CN105714952A - 竹形屈曲约束支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竹形屈曲约束支撑，包括核心部件、外约束部件和增强连接部件；所述核心部件由多个圆形消能段和圆形弹性段沿纵向同轴线相间设置构成，圆形弹性段包括多个中间弹性段和两个端部弹性段，圆形消能段截面面积小于圆形弹性段；所述核心部件位于所述外约束部件内部；所述增强连接部件由节点段、连接段和加强筒构成。本发明竹形屈曲约束支撑各圆形消能段长度较短，在轴力作用下只屈服不屈曲，无需填充砂浆或者增加多余部件对其进行约束，而且圆形消能段截面面积相对于圆形弹性段较小，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圆套管，其构造简单、方便加工、自重较轻。

Description

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、美国等多震的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***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，是一种较为理想的抗震耗能方式。

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，此外屈曲约束支撑核心部件端部存在无约束区域，端部会发生明显转动从而影响支撑的整体稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了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及对性能的影响、圆形棒式芯杆屈曲约束支撑的约束部件构造复杂等问题，提出了一种竹形屈曲约束支撑。

本发明采用的技术方案为：一种竹形屈曲约束支撑，包括核心部件、外约束部件和增强连接部件；

所述核心部件由多个圆形消能段和圆形弹性段沿纵向同轴线相间设置构成，圆形弹性段包括多个中间弹性段和两个端部弹性段，圆形消能段截面面积小于圆形弹性段；

所述核心部件位于所述外约束部件内部，核心部件圆形弹性段四周与外约束部件内侧紧贴或者相切，圆形消能段与外约束部件之间存在空隙；

所述增强连接部件由节点段、连接段和加强筒构成，所述节点段将支撑与结构中的节点板相连，连接段与核心部件的端部弹性段固结，加强筒包裹约束部件，且加强筒的内侧与约束部件外侧紧贴。

作为优选，所述圆形消能段由圆形弹性段沿四周切削形成。

作为优选，所述核心部件圆形弹性段的横截面面积至少为圆形消能段的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***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***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，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，本发明技术方案中，核心部件圆形弹性段的横截面面积至少为圆形消能段的1.6倍，可保证圆形弹性段的屈服承载力大于支撑最大承载力，圆形弹性段在荷载作用下可始终保持弹性。

作为优选，所述核心部件多个圆形消能段的长度从两端往中间逐渐增加。

屈曲约束支撑的核心部件和约束部件之间由于接触产生摩擦，使得核心部件杆轴力由两端往中部逐渐减小，因此，圆形消能段的长度从两端往中间可适当增加。

作为优选，所述核心部件单个圆形钢消能段的长度不超过其半径8倍。

本发明规定竹形屈曲约束支撑的圆形弹性段，只发生屈服而不发生屈曲，因此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为核心部件材料的切线模量，I为圆形屈服段的截面惯性矩，l为单个圆形屈服段的长度，w为支撑超强系数，σ_y为支撑材料屈服应力，A为圆形屈服段面积。由上式可知，屈曲约束支撑的l的最大值和材料屈服强度σ_y成反比，屈曲约束支撑核心部件通常采用采用的材料为Q235、Q345等，代入相关参数经验值以及半径圆形屈服段半径r，可得：

l≤8.4r

故规定单个圆形消能段的长度不超过其半径8倍。

本发明核心部件圆形弹性段四周与外约束部件内侧紧贴或者相切，约束部件可控制核心部件圆形弹性段侧向变形，从而达到抑制屈曲约束支撑整体失稳的效果，同时圆形消能段长度较短，单个圆形消能段的长度不超过其半径8倍，因此不会发生单个圆形消能段内的整体失稳。

本发明具有以下有益效果：

1.传统两端铰接的屈曲约束支撑会由于端部转动降低屈曲约束支撑的整体稳定性能，而竹形屈曲约束支撑在结合自身特点的基础上，提出增强连接部件，通过设有加强筒并布置在外约束部件***，从而限制核心部件端部转动，增强屈曲约束支撑的稳定性。

2.相对于传统两端铰接的屈曲约束支撑，竹形屈曲约束支撑增强连接部件中设置有加强筒，由于加强筒具有较大刚度，可看做刚体，支撑的整体稳定计算长度会减小，支撑的稳定承载力显著增强。

3.竹形屈曲约束支撑核心部件由多个圆形消能段和圆形弹性段沿纵向相间分布构成，各圆形消能段长度较短，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。

4.竹形屈曲约束支撑核心部件的圆形消能段截面面积相对于圆形弹性段较小，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圆套管，使得屈曲约束支撑构造简单且自重较轻，方便安装。

