生和延缓疲劳裂纹的扩展，使合金钢具有优良的室温低周疲劳寿命。
进一步的，所述屈曲段合金钢化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤6.0％，0.1％≤Ni≤5.0％，0.005％≤C＜0.15％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中Mn、Ni和C质量百分含量还满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％。上述合金钢的屈服强度介于200～360MPa；在循环拉伸-压缩加载条件下，当应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1.0和0.1～0.2Hz时，应力幅值＜530MPa，合金钢的室温疲劳寿命＞2000周次。
进一步的，所述屈曲段合金钢化学成分的质量百分数为：24％≤Mn≤32％，3.5％≤Si≤6.0％，1.0％＜Al＜2.5％，0.005％≤C＜0.14％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中Si和Al质量百分含量满足关系式：2.0<Si/Al≤4.5。上述合金钢的屈服强度介于200～380MPa；在循环拉伸-压缩加载条件下，当应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1.0和0.1～0.2Hz时，应力幅值＜550MPa，并且钢板的室温疲劳寿命＞2000周次。
本发明中，屈曲段作为耗能芯材，所述屈曲段的横截面具有任一类型轴对称几何形状，其对称轴为支撑的轴线方向。所述具有任一类型轴对称几何形状的截面形式主要有一字型、十字型、工字型、双T型、圆型等。通常，十字型、工字型、双T型等复杂对称截面的芯材可通过高疲劳性能的合金钢板拼焊而成。
为了使防屈曲耗能支撑的塑性变形只集中在屈曲段(使屈曲段能充分发挥滞回耗能作用)以及避免屈曲段与两侧端部约束段的连接处在支撑服役过程中可能发生明显屈服变形甚至破坏，所述屈曲段采用中间窄、两头宽的截面形式。所述屈曲段中间部分与两头部分截面面积比值大小的合理选择主要取决于屈曲段与端部约束段的连接强度、屈曲段合金钢的(屈服)强度。原则上，屈曲段与端部约束段的连接处发生屈服时的屈服极限力需要大于屈曲段发生屈服时的屈服极限力。
所述端部约束段通常为由方形钢板(钢块)、角钢、T型短钢梁或梁柱构件预留连接板等单元组成的结构弹性连接头，单元之间通过焊接或高强度螺栓连接构成一体。所述端部约束段材质通常选用Q235钢、Q345钢、45号钢等。
所述端部约束段的一侧与所述屈曲段可以通过焊接、螺栓连接或螺纹连接的方式相结合。
当所述屈曲段与所述端部约束段的一侧通过焊接方式相连接时，焊接材料可选用ER309MoL等奥氏体不锈钢焊丝或ER2209等双相不锈钢焊丝，使得焊接处(屈服)强度相近或不小于屈曲段材料的(屈服)强度，从而满足焊接处发生屈服时的屈服极限力大于屈曲段发生屈服时的屈服极限力。
进一步，合理选择所述屈曲段中间部分与两头部分截面面积比值大小，使焊接处发生屈服时的屈服极限力不小于屈曲段发生屈服时的屈服极限力的1.5～1.8倍，以充分保障只在支撑的屈曲段中间部分发生塑性变形和滞回耗能。
所述屈曲段与所述端部约束段的一侧还可以通过螺纹接头的方式相连接。所述屈曲段的两头加工有外螺纹，与其相邻的所述端部约束段的一侧加工有内螺纹。合理选择螺纹的规格尺寸以及螺纹连接深度，使螺纹连接处发生屈服时的屈服极限力大于屈曲段发生屈服时的屈服极限力。
所述屈曲段与所述端部约束段的一侧还可以通过高强度螺栓相连接，合理选择螺栓连接接头的数目和位置，使所有螺栓连接处发生屈服时的屈服极限力大于屈曲段发生屈服时的屈服极限力。
所述套管用钢材制成，形状为圆管形或方管型。
本发明所述防屈曲耗能支撑，安装在建筑物和构筑物中，与建筑物或构筑物的梁、柱构件或节点连接形成一个整体，支撑具有金属阻尼器的耗能作用，能显著提高建筑物和构筑物的抗震性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明防屈曲耗能支撑的屈曲段所采用的合金钢材料具有亚稳态奥氏体和体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体组织，在拉伸-压缩交变载荷作用下材料内部微观组织结构发生奥氏体与应力/应变诱发的ε马氏体之间的可逆相变，从而使得合金钢材料具有优异的室温低周疲劳性能和滞回耗能特性，本发明耗能支撑即使在频繁、高烈度震动环境下也可以发挥重要作用。另外，与传统耗能芯材(屈服强度通常低于235MPa)相比较，新型耗能合金钢芯材还具有较高的强度(屈服强度介于200～380MPa)，有助于实现耗能支撑的轻量化。
附图说明
图1为实施例1中螺栓连接式防屈曲耗能支撑立体结构示意图。
图2为图1所示螺栓连接式防屈曲耗能支撑的组成部件分解结构示意图。
图3为图1所示螺栓连接式防屈曲耗能支撑剖面结构示意图。
图4为实施例2中焊接接头式防屈曲耗能支撑剖面结构示意图。
图5为图4中B-B剖面结构示意图。
图6为图4中C-C剖面结构示意图。
图7为实施例3中螺纹接头式防屈曲耗能支撑剖面结构示意图。
图8为图7中A-A剖面结构示意图。
