CN112982707A - 一种装配式自复位屈曲约束支撑 - Google Patents

一种装配式自复位屈曲约束支撑 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种装配式自复位屈曲约束支撑，主要包括耗能内芯、内管、外管、连接件、端板、两组预应力钢绞线和碟簧复位装置。内管和外管既是复位系统的传力部件，又是耗能内芯的约束部件，使得耗能内芯不需要单独设置约束部件，节省了材料用量；耗能内芯与内管和外管通过自攻螺丝连接，便于支撑装配和震后更换；复位系统由两组钢绞线和碟簧复位装置三者串联而成，极大增强了支撑的变形能力；复位系统中的碟簧组合在外力作用下压并后，支撑刚度增大，可以防止结构层间变形集中，使结构层间变形更加均匀，有效提高结构在罕遇地震甚至极罕遇地震作用下的抗倒塌能力。

Description

一种装配式自复位屈曲约束支撑
技术领域
本发明涉及土木工程消能减震技术领域。
背景技术
屈曲约束支撑(BRB)由于其滞回曲线饱满、耗能能力强、拉压性能相近的特点，越来越多地应用于建筑工程领域，国内外学者也对BRB及BRB框架结构进行了广泛研究。虽然BRB弥补了传统中心支撑框架强震下支撑易受压屈曲的缺点，但是相关研究表明，由于BRB屈服后刚度较小，结构在强震下易出现层间变形集中现象，且存在明显的震后残余变形。自复位耗能支撑由于兼具耗能和复位能力，并且与主体框架连接方便，成为近年的研究热点。目前国内外学者基于不同的复位材料和耗能机制提出了多种自复位耗能支撑，其中自复位屈曲约束支撑引入了BRB稳定的耗能机制，具有良好的滞回性能，但是也存在一些问题：
(1)作为复位材料，钢绞线弹性变形能力不足，复合材料纤维筋锚固困难，形状记忆合金(SMA)具有优越的变形能力，但是其造价较高，且力学性能受温度影响较大，蝶形弹簧通过合理的组合方式可以满足不同的承载力和变形要求，但是基于碟簧的自复位屈曲约束支撑往往需要大量的焊接工作或装配工作；
(2)既有自复位屈曲约束支撑的耗能内芯往往采用焊接连接，震后损伤部件更换困难；
(3)支撑屈服后刚度过小则不能有效抑制结构在强震作用下的层间变形集中效应，而屈服后刚度过大会导致支撑的连接节点和相邻构件内力过大而破坏。
发明内容
为了克服现有自复位屈曲约束支撑研究的不足，本发明提出了一种装配式自复位屈曲约束支撑。通过钢绞线与碟簧装置串联增加支撑的变形能力和屈服后刚度，耗能内芯采用自攻螺丝连接，便于安装和更换。
本发明所采取的技术方案是：
一种装配式自复位屈曲约束支撑，其特征在于：包括外管(1)、耗能内芯(2)、内管(3)、左连接件(5)、右连接件(6)、左端板(7)、右端板(8)、第一组预应力钢绞线(11)、第二组预应力钢绞线(12)和碟簧复位装置(14)；
左连接件(5)与内管(3)连接，右连接件(6)与外管(1)连接；
耗能内芯(2)位于内管(3)和外管(1)之间，并且其左端与内管(3) 连接，右端与外管(1)连接；
第一组预应力钢绞线(11)、第二组预应力钢绞线(12)和碟簧复位装置(14) 三者串联，第一组预应力钢绞线(11)左端锚固于左端板(7)，第二组预应力钢绞线(12)锚固于右端板(8)；
左端板(7)和右端板(8)依靠钢绞线的预应力顶紧外管(1)和内管(3)。
上述装配式自复位屈曲约束支撑，该装配式自复位屈曲约束支撑包括耗能系统和复位系统。
所述耗能系统主要包括外管1、耗能内芯2、内管3、左连接件5、右连接件 6，外管1和内管3同轴且等长，耗能内芯2两侧的约束板4防止耗能内芯2受压时的侧向变形。
所述复位系统主要包括第一组预应力钢绞线11、第二组预应力钢绞线12和碟簧复位装置14，两组钢绞线均由四根钢绞线组成，且位置相差90度。碟簧复位装置14包括碟簧组合14a、导管14b、碟簧挡板14c、固定螺栓14d。碟簧组合14a由单片碟簧通过叠合和对合组成，碟簧挡板14c沿周边开有圆孔，以便第一组预应力钢绞线11和第二组钢绞线12穿过。
左连接件5与内管3连接，右连接件6与外管1连接。耗能内芯2位于内管3和外管1之间，并且其左端与内管3通过自攻螺丝9连接，右端与外管1 通过自攻螺丝10连接。第一组预应力钢绞线11、第二组预应力钢绞线12和碟簧复位装置14三者串联，第一组预应力钢绞线11左端锚固于左端板7，第二组预应力钢绞线12锚固于右端板8。左端板7和右端板8依靠钢绞线的预应力顶紧外管1和内管3。
本发明的有益效果是：
内管和外管既是复位系统的传力部件，又是耗能内芯的约束部件，使得耗能内芯不需要单独设置约束部件，节省了材料用量。
耗能内芯与内管和外管通过自攻螺丝连接，便于支撑装配和震后更换。
复位系统由两组钢绞线和碟簧复位装置三者串联而成，极大增强了支撑的变形能力。
复位系统中的碟簧组合在外力作用下压并后，支撑刚度增大，可以防止结构层间变形集中，使结构层间变形更加均匀，有效提高结构在罕遇地震甚至极罕遇地震作用下的抗倒塌能力。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的纵向剖面图；
