CN109372144B - 具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，属于建筑结构技术和结构抗震减震领域。该结构体系包括直板核心单元，小波弯板核心单元，大波弯板核心单元，加劲肋，限位卡，十字形钢管，水泥乳化沥青砂浆，方端板，铰接接头，节点板和锚板等。该支撑核心单元包括一个直板核心单元、两个小波弯板核心单元和两个大波弯板核心单元。十字形钢管作为约束单元，约束单元与核心单元之间填充水泥乳化沥青砂浆。支撑通过铰接接头与主体结构上的节点板相连。本发明实现了屈曲约束支撑多段屈服，保证了其在大中小震下均有较好的耗能表现，且核心单元具有良好的疲劳性能，不易拉断，新型填充材料可以为核心单元提供更稳定的约束功能。

Description

具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑
技术领域
本发明涉及具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，属于新型建筑结构技术和结构抗震减震领域。
背景技术
传统框架结构往往存在抗侧刚度不足的缺陷，因此，框架结构常辅以斜向支撑来提高其抗侧能力，从而形成了支撑-框架结构体系。相比于框架结构，支撑-框架结构体系具有更高的抗侧承载力，但前提条件是支撑在受压时不发生屈曲失稳，由此屈曲约束支撑应运而生。屈曲约束支撑在核心单元***设置约束单元，限制支撑受压时核心单元屈曲发展，保证其充分发挥材料特性，给主体结构提供充足的刚度，同时，核心单元屈服后产生塑性变形，耗散地震带来的能量，所以，屈曲约束支撑通常同时具有支撑和金属阻尼器的双重作用，在实际工程中倍受青睐。
目前，实际工程当中采用的屈曲约束支撑普遍可以在大震下发挥耗能作用，但由于核心单元屈服力偏高，中小震下核心单元难以进入塑性阶段，屈曲约束支撑无法发挥金属阻尼器的耗能作用，主体结构往往通过梁柱变形损伤抵抗地震作用，同时，当前普遍采用的屈曲约束支撑大幅度提高了主体结构的抗侧刚度，导致主体结构遭受更大的地震作用，这无疑是屈曲约束支撑带来的副作用。有鉴于此，屈曲约束支撑的屈服力和轴向刚度有待调整和优化。
为了改进传统屈曲约束支撑的不足，本发明提出采用低屈服点钢作为核心单元的材料，同时，将弯曲程度不同的多波式芯板作为组合式核心单元。低屈服点钢与普通结构钢不同，显著特点是屈服强度低，目前，低屈服点钢的屈服强度主要包括三种：100MPa、160MPa和225MPa，并且具有较强的塑性变形能力，同时具有强度偏差小、延性好、低周疲劳性能优越等优点。低屈服点钢主要用于制作金属消能阻尼器，凭借其低屈服点、优越的延性及良好的疲劳性能，保证金属消能阻尼器在地震作用下稳定往复塑性变形，吸收大量地震能量，有效减小主体结构变形损伤，保护其安全。核心单元采用多波式弯板，弯板用于屈曲约束支撑，与普通直板相比，屈服力更低，轴向刚度更小，低周疲劳性能更稳定，同时，多波式弯板支撑的弯曲程度可以决定屈服力的大小，采用不同弯曲程度的弯板支撑可以实现多段屈服，保证屈曲约束支撑在大中小震下均有良好的耗能表现。
传统屈曲约束支撑约束单元与核心单元之间通常填充砂浆，由于砂浆具有较强脆性，其容易在支撑受压时被核心单元压碎。水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)系由水泥、乳化沥青、砂、水和适量添加剂等组分组成，并由水泥水化产物与沥青共同作为胶凝基体将砂子骨料胶结而形成的一种粘弹性有机－无机复合材料，具有优越的支撑、缓冲、调整和协调的作用。采用水泥乳化沥青砂浆作为屈曲约束支撑的填充材料，可以有效避免填充材料被压碎，从而稳定发挥对核心单元的约束作用。
本发明提出的具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，核心单元采用弯曲程度不同的多波式弯板，弯板由低屈服点钢制成，约束单元与核心单元之间的填充材料采用水泥乳化沥青砂浆，确保屈曲约束支撑可以在大中小震下稳定得给主体结构提供抗侧刚度并耗散地震带来的能量。
发明内容
