CN115387499B - 一种防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件 - Google Patents

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Abstract

一种防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件，本发明的目的是为了解决现有防屈曲钢板剪力墙成本高、水平承载力较低、震后难以检测的问题。本发明防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件包括两根钢管、波形缩口钢板、长条填充物和隔离材料，两根钢管竖直设置，波形缩口钢板设置在两根钢管之间，波形缩口钢板的板肋与钢管轴线垂直，波形缩口钢板的凹槽内穿设有长条填充物，在长条填充物与波形缩口钢板的凹槽壁之间设置隔离材料。本发明以波形缩口钢板为主要耗能部件，在波形缩口钢板凹槽内穿插梯形截面长条填充物，并在波形缩口钢板两侧连接钢管，实现对波形缩口钢板的屈曲约束作用，本发明耗能构件在正向水平受剪与负向水平受剪的承载力基本相同。

Description

一种防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件
技术领域
本发明涉及一种防屈曲波形缩口钢板组合构件。
背景技术
耗能构件是保护建筑主体结构免受损伤的重要部件。常见的耗能构件有阻尼器、防屈曲支撑和防屈曲钢板剪力墙。其中，对于常见的防屈曲钢板剪力墙而言，钢板是主要的耗能部件，通过在钢板两侧布置混凝土板、砌块或者带肋钢板的等部件能够起到抑制钢板屈曲的效果，从而实现钢板耗能。然而，普通防屈曲钢板剪力墙制作成本较高，两侧混凝土板增加了耗能构件的厚度，减少了建筑使用空间。此外，在建筑遭受地震作用后，难以检测钢板损伤状态。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有防屈曲钢板剪力墙成本高、水平承载力较低、震后难以检测的问题，而提供一种防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件。
本发明防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件包括两根钢管、波形缩口钢板、长条填充物和隔离材料，两根钢管竖直设置，波形缩口钢板设置在两根钢管之间，波形缩口钢板的板肋水平轴线与钢管轴线垂直，波形缩口钢板的凹槽内穿设有长条填充物，在长条填充物与波形缩口钢板的凹槽壁之间设置隔离材料，隔离材料为非粘结材料，即隔离材料与波形缩口钢板和长条填充物均不粘结。
本发明防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件是一种无论正向水平受剪还是负向水平受剪都能达到承载全截面屈服的抗剪受力构件，较之传统的波形钢板混凝土组合剪力墙具有更稳定的力学行为。本发明的这种结构特性使它具有双重结构功能，既能提供必要的抗侧刚度，又可用来减少结构在罕遇地震作用下的振动反应。本发明在构造上由波形缩口钢板、波谷填充物和两端钢管三部分组成，波形缩口钢板与波谷填充物之间由无粘结隔离材料和间隙隔开，防止波谷填充物参与水平荷载。这与传统波形钢板混凝土组合剪力墙中波谷中填充物与波形钢板紧密固结有本质区别。由于水平荷载作用下，波形缩口钢板的屈曲受到抑制，本发明在正向水平受剪与负向水平受剪的承载力基本相同，其力学行为(刚度和极限承载力)主要取决于波形缩口钢板的截面尺寸和材性。
鉴于传统防屈曲钢板剪力墙成本高、占用使用空间、震后难以检测等现状，本发明以波形缩口钢板为主要耗能部件，在波形缩口钢板凹槽内穿插梯形截面长条填充物，并在波形缩口钢板两侧连接钢管，从而实现对波形缩口钢板的屈曲约束作用，无需在波形缩口钢板外侧额外布置防屈曲部件。一方面，本发明制作成本较低，安装简便，易于操作。另一方面，震后，对于本发明中波形缩口钢板的损伤状态可直接观测，且梯形截面长条填充物受力较小，不易损伤，能重复利用。
附图说明
图1是本发明防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件的整体结构示意图；
图2是防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件的主视图；
图3是图2中A-A的剖面图；
图4是图2中B-B的剖面图；
图5是图2中C-C的剖面图；
图6是图5的局部放大图；
图7是实施例中防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件的应力云图，其中左图为普通波形钢板应力云图，右图为实施例中防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件的应力云图；
图8是实施例中单向荷载下普通剪力墙的荷载-位移曲线图；
图9是实施例中单向荷载下防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件的荷载-位移曲线图；
图10是实施例中往复荷载下普通剪力墙的荷载-位移曲线图；
图11是实施例中往复荷载下防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件的荷载-位移曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件包括两根钢管1、波形缩口钢板2、长条填充物3和隔离材料4，两根钢管1竖直设置，波形缩口钢板2设置在两根钢管1之间，波形缩口钢板2的板肋水平轴线与钢管1轴线垂直，波形缩口钢板2的凹槽内穿设有长条填充物3，在长条填充物3与波形缩口钢板2的凹槽壁之间设置隔离材料4，隔离材料4为非粘结材料。
本实施方式中所述的隔离材料为无黏结材料。波形缩口钢板的材质为钢板、不锈钢板、铝板或铜板等。波形缩口板2的波谷、波峰和波肋是平板或者弧形板。波形缩口板2的波肋高度优选30～150mm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是波形缩口钢板2的两端与钢管1焊接、螺栓连接或铆接。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是钢管1为方形钢管、工字形钢、圆钢管、型钢混凝土或圆钢管混凝土。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是长条填充物3的材质为木材、混凝土、钢管或者硬质聚合物。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是隔离材料4的材质为聚乙烯、橡胶、硅胶或者乳胶。
本实施方式在填充物与钢板之间铺设无黏结隔离材料，用于消除填充物与钢板之间的摩擦力。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述的波形缩口钢板2中的凹槽呈燕尾槽形或者三角槽形。
本实施方式长条填充物形状与波形缩口钢板的凹槽形状相适应，对应为梯形条状或者三角条状。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是波形缩口钢板2的厚度为0.5～8mm。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是波形缩口钢板2的波谷宽度为100～450mm，波峰宽度为100～450mm，波肋宽度为100～450mm。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是波形缩口板2的波肋与波谷夹角为30～75°。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是波形缩口板2与长条填充物3的间隙为0.25～8mm。
实施例：本实施例防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件包括两根钢管1、波形缩口钢板2、长条填充物3和隔离材料4，两根钢管1竖直设置，波形缩口钢板2设置在两根钢管1之间，波形缩口钢板2的板肋水平轴线与钢管轴线垂直，波形缩口钢板2的凹槽内连续穿设有长条填充物3，在长条填充物3与波形缩口钢板2的凹槽壁之间设置无黏结的隔离材料4，即隔离材料4与波形缩口钢板2的波底和波肋之间设置隔离材料4，且隔离材料4与波形缩口钢板2和长条填充物3均不粘结。
本实施例防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件中波形缩口钢板宽度为1800mm，高度为1800mm,波形缩口钢板型号为YXB-75-135-75-3(波高-波谷宽度-缩口宽度-钢板厚度)，波峰宽度与波谷宽度相同，同为135mm，波肋与波谷夹角为71.57°，波形缩口钢板与长条填充物间隙为3mm，材质为Q345B。方钢管型号为90×90×10，材质为Q345B。
借助ABAQUS有限元软件对本实施例防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件的水平抗剪承载力进行模拟分析。梯形截面长条填充物选用原木，型号为TC17B。波形缩口钢板与钢管刚性连接，填充物与波形钢板之间定义法向“硬”接触与切向摩擦，摩擦系数取0.01。波形缩口钢板与钢管采用S4R壳单元，填充物采用C3D8R实体单元。在进行水平抗剪承载力模拟前，对波形缩口钢板与方钢管组合的部件进行模态分析，引入第一阶模态参数定义构件初始缺陷。模拟结果如图8-图11所示。从普通波形钢板与本实施例中波形钢板的应力云图中可以看出，普通波形钢板(不设置长条填充物和隔离材料)在水平荷载作用下易发生屈曲，而本实施例在水平荷载作用下波形钢板能够实现全截面抗剪屈服，且不易发生屈曲。如图8-图11所示，从普通波形钢板与本实施例单向荷载与往复荷载作用下荷载-位移曲线来看，普通波形钢板在达到弹性屈曲后，承载力显著下降，耗能能力明显降低，本实施例波形钢板的承载力比较稳定，滞回曲线饱满，耗能能力突出。
从模拟结果来看，本发明能够有效抑制波形缩口钢板屈曲，提高其水平承载力，波形缩口钢板全截面进入塑性，能够有效提高其整体抗震水平。

