專利名稱：一種纖維預拉桿式自定心型鋼屈曲約束支撐的制作方法
技術領域：
本發明屬于土木工程領域，涉及ー種用于在多遇地震和罕遇地震下耗能減震的纖維預拉桿式自定心屈曲エ字型鋼約束支撐。
背景技術：
地震給人類帶來極其嚴重的災難。傳統的抗震設計采用的是延性設計方法，即在地震作用下，通過結構的部分構件的提前屈服和破壞，但整體不至于喪失功能，依靠構件的塑性變形來耗散大部分的地震能量，達到主體結構的安全目的。其中，屈曲約束支撐由于具有耗能能力強、減震效果好和震后易更換等優點，在近年來得到廣泛的應用。エ字型鋼是傳統屈曲約束支撐的主要形式之一，其主要組成部分包括型鋼耗能単元、屈曲約束機構(內約束矩形管和外約束矩形管)以及減少摩擦阻力的単元。屈曲約束 支撐在小震和設計風荷載作用下，始終處在全構件的弾性變形階段，對于原結構提供足夠的剛度和強度，作為結構的抗側支撐。在中震和大震作用下，屈曲約束支撐的型鋼耗能単元會進入屈服階段，但由于屈曲約束機構的作用而不會出現屈曲，從而通過塑性變形耗散地震能量，減少主體結構的地震影響，保證主體的安全性。然而，傳統型鋼屈曲約束支撐雖然能夠有效減小結構在地震過程中的最大位移，但由于型鋼耗能単元屈服后剛度較低，在卸載后無法回到初始位置，使得型鋼屈曲支撐約束結構體系在強震后易于產生較大的殘余變形，其平均殘余層間變形可達最大層間位移的40°/Γ60%。過大的殘余變形為震后的結構修復增加了困難，亦會大幅增加震后修復的成本，甚至導致結構最終不得不拆除重建。針對傳統型鋼屈曲約束支撐的上述問題，本發明提出了ー種利用玄武巖纖維預拉桿體系來實現型鋼屈曲約束支撐自定心功能的裝置和技術，以有效減小屈曲約束支撐及其結構體系的震后殘余變形。
發明內容
技術問題本發明針對已有屈曲約束支撐體系殘余變形過大的缺陷，提供ー種有效減小屈曲約束支撐體系的殘余變形，大幅提升工程結構震后可修復性的纖維預拉桿式自定心型鋼屈曲約束支撐。技術方案本發明的纖維預拉桿式自定心型鋼屈曲約束支撐，包括エ字鋼耗能單元、位于エ字鋼耗能単元的腹板兩側的兩個內約束矩形管、套在エ字鋼耗能単元和兩個內約束矩形管外的外約束矩形管、設置在エ字鋼耗能單元兩端的兩塊端板、連接兩塊端板的纖維拉桿、與端板連接的連接部件；エ字鋼耗能單元ー邊的內壁與內約束矩形管的一端連接，另ー邊的外壁與外約束矩形管的一端連接，エ字鋼耗能單元的腹板上設置有陣列排列的小孔，端板與內約束矩形管和外約束矩形管的端部接觸，所述纖維拉桿位于內約束矩形管中，并施加有預應カ將兩端的端板拉緊，在兩塊端板的外側均連接有連接部件。本發明中，端板上設置有與エ字鋼耗能單元截面相匹配的缺ロ，端板插入エ字鋼耗能單元端部。有益效果本發明與現有技術相比，具有以下優點( I)本技術方案能夠有效控制型鋼屈曲約束支撐結構的殘余變形。當承受強烈地震作用時，結構將產生較大的層間位移，致使型鋼屈曲約束支撐的型鋼耗能單元產生較大的軸向力。當型鋼耗能單元進入屈服耗能后，累積產生的塑性變形將無法自動恢復。而玄武巖纖維拉桿式自定心系統將為型鋼屈曲約束支撐提供穩定持續的彈性恢復力，使屈曲約束支撐在屈服并產生較大塑性變形后，仍然能夠強迫其回歸初始位置，在最大程度上減小甚至消除型鋼屈曲約束支撐結構體系的殘余變形，從而大幅減小結構震后修復的成本與難度。