CN115095038A - 一种支撑构件极限刚度增强装置及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支撑构件极限刚度增强装置及其装配方法。支撑构件极限刚度增强装置包括支撑构件、传力组件和至少一个刚度增强单元，支撑构件包括BRB内核和BRB约束构件，传力组件包括传力板、左端板、右端板和焊接在传力板上的固定挡块，固定挡块设有至少一对；刚度增强单元的个数与传力板上固定挡块的对数相同，刚度增强单元包括两块左右间隔布置的固定挡板、两块活动挡板以及永磁铁组；两块活动挡板用于与对应的固定挡块挡止配合；两块固定挡板分别套设在两个BRB约束构件外并与其焊接，永磁铁组包括多个按照同性相斥的原则移动装配在BRB约束构件上的永磁铁。本发明增加了既有支撑构件的后期屈服刚度，为框架结构提供了额外的极限抗侧刚度和承载能力。

Description

一种支撑构件极限刚度增强装置及其装配方法

技术领域

本发明涉及一种支撑构件极限刚度增强装置及其装配方法。

背景技术

目前常见的普通钢支撑和钢芯防屈曲支撑均存在一定的初始弹性刚度和相对较小的屈服后塑性刚度，从而使支撑构件能够在小震作用下为主体结构提供额外的抗侧刚度，控制结构整体响应；在中震和大震作用下支撑钢芯又能够充分发生塑性变形从而耗散地震能量，以缓解结构主体梁、柱构件的塑性损伤。然而，较小的屈服后刚度会导致支撑的极限承载能力有限，在罕遇地震作用下无法为框架结构提供充足的抗侧刚度和承载能力。而若简单地通过增加支撑截面尺寸的方法来增强支撑的刚度，支撑又无法在中震和大震作用下及时、有效地进入塑性变形，不利于支撑的滞回耗能和对结构主体构件的保护。

简言之，目前支撑构件仍存在以下问题：

1、若支撑设计截面较小，则支撑能够为框架结构提供一定的初始抗侧刚度，也能够在较强地震作用下及时进入塑性耗能，但在罕遇地震作用下无法为框架结构提供充足的抗侧刚度和承载能力。

2、若支撑设计截面较大，则支撑能够为框架结构提供充足的抗侧刚度和承载能力，但其屈服荷载也会相对较大，无法在强震作用下及时进入塑性耗能。

发明内容

为了克服目前常见的普通钢支撑以及钢芯防屈曲支撑存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种支撑构件极限刚度增强装置；本发明的目的还在于提供一种支撑构件极限刚度增强装置的装配方法，以增强既有支撑构件的极限刚度，为框架结构提供额外的极限抗侧刚度和承载能力。

为实现上述目的，本发明的支撑构件极限刚度增强装置所采用的技术方案是：

支撑构件极限刚度增强装置，包括：

支撑构件，包括BRB内核和安装在BRB内核两侧的BRB约束构件，两个BRB约束构件的右端与BRB内核的右端平齐，两个BRB约束构件的左端与BRB内核的左端留有设定的间距；

传力组件，包括分别设置在BRB约束构件上方和下方的传力板、设置在BRB约束构件左端的左端板和设置在BRB约束构件右端的右端板，传力板的长度小于自然状态下BRB内核的长度，每块传力板上均设有至少一对固定挡块，每对中的两个固定挡块在左右方向间隔布置，两块传力板上的固定挡块上下一一对应；左端板的左端与左侧的框架节点连接，左端板的右端与两块传力板的左端和BRB内核的左端焊接连接，右端板的左端与BRB内核和BRB约束构件的右端均焊接连接，右端板的右端与右侧的框架节点连接；

刚度增强单元，刚度增强单元的个数与传力板上固定挡块的对数相同，每个刚度增强单元均包括两块在左右方向上间隔布置的固定挡板、设置在对应的一对固定挡块之间的两块活动挡板以及设置在两个活动挡板之间的永磁铁组；上下对应的两个固定挡块之间形成供固定挡板通过的通道，两块活动挡板位于两块固定挡板之间，两块活动挡板分别用于与对应的两对固定挡块在左右方向上挡止配合；两块固定挡板分别套设在两个BRB约束构件上的设计位置处并与两个BRB约束构件焊接连接，两块活动挡板沿左右方向移动装配在BRB约束构件上，永磁铁组包括多个按照同性相斥的原则移动装配在BRB约束构件上的永磁铁。

