竹形屈曲約束支撐的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于土木工程領域，涉及一種用于減小工程結構地震響應的屈曲約束支 撐。
【背景技術】
[0002] 地震是城市及其建筑物可能遭受的重大自然災害之一，強烈地震不僅造成結構破 壞，還會引起火災等次生災害和連鎖效應。而消能減震的概念是指通過耗能裝置吸收和耗 散地震能量，有效減小結構的響應和損傷，避免主體結構的嚴重破壞，是實現結構基于性態 設防的重要手段之一。屈曲約束支撐作為一種性能優越的消能減震構件，在日本、美國等多 震的發達國家得到了快速的推廣應用，在我國的研究和應用也處于起步階段。屈曲約束支 撐在小震作用下保持彈性，與普通中心支撐一樣能為結構提供足夠的側向剛度，在設防烈 度或罕遇地震作用下，屈曲約束支撐的核心受力部件被外圍約束部件有效抑制避免了整體 或局部失穩，可通過拉壓屈服來耗散能量，如此屈曲約束支撐既能作為普通支撐，又能發揮 其耗能作用，使主體結構在地震作用下不會破壞或者破壞較小，是一種較為理想的抗震耗 能方式。
[0003] 傳統屈曲約束支撐的約束部件通常由鋼與混凝土組合形成，雖然造價相對較低， 但是也存在一定的問題：（1)澆注混凝土的質量，如密實度，受工藝的影響較大，混凝土凝固 會延長了制作時間，降低了生產效率；（2)由于混凝土局部不密實可能導致局部被核心部件 壓碎，從而引起核心部件局部屈曲，降低屈曲約束支撐性能；（3)為了保證核心受力部件能 夠自由拉壓，常在核心受力部件包裹無粘結材料，使得混凝土與核心受力部件表面脫開，同 時給核心受力部件受壓膨脹提供一定的空間，但是在澆筑和振搗混凝土的過程中，很難保 證無粘結材料按照設計要求包裹核心受力部件，從而影響屈曲約束支撐的性能。
[0004] 進一步，采用全鋼約束截面的屈曲約束支撐，如公開專利CN101974950B，其核心部 件為圓形棒式芯桿，但是由于圓形棒式芯桿各方向抗彎剛度相等，在任意方向都可能發生 整體或者局部屈曲，因此約束部件應在各方向對芯桿沿全長進行全面約束，因此構造要求 較為復雜，而材料用量也會較大，此外屈曲約束支撐核心部件端部存在無約束區域，端部會 發生明顯轉動從而影響支撐的整體穩定性。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為了解決鋼與混凝土組合約束部件的屈曲約束支撐中混凝土密 實和無粘結材料設置困難及對性能的影響、圓形棒式芯桿屈曲約束支撐的約束部件構造復 雜等問題，提出了一種竹形屈曲約束支撐。
[0006] 本發明采用的技術方案為:一種竹形屈曲約束支撐，包括核心部件、外約束部件和 增強連接部件；
[0007] 所述核心部件由多個圓形消能段和圓形彈性段沿縱向同軸線相間設置構成，圓形 彈性段包括多個中間彈性段和兩個端部彈性段，圓形消能段截面面積小于圓形彈性段；
[0008] 所述核心部件位于所述外約束部件內部，核心部件圓形彈性段四周與外約束部件 內側緊貼或者相切，圓形消能段與外約束部件之間存在空隙；
[0009] 所述增強連接部件由節點段、連接段和加強筒構成，所述節點段將支撐與結構中 的節點板相連，連接段與核心部件的端部彈性段固結，加強筒包裹約束部件，且加強筒的內 側與約束部件外側緊貼。
[0010]作為優選，所述圓形消能段由圓形彈性段沿四周切削形成。
[0011] 作為優選，所述核心部件圓形彈性段的橫截面面積至少為圓形消能段的1.6倍。
[0012] 屈曲約束支撐在核心部件屈服后的承載力會進一步提高，其超強主要分兩部分： 一是鋼材的應變硬化系數，根據本申請發明人對多種鋼材(Q235、Q345、Q390)的循環加載試 驗以及已有文獻結果，鋼材的應變硬化系數在1.42左右;二是受壓承載力調整系數，主要影 響因素為屈曲約束支撐核心部件和約束部件之間的摩擦效應以及泊松效應，根據本申請發 明人大量試驗結果，其最大值可取為1.13,綜上所述，竹形屈曲約束支撐超強系數w可取為 1.6(即1.42X1.13的值）。因此，本發明技術方案中，核心部件圓形彈性段的橫截面面積至 少為圓形消能段的1.6倍，可保證圓形彈性段的屈服承載力大于支撐最大承載力，圓形彈性 段在荷載作用下可始終保持彈性。
[0013] 作為優選，所述核心部件多個圓形消能段的長度從兩端往中間逐漸增加。
