CN111236458B - 一种三重圆钢管屈曲约束支撑 - Google Patents

Abstract

一种三重圆钢管屈曲约束支撑，它涉及一种屈曲约束支撑。本发明的目的是要解决现有全钢约束部件存在耗能内芯直接与节点相连，导致无法对支撑内芯进行全范围约束，未对耗能圆管进行变截面处理，导致支撑在地震作用下塑性变形主要集中在圆管两端，及不能抑制耗能圆管的扭转变形的问题；三重圆钢管屈曲约束支撑由内约束管、耗能管、外约束管、插接件、垫环和扭转限位杆组成；所述内约束管、耗能管和外约束管由内至外依次套装在一起；优点：1、保证耗能内芯被全范围约束，提高支撑的稳定性；2、保证塑性变形主要集中在开槽区域。3、提高的疲劳性能。本发明主要用于制备三重圆钢管屈曲约束支撑。

Description

一种三重圆钢管屈曲约束支撑

技术领域

本发明涉及一种屈曲约束支撑。

背景技术

屈曲约束支撑是一种兼具普通支撑及金属阻尼器双重功能的新型支撑，它既可以在小震下给主体结构提供抗侧刚度和强度，又可以在大震时利用其自身的塑性变形消耗地震能量，减少甚至避免结构的破坏，因此得到了广泛的工程应用。

随着屈曲约束支撑工程应用的增加以及相关研究的开展，各种高性能屈曲约束支撑不断出现。目前，屈曲约束支撑按照约束部件以及组合情况可以分为三类：钢筋混凝土约束部件、钢与混凝土组合约束部件以及全钢约束部件。

采用钢筋混凝土约束部件及钢与混凝土组合约束部件的屈曲约束支撑存在的问题主要有：1、支撑制作精度要求高，尤其是在浇筑混凝土时，难以保证耗能内芯与约束构件之间的间隙满足设计要求；2、加工周期长，支撑在完成浇筑后至少需要进行7天的养护才能开展后续的制作安装；3、采用含有混凝土的约束部件自重较大，施工、运输及安装等费用高。

采用全钢约束部件的支撑其耗能内芯的截面形式一般为一字型、十字型、H型以及圆管型等，而目前采用圆钢管作为耗能内芯的屈曲约束支撑，其约束部件的截面形式也多为圆管，这类屈曲约束支撑存在的问题主要有：1、耗能内芯直接与节点相连，约束部件无法对支撑内芯进行全范围约束，即支撑内芯必然有部分暴露于约束部件以外，在大震作用下，该外露段易于发生失稳破坏；2、未对耗能圆管进行变截面处理，导致支撑在地震作用下塑性变形主要集中在圆管两端，即不能充分发挥钢材的耗能特性；3、轴向受压的耗能圆管不仅会产生压应变，还会因受扭产生剪应变，而现有的圆管型约束部件不能抑制耗能圆管的扭转变形，因此剪应变的存在将增加耗能圆管的塑性应变，进而降低支撑的疲劳性能。

发明内容

本发明的目的是要解决现有全钢约束部件存在耗能内芯直接与节点相连，导致无法对支撑内芯进行全范围约束，未对耗能圆管进行变截面处理，导致支撑在地震作用下塑性变形主要集中在圆管两端，及不能抑制耗能圆管的扭转变形的问题；而提供一种三重圆钢管屈曲约束支撑。

一种三重圆钢管屈曲约束支撑由2个内约束管、1个耗能管、1个外约束管、3个插接件、1个垫环和4个扭转限位杆组成；

所述内约束管为圆形钢管，且内约束管两端开有十字型槽孔，且十字型槽孔的十字型交点在内约束管的轴线上，在内约束管中间沿纵向依次开有两对扭转限位孔，每对扭转限位孔圆心的连线与内约束管的轴线相交，且两对扭转限位孔圆心的连线呈十字型交叉；所述十字型槽孔的长度为三重圆钢管屈曲约束支撑的预计变形的1.5倍；

所述耗能管为圆形钢管，在耗能管的中部沿纵向开有四道槽孔，四道槽孔沿耗能管纵向中点径向截面对称设置，四道槽孔分成两对，每对槽孔沿耗能管的轴向截面对称，且两对槽孔轴向对称的截面呈十字型交叉；

