專利名稱：雙矩形管約束型h形截面裝配式防屈曲耗能支撐的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新型的防屈曲耗能支撐，屬于結構工程技術領域。 技術背景多高層建筑結構抗側力設計是整個結構設計的核心內容，因此設計人員一致在不斷的探索與尋求新的支撐體系與支撐結構。實踐證明，防屈曲耗能支撐作為多高層框架結 構的支撐構件，不僅具有“支撐”和“耗能”兩種作用，而且可以有效地折減結構的地震作用， 是一種在地震作用下表現良好的消能減震構件。在小震作用下，防屈曲耗能支撐保持彈性， 從而為主體結構提供足夠的剛度，保證主體框架的側移滿足設計要求；在中震和大震作用 下，防屈曲耗能支撐進入屈服，通過其內核截面的屈服耗散地震能量，從而保護主體框架的 安全并有效消減地震反應。特別在日本阪神地震與美國北嶺地震后，防屈曲耗能支撐在美 日等多震的發達國家得到了快速的推廣應用。近幾年來，防屈曲耗能支撐已經在我國的大 型建筑結構中應用，在地震高設防烈度區域，被結構設計人員作為最好的消能減震構件之防屈曲耗能支撐是一種新型抗側力構件，它由內核承力構件與外圍約束構件兩部 分組成內核構件一般采用低屈服點的鋼材，直接承受軸向荷載作用；外圍約束構件并不 直接承受軸壓作用，但它對內核構件的約束作用可提高內核構件的屈曲荷載，使內核部分 在外壓力作用下發生全截面屈服，從而提高構件滯回環的飽滿度和構件的耗能能力。目前在國內外工程上普遍采用的防屈曲耗能支撐，大多是由外圍鋼管混凝土與內 核構件組成；內核構件一般采用一塊鋼板或者鋼板焊接而形成的組合截面，內核鋼板或構 件表面要刷上一層無粘結材料，并與填充混凝土之間留有一定的空隙。眾所周知，對于焊接 組合截面，由于焊接材料和熱影響區材料的變脆，將嚴重影響內核構件的耗能效果。往往在 反復荷載作用下，在不多的循環次數下熱影響區的材料就發生脆斷而使構件失去作用。其 次，由于約束構件的混凝土與內核構件表面之間有嚴格的間隙控制，精度要求嚴格，制作過 程較為復雜，導致成本較高；又由于有混凝土的澆注養護，制作周期較長，并且不利于實現 工業化批量生產。另外，對于內核是焊接組合截面的防屈曲耗能支撐，內核組合截面與鋼框 架連接十分復雜，導致施工不便。因此，尋求制作與安裝簡便、又有較高承載力與優良性能 的防屈曲耗能支撐便是設計人員的目標之一。為了克服上述缺點，本申請人也曾提出了一種全鋼結構防屈曲耗能支撐申請號 200910081817. 5，主要利用四個熱軋槽鋼作為外圍約束構件，并通過高強度螺栓把四個槽 鋼連接起來，使其工作時作為整體而不散開。這種組合式全鋼截面防屈曲耗能支撐，實現了 現場裝配的要求，而且熱軋型鋼實現了工業化批量生產，生產成本低，克服了普通防屈曲耗 能支撐制作與應用上的缺點。但是，對這種由四個熱軋槽形截面組成的防屈曲耗能支撐，由 于其內核承壓構件采用一字型鋼板，所承擔的荷載有限，僅適用于對支撐承載力要求不高 的結構。且由于配置在內核板外側的兩個槽形構件開口向外，其對繞豎軸的慣性矩較小，因 而約束效率不能得到充分發揮。[0006]為此，在上述全鋼結構防屈曲耗能支撐的基礎上，本實用新型提出了另一種全新的防屈曲耗能支撐，稱為雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐，它利用現成的 冷彎薄壁型鋼矩形管作為外圍約束構件，可以較大地提高約束效率；利用熱軋H型鋼作為 內核構件，可以提高內核受壓承載力；利用長螺桿把熱軋H型鋼與配置在兩側冷彎薄壁型 鋼矩形管連接起來，避免了現成焊接連接，是一種在工地現場能夠完全實現的裝配式防屈 曲耗能支撐。這種防屈曲耗能支撐，不僅能夠像普通防屈曲耗能支撐一樣，在地震下為主體 結構提供抗側剛度并消耗地震能量，從而降低地震反應以保證主體結構的安全，更具有很 多普通防屈曲耗能支撐所不具備的優越性。一般防屈曲耗能支撐的內核承力構件與外圍約 束構件之間留有一定的間隙，因而導致制作精度控制嚴格和技術要求高，而本文發明的防 屈曲耗能支撐，外圍約束構件與內核承力構件通過長螺桿壓緊，二者表面之間處于緊密接 觸狀態，沒有前述預留間隙問題。這樣，當內核構件受壓時，保證由于其泊桑效應而膨脹時， 長螺桿可以起到彈簧作用而釋放這種膨脹作用，防止內核構件被卡死，從而使其屈服耗能。這種新型的防屈曲耗能構件，其優點是它利用了熱軋H型鋼作為內核受壓部件， 其截面面積較大，可適用于對防屈曲耗能支撐承載力要求較高的結構，并且H形鋼是熱軋 成型的，比起內核焊接的防屈曲耗能支撐具有更好的延性；它能夠較容易地通過選用不同 的冷彎型鋼矩形鋼管截面，不僅實現對熱軋H型鋼的完全約束作用，而且能使防屈曲耗能 支撐達到雙軸等穩定的目的；它利用我國現在廣泛應用的型鋼作為原材料，取材便利，成本 低廉；生產過程無焊接、無現場混凝土澆筑，僅僅利用型鋼進行加工，減少了加工成本，大大 簡化了防屈曲耗能支撐的制作過程，降低了對加工人員技術水平的要求，有利于實現工業 化生產。