[0014]屈曲約束支撐的核心部件和約束部件之間由于接觸產生摩擦，使得核心部件桿軸 力由兩端往中部逐漸減小，因此，圓形消能段的長度從兩端往中間可適當增加。
[0015] 作為優選，所述核心部件單個圓形鋼消能段的長度不超過其半徑8倍。
[0016] 本發明規定竹形屈曲約束支撐的圓形彈性段，只發生屈服而不發生屈曲，因此單 個圓形消能段的屈曲承載力大于在給定位移幅值下支撐的最大承載力，如下式所示：
[0017]
[0018] 其中，Et為核心部件材料的切線模量，I為圓形屈服段的截面慣性矩，1為單個圓形 屈服段的長度，w為支撐超強系數，％為支撐材料屈服應力，A為圓形屈服段面積。由上式可 知，屈曲約束支撐的1的最大值和材料屈服強度 〇y成反比，屈曲約束支撐核心部件通常采用 采用的材料為Q235、Q345等，代入相關參數經驗值以及半徑圓形屈服段半徑r，可得：
[0019] 1 < 8.4r
[0020] 故規定單個圓形消能段的長度不超過其半徑8倍。
[0021] 本發明核心部件圓形彈性段四周與外約束部件內側緊貼或者相切，約束部件可控 制核心部件圓形彈性段側向變形，從而達到抑制屈曲約束支撐整體失穩的效果，同時圓形 消能段長度較短，單個圓形消能段的長度不超過其半徑8倍，因此不會發生單個圓形消能段 內的整體失穩。
[0022]本發明具有以下有益效果：
[0023] 1.傳統兩端鉸接的屈曲約束支撐會由于端部轉動降低屈曲約束支撐的整體穩定 性能，而竹形屈曲約束支撐在結合自身特點的基礎上，提出增強連接部件，通過設有加強筒 并布置在外約束部件外圍，從而限制核心部件端部轉動，增強屈曲約束支撐的穩定性。
[0024] 2.相對于傳統兩端鉸接的屈曲約束支撐，竹形屈曲約束支撐增強連接部件中設置 有加強筒，由于加強筒具有較大剛度，可看做剛體，支撐的整體穩定計算長度會減小，支撐 的穩定承載力顯著增強。
[0025] 3.竹形屈曲約束支撐核心部件由多個圓形消能段和圓形彈性段沿縱向相間分布 構成，各圓形消能段長度較短，在軸力作用下只屈服不屈曲，因此約束部件與圓形消能段之 間無需填充砂漿或者增加多余部件對其進行約束，使得屈曲約束支撐構造簡單且加工方 便。
[0026] 4.竹形屈曲約束支撐核心部件的圓形消能段截面面積相對于圓形彈性段較小，從 而屈服力較小，對外約束部件的剛度要求較低，因此外約束部件可為簡單圓套管，使得屈曲 約束支撐構造簡單且自重較輕，方便安裝。
[0027] 5.竹形屈曲約束支撐核心部件的圓形彈性段橫截面面積至少為圓形消能段的1.6 倍，1.6約為核心部件屈服后的超強系數，因此圓形彈性段始終保持彈性，對比傳統屈曲約 束支撐需在核心部件無約束區域設置加勁肋來保證其穩定性，本發明圓形彈性段的端部彈 性段雖然有部分區域處于無約束狀態，但不會發生局部失穩，構造更簡單。
[0028] 6.采用全鋼外圍約束截面，避免了混凝土濕作業，所有鋼構件均可以在工廠制作， 加工精度更容易控制。
[0029] 7.由于摩擦力存在，屈曲約束支撐核心部件端部軸力大于中部軸力，根據各圓形 消能段所承受的軸力確定其所需穩定承載力，使核心部件多個圓形消能段的長度從兩端往 中間逐漸增加，可充分利用材料。
【附圖說明】
[0030] 圖1是竹形屈曲約束支撐核心部件示意圖；
[0031] 圖2是本發明實施例1的竹形屈曲約束支撐核心部件及連接增強部件示意圖；
[0032] 圖3是本發明實施例1的竹形屈曲約束支撐示意圖；
[0033] 圖4是本發明實施例1的竹形屈曲約束支撐剖面圖；
[0034] 圖5是本發明實施例1的竹形屈曲約束支撐連接增強部件示意圖；
[0035] 圖6是本發明實施例1的竹形屈曲約束支撐連接增強部件剖面圖；
[0036]圖7是本發明實施例1的外約束部件和核心部件橫截面圖；
[0037] 圖8是本發明實施例2的竹形屈曲約束支撐核心部件平視圖；
[0038] 圖9是竹形屈曲約束支撐中不設置加強筒時受壓變形示意圖；
[0039] 圖10是竹形屈曲約束支撐中設置加強筒時受壓變形示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0041 ] 實施例1