所述外约束管为圆形钢管；

所述插接件由2个十字型钢构件和圆形钢板组成，以十字型钢构件的轴线与圆形钢板的轴线重合形式将2个十字型钢构件对称固定在圆形钢板两侧，且十字型钢构件的长度与十字型槽孔的长度配合，十字型钢构件的厚度与十字型槽孔的宽度配合；

所述垫环为圆形钢环；

所述扭转限位杆为钢杆；

所述内约束管、耗能管和外约束管由内至外依次套装在一起，2个内约束管利用3个插接件连接在一起，4个扭转限位杆依次穿过耗能管的槽孔和内约束管的扭转限位孔，且扭转限位杆的两端卡接在耗能管的槽孔内，外约束管的一端安装垫环，且垫环与外约束管固定连接，垫环与内约束管固定连接；

所述内约束管的内径为d₁，外径为D₁，长度为L₁；所述耗能管的内径为d₂，外径为D₂，长度为L₂；所述外约束管的内径为d₃，长度为L₃；所述十字型钢构件的宽度为A；所述圆形钢板的直径为D₃；所述扭转限位杆的长度为L₄；所述垫环的内径为d₄，外径为D₄；则D₃＝D₁+(4～6)mm；d₁＜A＜D₁；d₃＝D₂+(4～6)mm；d₄＝d₂，D₄＝d₃-(4～6)mm；L₂＜L₃＜2L₁，d₂＜L₄＜D₂。

本发明原理及优点：

1、本发明一种三重圆钢管屈曲约束支撑中内约束管、耗能管和外约束管由内至外依次套装在一起，2个内约束管利用3个插接件连接在一起，且连接后的内约束管的长度大于耗能管，外约束管的长度大于耗能管，这样可以保证耗能内芯被全范围约束，避免未约束部分的耗能内芯在大震下出现失稳破坏，提高支撑的稳定性；而现有全钢约束部件是由节点板与耗能元件直接相连，这样耗能元件必然有部分暴露于外，在较大轴力下可能会发生失稳破坏；

2、本发明一种三重圆钢管屈曲约束支撑中耗能管的中部沿纵向开有槽孔，可以保证在地震作用下耗能管的塑性变形主要集中在开槽区域，耗能机制明确，避免了现有圆管屈曲约束支撑塑性变形主要集中于耗能内芯两端，而没有充分发挥钢材的耗能特性的缺点。

3、本发明一种三重圆钢管屈曲约束支撑中4个扭转限位杆依次穿过耗能管的槽孔和内约束管的扭转限位孔，内约束管上的扭转限位杆可以有效抑制耗能管的扭转变形，避免其因受压产生剪切变形，提高了三重圆钢管屈曲约束支撑的疲劳性能。

4、本发明一种三重圆钢管屈曲约束支撑中所有部件均为钢构件，相比于传统支撑重量更轻，易于运输、安装，且所有部件均可在工厂制作，加工精度易于保证。

5、本发明一种三重圆钢管屈曲约束支撑的截面形式为圆形，外表美观，更适用于对外观要求较高的重要建筑物。

附图说明

图1是本发明一种三重圆钢管屈曲约束支撑的立体结构示意图，图中1表示内约束管，3表示外约束管，4表示插接件，5表示垫环；

图2是本发明一种三重圆钢管屈曲约束支撑的主视图，图中1表示内约束管，3表示外约束管，4表示插接件，5表示垫环；

图3是图1的爆炸结构示意图，图中1表示内约束管，2表示耗能管，3表示外约束管，4表示插接件，5表示垫环，6表示扭转限位杆，1-1表示十字型槽孔，1-2表示扭转限位孔，4-1表示十字型钢构件，4-2表示圆形钢板；