优选的，所述刚度增强单元沿左右方向设有偶数个，相邻的两个刚度增强单元左右间隔布置，偶数个刚度增强单元在左右方向上对称布置。

优选的，同一个永磁铁组中，任意相邻的两个永磁铁之间的初始间距均相等。

优选的，所有永磁铁组中，任意相邻的两个永磁铁之间的初始间距均相等。

本发明的支撑构件极限刚度增强装置的装配方法的技术方案是：

支撑构件极限刚度增强装置的装配方法，包括以下步骤：

步骤一：将BRB约束构件安装在BRB内核的外围，并使BRB约束构件与BRB内核之间留有设定的空气间隙；

步骤二：在BRB约束构件外安装至少一个刚度增强单元；每个刚度增强单元均包括两块在左右方向上间隔布置的固定挡板、两块活动挡板和设置在两个活动挡板之间的永磁铁组，安装刚度增强单元时，依次将其中一块固定挡板、其中一块活动挡板、永磁铁组、另一块活动挡板和另一块固定挡板套设在BRB约束构件上，其中两块固定挡板分别焊接在BRB约束构件上的设计位置处，永磁铁组、活动挡板可在BRB约束构件上左右移动，永磁铁组包括多个按照同性相斥的原则移动装配在BRB约束构件上的永磁铁；

步骤三：在刚度增强单元外安装传力组件；传力组件包括两块传力板、设置在每块传力板上的至少一对固定挡块、左框架连接件和右框架连接件，传力板的长度小于自然状态下BRB内核的长度，固定挡块的对数与刚度增强单元的个数相同；将固定挡块焊接在传力板上的设计位置处，将左框架连接件同时与两块传力板的左端和BRB内核的左端焊接连接，右框架连接件与BRB内核和BRB约束构件的左端焊接连接，保证初始状态时，固定挡板位于上下对应的两个固定挡块之间，活动挡板与对应的固定挡块挡止配合；

步骤四：将左框架连接件和右框架连接件分别与外部框架结构的梁、柱节点连接。

进一步的，在安装永磁铁组时，同一个永磁铁组中任意相邻的两个永磁铁之间的初始间距保持相等。

优选的，所有永磁铁组中，任意相邻的两个永磁铁之间的初始间距均相等。

优选的，安装偶数个永磁铁组时，使永磁铁组对称布置。

本发明的有益效果是：

1、BRB内核自身能够在强震作用下发生塑性变形，从而耗散地震能量，以减小框架结构主体梁、柱构件的损伤程度，BRB约束构件能有效增大BRB内核截面的屈服程度，进而增大BRB在强震时的耗能能力。

2、当受到轴向载荷时，整个装置无论是在处于受压或者是处于受拉的状态时，每个刚度增强单元中的永磁铁组在固定挡板和固定挡块的作用下总是处于进一步受压的状态，此时永磁铁组中相邻两个永磁铁之间的间距进一步缩小，产生更大的斥力，而斥力的方向与整个装置受拉力的方向或者整个装置受压力的方向相反，以抵消整个装置在轴向上所受到的荷载。

3、在不影响支撑构件初始弹性刚度和前中期屈服刚度的前提下，通过刚度增强单元与支撑构件之间并联连接，变相增加了支撑构件的后期屈服刚度，也即增加了支撑构件的极限刚度，为框架结构提供了额外的极限抗侧刚度和承载能力，降低了框架结构在地震作用下的结构相应，并且刚度增强单元的设置数量越多，刚度增强效果越好。

4、永磁铁组中相邻永磁铁之间的间距可根据实际情况进行调整，即调整支撑刚度开始增强时的支撑轴向临界变形，从而控制对支撑构件的初始刚度和前期屈服刚度不受影响。

5、支撑构件极限刚度增强装置结构简单，装配方便，成本低。

附图说明

图1是本发明的支撑构件极限刚度增强装置的整体结构示意图；

图2是图1的分解示意图一；

图3是图1的分解示意图二；

图4是本发明的支撑构件极限刚度增强装置的轴向滞回模型图；

图5是本发明的支撑构件极限刚度增强装置中永磁铁同性相对受压逐渐接近时的荷载位移曲线示意图；

图6是本发明的支撑构件极限刚度增强装置在初始状态时的示意图；

图7是本发明的支撑构件极限刚度增强装置在受压状态时的示意图；

图8是本发明的支撑构件极限刚度增强装置在受拉状态时的示意图。

附图标记：1-BRB内核，2-BRB约束构件，3-固定挡板，4-活动挡板，5-永磁铁组，6-传力板，7-固定挡块，8-左端板，9-右端板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的支撑构件极限刚度增强装置的具体实施例：