5.竹形屈曲约束支撑核心部件的圆形弹性段横截面面积至少为圆形消能段的1.6倍，1.6约为核心部件屈服后的超强系数，因此圆形弹性段始终保持弹性，对比传统屈曲约束支撑需在核心部件无约束区域设置加劲肋来保证其稳定性，本发明圆形弹性段的端部弹性段虽然有部分区域处于无约束状态，但不会发生局部失稳，构造更简单。

6.采用全钢***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。

7.由于摩擦力存在，屈曲约束支撑核心部件端部轴力大于中部轴力，根据各圆形消能段所承受的轴力确定其所需稳定承载力，使核心部件多个圆形消能段的长度从两端往中间逐渐增加，可充分利用材料。

附图说明

图1是竹形屈曲约束支撑核心部件示意图；

图2是本发明实施例1的竹形屈曲约束支撑核心部件及连接增强部件示意图；

图3是本发明实施例1的竹形屈曲约束支撑示意图；

图4是本发明实施例1的竹形屈曲约束支撑剖面图；

图5是本发明实施例1的竹形屈曲约束支撑连接增强部件示意图；

图6是本发明实施例1的竹形屈曲约束支撑连接增强部件剖面图；

图7是本发明实施例1的外约束部件和核心部件横截面图；

图8是本发明实施例2的竹形屈曲约束支撑核心部件平视图；

图9是竹形屈曲约束支撑中不设置加强筒时受压变形示意图；

图10是竹形屈曲约束支撑中设置加强筒时受压变形示意图。

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1～7所示：一种竹形屈曲约束支撑，包括核心部件1、外约束部件2和增强连接部件3，核心部件1由多个圆形消能段1-1和圆形弹性段1-2沿纵向相间分布构成，圆形消能段1-1和圆形弹性段1-2共轴线，圆形消能段1-1截面面积小于圆形弹性段1-2，由圆形弹性段1-2沿四周切削形成，核心部件1位于所述外约束部件2内部，核心部件圆形弹性段1-2四周与外约束部件2内侧紧贴或者相切，圆形弹性段1-2由不直接相连的多个中间弹性段1-2-1和两个端部弹性段1-2-2组成，圆形消能段1-1与外约束部件2之间存在较大空隙，大于圆形弹性段1-2与外约束部件2之间的间隙，所述增强连接部件3由节点段3-1、连接段3-2和加强筒3-3构成，所述节点段3-1将支撑与结构中的节点板相连，连接段3-2与端部弹性段1-2-2固结，加强筒3-3内侧位于约束部件2的***，并与约束部件2外侧紧贴。

核心部件的圆形弹性段1-2的横截面面积至少为圆形消能段1-1的1.6倍。

实施例2

如图8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多个圆形消能段1-1的长度从两端往中间逐渐增加。

核心部件的单个圆形消能段1-1的长度不超过其半径8倍。

如图9和10所示，为竹形屈曲约束支撑中不设置和设置加强筒时受压变形示意图。若增强连接部件中不设置加强筒(如图9所示)，核心部件端部弹性段在轴力产生的端部弯矩作用下可能发生屈服，产生塑性铰和显著转角α，从而会放大端部弯矩的作用，严重降低支撑的整体稳定性。增强连接部件中设置加强筒后(如图10所示)，由于加强筒具有很大刚度，可看做刚体，支撑的整体稳定计算长度L会减小，支撑的稳定承载力显著增强；此外支撑端部发生转动时，加强筒和约束部件之间发生接触，可以限制核心部件端部弹性段的转动，避免了塑性铰的产生，降低了端部弯矩对支撑整体稳定的不利影响。

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、外约束部件和增强连接部件；

所述核心部件由多个圆形消能段和圆形弹性段沿纵向同轴线相间设置构成，圆形弹性段包括多个中间弹性段和两个端部弹性段，圆形消能段截面面积小于圆形弹性段；

所述核心部件位于所述外约束部件内部，核心部件圆形弹性段四周与外约束部件内侧紧贴或者相切，圆形消能段与外约束部件之间存在空隙；

所述增强连接部件由节点段、连接段和加强筒构成，所述节点段将支撑与结构中的节点板相连，连接段与核心部件的端部弹性段固结，加强筒包裹约束部件，且加强筒的内侧与约束部件外侧紧贴。

2.根据权利要求1所述的竹形屈曲约束支撑，其特征在于：所述圆形消能段由圆形弹性段沿四周切削形成。

3.根据权利要求1所述的竹形屈曲约束支撑，其特征在于：所述核心部件圆形弹性段的横截面面积至少为圆形消能段的1.6倍。

4.根据权利要求1所述的竹形屈曲约束支撑，其特征在于：所述核心部件多个圆形消能段的长度从两端往中间逐渐增加。

5.根据权利要求1所述的竹形屈曲约束支撑，其特征在于：所述核心部件单个圆形钢消能段的长度不超过其半径8倍。