[0042]如圖1~7所示:一種竹形屈曲約束支撐，包括核心部件1、外約束部件2和增強連接 部件3,核心部件1由多個圓形消能段1-1和圓形彈性段1-2沿縱向相間分布構成，圓形消能 段1-1和圓形彈性段1-2共軸線，圓形消能段1-1截面面積小于圓形彈性段1-2,由圓形彈性 段1-2沿四周切削形成，核心部件1位于所述外約束部件2內部，核心部件圓形彈性段1-2四 周與外約束部件2內側緊貼或者相切，圓形彈性段1-2由不直接相連的多個中間彈性段1-2-1和兩個端部彈性段1-2-2組成，圓形消能段1-1與外約束部件2之間存在較大空隙，大于圓 形彈性段1-2與外約束部件2之間的間隙，所述增強連接部件3由節點段3-1、連接段3-2和加 強筒3-3構成，所述節點段3-1將支撐與結構中的節點板相連，連接段3-2與端部彈性段1-2-2固結，加強筒3-3內側位于約束部件2的外圍，并與約束部件2外側緊貼。
[0043] 核心部件的圓形彈性段1-2的橫截面面積至少為圓形消能段1-1的1.6倍。
[0044] 實施例2
[0045] 如圖8所示:本實施例與實施例1其余部分相同，不同之處在于所述核心部件多個 圓形消能段1-1的長度從兩端往中間逐漸增加。
[0046] 核心部件的單個圓形消能段1-1的長度不超過其半徑8倍。
[0047] 如圖9和10所示，為竹形屈曲約束支撐中不設置和設置加強筒時受壓變形示意圖。 若增強連接部件中不設置加強筒(如圖9所示），核心部件端部彈性段在軸力產生的端部彎 矩作用下可能發生屈服，產生塑性鉸和顯著轉角α，從而會放大端部彎矩的作用，嚴重降低 支撐的整體穩定性。增強連接部件中設置加強筒后(如圖10所示），由于加強筒具有很大剛 度，可看做剛體，支撐的整體穩定計算長度L會減小，支撐的穩定承載力顯著增強;此外支撐 端部發生轉動時，加強筒和約束部件之間發生接觸，可以限制核心部件端部彈性段的轉動， 避免了塑性鉸的產生，降低了端部彎矩對支撐整體穩定的不利影響。
[0048]應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下， 還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。本實施例中未 明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。
【主權項】
1. 一種竹形屈曲約束支撐，其特征在于:包括核心部件、外約束部件和增強連接部件； 所述核心部件由多個圓形消能段和圓形彈性段沿縱向同軸線相間設置構成，圓形彈性 段包括多個中間彈性段和兩個端部彈性段，圓形消能段截面面積小于圓形彈性段； 所述核心部件位于所述外約束部件內部，核心部件圓形彈性段四周與外約束部件內側 緊貼或者相切，圓形消能段與外約束部件之間存在空隙； 所述增強連接部件由節點段、連接段和加強筒構成，所述節點段將支撐與結構中的節 點板相連，連接段與核心部件的端部彈性段固結，加強筒包裹約束部件，且加強筒的內側與 約束部件外側緊貼。2. 根據權利要求1所述的竹形屈曲約束支撐，其特征在于:所述圓形消能段由圓形彈性 段沿四周切削形成。3. 根據權利要求1所述的竹形屈曲約束支撐，其特征在于:所述核心部件圓形彈性段的 橫截面面積至少為圓形消能段的1.6倍。4. 根據權利要求1所述的竹形屈曲約束支撐，其特征在于:所述核心部件多個圓形消能 段的長度從兩端往中間逐漸增加。5. 根據權利要求1所述的竹形屈曲約束支撐，其特征在于:所述核心部件單個圓形鋼消 能段的長度不超過其半徑8倍。
【專利摘要】本發明公開了一種竹形屈曲約束支撐，包括核心部件、外約束部件和增強連接部件；所述核心部件由多個圓形消能段和圓形彈性段沿縱向同軸線相間設置構成，圓形彈性段包括多個中間彈性段和兩個端部彈性段，圓形消能段截面面積小于圓形彈性段；所述核心部件位于所述外約束部件內部；所述增強連接部件由節點段、連接段和加強筒構成。本發明竹形屈曲約束支撐各圓形消能段長度較短，在軸力作用下只屈服不屈曲，無需填充砂漿或者增加多余部件對其進行約束，而且圓形消能段截面面積相對于圓形彈性段較小，屈服力較小，對外約束部件的剛度要求較低，因此外約束部件可為簡單圓套管，其構造簡單、方便加工、自重較輕。
【IPC分類】E04B1/98
【公開號】CN105714952
【申請號】CN201610121121
【發明人】王春林, 劉燁, 曾濱, 陳泉
【申請人】東南大學