图中标号：1、端部约束段，2、屈曲段，3、套管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1、图2和图3所示，一种螺栓连接式新型防屈曲耗能支撑，由端部约束段1、屈曲段2和套管3三部分组成；所述端部约束段1位于所述屈曲段2的两端，起传递载荷的作用，其一侧与屈曲段2相连接；所述屈曲段2承担塑性变形和滞回耗能作用；所述套管3通过灌浆填充混凝土固定在所述屈曲段2的外侧，并且混凝土和屈曲段外侧之间有一层无粘结材料。
所述屈曲段2的截面形状为一字型，截面沿轴线方向呈中间窄、两头宽，且中间部分与两头部分截面面积比值为2:1。所述屈曲段2的材质为合金钢，合金钢的化学成分及其质量百分数为：29.8％Mn，4.97％Si，1.74％Al，0.008％C，0.009％P，0.023％S，0.005％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述合金钢的屈服强度为328MPa；在循环拉伸-压缩加载条件下，当应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1.0和0.2Hz时，应力幅值为468MPa，并且钢板的室温疲劳寿命为7991周次。所述合金钢的微观组织为单一奥氏体组织；在进入屈服阶段，所述合金钢的奥氏体组织在应力/应变作用下发生ε马氏体相变，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生奥氏体和应力/应变诱发的ε马氏体之间的可逆相变。所述屈曲段2的两头加工有螺栓孔。本实施例中，套管为方形。
所述端部约束段1由三块Q345钢板拼焊而成，其中两块平行钢板垂直焊接在第三块钢板上，且两块平行钢板之间间隔为所述屈曲段2钢板的厚度。两块平行钢板的对应处加工有螺栓孔。所述屈曲段2的两头(相应处也加工有螺栓孔)插入所述端部约束段1的两块平行钢板之间，然后用螺栓连接牢固。这样，所述端部约束段1就与所述屈曲段2连接起来。
所述端部约束段1和所述屈曲段2的几何形状与连接方式的设计确保所述屈曲段2承担全部塑性变形和充分发挥滞回耗能的作用。
所述防屈曲耗能支撑在端部约束段1处通过螺栓与梁、柱构件或节点相连接。
实施例2：
参考图4、图5和图6，一种焊接接头式防屈曲耗能支撑，由端部约束段1、屈曲段2和套管3三部分组成；所述端部约束段1位于所述屈曲段2的两端，其一侧与屈曲段2相连接；所述屈曲段2承担塑性变形和滞回耗能作用；所述套管3通过灌浆填充混凝土固定在所述屈曲段2的外侧，并且混凝土和屈曲段外侧之间有一层无粘结材料。本实施例中，套管为方形。
所述屈曲段2的截面形状为十字型，十字型截面沿轴线方向呈中间窄、两头宽，且中间部分与两头部分截面面积比值为2:1。十字型截面通过焊接方式获得，焊接材料选用ER307Si奥氏体不锈钢焊丝。所述屈曲段2的材质为合金钢，合金钢的化学成分及其质量百分数为：30.8％Mn，4.58％Si，2.77％Ni，0.08％C，0.01％P，0.018％S，0.008％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述合金钢的屈服强度为279MPa；在循环拉伸-压缩加载条件下，当应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1.0和0.2Hz时，应力幅值为460MPa，并且钢板的室温疲劳寿命为7819周次。所述合金钢的微观组织为单一奥氏体；在进入屈服阶段，上述合金钢的微观组织在拉伸-压缩交变载荷作用下发生奥氏体和应力/应变诱发的ε马氏体之间的可逆相变。
所述端部约束段1的截面形状亦呈十字型，由Q345钢板拼焊而成。所述端部约束段1与所述屈曲段2的十字型截面相对，通过CO2气体保护焊焊接连成一体，焊接材料选用ER307Si奥氏体不锈钢焊丝。
所述端部约束段1和所述屈曲段2的几何形状与连接方式的设计确保所述屈曲段2承担全部塑性变形和充分发挥滞回耗能的作用。
所述防屈曲耗能支撑在端部约束段1处与梁、柱构件或节点相连接。
实施例3：
参考图7和图8，一种螺纹接头式防屈曲耗能支撑，由端部约束段1、屈曲段2和套管3三部分组成；所述端部约束段1位于所述屈曲段2的两端，其一侧与屈曲段2相连接；所述屈曲段2承担塑性变形和滞回耗能作用；所述套管3通过灌浆填充混凝土固定在所述屈曲段2的外侧，并且混凝土和屈曲段外侧之间有一层无粘结材料。本实施例中，套管为圆管形。
所述屈曲段2的截面形状为圆型，圆型截面沿轴线方向呈中间窄、两头宽，且中间部分与两头部分截面面积比值为2.5:1。所述屈曲段2的材质为合金钢，合金钢的化学成分及其质量百分数为：28.1％Mn，4.40％Si，2.92％Ni，0.1％C，0.01％P，0.02％S，0.009％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述合金钢的屈服强度为291MPa；在循环拉伸-压缩加载条件下，当应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1.0和0.2Hz时，应力幅值为482MPa，并且钢材的室温疲劳寿命为6899周次。所述合金钢的微观组织为单一奥氏体；在进入屈服阶段，所述合金钢的微观组织在拉伸-压缩交变载荷作用下发生奥氏体和应力/应变诱发的ε马氏体之间的可逆相变。所述屈曲段2的两头加工有外螺纹。