图3为本发明的内管及左连接件示意图；
图4为本发明的外管及右连接件示意图；
图5为本发明的耗能内芯及约束板示意图；
图6为本发明的复位系统示意图；
图7为本发明的碟簧复位装置示意图；
图8为本发明的构造简图；
图9为本发明受拉状态和受压状态示意图。
数字标记：
外管1、耗能内芯2、内管3、左连接件5、右连接件6、左端板7、右端板 8、第一组预应力钢绞线11、第二组预应力钢绞线12、碟簧复位装置14；
耗能内芯2：非屈服段2a、过渡段2b、屈服段2c；
碟簧复位装置14：碟簧组合14a、导管14b、碟簧挡板14c、固定螺栓14d。
具体实施方式
下面通过附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种装配式自复位屈曲约束支撑，如图1～9所示，该装配式包括外管1、耗能内芯2、内管3、左连接件5、右连接件6、左端板7、右端板8、第一组预应力钢绞线11、第二组预应力钢绞线12和碟簧复位装置14。
左连接件5与内管3采用焊接连接，右连接件6与外管1采用焊接连接。耗能内芯2位于内管3和外管1之间，并且其左端与内管3通过自攻螺丝9连接，右端与外管1通过自攻螺丝10连接。第一组预应力钢绞线11、第二组预应力钢绞线12和碟簧复位装置14三者串联，第一组预应力钢绞线11左端锚固于左端板7，第二组预应力钢绞线12锚固于右端板8。左端板7和右端板)依靠钢绞线的预应力顶紧外管1和内管3。
外管1和内管3同轴且等长，内管1左端上下管壁和外管1上下管壁开有圆孔，以便与耗能内芯2通过自攻螺丝连接。
耗能内芯2为一字型截面，并且包含非屈服段2a、过渡段2b和屈服段2c 三部分，非屈服段2a开有圆孔，以便于内管3和外管1通过自攻螺丝9和10 连接。内芯侧面布置有约束板4，以防止内芯受压时屈曲，约束板4焊接在内管 3管壁。
左连接件5为十字形截面，右连接件6为T形截面，且右连接件6位于外管管壁两侧。左连接件5和右连接件6均开有螺栓孔，以便支撑与主体框架通过螺栓连接。
左端板7为正方形钢板，开有十字形槽孔和四个圆孔，以便左连接件5和第一组预应力钢绞线11穿过。右端板8为矩形钢板，开有四个圆孔，以便第二组预应力钢绞线12穿过。
第一组预应力钢绞线11和第一组预应力钢绞线12均有四根钢绞线组成，两组钢绞线长度可以相同，也可以不同。
碟簧复位装置14包括碟簧组合14a、导管14b、碟簧挡板14c、固定螺栓 14d。碟簧组合14a由单片碟簧通过叠合和对合组成，以满足支撑的承载力和变形要求；碟簧挡板14c沿周边开有圆孔，以便第一组预应力钢绞线11和第二组钢绞线12穿过。
耗能内芯2可采用Q235钢或低屈服点钢加工，而支撑其余部件可采用Q355 或Q460钢材加工。
本发明所需部件均可在工厂加工并快速装配成支撑，现场只需要通过螺栓与主体框架连接。
具体组装方法，按以下步骤：
(1)左连接件5与内管3焊接，右连接件6与外管1焊接；
(2)将内芯2的侧向约束板4与内管3的上下管壁通过焊接固定，然后将内芯2置于约束板4之间，内芯2左端与内管3通过自攻螺丝9连接；
(3)将内管3置于外管1内，使二者同轴并且两端平齐，内芯2右端与外管1通过自攻螺丝10连接；
(4)组装好碟簧复位装置14，并穿过第一组预应力钢绞线11和第二组预应力钢绞线12；
(5)将复位系统放入内管，第一组预应力钢绞线11和第二组预应力钢绞线 12伸出两端，左端板7和右端板8置于内管3和外管1两端，两组钢绞线穿过端板对应圆孔，第二组预应力钢绞线12右端用锚具固定；
(6)对第一组预应力钢绞线张拉至指定预张力值，并锚固于左端板。
图9是本发明实施例提供的一种装配式自复位耗能支撑的受拉变形示意图和受压变形示意图：
假设支撑左端固定，当支撑受到向右的拉力F时，随着外力增大，内管对右端板的压力逐渐减小，外管对左端板7的压力也逐渐减小，内外管、耗能内芯和复位系统两端有伸长趋势，直到外力F增加至可以克服钢绞线的预张力，内外管开始出现相对运动。此阶段内外管、耗能内芯和复位装置变形协调，为支撑提供较大的初始刚度。之后内外管不再受力，耗能内芯逐渐受拉屈服提供耗能能力，左右端板距离不断增加使复位装置变形也进一步增加，即预应力筋伸长，碟簧组合压缩，复位装置弹性恢复力进一步增大。若支撑达到某一位移时，耗能内芯未破坏，而碟簧组合在外力作用下已经压并，则当外力继续增加时，复位装置中仅有预应力筋进一步伸长，支撑刚度增大。支撑卸载后，复位装置的弹性恢复力克服耗能内芯的屈服力，使得支撑具有较小的残余变形。
若支撑受到向左的压力F，当F增加至可以克服钢绞线的预张力和耗能内芯所需的弹性恢复力时，内外管各有一端与端板脱离并出现相对运动。之后随着外力增大，左右端板在内外套管的推动下距离不断增加，耗能内芯逐渐受压屈服，左右端板距离不断增加使复位装置变形也进一步增加，即预应力筋伸长，碟簧组合压缩，复位装置弹性恢复力增大。支撑卸载后，复位装置为其提供复位所需的恢复力。与受拉时不同，支撑受压时，内外管推动两侧端板产生相对运动，内外管始终承受轴向压力。

