CN113187117A - 一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，涉及土木工程技术领域，采用四周角形约束板与矩形垫板通过高强螺栓将十字形耗能内芯包裹其中，可以为支撑整体提供较大的抗弯刚度、抗平面外屈曲和失稳破坏的能力，滞回性能优异。支撑在受到往复荷载时能够快速进入塑性耗能状态，更大程度的消耗地震能量，而且耗能内芯的材料为铝合金，能一定程度上减轻结构自重，适用于空间跨度较大的结构。该支撑的约束及连接部件均采用成型钢切割，加工方便，该结构采用装配式，安装拆卸方便，震后耗能内芯可更换，经济效益和社会效益突出。

Description

一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其涉及一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑。

背景技术

地震是一种不可抗力的自然灾害，目前的科技水平及所掌握的技术手段还无法精准预测，经常会造成严重的破坏。从而造成人员伤亡和财产损失，也是构筑物倒塌和破坏的最主要因素之一。传统的抗震设计方法，是通过加强结构的侧向刚度，以结构的塑性变形消耗地震能量，建筑物刚度大，受地震作用大，这种抗震方式既不经济也不安全。因此，建筑结构的抗震研究变得十分重要。

屈曲约束支撑能够在小震时为结构提供侧向刚度，减小结构层间位移角和变形，在大震时能成为“保险丝”构件，通过屈服进行耗能，经自身的破坏对其他结构构件进行保护。并且，在大震后也能方便的更换已损坏的屈曲约束支撑，给震后结构的修复提供便利。以屈曲约束支撑代替传统抗震设计，由于其良好的抗震效果，能大大减小梁柱构件的截面面积，节省建筑材料，从而降低工程造价，绿色环保。

目前屈曲约束支撑存在三种主要形式，第一种为传统的屈曲约束支撑，采用钢管内填充砂浆的约束形式，这种形式的支撑制作复杂且自重较大，而且损坏后不可修复；第二种为全钢整体式的屈曲约束支撑，此种支撑能一定程度上减轻自重，构造相对简单，但是依然无法在损坏后进行修复；第三种为装配式屈曲约束支撑，其构造简单，震后可对内芯进行更换。

目前屈曲约束支撑的研究存在以下几点问题，一是支撑自重大限制了其使用范围，无法用于空间跨度较大或轻质的结构；二是耗能内芯的无约束连接段易破坏导致支撑无法充分发挥其耗能能力；三是在外荷载过大或者荷载循环次数增多时，由于支撑弱轴向抗弯刚度不够会导致耗能内芯发生平面外的屈曲或整体失稳破坏；四是震后无法更换损坏的内芯，材料利用率低，不经济也不环保。

铝合金是常见金属，其自重轻、耐腐蚀、取材加工方便。铝合金屈服点较低，其屈强比远小于普通钢，材料可靠性高，利用空间大，铝合金内芯的屈曲约束支撑能较早进入耗能状态并且有更强的耗能能力。以铝合金代替钢作为屈曲约束支撑的耗能内芯可以实现建筑的低碳、节能、环保以及增大建筑使用空间的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，以解决上述技术问题。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：

一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，包括十字形耗能内芯，十字形耗能内芯的上下及左右两侧平行设置约束板，所述十字形耗能内芯的左右两侧平行设置平行矩形垫板，上下两侧平行设置竖直矩形垫板，所述约束板与平行矩形垫板、竖直矩形垫板之间通过高强螺栓连接，所述十字形耗能内芯的端部通过高强螺栓分别与半十字型连接板连接。

作为一种优选，所述十字形耗能内芯的侧面中心位置处设置限位卡口，所述平行矩形垫板的侧面中心位置处设置限位槽，通过限位装置的设置来限制耗能内芯在工作时的横向位移。

作为一种优选，所述限位卡口与限位槽为半椭圆形，所述限位卡口的尺寸为短轴长8-12mm、长短轴比为1.8-2，所述限位槽的短轴尺寸比限位卡口大1-2mm，长轴尺寸小1-2mm。

