兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐及其製作方法
2023-05-01 17:34:31 2
專利名稱：兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐及其製作方法
技術領域：
本發明涉及建築結構抗震防災技術領域，屬於結構減震被動控制範疇，具體涉及一種兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐及其製作方法，可用於建築結構中抵抗水平地震作用，提高結構抗震性能。
背景技術：
地震災害的強隨機性與破壞性，會給人類的生命財產安全帶來巨大威脅。結構在地震中倒塌的主要原因是其自身的耗能能力不足以消耗地震輸入能量，從而導致結構的節點、梁、柱等關鍵部件發生疲勞損傷斷裂破壞。為建築結構附加耗能減震裝置是減小結構地震損傷有效手段，其可使損傷集中於耗能減震裝置本身，從而起到保護主體結構，減小結構 關鍵部位構件損傷的作用。屈曲約束支撐是金屬耗能減震裝置的一種，其通過耗能核心單元軸向拉壓屈服的高效耗能機制，耗散地震輸入能量。通常屈曲約束支撐有兩種主要形式，BP(I)鋼管混凝土型屈曲約束支撐；(2)純鋼型屈曲約束支撐。純鋼型屈曲約束支撐較鋼管混凝土型屈曲約束支撐輕，加工速度快，精度易控制，質量易保證。屈曲約束支撐的核心單元在軸向壓力作用下有兩種屈曲破壞模式，即整體屈曲與局部屈曲。現有的純鋼型屈曲約束支撐，都是通過加勁板等構造措施限制了核心單元的這兩種屈曲破壞模式的發生。常見的核心單元有「一」字形板和「十」字形組合斷面等。但是，現有的純鋼型屈曲約束支撐在設計時都忽略了一個重要問題，即沒有利用核心單元自身抵抗局部屈曲的能力，加勁約束措施一般採用面面接觸，即加勁約束單元在核心單元的整個外表面都緊貼約束，這將不可避免地造成鋼材的浪費。
發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種無須使用填充材料，完全通過自身構造起到穩定約束作用的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐及其製作方法，用於解決現有技術中的上述問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐，包括橫截面為一字形的芯板以及套設在所述芯板上的外圍約束套筒，所述外圍約束套筒的內壁上相對固定設置兩個軸向延伸的約束件，每個約束件上具有一條軸向延伸的卡槽，所述芯板的兩側分別卡設在所述兩個卡槽內。進一步地，所述約束件由兩塊槽鋼並排構成，所述卡槽由兩塊槽鋼之間的間隙構成。進一步地，所述槽鋼的開口面與所述外圍約束套筒的內壁貼合併且固定連接。進一步地，所述外圍約束套筒的橫截面為方形。進一步地，還包括固定在所述芯板兩端的多塊加勁板，所述加勁板為自所述芯板表面的中心線向外延伸至與所述外圍約束套筒的內壁相接觸的平板。
進一步地，所述加勁板與所述芯板垂直固定。進一步地，所述加勁板位於所述外圍約束套筒最內側的側邊與所述芯板間的夾角為銳角。本發明還提供一種上述兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐的製作方法，包括以下步驟(1)製作兩個具有卡槽的約束件，所述卡槽的槽寬為芯板厚度；(2)製作拼裝外圍約束套筒的各壁板，將所述兩個約束件分別焊接在組成外圍約束套筒並且相對設置的兩塊壁板上；(3)將芯板的兩側插入所述兩個約束件的卡槽內並且固定；(4)將所述各壁板拼裝成所述外圍約束套筒，並且用對接焊縫焊接固定。進一步地，上述步驟(I)中，所述約束件由兩塊槽鋼並排構成，所述卡槽由兩塊槽鋼之間的間隙構成。進一步地，在進行步驟(3)前，在所述芯板兩端的兩表面焊接加勁板。
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通過以上技術方案，本發明具有以下技術效果本發明通過利用芯材自身抗局部屈曲的能力，實現芯材屈服而不屈曲的耗能機制，可極大地提高鋼材利用效率，減小鋼材用量，提高經濟性。因此本兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐通過將芯板的兩側分別卡設在兩個約束件的卡槽內實現線接觸約束，提高並且利用了芯材抗局部屈曲的能力，不必填充約束料，使得自重大大降低，鋼材利用率很高，從而達到了較好的經濟性。同時芯材屈服前可為結構提供較大的抗側剛度與承載能力，其作用同普通鋼支撐，但由於本發明不會發生整體失穩破壞，材料利用效率更高；芯材屈服後可耗散大量地震輸入能量，為結構提供附加阻尼，是一種性能優良的金屬阻尼器。
圖I為本發明兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐的示意圖。圖2為圖I中A-A向的俯視圖。 圖3為圖I中B-B向的側視圖。圖4為沿圖I中C-C的橫截面圖。圖5為沿圖I中D-D的橫截面圖。圖6為沿圖I中E-E的橫截面圖。圖7為沿圖I中F-F的橫截面圖。圖8為本發明在建築結構中的布置方式示意圖。元件標號說明I-芯板；2-槽鋼；3_外圍約束套筒；4-加勁板；5-兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐。
