CN114263289A - 一种具备耗能承载双功能的抗震构件及缓冲器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备耗能承载双功能的抗震构件及缓冲器。抗震构件包含芯轴，所述芯轴上连接有第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件的悬挑段和所述第二支撑件的悬挑段分别设置于所述芯轴两侧，所述第一支撑件和第二支撑件之间的夹角小于180°。本构件可直接用于建筑框架结构的斜撑构件，用圆管扭转耗能模式取代了传统BRB构件的轴向拉压的耗能模式，消除了支撑构件受压屈曲的问题，简化了钢结构耗能斜撑的构造，无需设置外在约束构件，减少用钢量，避免填充砂浆，有效缩短安装工期，提高构件的可靠性，大大降低构件的制造成本，具有广泛的应用前景。

Description

一种具备耗能承载双功能的抗震构件及缓冲器

技术领域

本发明涉及结构减隔震技术领域，特别涉及一种具备耗能承载双功能的抗震构件及缓冲器。

背景技术

目前钢结构抗震中同时具备侧向支撑及耗能能力的部件中应用最广的是防屈曲支撑（BRB）构件，该类构件一般采用屈服强度较低的塑性金属材料作为内芯，并通过约束部件（通常为内填砂浆的钢管）以及二者之间的无粘结材料或者间隙所构成；其中，塑性金属内芯与主体结构相连接，在结构承受地震作用时提供侧向支撑力，并利用内芯的塑性变形进行耗能；约束部件主要作用是抑制金属内芯在受压时发生屈曲失稳，保证金属内芯在受压时可达到全截面屈服，增强内芯的耗能能力；无粘结材料则是为了消除金属内芯和约束部件之间的轴力传递。但该类构件构造较为复杂，尤其是进行钢管内部砂浆填充时施工质量难以保证，并且，上述防止内芯屈曲的构造措施也导致BRB构件的用钢量和成本偏高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的防屈曲支撑构件存在的构造较为复杂、用钢量较大、内部砂浆填充时施工质量难以保证等缺点，提供一种具备耗能承载双功能的抗震构件及缓冲器。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种具备耗能承载双功能的抗震构件，包含芯轴，所述芯轴上连接有第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件的悬挑段和所述第二支撑件的悬挑段分别设置于所述芯轴两侧，所述第一支撑件和第二支撑件之间的夹角小于180°。

该夹角为初始夹角，优选的，所述夹角为90°-160°。

采用本发明所述的一种具备耗能承载双功能的抗震构件，核心部件采用芯轴作为耗能构件，相对设置的第一支撑件和第二支撑件可分别用于连接主体结构的对应位置，与现有的BRB构件与主体结构上的转动连接方式保持一致，形成沿框架对角线的斜向支撑结构，所述第一支撑件的悬挑段和所述第二支撑件的悬挑段相对设置于所述芯轴两侧，所述第一支撑件和第二支撑件之间的夹角小于180°，即使得抗震构件形成折线型的结构，当第一支撑件的悬挑端（远离芯轴的一端）和第二支撑件的悬挑端（远离芯轴的一端）受到外荷载作用时，第一支撑件的悬挑端和第二支撑件的悬挑端之间的相对位置会发生变化，使第一支撑件和第二支撑件之间的夹角发生改变，进而能够使芯轴产生扭转变形，从而产生扭矩，该扭矩又会使得支撑杆产生弯矩和轴力，从而抵抗外荷载作用，使得构件具有承载能力。

各构件的参数根据设计需求进行确定，通过调节第一支撑件和第二支撑件的刚度、芯轴的结构尺寸以及初始夹角可在外荷载作用超过某一临界值后实现芯轴进入全截面塑性状态，面内扭转剪应力处处相等，而第一支撑杆件和第二支撑杆件均处于弹性范围。充分利用了金属材料的塑性耗能性能，达到消耗地震能量的效果，所以该构件又具有耗能抗震的能力，从而具备耗能承载的双功能。本构件突破了传统BRB构件的轴向拉压的耗能模式，消除了支撑构件受压屈曲的问题，简化了钢结构耗能斜撑的构造，无需设置外在约束构件，减少用钢量，避免填充砂浆，有效缩短安装工期，提高构件的可靠性，大大降低构件的制造成本，具有广泛的应用前景。

