一種耗能元件及預應力免屈曲耗能支撐構件的制作方法
【專利摘要】一種耗能元件及預應力免屈曲耗能支撐構件。所述耗能支撐構件包括拉索支撐及耗能元件；拉索支撐由Ⅰ號拉索和Ⅱ號拉索對稱斜向布置而成；耗能元件沿軸向安置在拉索之間。其中耗能元件包括外筒、內(nèi)筒、彈簧和螺栓副；外筒為一端面設有中心孔，另一端面設有耳環(huán)，其余四面各設有至少一個通孔的六面空腔體；內(nèi)筒安置在外筒內(nèi)，由一段圓管和一段管徑遠大于圓管外徑的矩形鋼管構成，圓管的端頭從內(nèi)向外可滑動穿入在外筒設有中心孔中，端面設有耳環(huán)，矩形鋼管的四個面上對應外筒設有的通孔均設有腰形通孔；彈簧套裝在內(nèi)筒的圓管上；所述外筒與內(nèi)筒通過所述螺栓副連接為一體。本發(fā)明具有良好的耗能能力，能有效提高結(jié)構的抗側(cè)剛度，避免壓桿屈曲問題。
【專利說明】一種耗能元件及預應力免屈曲耗能支撐構件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于建筑結(jié)構【技術領域】，涉及一種建筑結(jié)構抗震減災的耗能元件及耗能支撐構件，更具體地說，是涉及一種耗能元件及預應力免屈曲耗能支撐構件。
【背景技術】
[0002]為提高框架結(jié)構的承載能力和側(cè)向剛度，增大結(jié)構建造高度，避免過多地加大梁柱截面及相應的用鋼量，以框架結(jié)構為基礎，沿結(jié)構高度布置一定數(shù)量的支撐所形成的框架-支撐結(jié)構是一種經(jīng)濟有效的常用抗側(cè)力結(jié)構體系。現(xiàn)有支撐主要有按照當前規(guī)范設計的普通支撐及防屈曲支撐。這兩種支撐存在以下問題:普通支撐容易受壓屈曲，其拉壓滯回反應明顯不對稱，大震時的往復荷載極易造成支撐本身和連接的失效或破壞，且屈曲后的滯回耗能能力變差，難以有效地消耗地震輸入的能量；防屈曲支撐采用雙線性滯回模型，滯回曲線飽滿，耗能能力強，但這種支撐體系在地震作用后，尤其是大震后，存在很大的殘余變形，使得加固修復比較困難，甚至無法修復，造成了經(jīng)濟損失并且影響使用；另外，對建筑結(jié)構的維修如果影響建筑使用，會對公眾心理帶來較大的沖擊，導致公眾對建筑的安全產(chǎn)生懷疑。
[0003]框架-支撐結(jié)構在地震或強風等水平往復荷載作用下，支撐構件要承受反復拉壓軸向力，但常規(guī)支撐的受壓穩(wěn)定承載力通常小于其抗拉承載力，受壓時容易屈曲，受壓屈曲后，其承載能力降低，剛度退化，導致在整個地震或風災過程中，無法提供穩(wěn)定的耗能能力；支撐構件受壓屈曲破壞，也將增大災后的維修費用。為此，發(fā)明人賀擁軍等提出了單向耗能支撐構件(ZL201320455039.3)，單向耗能支撐構件在結(jié)構各層中成對反向布置，當?shù)卣鸹蝻L往復作用使單向耗能支撐構件受壓時，通過與支撐垂直的拉桿裝置，使得單向耗能支撐構件承受的軸向壓力大大減小或消失，防止單向耗能支撐構件受壓屈曲，從而降低災后的維修費用。但是，僅受拉一側(cè)的支撐構件起作用，受壓一側(cè)的支撐構件不但沒起到耗能作用，連最基本的抗側(cè)作用都沒有，這也造成了極大的資源浪費。
[0004]隨著工程技術的不斷進步，以及材料工藝的發(fā)展，預應力拉索在建筑結(jié)構中的作用日益被工程技術人員所認識和掌握，預應力拉索的索材也日趨多樣化，有鋼絲繩索體、鋼絞線索體、鋼絲束索體和鋼拉桿索體，帶有預應力拉索的結(jié)構越來越多地應用在大跨度公共與工業(yè)建筑中。上海新國際博覽中心的展覽大廳及南京火車站候車大廳，均以預應力拉桿作為抗風支撐；發(fā)明人唐柏鑒等提出的一種預應力巨型支撐-框架結(jié)構(ZL20092023698.6)，將預應力拉索作為側(cè)向支撐應用到了普通鋼框架領域。研究表明，將大跨預應力拉索作為側(cè)向支撐，預應力為斜向布置的柔性拉索建立了軸向剛度和穩(wěn)定性，使預緊過的拉索既可承受拉力，也可承受壓力(只要預應力大于外部荷載引起的壓應力)，從而為結(jié)構提供彈性約束支撐，且無需考慮壓桿穩(wěn)定性問題。