作为一种优选，所述约束板为角形板，相邻两个约束板之间设置矩形垫板，所述约束板和平行矩形垫板、竖直矩形垫板之间通过高强螺栓连接，连接成十字形，空心筒状，将十字形耗能内芯包裹空心筒内。

所述约束及连接部分，制作时均采用成型钢切割和定位打孔即可，无需开模定制，制作方便经济。所述约束板及矩形垫板之间通过高强螺栓连接形成十字形空心筒结构将耗能内芯包裹其中。

作为一种优选，所述半十字型连接板由两块角形板通过高强螺栓连接而成，其中上面两块角形板通过螺栓连接成半十字型，下面两块角形板通过螺栓连接成半十字型，两块半十字型连接板与十字形耗能内芯通过高强螺栓相连，使得约束支撑的两端形成十字型，便于与结构框架相连接。所述高强螺栓由螺母、螺杆和垫片组成。

作为一种优选，所述平行矩形垫板与竖直矩形垫板的厚度大于十字形耗能内芯的厚度，所述约束板与十字形耗能内芯间形成间隙，所述十字形耗能内芯与约束板之间不设置无粘结材质。

作为一种优选，所述约束板与十字形耗能内芯间形成间隙，所述十字形耗能内芯与约束板之间不设置无粘结材质，所述无粘结材质为橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶。

作为一种优选，所述十字形耗能内芯由铝合金制作，约束及连接部分由钢材制作。

作为一种优选，所述十字形耗能内芯采用A5083、A6061铝合金所制，铝合金屈服点较低，往复荷载作用下的极限荷载适中，屈强比很小，能较早进入耗能状态并且有更强的耗能能力，所述约束板，半十字型连接板，矩形垫板均采用Q355、Q390等钢材所制。

作为一种优选，所述十字形耗能内芯为平板，平板上下两侧设置加劲板，所述十字形耗能内芯耗能区进行开孔处理，开孔布置为2排、7-11列，开孔尺寸宽度为5-10mm、长度为60-90mm。

作为一种优选，所述十字形耗能内芯和端部连接螺栓上均喷涂有SPUA材料或其他绝缘材料，以防止钢材与铝合金之间产生电位腐蚀。

作为一种优选，所述的十字形耗能内芯为平板上下两侧设置加劲板，可以增大支撑的抗弯刚度，防止支撑发生平面外屈曲或失稳破坏；所述十字形耗能内芯的耗能区进行开孔处理，开孔可以实现耗能内芯的定位屈曲，减小连接部分的受力，防止无约束部分的连接段先破坏导致支撑无法继续工作。

作为一种优选，所述十字形耗能内芯的中心耗能段与全长的长度比为0.65-0.75；所述十字形耗能内芯的宽厚比为5-10；所述十字形耗能内芯的耗能区开孔布置为2排、7-11列，开孔尺寸宽度为5-10mm、长度为60-90mm；，所述限位卡口与限位槽为半椭圆形，所述限位卡口的尺寸为短轴长8-12mm、长短轴比为1.8-2，所述限位槽的短轴尺寸比限位卡口大1-2mm，长轴尺寸小1-2mm；所述高强螺栓的间距为60-100mm，所述矩形垫板的厚度比十字形耗能内芯的厚度大2-4mm。

本发明提出的一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，此支撑采用的铝合金材料更轻质，能够适用于空间跨度较大的结构；此支撑的耗能内芯采用十字形，有效避免了支撑发生平面外屈曲或失稳破坏；此支撑的耗能内芯耗能区进行开孔起到了加强内芯端部的作用，使支撑在地震时能充分耗能，避免端部首先破坏，支撑的滞回性能优异；此支撑的约束及连接部件均采用成型钢切割，加工方便，该结构采用装配式，安装拆卸方便，震后耗能内芯可更换，提高材料利用率，经济环保。

本发明的有益效果是：

1.本发明所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，采用约束板及矩形垫板通过高强螺栓连接并将十字形耗能内芯包裹其中，可以为支撑提供较大的抗弯刚度，能有效控制十字形耗能内芯的变形，使其在受拉、压两种状态时，维持在屈服状态而不发生屈曲，确保约束支撑在循环往复荷载作用下，通过自身屈服耗散地震能量，保证结构的安全稳定。