优选的，所述芯轴为管结构。

进一步优选的，所述芯轴为圆管，所述圆管的外直径与壁厚的比值小于8。

进一步降低用钢量，同时，通过厚壁保证有效的耗能能力又避免芯轴发生局部屈曲，保证构件的可靠性，并且可以降低各个部件的用钢量。

优选的，所述第一支撑件和第二支撑件均为空心杆件。

相对于实心构件，利于进一步降低用钢量，截面形式可采用如圆形、矩形等，其尺寸、壁厚根据长度、承载力需求等确定。

进一步优选的，所述第一支撑件和第二支撑件的形状尺寸均相同的等截面构件。

优选的，所述第一支撑件通过套设于所述芯轴中部的第一连接套连接所述芯轴，所述第二支撑件分别通过套设于所述芯轴对应端部的两个第二连接套连接所述芯轴，所述第一支撑件和第二支撑件相对设置。

优选的，所述第一支撑件能够替换为通过第一连接套固定套设于所述芯轴的一端部，所述第二支撑件能够替换为通过第二连接套固定套设于所述芯轴的另一端部。所述第一支撑件和第二支撑件分别位于所述芯轴的两端，错位布置。

优选的，所述芯轴能够替换为两个，所述第一支撑件和第二支撑件分别连接于对应的所述芯轴，两个所述芯轴通过连接件连接。

所述芯轴与连接件固定连接，所述第一支撑件和第二支撑件分别带动对应的所述芯轴发生扭转变形。

进一步优选的，所述第一支撑件的悬挑端和第二支撑件的悬挑端均具有安装孔。

可通过安装孔连接插销进行安装，有效提升安装效率。所述安装孔也可以用于安装芯轴。

一种缓冲器，包含两个相对设置的如上述任一所述的具备耗能承载双功能的抗震构件，两个第一支撑件的悬挑端通过连接件连接，两个第二支撑件的悬挑端通过连接件连接，所述第一支撑件的悬挑端和第二支撑件的悬挑端均与对应的所述连接板转动连接。

采用本发明所述的一种缓冲器，当相对的两个连接件的相对位置发生变化时，能够使所述芯轴发生扭转变形进而耗能，有效实现缓冲。目前火箭和空投重物的着陆保护，或者为保护地面和结构不受高速下落的重物损毁，都需要大行程高耗能的缓冲器，目前这类缓冲器一般使用泡沫铝作为耗能材料，但其只能一次性使用且难以建立准确的计算模型，采用本申请的缓冲器计算模式明确；通过加大支撑件的长度，可以增加行程和耗能；并且一般情况下只有芯轴发生扭转，其它部件不会破坏，延性好的金属芯轴还可以强制恢复变形，从而可以多次使用。

优选的，两个所述抗震构件的开口相向设置。利于进一步降低用钢量。

进一步优选的，所述第一支撑件的悬挑端和所述第二支撑件的悬挑端均能够替换为通过芯轴固定连接于所述连接件。

即两端均采用芯轴，有效增强耗能能力。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用本发明所述的一种具备耗能承载双功能的抗震构件，第一支撑件的悬挑端和第二支撑件的悬挑端之间的相对位置会发生变化，使第一支撑件和第二支撑件之间的夹角发生改变，进而能够使芯轴产生扭转变形，从而产生扭矩，该扭矩又会使得支撑杆产生弯矩和轴力，从而抵抗外荷载作用，使得构件具有承载能力；在外力作用下，芯轴的截面将进入塑性屈服状态，达到消耗地震能量的效果，所以该构件又具有耗能抗震的能力，从而具备耗能承载的双功能。

