專利名稱：一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種支撐構件，具體涉及一種可實現消能減震控制的支撐構件，特別涉及一種協同耗能防屈曲支撐構件。
背景技術：
近幾年來，世界范圍內強烈地震頻繁發生，鑒于此，學者們提出在大震、中震、小震設防水準之外定義巨震概念，其表示幅值特征上超越大震的極端地震荷載，力圖實現巨震安全。因此，對于功能重要的建筑物，在傳統設計理念中引入超預期大震甚至巨震情況下的建筑結構抗震設防措施，具有重要的現實意義和安全價值，也在某種程度上完善了基于性能的抗震設計理論框架。作為在中小震下具有足夠剛度、在大震下耗能性能良好的一種新型支撐構件，防屈曲支撐(Buckling-restrained brace,常簡稱BRB支撐)可以滿足多級設防的具體要求，隨著工程應用的發展，也相繼出現了多種形式的防屈曲支撐支撐，就目前所提出和采用的防屈曲支撐形式而言，其在大震下的耗能設計往往以全截面屈服為重要特征，這會導致幾點問題，如:耗能支撐在大震下的強彈塑性變形會產生較大殘余位移，導致震后復位及更換較為困難；鑒于目前設計理念，防屈曲支撐在大震下的強彈塑性變形性能往往不能滿足超預期大震甚至巨震下的耗能和安全要求；如果考慮保障超預期大震下防屈曲支撐的耗能和工作安全，一方面會導致材料和制作費用的增加，另一方面會導致大震下實際上還是利用防屈曲支撐的剛度特征而非彈塑性耗能能力，相當于提高了設計水準，這并不是解決問題的最有效途徑。因此，有必要對現有傳統防屈曲支撐加以改造，提出一種新型耗能防屈曲支撐形式，使其能夠在中小地震下具備足夠剛度，在大震下具有足夠耗能能力，同時，還能夠在超預期大震甚至巨震下具有持續耗能能力，并對耗能支撐形成一定保護，防止其斷裂破壞。基于此，有必要研發一種新型具有大震保護功能的可實現自復位的新型防屈曲支撐構件。
發明內容
為了彌補現有技術的缺陷，本發明專利提供了一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，能夠在中小地震下具備足夠剛度，在大震下具有足夠耗能能力，同時，還能夠在超預期大震甚至巨震下具有持續耗能能力，并對耗能支撐形成一定保護，防止其斷裂破壞，并具有震中和震后的自復位功能，可有效增強防屈曲支撐在不確定強震下的適用性和安全性，更具實用價值。為了實現上述技術目的，本發明專利的技術方案是，一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，包括外約束筒、耗能內芯板、端部連接板、外約束筒外連接板和摩擦自復位裝置，其特征在于，外約束筒從外部包圍住耗能內芯板，外約束筒兩端設置有端部連接板和外約束筒外連接板，外約束筒一端固定于端部連接板，另一端為自由無連接，耗能內芯板一端固定于端部連接板，另一端與端部連接板焊接，端部連接板固定在外約束筒外連接板上，耗能內芯板通過焊接端的外約束筒外連接板與摩擦自復位裝置相連，從而實現傳統防屈曲支撐與摩擦自復位裝置的串聯連接，構成可在超預期地震甚至巨震下實現摩擦和截面屈服協同耗能的具有自復位特征的新型防屈曲支撐構件。