CN113123480B - 一种全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑 - Google Patents

Abstract

一种全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，包括核心单元、外约束单元和两端的连接单元，核心单元包括第一屈服钢板和第二屈服钢板，第一屈服钢板的厚度小于第二屈服钢板的厚度，第一核心段的长度长于第二核心段的长度，外约束单元包括夹持钢管、固定拉接件和钢管夹板，连接单元包括与外约束单元固定连接的插板，固定拉接件为一组连接螺栓。本发明是分阶段屈服屈曲约束支撑，并具有免断裂功能，该防屈曲支撑通过构造使其具有多个屈服点，小震下即可屈服耗能，并通过设置外约束单元限位装置，限值了工作单元的塑性变形，保护工作单元不发生断裂。在超大震作用下，多屈服点免断裂防屈曲支撑不会发生断裂，大大的提高了防屈曲支撑的应用范围。

Description

一种全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑

技术领域

本发明涉及一种结构抗震构件，特别是一种全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑。

背景技术

与传统的中心支撑相比，屈曲约束支撑的滞回曲线饱满，具备较强的耗能能力，合理设计的屈曲约束支撑不需要考虑稳定性问题，其轴向受压承载力不受长细比的影响。屈曲约束支撑由核心耗能段和外包约束构件构成，核心耗能段承受轴向压力时，利用外包约束单元对核心耗能段的横向变形进行约束，防止核心耗能段发生屈曲，使其能在轴力作用下发生全截面屈服，在拉伸和压缩方向获得对称的受力性能。屈曲约束支撑具有减震机理明确、减震效果明显、安全可靠、经济合理的特点，可以满足不同结构的抗震要求。在正常使用状态及小震作用下，屈曲约束支撑为建筑结构提供抗侧刚度，起到普通支撑的作用；在大震作用下，屈曲约束支撑可通过其反复拉压滞回耗散地震输入的能量。由于屈曲约束支撑良好的滞回性能，在工程中得到广泛应用。

屈曲约束支撑的耗能段为主要受力单元，一般由低屈服点的钢材制成，约束单元提供约束机制，以防止耗能单元受轴压时发生整体失稳或局部屈曲，其可采用钢管混凝土、钢筋混凝土外套、圆型或多边形钢管等，无粘结材料在耗能单元和约束单元之间提供滑动界面，使屈曲约束支撑在受拉与受压时尽可能有相似的力学性能，避免耗能单元因受压膨胀后与约束单元之间产生摩擦而造成轴力的增加。

一般情况下，屈曲约束支撑只有一个屈服段，在多遇地震作用下不屈服，只提供附加刚度，不参与耗能，在罕遇地震作用下提供附加刚度和阻尼。普通屈曲约束支撑屈服后刚度远小于初始屈服前刚度，其在大震或超大震作用下屈服后刚度减小，超出工作范围时易变形过大发生断裂，导致其瞬间丧失承载力和刚度。这种情况一般在建筑遭受超过预估的地震作用时出现，主体结构此时一般已接近倒塌，如果此时屈曲约束支撑的承载力和刚度突然丧失，很容易导致建筑物直接发生倒塌。

近几年，部分学者开始研发分阶段屈服屈曲约束支撑，在小震下屈曲约束支撑的一部分先屈服耗能，中震或大震下屈曲约束支撑的大部分区域屈服耗能，从而有效提高屈曲约束支撑抵抗不同强度地震作用的耗能能力。目前分阶段耗能屈曲约束支撑的实现方法包括采用不同耗能机理阻尼器的组合和不同耗能材料阻尼器的组合。如，欧进萍等在普通屈曲约束支撑套管和连接段之间设置摩擦阻尼器，摩擦阻尼器和屈曲约束支撑耗能段为并联关系，构成分阶段屈服的复合型消能器，由于屈曲约束支撑耗能段刚度远大于摩擦阻尼器的刚度，耗能段承担了更多的轴力，摩擦阻尼器由于刚度较小，其分担的轴力有限，影响了小震下摩擦阻尼器的消能效果；马华等采用低屈服点的耗能段和高屈服点的耗能段并联的方式，同样存在上述问题，高屈服点的耗能段刚度比低屈服点耗能段的刚度大得多，导致低屈服点耗能段耗能受到较大影响，并不能很好的实现分阶段屈服。