2、本构件用扭转耗能模式取代了传统BRB构件的轴向拉压的耗能模式，消除了支撑构件受压屈曲的问题，简化了钢结构耗能斜撑的构造，无需设置外在约束构件，减少用钢量，避免填充砂浆，有效缩短安装工期，提高构件的可靠性，大大降低构件的制造成本。

3、用钢量低且芯轴不会发生局部屈曲，构件的可靠性高。

4、采用本发明所述的一种缓冲器，设计计算模式明确；通过加大支撑件的长度，可以增加行程和耗能；并且一般情况下只有芯轴发生扭转，其它部件不会破坏，延性好的金属芯轴还可以强制恢复变形，从而可以多次使用。

附图说明：

图1为实施例1的一种具备耗能承载双功能的抗震构件的结构示意图；

图2为图1的结构俯视图；

图3为实施例1的一种具备耗能承载双功能的抗震构件的使用示意图；

图4为实施例2的一种具备耗能承载双功能的抗震构件的结构示意图；

图5为图4的结构俯视图；

图6为实施例3的一种缓冲器的结构示意图；

图中标记：1-芯轴，21-第一支撑件，22-第二安装板，31-第一连接套，32-第二连接套，4-安装孔，5-连接件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种具备耗能承载双功能的抗震构件，如图1-2所示，包含芯轴1，所述芯轴1连接有第一支撑件21和第二支撑件22，所述第一支撑件21的悬挑段和所述第二支撑件22的悬挑段分别设置于所述芯轴1两侧，所述第一支撑件21和第二支撑件22宜相对布置，即尽量位于同一平面内，以保证芯轴1只发生扭转变形，所述第一支撑件21和第二支撑件22之间的夹角小于180°，形成如图1所示的折线型结构，所述第一支撑件21和第二支撑件22之间的夹角根据耗能需求、应用场景等进行设计，所述芯轴1上可设置不止一个所述第一支撑件21和第二支撑件22。

具体的，芯轴1的材料、结构参数根据构件变形和耗能需求确定，如采用钢制构件，所述芯轴1可采用实心构件或空心构件，优选的，所述芯轴1采用圆形截面的空心管结构，其壁厚、直径根据耗能及承载的需求确定，所述圆管的外直径与壁厚的比值小于8，进一步降低用钢量，同时，避免芯轴1发生局部屈曲，保证构件的可靠性，当然在一些场景下也可以采用其他的截面形式。所述第一支撑件21和第二支撑件22之间的夹角为初始安装夹角，如可根据抗震设计给定的框架层间容许弹性位移角和塑性位移角进行设计，使得第一支撑件21和第二支撑件22内的轴力处于合理状态；在超过容许弹性变形位移角时，使芯轴1及时进入塑性屈服耗能区，并且在塑性变形容许位移角内，芯轴1产生尽可能大的扭转应变，以达到最佳耗能效果。

优选的，所述第一支撑件21和第二支撑件22均为空心杆件，结构支撑性好且用钢量低，截面形式可以为圆形、矩形，也可以选择工字型等，为便于设计，所述第一支撑件21和第二支撑件22的宜为形状尺寸相同的等截面构件。所述第一支撑件21和第二支撑件22可通过如焊接的方式连接所述芯轴1，本实施例中，所述第一支撑件21通过第一连接套31固定套设于所述芯轴1的中部，所述第二支撑件22通过两个第二连接套32固定套设于所述芯轴1，两个所述第二连接套32分别对称设于所述第一连接套31两侧，所述第一支撑件21和第二支撑件22均位于所述芯轴1的中部共面设置，进一步保证构件的稳定性，优选的，两个所述第二连接套32分别位于所述芯轴1的对应端部，以进一步降低用钢量，如图2所示。第一连接套31和第一支撑件21之间的连接处、第二连接套32和第二支撑件22之间的连接处，均要承受一定的弯矩，可以通过增强局部刚度解决。

