一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件的制作方法
【專利摘要】一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件，屬于防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件【技術(shù)領(lǐng)域】，工字形鋼芯從兩端到中間依次為非變截面段a、截面縮小段b以及連接段c，截面縮小段b分別靠近外約束鋼管的兩端，限位槽對應(yīng)截面縮小段b，限位槽處焊接有T形截面擋板，工字形鋼芯截面縮小段b以60°坡角內(nèi)縮，T形截面擋板插入限位槽腹板與截面縮小段的十字形鋼芯平行，T形截面擋板的腹板與工字形鋼芯截面內(nèi)縮處留有空隙。受力時(shí)，鋼芯首先耗能屈服，鋼芯屈服變形受到外鋼管的內(nèi)置擋板限制時(shí)，外鋼管與屈服后鋼芯共同參與受力。外鋼管剛度較大，加之屈服后鋼芯的剛度能夠有效限制鋼芯屈服后結(jié)構(gòu)整體的側(cè)移，達(dá)到限位的效果。
【專利說明】一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種工程結(jié)構(gòu)抗震耗能及限位的支撐構(gòu)件，尤其是一種鋼芯為變截面工字形、外約束套管為內(nèi)設(shè)擋板式的防屈曲耗能支撐構(gòu)件。防屈曲支撐受力時(shí)，局部縮小尺寸的鋼芯首先屈服耗能，變形達(dá)到一定程度鋼芯被外鋼管內(nèi)置的擋板約束，由此帶動(dòng)外鋼管參與后期的限位工作。
【背景技術(shù)】
[0002]屈曲約束支撐又稱防屈曲支撐或BRB (Buckling restrained brace),產(chǎn)品技術(shù)最早發(fā)展于1973年的日本，當(dāng)時(shí)的一批日本學(xué)者成功研發(fā)了最早的墻板式防屈曲耗能支撐，并對其進(jìn)行了加入不同無粘結(jié)材料的拉壓試驗(yàn)；1994年北嶺地震后，美國也開始對放屈曲支撐體系進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)研究和大比例試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算分析了該支撐體系較其他支撐體系的優(yōu)點(diǎn)。防屈曲支撐由支撐鋼芯、外圍約束構(gòu)件組成，可為框架或排架結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度和承載力，采用支撐的結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。兩者之間通常設(shè)置有無粘結(jié)材料或適當(dāng)?shù)拈g隙以釋放支撐鋼芯受壓時(shí)所產(chǎn)生的膨脹變形。外套筒和填充材料僅約束鋼芯受壓屈曲，使鋼芯在受拉和受壓下均能進(jìn)入屈服，因而，防屈曲約束支撐的滯回性能優(yōu)良。
[0003]傳統(tǒng)的防屈曲支撐構(gòu)件具有以下特點(diǎn):僅鋼芯與結(jié)構(gòu)構(gòu)件相連，荷載完全由鋼芯承擔(dān)，外鋼管和填充材料僅約束鋼芯受壓屈曲，防止鋼芯受壓失穩(wěn)，使鋼芯在受拉和受壓下均能進(jìn)入屈服。即僅考慮鋼芯一個(gè)耗能核心，忽略了外約束套筒的軸向剛度貢獻(xiàn)。目前研究開發(fā)的防屈曲支撐主要著重提高其耗能能力，對防屈曲支撐的限位作用研究較少。鑒于此，我們將著力提出一種應(yīng)用外鋼管剛度和屈服后鋼芯剛度進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移控制的新型防屈曲支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種變截面防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件，要解決現(xiàn)有防屈曲支撐沒有位移控制裝置的問題。外約束鋼管采用內(nèi)設(shè)擋板的方形鋼管，鋼芯采用變截面設(shè)計(jì)與外約束鋼管的限位槽相嵌合，從而在鋼芯屈服后利用外約束鋼管的軸向剛度達(dá)到限位的目標(biāo)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件，由工字形鋼芯和外約束鋼管組成，工字形鋼芯位于外約束鋼管內(nèi)部，外約束鋼管與工字形鋼芯形成的兩個(gè)長方形區(qū)域內(nèi)填充兩個(gè)長方形薄壁型鋼鋼管混凝土，其特征在于，所述工字形鋼芯從兩端到中間依次為連接段a、截面縮小段b以及非變截面段C，非變截面段c位于兩截面縮小段b之間，截面縮小段b分別靠近外約束鋼管的兩端，所述外約束鋼管是2面開有限位槽的方鋼管，限位槽對應(yīng)截面縮小段b，限位槽處焊接有T形截面擋板，T形截面擋板的翼緣焊接在外約束鋼管的外表面，腹板垂直插入限位槽，工字形鋼芯截面縮小段b兩端以60°坡角縮小，T形截面擋板插入限位槽的腹板與截面縮小段的工字形鋼芯端部平行，即同樣具有60°坡角。T形截面擋板插入限位槽腹板的軸向截面為梯形，且與工字形鋼芯截面內(nèi)縮處留有空隙。
