CN201588313U

CN201588313U - 双矩形管约束型h形截面装配式防屈曲耗能支撑

Info

Publication number: CN201588313U
Application number: CN200920299940XU
Authority: CN
Inventors: 郭彦林; 江磊鑫; 窦超
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2019-12-21

Abstract

双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑，属于结构工程技术领域。其特征在于：由两个冷弯薄壁型钢矩形管和热轧H型钢通过长螺杆连接件装配而成，两个冷弯薄壁型钢矩形管通过长螺杆连接件扣压在热轧H型钢的腹板上，组成外围约束构件，并对内核的热轧H型钢形成约束机制；热轧H型钢在有长螺杆连接件通过的任何位置都开设圆形孔，两个冷弯薄壁型钢矩形管在有长螺杆连接件通过的非跨中位置开设椭圆形孔、跨中位置开设圆形孔。热轧H型钢可以应用在要求支撑承载力较大的结构中，在大震作用下其截面能够达到全截面屈服，从而有效耗能，另外，本实用新型施工方便，造价低，制作过程简单，能够实现工业化批量生产。

Description

双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑

技术领域

本实用新型涉及一种新型的防屈曲耗能支撑，属于结构工程技术领域。

技术背景

多高层建筑结构抗侧力设计是整个结构设计的核心内容，因此设计人员一致在不断的探索与寻求新的支撑体系与支撑结构。实践证明，防屈曲耗能支撑作为多高层框架结构的支撑构件，不仅具有“支撑”和“耗能”两种作用，而且可以有效地折减结构的地震作用，是一种在地震作用下表现良好的消能减震构件。在小震作用下，防屈曲耗能支撑保持弹性，从而为主体结构提供足够的刚度，保证主体框架的侧移满足设计要求；在中震和大震作用下，防屈曲耗能支撑进入屈服，通过其内核截面的屈服耗散地震能量，从而保护主体框架的安全并有效消减地震反应。特别在日本阪神地震与美国北岭地震后，防屈曲耗能支撑在美日等多震的发达国家得到了快速的推广应用。近几年来，防屈曲耗能支撑已经在我国的大型建筑结构中应用，在地震高设防烈度区域，被结构设计人员作为最好的消能减震构件之一。

防屈曲耗能支撑是一种新型抗侧力构件，它由内核承力构件与外围约束构件两部分组成：内核构件一般采用低屈服点的钢材，直接承受轴向荷载作用；外围约束构件并不直接承受轴压作用，但它对内核构件的约束作用可提高内核构件的屈曲荷载，使内核部分在外压力作用下发生全截面屈服，从而提高构件滞回环的饱满度和构件的耗能能力。

目前在国内外工程上普遍采用的防屈曲耗能支撑，大多是由外围钢管混凝土与内核构件组成；内核构件一般采用一块钢板或者钢板焊接而形成的组合截面，内核钢板或构件表面要刷上一层无粘结材料，并与填充混凝土之间留有一定的空隙。众所周知，对于焊接组合截面，由于焊接材料和热影响区材料的变脆，将严重影响内核构件的耗能效果。往往在反复荷载作用下，在不多的循环次数下热影响区的材料就发生脆断而使构件失去作用。其次，由于约束构件的混凝土与内核构件表面之间有严格的间隙控制，精度要求严格，制作过程较为复杂，导致成本较高；又由于有混凝土的浇注养护，制作周期较长，并且不利于实现工业化批量生产。另外，对于内核是焊接组合截面的防屈曲耗能支撑，内核组合截面与钢框架连接十分复杂，导致施工不便。因此，寻求制作与安装简便、又有较高承载力与优良性能的防屈曲耗能支撑便是设计人员的目标之一。

为了克服上述缺点，本申请人也曾提出了一种全钢结构防屈曲耗能支撑【申请号：200910081817.5】，主要利用四个热轧槽钢作为外围约束构件，并通过高强度螺栓把四个槽钢连接起来，使其工作时作为整体而不散开。这种组合式全钢截面防屈曲耗能支撑，实现了现场装配的要求，而且热轧型钢实现了工业化批量生产，生产成本低，克服了普通防屈曲耗能支撑制作与应用上的缺点。但是，对这种由四个热轧槽形截面组成的防屈曲耗能支撑，由于其内核承压构件采用一字型钢板，所承担的荷载有限，仅适用于对支撑承载力要求不高的结构。且由于配置在内核板外侧的两个槽形构件开口向外，其对绕竖轴的惯性矩较小，因而约束效率不能得到充分发挥。

