CN203594129U

CN203594129U - 组合式h型钢核心屈曲约束支撑构件

Info

Publication number: CN203594129U
Application number: CN201320685166.2U
Authority: CN
Inventors: 孙建运; 宫海; 李国强; 郭小康; 胡大柱; 宋中南; 李景芳; 史鹏飞; 刘康; 卢海陆
Original assignee: Shanghai Landtek Building Damping Science And Technology Ltd; China State Construction Engineering Corp Ltd CSCEC; China Construction Baili Engineering Technology Development Co Ltd
Current assignee: Shanghai Landtek Building Damping Science And Technology Ltd; China State Construction Engineering Corp Ltd CSCEC; China Construction Baili Engineering Technology Development Co Ltd
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2023-11-04

Abstract

一种组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件，包括芯材、端部支撑节点、外套筒、封板和填充材料，所述芯材由位于中间的核心段和位于两端的连接段组成，所述核心段和连接段的横端面均为H型，所述核心段和连接段为独立的三段H型钢拼接而成或整根H型钢,所述核心段的翼缘宽度比连接段的翼缘宽度小，所述端部支撑节点的横端面为H型，所述H型靠近芯材两端的腹板切除形成凹槽，凹槽槽口相对设置，所述芯材的连接段伸入凹槽内并焊接连接。解决了支撑在芯材部分与端部节点连接处的弯曲问题及现有支撑经济性较差，制作复杂的技术问题。可广泛设置于梁柱之间用于建筑耗能。

Description

组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件

技术领域

本实用新型涉及一种建筑耗能构件，特别是一种约束支撑构件。

背景技术

框架结构是高层建筑使用较普遍的一种结构形式，但其抗侧刚度与承载能力有限，在风荷载或地震作用下侧向位移较大，使其建造高度受到了一定限制。为解决框架结构抗侧刚度与强度较弱的问题，可为其附加支撑，即为框架—支撑体系，包括中心支撑—框架体系与偏心支撑—框架体系。偏心支撑—框架体系通过梁端剪切屈服段耗散地震输入能量，牺牲了部分主体结构构件，使其震后修复较为困难，且成本很高。而中心支撑—框架体系，在地震作用下，难以避免支撑受压屈曲。传统钢支撑屈曲后，性能退化严重，极易造成支撑本身与节点连接的破坏，进而导致结构抗震能力急剧下降，对结构抗震十分不利。为避免普通钢支撑受压屈曲现象的产生，有学者提出了屈曲约束支撑这一概念，也称为“防屈曲支撑”或“无粘结支撑”，即为普通支撑施加侧向约束，防止其受压时产生屈曲。屈曲约束支撑是一种性能优良的新型抗震耗能构件，其在受拉和受压情况下均能达到屈服，避免了传统支撑在受压时发生屈曲的缺点，提高了结构的抗震性能。

屈曲约束支撑已经得到了世界各国结构抗震专家和结构工程师的一致认可。目前，日本已有300多栋建筑采用了屈曲约束支撑，美国已有50多栋已建和在建的建筑使用了这种支撑。我国工程界已广泛认识到这种新型支撑的诸多优点，并对其有非常迫切的需求。屈曲约束支撑在我国有着广泛的应用前景，对提高我国建筑物的抗震能力有着重要的现实意义。

屈曲约束支撑形式多样，但工作原理类似，其轴力由支撑核心单元承受，而外围钢管或钢管混凝土对核心提供约束，限制其整体屈曲与局部屈曲。屈曲约束支撑拉压性能相当，滞回曲线饱满稳定，其不但可作为结构构件，屈服后也是一种性能优良的阻尼器，可大量耗散地震输入能量，并将结构的损伤集中于屈曲约束支撑自身，保护了主体结构，降低了结构地震响应。目前国内外的屈曲约束支撑构造形式大体上可分为两类：(1)纯钢型屈曲约束支撑；(2)以钢管混凝土为约束单元的屈曲约束支撑。但现有的屈曲约束支撑并不十分经济，制作成本较高，这是由于设计中需要保证支撑节点部位处于弹性状态，通常的做法是加大截面面积。支撑的耗能核心与支撑节点采用同一钢板，不可避免地造成了大量废料；另一方面，由于增大节点部位的断面尺寸，有时也会造成支撑外观由强度设计控制，不得不增加套筒尺寸，而由稳定控制的设计才是最经济合理的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件，要解决现有的屈曲约束支撑构件制作成本高不经济的技术问题，并解决现有的屈曲支撑在芯材部分与端部节点连接处（即支撑变截面处）的弯曲问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件，包括芯材、端部支撑节点、外套筒、封板和填充材料，所述端部支撑节点位于芯材两端，其中心线与芯材中心线的延长线重合，所述外套筒套在端部支撑节点和芯材组合成的整体外，所述填充材料填满外套筒和端部支撑节点与芯材之间的空隙，所述端部支撑节点外端面穿过外套筒两端的封板，所述外套筒和封板固定连接形成闭合体，所述芯材由位于中间的核心段和位于两端的连接段组成，所述核心段和连接段的横端面均为H型，所述核心段和连接段为独立的三段H型钢拼接而成或整根H型钢,所述核心段的翼缘宽度比连接段的翼缘宽度小，所述端部支撑节点的横端面为H型，所述H型靠近芯材两端的腹板切除形成凹槽，凹槽槽口相对设置，所述芯材的连接段伸入凹槽内并焊接连接。