发明内容

本发明的目的是提供一种全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，要解决现有阶段屈服屈曲约束支撑低屈服点的耗能段和高屈服点的耗能段并联，存在高屈服点的耗能段刚度比低屈服点耗能段的刚度大，导致低屈服点耗能段耗能受到较大影响，并不能很好的实现分阶段屈服效果的技术问题；并解决在结构受到大震作用时，普通屈曲约束支撑屈服后刚度远小于初始刚度，导致结构残余变形过大，对屈曲约束支撑的刚度和消能能力需求更大的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，包括本体，所述本体包括核心单元、外约束单元和两端的连接单元，

所述核心单元包括分阶段屈服组合板，所述分阶段屈服组合板包括前后居中正对紧贴并固定连接的第一屈服钢板和第二屈服钢板，所述第一屈服钢板的厚度小于第二屈服钢板的厚度，所述第一屈服钢板和第二屈服钢板均是横截面为一字型的钢板，

所述本体的受力区沿纵向分为中部的核心区、核心区两侧的连接区，

所述第一屈服钢板包括位于核心区的第一核心段和位于连接区的第一连接段，

所述第二屈服钢板包括位于核心区的第二核心段和位于连接区的第二连接段，

所述第一核心段的长度长于第二核心段的长度，

所述外约束单元包括分别夹设在核心单元前后两侧的一对夹持钢管，还包括通长排列设置的固定拉接件和两端设置的钢管夹板，

所述固定拉接件是前后向拉接两侧构件的一组连接螺栓，对应连接螺栓的位置所述核心单元、外约束单元和连接单元上分别开有相应的连接孔，所述钢管夹板设置在连接区位置夹持钢管的上下两侧，并且紧贴居中固定连接在夹持钢管的外侧表面，

所述第一屈服钢板的第一连接段上开有供连接螺栓穿过的第一螺栓孔，

所述第二屈服钢板的第二连接段上开有供连接螺栓穿过的第二螺栓孔，

所述夹持钢管上开有供连接螺栓穿过的夹持钢管孔，

所述第一螺栓孔为圆孔，所述第二螺栓孔为长圆孔，

所述夹持钢管孔包括位于核心区的核心螺栓孔，还包括位于连接区的连接螺栓孔，所述核心螺栓孔为圆孔，所述连接螺栓孔为长圆孔，所述连接螺栓孔的长度大于第二螺栓孔的长度，所述连接螺栓在核心区穿过两侧的核心螺栓孔并紧固，

所述连接单元包括与外约束单元固定连接的插板，所述插板上开有供连接螺栓在连接区穿过的插板螺栓孔，所述连接螺栓在连接区穿过两侧的连接螺栓孔、插板螺栓孔以及第一螺栓孔和第二螺栓孔并紧固。

所述第一屈服钢板与第二屈服钢板的长度相同。

所述第一核心段的板宽小于第二核心段的板宽，所述第一连接段与第二连接段的板宽相同。

所述第一连接段的板宽大于第一核心段的板宽，所述第一核心段的两端部与第一连接段之间平滑过渡，

所述第二连接段的板宽大于第二核心段的板宽，所述第二核心段的两端部与第二连接段之间平滑过渡。

所述夹持钢管的横截面形状为矩形，所述夹持钢管的横截面高度与第一连接段或第二连接段的板宽相同。

所述钢管夹板的长度等于连接区的长度，钢管夹板的宽度等于核心单元与外约束单元的宽度之和。

所述连接螺栓沿本体的长度方向上下共设置两排，两排夹持钢管孔的距离避开核心单元设置即大于核心单元位于核心区的最宽宽度。

所述插板共两块，分别自两根夹持钢管的端口向内插入至夹持钢管内，所述插板的尺寸与夹持钢管的尺寸相适应，所述插板的插入位置向两根夹持钢管的中间紧靠，两块插板的插板螺栓孔上下正对，所述插板的外端面上分别固定连接有一连接板，所述连接单元还包括连接组件，所述连接板与连接组件固定连接，所述连接组件与主结构固定连接。

所述连接组件为工字钢件，包括翼缘板和腹板，所述腹板与插板空间平行，所述连接板分别固定连接在腹板的两侧，所述连接板的两端分别固定连接在翼缘板的内侧，所述连接板的长度不小于插板的宽度。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明提出了一种两级分阶段屈服屈曲约束支撑，并具有免断裂功能，该屈曲约束支撑通过构造使其具有两个屈服点，小震下即可屈服耗能，并通过设置外约束单元限位装置，限值了工作单元的塑性变形，保护工作单元不发生断裂。在超大震作用下，多屈服点免断裂屈曲约束支撑不会发生断裂，可以继续工作，弥补了现有技术的不足，大大的提高了屈曲约束支撑的应用范围。

