CN105604205A - 模块化竹形屈曲约束支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化竹形屈曲约束支撑，包括核心部件、外约束部件和结构连接部件；所述核心部件由多个圆形消能段和多个弹性套筒组成，每个圆形消能段又分为中间段和两端的连接段；所述核心部件位于所述外约束部件内部，外约束部件的内表面与核心部件的弹性套筒的外表面紧贴或相切；所述结构连接部件的一端伸入外约束部件，另一端伸出外约束部件与结构连接。本发明模块化竹形屈曲约束支撑圆形消能段和弹性套筒可通过工厂批量化生产，根据屈曲约束支撑长度需要，选择圆形消能段和弹性套筒进行组合，基于此可实现对核心部件的模块化生产和设计。

Description

模块化竹形屈曲约束支撑

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种用于减小工程结构地震响应的屈曲约束支撑。

背景技术

地震是城市及其建筑物可能遭受的重大自然灾害之一，强烈地震不仅造成结构破坏，还会引起火灾等次生灾害和连锁效应。而消能减震的概念是指通过耗能装置吸收和耗散地震能量，有效减小结构的响应和损伤，避免主体结构的严重破坏，是实现结构基于性态设防的重要手段之一。屈曲约束支撑作为一种性能优越的消能减震构件，在日本、美国等发达国家得到了快速的推广应用，在我国的研究和应用也处于起步阶段。屈曲约束支撑在小震作用下保持弹性，与普通中心支撑一样能为结构提供足够的侧向刚度，在设防烈度或罕遇地震作用下，屈曲约束支撑的核心受力部件被外围约束部件有效抑制避免了整体或局部失稳，可通过拉压屈服来耗散能量，如此屈曲约束支撑既能作为普通支撑，又能发挥其耗能作用，使主体结构在地震作用下不会破坏或者破坏较小，是一种较为理想的消能减震方式。

传统屈曲约束支撑的约束部件通常由钢与混凝土组合形成，虽然造价相对较低，但是也存在一定的问题：(1)浇注混凝土的质量，如密实度，受工艺的影响较大，混凝土凝固会延长了制作时间，降低了生产效率；(2)由于混凝土局部不密实可能导致局部被核心部件压碎，从而引起核心部件局部屈曲，降低屈曲约束支撑性能；(3)为了保证核心受力部件能够自由拉压，常在核心受力部件包裹无粘结材料，使得混凝土与核心受力部件表面脱开，同时给核心受力部件受压膨胀提供一定的空间，但是在浇筑和振捣混凝土的过程中，很难保证无粘结材料按照设计要求包裹核心受力部件，从而影响屈曲约束支撑的性能。

进一步，采用全钢约束截面的屈曲约束支撑，如公开专利CN101974950B，其核心部件为圆形棒式芯杆，但是由于圆形棒式芯杆各方向抗弯刚度相等，在任意方向都可能发生整体或者局部屈曲，因此约束部件应在各方向对芯杆沿全长进行全面约束，因此构造要求较为复杂，而材料用量也会较大。

值得注意的是由于结构形式复杂多变，屈曲约束支撑的长度在同一结构中时常会发生变化，需要设计长度不同的型号，如何进行屈曲约束支撑的模块化设计是值得思考的问题。

此外，屈曲约束支撑的圆形芯棒受压会发生扭转变形，扭转变形的存在会导致圆形芯棒局部变形的增加，从而降低屈曲约束支撑的低周疲劳性能。

发明内容

本发明从关注了屈曲约束支撑核心部件模块化设计的角度，解决钢与混凝土组合约束部件的屈曲约束支撑中混凝土密实和无粘结材料设置困难、以及屈曲约束支撑受压时芯棒发生局部屈曲、扭转变形等对性能的影响，提出了一种模块化竹形屈曲约束支撑。

本发明采用的技术方案为：一种模块化竹形屈曲约束支撑，包括核心部件、外约束部件和结构连接部件；

所述核心部件由多个圆形消能段和多个弹性套筒组成，每个圆形消能段又分为中间段和两端的连接段，中间段的截面面积小于连接段的截面面积，连接段表面有外螺牙，弹性套筒内侧表面有内螺牙，相邻两个圆形消能段之间通过连接段的外螺牙与弹性套筒的内螺牙连接在一起形成核心部件；

