一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件的制作方法
【專利摘要】一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件,屬于防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件【技術(shù)領(lǐng)域】。十字形鋼芯從中間到兩端依次為非變截面段a、截面縮小段b以及連接段c,非變截面段a位于兩截面縮小段b之間,截面縮小段b分別靠近外約束鋼管的兩端,限位槽對應(yīng)于十字形鋼芯截面縮小段b,限位槽處焊接有T形截面擋板,T形截面擋板的翼緣板焊接在外約束鋼管的外表面,腹板垂直插入限位槽并與十字形鋼芯截面縮小段留有一定空隙,十字形鋼芯截面縮小段b兩端以60°坡角內(nèi)縮,T形截面擋板的腹板端部同樣以60°坡角內(nèi)縮,與鋼芯截面縮小段b端部平行。此防屈曲支撐構(gòu)件可廣泛應(yīng)用于建筑物的耗能減震及限位控制。
【專利說明】—種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件【技術(shù)領(lǐng)域】,涉及一種工程結(jié)構(gòu)抗震耗能及限位的支撐構(gòu)件,尤其是一種鋼芯為變截面十字形、外約束鋼管為內(nèi)設(shè)擋板式的防屈曲耗能支撐構(gòu)件。防屈曲支撐受力時,局部縮小尺寸的鋼芯首先屈服耗能,變形達到一定程度鋼芯被外鋼管內(nèi)置的擋板約束,由此帶動外鋼管參與后期的限位工作。
【背景技術(shù)】
[0002]屈曲約束支撐又稱防屈曲支撐或BRB (Buckling restrained brace),產(chǎn)品技術(shù)最早發(fā)展于1973年的日本,當時的一批日本學者成功研發(fā)了最早的墻板式防屈曲耗能支撐,并對其進行了加入不同無粘結(jié)材料的拉壓試驗;1994年北嶺地震后,美國也開始對放屈曲支撐體系進行相應(yīng)的設(shè)計研究和大比例試驗,同時結(jié)合理論計算分析了該支撐體系較其他支撐體系的優(yōu)點。防屈曲支撐由支撐鋼芯、外圍約束構(gòu)件組成,可為框架或排架結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度和承載力,采用支撐的結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。兩者之間通常設(shè)置有無粘結(jié)材料或適當?shù)拈g隙以釋放支撐鋼芯受壓時所產(chǎn)生的膨脹變形。外套筒和填充材料僅約束鋼芯受壓屈曲,使鋼芯在受拉和受壓下均能進入屈服,因而,防屈曲約束支撐的滯回性能優(yōu)良。
[0003]傳統(tǒng)的防屈曲支撐構(gòu)件具有以下特點:僅鋼芯與結(jié)構(gòu)構(gòu)件相連,荷載完全由鋼芯承擔,外鋼管和填充材料僅約束鋼芯受壓屈曲,防止鋼芯受壓失穩(wěn),使鋼芯在受拉和受壓下均能進入屈服。即僅考慮鋼芯一個耗能核心,忽略了外約束套筒的軸向剛度貢獻。目前研究開發(fā)的防屈曲支撐主要著重提高其耗能能力,對防屈曲支撐的限位作用研究較少。鑒于此,我們將著力提出一種應(yīng)用外鋼管剛度和屈服后鋼芯剛度進行結(jié)構(gòu)位移控制的新型防屈曲支撐。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明提出一種十字形變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件,要解決現(xiàn)有防屈曲支撐沒有位移控制裝置的問題。外約束鋼管采用內(nèi)設(shè)擋板的方形鋼管,鋼芯采用變截面設(shè)計與焊接在外約束鋼管限位槽處的T形截面擋板相嵌合,從而在鋼芯屈服后利用外約束鋼管的軸向剛度達到限位的目標。
[0005]為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件,由十字型鋼芯和外約束鋼管組成,其特征在于,十字形鋼芯位于外約束鋼管內(nèi)部,外約束鋼管與十字形鋼芯形成的四個正方形區(qū)域內(nèi)填充四個正方形薄壁型鋼鋼管混凝土,所述十字形鋼芯從中間到兩端依次為非變截面段a、截面縮小段b以及連接段C,非變截面段a位于兩截面縮小段b之間,截面縮小段b分別靠近外約束鋼管的兩端。所述外約束鋼管是四面開有限位槽的方鋼管,限位槽對應(yīng)截面縮小段b。限位槽處焊接有T形截面擋板,T形截面擋板由兩角鋼焊接而成,擋板翼緣焊接在外約束鋼管的外表面,腹板垂直插入限位槽且與十字形鋼芯截面內(nèi)縮處留有空隙,十字形鋼芯截面縮小段b兩端以60°坡角縮小,T形截面擋板的腹板與十字形鋼芯截面縮小段端部平行,同樣具有60°坡角,T形截面擋板插入限位槽的腹板縱向截面為梯形。