图4是图2中沿A-A的剖视图，图中1表示内约束管，4表示插接件；

图5是图2中沿B-B的剖视图，图中1表示内约束管，3表示外约束管，4表示插接件，5表示垫环；

图6是图2中沿C-C的剖视图，图中1表示内约束管，2表示耗能管，3表示外约束管，6表示扭转限位杆；

图7是图2中沿D-D的剖视图，图中1表示内约束管，2表示耗能管，3表示外约束管，4表示插接件，6表示扭转限位杆；

图8是内约束管与插接件的连接结构示意图，图中1表示内约束管，4表示插接件，1-2表示扭转限位孔；

图9是内约束管与插接件的连接立体结构示意图，图中1表示内约束管，4表示插接件，1-2表示扭转限位孔；

图10是内约束管和耗能管套装结构示意图，图中1表示内约束管，2表示耗能管，4表示插接件，6表示扭转限位杆；

图11是内约束管和耗能管套装立体结构示意图，图中1表示内约束管，2表示耗能管，4表示插接件，6表示扭转限位杆。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种三重圆钢管屈曲约束支撑，它由2个内约束管1、1个耗能管2、1个外约束管3、3个插接件4、1个垫环5和4个扭转限位杆6组成；

所述内约束管1为圆形钢管，且内约束管1两端开有十字型槽孔1-1，且十字型槽孔1-1的十字型交点在内约束管1的轴线上，在内约束管1中间沿纵向依次开有两对扭转限位孔1-2，每对扭转限位孔1-2圆心的连线与内约束管1的轴线相交，且两对扭转限位孔1-2圆心的连线呈十字型交叉；所述十字型槽孔1-1的长度为三重圆钢管屈曲约束支撑的预计变形的1.5倍；

所述耗能管2为圆形钢管，在耗能管2的中部沿纵向开有四道槽孔，四道槽孔沿耗能管2纵向中点径向截面对称设置，四道槽孔分成两对，每对槽孔沿耗能管2的轴向截面对称，且两对槽孔轴向对称的截面呈十字型交叉；

所述外约束管3为圆形钢管；

所述插接件4由2个十字型钢构件4-1和圆形钢板4-2组成，以十字型钢构件4-1的轴线与圆形钢板4-2的轴线重合形式将2个十字型钢构件4-1对称固定在圆形钢板4-2两侧，且十字型钢构件4-1的长度与十字型槽孔1-1的长度配合，十字型钢构件4-1的厚度与十字型槽孔1-1的宽度配合；

所述垫环5为圆形钢环；

所述扭转限位杆6为钢杆；

所述内约束管1、耗能管2和外约束管3由内至外依次套装在一起，2个内约束管1利用3个插接件4连接在一起，4个扭转限位杆6依次穿过耗能管2的槽孔和内约束管1的扭转限位孔1-2，且扭转限位杆6的两端卡接在耗能管2的槽孔内，外约束管3的一端安装垫环5，且垫环5与外约束管3固定连接，垫环5与内约束管1固定连接；

所述内约束管1的内径为d₁，外径为D₁，长度为L₁；所述耗能管2的内径为d₂，外径为D₂，长度为L₂；所述外约束管3的内径为d₃，长度为L₃；所述十字型钢构件4-1的宽度为A；所述圆形钢板4-2的直径为D₃；所述扭转限位杆6的长度为L₄；所述垫环5的内径为d₄，外径为D₄；则D₃＝D₁+(4～6)mm；d₁＜A＜D₁；d₃＝D₂+(4～6)mm；d₄＝d₂，D₄＝d₃-(4～6)mm；L₂＜L₃＜2L₁，d₂＜L₄＜D₂。

本实施方式中2个内约束管1利用3个插接件4连接在一起，且插接件4与主体结构的节点板相连，这样在地震作用下，两个内约束管1可以发生相对轴向变形，而轴力则通过内约束管1传递到耗能管，进而由耗能管消耗地震能量，内约束管1则始终保持弹性。

本实施方式耗能管2内径比内约束管1外径大，该设计既是为了保证耗能管2易于穿过内约束管1进行安装，也是为了提供耗能管2在受压作用下由于泊松效应而发生横向变形的空间。地震作用下，轴向作用力通过内约束管1传递至耗能管2，由于耗能管2与约束部件之间发生接触而产生摩擦力，进而导致耗能管2轴力分布为中间小，两端大。为避免塑性变形集中发生在耗能管2两端，因此本实施方式对耗能管2中部进行开槽处理，这样可以让塑性变形集中发生于开槽区段，更充分的发挥耗能管2的耗能特性。

