CN105507445A - 外套管约束折叠钢板耗能支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外套管约束折叠钢板耗能支撑，包括外套管、设置在所述外套管内的芯筒、设置在所述芯筒两侧筒口的端头承压板、设置在外套管两侧端部的外套管封板，所述端头承压板上连接有穿过外套管封板的十字节点板，所述芯筒由多个耗能单元依次连接而成。本发明利用其良好的屈服后耗能能力减少建筑物的地震响应，制作简单，便于安装，能够应用到结构抗震方面，有效地减轻地震灾害。

Description

外套管约束折叠钢板耗能支撑

技术领域

本发明属于建筑结构耗能支撑领域，涉及一种外套管约束折叠钢板耗能支撑。

背景技术

地震灾害具有突发性和毁灭性，威胁着人类生命财产的安全。对于建筑物，由于建筑物地震反应过大，导致建筑物出现失去其使用功能、严重破坏甚至倒塌的现象。为减少地震带来的灾害，耗能减震技术被广泛应用于结构设计中。其中，屈曲约束支撑的开发与应用就是具有代表性的一项技术。

屈曲约束支撑主要由芯板、外套管、无粘结材料等部分构成。该技术中芯板为主要受力单元，在地震作用下芯板发生变形而消耗地震所输入的能量，从而达到保护主体框架的目的。外套管通过对芯板的约束，防止芯板产生侧向屈曲影响其耗能效果。

然而目前的屈曲约束耗能支撑塑性铰出现较少，并不能发挥整块芯板的耗能能力，无法控制芯板的屈服点位置，无法控制塑性铰出现的数量，这就使得整个支撑的耗能性能并不能实现精确控制，从而达到预期的效果。

发明内容

技术问题：本发明提供一种利用折叠钢板形成的芯筒代替芯板作为主要受力构件，利用其良好的屈服后耗能能力减少建筑物的地震响应，制作简单，便于安装，能够应用到结构抗震方面，有效地减轻地震灾害的外套管约束折叠钢板耗能支撑。

技术方案：本发明的外套管约束折叠钢板耗能支撑包括外套管、设置在所述外套管内的芯筒、设置在所述芯筒两侧筒口的端头承压板、设置在外套管两侧端部的外套管封板，所述端头承压板上连接有穿过外套管封板的十字节点板，所述芯筒由多个耗能单元依次连接而成，所述耗能单元包括4n个异面三角形，其中2n个为第一类三角形，2n个为第二类三角形，每两个第一类三角形顶角连接设置，构成一个分组，每两个第二类三角形底边连接设置，构成一个分组，第一类三角形分组与第二类三角形分组相邻连接，拼接成一个筒状构件，n为耗能单元端面多边边形边数，且n≥3。

进一步的，本发明中，所述外套管封板上设置有与十字节点板对应的“十”字型缝。

进一步的，本发明中，所述端头承压板的尺寸与芯筒的筒口尺寸相同。

进一步的，本发明中，所述外套管内壁与芯筒之间有间隙，其中填充有无粘结材料。

进一步的，本发明中，所述十字节点板上焊接有竖向的加劲肋。

折叠钢板耗能支撑对钢板采用冲压的方式使其出现折痕，相当于在钢板之中引入了初始缺陷，进而可以控制出现塑性铰的位置，使塑性铰出现在折痕附近，还可以通过控制折痕的数量来控制塑性铰的数量。然后将冲压之后的钢板焊接成为筒状，同时增加了稳定性，不易发生面外屈曲。

折叠钢板耗能支撑由芯筒、外套管、端头承压板、外套管封板、十字节点板、无粘结材料、加劲肋构成；其中芯筒是是由普通钢板经过冲压焊接成为筒状，其折叠段是由几何尺寸相同的耗能单元组成。且耗能单元体四面均采用相同的折痕，其构造形式相对简单，制作方便；端头承压板与芯筒、十字节点板相连，将荷载均匀的传递给芯筒。外套管限制耗能段折痕处出现过大的变形而影响整个支撑的耗能性能。外套管封板限定外套管的位置，十字节点板从其中穿过，将芯筒与框架连接在一起，十字节点板上焊接有加劲肋，防止十字节点板受压屈曲。

本发明的外套管约束折叠钢板耗能支撑，由七部分构成，分别为外套管、端头承压板、芯筒、十字节点板、外套管封板、无粘结材料、加劲肋。

其核心为芯筒，芯筒集中体现了发明的设计原理，且以n＝4时为例进行说明。

所述芯筒，如图1中4所示，是钢板经过冲压焊接而成，经过冲压可以形成由一种或多种简单几何图形所构成的耗能单元，再经过焊接形成筒状，如图6所示，为保证良好的耗能能力，便与加工，所用钢材优先采用软钢、Q235或高性能钢材，所用钢板厚度不宜大于50mm。