2.耗能内芯采用铝合金所制，能减轻整个结构的自重，适合用于轻质结构和空间跨度大的区域。

3.该支撑的十字形耗能内芯为平板上下两侧设置加劲板，可以增大支撑的抗弯刚度，防止支撑发生平面外屈曲或失稳破坏；该支撑的十字形耗能内芯进行开孔处理，开孔可以实现耗能内芯的定位屈曲，减小连接部分的受力，达到增强连接部分的作用，防止无约束部分的连接段先破坏导致支撑无法继续工作。

4.该支撑的约束及连接部分全部为型钢切割制作，根据支撑的长度不同可选用不同型号的角型钢和钢板直接加工，无需定制模板，制作简单，减少造价，易于批量生产。

5.采用全装配式结构，安装方便，现场作业量少，能提高钢结构施工效率，震后内芯可以更换，提高材料利用率，具有较好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的整体轴侧分解图；

图2为本发明的立体示意图；

图3为本发明的主视图；

图4为本发明的俯视图；

图5为本发明的侧视图；

图6为图3沿A-A线的剖视图；

图7为图4沿B-B线的剖视图；

图8为图3沿C-C线的剖视图；

图9a为支撑的耗能曲线图(荷载-位移滞回曲线)；

图9b为支撑的耗能曲线图(荷载-位移骨架曲线)。

其中：十字形耗能内芯-1，约束板-2，平行矩形垫板-3，竖直矩形垫板-4，半十字型连接板-5，限位卡口-6，限位槽-7，高强螺栓-8。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。

下面结合附图1-9(图9a、图9b)描述本发明的具体实施例。

本发明一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，包括十字形耗能内芯1,为中间窄过渡到两头宽的形式，在该十字形耗能内芯1的上下及左右两侧平行设置约束板2,在该十字形耗能内芯1的左右两侧平行设置平行矩形垫板3,在该十字形耗能内芯1的上下两侧平行设置竖直矩形垫板4,在十字形耗能内芯1侧面中间处设有限位卡口6,平行矩形垫板3与限位卡口6相对应的中间位置设有限位槽7，限位装置的设置将十字形耗能内芯1固定住，限制耗能内芯在工作时的横向位移。约束板2两端分别设置有半十字型连接板5,半十字型连接板5通过高强螺栓8将十字形耗能内芯1固定连接在中间，约束板2与平行矩形垫板3、竖直矩形垫板4通过高强螺栓8连接，把十字形耗能内芯1包裹固定在中间，平行矩形垫板3和竖直矩形垫板4的厚度大于十字形耗能内芯1的厚度，使内芯和约束板之间形成间隙，减少约束板与内芯的摩擦。

半十字型连接板5通过高强螺栓8与十字形耗能内芯1连接，使十字形耗能内芯1的两端分别成十字形状结构。

上约束板2为角形约束板，每块约束板与矩形垫板之间通过高强螺栓8连接，约束板2与十字形耗能内芯1的接触面积大，可以为支撑提供较大刚度以及对耗能内芯有足够的约束力。

十字形耗能内芯1与约束板2之间不使用无粘结材料，主要由于内芯失稳后所需侧向支撑力较小，且内芯和约束板之间有间隙，约束板与内芯的摩擦力小，于是可不使用无粘结材料。

十字形耗能内芯1使用A5083、A6061铝合金，其余均使用Q355、Q390等钢材。

十字形耗能内芯1和半十字型连接板5处的高强螺栓8上均喷涂SPUA材料或其他绝缘材料，防止钢材与铝合金之间的电位腐蚀。

本发明一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其工作时，在受到地震作用时，该支撑十字形耗能内芯1可以快速进入塑性耗能状态，防止局部发生屈曲破坏，约束板2、平行矩形垫板3及竖直矩形垫板4包裹着十字形耗能内芯1,防止十字形耗能内芯1发生整体屈曲破坏、平面外屈曲破坏和平面外失稳破坏，约束板2、平行矩形垫板3及竖直矩形垫板4只起到约束十字形耗能内芯1变形的作用，并不与十字形耗能内芯1共同承受外部传来的荷载作用。