本实施方式扭转限位杆6的直径与扭转限位孔1-2配合，长度大于耗能管2内径，且略小于耗能管2外径，待耗能管2完成定位安装后，插入扭转限位杆6。在地震作用下，耗能管2由于受压不仅发生轴向变形，也会发生扭转变形，而扭转变形将产生剪切应变，进而降低支撑的疲劳性能。而通过本实施方式设定的扭转限位杆6可以使耗能管2在受压下部发生扭转变形，只产生轴向变形，进而提高了支撑的抗震性能。

本实施方式外约束管3的内径比耗能管2外径大，长度介于2倍内约束管1长度与耗能管2长度之间(L₂＜L₃＜2L₁)，该设计目的是便于外约束管3的安装，同时也可以提供给耗能管2横向变形空间。待完成耗能管2的组装后，将外约束管3穿过耗能管2并完成定位。

本实施方式垫环5的内径与耗能管2内径相同，外径小于外约束管3内径。待外约束管3穿过耗能管2并完成定位后，将垫环5插入耗能管2与外约束管3之间，利用焊接将外约束管3一端与垫环5焊接，再利用焊接将垫环5与内约束管1固定。该垫环5的作用有两个：一是限位功能，即通过焊接将外约束管3与内约束管1固定，这样当耗能管2发生轴向变形时，其与外约束管3之间发生的切向接触力不会导致外约束管3滑落，如果外约束管3发生滑落，则有部分耗能管2会发生暴露，进而无法对耗能管2进行全范围约束；第二是保证耗能管2与约束部件之间的间隙均匀分布，如果间隙不均匀分布，会导致间隙大的区域耗能管2与约束部件之间产生较大的局部挤压力，进而造成屈曲约束支撑的局部失稳。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述A＝D₁-8～10mm其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述两对扭转限位孔1-2与内约束管1端部的最短距离相等。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述三重圆钢管屈曲约束支撑上两个扭转限位杆6的最大垂直距离为X，耗能管2的槽孔长度为Y，十字型槽孔1-1的长度为Z，则X≤Y-2Z。其他与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述2个内约束管1利用3个插接件4连接在一起具体形式如下：2个内约束管1中一个内约束管1与3个插接件4中两个插接件4固定连接；另一个内约束管1与最后一个插接件4固定连接，且该内约束管1的另一端与固定连接两个插接件4的内约束管1一端的插接件4活动连接。其他与具体实施方式一至四相同。

本实施方式中2个内约束管1中间的插接件4一端与其中一个内约束管1固定连接，另一端与另一个内约束管1活动连接，所以2个内约束管1通过插接件4活动连接；两端固定连接的插接件4与主体结构的节点板相连，这样在地震作用下，两个内约束管1可以发生相对轴向滑动，而轴力则通过内约束管1传递到耗能管，进而由耗能管消耗地震能量，内约束管1则始终保持弹性。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述扭转限位杆6与内约束管1固定连接。其他与具体实施方式一至五相同。

本实施方式用电焊将扭转限位杆6与内约束管1固定连接，避免在地震时扭转限位杆6的滑动影响抗震性能。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

采用下述试验验证本发明效果

实施例1：一种三重圆钢管屈曲约束支撑，它由2个内约束管1、1个耗能管2、1个外约束管3、3个插接件4、1个垫环5和4个扭转限位杆6组成；

所述内约束管1为圆形钢管，且内约束管1两端开有十字型槽孔1-1，且十字型槽孔1-1的十字型交点在内约束管1的轴线上，在内约束管1中间沿纵向依次开有两对扭转限位孔1-2，每对扭转限位孔1-2圆心的连线与内约束管1的轴线相交，且两对扭转限位孔1-2圆心的连线呈十字型交叉；所述十字型槽孔1-1的长度为三重圆钢管屈曲约束支撑的预计变形的1.5倍；