在地震和強風作用下，預應力拉索支撐中的內(nèi)力表現(xiàn)為受拉索拉力增大，受壓索拉力減小，由于拉索的高強度特性，受拉索雖然拉力增大，但仍處于彈性階段，受壓索則拉力減小，更是處于彈性階段。因此，必須指出，預應力拉索雖然可以作為側(cè)向支撐，為結(jié)構提供抗側(cè)剛度，但它不具有耗散地震和風災輸入建筑結(jié)構的能量的功能，這也正是目前預應力拉索支撐進一步突破和廣泛應用的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術存在的普通剛性支撐容易受壓屈曲而預應力拉索支撐又不具有耗散地震和風災輸入建筑結(jié)構的能量的功能的缺陷和技術問題，提供一種耗能元件及預應力免屈曲耗能支撐構件。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0007]—種耗能元件，包括外筒、內(nèi)筒、彈簧和螺栓副；所述外筒為一端面開設有中心孔，另一端面設置有第二耳環(huán)，其余四面靠近耳環(huán)端對稱設有至少一個通孔的六面空腔體；所述內(nèi)筒安置在所述外筒內(nèi)，由一段圓管和一段管徑遠大于圓管外徑的矩形鋼管相連接構成，所述圓管的端頭從內(nèi)向外可滑動穿入在所述外筒開設有中心孔中，端面還設置有第一耳環(huán)，所述矩形鋼管的四個面上對應所述外筒設有的通孔均設置有長徑沿軸向的腰形通孔；所述彈簧套裝在所述內(nèi)筒的圓管上，彈簧的一端抵擋在所述內(nèi)筒的矩形鋼管與圓管相連接的端面上，另一端抵擋在所述外筒開設有中心孔一端的內(nèi)端面上；所述外筒與內(nèi)筒通過所述螺栓副連接為一體。
[0008]作為本發(fā)明的優(yōu)選，上述所述內(nèi)筒的矩形鋼管的四個面上還設置有摩擦元件，所述的摩擦元件由粘彈性材料制成。
[0009]作為本發(fā)明的優(yōu)選，上述所述的通孔為4個，2個一組，偏離并平行軸線對稱設置。
[0010]作為本發(fā)明的優(yōu)選，上述所述的腰形通孔為2個，偏離并平行軸線對稱設置。
[0011]作為本發(fā)明的優(yōu)選，上述所述的連接為焊接。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選，上述所述的外筒為可裝配式結(jié)構。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的另一技術方案是:
[0014]一種包括耗能元件的預應力免屈曲耗能支撐構件，包括拉索支撐及耗能元件；所述拉索支撐由I號拉索和II號拉索對稱斜向布置而成，所述拉索包括上半拉索和下半拉索；所述耗能元件沿軸向安置，一端與所述上半拉索相連接，另一端與所述下半拉索相連接，并且所述耗能元件包括外筒、內(nèi)筒、彈簧和螺栓副；所述外筒為一端面開設有中心孔，另一端面設置有第二耳環(huán)，其余四面靠近耳環(huán)端對稱設有至少一個通孔的六面空腔體；所述內(nèi)筒安置在所述外筒內(nèi)，由一段圓管和一段管徑遠大于圓管外徑的矩形鋼管相連接構成，所述圓管的端頭從內(nèi)向外可滑動穿入在所述外筒開設有中心孔中，端面還設置有第一耳環(huán)，所述矩形鋼管的四個面上對應所述外筒設有的通孔均設置有長徑沿軸向的腰形通孔；所述彈簧套裝在所述內(nèi)筒的圓管上，彈簧的一端抵擋在所述內(nèi)筒的矩形鋼管與圓管相連接的端面上，另一端抵擋在所述外筒開設有中心孔一端的內(nèi)端面上；所述外筒與內(nèi)筒通過所述螺栓副連接為一體。
[0015]作為本發(fā)明的優(yōu)選，上述所述的I號拉索和II號拉索對稱斜向布置的形式為“X”形或“V”形中的任一種，與水平線的夾角為30?60度。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術比所具有的優(yōu)點和有益效果為:
[0017]本發(fā)明能有效提高結(jié)構的抗側(cè)剛度，避免傳統(tǒng)剛性支撐的壓桿屈曲問題。在一般地震或風災情況下，拉索中的內(nèi)力變化量小于摩擦元件產(chǎn)生的摩擦力，內(nèi)筒與外筒之間不會發(fā)生相對滑動，本發(fā)明充當一個普通的雙向支撐構件提供結(jié)構所需的抗側(cè)剛度。結(jié)構承受強烈地震或嚴重風災時，拉索中內(nèi)力變化量大于摩擦元件產(chǎn)生的摩擦力，內(nèi)筒與外筒之間發(fā)生相對滑動，從而有效耗散地震或風傳輸給主結(jié)構的能量，起到分災功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的一種預應力免屈曲耗能支撐構件的結(jié)構示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明的一種預應力免屈曲耗能支撐構件中的耗能元件的結(jié)構示意圖；
[0020]圖3為圖2所示耗能元件中的內(nèi)筒的結(jié)構示意圖；
[0021]圖4為圖2所示耗能元件中的外筒的結(jié)構示意圖；
[0022]圖5為圖2所示耗能元件的A-A剖面圖；
[0023]圖6為圖2所示耗能元件的B-B剖面圖；
[0024]圖7為圖2所示耗能元件的左視圖；
[0025]圖8為圖3所示內(nèi)筒的俯視圖；
[0026]圖9為圖4所示外筒的俯視圖；
[0027]圖10為本發(fā)明應用于多層鋼框架結(jié)構的示意圖。
[0028]圖中:100-拉索支撐；110-1號拉索；111-1號拉索上半索；112_ I號拉索下半索；120-1I號拉索；121-1I號拉索上半索；122-1I號拉索下半索；200_耗能元件;210_內(nèi)筒；211_圓管；212_矩形鋼管；213_左側(cè)端板；214_矩形鋼管左側(cè)擋板；215_摩擦元件；216-腰形通孔；220_外筒；221-外管；222_外筒左側(cè)擋板；223_右側(cè)端板；224_通孔；230-彈簧；240_螺栓副；250_耳環(huán)；251_第一耳環(huán)；252_第二耳環(huán)；300_鋼框架
【具體實施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明的一種包括耗能元件的預應力免屈曲耗能支撐構件，包括拉索支撐100及耗能元件200，與水平線的夾角為30?60度；其中所述拉索支撐100由I號拉索110及II號拉索120成“X”形交叉布置，其中所述I號拉索110包括上半拉索111和下半拉索112 ;所述耗能元件200沿軸向安置，采用銷釘，一端與所述上半拉索111相連接，另一端與所述下半拉索112相連接，所述II號拉索120包括上半拉索121和下半拉索122 ；所述耗能元件200沿軸向安置，采用銷釘，一端與所述上半拉索121相連接，另一端與所述下半拉索122相連接。其中所述的I號拉索110及II號拉索120的索體材料均為鋼絲繩、鋼絞線、鋼絲束和鋼拉桿中的任意一種。
[0031]如圖2至圖9所示，為一種使用于預應力免屈曲耗能支撐構件中的耗能元件，包括內(nèi)筒210、外筒220、彈簧230、螺栓副240及耳環(huán)250 ;其中內(nèi)筒210由圓管211、矩形鋼管212、貼于矩形鋼管212外側(cè)的摩擦元件215、左側(cè)端板213、矩形鋼管左側(cè)擋板214構成，所述矩形鋼管212、矩形鋼管左側(cè)擋板214、圓管211、左側(cè)端板213依次焊接連接；所述外筒220由外管221、外筒左側(cè)擋板222、右側(cè)端板223構成的六面空腔體，外筒左側(cè)擋板222開設有一中心孔，焊接于外管221左側(cè)，端面設置有第一耳環(huán)251 ;右側(cè)端板223固接連接于外管221右側(cè)，端面設置有第二耳環(huán)252 ;外管221的四個面上靠近第二耳環(huán)252端分別設有4個通孔224，2個為一組，偏離并平行軸線對稱排列；所述內(nèi)筒210安置在所述外筒220內(nèi)，所述內(nèi)筒210的矩形鋼管212的四個面上對應所述外筒220的外管221的四個面上設有的通孔224均設置有長徑沿軸向的腰形通孔216 ;外筒220與內(nèi)筒210通過螺栓副240連為一體；彈簧230套置在圓管211上，彈簧230左端連接外筒左側(cè)擋板222，彈簧230右端連接矩形鋼管左側(cè)擋板214。