具體實施例方式以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。
請參閱圖I至圖8。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，並非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的範圍內。同時，本說明書中所引用的如「上」、「下」、「左」、「右」、「中間」及「一」等的用語，亦僅為便於敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的範圍，其相對關係的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的範疇。圖I及圖7示出了本發明兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐的一種實施方式，包括橫截面為一字形的芯板I以及套設在芯板上的外圍約束套筒3，外圍約束套筒的內壁上相對固定設置兩個軸向延伸的約束件，每個約束件上具有一條軸向延伸的卡槽，芯板I的兩側分別卡設在兩個卡槽內。根據我國《鋼結構設計規範》，若僅在「一」字形核心單元的兩側邊採用線接觸約束，並保證核心鋼板的寬厚比不大於3(/235//v (fy為鋼材屈服強度標準值)就能使其不發生局部屈曲。本發明正是採用該原理製作，通過將芯板卡設在約束件卡槽中實現線接觸約束使芯板不發生局部屈伸。
下面結合上述原理進一步闡述，芯板的屈曲分為整體屈曲和局部屈曲，整體屈曲為芯板以一個正弦曲線半波的形式彎曲失穩，局部屈曲為芯板的邊緣發生波浪狀的失穩破壞。因此通過約束件的卡槽夾緊芯板用以約束芯板在受壓的情況下屈曲，既能防止其發生局部屈曲，也能防止整體屈曲，提高芯板的屈曲承載能力，使其大於芯板的屈服承載力，這樣就能使芯板在受壓情況下先發生屈服，不發生屈曲，從而達到屈服耗能的目的。本實施例中約束件由兩塊槽鋼2並排構成，兩塊槽鋼之間留有間隙構成上述卡槽。採用槽鋼一方面因為其開口槽結構可以節省材料，減輕重量，另一方面槽鋼2可以提供良好的抗側力。並且理論上槽鋼2的開口面方向並無嚴格限制，若採用槽鋼背面固定，槽鋼側壁略顯單薄，若採用槽鋼開口面與外圍約束套筒的內壁固定連接，則可形成一個閉合截面，提供的抗側力較大，可以提供更好的約束效果，故優選槽鋼的開口面與外圍約束套筒的內壁固定連接(圖3所示)。外圍約束套筒3作為屈曲約束支撐的重要組成部分，需要有足夠的抗彎強度，才能確保芯板處於較為理想的軸向拉、壓受力狀態並產生抗壓塑性變形，從而使得屈伸約束支撐發揮優越的耗能性能。理論上外圍約束套筒的橫截面可以是圓形的也可以是方形的，但是考慮到採用方形截面的外圍約束套筒，其壁板可以和槽鋼2垂直焊接，方便約束芯板I ;若採用圓形截面的外圍約束套筒3，則必須對槽鋼2進行切削，才能保證和芯板接觸的槽鋼面是平行的，加工起來比較複雜，故優選外圍約束套筒3的橫截面為方形。(圖5所示)同時為加強外圍約束套筒3的剛度，也使外圍約束套筒3對芯板I提供更好的約束作用，芯板兩端設置多塊加勁板4以加大端部截面。而且芯板端部會承受一定的彎矩作用，需要通過加勁板4與外圍約束套筒內部的接觸力傳遞，因此加勁板4為自芯板表面的中心線向外延伸並與外圍約束套筒的內壁相接觸的平板，如此能約束住芯板端部的轉動，更有利於受力。由於本兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐最終需要安裝在建築結構的梁柱節點處，而梁柱節點處的節點板一般是垂直設置的十字形截面，因此加勁板4與芯板I垂直設置構成十字節點方便連接。同時為避免芯板I受壓時，其與加勁板4連接處產生應力集中，力口勁板位於所述外圍約束套筒最內側的側邊與芯板間的夾角為銳角，這樣相比直角連接，過渡更加平緩，加勁板4採用直角梯形板等具有斜邊的板狀結構即可實現此效果(圖2所示)。通常芯板在地震往復作用下會產生應變強化現象，使其實際內力大於初始屈服力，但是支撐設計時又要保證節點是彈性的，如果不提高鋼材強度，就只能增大截面面積，從而用鋼量也會增加。因此加勁板4優選採用高強鋼，以減小用鋼量。本發明還包括兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐的製作方法，包括以下步驟(I)根據建築與分析設計要求，確定兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐5的尺寸，包括長度、高度、寬度等參數，以方便與建築主體結構連接；(2)根據屈服承載力與屈服位移要求，選擇「一」字形芯板I的尺寸，確保其寬厚比滿足設計要求。芯板厚度約為12 30_，適用噸位在100噸 300噸，芯板鋼材為低碳鋼或者低屈服點鋼；