核心部件由圆形消能段和弹性套筒组成，可通过工厂批量生产，根据屈曲约束支撑长度需要，圆形消能段和弹性套筒进行组装，基于此可实现对核心部件的模块化生产和设计，而外约束部件的长度根据对核心部件的约束要求来决定，可在现场对套管进行切割加工。

所述核心部件位于所述外约束部件内部，外约束部件的内表面与核心部件的弹性套筒的外表面紧贴或相切；

所述结构连接部件的一端有内螺牙，伸入外约束部件，并与圆形消能段的连接段通过螺牙连接，结构连接部件的另一端伸出外约束部件与结构连接。

外约束部件的内表面与核心部件的弹性套筒的外表面紧贴或相切，当屈曲约束支撑受压时，能限制弹性套筒的径向变形，这对于单个圆形消能段而言，就等同于在两端有了侧向支撑作用，在轴向压力作用下，使得单个圆形消能段的受压计算长度为圆形消能段的中间段的长度，通过合理设计，可以减小圆形消能段的表面塑性变形。

作为优选，所述核心部件的圆形消能段的两端连接段的截面面积至少为中间段的截面面积的1.6倍。

屈曲约束支撑在核心部件屈服后的承载力会进一步提高，其超强主要分两部分：一是钢材的应变硬化系数，根据本申请发明人对多种钢材(Q235、Q345、Q390)的循环加载试验以及已有文献结果，钢材的应变硬化系数在1.42左右；二是受压承载力调整系数，主要影响因素为屈曲约束支撑核心部件和约束部件之间的摩擦效应以及泊松效应，根据本申请发明人大量试验结果，其最大值可取为1.13，综上所述，模块化竹形屈曲约束支撑超强系数w可取为1.6(即1.42×1.13的值)。因此，本发明规定所述圆形消能段的两端连接段的截面面积至少为中间段的截面面积的1.6倍，可保证圆形消能段的两端连接段的屈服承载力大于支撑最大承载力，荷载作用下始终保持弹性，确保弹性套筒连接的有效性。

作为优选，所述核心部件的圆形消能段的中间段的长度不超过其半径8倍。

对于模块化竹形屈曲约束支撑的圆形消能段的中间段，如要求其只发生屈服而不发生屈曲，单个圆形消能段的屈曲承载力大于在给定位移幅值下支撑的最大承载力，如下式所示：

$\frac{{\mathrm{\π}}^2{E}_{t}I}{{(l/2)}^2}\≥{\mathrm{w\σ}}_{y}A$

其中，E_t为中间段的切线模量，I为中间段的截面惯性矩，l为中间段的长度，w为支撑超强系数，σ_y为中间段的屈服强度，A为中间段的截面面积。由上式可知，l的最大值和材料屈服强度σy_成反比，屈曲约束支撑核心部件通常采用的材料为Q235、Q345等，代入相关参数经验值以及中间段半径r，可得：

l≤8.4r

故规定单个圆形消能段中间段的长度不超过其半径8倍。

作为优选，所述核心部件的弹性套筒的内侧是圆形，外侧为圆形或者多边形。

作为优选，所述外约束部件为圆形或者多边形套管。

当外约束部件为多边形套管，对应的核心部件的弹性套筒的外侧也为多边形，两者紧贴，此时，外约束部件可以限制弹性套管的切向变形，也就是说圆形消能段的两端切向变形都得到限制，减小了屈曲约束支撑的核心部件的整体扭转变形，从而降低了核心部件的表面应变，提高了屈曲约束支撑的低周疲劳性能。

本发明具有以下有益效果：

1.核心部件由圆形消能段和弹性套筒组成，可通过工厂批量化生产，根据屈曲约束支撑长度需要，圆形消能段和弹性套筒可以为1组或者多组，基于此可实现对核心部件的模块化生产和设计，而外约束部件的长度根据对核心部件的约束要求来决定，可在现场对套管进行切割加工。

2.模块化竹形屈曲约束支撑核心部件由多个圆形消能段和弹性套筒沿纵向相间分布构成，各圆形消能段的中间段长度较短，在轴力作用下只屈服不屈曲，因此约束部件与圆形消能段之间无需填充砂浆或者增加多余部件对其进行约束，使得屈曲约束支撑构造简单且加工方便。

3.模块化竹形屈曲约束支撑核心部件的圆形消能段的中间段截面面积相对于圆形消能段的连接段较小，从而屈服力较小，对外约束部件的刚度要求较低，因此外约束部件可为简单套管，使得屈曲约束支撑构造简单且自重较轻，方便安装。