[0032]圖10所示，為將本發(fā)明的包括耗能元件的預應力免屈曲耗能支撐構件設置在一個五層四跨的普通鋼框架300中的一個具體實施例，包括耗能元件的預應力免屈曲耗能支撐構件貼緊框架平面，所述I號拉索110與II號拉索120成“X”形布置，I號拉索110的兩端分別錨固于所述鋼框架300左下角及鋼框架300右側(cè)頂點上，II號拉索120的兩端分別錨固于所述鋼框架300右下角及鋼框架300左側(cè)頂點上。所述螺栓副240在I號拉索110及II號拉索120預張拉前僅處于自然擰緊狀態(tài)，即保證所述內(nèi)筒210、外筒220能發(fā)生自由的相對滑動。將I號拉索110及II號拉索120對稱張拉至常規(guī)使用狀態(tài)，預張拉過程中所述內(nèi)筒210與外筒220相互背離，所述彈簧230被相互靠近的外筒左側(cè)擋板222及矩形鋼管左側(cè)擋板214壓縮，完成預張拉并達到平衡狀態(tài)時彈簧230中的壓力等于I號拉索110及II號拉索120中的預拉力，所述彈簧230在所述內(nèi)筒210與外筒220之間起到傳力的作用。二次擰緊螺栓副240，矩形鋼管212與外管221之間產(chǎn)生壓緊力，從而耗能元件200靠貼于矩形鋼管外側(cè)的摩擦元件215產(chǎn)生的摩擦力來承受外荷載及傳遞索力。在地震或風往復作用下，I號拉索110及II號拉索120中的內(nèi)力將以常規(guī)使用狀態(tài)下的索力(預拉力)為基準，在一定范圍內(nèi)上下浮動。在一般地震或風災情況下，I號拉索110及II號拉索120中的內(nèi)力變化量小于貼于矩形鋼管外側(cè)的摩擦元件215產(chǎn)生的最大靜摩擦力，所述內(nèi)筒210與外筒220之間不會發(fā)生相對滑動，所述彈簧230中的壓力不變，耗能元件215充當一個普通的傳力構件。本發(fā)明的一種包括耗能元件的預應力免屈曲耗能支撐構件充當一個普通的雙向支撐構件提供結(jié)構所需的抗側(cè)剛度。結(jié)構承受強烈地震或嚴重風災時，I號拉索110及II號拉索120中內(nèi)力變化量大于貼于矩形鋼管外側(cè)的摩擦元件215產(chǎn)生的最大靜摩擦力，所述內(nèi)筒210與外筒220之間發(fā)生相對滑動，從而實現(xiàn)摩擦耗能，本發(fā)明的一種包括耗能元件的預應力免屈曲耗能支撐構件成為雙向耗能支撐。
[0033]具體的說，在如圖10所示方向向右的水平荷載作用下，所述I號拉索110為受拉索，I號拉索上半索111的內(nèi)力先增大:若此內(nèi)力增加量小于貼于矩形鋼管外側(cè)的摩擦元件215產(chǎn)生的最大靜摩擦力，所述外筒220對所述內(nèi)筒210產(chǎn)生一個背向I號拉索上半索111的靜摩擦力，靜摩擦力大小等于I號拉索上半索111的內(nèi)力增加量，從而所述內(nèi)筒210保持受力平衡，相對的，所述內(nèi)筒210也會傳給所述外筒220 —個背向I號拉索下半索112的靜摩擦力，為保持外筒220受力平衡，I號拉索下半索112的內(nèi)力增加量要等于該靜摩擦力，從而實現(xiàn)了 I號拉索上半索111與I號拉索下半索112之間的力傳遞；若此內(nèi)力增加量大于貼于矩形鋼管外側(cè)的摩擦元件215產(chǎn)生的最大靜摩擦力，則內(nèi)筒210與外筒220之間將背向滑動，所述彈簧230繼續(xù)被壓縮，貼于矩形鋼管外側(cè)的摩擦元件215摩擦耗能。
[0034]具體的說，在如圖10所示方向向右的水平荷載作用下，所述II號拉索120為受壓索(外部水平荷載引起的壓應力小于預應力)，II號拉索上半索121的內(nèi)力先減小:若此內(nèi)力減小量小于貼于矩形鋼管外側(cè)的摩擦元件215產(chǎn)生的最大靜摩擦力，所述外筒220對所述內(nèi)筒210產(chǎn)生一個指向II號拉索上半索121的靜摩擦力，靜摩擦力大小等于II號拉索上半索121的內(nèi)力減小量，從而內(nèi)筒210保持受力平衡，相對的，內(nèi)筒210也會傳給外筒220 —個指向II號拉索下半索122的靜摩擦力，為保持外筒220受力平衡，II號拉索下半索122的內(nèi)力減小量要等于該靜摩擦力，從而實現(xiàn)II號拉索上半索121與II號拉索下半索122之間的力傳遞；若此內(nèi)力減小量大于貼于矩形鋼管外側(cè)的摩擦元件215產(chǎn)生的最大靜摩擦力，則內(nèi)筒210與外筒220之間將在彈簧230壓力的驅(qū)動下相向滑動，貼于矩形鋼管外側(cè)的摩擦元件215摩擦耗能。