具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐包括外約束筒、耗能內芯板、端部連接板和外約束筒外連接板、實現大震保護的摩擦自復位裝置等，整個防屈曲支撐由各金屬部件通過焊接和栓接工藝拼裝而成，整個防屈曲支撐都是通過金屬制作而成，自重較輕，制作和安裝都較為簡單，其中外約束筒為角鋼焊接而成，耗能內芯板是十字形鋼支撐，端部連接板與外約束筒和耗能內芯板焊接，其中外約束筒只有單側是與端部連接板焊接的，而另外一側自由無約束，以避免承擔軸力，耗能內芯板則兩側都是與端部連接板焊接的，一側的端部連接板與摩擦和自復位模塊鉸接連接，這樣實現了傳統防屈曲支撐與摩擦和自復位功能模塊的串聯，成為一種新型防屈曲支撐。考慮串聯的連接設計，恰當的設計摩擦模塊起滑的靜摩擦力大小，可實現:(I)在可保證耗能內芯板不會破壞的預期大震下，摩擦模塊并不滑動，此時新型防屈曲支撐與傳統支撐并無區別，通過防屈曲支撐耗能內芯板滯回耗能以保護建筑物主體結構；(2)在超預期大震甚至巨震下，耗能內芯板滯回耗能能力并不能滿足要求，最大位移超過實現耗能內芯板的強度限值，端部摩擦模塊實現摩擦滑動，此時會對耗能內芯板產生一個卸載效應，即力大小不變，但不再增加，此時可有效保護防屈曲支撐的耗能內芯板，其工作原理類似于形成了軸線塑性鉸。此外，自復位模塊是通過形狀記憶合金彈簧實現自復位功能，形狀記憶合金利用摩擦模塊的滑塊卡槽和滑塊提供一定的壓力，通過預壓力的調整，即調整了自復位力，可根據具體抗震設計實現防屈曲支撐的自復位功能。顯然，通過本發明專利的技術方案可有效提升防屈曲支撐在超預期大震下的工作性能。考慮到傳統防屈曲支撐的工作原理和特征，新型防屈曲支撐在小震、中震、大震和超預期大震下均具有良好工作性能，適合于現在所流行的多性能水準和目標的設計需求，同時具有自重較輕、制作簡單等優點，為不可預知極端地震下的消能減震提供了新技術設備，具有良好的實用價值和經濟效益。本發明專利還在于，協同耗能防屈曲支撐構件設置在梁柱構件上。本發明專利還在于，協同耗能防屈曲支撐構件的設置在框架柱和框架梁形成的矩形框架的對角線上。本發明專利還在于，外約束筒為角鋼拼裝焊接而成，耗能內芯板為十字形鋼支撐構件。本發明專利還在于，外約束筒和耗能內芯板之間預留有空隙。本發明專利還在于，協同耗能防屈曲支撐構件一端的外約束筒外連接板與梁柱構件的梁柱節點板通過螺栓實現鉸接連接，協同耗能防屈曲支撐構件另一端的摩擦自復位裝置與另一端的梁柱構件的梁柱節點板同樣通過螺栓實現鉸接連接。本發明專利還在于，外約束筒由角鋼焊接拼裝而成，耗能內芯板為十字形鋼支撐，在二者之間預留一定空隙，以提供給耗能內芯板一定的變形空間，并防止軸力傳遞到外約束筒，另外一種做法，也可以在空隙中填充無粘結材料。本發明專利還在于，端部連接板與耗能內芯板和外約束筒，均是通過焊接工藝拼裝而成；而端部連接板與梁柱節點板和滑塊節點板，則是通過螺栓實現鉸接連接，如此可保障在新型防屈曲支撐中僅存在軸力傳遞，受力單純且工作原理簡單。本發明專利還在于，摩擦自復位裝置包括滑塊、滑塊卡槽、高強螺栓、形狀記憶合金彈簧和彈性填充物。本發明專利還在于，滑塊、滑塊卡槽、高強螺栓和形狀記憶合金彈簧為鋼材材質的部件。本發明專利還在于，滑塊置于滑塊卡槽內，并焊接有滑塊節點板，滑塊卡槽焊接于梁柱構件，并預留有螺栓孔，通過在預留螺栓孔中安裝高強螺栓實現滑動摩擦力控制。本發明專利還在于，摩擦自復位裝置中自復位部分由施加一定預壓力的形狀記憶合金彈簧構成。本發明專利還在于，摩擦自復位裝置由鋼材材質的滑塊、滑塊卡槽、高強螺栓、形狀記憶合金彈簧以及彈性填充物等所組成。