[0007]外約束鋼管的邊長大于十字形鋼芯非變截面段的寬度,鋼管內(nèi)設(shè)擋板處局部縮小十字形鋼芯尺寸;距離外約束鋼管1/12長度e的端部位置開設(shè)限位槽,開槽長度d為1/6外約束鋼管的長度,同時也是T形擋板的長度。
[0008]所設(shè)限位槽處焊接有T形截面擋板,T形截面擋板由兩角鋼焊接而成,擋板翼緣焊接在外約束鋼管的外表面,腹板垂直插入限位槽。十字形鋼芯截面縮小段b兩端以60°坡角縮小,T形截面擋板的腹板與十字形鋼芯截面縮小段的兩端平行,同樣具有60°坡角,T形截面擋板插入限位槽的腹板縱向截面為梯形,T形截面擋板插入限位槽的腹板與十字形鋼芯截面內(nèi)縮處留有空隙。外約束鋼管、十字形鋼芯及正方形薄壁型鋼鋼管混凝土之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料層。
[0009]所述鋼芯由屈服工作段、局部縮小段、連接段組成,截面局部縮小段的長度大于T形擋板的長度,其長度差包括考慮鋼芯屈服后的受拉和受壓變形,根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中彈塑性層間位移角的限制要求規(guī)定其最大截面縮小長度。
[0010]所述外約束鋼管對應(yīng)于鋼芯兩變截面段b開設(shè)限位槽并焊接T形鋼板,T形鋼板長度小于鋼芯截面縮小的長度。
[0011]所述外約束鋼管的截面形式可以是方形、圓形。
[0012]防屈曲支撐受力時,十字形鋼芯首先耗能屈服,鋼芯變形屈服并受到外鋼管內(nèi)置擋板的限制時,外鋼管與屈服后鋼芯共同參與受力。并且外鋼管剛度較大,加之屈服后鋼芯的剛度能夠有效限制鋼芯屈服后結(jié)構(gòu)整體的側(cè)移,達到限位的效果。
[0013]根據(jù)以上技術(shù)方案,與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下特點和有益效果。
[0014]性能優(yōu)越:本發(fā)明的耗能能力為鋼芯的屈服強度,而結(jié)構(gòu)位移則由外約束鋼管的剛度和屈服后鋼芯的剛度共同控制,充分利用了外約束鋼管的軸向剛度。
[0015]取材方便:本發(fā)明采用的鋼材來源廣泛,規(guī)格齊全,購買方便。
[0016]傳力明確:鋼芯屈服后,外約束鋼管的軸向剛度作為支撐體系的附加剛度有利于限制結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移,實現(xiàn)限位功能。
[0017]本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于建筑物的耗能減震及限位控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖和左視圖。
[0019]圖2為圖1A-A處剖面圖。
[0020]圖3為圖1B-B處剖面圖。
[0021]附圖標記:1-鋼芯、2-外約束鋼管、3-薄壁型鋼鋼管混凝土、4-T字型鋼板、5-鋼芯與外鋼管之間無粘結(jié)材料、a-非變截面段長度、b-鋼芯截面局部縮小段長度、C-連接段長度、d-內(nèi)設(shè)T字形擋板長度、e-槽孔端部距離鋼管端部的長度。
【具體實施方式】[0022]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明,但本發(fā)明并不限于以下實施例,以權(quán)利要求書為準。
[0023]如圖1所示,一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件,由十字型鋼芯(I)和外約束鋼管(2)組成。其特征在于,十字形鋼芯(I)位于外約束鋼管(2)內(nèi)部,外約束鋼管(2)與十字形鋼芯(I)形成的四個正方形區(qū)域內(nèi)填充四個正方形薄壁型鋼鋼管混凝土(3),所述十字形鋼芯(I)從中間到兩端依次為非變截面段a、截面縮小段b以及連接段C,非變截面段a位于兩截面縮小段b之間,截面縮小段b分別靠近外約束鋼管(2)的兩端,外約束鋼管的限位槽對應(yīng)截面縮小段b。所述外約束鋼管(2)是四面開有限位槽的方鋼管,截面尺寸為300X300mm。所述外約束鋼管(2)的限位槽處焊接有T形截面擋板(4),T形截面擋板由兩角鋼焊接而成,擋板翼緣焊接在外約束鋼管(2)的外表面,腹板垂直插入限位槽。十字形鋼芯(I)截面縮小段b縱向兩端以60°坡角縮小,T形截面擋板的腹板與十字形鋼芯截面縮小段端部平行,同樣具有60°坡角;T形截面擋板插入限位槽的腹板縱向截面為梯形,T形截面擋板插入限位槽的腹板與十字形鋼芯(I)截面內(nèi)縮處留有5mm的空隙。外約束鋼管與鋼芯非變截面段之間的空隙為10mm,鋼芯截面縮小的徑向距離為30mm。外約束鋼管、T形擋板、十字形鋼芯、薄壁型鋼鋼管混凝土之間的空隙填充無粘結(jié)材料層(5)。
