CN115341675A - 一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，具体涉及拉胀材料领域及建筑减震隔震领域，所述屈曲约束支撑由核心单元、约束单元和滑动机制单元组成。本发明对核心单元的形状进行了优化设计，放弃了传统屈曲约束支撑使用实心细长条板作为核心单元的思想，而是采用具有拉胀效应的四手性孔洞结构排布方式的钢板，在变形较大的时候能体现出单斜的性质。与现有技术相比，本发明的优点为：所述屈曲约束支撑不仅解决了传统的普通支撑在地震发生时常因屈曲变形而提早断裂的问题，而且通过四手性孔洞结构排布的方式，实现了在循环往复荷载下的拉压平衡、拥有更加稳定的滞回性能以及更加优越的能量耗散能力，即具有更强的抗震性能。

Description

一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑

技术领域

本发明涉及拉胀材料领域及建筑减震隔震领域，更确切地说，是涉及一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑。

背景技术

我国是一个多地震国家，地震最大的破坏最能体现在建筑物上，轻则使建筑物出现裂痕和倾斜，重则使得建筑物倒塌，近年来地震的频发严重威胁人民群众的生命健康和财产安全。其中作为框架——中心支撑结构抗侧力体系的传统支撑在地震发生时常因屈曲变形而提早断裂，导致结构的刚度和承载力迅速降低。能量耗散能力差。于是需要找出一种新的支撑，改善受力情况，防止其受压屈曲失稳。

屈曲约束支撑是是指受压时没有屈曲发生的构件，其截面尺寸小，抗震能力强，目前在国内外广泛研究的各种耗能器中，其构造简单、经济耐用、力学模型明确、震后更换方便，适用于工程抗震的一种被动控制耗能器。它有着良好的滞回性能耗散输入的地震能量，在既有建筑结构的抗震加固改造中，屈曲约束支撑不仅表现出方便快捷的特点，还能够在建筑结构中发挥良好的节能减排作用。

拉胀材料作为超材料的一种，因其独特的负泊松比效应，可以表现出理想的机械性能，在抗凹陷、抗剪切、能量吸收、振动控制、同向行为、增强弹性等方面明显优于传统材料，在国防、航空、建筑等领域发挥着不同的作用。

在目前的市场上，高性能的屈曲约束支撑已经得到了广泛的抗震方面的研究，然而，对于建筑结构防灾减灾中拉胀材料的抗震性能的研究不多，并且将拉胀材料与传统的屈曲约束支撑相结合的研究几乎是一个空白，已有的少量研究证明：具有拉胀效应的屈曲约束支撑具有比普通屈曲约束支撑有着更强的抗震性能。所以，设计出一种抗震性能更强的屈曲约束支撑很有必要，对于建筑物的抗震加固改造有着重要的价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，本发明通过结合拉胀材料和屈曲约束支撑并充分发挥它们各自的特性，实现了在循环往复荷载下的拉压平衡、更加稳定的滞回性能以及更加优越的能量耗散能力，为建筑结构在地震循环荷载作用下提供更加有效安全的保障，可为市面上为提高建筑物抗震能力而研究设计性能更加优越的屈曲约束支撑的人们提供一种新的结构样式。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明的实施例提供一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，其特征在于：在横向上由核心单元、约束单元和滑动机制单元三部分构成，其中约束单元沿核心单元对称布置并将其包裹住，滑动机制单元介于核心单元与约束单元之间充当隔离层。

进一步的，核心单元包括核心板和增强板，其中四段增强板对称布置在核心板的左右板边缘处且于核心板保持垂直。

进一步的，约束单元包括约束板和填充板，其中填充板呈“一”字形，且两头各有一块三角形缺口，约束板呈“工”字形，并将填充板完全包裹住，两段约束板和两段填充板呈对称布置。

进一步的，核心板的孔洞为四条圆弧边，其中核心板内部为完整的孔洞，而在板边将孔洞一分为二对核心板进行开孔操作。

进一步的，核心板任意一侧的孔洞的大小与形状完全相同。

进一步的，核心板左右两侧的孔洞呈镜像对称布置。

进一步的，所述屈曲约束支撑核心单元与约束单元的构成材料为钢结构，滑动机制单元的构成材料为未粘结材料。

本发明的原理在于：

一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，材料为钢结构，由核心单元、约束单元和滑动机制单元组成。通过对核心单元的形状进行优化设计，使得该屈曲约束支撑在受拉压轴向力时均可达到屈服，充分发挥材料的耗能性能，提高结构的抗震性能，达到保护建筑物的效果。