4.模块化竹形屈曲约束支撑核心部件的圆形消能段的连接段横截面面积至少为中间段的1.6倍，1.6约为核心部件屈服后的超强系数，能够保证连接段始终保持弹性，进一步能够保证弹性套筒的有效连接。

5.当外约束部件为多边形套管，对应的核心部件的弹性套筒的外侧也为多边形，此时，外约束部件可以限制弹性套管的切向变形，也就是说圆形消能段的两端切向变形都得到限制，减小了屈曲约束支撑的核心部件的整体扭转变形，从而降低了核心部件的表面应变，提高了屈曲约束支撑的低周疲劳性能。

6.采用全钢外围约束截面，避免了混凝土湿作业，所有钢构件均可以在工厂制作，加工精度更容易控制。

附图说明

图1是本发明实施例1的模块化竹形屈曲约束支撑核心部件和结构连接部件组装前平视图；

图2是本发明实施例1的模块化竹形屈曲约束支撑核心部件和结构连接部件组装后平视图；

图3是本发明实施例1的模块化竹形屈曲约束支撑平视图；

图4是图3模块化竹形屈曲约束支撑的A-A剖面图；

图5是本发明实施例2的模块化竹形屈曲约束支撑剖面图；

图6是本发明实施例3的模块化竹形屈曲约束支撑剖面图；

图7是本发明实施例4的模块化竹形屈曲约束支撑平视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1～4所示：一种模块化竹形屈曲约束支撑，包括核心部件1、外约束部件2和结构连接部件3，所述核心部件1由四个圆形消能段1-1和三个弹性套筒1-2组成，圆形消能段1-1的端部连接段1-1-2的截面面积大于中间段1-1-1的截面面积，常设置为连接段1-1-2的截面面积为中间段1-1-1的1.6倍，连接段1-1-2表面有外螺牙，弹性套筒1-2内侧表面有内螺牙，圆形消能段1-1的连接段1-1-2通过弹性套筒1-2螺牙连接形成核心部件1，所述的外约束部件2的内表面与核心部件1的弹性套筒1-2的外表面紧贴，所述的结构连接部件3的一端有内螺牙，伸入外约束部件2，与圆形消能段1-1的连接段1-1-2通过螺牙连接，连接部件3的另一端伸出外约束部件2与结构连接。

核心部件1的圆形消能段1-1的连接段1-1-2的截面面积至少为中间段1-1-1的截面面积的1.6倍。

核心部件1的圆形消能段1-1的中间段1-1-1的长度不超过其半径8倍。实施例2

如图5所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述弹性套筒1-2的内表面为圆形，外表面为六变形，弹性套筒1-2与外约束部件2的内表面相切。

实施例3

如图6所示：本实施例与实施例2其余部分相同，不同之处在于所述外约束部件2为六变形套筒，其内表面与弹性套筒1-2的外表面紧贴。

实施例4

如图7所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述核心部件1由两个圆形消能段1-1和一个弹性套筒1-2组成。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种模块化竹形屈曲约束支撑，其特征在于：包括核心部件、外约束部件和结构连接部件；

所述核心部件由多个圆形消能段和多个弹性套筒组成，每个圆形消能段又分为中间段和两端的连接段，中间段的截面面积小于连接段的截面面积，连接段表面有外螺牙，弹性套筒内侧表面有内螺牙，相邻两个圆形消能段之间通过连接段的外螺牙与弹性套筒的内螺牙连接在一起形成核心部件；

所述核心部件位于所述外约束部件内部，外约束部件的内表面与核心部件的弹性套筒的外表面紧贴或相切；

所述结构连接部件的一端有内螺牙，伸入外约束部件，并与圆形消能段的连接段通过螺牙连接，结构连接部件的另一端伸出外约束部件与结构连接。

2.根据权利要求1所述的模块化竹形屈曲约束支撑，其特征在于：所述核心部件的圆形消能段的两端连接段的截面面积至少为中间段的截面面积的1.6倍。

3.根据权利要求1所述的模块化竹形屈曲约束支撑，其特征在于：所述核心部件的圆形消能段的中间段的长度不超过其半径8倍。

4.根据权利要求1所述的模块化竹形屈曲约束支撑，其特征在于：所述核心部件的弹性套筒的内侧是圆形，外侧为圆形或者多边形。

5.根据权利要求1所述的模块化竹形屈曲约束支撑，其特征在于：所述外约束部件为圆形或者多边形套管。