(2)本技術方案能夠確保型鋼支撐在拉壓往復受カ狀態下始終保持自定心功能。由于在地震作用過程中，結構將會產生往復的層間變形，型鋼屈曲約束支撐的型鋼耗能單元的受カ也是拉、壓往復交替的過程，所產生的塑性變形同樣也是拉、壓往復變化。本技術方案設計的玄武巖纖維拉桿式自定心系統能夠在支撐受拉和受壓狀態下均產生恢復カ支撐受拉時，內約束管向左推左端端板，外約束管向右推右端端板，纖維預拉桿部件相對伸 長，產生阻礙型鋼耗能單元變形的弾性力，有將支撐拉回初始狀態的趨勢，實現自定心功能；當支撐受壓時，內約束管向右推右端端板，外約束管向左推左端端板，纖維拉桿仍然相對伸長，產生阻礙型鋼耗能單元變形的弾性力，有將支撐拉回初始狀態的趨勢，同樣實現自定心功能。因此，本技術方案確保了型鋼支撐在拉壓往復受カ狀態下始終能夠保持自定心功能。(3)本技術方案為結構的抗震保護提供了兩重防線。當結構承受強烈地震作用吋，型鋼屈曲約束支撐的型鋼耗能單元進入屈服耗能，結構的振動響應得到衰減，構成了第一重保護防線；然而隨著地震輸入的能量不斷増加，型鋼耗能単元的累積塑性變形亦不斷增大，達到一定程度時將會產生斷裂而退出工作，此時玄武巖纖維拉桿由于具有高強度、低彈模和高延伸率的特征，而能夠與內、外約束管及錨固端板仍然形成正常工作的自定心系統并實現復位功能(第二重保護防線)，從而為結構提供一定的抗側剛度，防止結構因核心耗能部件的斷裂而倒塌，并充分控制結構因型鋼耗能単元而產生過大的殘余變形。(4)本技術方案為結構的震中和震后全過程損傷控制設計提供了有效方法。傳統的抗震設計僅涉及結構在地震過程中的最大位移控制，但對結構的震后損傷控制缺乏有效的設計方法。本技術方案可通過調節三個關鍵構造參數(型鋼耗能單元剛度、玄武巖纖維預拉桿剛度、纖維拉桿預張力)，簡便有效地實現震中及震后的全過程損傷控制，其中型鋼耗能單元剛度決定了支撐過程中耗散的能量，主要影響結構在地震過程中的最大位移；玄武巖纖維預拉桿剛度一方面能夠減小結構在地震過程中的最大位移，另ー方面決定了支撐在地震過程中的弾性恢復カ大小；纖維拉桿預張カ則直接影響支撐震后的殘余變形大小。(6)本技術方案制作簡便、重量輕、經濟高效。本技術方案將利用兩個內約束矩形管和一個外約束矩形管作為實現支撐拉壓變形時的推桿，在此基礎上引入玄武巖纖維預拉桿及其錨固端板與內、外約束管形成自定心體系，加工制作簡便，且僅通過較小的附加重量實現支撐的自復位功能。同時，玄武巖纖維是我國具有自主知識產權和研發生產能力的一種高性能纖維材料，與碳纖維、玻璃纖維等材料相比，價格相對較為低廉，且其高強度、低彈模和高延伸率的力學性能能夠滿足自定心系統的需求，因此僅通過附加較小的成本能夠進行纖維預拉桿式自定心型鋼屈曲約束支撐的設計制作。(6)本技術方案為型鋼普通支撐結構體系的抗震加固改造提供有效方案。目前，國內大量的既有建筑結構都采用了エ字型鋼普通支撐，其耗能能力較差且不具備自定心功能。利用本技術方案，可以在既有的型鋼支撐結構中方便地引入內、外約束管和纖維預拉桿及其錨固端板，從而改造成具有自定心功能和良好耗能能力的自定心屈曲約束支撐，實現提升既有結構體系抗震能力的目的。(7)利用具有高強度、低彈性模量和高延伸率的玄武巖纖維拉桿與エ字型鋼管屈曲約束支撐的內外約束部件形成自定心系統，使屈曲約束支撐在受壓(拉)塑性變形狀態甚至斷裂狀態下，玄武巖纖維拉桿始終保持在弾性受拉狀態，為支撐及結構提供穩定的自定心恢復力，使結構體系能夠在地震卸載后最大程度地回歸至初始位置，從而有效減小屈曲約束支撐體系的殘余變形，大幅提升工程結構的震后可修復性。
