本發(fā)明屬于土木工程領域，涉及一種用于減小工程結構地震響應的屈曲約束支撐。

背景技術：

城市及其建筑物遭遇強烈地震時不僅會發(fā)生結構破壞，還會產生火災等次生災害，并由此引發(fā)一系列連鎖災害反應。據(jù)此研究者提出的消能減震的概念，旨在通過在結構中安裝耗能裝置，通過其吸收與耗散能量，有效地減小結構地震響應，從而避免結構主體部位的嚴重破壞。軟鋼阻尼器是一種性能優(yōu)越的消能減震構件，在日本和美國等發(fā)達國家已取得快速的推廣應用，而我國對于軟鋼阻尼器的研究與應用尚處于起步階段，仍存在許多問題需要進一步解決。耗能桿作為一種新型的軟鋼阻尼器，在小震作用下要求保持彈性，與結構協(xié)同工作，提供足夠的整體側向剛度，而在設防烈度或者罕遇地震作用下，耗能桿的核心部件進入屈服，且外約束部件對核心的變形進行有效地約束，抑制耗能桿的局部或整體失穩(wěn)，實現(xiàn)耗能桿的拉壓屈服耗能。因此，耗能桿既可以作為結構的普通支撐，又同時兼有耗能裝置的作用，最終使得主體結構在地震作用下不至發(fā)生破壞或僅有較輕程度的破壞，是一種理想的消能減震裝置。

傳統(tǒng)屈曲約束支撐的外約束部件通常由鋼與混凝土組合而成，造價相對較低，但是仍存在一定的問題：(1)澆注混凝土的質量，如密實度，受工藝的影響較大，混凝土凝固會延長了制作時間，降低了生產效率；(2)由于混凝土局部不密實可能導致局部被核心部件壓碎，從而引起核心部件局部屈曲，降低耗能桿性能；(3)為了保證核心受力部件能夠自由拉壓，常在核心受力部件包裹無粘結材料，使得混凝土與核心受力部件表面脫開，同時給核心受力部件受壓膨脹提供一定的空間，但是在澆筑和振搗混凝土的過程中，很難保證無粘結材料按照設計要求包裹核心受力部件，從而影響屈曲約束支撐的性能。

進一步，采用全鋼約束截面的竹形屈曲約束支撐，如專利申請?zhí)枺?01610121121.0，其核心部件為多個圓形消能段和圓形彈性段沿縱向同軸線相間設置構成，但是由于圓形消能段受壓會發(fā)生扭轉變形，扭轉變形的存在會導致圓形芯棒局部變形的增加，從而降低屈曲約束支撐的低周疲勞性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決鋼與混凝土組合約束部件的屈曲約束支撐中混凝土密實和無粘結材料設置困難及對性能的影響、竹形屈曲約束支撐的受壓易發(fā)生扭轉變形等問題，提出了一種垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿。

本發(fā)明采用的技術方案為：一種垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿，包括核心部件、外約束部件和定位銷釘；

所述核心部件由多個互相垂直消能段、中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段沿縱向同軸線連接構成，中間限位段位于核心部件的中間，竹節(jié)段與消能段間隔分布，布置在中間限位段的兩側，并與中間限位段共同形成整體，外側兩端固接兩端連接段，共同形成核心部件；所述中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段的截面都為圓形，中間限位段的中間沿直徑方向開孔一，消能段沿長度方向切削制作使得消能段的截面為兩平行對邊，另外兩短邊為原弧線，形成的新截面面積使得核心部件在軸向拉壓力作用下消能段進入屈服，而中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段始終保持彈性；

所述外約束部件為圓形管，核心部件位于外約束部件內部，外約束部件的長度滿足兩端連接段的一端位于外約束部件的內部，且中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段的直徑略小于外約束部件的內徑，使得兩者之間存在微間隙，微間隙略大于中間限位段在最大軸向壓力作用下的徑向變形值。

所述外約束部件的中間沿直徑方向開孔二，孔二的直徑略大于中間限位段上的孔二，且使得定位銷釘能夠從孔一和孔二中穿過。

核心部件的消能段由圓棒沿長度方向切削制作而成，消能段的截面為兩平行對邊與圓弧短邊，圓弧短邊與外約束部件之間僅存在微間隙。此類局部切削方法使得消能段受壓時的彎曲變形為垂直于削弱面，很大程度避免了消能段的扭轉變形，此外，消能段圓弧短邊、中間限位段以及兩端連接段與外約束管部件之間，僅存在微間隙，核心部件的側向變形也得到有效約束。由此消能段扭轉變形以及核心部件的側向變形都得到很好的約束，又進一步降低了核心部件的表面應變，提高了耗能桿的低周疲勞性能。

作為優(yōu)選，所述核心部件為鋼材制作時，中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段的橫截面面積至少為消能段的1.6倍以上。

