CN201172902Y - 铰式连接防屈曲支撑 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种建筑用铰式连接防屈曲支撑，包括钢芯(1)、隔膜层(9)、包裹着钢芯(1)的钢管(2)、钢管(2)内填砂浆或混凝土(8)、以及位于钢芯(1)中间的限位卡(7)。在钢芯(1)两端分别焊接两块平行的焊接连接钢板(3)，并在焊接连接钢板(3)上预留铰孔，利用铰轴(6)将焊接连接钢板(3)与梁柱节点板进行连接。本实用新型具有传力明确，减小附加弯矩及次应力的特点，可增加主体结构的抗风及抗震可靠性；大大缩短了连接段长度、构造简单，安装效率高；开孔处的局部加强措施可使截面及刚度的设计可选范围加宽，产品规格品种多样。

Description

铰式连接防屈曲支撑

技术领域

本实用新型涉及一种建筑用铰式连接防屈曲支撑，属于土木工程结构消能减震领域。

背景技术

在土木工程框架结构体系中增设一定数量的支撑可解决结构抗侧刚度不足问题。但在遭遇较强烈地震时，结构承受反复地震作用，普通支撑易发生受压屈曲现象，造成结构抵抗地震能力下降、材料利用率降低。防屈曲支撑可应用于结构重要节点之间代替普通支撑使用，抑制或防止出现受压屈曲现象，可同时达到增加结构抗侧刚度、消耗地震能量、提高抗震能力、有效利用材料的效果。防屈曲支撑是一种消能减震构件，滞回曲线饱满。在地震发生时，消能减震效果优异。若经大震损坏可更换，且不影响结构的正常使用。

防屈曲支撑在美、日两国以及我国台湾地区已有应用。所用的防屈曲支撑与框架节点板的连接多采用刚接形式，包括节点板和支撑连接段的全螺栓连接、节点板螺栓连接、连接段焊接的半焊接螺栓连接等。其中一种比较典型的刚式连接防屈曲支撑的结构及其连接示意图，如图1所示。该连接方式为节点板和支撑连接段的全螺栓连接。包括钢芯1、涂于钢芯1表面的隔膜层9、包裹着钢芯1的钢管2、钢管2内填砂浆或混凝土8。通过连接板12将防屈曲支撑与梁柱节点处伸出的十字形节点板13连接在一起，并用螺栓连接固定。

所述刚式连接防屈曲支撑具有以下缺点：

1、防屈曲支撑理论上是轴心受力构件，由于制造与安装误差，刚接连接几何对中难度大，对节点易形成附加弯矩、扭矩。这些附加内力在设计时难以估计，既可能会将节点的转动传递给防屈曲支撑，影响其承载力，也因此会增加节点的附加弯矩，削弱结构抗震可靠性。

2、刚式连接往往造成连接段过长，工作段相对较短。一方面增加了材料用量，另一方面在大延性需求情况下，难以满足结构抗震设计需求。

3、连接部件及零件较多，安装工艺相对复杂，安装操作耗时较多。

美国Star Seismic，Associated Bracing，Inc.，CoreBrace公司生产的产品中有铰接连接的形式，但内部构造及技术参数尚处于保密阶段。

实用新型内容

本实用新型提出了一种铰式连接防屈曲支撑构造，在保证提供侧移刚度满足正常工作需求以及消能减震的前提条件下，实现支撑与主体结构的铰接。

为了实现上述效果，本实用新型的实际方案如下。铰式连接防屈曲支撑，由钢芯、涂于钢芯表面的隔膜层、包裹着钢芯的钢管、钢管内填砂浆或混凝土，以及位于钢芯中间的限位卡组成。在钢芯的两端分别焊接两块平行的焊接连接钢板，并在焊接连接钢板上预留铰孔，利用铰轴将焊接连接钢板与梁柱节点板进行连接。

本实用新型中的钢芯采用一字形或十字形截面形式。钢芯可以在设计控制位移下屈服耗能，而不发生屈曲失稳。在钢芯表面上涂刷隔膜层，由硅胶材料制成，其厚度由设计确定，其目的是使钢芯可以在约束单元中自由伸缩变形，并且减少钢芯与约束单元间的摩擦，获得优秀的滞回耗能性能。在钢芯的工作段设置屈曲约束单元，屈曲约束单元由钢管及内填砂浆或混凝土组成，钢管多为方形或圆形钢管。由于钢芯和约束单元之间存在间隙，为了防止钢芯与约束单元之间发生任意错动，一般要在钢芯中间位置设置限位卡。