本发明的有益效果为：

1.本发明一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，对核心板采取的椭圆形打孔操作在受到地震发生时带来的循环往复荷载作用下提供了更大的抗侧刚度，具有明确的屈服承载力，解决了传统的普通支撑在地震发生时常因屈曲变形而提早断裂的问题，大大延缓了屈曲约束支撑被破坏的速度。

2.本发明一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，因核心板采用四手性孔洞结构排布方式，使得结构具有良好的拉胀效应，在大变形时体现出单斜的性质，不仅提高了耗能能力，并且在大拉应变下，核心板的侧向膨胀位移可超过核心部分与约束部分之间的间隙，从而提高承载能力，防止屈曲约束支撑过早失效。

3.本发明一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，提供了一个更加均匀平稳的拉压不平衡系数，因为核心板在轴向拉力和压力作用下屈服耗能，相较于传统支撑和作为对比的核心板采用反四手性孔洞结构排布方式的屈曲约束支撑，实现了在循环往复荷载下的拉压平衡，能最大程度上避免核心板受压屈曲，具有更稳定的力学性能。

4.本发明一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，具有更强的峰值应力、更稳定饱满的滞回曲线以及更加优越的能量耗散能力，即具有更强的抗震性能，使结构在强地震作用下不至于倒塌。

5.本发明一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，核心板上的孔洞大小以及在横向纵向上的层数可根据建筑物的需要和工作面的大小进行灵活调整，屈曲约束支撑具有良好的可编程性。

6.本发明一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，对核心板进行的开孔操作节省了钢材料的使用量，在工程建设中能有效减少成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明所涉及的屈曲约束支撑三维立体示意图。

图2为本发明所涉及的屈曲约束支撑侧面示意图。

图3为本发明所涉及的屈曲约束支撑分结构示意图。

图4为本发明所涉及的屈曲约束支撑的核心单元平面示意图。

图5为本发明所涉及的屈曲约束支撑的核心单元四手性孔洞单胞结构示意图。

图6为本发明所涉及的作为对比的屈曲约束支撑的核心单元反四手性孔洞单胞结构示意图。

图7为本发明所涉及的作为对比的屈曲约束支撑的核心单元平面示意图。

图8为本发明所涉及的实施例数值模拟中两种屈曲约束支撑孔洞单胞结构在拉压荷载作用下滞回环示意图。

图9为本发明所涉及的实施例数值模拟中两种屈曲约束支撑在循环往复荷载作用下拉压不平衡系数-加载次数曲线示意图。

图10为本发明所涉及的实施例数值模拟中两种屈曲约束支撑在循环往复荷载作用下滞回曲线示意图。

图11为本发明所涉及的屈曲约束支撑在受轴向拉伸作用时结构变形前后的对比示意图。

图中：1-核心单元，1-1-核心板，1-2-增强板，2-约束单元，2-1-约束板，2-2-填充板，3-滑动机制单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

请参照图1、图2，本发明一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，约束单元2沿核心单元1对称布置并将其包裹住，使得核心单元1在轴向拉压作用下屈服耗能时，约束单元2提供给核心单元1弯曲限制以避免受压屈曲失稳，滑动机制单元3则介于核心单元1与约束单元2之间充当隔离层，避免核心单元1因受压膨胀后与约束单元2间产生摩擦力而造成轴压力的大量增加。其中核心单元1与约束单元2的构成材料为钢结构，滑动机制单元3的构成材料为未粘结材料。为应对复杂工况下的紧急情况，所述屈曲约束支撑可灵活调整尺寸，以满足需要。

请参考图3，屈曲约束支撑最外层结构的约束单元2包括约束板2-1和填充板2-2，其中填充板2-2呈“一”字形，且两头各有一块三角形缺口，约束板2-1呈“工”字形，并将填充板2-2完全包裹住，两段约束板2-1和两段填充板2-2呈对称布置。

请参照图3、图4，处于内部的核心单元1包括核心板1-1和增强板1-2，其中四段增强板1-2对称布置在核心板1-1的左右板边缘处且于核心板1-1保持垂直，以防止端部连接的局部屈曲。对核心板1-1进行开孔，内部为完整的孔洞，而在板边将孔洞进行了一分为二的操作，核心板1-1任意一侧的孔洞大小与形状完全相同，且左右两侧的孔洞呈镜像对称布置。