圖I為本發明裝置的正視圖；圖2為圖I的縱向剖面圖；圖3為圖I的縱向剖面圖；圖4為圖2的A-A剖面圖；圖5為圖2的B-B剖面圖；圖6為圖2的C-C剖面圖；圖7為型鋼耗能單元的立面圖；圖8為本發明的原位示意圖；圖9為本發明的受拉狀態示意圖；圖10為本發明的受壓狀態示意圖。圖中有エ字鋼耗能單元I、小孔12、內約束矩形管2、外約束矩形管3、纖維拉桿4、端板5、缺ロ 51、連接部件6、端板錨固體系7，焊縫8
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細的說明。如圖廣圖9所示，本發明的纖維預拉桿式自定心型鋼屈曲約束支撐包括エ字鋼耗能単元I、位于エ字鋼耗能単元I的腹板兩側的兩個內約束矩形管2、套在エ字鋼耗能単元I和兩個內約束矩形管2外的外約束矩形管3、設置在エ字鋼耗能單元I兩端的兩塊端板5、連接兩塊端板5的纖維拉桿4、與端板5連接的連接部件6 ;エ字鋼耗能單元I ー邊的內壁與內約束矩形管2的一端連接，另ー邊的外壁與外約束矩形管3的一端連接，エ字鋼耗能單元I的腹板上設置有陣列排列的小孔12，端板5上設置有與エ字鋼截面相匹配的缺ロ 51，端板5插入エ字鋼耗能単元I端部并與內約束矩形管2和外約束矩形管3的端部接觸，所述纖維拉桿4位于內約束矩形管2中，并施加有預應カ將兩端的端板5拉緊，在兩塊端板5的外側均連接有連接部件6。エ字鋼耗能單元I位于外約束矩形管3和內約束矩形管2之間，由屈服強度較低、延性較好的鋼材組成，通過在エ字鋼耗能単元腹板開縫(見圖7)來相對加強未約束端部截面，確保端部截面在整個受カ過程中處于彈性受カ狀態。屈曲約束機構由外約束矩形管3和內約束矩形管2組成，外約束矩形管3的右端與エ字鋼耗能單元I在右側錨固端板位置通過焊接連接，當然也可通過其他方式連接，并與支撐右側連接部件的相對位置保持固定；內約束矩形管2的左端與エ字鋼耗能單元I在左側錨固端板位置通過焊接連接，同樣的也可通過其他方式連接，并與支撐左側連接部件的相對位置保持固定。屈曲約束機構有兩個功能其一為約束エ字鋼耗能單元I沿著徑向的多波屈曲和局部屈曲，發揮穩定的滯回耗能性能，其ニ是與纖維拉桿4和端板錨固體系7共同構成自定心系統，實現支撐在拉、壓往復變形過程中的自定心功能。纖維拉桿4的材料為玄武巖纖維，對其施加較小的初始預應力使其錨固在外約束矩形管3和內約束矩形管2外側的兩塊端板5上(見圖2)。為確保支撐在受拉和受壓時內外約束矩形管均能與端板分離從而使玄武巖纖維拉桿能夠伸長，屈曲約束機構的內、外約束矩形管管與錨固端板之間不進行焊接，僅靠纖維拉桿的預壓カ使其保持初始緊密接觸。錨固端板均設有エ字形孔槽(見圖5)，エ字鋼耗能單元I的左右兩端穿過錨固端板的エ字形孔槽，后端分別連接有連接部件6，用以安裝固定在主體結構上。本發明的纖維預拉桿式自定心型鋼屈曲約束支撐的工作機制如圖8 10所示，由于對纖維拉桿施加初始預應力，在初始狀態下，端板緊貼在外約束矩形管3和內約束矩形管2兩端。