如图1、图2和图3所示，支撑构件极限刚度增强装置包括支撑构件、传力组件和刚度增强单元。

其中，支撑构件为现有技术中常见的全钢防屈曲支撑，如图2所示，包括BRB内核1和安装在BRB内核1两侧的BRB约束构件2。BRB内核1为软钢钢板，能够在中、强震作用下发生塑性变形从而耗散地震能量，以减小框架结构主体梁、柱构件的损伤程度。BRB约束构件2为碳钢钢板，能够防止BRB内核1在轴向压力的作用下发生屈曲，从而能够有效增大BRB内核1截面的屈服程度，进而增大支撑构件在强震时的耗能能力。安装时，BRB约束构件2与BRB内核1中间的屈服段之间留有1mm的空气间隙，给BRB内核1留存一定的侧向变形空间。两个BRB约束构件2的右端与BRB内核1的右端平齐，两个BRB约束构件2的左端与BRB内核1的左端留有设定的间距，两个BRB约束构件2之间通过螺栓连接。本实施例中，BRB约束构件2在受到轴向载荷时只发生弹性变形，不发生塑性变形。

如图2和图3所示，传力组件包括传力板6、左端板8、右端板9和固定挡块7。其中，传力板6设有两块，分别安装在BRB约束构件2的上方和下方，传力板6的长度小于自然状态下BRB内核1的长度。固定挡块7焊接在传力板6上，并且在传力板6上设有两对，每对中的两个固定挡块7在左右方向间隔布置，两块传力板6上的固定挡块7上下一一对应。左端板8设置在BRB约束构件2的左端，左端板8的左端与左侧的框架节点连接，左端板8的右端与两块传力板6的左端和BRB内核1的左端同时焊接连接。右端板9设置在BRB约束构件2的右端，右端板9的左端与BRB内核1和BRB约束构件2的右端均焊接连接，右端板9的右端与右侧的框架节点连接。

刚度增强单元的个数与传力板6上固定挡块7的对数相同，即设置有两个，两个刚度增强单元对称布置。如图1和图3所示，每个刚度增强单元均包括两块在左右方向上间隔布置的固定挡板3、设置在对应的一对固定挡块之间的两块活动挡板4以及设置在两个活动挡板4之间的永磁铁组5。其中，上下对应的两个固定挡块7之间形成供固定挡板3通过的通道。两块固定挡板3分别套设在两个BRB约束构件2上的设计位置处并与两个BRB约束构件2焊接连接。两块活动挡板4位于两块固定挡板3之间，并且两块活动挡板4均套设在BRB约束构件2外，并且可沿BRB约束构件2左右滑动。如图6所示，初始状态时，两块活动挡板4分别与靠近活动挡板4一侧的固定挡块7在左右方向上挡止配合；两块固定挡板3则对应处于上下对应的两个固定挡块7之间的通道内。永磁铁组5包括多个按照同性相斥的原则移动装配在BRB约束构件上的永磁铁，初始状态时，任意相邻的两个永磁铁之间的间距均相等。

通过调整相邻永磁铁之间的设计间距，能够调整支撑刚度开始增强时的支撑轴向临界变形，从而控制永磁铁组对支撑构件的初始刚度和前期屈服刚度不产生影响。正常情况下，BRB内核应变在2%以内时可以有效而稳定的发生轴向拉压滞回耗能；在强震作用下BRB内核的应变一般不应超过3%，否则极易在循环荷载作用下发生断裂。如图5所示，永磁铁组件与支撑构件采用上述构造进行并联连接后，并通过调整永磁铁的厚度和数量等几何参数来调整永磁铁间距，控制BRB内核钢芯（即BRB内核）应变为0时，本装置内永磁铁之间的间距不小于图5所示的A点对应的数值；并控制BRB内核钢芯应变达到2%时，各永磁铁之间的间距达到图4所示的B点对应的数值。由图5分析可见，永磁铁间距在A点到B点之间（对应BRB内核应变在0-2%之间）时，永磁铁之间的斥力增长缓慢，因此本装置对BRB支撑构件在2%应变以内的轴向刚度和滞回耗能影响很小；对于小震作用下，BRB内核处于弹性状态时的初始刚度更是几乎没有影响。

永磁铁组与支撑构件之间为并联关系，两者之间的轴向变形相同。当地震强度过高，BRB内核应变大于2%时，永磁铁之间的间距小于B点所示间距，永磁铁之间的斥力开始急剧增大，从而使支撑的整体轴向刚度急剧增大，从而控制此时框架结构的侧向位移、速度、加速度等地震响应；并有效控制BRB钢芯的轴向应变，保护BRB钢芯不易于超过其最大应变范围而发生断裂。