使用时，与主体结构的转动连接方式与现有的直线型BRB构件一致，形成斜向的对角安装，本实施例以框架结构建筑为例，如图3所示，所述第一支撑件21转动连接于下层框架左侧，所述第二支撑件22转动连接于上层框架右侧，所述第一支撑件21和第二支撑件22的连接位置也可以左右侧互换、上下层互换，但不再是核心构件（耗能构件）两端直接连接主体结构。所述第一支撑件21和第二支撑件22之间的夹角宜为140°-150°，以利于本构件的斜向布置安装和在水平力下的剪切变形，所述第一支撑件21和第二支撑件22的远端能够转动，为便于安装，所述第一支撑件21的远端和第二支撑件22的远端均具有安装孔4，如通过设置连接板，在连接板上设置安装孔4，通过销钉穿设安装孔4与框架结构上的节点板的连接孔进行连接，安装效率高。

当第一支撑件21的下端和第二支撑件22的上端因水平荷载发生剪切变形时，两端之间的相对位置会发生变化，使第一支撑件21和第二支撑件22之间的夹角发生也改变，进而能够使芯轴1产生扭转变形，从而产生扭矩，该扭矩又会使得支撑杆产生弯矩和轴力，从而抵抗外荷载作用，使得构件具有承载能力；在地震水平力的作用下，芯轴1的截面将进入塑性屈服状态，充分利用了金属材料的塑性耗能性能，达到消耗地震能量的效果，所以该构件又具有耗能抗震的能力，从而具备耗能承载的双功能。本构件突破了传统BRB构件的轴向拉压的耗能模式，采用扭转耗能的支撑结构，消除了支撑构件受压屈曲的问题，简化了钢结构耗能斜撑的构造，无需设置外在约束构件，减少用钢量，避免填充砂浆，有效缩短安装工期，提高构件的可靠性，大大降低构件的制造成本，具有广泛的应用前景。

以芯轴1采用Q235钢材为例，其拉伸屈服强度约为305MPa，扭转屈服强度约为220MPa。若采用现有的直线型BRB构件，取屈服耗能段长度1650mm，面积419mm²，过渡段（核心构件的外伸段和屈服段之间的部分）长度1120mm，防屈曲套管为200*100*10mm，整体用钢量约为180kg；屈服荷载（支撑力）为127.8kN，假定直线型BRB构件伸长率为2%，则单程做功约为7.05kJ。若采用本申请的抗震构件，取芯轴1的内径40mm、外径80mm，长度160mm，初始张开角150°，取图4中安装孔4的中心距离2770mm，则整体用钢量约为140kg，明显减少用钢量，屈服扭矩为51.6kN*m，对应的最大支撑力为209.44kN；假定连接端伸长率为2%，则单程做功约为8.92kJ，综上，本发明的抗震构件的各项性能均优于现有的BRB构件。

另外的，所述第二支撑件22也可只连接一个所述第二连接套32，所述第一连接套31和第二连接套32也可分别套设于所述芯轴1的两端部，使所述第一支撑件21和第二支撑件22错位布置。

实施例2

一种具备耗能承载双功能的抗震构件，其结构与实施例1大致相同，其不同之处在于，所述芯轴1能够替换为两个，所述第一支撑件21和第二支撑件22分别连接于对应的所述芯轴1，两个所述芯轴1通过连接件5连接，如图4-5所示，所述第一支撑件21和第二支撑件22仍对称设置，所述第一连接套31与第二连接套32可以是实施例1中所述第一连接套31相同的结构，均套设于对应芯轴1的中部，所述连接件5可采用槽型结构件，两个所述芯轴1均固定连接槽型结构件的两个侧板，所述第一支撑件21和第二支撑件22分别带动对应的所述芯轴1发生扭转变形。

实施例3

一种缓冲器，包含相对设置的两个如实施例1或2所述的具备耗能承载双功能的抗震构件，两个第一支撑件21的悬挑端通过连接件5连接，两个第二支撑件22的悬挑端通过连接件5连接，也可以是所述第一支撑件21的悬挑端和另一个抗震构件的所述第二支撑件22的悬挑端通过连接件5连接，所述第一支撑件21的悬挑端和第二支撑件22的悬挑端均与对应的所述连接板5转动连接，如均通过销轴穿设安装孔4连接所述连接板5。两个所述抗震构件宜采用相同的结构，如均为实施例1中的第一支撑件21和第二支撑件22套设于同一个所述芯轴1的结构或均为实施例2中的第一支撑件21和第二支撑件22分别套设于一个所述芯轴1的结构。