[0007]所述外約束鋼管的邊長大于工字形鋼芯非變截面段寬度，外約束鋼管、工字形鋼芯及長方形薄壁型鋼鋼管混凝土之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料層。限位槽位于距離外約束鋼管端部1/12長度e處，開槽長度d為1/6外約束鋼管的長度，同時(shí)也是T形雙角鋼擋板的長度。所設(shè)焊接雙角鋼T形擋板由限位槽外側(cè)插入槽孔并且焊接在外鋼管上。插入槽孔的T形擋板腹板的縱向兩端分別以60°的坡角縮小，由此T形擋板的縱向截面為梯形。所述芯材為內(nèi)縮式變截面芯材，于設(shè)置擋板處以60°的坡角局部縮小截面，由此雙角鋼焊接T形擋板內(nèi)縮截面與工字形鋼芯內(nèi)縮截面相互平行，T形截面擋板插入限位槽的腹板與工字形鋼芯截面內(nèi)縮處留有一定縫隙。
[0008]所述工字形鋼芯由屈服工作段、截面局部縮小段、連接段組成，截面局部縮小處b對應(yīng)外約束鋼管的限位槽位置，且縱向長度應(yīng)大于焊接T形擋板的縱向長度，考慮包括鋼芯屈服時(shí)的受拉、受壓變形和設(shè)計(jì)此消能限位體系的控制位移量，根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中彈塑性層間位移角的限制要求規(guī)定其最大距離差。防屈曲支撐受力時(shí)，鋼芯首先耗能屈月艮，鋼芯屈服變形受到外鋼管的內(nèi)置擋板限制時(shí)，外鋼管與屈服后鋼芯共同參與受力。并且外鋼管剛度較大，加之屈服后鋼芯的剛度能夠有效限制鋼芯屈服后結(jié)構(gòu)整體的側(cè)移，達(dá)到限位的效果。
[0009]所述外約束鋼管截面形式可以是方形、圓形。
[0010]根據(jù)以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和有益效果。
[0011]性能優(yōu)越:本發(fā)明的耗能能力為鋼芯的屈服強(qiáng)度，而結(jié)構(gòu)位移則由外約束鋼管的剛度和屈服后鋼芯的剛度共同控制，充分利用了外約束鋼管的軸向剛度。
[0012]取材方便:本發(fā)明采用的鋼材來源廣泛，規(guī)格齊全，購買方便。
[0013]傳力明確:鋼芯屈服后，外約束鋼管的軸向剛度作為支撐體系的附加剛度有利于限制結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移，實(shí)現(xiàn)限位功能。
[0014]本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于建筑物的耗能減震及限位控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，即縱向剖面圖。
[0016]圖2為圖1A-A處剖面圖，即A-A徑向剖面圖。
[0017]圖3為圖1B-B處剖面圖，即B-B徑向剖面圖。
[0018]附圖標(biāo)記:1-鋼芯、2-外約束套管、3-薄壁型鋼鋼管混凝土、4-T形擋板、5-鋼芯與外鋼管之間無粘結(jié)材料、a-非變截面段長度、b-鋼芯截面局部縮小段長度、C-連接段長度、d-內(nèi)設(shè)T字形擋板長度、e-槽孔端部距離鋼管端部的長度。
【具體實(shí)施方式】
[0019]如圖1所示，一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件，由工字形耗能鋼芯(I)和外約束鋼管(2)組成，外鋼管尺寸300 X 300_。所述工字形耗能鋼芯(I)包括非變截面段a、截面局部縮小段b、連接段C。所述工字形鋼芯(I)與外約束鋼管(2)之間形成2個(gè)長方形空間放置2個(gè)薄壁型鋼鋼管混凝土(3)。所述外約束鋼管(2)是2面開槽的方鋼管，且外約束鋼管(2)的直徑略大于芯材(I)非變截面段直徑約10mm，外約束鋼管(2)和芯材(I)之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料層(5)。距離外約束鋼管(2) 1/12長度e的一對對邊鋼板端部位置開設(shè)槽孔，另一對邊不做處理。開槽長度d為1/6外約束鋼管的長度，同時(shí)也是焊接雙角鋼T形擋板(4)的長度。所設(shè)擋板(4)由兩角鋼焊接而成，T形擋板由外側(cè)插入槽孔并且焊接在外鋼管上。插入槽孔的T形擋板縱向兩端分別以60°的坡角內(nèi)縮，由此T形擋板的縱向截面為梯形。所述芯材(I)為內(nèi)縮式變截面芯材，于設(shè)置擋板(4)處以60°的坡角局部縮小截面，由此雙角鋼焊接T形擋板內(nèi)縮截面與工字形鋼芯內(nèi)縮截面相互平行，工字形鋼芯截面徑向內(nèi)縮的長度約為30mm，擋板穿入槽孔至鋼芯截面內(nèi)縮處并留有約5_的縫隙；工字形鋼芯截面局部縮小段的縱向長度應(yīng)大于T形擋板的縱向長度，考慮包括鋼芯(I)屈服時(shí)的受拉、受壓變形和設(shè)計(jì)此消能限位體系的控制位移量，根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中彈塑性層間位移角的限制要求規(guī)定其最大距離差。防屈曲支撐受力時(shí)，鋼芯(I)首先耗能屈服，鋼芯(I)屈服變形受到外鋼管(2)的內(nèi)置擋板限制時(shí)，外鋼管