本發明專利還在于，滑塊卡槽為兩塊對拼而成，兩塊對拼而成的滑塊卡槽之間夾住滑塊，且兩塊滑塊卡槽之間留有一定縫隙，滑塊卡槽焊接于梁柱構件，并預留有螺栓孔，通過高強螺栓可實現滑動摩擦力控制，滑塊置于滑塊卡槽內，頂部焊接有滑塊節點板，留有螺栓孔，以方便與端部連接板鉸接連接，以實現軸力傳遞。本發明專利還在于，摩擦自復位裝置的自復位功能是通過在滑塊卡槽和滑塊之間安裝形狀記憶合金彈簧所實現的，其中形狀記憶合金彈簧具有一定的預壓力，調整預壓力大小即可調整自復位功能的強弱。形狀記憶合金彈簧提供一定的復位力，此復位力相對穩定，利用的是形狀記憶合金變形超彈性性能的變形平臺段，通過設計可實現此自復位力大于摩擦模塊的摩擦力，以保證摩擦滑動之后還能夠返回原位置。本發明專利有益效果在于可有效提升防屈曲支撐在不可預知地震下的工作性能，在小震、中震下具有良好的剛度特征，在大震和超預期大震下均具有良好的持續耗能能力和安全性，克服了常規防屈曲支撐在超預期大震下的失效風險；通過形狀記憶合金彈簧實現了良好復位能力，避免了震中和震后防屈曲支撐復位和更換難的問題，也避免了由于殘余位移對梁柱構件的不利影響；此外，本發明專利還具有自重較輕、制作簡單和安裝方便等優點，為新建和既有建筑在小震、中震、大震和超預期大震下的多級性能設防目標提供了有效可靠的新技術設備，具有較佳的實用價值和經濟效益。下面結合附圖對本發明專利作進一步說明。
圖1為本發明實施例的具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件設置于梁柱結構的示意圖；圖2為本發明實施例的具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件的結構示意圖；圖3為防屈曲支撐構件斜撐部分結構示意圖；圖4為圖3中A-A的剖視圖；圖5為新型防屈曲支撐中摩擦自復位裝置結構示意圖；圖6為圖5中B-B的剖視圖；圖7為圖5中C-C的剖視圖；圖8為圖5中D-D的剖視圖；其中I為框架柱，2為框架梁，3為加勁肋，4為梁柱節點板，5為耗能內芯板，6為外約束筒，7為端部連接板,8為外約束筒外連接板,9為連接螺栓(與螺栓孔配套)，10為滑塊節點板，11為滑塊(采用鋼塊和鐵塊)，12為形狀記憶合金彈簧，13為高強螺栓，14為滑塊卡槽，15為彈性填充物[采用橡膠類材料(天然橡膠、合成橡膠)和塑料類材料(聚乙烯、聚丙烯等)]。
具體實施例方式下面對本發明專利技術內容的進一步說明，但并非對本發明專利實質內容的限制。一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件包括外約束筒、耗能內芯板、端部連接板、外約束筒外連接板和摩擦自復位裝置，外約束筒從外部包圍住耗能內芯板，外約束筒兩端設置有端部連接板和外約束筒外連接板，外約束筒一端固定于端部連接板，另一端為自由無連接，耗能內芯板一端固定于端部連接板，另一端與端部連接板焊接，端部連接板固定在外約束筒外連接板上，耗能內芯板通過焊接端的外約束筒外連接板與摩擦自復位裝置相連，從而實現傳統防屈曲支撐與摩擦自復位裝置的串聯連接，構成可在超預期地震甚至巨震下實現摩擦和截面屈服協同耗能的具有自復位特征的新型防屈曲支撐構件。本發明專利還在于，協同耗能防屈曲支撐構件設置在梁柱構件上。本發明專利還在于，協同耗能防屈曲支撐構件的設置在框架柱和框架梁形成的矩形框架的對角線上。本發明專利還在于，外約束筒為角鋼拼裝焊接而成，耗能內芯板為十字形鋼支撐構件。本發明專利還在于，外約束筒和耗能內芯板之間預留有空隙。