如图6所示，左右两侧各为一个如实施例2所述的抗震构件，两个所述抗震构件的开口相向设置，也可以背向设置，两个抗震构件之间通过连接件5连接，所述连接件5可采用与实施例2相同的槽型结构件，在具体使用时，可以是所述抗震构件内部的两个连接件5（图6中左右两侧的）用于发生相对位置变化，也可以是用于连接两个抗震构件的连接件5（图6中上下两侧的）用于发生相对位置变化。如用于地面上的竖向缓冲，则图6中下侧的连接件5固定连接地面、上侧的连接件5用于承载外部冲击，对应的，这两个连接件5的底板宜加宽设置，如图6中所示。

另外的，所述第一支撑件21的悬挑端和所述第二支撑件22的悬挑端均能够替换为通过芯轴1固定连接于所述连接件5，即图中的安装孔4的位置可采用芯轴1连接对应的连接件5，利于增强耗能能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具备耗能承载双功能的抗震构件，其特征在于，包含芯轴(1)，所述芯轴(1)上连接有第一支撑件(21)和第二支撑件(22)，所述第一支撑件(21)的悬挑段和所述第二支撑件(22)的悬挑段分别设置于所述芯轴(1)两侧，所述第一支撑件(21)和第二支撑件(22)之间的夹角小于180°。

2.根据权利要求1所述的一种具备耗能承载双功能的抗震构件，其特征在于，所述芯轴(1)为管结构。

3.根据权利要求2所述的一种具备耗能承载双功能的抗震构件，其特征在于，所述芯轴(1)为圆管，所述圆管的外直径与壁厚的比值小于8。

4.根据权利要求1所述的一种具备耗能承载双功能的抗震构件，其特征在于，所述第一支撑件(21)和第二支撑件(22)均为空心杆件。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种具备耗能承载双功能的抗震构件，其特征在于，所述第一支撑件(21)通过固定套设于所述芯轴(1)中部的第一连接套(31)连接所述芯轴(1)，所述第二支撑件(22)分别通过固定套设于所述芯轴(1)对应端部的两个第二连接套(32)连接所述芯轴(1)，所述第一支撑件(21)和第二支撑件(22)相对设置。

6.根据权利要求5所述的一种具备耗能承载双功能的抗震构件，其特征在于，所述第一支撑件(21)能够替换为通过第一连接套(31)套设于所述芯轴(1)的一端部，所述第二支撑件(22)能够替换通过第二连接套(32)套设于所述芯轴(1)的另一端部。

7.根据权利要求1-4任一所述的一种具备耗能承载双功能的抗震构件，其特征在于，所述芯轴(1)能够替换为两个，所述第一支撑件(21)和第二支撑件(22)分别连接于对应的所述芯轴(1)，两个所述芯轴(1)通过连接件(5)连接。

8.根据权利要求1-4任一所述的一种具备耗能承载双功能的抗震构件，其特征在于，所述第一支撑件(21)的悬挑端和第二支撑件(22)的悬挑端均具有安装孔(4)。

9.一种缓冲器，其特征在于，包含两个相对设置的如权利要求1-8任一所述的具备耗能承载双功能的抗震构件，两个第一支撑件(21)的悬挑端通过连接件(5)连接，两个第二支撑件(22)的悬挑端通过连接件(5)连接，所述第一支撑件(21)的悬挑端和第二支撑件(22)的悬挑端均与对应的所述连接板(5)转动连接。

10.根据权利要求9所述的一种缓冲器，其特征在于，所述第一支撑件(21)的悬挑端和所述第二支撑件(22)的悬挑端均能够替换为通过芯轴(1)固定连接于所述连接件(5)。

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