(2)與屈服后鋼芯(I)共同參與受力。并且外鋼管(2)剛度較大，加之屈服后鋼芯(I)的剛度能夠有效限制鋼芯屈服后結(jié)構(gòu)整體的側(cè)移，達(dá)到限位的效果。
[0020]除上述示例之外，鋼芯(I)的截面形式還可以是H形截面。
[0021]如圖2所示，外約束鋼管(2)是2面開槽的方鋼管，且外約束鋼管(2)的邊長略大于芯材(I)非變截面段寬度約10_，鋼管內(nèi)設(shè)擋板處局部縮小鋼芯尺寸，外約束鋼管(2)和鋼芯(I)之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料層(5 )。
[0022]如圖3所示，工字形鋼芯截面徑向內(nèi)縮的長度約為30mm，擋板穿入槽孔及鋼芯截面內(nèi)縮處并留有約5mm的縫隙，外約束鋼管(2)和鋼芯(I)之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料層(5)。
[0023]本發(fā)明所述變截面防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件的工作原理為:
[0024]外部荷載施加到防屈曲支撐，首先鋼芯承受外荷載直至屈服，變形達(dá)到一定程度受到內(nèi)擋板的約束時(shí)，外鋼管參與受荷。受壓狀態(tài)下，當(dāng)鋼芯屈服后鋼芯的壓縮變形達(dá)到內(nèi)擋板的極限時(shí)，即鋼芯向內(nèi)壓縮接觸到內(nèi)置擋板的端部時(shí)，外約束體在鋼芯的作用下貢獻(xiàn)軸向抗壓剛度，作為附加剛度限制結(jié)構(gòu)整體側(cè)移。受拉狀態(tài)下，直到鋼芯屈服的拉伸變形達(dá)到內(nèi)擋板的極限時(shí)，即鋼芯向外拉伸接觸到內(nèi)置擋板的端部時(shí)，外約束體在鋼芯的作用下貢獻(xiàn)軸向抗拉剛度，作為附加剛度限制結(jié)構(gòu)整體側(cè)移。此時(shí)鋼芯和外約束體作為一個(gè)整體共同承受外部荷載。此工作狀態(tài)表現(xiàn)在拉壓過程中的往復(fù)工作。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件，由工字形鋼芯和外約束鋼管組成，工字形鋼芯位于外約束鋼管內(nèi)部，外約束鋼管與工字形鋼芯形成的兩個(gè)長方形區(qū)域內(nèi)填充兩個(gè)長方形薄壁型鋼鋼管混凝土，其特征在于，所述工字形鋼芯從中間到兩端依次為非變截面段a、截面縮小段b以及連接段C，非變截面段a位于兩截面縮小段b之間，截面縮小段b分別靠近外約束鋼管的兩端，所述外約束鋼管是2面開有限位槽的方鋼管，限位槽對應(yīng)工字形截面縮小段b。限位槽處焊接有T形截面擋板，T形截面擋板的翼緣焊接在外約束鋼管的外表面，腹板垂直插入限位槽，工字形鋼芯截面縮小段b以60°坡角縮小，T形截面擋板的腹板與截面縮小段的工字形鋼芯端部平行，即擋板兩端同樣具有60°坡角。T形截面擋板的腹板縱向截面為梯形，且與工字形鋼芯截面內(nèi)縮處留有空隙。
2.按照權(quán)利要求1的一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件，其特征在于，外約束鋼管的邊長略大于工字形鋼芯非變截面段寬度。
3.按照權(quán)利要求1的一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件，其特征在于，T形截面擋板插入限位槽的腹板與工字形鋼芯截面內(nèi)縮處留有一定縫隙，外約束鋼管、工字形鋼芯及長方形薄壁型鋼鋼管混凝土之間的縫隙設(shè)置無粘結(jié)材料層。
4.按照權(quán)利要求1的一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件，其特征在于，限位槽距離外約束鋼管端部1/12長度e處，開槽長度d為1/6外約束鋼管的長度，同時(shí)也是T字型雙角鋼擋板的長度。
5.按照權(quán)利要求1的一種內(nèi)設(shè)擋板式鋼管工字形內(nèi)縮式變截面內(nèi)芯防屈曲限位耗能支撐構(gòu)件，其特征在于，外鋼管的截面形式可以是方形、圓形。
【文檔編號】E04B1/98GK103711222SQ201310745337
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】馬華, 張芳亮, 李漢杰, 高宇, 李振寶 申請人:北京工業(yè)大學(xué)