[0024]防屈曲支撐受力時,鋼芯(I)首先耗能屈服,鋼芯(I)變形屈服并受到外鋼管(2)的內(nèi)置擋板限制時,外約束鋼管(2)與屈服后鋼芯(I)共同參與受力。并且外鋼管(2)剛度較大,加之屈服后鋼芯(I)的剛度能夠有效限制鋼芯屈服后結(jié)構(gòu)整體的側(cè)移,達到限位的效
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[0025]除上述示例焊接十字形截面之外,鋼芯(I)的截面形式還可以是內(nèi)錯角鋼十字形。
[0026]如圖2所示,外約束鋼管(2)是四面開槽的方鋼管,且外約束鋼管(2)的邊長大于鋼芯(I)非變截面段a寬度10mm,鋼管內(nèi)設(shè)擋板處徑向縮小鋼芯尺寸30mm,外約束鋼管(2)和工作段芯材(I)之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料層(5 )。
[0027]如圖3所示,T形擋板穿入槽孔至鋼芯截面局部縮小段并留有約5mm的縫隙;十字形鋼芯截面局部縮小段的縱向長度b應(yīng)大于焊接T字型鋼板的縱向長度d,考慮包括鋼芯
(I)屈服時的受拉、受壓變形和設(shè)計此消能限位體系的控制位移量,根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中彈塑性層間位移角的限制要求規(guī)定其最大距離差。
[0028]本發(fā)明所述變截面防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件的工作原理:
[0029]外部荷載施加到防屈曲支撐,首先十字形鋼芯承受外荷載直至屈服,變形達到一定程度受到內(nèi)擋板的約束時,外鋼管參與受力。受壓狀態(tài)下,當鋼芯屈服后鋼芯的壓縮變形達到內(nèi)置擋板的極限時,即鋼芯向內(nèi)壓縮接觸到內(nèi)置擋板的端部時,外約束體在鋼芯的作用下貢獻軸向抗壓剛度,作為附加剛度限制結(jié)構(gòu)整體側(cè)移。受拉狀態(tài)下,直到鋼芯屈服的拉伸變形達到內(nèi)擋板的極限時,即鋼芯向外拉伸接觸到內(nèi)置擋板的端部時,外約束體在鋼芯的作用下貢獻軸向抗拉剛度,作為附加剛度限制結(jié)構(gòu)整體側(cè)移。此時鋼芯和外約束體作為一個整體共同承受外部荷載。此工作狀態(tài)表現(xiàn)在拉壓過程中的往復工作。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件,由十字形耗能鋼芯和外約束鋼管組成。其特征在于,十字形鋼芯位于外約束鋼管內(nèi)部,外約束鋼管與十字形鋼芯形成的四個正方形區(qū)域內(nèi)填充四個正方形薄壁型鋼鋼管混凝土,所述十字形鋼芯從中間到兩端依次為非變截面段a、截面縮小段b以及連接段C,非變截面段a位于兩截面縮小段b之間,截面縮小段b分別靠近外約束鋼管的兩端。所述外約束鋼管是4面開有限位槽的方鋼管,限位槽對應(yīng)截面縮小段b,所述外約束鋼管的限位槽處焊接有T形截面擋板,T形截面擋板由兩角鋼焊接而成,擋板翼緣焊接在外約束鋼管的外表面,腹板垂直插入限位槽,十字形鋼芯截面縮小段b兩端以60°坡角內(nèi)縮,T形截面擋板插入限位槽的腹板與十字形鋼芯截面縮小段b端部平行,同樣具有60°坡角,T形截面擋板的腹板縱向截面為梯形,T形截面擋板的腹板與十字形鋼芯截面內(nèi)縮處留有空隙。
2.按照權(quán)利要求1的一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件,其特征在于,外約束鋼管的邊長大于十字形鋼芯非變截面段a的寬度,T形截面擋板穿入槽孔至鋼芯截面內(nèi)縮處并留有一定縫隙。
3.按照權(quán)利要求1的一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件,其特征在于,外約束鋼管、十字形鋼芯及正方形薄壁型鋼鋼管混凝土之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料層。
4.按照權(quán)利要求1的一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件,其特征在于,距離外約束鋼管1/12長度e的端部位置開設(shè)限位槽,開槽長度d為1/6外約束鋼管的長度,同時也是T形擋板的長度。
5.按照權(quán)利要求1的一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管十字形內(nèi)縮式變截面鋼芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件,其特征在于,所述外約束鋼管的截面形式替換為方形、圓形。
【文檔編號】E04B1/98GK103711219SQ201310745098
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】李振寶, 張芳亮, 杜曉霞, 趙春曉, 馬華 申請人:北京工業(yè)大學