Claims (6)

1.防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件，其特征在于该防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件包括两根钢管（1）、波形缩口钢板（2）、长条填充物（3）和隔离材料（4），两根钢管（1）竖直设置，波形缩口钢板（2）设置在两根钢管（1）之间，波形缩口钢板（2）的两端与钢管（1）焊接、螺栓连接或铆接，波形缩口钢板（2）的板肋水平轴线与钢管（1）轴线垂直，波形缩口钢板（2）的凹槽内穿设有长条填充物（3），在长条填充物（3）与波形缩口钢板（2）的凹槽壁之间设置隔离材料（4），隔离材料（4）为非粘结材料；长条填充物（3）的材质为木材、混凝土、钢管或者硬质聚合物；隔离材料（4）的材质为聚乙烯或者橡胶；波形缩口钢板（2）中的凹槽呈燕尾槽形或者三角槽形。
2.根据权利要求1所述的防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件，其特征在于钢管（1）为方形钢管、工字形钢、圆钢管、型钢混凝土或圆钢管混凝土。
3.根据权利要求1所述的防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件，其特征在于波形缩口钢板（2）的厚度为0.5~8mm。
4.根据权利要求1所述的防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件，其特征在于波形缩口钢板（2）的波谷宽度为100~450mm，波峰宽度为100~450mm，波肋宽度为100~450mm。
5.根据权利要求1所述的防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件，其特征在于波形缩口板（2）的波肋与波谷夹角为30~75°。
6.根据权利要求1所述的防屈曲波形缩口钢板组合耗能构件，其特征在于波形缩口板（2）与长条填充物（3）的间隙为0.25~8mm。
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