本發明專利還在于，協同耗能防屈曲支撐構件一端的外約束筒外連接板與梁柱構件的梁柱節點板通過螺栓實現鉸接連接，協同耗能防屈曲支撐構件另一端的摩擦自復位裝置與另一端的梁柱構件的梁柱節點板同樣通過螺栓實現鉸接連接。本發明專利還在于，外約束筒由角鋼焊接拼裝而成，耗能內芯板為十字形鋼支撐，在二者之間預留一定空隙，以提供給耗能內芯板一定的變形空間，并防止軸力傳遞到外約束筒，另外一種做法，也可以在空隙中填充無粘結材料。本發明專利還在于，端部連接板與耗能內芯板和外約束筒，均是通過焊接工藝拼裝而成；而端部連接板與梁柱節點板和滑塊節點板，則是通過螺栓實現鉸接連接，如此可保障在新型防屈曲支撐中僅存在軸力傳遞，受力單純且工作原理簡單。本發明專利還在于，摩擦自復位裝置包括滑塊、滑塊卡槽、高強螺栓、形狀記憶合金彈簧和彈性填充物。本發明專利還在于，滑塊、滑塊卡槽、高強螺栓和形狀記憶合金彈簧為鋼材材質的部件。本發明專利還在于，滑塊置于滑塊卡槽內，并焊接有滑塊節點板，滑塊卡槽焊接于梁柱構件，并預留有螺栓孔，通過在預留螺栓孔中安裝高強螺栓實現滑動摩擦力控制。本發明專利還在于，摩擦自復位裝置中自復位部分由施加一定預壓力的形狀記憶合金彈簧構成。本發明專利還在于，摩擦自復位裝置由鋼材材質的滑塊、滑塊卡槽、高強螺栓、形狀記憶合金彈簧以及彈性填充物等所組成。本發明專利還在于，滑塊卡槽為兩塊對拼而成，兩塊對拼而成的滑塊卡槽之間夾住滑塊，且兩塊滑塊卡槽之間留有一定縫隙，滑塊卡槽焊接于梁柱構件，并預留有螺栓孔，通過高強螺栓可實現滑動摩擦力控制，滑塊置于滑塊卡槽內，頂部焊接有滑塊節點板，留有螺栓孔，以方便與端部連接板鉸接連接，以實現軸力傳遞。本發明專利還在于，摩擦自復位裝置的自復位功能是通過在滑塊卡槽和滑塊之間安裝形狀記憶合金彈簧所實現的，其中形狀記憶合金彈簧具有一定的預壓力，調整預壓力大小即可調整自復位功能的強弱。本發明專利技術適用于框架結構體系，尤其是鋼框架結構，圖1為本發明實施例的具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件設置于梁柱結構的示意圖，圖2為本發明實施例的具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件的結構示意圖，如圖1、2所示。對于結構部分，首先對結構進行受力分析，確定框架柱I及框架梁2的材料、截面形式以及加勁肋3尺寸。對于防屈曲支撐構件的斜撐部分，根據水平力的大小確定支撐構件斜撐部分截面，耗能內芯板5采用Q235鋼板焊接成十字形截面。外約束筒6選用兩角鋼焊接而成，在包裹的耗能內芯板5之間留有f 2mm空隙，圖4為圖3中A-A的剖視圖，如圖4所示。兩端端部連接板7可以選用16 20mm厚的Q235鋼板，并與耗能內芯板5焊接，其中一端端部連接板7能封住外約束筒6并與之焊接，另一端端部連接板7與之間留有IOmm左右的間隙，這樣能保證只耗能內芯板5受力。在端部連接板7上焊好承載力和剛度都高于耗能內芯板5的外約束筒外連接板8。摩擦自復位裝置由滑塊節點板10、滑塊11、形狀記憶合金彈簧