所述外套管，如图1中1所示，优先采用钢材制成，可以是圆钢管、方钢管，优先使用市场上已有的钢管规格。

所述外套管封板采用与外套管相同的材料，板厚约为1.5-2.0倍外套管厚度，焊接于外套管两端，如图1中2所示，直径与外套管外径相同。

所述无粘结材料在芯筒与外套管之间设置，如图1中6所示，无粘结材料为2mm厚的硅胶层，用来减弱外套管与芯筒之间的摩擦。

所述端头承压板设置于芯筒两端部，如图1中3所示，是将高强钢板切割成与耗能单元侧面吻合的六面体，焊接于芯筒两端。

所述十字节点板，如图1中5所示，采用与端头承压板相同的钢材，焊接于端头承压板上。

所述加劲肋，如图1中7所示，共有四道，每道都是由四片相同的三角形钢板组成，焊接于十字节点板上。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

现有屈曲约束支撑采用外套管来限制其芯板的屈曲，无法控制芯板出现塑性铰的位置和数量，使得现有屈曲约束支撑的耗能能力达不到理想的效果。在本发明中创造性的引入了芯筒，并在芯筒外设置外套管，使得芯筒与外套管协同工作，当芯筒承受荷载与外套管接触时，利用外套管与芯筒的相互接触，增加芯筒的刚度，提高其极限承载力，同时还可以改善芯筒的滞回耗能性能，从而在地震时更好地消耗地震对建筑物输入的能量。

该芯筒的侧面均采用三角形折痕，折痕形式简洁，便于进行冲压制作，在承受地震作用时，主要受到建筑物框架传来的轴向荷载，该轴向荷载可以为拉力，也可以为压力，在其受到荷载作用时，可以发生拉伸或者压缩变形，使得该芯筒在外套管中滑动，外套管对芯筒产生约束作用，防止芯筒发生面外屈曲，使其只能在其长度方向发生拉伸或压缩，以确保其耗能性能。

本发明中，外套管约束折叠钢板耗能支撑将现有的屈曲约束支撑中的芯板更换为由折叠钢板形成的芯筒，优化其耗能机理，增加其在低周往复荷载下的滞回耗能能力，通过冲压平钢板使钢板出现一系列三角形折痕，因而该芯筒是可展开的，折痕相当于人为地引入缺陷，使该支撑在折痕处出现塑性铰吸收能量，同时还可以通过控制折痕的数量来控制塑性铰(线)出现的个数,使其具有良好的塑性分布，芯筒能实现多处折痕出现塑性铰，增加了支撑的耗能能力，并且在该支撑的十字节点板上焊接有加劲肋以防止其受压时发生屈曲。

本发明通过折叠钢板产生预折痕，在承受荷载时可以在折痕处产生塑性铰线，利用塑性铰线来增加该支撑的耗能能力，同时在芯筒的外部设置套管，提高对芯筒的环向约束，便于提高该支撑的刚度与极限承载力。该支撑加工制作简单，安装方便，具有良好的抗震能力和耗能能力，是一种优秀的抗震耗能构件。

附图说明

图1为折叠钢板耗能支撑构造图。

图2为外套管封板两侧构造详图

图3为芯筒内构件连接图

图4为A-A截面构造图

图5为外套管封板

图6为耗能单元模块构造图，其中图6a为耗能单元轴测图，图6b为耗能单元左视图，图6c为耗能单元正视图

图7为耗能单元折叠示意图,其中虚线为凹痕

图8为耗能单元节点坐标示意图。

图9为耗能单元尺寸示意图，其中图9a为耗能单元向YZ面的投影，图9b为组成该单元的全等三角形中的一个。

图中有：1.外套管，2.外套管封板，3.端头承压板，4.芯筒，5.十字节点板，6.无粘结材料，7.加劲肋。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

如下图1至图6所示，本发明是由外套管1、外套管封板2、端头承压板3、芯筒4、十字节点板5、无粘结材料6、加劲肋7七部分所构成。芯筒4是由钢板经过冲压形成不同的简单几何图形，而后进行焊接而成为筒状。如图6所示，本实施例中，芯筒4上的几何图形为等腰三角形的组合。图7为该实施例中的折痕样式,其中虚线为凹痕，而后两端进行焊接即可。如图2所示，与芯筒4相连的是端头承压板3，端头承压板3焊接于芯筒4筒口四边，且端头承压板3尺寸与芯筒4筒口尺寸相同。端头承压板3另一侧与十字节点板5焊接，十字节点板5穿过外套管封板2，与建筑的结构框架连接，且在十字节点板上设置两道加劲肋7，该加劲肋为四片三角形钢板，焊接于十字节点板上。如图5所示，外套管封板2上开有“十”字型缝，以便于十字节点板5穿过。外套管封板2与外套管1采用焊接形式进行连接，外套管1内壁与芯筒4保持一定的距离。外套管1内壁上覆盖有无粘结材料，该无粘结材料采用硅胶层，厚度为2mm。