在受拉过程中，十字形耗能内芯1受拉变形，与普通支撑的力学性能基本一致，且通过限位卡口6和限位槽7带动约束板2、平行矩形垫板3和竖直矩形垫板4一起发生位移，在受压过程中，十字形耗能内芯1受压变形，由于约束板2、平行矩形垫板3和竖直矩形垫板4的存在，十字形耗能内芯1只发生屈服而不屈曲或只发生多波小幅屈曲破坏，变形稳定，滞回性能优异，支撑在往复的拉压过程中耗散地震能量，具有良好的耗能减震效果。

本发明中铝合金的屈服点较低，仅适用于耗能内芯，不适用于约束单元，其较低的屈服点不能起到良好的约束作用，会在承受耗能内芯传来的挤压力时发生变形，导致支撑整体屈曲，钢材的价格便宜且屈服点较高，约束及连接部分采用钢材为更优选择。

本发明中耗能内芯开孔采用的理论为“内芯削弱相当于端部加强”，支撑的耗能内芯耗能区开孔避免了端部破坏导致的支撑耗能能力不能充分发挥的问题，起到了使支撑在小位移下定位屈服和应力分布规律的作用，滞回曲线更光滑，而长条形的开孔形式、提出的开孔布置及尺寸范围有利于实现本发明的最佳性能。

本发明仅设置一组限位卡口和限位塞，设置于十字形耗能内芯中间和平行矩形垫板中间，其作用为连接耗能内芯与约束部分，使约束部分可与耗能内芯共同移动，限位卡口主要受移动过程中平行矩形垫板对其的剪力，限位装置过多会导致耗能内芯承受剪力过多，影响其受力状态和多波屈曲的变形状态，从而影响支撑的滞回性能。

本发明采用的十字形耗能内芯相比于一般的平板耗能内芯，增强了支撑的弱向抗弯能力，使得支撑可以设置更长的耗能区长度，防止支撑在承受较大荷载时发生平面外屈曲或是失稳破坏，增强了支撑的耗能能力。

实施例一

根据框架的尺寸和屈曲约束支撑在框架中的布置方式确定支撑的整体长度，支撑的整体长度即十字形耗能内芯1的长度。根据十字形耗能内芯1的长度确定十字形耗能内芯1的中心耗能段长度和连接段长度，十字形耗能内芯1的中心耗能段与全长的长度比为0.75。根据支撑的设计承载力确定十字形耗能内芯1的宽度和厚度，十字形耗能内芯1的宽厚比为10。

根据十字形耗能内芯1的连接段长度确定半十字型连接板5的尺寸，根据十字形耗能内芯1的中心段长度确定平行矩形垫板3和竖直矩形垫板4的长度，根据十字形耗能内芯1的厚度确定平行矩形垫板3和竖直矩形垫板4的厚度，平行矩形垫板3和竖直矩形垫板4的的厚度比十字形耗能内芯1的厚度大2mm。

根据平行矩形垫板3和竖直矩形垫板4的的尺寸确定约束板2的尺寸，根据约束板2的长度确定和螺栓间距确定螺栓孔数量，高强螺栓的间距一般为90mm。

实施例二

下面对本发明的屈曲约束支撑的性能进行说明，利用有限元分析软件ABAQUS对支撑进行有限元分析。(构件尺寸单位均为：mm)

全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑的尺寸如下：十字形耗能内芯的全长为2000，厚度为10，宽度为100，中心耗能段长度为1500，连接段长度为250，加劲板厚度为10，长度为1500，宽度为45，开两排七列长条形孔；平行矩形垫板的长度为1500，宽度为48，厚度为12；竖直矩形垫板的长度为1500，宽度为33，厚度为12；约束板采用长度为1500，截面尺寸为L100×80×10的角型钢；半十字型连接板采用长度为260，截面尺寸为L100×100×14的角型钢。螺栓采用8.8级摩擦型高强度螺栓。