12、高強螺栓13、滑塊卡槽14和彈性填充物15組成，作為支撐構件斜撐偏心支承一端連接可以焊接在框架梁2或框架柱I上。滑塊卡槽14長度取兩框架柱間凈距的1/8 1/4左右長，兩滑塊卡槽14間非滑塊11滑動的空隙中采用彈性填充物15，可以保護滑塊卡槽14、滑塊11等不被腐蝕氧化以及雜物侵入，影響滑動效果。滑塊11所在槽孔約滑塊卡槽14長度的1/2 2/3，滑塊11的長度約是槽孔長度的1/2 2/3。滑塊11與滑塊卡槽14采用形狀記憶合金彈簧12連接，其預壓(拉)力大于摩擦力，這樣能保證在大震甚至巨震情況下通過滑塊11滑動消能減震，并在地震結束后自復位。施工時，支撐構件斜撐部分的外約束筒外連接板8采用連接螺栓9與梁柱節點板4和滑塊節點板10鉸接連接，其中梁柱節點板4和滑塊節點板10的厚度和承載力均高于耗能內芯板5，保證耗能內芯板5先于其他部位屈服。圖3為防屈曲支撐構件斜撐部分結構示意圖，圖4為圖3中A-A的剖視圖，圖5為新型防屈曲支撐中摩擦自復位裝置結構示意圖，圖6為圖5中B-B的剖視圖，圖7為圖5中C-C的剖視圖，圖8為圖5中D-D的剖視圖，如圖3-4所示，具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件包括外約束筒6、耗能內芯板5、端部連接板7、外約束筒外連接板8和摩擦自復位裝置，外約束筒6從外部包圍住耗能內芯板5，外約束筒6兩端設置有端部連接板7和外約束筒外連接板8，外約束筒6 —端固定于端部連接板7，另一端為自由無連接，耗能內芯板5 —端固定于端部連接板7，另一端與端部連接板7焊接，端部連接板7固定在外約束筒外連接板8上，耗能內芯板5通過焊接端的外約束筒外連接板8與摩擦自復位裝置相連，從而實現傳統防屈曲支撐與摩擦自復位裝置的串聯連接，構成可在超預期地震甚至巨震下實現摩擦和截面屈服協同耗能的具有自復位特征的新型防屈曲支撐構件；如圖5-8所示，摩擦自復位裝置包括滑塊11、滑塊卡槽14、高強螺栓13、形狀記憶合金彈簧12和彈性填充物15，滑塊11置于滑塊卡槽14內，并焊接有滑塊節點板10，滑塊卡槽14焊接于梁柱構件，并預留有螺栓孔，通過在預留螺栓孔中安裝高強螺栓13實現滑動摩擦力控制，摩擦自復位裝置中自復位部分由施加一定預壓力的形狀記憶合金彈簧12構成。本發明專利主要由兩部分組成，圖3的防屈曲支撐構件斜撐部分和圖5的摩擦自復位裝置，可在工廠預制好，再在施工現場采用螺栓拼裝，并可根據需要通過調節高強螺栓13的預壓力控制滑塊11與滑塊卡槽14之間摩擦力的大小。圖3中防屈曲支撐構件斜撐部分的制作方法:1、外約束筒外連接板8與端部連接板7焊接起一體；2、焊好的連接板與耗能內芯板5焊接成一體；3、選用兩根合適的角鋼包裹耗能內芯板外，相互焊接成外約束筒6，并把一端端部連接板7與之焊接。摩擦和自復位模塊圖5的制作方法:1、滑塊節點板10與滑塊11焊接成一體；2、把焊好的滑塊和節點板放入滑塊卡槽14中，并用高強螺栓擰緊，可以根據摩擦力要求控制好高強螺栓預壓力，也可以安裝現場再控制預壓力。3、在滑塊卡槽14空隙中填充彈性填充物15。
權利要求
1.一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，包括外約束筒、耗能內芯板、端部連接板、外約束筒外連接板和摩擦自復位裝置，其特征在于，外約束筒從外部包圍住耗能內芯板，外約束筒兩端設置有端部連接板和外約束筒外連接板，外約束筒一端固定于端部連接板，另一端為自由無連接，耗能內芯板一端固定于端部連接板，另一端與端部連接板焊接，端部連接板固定在外約束筒外連接板上，耗能內芯板通過焊接端的外約束筒外連接板與摩擦自復位裝置相連，從而實現傳統防屈曲支撐與摩擦自復位裝置的串聯連接，構成可在超預期地震甚至巨震下實現摩擦和截面屈服協同耗能的具有自復位特征的新型防屈曲支撐構件。