所述芯材和端部支撑节点的外表面均包裹有无粘结材料。

所述外套筒的横端面为圆形、矩形或正方形。

所述芯材采用低强度钢材制成，所述支撑端部节点由高强度钢材制成。

与现有技术相比本实用新型具有以下特点和有益效果：

首先，本实用新型所述约束支撑与已有屈曲约束支撑区别在于，该芯材部分采用连接段截面削弱的H型钢；支撑端部节点与芯材部分采用焊接形式连成一个整体，保证了截面削弱部分完全进入塑性状态时，支撑端部节点仍保持弹性，进而节省了用钢量。

另外，外套筒不仅约束芯材部分，还延伸至支撑端部节点处，解决了支撑在芯材部分与端部节点连接处（即支撑变截面处）的弯曲问题。对组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件及其子结构进行的静力往复试验结果表明，此种屈曲约束支撑具有很好的滞回特征和耗能性能，是一种十分有效的耗能构件，可以达到1/80的变形量，满足罕遇地震作用下建筑结构1/50的楼层位移变形要求，并且累积塑性变形大于200倍屈服位移，具有稳定的滞回特性和良好的低周疲劳特性，可以很大地提高建筑结构的抗震能力，具体耗能试验结果参见附图5。

再者，本实用新型实现了材料与制作的变化，使这种支撑的成本大大降低，为推广应用奠定了基础。

本实用新型可广泛应用于建筑耗能，设置于梁柱之间。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

图1是本实用新型结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的B-B剖视图。

图4是制造流程图。

图5是本实用新型试验滞回曲线图。

附图标记：1－核心段、 2－连接段、3－端部支撑节点、4－填充材料、5－外套筒、6－封板、7－无粘结材料。

具体实施方式

实施例参见图1至图3所示，一种组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件，包括芯材、端部支撑节点3、外套筒5、封板6和填充材料4，所述端部支撑节点3位于芯材两端，其中心线与芯材中心线的延长线重合，所述外套筒5套在端部支撑节点3和芯材组合成的整体外，所述填充材料4填满外套筒5和端部支撑节点3与芯材之间的空隙，所述端部支撑节点3外端面穿过外套筒5两端的封板6，所述外套筒5和封板6固定连接形成闭合体，所述芯材由位于中间的核心段1和位于两端的连接段2组成，所述核心段1和连接段2的横端面均为H型，所述核心段1和连接段2为独立的三段H型钢拼接而成或整根H型钢,所述核心段1的翼缘宽度比连接段2的翼缘宽度小，所述端部支撑节点3的横端面为H型，所述H型靠近芯材两端的腹板切除形成凹槽，凹槽槽口相对设置，所述芯材的连接段2伸入凹槽内并焊接连接。

所述芯材和端部支撑节点3的外表面均包裹有无粘结材料7。

所述外套筒5的横端面为圆形、矩形或正方形。

所述芯材采用低强度钢材制成，所述支撑端部节点3由高强度钢材制成。

进一步地，为了达到上述方案，本实用新型的设计方法如下：

1、屈曲约束支撑的强度要求

屈曲约束支撑的受拉和受压屈服承载力F _d可表示如下：

(1)

式中：—轴向受拉和受压屈服承载力；

Figure DEST_PATH_980357DEST_PATH_IMAGE003

—约束屈服段的截面面积；

Figure DEST_PATH_179257DEST_PATH_IMAGE004

—约束屈服段的屈服强度。

2、外套筒的设计要求

屈曲约束支撑构件在多遇地震和罕遇地震作用下，应不发生整体屈曲。屈曲约束支撑构件的整体弹性屈曲荷载与约束屈服段的屈服承载力的比值应满足：

Figure DEST_PATH_661185DEST_PATH_IMAGE005

(2)

式中：

—外套筒的弱轴刚度；

Figure DEST_PATH_471195DEST_PATH_IMAGE007

—外套筒钢材弹性模量；

Figure DEST_PATH_208207DEST_PATH_IMAGE008

—芯板钢材的超强系数；

—支撑长度；

w—应变强化调整系数；

Figure DEST_PATH_473021DEST_PATH_IMAGE002

—轴向受拉和受压屈服承载力。

屈曲约束支撑构件的板件在多遇地震和罕遇地震作用下，应不发生局部屈曲。无约束非屈服段（连接段）的板件外伸宽厚比应满足：

Figure DEST_PATH_714646DEST_PATH_IMAGE010

(3)