所述端部约束段1由Q345钢块加工而成，在其与所述屈曲段2连接的一侧加工有装配内螺纹。所述端部约束段1与所述屈曲段2通过螺纹接头连接在一起。
所述端部约束段1和所述屈曲段2的几何形状与连接方式的设计确保所述屈曲段2承担全部塑性变形和充分发挥滞回耗能的作用。
所述防屈曲耗能支撑在端部约束段1处通过螺栓与梁、柱构件或节点相连接。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，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 (10)
1.一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，包括端部约束段、屈曲段和套管；所述端部约束段位于所述屈曲段的两端，起传递载荷的作用，所述端部约束段一侧与屈曲段相连接，另一侧用于与梁、柱构件或节点连接；所述套管通过灌浆填充混凝土固定在所述屈曲段外侧，并且混凝土和屈曲段外侧之间有一层无粘结材料；所述屈曲段起耗能作用，其材质为合金钢，所述合金钢的微观组织结构由亚稳态奥氏体和体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体组成，在进入屈服阶段，所述合金钢的微观组织在应力/应变作用下发生ε马氏体相变，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应力/应变诱发的ε马氏体之间的可逆相变。
2.根据权利要求1所述的一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述合金钢化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤6.0％，0.1％≤Ni≤5.0％，0.005％≤C＜0.15％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中Mn、Ni和C质量百分含量还满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％。
3.根据权利要求2所述的一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述合金钢的屈服强度介于200～360MPa；在循环拉伸-压缩加载条件下，当应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1.0和0.1～0.2Hz时，应力幅值＜530MPa，合金钢的室温疲劳寿命＞2000周次。
4.根据权利要求1所述的一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述合金钢化学成分的质量百分数为：24％≤Mn≤32％，3.5％≤Si≤6.0％，1.0％＜Al＜2.5％，0.005％≤C＜0.14％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中Si和Al质量百分含量满足关系式：2.0<Si/Al≤4.5。
5.根据权利要求4所述的一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述合金钢的屈服强度介于200～380MPa；在循环拉伸-压缩加载条件下，当应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1.0和0.1～0.2Hz时，应力幅值＜550MPa，并且钢板的室温疲劳寿命＞2000周次。
6.根据权利要求1所述的一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述屈曲段的横截面具有任一类型轴对称几何形状，其对称轴为支撑的轴线方向，并且，所述屈曲段采用中间窄、两头宽的截面形式。
7.根据权利要求1所述的一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述屈曲段与所述端部约束段的一侧通过焊接方式相连接，并且焊接处发生屈服时的屈服极限力大于屈曲段发生屈服时的屈服极限力。
8.根据权利要求1所述的一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述屈曲段与所述端部约束段的一侧通过焊接方式相连接，并且焊接处发生屈服时的屈服极限力不小于屈曲段发生屈服时的屈服极限力的1.5～1.8倍。
9.根据权利要求1所述的一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述屈曲段与所述端部约束段的一侧通过螺纹接头的方式相连接，并且螺纹连接处发生屈服时的屈服极限力大于屈曲段发生屈服时的屈服极限力。
10.根据权利要求1所述的一种防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述屈曲段与所述端部约束段的一侧通过高强度螺栓相连接，并且所有螺栓连接处发生屈服时的屈服极限力大于屈曲段发生屈服时的屈服极限力。
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