實用新型內容本實用新型提出的雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐，目的在于提 供一種全新的裝配式的支撐消能構件，為結構主體提供抗側力作用，并在大震作用下有效 耗能，消減地震作用，同時兼做調整結構在某一個方向的抗側剛度的作用；在防屈曲耗能支 撐的構成方面，本實用新型的防屈曲耗能支撐的一個突出特點是，內核采用熱軋H型鋼，其 材質晶粒細致，耗能與延性良好；而對于普通防屈曲耗能支撐，內核承力構件常采用焊接組 合截面，焊接材料以及熱影響區的材質變脆，內核構件延性降低；另外，外圍約束構件采用 配置在H形鋼腹板兩側的雙矩形管且通過長螺桿連接，其連接簡單、約束效率高，且施工方 便，造價低，制作過程簡單，能夠實現工業化批量生產。另外，本實用新型采用的熱軋H型鋼，其構成截面的板件不會在構件全截面屈服 前失穩，因而采用雙矩形管對內核熱軋H型鋼進行約束，主要考慮雙矩形管的約束作用能 使防屈曲耗能支撐不發生整體失穩，不必介意是否完全約束了內核構件的全部板面。基于 這一原理，采用雙矩形管緊貼熱軋H型鋼腹板的兩側，并采用預緊的長螺桿把三者連接起 來。這種約束處理，比其普通防屈曲耗能構件的約束機理要簡單的多；在內核構件受拉時， 內核熱軋H型鋼可以自由屈服耗能，不受外圍構件約束，當內核熱軋H型鋼受壓時，雙矩形 管不僅給其H形鋼提供側向約束不會使其整體失穩，而且由于長螺桿的彈簧作用可以有效 地釋放熱軋H型鋼腹板由于泊桑效應而產生的橫向膨脹變形，防止外圍約束太強而使內核 構件被卡死，從而使其屈服耗能。[0010] 約束比是防屈曲耗能支撐的一個重要參數，它是防屈曲耗能支撐整體彈性屈曲荷 載與內核屈服荷載的比值，即 它反應了外圍約束部分對內核的約束作用的強弱。對于本實用新型提出的雙矩形 管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐，取約束比在1. 8-2. 0之間，即可保證外圍具有足 夠的約束作用。本實用新型提出的雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐，其特征在 于含有第一冷彎薄壁型鋼矩形管(1)、第二冷彎薄壁型鋼矩形管(2)和熱軋H型鋼，其中 第一冷彎薄壁型鋼矩形管(1)和第二冷彎薄壁型鋼矩形管(2)被長螺桿連接件扣壓到所述 熱軋H型鋼的腹板上，在所述熱軋H型鋼被所述長螺桿連接件穿過的任何位置都開設圓形 孔，在所述兩個冷彎薄壁型鋼矩形管(1、2)被所述長螺桿連接件穿過的跨中位置開設圓形 孔，在所述兩個冷彎薄壁型鋼矩形管(1、2)被所述長螺桿連接件穿過的非跨中位置開設橢 圓形孔。在所述兩個冷彎薄壁型鋼矩形管(1、2)內灌注混凝土。本實用新型提出的雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐，能夠為多高 層建筑結構提供良好的抗側力作用，且在大震作用下，能夠達到全截面屈服，從而有效耗 能。此外，該防屈曲耗能支撐利用了熱軋H型鋼作為內核受壓部件，其截面面積較大，可適 用于對防屈曲耗能支撐承載力要求較高的結構，并且H形鋼是熱軋成型的，比起內核焊接 的防屈曲耗能支撐具有更好的延性。更重要的是，它為裝配式構件，易于加工與安裝，能夠 有效降低結構造價，是一種性能卓越的防屈曲耗能支撐。