在钢芯两端的连接段的上下两侧，分别焊接两块平行的连接钢板，并在焊接连接钢板的端部设置铰孔，通过铰轴将焊接连接钢板与梁柱节点板进行铰式连接。

焊接连接钢板铰孔处强度不足时，可在焊接连接钢板的铰孔处加焊环形钢圈，增加连接钢板铰轴处截面强度，相应减小铰轴设计尺寸。

梁柱节点板上铰孔处也可加焊环形钢圈，增强截面抗挤压能力，同时可实现不同厚度的钢芯与节点板连接。

当设计焊接连接钢板长度较长时，为了防止其发生平面外的失稳，可以在焊接连接钢板端部设置加强板。

与现有刚式连接防屈曲支撑技术相比，本实用新型传力明确，大大减小在主体结构节点上可能出现的附加弯矩及其引起的次应力，使结构计算结果与实际情况相符，增加了主体结构的抗风及抗震可靠性；连接段缩短，增加了工作段长度，可提高结构的延性及抗震能力；简化连接构造，节约连接材料，提高安装效率。静力反复荷载下抗震试验已经证明，铰式连接防屈曲支撑受力可靠、耗能稳定、轴力-轴向变形滞回曲线饱满。

附图说明

图1为刚式连接防屈曲支撑结构及连接示意图：1、钢芯，2、钢管，8、砂浆或混凝土，9、隔膜层，12、连接板，13、十字形节点板；

图2为本实用新型的结构示意图：1、钢芯，2、钢管，3、焊接连接钢板，4、环形钢圈，5、加强板，6、铰轴，7、限位卡，8、砂浆或混凝土，9、隔膜层

图3、图4、图5分别为图2在A-A、B-B、C-C处剖面图：10、梁柱节点板；

图6为本实用新型铰孔处的环形钢圈加强俯视结构示意图；

图7为本实用新型铰孔处的环形钢圈加强侧视结构示意图；

图8为本实用新型限位卡设计图；

图9为本实用新型实际应用时的安装示意图：11、节点板加劲板。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实施例。

本实用新型的结构示意图如图2所示，图3、图4、图5分别为图2在A-A、B-B、C-C处剖面图。本实用新型主要由钢芯1、涂于钢芯1表面的隔膜层9、包裹着钢芯1的钢管2、填充于钢管2内部的砂浆或混凝土8，以及位于钢芯1中间位置的限位卡7组成。所述防屈曲支撑的钢芯1选用十字形钢板截面的形式，钢管2选用方形钢管，如图4所示。隔膜层选用硅胶材料。

在钢芯1的两端分别焊接两块设有铰孔的焊接连接钢板3，在焊接连接钢板3的铰孔处加焊可增加铰孔处截面强度的环形钢圈4-1，为防止焊接连接钢板3平面外失稳，在其端部设置加强板5，利用铰轴6将焊接连接钢板3连接到梁柱节点板10上。

本实用新型连接处的设计思路及方法：

(1)焊接连接钢板3与钢芯1连接处的焊缝设计

焊接连接钢板3与钢芯1端部连接采用三面围焊。根据现行钢结构设计规范(GB50017-2003)焊缝设计如下：

确定端焊缝的焊接长度l_w3，满足下式：

8h_f≤l_w3≤0.8b    (1)

其中，b为支撑钢芯1截面设计宽度，h_f为焊脚尺寸。

端焊缝的强度计算公式为：

$N_3={\mathrm{\β}}_f\×\mathrm{\Σ}{0.7h}_{f3}{l}_{w3}{f}_f^w---\left(2\right)$

其中，β_f为正面角焊缝强度的增大系数，端焊缝β_f＝1.22，f_f ^w为角焊缝的强度设计值。

斜焊缝的长度设计：

$l_{w1}=l_{w2}=\frac{N-N_3}{{\mathrm{\β}}_f\×\mathrm{\Σ}{0.7h}_{f3}{f}_f^w}---\left(3\right)$