为此，在上述全钢结构防屈曲耗能支撑的基础上，本实用新型提出了另一种全新的防屈曲耗能支撑，称为双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑，它利用现成的冷弯薄壁型钢矩形管作为外围约束构件，可以较大地提高约束效率；利用热轧H型钢作为内核构件，可以提高内核受压承载力；利用长螺杆把热轧H型钢与配置在两侧冷弯薄壁型钢矩形管连接起来，避免了现成焊接连接，是一种在工地现场能够完全实现的装配式防屈曲耗能支撑。这种防屈曲耗能支撑，不仅能够像普通防屈曲耗能支撑一样，在地震下为主体结构提供抗侧刚度并消耗地震能量，从而降低地震反应以保证主体结构的安全，更具有很多普通防屈曲耗能支撑所不具备的优越性。一般防屈曲耗能支撑的内核承力构件与外围约束构件之间留有一定的间隙，因而导致制作精度控制严格和技术要求高，而本文发明的防屈曲耗能支撑，外围约束构件与内核承力构件通过长螺杆压紧，二者表面之间处于紧密接触状态，没有前述预留间隙问题。这样，当内核构件受压时，保证由于其泊桑效应而膨胀时，长螺杆可以起到弹簧作用而释放这种膨胀作用，防止内核构件被卡死，从而使其屈服耗能。

这种新型的防屈曲耗能构件，其优点是：它利用了热轧H型钢作为内核受压部件，其截面面积较大，可适用于对防屈曲耗能支撑承载力要求较高的结构，并且H形钢是热轧成型的，比起内核焊接的防屈曲耗能支撑具有更好的延性；它能够较容易地通过选用不同的冷弯型钢矩形钢管截面，不仅实现对热轧H型钢的完全约束作用，而且能使防屈曲耗能支撑达到双轴等稳定的目的；它利用我国现在广泛应用的型钢作为原材料，取材便利，成本低廉；生产过程无焊接、无现场混凝土浇筑，仅仅利用型钢进行加工，减少了加工成本，大大简化了防屈曲耗能支撑的制作过程，降低了对加工人员技术水平的要求，有利于实现工业化生产。

实用新型内容

本实用新型提出的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑，目的在于提供一种全新的装配式的支撑消能构件，为结构主体提供抗侧力作用，并在大震作用下有效耗能，消减地震作用，同时兼做调整结构在某一个方向的抗侧刚度的作用；在防屈曲耗能支撑的构成方面，本实用新型的防屈曲耗能支撑的一个突出特点是，内核采用热轧H型钢，其材质晶粒细致，耗能与延性良好；而对于普通防屈曲耗能支撑，内核承力构件常采用焊接组合截面，焊接材料以及热影响区的材质变脆，内核构件延性降低；另外，外围约束构件采用配置在H形钢腹板两侧的双矩形管且通过长螺杆连接，其连接简单、约束效率高，且施工方便，造价低，制作过程简单，能够实现工业化批量生产。

另外，本实用新型采用的热轧H型钢，其构成截面的板件不会在构件全截面屈服前失稳，因而采用双矩形管对内核热轧H型钢进行约束，主要考虑双矩形管的约束作用能使防屈曲耗能支撑不发生整体失稳，不必介意是否完全约束了内核构件的全部板面。基于这一原理，采用双矩形管紧贴热轧H型钢腹板的两侧，并采用预紧的长螺杆把三者连接起来。这种约束处理，比其普通防屈曲耗能构件的约束机理要简单的多；在内核构件受拉时，内核热轧H型钢可以自由屈服耗能，不受外围构件约束，当内核热轧H型钢受压时，双矩形管不仅给其H形钢提供侧向约束不会使其整体失稳，而且由于长螺杆的弹簧作用可以有效地释放热轧H型钢腹板由于泊桑效应而产生的横向膨胀变形，防止外围约束太强而使内核构件被卡死，从而使其屈服耗能。

约束比是防屈曲耗能支撑的一个重要参数，它是防屈曲耗能支撑整体弹性屈曲荷载与内核屈服荷载的比值，即

ζ = \frac{P_{cr}}{P_{y}} = \frac{π^{2} (E_{1} I_{1} + E_{2} I_{2}) / L^{2}}{A_{1} f_{y 1}}

它反应了外围约束部分对内核的约束作用的强弱。对于本实用新型提出的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑，取约束比在1.8-2.0之间，即可保证外围具有足够的约束作用。

本实用新型提出的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑，其特征在于：含有第一冷弯薄壁型钢矩形管(1)、第二冷弯薄壁型钢矩形管(2)和热轧H型钢，其中：第一冷弯薄壁型钢矩形管(1)和第二冷弯薄壁型钢矩形管(2)被长螺杆连接件扣压到所述热轧H型钢的腹板上，在所述热轧H型钢被所述长螺杆连接件穿过的任何位置都开设圆形孔，在所述两个冷弯薄壁型钢矩形管(1、2)被所述长螺杆连接件穿过的跨中位置开设圆形孔，在所述两个冷弯薄壁型钢矩形管(1、2)被所述长螺杆连接件穿过的非跨中位置开设椭圆形孔。在所述两个冷弯薄壁型钢矩形管(1、2)内灌注混凝土。