2.根據權利要求1所述的一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，其特征在于，協同耗能防屈曲支撐構件設置在梁柱構件上。
3.根據權利要求2所述的一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，其特征在于，協同耗能防屈曲支撐構件的設置在框架柱和框架梁形成的矩形框架的對角線上。
4.根據權利要求1、2或者3所述的一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，其特征在于，外約束筒為角鋼拼裝焊接而成，耗能內芯板為十字形鋼支撐構件。
5.根據權利要求4所述的一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，其特征在于，外約束筒和耗能內芯板之間預留有空隙。
6.根據權利要求2或者3所述的一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，其特征在于，協同耗能防屈曲支撐構件一端的外約束筒外連接板與梁柱構件的梁柱節點板通過螺栓實現鉸接連接，協同耗能防屈曲支撐構件另一端的摩擦自復位裝置與另一端的梁柱構件的梁柱節點板同樣通過螺栓實現鉸接連接。
7.根據權利要求1、2或者3所述的一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，其特征在于，摩擦自復位裝置包括滑塊、滑塊卡槽、高強螺栓、形狀記憶合金彈簧和彈性填充物。
8.根據權利要求7所述的一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，其特征在于，滑塊、滑塊卡槽、高強螺栓和形狀記憶合金彈簧為鋼材材質的部件。
9.根據權利要求8所述的一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，其特征在于，滑塊置于滑塊卡槽內，并焊接有滑塊節點板，滑塊卡槽焊接于梁柱構件，并預留有螺栓孔，通過在預留螺栓孔中安裝高強螺栓實現滑動摩擦力控制。
10.根據權利要求9所述的一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，其特征在于，摩擦自復位裝置中自復位部分由施加一定預壓力的形狀記憶合金彈簧構成。
全文摘要
一種具有大震保護功能的協同耗能防屈曲支撐構件，外約束筒從外部包圍住耗能內芯板，外約束筒兩端設置有端部連接板和外約束筒外連接板，外約束筒一端固定于端部連接板，另一端為自由無連接，耗能內芯板一端固定于端部連接板，另一端與端部連接板焊接，端部連接板固定在外約束筒外連接板上，耗能內芯板通過焊接端的外約束筒外連接板與摩擦自復位裝置相連，從而實現傳統防屈曲支撐與摩擦自復位裝置的串聯連接，構成可在超預期地震甚至巨震下實現摩擦和截面屈服協同耗能的具有自復位特征的新型防屈曲支撐構件。解決傳統防屈曲支撐在超預期大震甚至巨震下的安全性、持續耗能能力和震后復位等問題。
文檔編號E04B1/98GK103088933SQ20131002120
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者國巍, 余志武, 鄔亮, 劉鵬 申請人:中南大學, 高速鐵路建造技術國家工程實驗室