其中，β_f为正面角焊缝强度的增大系数，侧焊缝β_f＝1.0，f_f ^w为角焊缝的强度设计值，N为防压曲支撑设计承载力。

(2)初步拟定焊接连接钢板3的厚度t′，进行铰轴设计

圆柱形铰轴其承压应力应该按下式计算：

$\mathrm{\σ}=\frac{2N}{\mathrm{dl}}\≤f---\left(4\right)$

其中，N为防压曲支撑设计承载力，d为铰轴直径，l为铰轴6纵向接触面长度(不焊接环形钢圈时取2t′)，f为钢材的屈服应力。

(3)按铰孔处净截面受拉承载力确定焊接连接钢板3的宽度b′

$d^{\′}\≥\frac{N}{{2\mathrm{ft}}^{\′}}+d---\left(5\right)$

其中，N为防压曲支撑设计承载力，d为铰轴直径，t′为焊接连接钢板3的厚度，f为钢材的屈服应力。

(4)根据稳定条件初步确定焊接连接钢板3长度l′

$(b^{\′}+l_w)\≤l^{\′}\≤\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\μ}}\sqrt{\frac{2\mathrm{EI}}{N}}---\left(6\right)$

其中，N为防压曲支撑设计承载力，b′为焊接连接钢板3宽度，l_w为斜焊缝水平投影长度。

(5)梁柱节点板10净截面强度验算

在梁柱节点板10的铰孔圆心处沿外力作用方向45度斜线取危险截面，验算梁柱节点板10净截面强度，使其满足下式，

$\frac{\sqrt{2}N}{{2A}_n}\≤1.2f---\left(7\right)$

其中，N为防压曲支撑设计承载力，A_n为危险截面净截面面积，f为钢材的屈服应力。

(6)限位卡7的尺寸设计

由于钢芯1和内填砂浆或混凝土8之间存在间隙，为了防止钢管2及内填砂浆或混凝土8在安装或使用过程中因重力沿钢芯1产生轴向滑动，在钢芯1中间位置设置限位卡7，其形式如图8所示，尺寸设计参考下式，

1.2b≤B≤1.5b    (8)

0.3b≤d≤0.6b

h≤r≤2h

其中，b为支撑钢芯工作段设计宽度，B为限位卡处总宽度，d为限位卡宽度，h为限位卡高，r限位卡过渡处半径。

设计焊接连接钢板3或梁柱节点板10不满足强度要求时，可以采取一些加强措施。

可在焊接连接钢板3上焊接环形钢圈4-1，增加焊接连接钢板3铰轴6处截面强度，相应减小铰轴6设计尺寸。此时，式(4)中铰轴纵向接触面长度l取为2(t′+t₁)，其中t₁为钢圈厚度。

或者在梁柱节点板10上焊接环形钢圈4-2，增强抗挤压能力的同时，亦可实现不同厚度的钢芯1与梁柱节点板10连接。

以上两种加强措施可单独使用，也可同时使用。如图6、图7为本实用新型同时使用以上两种加强措施时的俯视与侧视结构图。

图9所示为该实用新型铰式连接防屈曲支撑与梁柱节点板10连接的安装示意图，由于在钢芯1端部加焊的焊接连接钢板3之间留有一定的间隙，可将焊接连接钢板3直接夹至梁柱节点板10上并用铰轴连接，从而实现铰接形式。为了防止节点板发生平面外失稳可以在梁柱节点板10上增加一组加劲板11，此外铰轴6外侧应加设拴钉，以防止滑脱。

Claims (6)

1、一种铰式连接防屈曲支撑，包括有钢芯(1)、涂于钢芯(1)表面的隔膜层(9)、包裹着钢芯(1)的钢管(2)、钢管(2)内填砂浆或混凝土(8)，以及位于钢芯(1)中间的限位卡(7)，其特征在于：在钢芯(1)的两端分别焊接两块平行的焊接连接钢板(3)，并在焊接连接钢板(3)上预留铰孔，利用铰轴(6)将焊接连接钢板(3)与梁柱节点板(10)进行连接。

2、根据权利要求1所述的铰式连接防屈曲支撑，其特征在于：可在焊接连接钢板(3)的铰孔处加焊环形钢圈(4)。

3、根据权利要求1所述的铰式连接防屈曲支撑，其特征在于：可在梁柱节点板(10)的铰孔处加焊环形钢圈(4)。

4、根据权利要求1所述的铰式连接防屈曲支撑，其特征在于：可在焊接连接钢板(3)上加焊防止其平面外失稳的加强板(5)。

5、根据权利要求1所述的铰式连接防屈曲支撑，其特征在于：所述钢芯(1)采用扁钢或焊接成十字形截面形式的钢板。

6、根据权利要求1所述的铰式连接防屈曲支撑，其特征在于：所述的隔膜层(9)，可选用硅胶涂于钢芯(1)表面。

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