图7所示为本发明的支撑构件极限刚度增强装置在受压状态时的示意图，由该图可以看到，两个刚度增强单元中的永磁铁组在相应的固定挡块和固定挡板的作用下均处于受压状态，即永磁铁组中相邻两个永磁铁之间的间距相比于初始状态时减小，从而产生较大的反向斥力，而反向斥力与受压时的荷载方向相反，从而将部分受压荷载抵消，为既有框架结构提供额外的冗余度。

同理，图8所示为本发明的支撑构件极限刚度增强装置在受拉状态时的示意图，由图中的位置关系可知，在受拉时，两个刚度增强单元中的永磁铁组在固定挡块和固定挡板的作用下也均处于受压状态，即永磁铁组中相邻两个永磁铁之间的间距相比于初始状态时减小，从而产生较大的反向斥力，而反向斥力与受拉时的荷载方向相反，从而将部分受拉荷载抵消，进而为既有框架结构提供额外的冗余度。

结合图4所示的轴向滞回模型图，三条曲线分别代表普通BRB（即支撑构件）单独作用时的滞回模型曲线、第三刚度刚度增强系统（刚度增强单元和传力组件装配之后形成）单独作用时的滞回模型曲线、第三刚度增强型BRB（支撑构件与刚度增强单元和传力组件并联装配后）的滞回模型曲线，其中K1段代表支撑构件弹性形变，K2段代表支撑构件发生塑性形变，K3段表示在刚度增强单元加入后对支撑构件的增幅效果，呈上升的趋势。

本发明的支撑构件极限刚度增强装置在不影响支撑构件初始弹性刚度和前中期屈服刚度的前提下，通过刚度增强单元与支撑构件之间并联连接，变相增加了支撑构件的后期屈服刚度，也即增加了支撑构件的极限刚度，为框架结构提供了额外的极限抗侧刚度和承载能力，降低框架结构在罕遇地震作用下的结构响应。作为一种对既有支撑构件的增强方法或加固手段，在不影响既有支撑构件构造的前提下与之进行并联，为既有框架结构提供额外的冗余度。

在其他实施例中，可以根据左侧框架和右侧框架之间的间距选择合适长度的传力板，此时可根据传力板的长度和需求，选择适当数量的刚度增强单元，比如，在其他实施例中，可以仅采用一个刚度增强单元；或者在其他实施例中，根据实际抗震需要，选择两个以上的刚度增强单元，当选择偶数个时，刚度增强单元对称布置。

在其他实施例中，对支撑构件极限刚度增强装置进行装配时，同一个永磁铁组中相邻两个永磁铁之间的间距也可以不同。

本发明的支撑构件极限刚度增强装置的装配方法的具体实施例：

支撑构件极限刚度增强装置的装配方法，包括以下步骤：

步骤一：将BRB约束构件2安装在BRB内核1的外围，并使BRB约束构件2与BRB内核1之间留有设定的空气间隙，如图2所示；

步骤二：在BRB约束构件2外安装两个刚度增强单元；每个刚度增强单元均包括两块在左右方向上间隔布置的固定挡板3、两块活动挡板4和设置在两个活动挡板4之间的永磁铁组5，安装刚度增强单元时，依次将其中一块固定挡板、其中一块活动挡板、永磁铁组5、另一块活动挡板和另一块固定挡板套设在BRB约束构件2上，其中两块固定挡板3分别焊接在BRB约束构件2上的设计位置处，永磁铁组5、活动挡板4可在BRB约束构件2上左右移动，永磁铁组包括多个按照同性相斥的原则移动装配在BRB约束构件上的永磁铁，具体如图3所示；

步骤三：在刚度增强单元外安装传力组件；如图2所示，传力组件包括两块传力板6、设置在每块传力板6上的至少一对固定挡块7、左框架连接件和右框架连接件，传力板6的长度小于自然状态下BRB内核的长度，固定挡块的对数与刚度增强单元的个数相同；将固定挡块焊接在传力板上的设计位置处，将左框架连接件同时与两块传力板的左端和BRB内核的左端焊接连接，右框架连接件与BRB内核和BRB约束构件的左端焊接连接，保证初始状态时，固定挡板位于上下对应的两个固定挡块之间，活动挡板与对应的固定挡块挡止配合；