[0035]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】。當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，任何熟悉本【技術領域】的技術人員，當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種耗能元件，其特征在于，包括外筒、內(nèi)筒、彈簧和螺栓副；所述外筒為一端面開設有中心孔，另一端面設置有第二耳環(huán)，其余四面靠近耳環(huán)端對稱設有至少一個通孔的六面空腔體；所述內(nèi)筒安置在所述外筒內(nèi)，由一段圓管和一段管徑遠大于圓管外徑的矩形鋼管相連接構成，所述圓管的端頭從內(nèi)向外可滑動穿入在所述外筒開設有中心孔中，端面還設置有第一耳環(huán)，所述矩形鋼管的四個面上對應所述外筒設有的通孔均設置有長徑沿軸向的腰形通孔；所述彈簧套裝在所述內(nèi)筒的圓管上，彈簧的一端抵擋在所述內(nèi)筒的矩形鋼管與圓管相連接的端面上，另一端抵擋在所述外筒開設有中心孔一端的內(nèi)端面上；所述外筒與內(nèi)筒通過所述螺栓副連接為一體。
2.根據(jù)權利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述內(nèi)筒的矩形鋼管的四個面上還設置有摩擦元件。
3.根據(jù)權利要求2所述的耗能元件，其特征在于，所述的摩擦元件由粘彈性材料制成。
4.根據(jù)權利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述的通孔的數(shù)量為4個，2個一組，偏離并平行軸線對稱設置。
5.根據(jù)權利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述的腰形通孔的數(shù)量為2個，偏離并平行軸線對稱設置。
6.根據(jù)權利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述的連接為焊接。
7.根據(jù)權利要求1所述的耗能元件，其特征在于，所述的外筒為可裝配式結(jié)構或整體式結(jié)構中的一種。
8.一種包括權利要求1?7任意一項所述的耗能元件的預應力免屈曲耗能支撐構件，其特征在于，包括拉索支撐及耗能元件；所述拉索支撐由I號拉索和II號拉索對稱斜向布置而成，所述拉索包括上半拉索和下半拉索；所述耗能元件沿軸向安置，一端與所述上半拉索相連接，另一端與所述下半拉索相連接，并且所述耗能元件包括外筒、內(nèi)筒、彈簧和螺栓副；所述外筒為一端面開設有中心孔，另一端面設置有第二耳環(huán)，其余四面靠近耳環(huán)端對稱設有至少一個通孔的六面空腔體；所述內(nèi)筒安置在所述外筒內(nèi)，由一段圓管和一段管徑遠大于圓管外徑的矩形鋼管相連接構成，所述圓管的端頭從內(nèi)向外可往返穿入在所述外筒開設有中心孔中，端面還設置有第一耳環(huán)，所述矩形鋼管的四個面上對應所述外筒設有的通孔均設置有長徑沿軸向的腰形通孔；所述彈簧套裝在所述內(nèi)筒的圓管上，彈簧的一端抵擋在所述內(nèi)筒的矩形鋼管與圓管相連接的端面上，另一端抵擋在所述外筒開設有中心孔一端的內(nèi)端面上；所述外筒與內(nèi)筒通過所述螺栓副連接為一體。
9.根據(jù)權利要求8所述的預應力免屈曲耗能支撐構件，其特征在于，所述的I號拉索和II號拉索對稱斜向布置的形式為“X”形或“V”形中的任一種。
【文檔編號】E04B1/98GK103967158SQ201410151963
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權日:2014年4月16日
【發(fā)明者】顧盛, 唐柏鑒, 陳滿軍, 曹潔 申請人:江蘇科技大學, 昆山市建設工程質(zhì)量檢測中心