式中：b—无约束非屈服段钢板的外伸宽度；

t—无约束非屈服段钢板的外伸厚度。

3、节点设计

节点设计时除按节点设计要求考虑外，还应考虑支撑压拉承载力比、材料超强及应变硬化等效应的影响。建议承载力应满足式（4）要求：

Figure DEST_PATH_52087DEST_PATH_IMAGE011

(4)

式中：

Figure DEST_PATH_695558DEST_PATH_IMAGE012

—受屈曲约束支撑轴力的连接作用力设计力;

—应变强化调整系数;

Figure DEST_PATH_572695DEST_PATH_IMAGE008

—芯板钢材的超强系数；

Figure DEST_PATH_713826DEST_PATH_IMAGE002

—轴向受拉和受压屈服承载力。

节点连接高强度摩擦型螺栓的数量n可由下式求得：

Figure DEST_PATH_211804DEST_PATH_IMAGE014

(5)

式中：

Figure DEST_PATH_983451DEST_PATH_IMAGE012

—受屈曲约束支撑轴力的连接作用力设计力;

Figure DEST_PATH_245674DEST_PATH_IMAGE015

—传力摩擦面数目；

Figure DEST_PATH_128179DEST_PATH_IMAGE016

—摩擦面的抗滑移系数；

Figure DEST_PATH_542980DEST_PATH_IMAGE017

—每个高强螺栓的预拉力。

节点与支撑采用对接焊缝连接时，节点钢材强度设计值应不低于与屈曲约束支撑端部节点钢材的强度设计值。

具体地，所述组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件的制作方法包括：步骤一：将H型钢进行加工形成芯材部分，其中芯材部分包括核心段以及连接段，且核心段的翼缘的长度小于连接段的翼缘的长度；步骤二：将支撑端部节点和所述芯材部分的连接段采用焊接形式焊接相连；步骤三：将无粘结材料粘贴包覆于芯材部分以及支撑端部节点的表面；步骤四：将外套筒套于所述芯材部分以及支撑端部节点的外部；步骤五：将一块封板与外套筒一端的端面采用焊接形式焊接在一起；步骤六：将填充材料从外套筒的另一端灌入所述外套筒内；步骤七：将另一块封板与外套筒的另一端采用焊接形式焊接在一起。

更具体地，在步骤一的一个实施例中，芯材部分可以由一块H型钢通过热轧的方式从而形成核心段1与连接段2。或者在另一个实施例中，芯材部分可以由三块H型钢通过焊接的方式从而形成核心段1与连接段2。此处不予赘述。

图5示出了根据本实用新型的一个实施例的组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件的试验所得的力－位移曲线图。具体地，在此实施例中，为验证该产品性能，制作了如下试件进行研究，试件尺寸和材料如表1所示。

1. 选H型钢：Q235—H 350X175X7X11，面积：A=6291mm²；

其中H型钢包括芯材部分以及支撑端部节点。

2. 由于H型钢翼缘削弱：面积减少：30×11×2=660 mm²；

实际面积：A=6291-660 =5631mm²。

3. 实际屈服吨位：

Figure DEST_PATH_736512DEST_PATH_IMAGE019

4. 外套筒：采用正方形套筒，厚度10mm，外套筒尺寸为：374 mm×374mm

5. 按节点设计要求验算，在验算时考虑了支撑压拉承载力比、材料超强及应变硬化等效应的影响，经计算节点满足要求。

由试验所得力－位移曲线十分饱满（如图5所示），说明此屈曲约束支撑具有很好的耗能能力和低周疲劳性能。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims

1.一种组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件，包括芯材、端部支撑节点（3）、外套筒（5）、封板（6）和填充材料（4），所述端部支撑节点（3）位于芯材两端，其中心线与芯材中心线的延长线重合，所述外套筒（5）套在端部支撑节点（3）和芯材组合成的整体外，所述填充材料（4）填满外套筒（5）和端部支撑节点（3）与芯材之间的空隙，所述端部支撑节点（3）外端面穿过外套筒（5）两端的封板（6），所述外套筒（5）和封板（6）固定连接形成闭合体，其特征在于：所述芯材由位于中间的核心段（1）和位于两端的连接段（2）组成，所述核心段（1）和连接段（2）的横端面均为H型，所述核心段（1）和连接段（2）为独立的三段H型钢拼接而成或整根H型钢,所述核心段（1）的翼缘宽度比连接段（2）的翼缘宽度小，所述端部支撑节点（3）的横端面为H型，所述H型靠近芯材两端的腹板切除形成凹槽，凹槽槽口相对设置，所述芯材的连接段（2）伸入凹槽内并焊接连接。

2.根据权利要求1所述的组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件，其特征在于：所述芯材和端部支撑节点（3）的外表面均包裹有无粘结材料（7）。

3.根据权利要求1所述的组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件，其特征在于：所述外套筒（5）的横端面为圆形、矩形或正方形。

4.根据权利要求1所述的组合式H型钢核心屈曲约束支撑构件，其特征在于：所述芯材采用低强度钢材制成，所述支撑端部节点（3）由高强度钢材制成。