所述耗能管2为圆形钢管，在耗能管2的中部沿纵向开有四道槽孔，四道槽孔沿耗能管2纵向中点径向截面对称设置，四道槽孔分成两对，每对槽孔沿耗能管2的轴向截面对称，且两对槽孔轴向对称的截面呈十字型交叉；

所述外约束管3为圆形钢管；

所述插接件4由2个十字型钢构件4-1和圆形钢板4-2组成，以十字型钢构件4-1的轴线与圆形钢板4-2的轴线重合形式将2个十字型钢构件4-1对称固定在圆形钢板4-2两侧，且十字型钢构件4-1的长度与十字型槽孔1-1的长度配合，十字型钢构件4-1的厚度与十字型槽孔1-1的宽度配合；

所述垫环5为圆形钢环；

所述扭转限位杆6为钢杆；

所述内约束管1、耗能管2和外约束管3由内至外依次套装在一起，2个内约束管1利用3个插接件4连接在一起，4个扭转限位杆6依次穿过耗能管2的槽孔和内约束管1的扭转限位孔1-2，且扭转限位杆6的两端卡接在耗能管2的槽孔内，外约束管3的一端安装垫环5，且垫环5与外约束管3固定连接，垫环5与内约束管1固定连接；

所述内约束管1的内径为d₁＝176mm，外径为D₁＝188mm，长度为L₁＝1850mm；所述耗能管2的内径为d₂＝192mm，外径为D₂＝200mm，长度为L₂＝3400mm；所述外约束管3的内径为d₃＝208mm，外径为D₃＝220mm，长度为L₃＝3600mm；所述十字型钢构件4-1的宽度为A＝180mm；所述圆形钢板4-2的直径为D₃＝193mm；所述扭转限位杆6的长度为L₄＝196mm；所述垫环5的内径为d₄＝192mm，外径为D₄＝203mm。其中，耗能管2的材质为Q235钢，其余元件的材质为Q345钢。

所述两对扭转限位孔1-2与内约束管1端部的最短距离相等。

所述三重圆钢管屈曲约束支撑上两个扭转限位杆6的最大垂直距离为X＝2000mm，耗能管2的槽孔长度为Y＝3000mm，十字型槽孔1-1的长度为Z＝95mm。

所述2个内约束管1利用3个插接件4连接在一起具体形式如下：每个内约束管1分别与1个插接件4固定连接，再通过插接件4活动连接。

所述扭转限位杆6与内约束管1固定连接。

实施例2：对比实施例：

三层圆钢管屈曲约束支撑由内约束管、耗能管和外约束管组成；所述内约束管为圆形钢管，内约束管的内径为176mm，外径为188mm，长度为3600mm；所述耗能管为圆形钢管，耗能管的内径为193mm，外径为200mm，长度为4000；所述外约束管为圆形钢管，外约束管的内径为208mm，外径为220mm，长度为3600mm；所述内约束管、耗能管和外约束管由内至外依次套装在一起，耗能管的材质为Q235钢，其余元件的材质为Q345钢。

对实施例1得到的三重圆钢管屈曲约束支撑和实施例2得到的三层圆钢管屈曲约束支撑进行检测，实施例1得到的三重圆钢管屈曲约束支撑中耗能管2的屈服强度为643kN，实施例2得到的三层圆钢管屈曲约束支撑中耗能管的屈服强度为648kN，二者相差不到1％；而实施例1得到的三重圆钢管屈曲约束支撑的刚度＝128kN/mm，实施例2得到的三层圆钢管屈曲约束支撑的刚度＝108kN/mm，实施例1得到的三重圆钢管屈曲约束支撑的刚度比实施例2得到的三层圆钢管屈曲约束支撑的刚度大18.5％。实施例2中当屈服强度达到耗能管的屈服强度648kN时，由于实施例2中采用耗能管与主体结构的节点板相连，所以会导致实施例2的三层圆钢管屈曲约束支撑产生屈服；而实施例1中当屈服强度达到耗能管2的屈服强度643kN时，由于实施例1中采用两端固定连接的插接件4与主体结构的节点板相连，实施例1中外露于外套管的插接件4及内约束管1均远未达到屈服(插接件4的屈服强度＝内约束管1的屈服强度＝1200kN)，所以实施例1得到的三重圆钢管屈曲约束支撑的稳定性及抗震性能优于实施例2得到的三层圆钢管屈曲约束支撑。