圖1為本實用新型的雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐三維示意 圖。圖2為本實用新型的雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐的跨中A-A 截面示意圖。圖3為本實用新型的雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐的非跨中 B-B截面示意圖。圖4為本實用新型的雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐的H形鋼開 孔詳圖。圖5為本實用新型的雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐的冷彎薄壁 型鋼矩形管開孔詳圖。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型進行詳細說明。在如圖1 5中1-冷彎薄壁型鋼矩形管12-冷彎薄壁型鋼矩形管23-熱軋H型鋼[0025]4-長螺桿連接件如圖1至圖3所示，防屈曲耗能支撐由兩個冷彎薄壁型鋼矩形管1 2與內核熱軋H型鋼3組成。兩個冷彎薄壁型鋼矩形管1 2通過長螺桿連接件4扣壓在熱軋H型鋼 3的腹板兩側，從而形成外圍約束構件。如果在冷彎薄壁型鋼矩形管1和冷彎薄壁型鋼矩形 管2中灌注混凝土，則能夠大大提高外圍約束的承載力和剛度，減少外圍冷彎薄壁型鋼矩 形管的截面尺寸。長螺桿連接件4需要穿過冷彎薄壁型鋼矩形管1、冷彎薄壁型鋼矩形管2和熱軋H 型鋼3的腹板，開孔情況如圖4和圖5所示。在熱軋H型鋼3的腹板上被長螺桿連接件4穿 過的任何位置都開設圓孔；在冷彎薄壁型鋼矩形管1和冷彎薄壁型鋼矩形管2被長螺桿連 接件4穿過的非跨中位置要開設橢圓孔，以保證冷彎薄壁型鋼矩形管1、2和熱軋H型鋼3之 間能夠沿著軸向各自變形而不互相約束；在冷彎薄壁型鋼矩形管1和冷彎薄壁型鋼矩形管 2被長螺桿連接件4穿過的跨中位置要開設圓形孔，以兼作限位卡的作用，防止外圍部分沿 著軸向滑脫。如果冷彎薄壁型鋼矩形管1和冷彎薄壁型鋼矩形管2中灌注混凝土，則在灌 注混凝土時要在非跨中位置預留橢圓孔道、在跨中位置預留圓形孔道，便于長螺桿連接件4 的插入。防屈曲耗能支撐與框架部分的連接構造，與其他的防屈曲耗能支撐相同。實驗證明，本實用新型具有如下明顯的優點它能夠在地震作用下為主體結構提供抗側剛度并消耗地震能量，從而降結構的低 地震響應，保護主體結構在地震作用下的安全；它利用我國廣泛應用的型鋼作為原材料，取材便利，成本較低；它的生產過程簡單，僅對型鋼進行加工，無焊接作業，加工費用較低，對加工人員 技術水平的要求也不高；它是一種裝配式的構件，所有的加工工序都能在工廠內完成，比如冷彎薄壁型鋼 矩形管內灌注混凝土、開設孔道等，在施工現場的拼裝十分快捷、方便、靈活。它的內核構件利用熱軋H型鋼承受軸壓力，不象普通支撐采用焊接組合截面，因 而其延性非常好。如果利用焊接的工字鋼作為內核，則焊接殘余應力和殘余變形將會大大 影響到防屈曲耗能支撐的加工精度與延性性能。它的內核截面是熱軋H型鋼，可選用的截面規格寬泛，能實現較大噸位的屈服荷載。
權利要求雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐，其特征在于，含有第一冷彎薄壁型鋼矩形管(1)、第二冷彎薄壁型鋼矩形管(2)和熱軋H型鋼，其中第一冷彎薄壁型鋼矩形管(1)和第二冷彎薄壁型鋼矩形管(2)被長螺桿連接件扣壓到所述熱軋H型鋼的腹板上，在所述熱軋H型鋼被所述長螺桿連接件穿過的任何位置都開設圓形孔，在所述兩個冷彎薄壁型鋼矩形管(1、2)被所述長螺桿連接件穿過的跨中位置開設圓形孔，在所述兩個冷彎薄壁型鋼矩形管(1、2)被所述長螺桿連接件穿過的非跨中位置開設橢圓形孔。
2.根據權利要求1所述的雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐，其特征在 于，在所述兩個冷彎薄壁型鋼矩形管(1、2)內灌注混凝土。
專利摘要雙矩形管約束型H形截面裝配式防屈曲耗能支撐，屬于結構工程技術領域。其特征在于由兩個冷彎薄壁型鋼矩形管和熱軋H型鋼通過長螺桿連接件裝配而成，兩個冷彎薄壁型鋼矩形管通過長螺桿連接件扣壓在熱軋H型鋼的腹板上，組成外圍約束構件，并對內核的熱軋H型鋼形成約束機制；熱軋H型鋼在有長螺桿連接件通過的任何位置都開設圓形孔，兩個冷彎薄壁型鋼矩形管在有長螺桿連接件通過的非跨中位置開設橢圓形孔、跨中位置開設圓形孔。熱軋H型鋼可以應用在要求支撐承載力較大的結構中，在大震作用下其截面能夠達到全截面屈服，從而有效耗能，另外，本實用新型施工方便，造價低，制作過程簡單，能夠實現工業化批量生產。
文檔編號E04B1/98GK201588313SQ200920299940
公開日2010年9月22日 申請日期2009年12月21日 優先權日2009年12月21日
發明者江磊鑫, 竇超, 郭彥林 申請人:清華大學