本实用新型提出的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑，能够为多高层建筑结构提供良好的抗侧力作用，且在大震作用下，能够达到全截面屈服，从而有效耗能。此外，该防屈曲耗能支撑利用了热轧H型钢作为内核受压部件，其截面面积较大，可适用于对防屈曲耗能支撑承载力要求较高的结构，并且H形钢是热轧成型的，比起内核焊接的防屈曲耗能支撑具有更好的延性。更重要的是，它为装配式构件，易于加工与安装，能够有效降低结构造价，是一种性能卓越的防屈曲耗能支撑。

附图说明

图1为本实用新型的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑三维示意图。

图2为本实用新型的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑的跨中A-A截面示意图。

图3为本实用新型的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑的非跨中B-B截面示意图。

图4为本实用新型的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑的H形钢开孔详图。

图5为本实用新型的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑的冷弯薄壁型钢矩形管开孔详图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型进行详细说明。

在如图1～5中：

1-冷弯薄壁型钢矩形管1

2-冷弯薄壁型钢矩形管2

3-热轧H型钢

4-长螺杆连接件

如图1至图3所示，防屈曲耗能支撑由两个冷弯薄壁型钢矩形管1～2与内核热轧H型钢3组成。两个冷弯薄壁型钢矩形管1～2通过长螺杆连接件4扣压在热轧H型钢3的腹板两侧，从而形成外围约束构件。如果在冷弯薄壁型钢矩形管1和冷弯薄壁型钢矩形管2中灌注混凝土，则能够大大提高外围约束的承载力和刚度，减少外围冷弯薄壁型钢矩形管的截面尺寸。

长螺杆连接件4需要穿过冷弯薄壁型钢矩形管1、冷弯薄壁型钢矩形管2和热轧H型钢3的腹板，开孔情况如图4和图5所示。在热轧H型钢3的腹板上被长螺杆连接件4穿过的任何位置都开设圆孔；在冷弯薄壁型钢矩形管1和冷弯薄壁型钢矩形管2被长螺杆连接件4穿过的非跨中位置要开设椭圆孔，以保证冷弯薄壁型钢矩形管1、2和热轧H型钢3之间能够沿着轴向各自变形而不互相约束；在冷弯薄壁型钢矩形管1和冷弯薄壁型钢矩形管2被长螺杆连接件4穿过的跨中位置要开设圆形孔，以兼作限位卡的作用，防止外围部分沿着轴向滑脱。如果冷弯薄壁型钢矩形管1和冷弯薄壁型钢矩形管2中灌注混凝土，则在灌注混凝土时要在非跨中位置预留椭圆孔道、在跨中位置预留圆形孔道，便于长螺杆连接件4的插入。

防屈曲耗能支撑与框架部分的连接构造，与其他的防屈曲耗能支撑相同。

实验证明，本实用新型具有如下明显的优点：

它能够在地震作用下为主体结构提供抗侧刚度并消耗地震能量，从而降结构的低地震响应，保护主体结构在地震作用下的安全；

它利用我国广泛应用的型钢作为原材料，取材便利，成本较低；

它的生产过程简单，仅对型钢进行加工，无焊接作业，加工费用较低，对加工人员技术水平的要求也不高；

它是一种装配式的构件，所有的加工工序都能在工厂内完成，比如冷弯薄壁型钢矩形管内灌注混凝土、开设孔道等，在施工现场的拼装十分快捷、方便、灵活。

它的内核构件利用热轧H型钢承受轴压力，不象普通支撑采用焊接组合截面，因而其延性非常好。如果利用焊接的工字钢作为内核，则焊接残余应力和残余变形将会大大影响到防屈曲耗能支撑的加工精度与延性性能。

它的内核截面是热轧H型钢，可选用的截面规格宽泛，能实现较大吨位的屈服荷载。

Claims

1.双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑，其特征在于，含有第一冷弯薄壁型钢矩形管(1)、第二冷弯薄壁型钢矩形管(2)和热轧H型钢，其中：

第一冷弯薄壁型钢矩形管(1)和第二冷弯薄壁型钢矩形管(2)被长螺杆连接件扣压到所述热轧H型钢的腹板上，在所述热轧H型钢被所述长螺杆连接件穿过的任何位置都开设圆形孔，在所述两个冷弯薄壁型钢矩形管(1、2)被所述长螺杆连接件穿过的跨中位置开设圆形孔，在所述两个冷弯薄壁型钢矩形管(1、2)被所述长螺杆连接件穿过的非跨中位置开设椭圆形孔。

2.根据权利要求1所述的双矩形管约束型H形截面装配式防屈曲耗能支撑，其特征在于，在所述两个冷弯薄壁型钢矩形管(1、2)内灌注混凝土。