步骤四：将左框架连接件和右框架连接件分别与外部框架结构的梁、柱节点连接。

左框架连接件与上述实施例中的左端板结构相同，右框架连接件与上述实施例中的右端板结构相同。

刚度增强单元的数量、永磁铁组中相邻永磁铁之间的间距可根据实际的抗震需要做对应的调整。

本实施例中装配所形成的支撑构件极限刚度增强装置与上述支撑构件极限刚度增强装置的实施例中结构相同、工作原理相同，在此不再详细赘述。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.支撑构件极限刚度增强装置，其特征在于，包括：

支撑构件，包括BRB内核和安装在BRB内核两侧的BRB约束构件，两个BRB约束构件的右端与BRB内核的右端平齐，两个BRB约束构件的左端与BRB内核的左端留有设定的间距；

传力组件，包括分别设置在BRB约束构件上方和下方的传力板、设置在BRB约束构件左端的左端板和设置在BRB约束构件右端的右端板，传力板的长度小于自然状态下BRB内核的长度，每块传力板上均设有至少一对固定挡块，每对中的两个固定挡块在左右方向间隔布置，两块传力板上的固定挡块上下一一对应；左端板的左端与左侧的框架节点连接，左端板的右端与两块传力板的左端和BRB内核的左端焊接连接，右端板的左端与BRB内核和BRB约束构件的右端均焊接连接，右端板的右端与右侧的框架节点连接；

刚度增强单元，刚度增强单元的个数与传力板上固定挡块的对数相同，每个刚度增强单元均包括两块在左右方向上间隔布置的固定挡板、设置在对应的一对固定挡块之间的两块活动挡板以及设置在两个活动挡板之间的永磁铁组；上下对应的两个固定挡块之间形成供固定挡板通过的通道，两块活动挡板位于两块固定挡板之间，两块活动挡板分别用于与对应的两对固定挡块在左右方向上挡止配合；两块固定挡板分别套设在两个BRB约束构件上的设计位置处并与两个BRB约束构件焊接连接，两块活动挡板沿左右方向移动装配在BRB约束构件上，永磁铁组包括多个按照同性相斥的原则移动装配在BRB约束构件上的永磁铁。

2.根据权利要求1所述的支撑构件极限刚度增强装置，其特征在于，所述刚度增强单元沿左右方向设有偶数个，相邻的两个刚度增强单元左右间隔布置，偶数个刚度增强单元在左右方向上对称布置。

3.根据权利要求1所述的支撑构件极限刚度增强装置，其特征在于，同一个永磁铁组中，任意相邻的两个永磁铁之间的初始间距均相等。

4.根据权利要求3所述的支撑构件极限刚度增强装置，其特征在于，所有永磁铁组中，任意相邻的两个永磁铁之间的初始间距均相等。

5.支撑构件极限刚度增强装置的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将BRB约束构件安装在BRB内核的外围，并使BRB约束构件与BRB内核之间留有设定的空气间隙；

步骤二：在BRB约束构件外安装至少一个刚度增强单元；每个刚度增强单元均包括两块在左右方向上间隔布置的固定挡板、两块活动挡板和设置在两个活动挡板之间的永磁铁组，安装刚度增强单元时，依次将其中一块固定挡板、其中一块活动挡板、永磁铁组、另一块活动挡板和另一块固定挡板套设在BRB约束构件上，其中两块固定挡板分别焊接在BRB约束构件上的设计位置处，永磁铁组、活动挡板可在BRB约束构件上左右移动，永磁铁组包括多个按照同性相斥的原则移动装配在BRB约束构件上的永磁铁；

步骤三：在刚度增强单元外安装传力组件；传力组件包括两块传力板、设置在每块传力板上的至少一对固定挡块、左框架连接件和右框架连接件，传力板的长度小于自然状态下BRB内核的长度，固定挡块的对数与刚度增强单元的个数相同；将固定挡块焊接在传力板上的设计位置处，将左框架连接件同时与两块传力板的左端和BRB内核的左端焊接连接，右框架连接件与BRB内核和BRB约束构件的左端焊接连接，保证初始状态时，固定挡板位于上下对应的两个固定挡块之间，活动挡板与对应的固定挡块挡止配合；

步骤四：将左框架连接件和右框架连接件分别与外部框架结构的梁、柱节点连接。

6.根据权利要求5所述的极限刚度增强装置的装配方法，其特征在于，在安装永磁铁组时，同一个永磁铁组中任意相邻的两个永磁铁之间的初始间距保持相等。

7.根据权利要求6所述的极限刚度增强装置的装配方法，其特征在于，所有永磁铁组中，任意相邻的两个永磁铁之间的初始间距均相等。

8.根据权利要求5-7任意一项所述的极限刚度增强装置的装配方法，其特征在于，安装偶数个永磁铁组时，使永磁铁组对称布置。

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