本发明的目的是提供具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，支撑在地震作用下多段屈服，首段屈服力较低，保证其在大中小震下均有稳定的耗能表现，并且核心单元低周疲劳性能良好，约束单元和核心单元之间的填充材料支撑性能稳定。本发明核心单元包括直板核心单元、小波弯板核心单元和大波弯板核心单元。两种弯板核心单元仅在纵向对称平面内存在弯曲，且弯曲程度不同。核心单元材料可为低屈服点钢。不同类型的核心单元因弯曲程度不同而具有不同的屈服力，在地震作用下可实现多段屈服，显著改善传统屈曲约束支撑中小震下难以耗能的不足，且耗能充分。此外，本发明填充材料采用水泥乳化沥青砂浆，该材料具有优越的围护和缓冲性能，对核心单元提供更稳定的约束作用。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，该屈曲约束支撑包括核心单元，加劲肋4，限位卡5，十字形钢管6，水泥乳化沥青砂浆7，方端板8，铰接接头9，节点板10和锚板11。核心单元分为直板核心单元1和弯板核心单元，弯板核心单元包括小波弯板核心单元2，大波弯板核心单元3；一个直板核心单元1、两个小波弯板核心单元2和两个大波弯板核心单元3与方端板8整体预制，直板核心单元1与方端板8平面几何中心相连，两个小波弯板核心单元2分别位于直板核心单元1的上下两侧，两个大波弯板核心单元3分别位于直板核心单元1的左右两侧。加劲肋4位于核心单元两端，限位卡5位于直板核心单元1上，用于限制核心单元和约束单元之间发生相对轴向位移。十字形钢管6为约束单元，水泥乳化沥青砂浆7为核心单元和约束单元之间的填充材料。支撑通过铰接接头9与节点板10连接，节点板10通过锚板11与主体结构相连。
弯板核心单元的作用在于降低屈曲约束支撑的屈服强度，改善传统屈曲约束支撑中小震下难以耗能的缺陷，使其更容易进入塑性阶段，耗散地震能量，同时降低支撑的轴向拉压刚度，减轻因支撑刚度过大导致主体结构遭受地震力增大的副作用。弯板核心单元的材料为低屈服点钢，半波数不少于一个，半波的弦长与弧长之比大于0.1且小于1，半波中点高度不大于50mm。核心单元与水泥乳化沥青砂浆7之间涂有硅胶板作为无粘结材料，厚度取1-5mm。
屈曲约束支撑包括多组弯曲程度不同的曲板核心单元，每组曲板核心关于方端板8平面内几何中心对称，防止弯板核心单元关于几何中心不对称屈服导致方端板8发生扭转。
核心单元的材料若采用低屈服点钢，屈服强度不大于230MPa，抗拉强度200MPa-400MPa，伸长率大于40％；核心单元的材料若采用普通钢材，屈服强度不大于400MPa，抗拉强度不大于530MPa，伸长率不低于16％。
约束单元设置隔断，隔断的个数与核心单元数匹配，约束单元和核心单元之间的水泥乳化沥青砂浆7留有供加劲肋活动的凹槽，与直板核心单元1对应的隔断中的水泥乳化沥青砂浆7留有与限位卡5对应的孔洞。
支撑的铰接接头9与节点板10通过螺栓铰接，锚板11锚固在主体结构中，以此实现支撑与主体结构之间的连接。
约束单元和核心单元之间的填充材料水泥乳化沥青砂浆7的屈服强度不低于3MPa，且不高于10MPa。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)本发明涉及的屈曲约束支撑不同于传统屈曲约束支撑，采用低屈服点钢制成的不同弯曲程度的核心单元，多波式核心单元可以有效降低支撑屈服力，使支撑在中小震下发挥耗能作用，同时，多波式核心单元具有更低的轴向拉压刚度，避免给主体结构提高侧向刚度而带来过大的地震作用。
(2)多波式核心单元的弯曲程度可以决定屈曲约束支撑的屈服力，从而使支撑的屈服力可控，并且可以通过采用不同弯曲程度的核心单元达到多段屈服的效果。
(3)多波式核心单元相比传统直板核心单元，在低周往复荷载作用下的应变幅值更小，即具有更稳定的低周疲劳性能，屈曲约束支撑在地震作用下更不易发生断裂等疲劳破坏。
(4)传统屈曲约束支撑约束单元和核心单元之间的填充材料采用普通砂浆，普通砂浆具有较强的脆性，新型屈曲约束支撑填充材料采用水泥乳化沥青砂浆，其具有优越的支撑、缓冲、调整和协调的作用，使约束单元可以更稳定得约束核心单元。
附图说明
图1为本发明的分解示意图。
图2为本发明的立体示意图。
图3为本发明的侧视图。
图4为本发明的剖面图。
图5为本发明中的直板核心单元1侧视图。
图6为本发明中的小波弯板核心单元2侧视图。
图7为本发明中的大波弯板核心单元3侧视图。
图8为应用本发明的复合减震体系多段屈服示意图。
图中：1－直板核心单元、2－小波弯板核心单元、3－大波弯板核心单元、4－加劲肋、5－限位卡、6－十字形钢管、7－水泥乳化沥青砂浆、8－方端板、9－铰接接头、10－节点板、11－锚板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，核心单元采用五个弯曲程度不同的芯板，包括一个直板核心单元1，两个小波弯板核心单元2，两个大波弯板核心单元3，核心单元两端与方端板8连接，直板核心单元1位于方端板8的平面几何中心，两个小波弯板核心单元2位于直板核心单元1的上下两侧，两个大波弯板核心单元3位于直板核心单元1的左右两侧。核心单元外套十字形钢管6，十字形钢管6带有五个隔断，隔断与核心单元一一对应，约束单元与核心单元之间设有水泥乳化沥青砂浆7，水泥乳化沥青砂浆7留有供加劲肋4活动的凹槽，核心单元外层包裹硅胶板，厚度取2mm。支撑通过铰接接头9与主体结构上的节点板10相连，节点板10上的锚板11锚固在主体结构上。