支撑的耗能曲线，荷载-位移滞回曲线如图9a所示，荷载-位移骨架曲线如图9b所示。

表1支撑的基本性能参数

由图9a可知，全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑的滞回曲线整体饱满均匀，耗能性能稳定。由图9b可知，全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑的骨架曲线呈上升趋势，在加载位移内承载力不断提高，拉压均匀，支撑受力良好。有限元分析结果显示，十字形耗能内芯受压进入多波屈曲状态，中心耗能区应力较大，耗能内芯开孔部分先进入屈服状态，然后整体逐渐进入屈服状态，端部应力相对较小，不会屈服，十字形耗能内芯设计合理，铝合金材质的耗能内芯可以使支撑更早进入屈服状态进行耗能，对耗能内芯开孔能达到定位屈服和增强连接段强度的作用，耗能内芯受力性能良好。约束板应力较小，整体应力均没有超过95MPa，约束板可以为十字形耗能内芯提供足够的约束力。由表1可知，支撑耗能系数达到了2.981，等效粘滞阻尼比达到了0.494，耗能性能优异，拉压不均匀系数为1.023，小于美国钢结构建筑抗震设计规范AISC-341(16)规定的1.3，支撑在受拉和受压过程中受力十分均匀。可以看出，全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑有良好的滞回性能，是一种优异的耗能构件。

Claims (10)

1.一种全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：包括十字形耗能内芯(1)，十字形耗能内芯(1)的上下及左右两侧平行设置约束板(2)，所述十字形耗能内芯(1)的左右两侧平行设置平行矩形垫板(3)，上下两侧平行设置竖直矩形垫板(4)，所述约束板(2)与平行矩形垫板(3)、竖直矩形垫板(4)之间通过高强螺栓(8)连接，所述十字形耗能内芯(1)的端部通过高强螺栓(8)分别与半十字型连接板(5)连接。

2.根据权利要求1所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：所述十字形耗能内芯(1)的侧面中心位置处设置限位卡口(6)，所述平行矩形垫板(3)的侧面中心位置处设置限位槽(7)。

3.根据权利要求2所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：所述限位卡口(6)与限位槽(7)为半椭圆形，所述限位卡口(6)的尺寸为短轴长8-12mm、长短轴比为1.8-2，所述限位槽(7)的短轴尺寸比限位卡口(6)大1-2mm，长轴尺寸小1-2mm。

4.根据权利要求1所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：所述约束板(2)为角形板，相邻两个约束板(2)之间设置矩形垫板，所述约束板(2)和平行矩形垫板(3)、竖直矩形垫板(4)之间通过高强螺栓(8)连接，连接成十字形，空心筒状，将十字形耗能内芯(1)包裹空心筒内。

5.根据权利要求1所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：所述半十字型连接板(5)由两块角形板通过高强螺栓(8)连接而成。

6.根据权利要求1所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：所述平行矩形垫板(3)与竖直矩形垫板(4)的厚度大于十字形耗能内芯(1)的厚度。

7.根据权利要求6所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：所述约束板(2)与十字形耗能内芯(1)间形成间隙，所述十字形耗能内芯(1)与约束板(2)之间不设置无粘结材质，所述无粘结材质为橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶。

8.根据权利要求1所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：所述十字形耗能内芯(1)由铝合金制作，约束及连接部分由钢材制作。

9.根据权利要求1所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：所述十字形耗能内芯(1)为平板，平板上下两侧设置加劲板，所述十字形耗能内芯(1)耗能区进行开孔处理，开孔布置为2排、7-11列，开孔尺寸宽度为5-10mm、长度为60-90mm。

10.根据权利要求1所述的全角钢约束的铝合金内芯装配式屈曲约束支撑，其特征在于：所述十字形耗能内芯(1)和端部连接螺栓上均喷涂有SPUA材料或其他绝缘材料，以防止钢材与铝合金之间产生电位腐蚀。

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