请参照图4，组成孔洞的单胞结构如虚线框所示，单胞结构在核心板1-1上的阵列排布使得屈曲约束支撑具有拉胀效应，即体现出负泊松比的性质。“负泊松比(NegativePoisson’s Ratio)”是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时，材料的横向反而发生收缩。从图中可看出，每个单胞是以相同的角度沿水平方向保持倾斜状态，而使核心板1-1在受到循环往复荷载作用时在弹性范围内具有较强的拉胀效应。具体地，实施例中每个单胞沿水平方向倾斜的角度为20°，可取的倾斜角度范围为0°到45°，例如5°、15°、25°、35°等。

请参照图5、图6、图7，实施例中的单胞结构经阵列排布被称为四手性结构，如图5所示，同时引入作为对比的反四手性结构，如图6、图7所示，由尺寸形状完全相同的单胞结构以另一种形式进行阵列排布而形成。“手性”是指一个物体不能与其镜像相重合，如我们的双手，左手与互成镜像的右手不重合。手性的存在能有效提高结构的拉胀性能。

请参照图8，可看出该四手性结构相较于反四手性结构在受到拉压作用时的峰值应力更大，滞回环形状更丰满，面积更大，说明吸能能力更强。

请参照图9，可看出实施例中采用四手性孔洞结构排布方式的屈曲约束支撑随着加载次数的增加，拉压不平衡系数变化幅度不大且靠近1.0，而作为对比的采用反四手性孔洞结构排布方式的屈曲约束支撑变化幅度较大且不断远离1.0，说明采用四手性孔洞结构排布方式的屈曲约束支撑在拉伸和压缩下的均匀性更好，实现了在循环往复荷载下的拉压平衡。

请参照图10，可看出实施例中采用四手性孔洞结构排布方式的屈曲约束支撑在循环往复荷载作用下的滞回曲线稳定而饱满，峰值应力大，而作为对比的采用反四手性孔洞结构排布方式的屈曲约束支撑相较于实施例呈现出扁平状的形态，同时在应变靠近1％时平均应力急剧增加，变形超过了核心单元1与约束单元2之间的间隙，这显然是一大缺陷。由此说明采用四手性孔洞结构排布方式的屈曲约束支撑的塑性变形能力强，有很好的耗能能力和抗震性能。

请参照图11，屈曲约束支撑在受轴向拉伸作用发生大变形的时候，结构体现出了单斜的性质，即向同一个方向倾斜变形而不是沿着轴向对称均匀变形。为更好地体现出单斜的视觉效果，该变形图被放大了10倍。

通过有限元模拟测试，一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，通过核心板采用四手性孔洞结构排布的方式以及合理设计沿水平方向倾斜的角度，所表现出来的抗震性能不仅保留普通屈曲约束支撑的特性，并且显著超过核心板采用反四手性孔洞结构排布方式的屈曲约束支撑，即做到了“小小的改变，大大的不同”。本发明所涉及的一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑具有更加优秀的滞回性能，并充分发挥了材料的耗能能力，提高了结构的抗震性能，达到了保护建筑物的效果。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。但是，应该理解，本领域技术人员在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。

Claims (7)

1.一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，其特征在于：在横向上由核心单元(1)、约束单元(2)和滑动机制单元(3)三部分构成，其中约束单元(2)沿核心单元(1)对称布置并将其包裹住，滑动机制单元(3)介于核心单元(1)与约束单元(2)之间充当隔离层。

2.根据权利要求1所述的一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，其特征在于：核心单元(1)包括核心板(1-1)和增强板(1-2)，其中四段增强板(1-2)对称布置在核心板(1-1)的左右板边缘处且于核心板(1-1)保持垂直。

3.根据权利要求1所述的一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，其特征在于：约束单元(2)包括约束板(2-1)和填充板(2-2)，其中填充板(2-2)呈“一”字形，且两头各有一块三角形缺口，约束板(2-1)呈“工”字形，并将填充板(2-2)完全包裹住，两段约束板(2-1)和两段填充板(2-2)呈对称布置。

4.根据权利要求2所述的一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，其特征在于：核心板(1-1)的孔洞为四条圆弧边，其中核心板(1-1)内部为完整的孔洞，而在板边将孔洞一分为二对核心板(1-1)进行开孔操作。

5.根据权利要求4所述的一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，其特征在于：核心板(1-1)任意一侧的孔洞的大小与形状完全相同。

6.根据权利要求5所述的一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，其特征在于：核心板(1-1)左右两侧的孔洞呈镜像对称布置。

7.根据权利要求1所述的一种具有单斜拉胀性质的屈曲约束支撑，其特征在于：所述屈曲约束支撑核心单元(1)与约束单元(2)的构成材料为钢结构，滑动机制单元(3)的构成材料为未粘结材料。

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