直板核心单元1、小波弯板核心单元2和大波弯板核心单元3采用LY100型号低屈服点钢。三种核心单元轴向长度均为3000mm，截面尺寸均为80mm×10mm，小波弯板核心单元2半波中点高度8mm，弦长140mm，屈服强度50MPa，大波弯板核心单元3半波中点高度12mm，弦长140mm，屈服强度35MPa，直板核心单元1屈服强度100MPa，从而实现三段屈服。十字形钢管6、方端板8、铰接接头9和节点板10采用Q420型号钢材。
新型屈曲约束支撑的制作工艺为：将核心单元整体预制成型，焊接加劲肋4，包裹硅胶板，***十字形钢管6，填充水泥乳化沥青砂浆7，将核心单元与方端板8焊接。
经过有限元弹塑性时程分析，传统屈曲约束支撑在小震下位移减震率为-5.3％，中震下6.2％，大震下18.6％，新型屈曲约束支撑小震下位移减震率8.21％，中震下15.8％，大震下22.5％。传统屈曲约束支撑由于在小震下难以耗能，而且会增大主体结构刚度，带来更大的地震作用，减震率有时呈负值，而新型屈曲约束支撑在中小震下则有较好表现。
以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (7)

1.具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，其特征在于：该屈曲约束支撑包括核心单元，加劲肋(4)，限位卡(5)，十字形钢管(6)，水泥乳化沥青砂浆(7)，方端板(8)，铰接接头(9)，节点板(10)和锚板(11)；核心单元分为直板核心单元(1)和弯板核心单元，弯板核心单元包括小波弯板核心单元(2)，大波弯板核心单元(3)；一个直板核心单元(1)、两个小波弯板核心单元(2)和两个大波弯板核心单元(3)与方端板(8)整体预制，直板核心单元(1)与方端板(8)平面几何中心相连，两个小波弯板核心单元(2)分别位于直板核心单元(1)的上下两侧，两个大波弯板核心单元(3)分别位于直板核心单元(1)的左右两侧；加劲肋(4)位于核心单元两端，限位卡(5)位于直板核心单元(1)上，用于限制核心单元和约束单元之间发生相对轴向位移；十字形钢管(6)为约束单元，水泥乳化沥青砂浆(7)为核心单元和约束单元之间的填充材料；支撑通过铰接接头(9)与节点板(10)连接，节点板(10)通过锚板(11)与主体结构相连。
2.根据权利要求1所述的具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，其特征在于：弯板核心单元的材料为低屈服点钢，半波数不少于一个，半波的弦长与弧长之比大于0.1且小于1，半波中点高度不大于50mm；核心单元与水泥乳化沥青砂浆(7)之间涂有硅胶板作为无粘结材料，厚度取1-5mm。
3.根据权利要求1所述的具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，其特征在于：屈曲约束支撑包括多组弯曲程度不同的曲板核心单元，每组曲板核心单元关于方端板(8)平面内几何中心对称，防止曲板核心单元关于几何中心不对称屈服导致方端板(8)发生扭转。
4.根据权利要求1所述的具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，其特征在于：核心单元的材料若采用低屈服点钢，屈服强度不大于230MPa，抗拉强度200MPa-400MPa，伸长率大于40％；核心单元的材料若采用普通钢材，屈服强度不大于400MPa，抗拉强度不大于530MPa，伸长率不低于16％。
5.根据权利要求1所述的具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，其特征在于：约束单元设置隔断，隔断的个数与核心单元数匹配，约束单元和核心单元之间的水泥乳化沥青砂浆(7)留有供加劲肋活动的凹槽，与直板核心单元(1)对应的隔断中的水泥乳化沥青砂浆(7)留有与限位卡(5)对应的孔洞。
6.根据权利要求1所述的具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，其特征在于：支撑的铰接接头(9)与节点板(10)通过螺栓铰接，锚板(11)锚固在主体结构中，以此实现支撑与主体结构之间的连接。
7.根据权利要求1所述的具有多屈服段及多波式核心单元的组合式屈曲约束支撑，其特征在于：约束单元和核心单元之间的填充材料水泥乳化沥青砂浆(7)的屈服强度不低于3MPa，且不高于10MPa。
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