Claims (7)

1.一种装配式自复位屈曲约束支撑，其特征在于：包括外管(1)、耗能内芯(2)、内管(3)、左连接件(5)、右连接件(6)、左端板(7)、右端板(8)、第一组预应力钢绞线(11)、第二组预应力钢绞线(12)和碟簧复位装置(14)；
左连接件(5)与内管(3)连接，右连接件(6)与外管(1)连接；
耗能内芯(2)位于内管(3)和外管(1)之间，并且其左端与内管(3)连接，右端与外管(1)连接；
第一组预应力钢绞线(11)、第二组预应力钢绞线(12)和碟簧复位装置(14)三者串联，第一组预应力钢绞线(11)左端锚固于左端板(7)，第二组预应力钢绞线(12)锚固于右端板(8)；
左端板(7)和右端板(8)依靠钢绞线的预应力顶紧外管(1)和内管(3)。
2.根据权利要求1所述的装配式自复位屈曲约束支撑，其特征在于：外管(1)和内管(3)均为方形截面钢管，且内管(3)左端和外管(1)右端均开有圆孔，以便与内芯(2)连接。
3.根据权利要求1所述的装配式自复位屈曲约束支撑，其特征在于：内芯(2)为一字型截面，并且包含非屈服段(2a)、过渡段(2b)和屈服段(2c)三部分，非屈服段(2a)开有圆孔，以便于内管(3)和外管(1)连接，内芯侧面布置有约束板(4)。
4.根据权利要求1所述的装配式自复位屈曲约束支撑，其特征在于：左连接件(5)为十字形截面，右连接件(6)为T形截面，且右连接件(6)位于外管两侧；左连接件(5)和右连接件(6)均开有螺栓孔，以便支撑与主体框架连接。
5.根据权利要求1所述的装配式自复位屈曲约束支撑，其特征在于：由第一组预应力钢绞线(11)、第二组预应力钢绞线(12)和碟簧复位装置(14)三者串联组成，构成复位系统。
6.根据权利要求5所述的装配式自复位屈曲约束支撑，其特征在于：第一组预应力钢绞线(11)和第二组预应力钢绞线(12)均由四根钢绞线组成，且两组钢绞线位置在相位上相差90度。
7.根据权利要求5所述的装配式自复位屈曲约束支撑，其特征在于：碟簧复位装置(14)包括碟簧组合(14a)、导管(14b)、碟簧挡板(14c)、固定螺栓(14d)，其中：碟簧组合(14a)由单片碟簧通过叠合和对合组成，碟簧挡板(14c)沿周边开有圆孔，以便第一组预应力钢绞线(11)和第二组钢绞线(12)穿过，导管(14b)穿过碟簧组合(14a)和碟簧挡板(14c)，保证碟簧组合只能沿导管(14b)产生轴向变形，导管(14b)两端开有螺纹，以便固定螺栓(14d)拧入。
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