Claims (3)

1.一种三重圆钢管屈曲约束支撑，其特征在于三重圆钢管屈曲约束支撑由2个内约束管(1)、1个耗能管(2)、1个外约束管(3)、3个插接件(4)、1个垫环(5)和4个扭转限位杆(6)组成；

所述内约束管(1)为圆形钢管，且内约束管(1)两端开有十字型槽孔(1-1)，且十字型槽孔(1-1)的十字型交点在内约束管(1)的轴线上，在内约束管(1)中间沿纵向依次开有两对扭转限位孔(1-2)，每对扭转限位孔(1-2)圆心的连线与内约束管(1)的轴线相交，且两对扭转限位孔(1-2)圆心的连线呈十字型交叉；所述十字型槽孔(1-1)的长度为三重圆钢管屈曲约束支撑的预计变形的1.5倍；

所述耗能管(2)为圆形钢管，在耗能管(2)的中部沿纵向开有四道槽孔，四道槽孔沿耗能管(2)纵向中点径向截面对称设置，四道槽孔分成两对，每对槽孔沿耗能管(2)的轴向截面对称，且两对槽孔轴向对称的截面呈十字型交叉；

所述外约束管(3)为圆形钢管；

所述插接件(4)由2个十字型钢构件(4-1)和圆形钢板(4-2)组成，以十字型钢构件(4-1)的轴线与圆形钢板(4-2)的轴线重合形式将2个十字型钢构件(4-1)对称固定在圆形钢板(4-2)两侧，且十字型钢构件(4-1)的长度与十字型槽孔(1-1)的长度配合，十字型钢构件(4-1)的厚度与十字型槽孔(1-1)的宽度配合；

所述垫环(5)为圆形钢环；

所述扭转限位杆(6)为钢杆；

所述内约束管(1)、耗能管(2)和外约束管(3)由内至外依次套装在一起，2个内约束管(1)利用3个插接件(4)连接在一起，4个扭转限位杆(6)依次穿过耗能管(2)的槽孔和内约束管(1)的扭转限位孔(1-2)，且扭转限位杆(6)的两端卡接在耗能管(2)的槽孔内，外约束管(3)的一端安装垫环(5)，且垫环(5)与外约束管(3)固定连接，垫环(5)与内约束管(1)固定连接；

所述内约束管(1)的内径为d₁，外径为D₁，长度为L₁；所述耗能管(2)的内径为d₂，外径为D₂，长度为L₂；所述外约束管(3)的内径为d₃，长度为L₃；所述十字型钢构件(4-1)的宽度为A；所述圆形钢板(4-2)的直径为D₃；所述扭转限位杆(6)的长度为L₄；所述垫环(5)的内径为d₄，外径为D₄；则D₃＝D₁+(4～6)mm；d₁＜A＜D₁；d₃＝D₂+(4～6)mm；d₄＝d₂，D₄＝d₃-(4～6)mm；L₂＜L₃＜2L₁，d₂＜L₄＜D₂；

所述A＝D₁-(8～10)mm；

所述两对扭转限位孔(1-2)与内约束管(1)端部的最短距离相等；

所述三重圆钢管屈曲约束支撑上两个扭转限位杆(6)的最大垂直距离为X，耗能管(2)的槽孔长度为Y，十字型槽孔(1-1)的长度为Z，则X≤Y-2Z。

2.根据权利要求1所述的一种三重圆钢管屈曲约束支撑，其特征在于所述2个内约束管(1)利用3个插接件(4)连接在一起具体形式如下：2个内约束管(1)中一个内约束管(1)与3个插接件(4)中两个插接件(4)固定连接；另一个内约束管(1)与最后一个插接件(4)固定连接，且该内约束管(1)的另一端与固定连接两个插接件(4)的内约束管(1)一端的插接件(4)活动连接。

3.根据权利要求1所述的一种三重圆钢管屈曲约束支撑，其特征在于所述扭转限位杆(6)与内约束管(1)固定连接。

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