當支撐受拉時，核心耗能部件伸長(左端產生向左的位移趨勢，右端產生向右的位移趨勢)，外約束矩形管3則由于與エ字鋼耗能單元I右側焊接相連，因此隨核心耗能部件右端一起向右運動頂推右端端板；內約束矩形管2由于其左端與エ字鋼耗能單元I左側焊接相連，因此隨核心耗能部件左端一起向左運動頂推左端端板；而外約束矩形管3的左端與左側端板、內約束矩形管2的右端與右側端板之間則可以相互脫離，從而使纖維拉桿4相對伸長，產生阻礙エ字鋼耗能単元I變形的弾性力，有將支撐拉回初始狀態的趨勢，實現自定心功能。當支撐受壓時，類似地，外約束矩形管3向左推左端端板，內約束矩形管2向右推右端端板，，纖維拉桿4仍然相對伸長，產生阻礙エ字鋼耗能単元I變形的弾性力，同樣可實現自定心功能。
本技術發明的安裝エ序為將エ字鋼耗能単元I腹板開縫一將內約束矩形管2定位于エ字鋼耗能単元I腹板兩側，并焊接在エ字鋼耗能單元I腹板和上下翼緣內壁一將外約束矩形管3定位于エ字鋼耗能単元I的外側，并焊接在エ字鋼耗能單元I上下翼緣的外壁一將左、右錨固端板5通過孔槽穿過エ字鋼耗能単元I定位于屈曲約束機構兩端一將纖維拉桿4穿過內約束矩形管2，施加預應カ將其利用端部錨固體系7錨固在兩端的端板5上—將連接部件6與エ字鋼耗能單元I進行焊接連接。
權利要求
1.一種纖維預拉桿式自定心型鋼屈曲約束支撐，其特征在于，該支撐包括工字鋼耗能單元(I)、位于所述工字鋼耗能單元(I)的腹板兩側的兩個內約束矩形管(2)、套在工字鋼耗能單元(I)和兩個內約束矩形管(2)外的外約束矩形管(3)、設置在工字鋼耗能單元(I)兩端的兩塊端板(5)、連接所述兩塊端板(5)的纖維拉桿(4)、與端板(5)連接的連接部件(6)； 所述工字鋼耗能單元(I) 一邊的內壁與內約束矩形管(2)的一端連接，另一邊的外壁與外約束矩形管(3)的一端連接，工字鋼耗能單元(I)的腹板上設置有陣列排列的小孔(12)，端板(5)與內約束矩形管(2)和外約束矩形管(3)的端部接觸，所述纖維拉桿(4)位于內約束矩形管(2)中，并施加有預應力將兩端的端板(5)拉緊，在所述兩塊端板(5)的外側均連接有連接部件(6)。
2.根據權利要求I所述的一種纖維預拉桿式自定心型鋼屈曲約束支撐，其特征在于，所述端板(5)上設置有與工字鋼耗能單元(I)截面相匹配的缺口(51)，端板(5)插入工字鋼耗能單元(I)端部。
全文摘要
本發明公開了一種纖維預拉桿式自定心型鋼屈曲約束支撐，包括工字鋼、位于工字鋼的腹板兩側的兩個內約束矩形管、套在工字鋼和兩個內約束矩形管外的外約束矩形管、設置在工字鋼兩端的兩塊端板、連接兩塊端板的纖維拉桿、與端板連接的連接部件；工字鋼一邊的內壁與內約束矩形管的一端連接，另一邊的外壁與外約束矩形管的一端連接，工字鋼的腹板上設置有陣列排列的小孔，端板上設置有與工字鋼截面相匹配的缺口，端板插入工字鋼耗能單元端部并與內約束矩形管和外約束矩形管的端部接觸，所述纖維拉桿位于內約束矩形管中，并施加有預應力將兩端的端板拉緊，在兩塊端板的外側均連接有連接部件。
文檔編號E04B1/98GK102808464SQ20121027034
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月31日 優先權日2012年7月31日
發明者周臻, 吳京, 何賢亭, 王春林, 陳泉, 孟少平 申請人:東南大學