本发明的工作原理如下：双屈服点免断裂屈曲约束支撑含有两个屈服段，第一屈服钢板承担第一屈服段，第二屈服钢板承担第二屈服段。第一屈服段与第二屈服段的不同之处：第一屈服段由低屈服点，延性好的钢材制作而成，第二屈服段由屈服点较高的钢材制作而成；第一屈服段核心段的长度大于第二屈服段，这样第一屈服段会有更大的极限变形，不会在大震下断裂失去作用；第二屈服段钢板厚度大于第一屈服段，其刚度和屈服力大于第二屈服段，具体数值需要根据工程需求进行设计；第一屈服段在两端开有普通螺栓孔，与连接段紧密连接，支撑承受轴力，第一屈服段首先进入工作状态，第二屈服段在两端开有长圆螺栓孔，与连接段采用螺栓连接，当支撑受力到一定需求时，长圆孔处的螺栓使第二屈服段进入工作状态，这样第一屈服段和第二屈服段都进入了工作状态，不同的是，第二屈服段需要支撑变形达到两端长圆螺栓孔的长度和时进入工作状态。

本发明的工作过程如下：第一屈服段可在小震或中震作用下才开始屈服，第二屈服段可在中震或大震作用下开始屈服，第二屈服段的核心段两端设置有长圆螺栓孔，其长度根据支撑在中震或大震作用下的变形需求设计，使其在第一屈服段工作时不会进入工作状态，不影响第一屈服段的工作。在超大震作用下，结构层间位移角进一步变大，支撑变形进一步变大，达到夹持钢管两端长圆螺栓孔的长度，夹持钢管进入工作状态，保证了支撑的刚度，防止结构产生倒塌。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的侧视结构示意图。

图3是图1的另一侧视结构示意图。

图4是图1中端部结构示意图。

图5是图4中去掉钢管夹板的结构示意图。

图6是图5中去掉连接组件的结构示意图。

图7是图6中去掉夹持钢管和端部一侧的插板的结构示意图。

图8是本发明第一屈服钢板的结构示意图。

图9是本发明第二屈服钢板的结构示意图。

图10是图2中A-A剖面的结构示意图。

图11是图2中B-B剖面的结构示意图。

图12是图2中C-C剖面的结构示意图。

图13是本发明夹持钢管的结构示意图。

图14是本发明连接单元的结构示意图。

图15是本发明屈曲约束支撑的各屈服段滞回曲线图。

图16是本发明实施例屈曲约束支撑的各屈服段滞回曲线图。

图17是图16中的第一屈服段和第二屈服段的滞回曲线。

图18是图16中的总滞回曲线。

附图标记：1－第一屈服钢板、11－第一核心段、12－第一连接段、13－第一螺栓孔、2－第二屈服钢板、22－第二连接段、23－第二螺栓孔、3－外约束单元、31－夹持钢管、32－夹持钢管孔、321－核心螺栓孔、322－连接螺栓孔、4－连接单元、41－翼缘板、42－腹板、43－连接板、44－插板、45－插板螺栓孔、5－连接螺栓、6－核心单元、7－钢管夹板。

具体实施方式

实施例参见图1-3所示，一种全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，包括本体，所述本体包括核心单元6、外约束单元3和两端的连接单元4。

所述核心单元6包括分阶段屈服组合板，所述分阶段屈服组合板包括前后居中正对紧贴并固定连接的第一屈服钢板1和第二屈服钢板2，所述第一屈服钢板1的厚度小于第二屈服钢板2的厚度，所述第一屈服钢板1和第二屈服钢板2均是横截面为一字型的钢板。

所述本体的受力区沿纵向分为中部的核心区、核心区两侧的连接区。

参见图8所示，所述第一屈服钢板1包括位于核心区的第一核心段11和位于连接区的第一连接段12。参见图9所示，所述第二屈服钢板2包括位于核心区的第二核心段21和位于连接区的第二连接段22。

参见图4-7所示，所述第一核心段11的长度长于第二核心段21的长度。所述第一屈服钢板1与第二屈服钢板2的长度相同。所述第一核心段11的板宽小于第二核心段21的板宽，所述第一连接段12与第二连接段22的板宽相同。所述第一连接段12的板宽大于第一核心段11的板宽，所述第一核心段11的两端部与第一连接段12之间平滑过渡，所述第二连接段22的板宽大于第二核心段21的板宽，所述第二核心段21的两端部与第二连接段22之间平滑过渡。