(3)根據支撐屈服承載力及長度確定外圍約束套筒3的厚度與尺寸，使其滿足整體穩定要求。製作拼裝外圍約束套筒3的各壁板，本實施例用四塊鋼板圍成一個方形的外圍約束套筒3，其尺寸為200*200mnT500*500mm，長度為2nT6m。(4)將加勁板4用對接焊縫焊接在芯板兩端的兩表面；(5)將兩對槽鋼2用角焊縫分別焊接在組成外圍約束套筒的相對設置的兩塊壁板上，使兩塊槽鋼之間預留一定間隙構成卡槽，同側兩塊槽鋼的間距(即卡槽的寬度)為芯板的厚度，槽鋼選用熱軋標準槽鋼；(6)將芯板的兩側插入上述卡槽內並且固定；(7)將外圍約束套筒各壁板拼裝好用對接焊縫焊接在一起。本發明兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐製作完成後，按以下步驟實施(I)確定兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐5的安裝位置與數量，將其儘量布置在結構抗震的薄弱位置。(2)根據結構分析設計，確定兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐5的屈服承載力、剛度與節點連接力等參數。(3)根據設計參數，結合具體構造措施進行兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐5的設計與加工。(4)將兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐5與建築結構主體通過螺栓、焊接等方式，進行可靠連接，構成一人字形支撐(圖8所示)。綜上所述，本兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐無須採用填充材料，完全依靠自身構造起到穩定的約束作用，避免受壓芯板在彈性和塑性階段下的屈曲問題。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐，包括橫截面為一字形的芯板以及套設在所述芯板上的外圍約束套筒，其特徵在於，所述外圍約束套筒的內壁上相對固定設置兩個軸向延伸的約束件，每個約束件上具有一條軸向延伸的卡槽，所述芯板的兩側分別卡設在所述兩個卡槽內。
2.根據權利要求I所述的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐，其特徵在於，所述約束件由兩塊槽鋼並排構成，所述卡槽由兩塊槽鋼之間的間隙構成。
3.根據權利要求2所述的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐，其特徵在於，所述槽鋼的開口面與所述外圍約束套筒的內壁貼合併且固定連接。
4.根據權利要求I所述的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐，其特徵在於，所述外圍約束套筒的橫截面為方形。
5.根據權利要求I所述的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐，其特徵在於，還包括固定在所述芯板兩端的多塊加勁板，所述加勁板為自所述芯板表面的中心線向外延伸至與所述外圍約束套筒的內壁相接觸的平板。
6.根據權利要求5所述的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐，其特徵在於，所述加勁板與所述芯板垂直固定。
7.根據權利要求5所述的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐，其特徵在於，所述加勁板位於所述外圍約束套筒最內側的側邊與所述芯板間的夾角為銳角。
8.—種權利要求I所述的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐的製作方法，其特徵在於，所述製作方法包括以下步驟 (1)製作兩個具有卡槽的約束件，所述卡槽的槽寬為芯板厚度； (2)製作拼裝外圍約束套筒的各壁板，將所述兩個約束件分別焊接在組成外圍約束套筒並且相對設置的兩塊壁板上； (3)將芯板的兩側插入所述兩個約束件的卡槽內並且固定； (4 )將所述各壁板拼裝成所述外圍約束套筒，並且用對接焊縫焊接固定。
9.根據權利要求8所述的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐的製作方法，其特徵在於，所述約束件由兩塊槽鋼並排構成，所述卡槽由兩塊槽鋼之間的間隙構成。
10.根據權利要求8所述的兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐的製作方法，其特徵在於，在進行步驟(3)前，在所述芯板兩端的兩表面焊接加勁板。
全文摘要
本發明提供一種兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐及其製作方法，兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐包括橫截面為一字形的芯板以及套設在所述芯板上的外圍約束套筒，所述外圍約束套筒的內壁上相對設置兩對軸向延伸的槽鋼，所述槽鋼的開口面或背面與外圍約束套筒的內壁固定連接，並且同側的槽鋼間設有間隙，所述芯板卡設在所述間隙內。本兩邊約束一字形純鋼屈曲約束支撐通過將芯板的兩側分別卡設在兩個約束件的卡槽內實現線接觸約束，提高並且利用了芯材抗局部屈曲的能力，不必填充約束料，使得自重大大降低，鋼材利用率很高，從而達到了較好的經濟性。
文檔編號E04B1/98GK102900167SQ20121037684
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者李國強, 郭小康, 孫飛飛 申請人:同濟大學