实施例2

本实施例与实施例1其余部分相同，不同的是将外套管1圆管换为方管来提供约束。

为了更加清晰地表达子单元的空间构造，建立空间直角坐标系说明各个节点的坐标，如图8所示，坐标原点O为子单元的中心，以四边形EFGH的对角线FH所在直线作X轴,从F指向H为正方向，以该四边形另一条对角线EG所在直线作Z轴，由E指向G为正方向，以过点O且与X轴、Z轴垂直的直线作为Y轴,正方向为从面ABCD指向面IJKL.

耗能单元尺寸要满足如下条件(θ为△DCG与△LKG的二面角，α为△DCG与XY面的夹角，a为正方形ABCD的边长，b为正方形EFGH的对角线长度，c为组成子单元的任意一个等腰三角形的腰的长度，d为该等腰三角形底边上的高，l为子单元沿Y轴方向的投影长度)：

$b=\sqrt{2}a:c=\sqrt{{\left(\frac{a}{2}\right)}^2+d^2};d=\frac{l}{2cos\mathrm{\α}};\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}-2\mathrm{\α}.$

各节点坐标为：

$\begin{array}{cccc}A\left(\begin{array}{ccc}\frac{a}{2},& -\frac{l}{2},& -\frac{a}{2}\end{array}\right),& B\left(\begin{array}{ccc}-\frac{a}{2},& -\frac{l}{2},& -\frac{a}{2}\end{array}\right),& C\left(\begin{array}{ccc}-\frac{a}{2},& -\frac{l}{2},& \frac{a}{2}\end{array}\right),& D\left(\begin{array}{ccc}\frac{a}{2},& -\frac{l}{2},& \frac{a}{2}\end{array}\right)\end{array}$

$\begin{array}{cccc}E\left(\begin{array}{ccc}0,& 0,& -\frac{b}{2}\end{array}\right),& F\left(\begin{array}{ccc}-\frac{b}{2},& 0,& 0\end{array}\right),& G\left(\begin{array}{ccc}0,& 0,& \frac{b}{2}\end{array}\right),& H\left(\begin{array}{ccc}\frac{b}{2},& 0,& 0\end{array}\right)\end{array}$

$\begin{array}{cccc}I\left(\begin{array}{ccc}\frac{a}{2},& \frac{l}{2},& -\frac{a}{2}\end{array}\right),& J\left(\begin{array}{ccc}-\frac{a}{2},& \frac{l}{2},& -\frac{a}{2}\end{array}\right),& K\left(\begin{array}{ccc}-\frac{a}{2},& \frac{l}{2},& \frac{a}{2}\end{array}\right),& L\left(\begin{array}{ccc}\frac{a}{2},& \frac{l}{2},& \frac{a}{2}\end{array}\right)\end{array}$

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，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等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种外套管约束折叠钢板耗能支撑，其特征在于，该耗能支撑包括外套管(1)、设置在所述外套管(1)内的芯筒(4)、设置在所述芯筒(4)两侧筒口的端头承压板(3)、设置在外套管(1)两侧端部的外套管封板(2)，所述端头承压板(3)上连接有穿过外套管封板(2)的十字节点板(5)，所述芯筒(4)由多个耗能单元依次连接而成，所述耗能单元包括4n个异面三角形，其中2n个为第一类三角形，2n个为第二类三角形，每两个第一类三角形顶角连接设置，构成一个分组，每两个第二类三角形底边连接设置，构成一个分组，第一类三角形分组与第二类三角形分组相邻连接，拼接成一个筒状构件，n为耗能单元端面多边边形边数，且n≥3。

2.根据权利要求1所述的外套管约束折叠钢板耗能支撑，其特征在于，所述外套管封板(2)上设置有与十字节点板(5)对应的“十”字型缝。

3.根据权利要求1或2所述的外套管约束折叠钢板耗能支撑，其特征在于，所述端头承压板(3)的尺寸与芯筒(4)的筒口尺寸相同。

4.根据权利要求1或2所述的外套管约束折叠钢板耗能支撑，其特征在于，所述外套管(1)内壁与芯筒(4)之间有间隙，其中填充有无粘结材料(6)。

5.根据权利要求1或2所述的外套管约束折叠钢板耗能支撑，其特征在于，所述十字节点板(5)上焊接有竖向的加劲肋(7)。