参见图1-6、图12所示，所述外约束单元3包括分别夹设在核心单元前后两侧的一对夹持钢管31，还包括通长排列设置的固定拉接件和两端设置的钢管夹板7。

所述夹持钢管31的横截面形状为矩形，所述夹持钢管31的横截面高度与第一连接段12或第二连接段22的板宽相同。本实施例中，夹持钢管的高度大于其宽度。

参见图1-7、图10-12所示，所述固定拉接件是前后向拉接两侧构件的一组连接螺栓5，所述连接螺栓5沿本体的长度方向上下共设置两排，对应连接螺栓的位置所述核心单元6、外约束单元3和连接单元4上分别开有相应的连接孔，所述钢管夹板7设置在连接区位置夹持钢管31的上下两侧，并且紧贴居中固定连接在夹持钢管31的外侧表面。

所述第一屈服钢板1的第一连接段12上开有供连接螺栓穿过的第一螺栓孔13。所述第二屈服钢板2的第二连接段22上开有供连接螺栓穿过的第二螺栓孔23。所述夹持钢管31上开有供连接螺栓穿过的夹持钢管孔32。

参见图7所示，两排夹持钢管孔32的距离避开核心单元6设置即大于核心单元6位于核心区的最宽宽度。所述第一螺栓孔13为圆孔，所述第二螺栓孔23为长圆孔。参见图13所示，所述夹持钢管孔32包括位于核心区的核心螺栓孔321，还包括位于连接区的连接螺栓孔322，所述核心螺栓孔为圆孔，所述连接螺栓孔为长圆孔。所述连接螺栓孔322的长度大于第二螺栓孔23的长度。所述连接螺栓5在核心区穿过两侧的核心螺栓孔321并紧固。

所述钢管夹板7的长度等于连接区的长度，钢管夹板7的宽度等于核心单元6与外约束单元3的宽度之和。

参见图1-6、图14所示，所述连接单元4包括与外约束单元3固定连接的插板44，所述插板44共两块，分别自两根夹持钢管31的端口向内插入至夹持钢管31内，所述插板的尺寸与夹持钢管的尺寸相适应，所述插板的插入位置向两根夹持钢管31的中间紧靠，所述插板44上开有供连接螺栓在连接区穿过的插板螺栓孔45，两块插板的插板螺栓孔44上下正对，所述连接螺栓5在连接区穿过两侧的连接螺栓孔322、插板螺栓孔45以及第一螺栓孔13和第二螺栓孔23并紧固。

所述插板的外端面上分别固定连接有一连接板43，所述连接单元4还包括连接组件，所述连接板43与连接组件固定连接，所述连接组件与主结构固定连接。所述连接组件为工字钢件，包括翼缘板41和腹板42，所述腹板与插板空间平行，所述连接板43分别固定连接在腹板42的两侧，所述连接板的两端分别固定连接在翼缘板的内侧，所述连接板43的长度不小于插板44的宽度。本发明的屈曲约束支撑的耗能过程可以参见图15所示，其中l₁为第二螺栓孔23的长圆孔长度，l₂为连接螺栓孔322的长圆孔长度。

如图15所示的第一屈服段滞回曲线，第一屈服段的变形等于整个支撑的变形，且在第二屈服段未进入工作之前，第一屈服段的滞回曲线与屈曲约束支撑总的滞回曲线完全一致。

第二屈服段进入工作状态时的变形即为l₁，是第二螺栓孔23的长圆孔长度即第二屈服段长圆孔长度，l₁也是第一屈服段和第二屈服段之间的变形差。如图14所示，夹持钢管进入工作状态时的变形即为l₂ 是连接螺栓孔322的长圆孔长度，当屈曲约束支撑变形大于l₂ 时，夹持钢管进入工作状态，由图可以看出其刚度远大于第一核心段和第二核心段的屈服后刚度，提高结构抗倒塌能力。

如图16-18所示为某个实施例的滞回曲线图，横轴为轴线向变形，纵轴为轴力，其中图16为第一屈服段、第二屈服段和总滞回曲线图的叠加图。图17中只包括第一屈服段和第二屈服段的滞回曲线，是在地震来临时，第一屈服段本身的滞回曲线以及第二屈服段本身的滞回曲线的分别示意。图18中为总滞回曲线图，是在地震来临时整个屈曲约束支撑的总滞回曲线。

Claims (6)

1.一种全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，包括本体，其特征在于：所述本体包括核心单元（6）、外约束单元（3）和两端的连接单元（4），

所述核心单元（6）包括分阶段屈服组合板，所述分阶段屈服组合板包括前后居中正对紧贴并固定连接的第一屈服钢板（1）和第二屈服钢板（2），所述第一屈服钢板（1）的厚度小于第二屈服钢板（2）的厚度，所述第一屈服钢板（1）和第二屈服钢板（2）均是横截面为一字型的钢板，

所述本体的受力区沿纵向分为中部的核心区、核心区两侧的连接区，

第一屈服钢板承担第一屈服段，第一屈服钢板由低屈服点的钢材制成，

第二屈服钢板承担第二屈服段，第二屈服钢板由高屈服点的钢材制成，

所述第一屈服钢板（1）包括位于核心区的第一核心段（11）和位于连接区的第一连接段（12），

所述第二屈服钢板（2）包括位于核心区的第二核心段（21）和位于连接区的第二连接段（22），

所述第一核心段（11）的长度长于第二核心段（21）的长度，

所述外约束单元（3）包括分别夹设在核心单元前后两侧的一对夹持钢管（31），还包括通长排列设置的固定拉接件和两端设置的钢管夹板（7），

所述固定拉接件是前后向拉接两侧构件的一组连接螺栓（5），对应连接螺栓的位置所述核心单元（6）、外约束单元（3）和连接单元（4）上分别开有相应的连接孔，所述钢管夹板（7）设置在连接区位置夹持钢管（31）的上下两侧，并且紧贴居中固定连接在夹持钢管（31）的外侧表面，

所述第一屈服钢板（1）的第一连接段（12）上开有供连接螺栓穿过的第一螺栓孔（13），

所述第二屈服钢板（2）的第二连接段（22）上开有供连接螺栓穿过的第二螺栓孔（23），

所述夹持钢管（31）上开有供连接螺栓穿过的夹持钢管孔（32），

所述第一螺栓孔（13）为圆孔，所述第二螺栓孔（23）为长圆孔，

所述夹持钢管孔（32）包括位于核心区的核心螺栓孔（321），还包括位于连接区的连接螺栓孔（322），所述核心螺栓孔（321）为圆孔，所述连接螺栓孔（322）为长圆孔，所述连接螺栓孔（322）的长度大于第二螺栓孔（23）的长度，所述连接螺栓（5）在核心区穿过两侧的核心螺栓孔（321）并紧固，

所述连接单元（4）包括与外约束单元（3）固定连接的插板（44），所述插板（44）上开有供连接螺栓在连接区穿过的插板螺栓孔（45），所述连接螺栓（5）在连接区穿过两侧的连接螺栓孔（322）、插板螺栓孔（45）以及第一螺栓孔（13）和第二螺栓孔（23）并紧固，

所述第一屈服钢板（1）与第二屈服钢板（2）的长度相同，

所述第一核心段（11）的板宽小于第二核心段（21）的板宽，所述第一连接段（12）与第二连接段（22）的板宽相同，

所述夹持钢管（31）的横截面形状为矩形，所述夹持钢管（31）的横截面高度与第一连接段（12）或第二连接段（22）的板宽相同，

所述钢管夹板（7）的长度等于连接区的长度，钢管夹板（7）的宽度等于核心单元（6）与外约束单元（3）的宽度之和。

2.根据权利要求1所述的全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，其特征在于：所述第一连接段（12）的板宽大于第一核心段（11）的板宽，所述第一核心段（11）的两端部与第一连接段（12）之间平滑过渡。

3.根据权利要求1所述的全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，其特征在于：所述第二连接段（22）的板宽大于第二核心段（21）的板宽，所述第二核心段（21）的两端部与第二连接段（22）之间平滑过渡。

4.根据权利要求1所述的全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，其特征在于：所述连接螺栓（5）沿本体的长度方向上下共设置两排，两排夹持钢管孔（32）的距离避开核心单元（6）设置即大于核心单元（6）位于核心区的最宽宽度。

5.根据权利要求1所述的全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，其特征在于：所述插板（44）共两块，分别自两根夹持钢管（31）的端口向内插入至夹持钢管（31）内，所述插板的尺寸与夹持钢管的尺寸相适应，所述插板的插入位置向两根夹持钢管（31）的中间紧靠，两块插板的插板螺栓孔（45）上下正对，所述插板的外端面上分别固定连接有一连接板（43），所述连接单元（4）还包括连接组件，所述连接板（43）与连接组件固定连接，所述连接组件与主结构固定连接。

6.根据权利要求5所述的全钢双屈服点免断裂屈曲约束支撑，其特征在于：所述连接组件为工字钢件，包括翼缘板（41）和腹板（42），所述腹板与插板空间平行，所述连接板（43）分别固定连接在腹板（42）的两侧，所述连接板的两端分别固定连接在翼缘板的内侧，所述连接板（43）的长度不小于插板（44）的宽度。

Images