當核心部件為鋼材制作時，竹節(jié)形圓棒耗能桿的核心部件在屈服后會伴有超強現(xiàn)象，即承載力進一步提高，這種現(xiàn)象的主要原因歸為：(1)鋼材的應變硬化，根據(jù)本申請發(fā)明人對前期進行的多種鋼材(Q235、Q345、Q390)循環(huán)加載實驗，結合已有文獻成果，確定鋼材的應變硬化系數(shù)約為1.42；(2)受壓承載力調整，竹節(jié)形圓棒耗能桿的核心部件與外約束部件之間存在不可避免的摩擦以及泊松效應，根據(jù)本申請發(fā)明人大量試驗結果，受壓承載力調整的最大值可取為1.13。由此可得，竹節(jié)形圓棒耗能桿超強系數(shù)w可取為1.6(即1.42×1.13的值)。因此，本發(fā)明規(guī)定所述核心部件中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段的橫截面面積至少為消能段的1.6倍，可保證中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段的屈服承載力大于竹節(jié)形圓棒耗能桿最大承載力，中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段在荷載作用下可始終保持彈性。

作為優(yōu)選，所述中間限位段的長度至少大于其半徑。

中間限位段與外約束部件的中間皆沿著直徑方向開孔，使得定位銷釘能夠從外約束部件的孔和中間限位段的孔中穿過。開孔的半徑大小一般取為1.5mm，在開孔處會引起較大的應力集中，根據(jù)申請人前期的試驗結果，中間限位段長度大于半徑時，可以保證定位銷釘?shù)挠行Чぷ鳎怀霈F(xiàn)中間限位段的提前破壞。

作為優(yōu)選，所述竹節(jié)段沿軸線和直徑剖開截面對角線長度大于外約束部件的內徑。

當竹節(jié)段沿軸線和直徑剖開截面對角線長度大于外約束部件的內徑時，竹節(jié)段在外約束部件內部的轉動將會被有效地約束，從而進一步地抑制消能段的變形，提高竹節(jié)形圓棒耗能桿的性能。

作為優(yōu)選，所述兩個兩端連接段位于消能段和中間限位段形成整體的外側與結構相連。

考慮到與結構的相連，兩端連接段沿圓周方向可開螺牙形成連接螺桿，螺桿的凈截面面積至少為消能段的1.5倍以上。

作為優(yōu)選，所述核心部件的多個消能段依次互相垂直。

當核心部件的多個消能段垂直分布時，各個消能段受壓時的彎曲變形均垂直于各自的削弱面，基于上述變形特性特征，垂直分布的消能段從核心部件的幾何構型角度，進一步避免了核心部件的整體扭轉變形。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件的消能段由圓棒沿長度方向切削制作而成，消能段的截面為兩平行對邊與圓弧短邊，圓弧短邊與外約束部件之間僅存在微間隙。

2.垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿消能段的局部削弱方法，使得消能段側向變形為垂直于兩消能段平行對邊，很大程度避免了消能段的扭轉變形，此外，消能段圓弧短邊、中間限位段、竹節(jié)段以及兩端連接段與外約束管部件之間，僅存在微間隙，核心部件的側向變形得到有效約束。由此消能段扭轉變形以及核心部件的側向變形都得到很好的約束，降低了核心部件的表面應變，提高了屈曲約束支撐的低周疲勞性能。

3.垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件由多個消能段、中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段沿縱向同軸線連接構成，在軸力作用下消能段的彎曲變形又受到外約束部件圓弧面的抑制，所以消能段發(fā)生屈服的同時避免了過大的屈曲變形，因此外約束部件與圓形消能段之間無需填充砂漿或者增加多余部件對其進行約束，使得耗能桿的構造簡單且加工方便。

4.垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件的消能段截面面積相對于中間限位段和兩端連接段較小，從而屈服力較小，對外約束部件的剛度要求較低，因此外約束部件可為簡單圓形套管，使得圓棒耗能桿構造簡單且自重較輕，方便安裝。

5.垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件的中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段的橫截面面積至少為消能段的1.6倍，使得中間限位段、竹節(jié)段和兩端連接段段始終保持彈性，雖然有部分區(qū)域處于無約束狀態(tài)，但不會發(fā)生局部失穩(wěn)，對比傳統(tǒng)屈曲約束支撐需在核心部件無約束區(qū)域設置加勁肋來保證其穩(wěn)定性而言，構造更為簡單。

6.多個消能段依次互相垂直，各個消能段受壓時的彎曲變形均垂直于各自的削弱面，從核心部件的幾何構型角度，進一步避免了核心部件的整體扭轉變形。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿平視圖；

圖2是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿A-A剖面圖；

圖3是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿B-B剖面圖；

圖4是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿C-C剖面圖；

圖5是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿D-D剖面圖；

圖6是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿E-E剖面圖；

圖7是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件平視圖；

圖8是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件F-F剖面圖；

圖9是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件G-G剖面圖；

圖10是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件H-H剖面圖；

圖11是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件I-I剖面圖；

圖12是本發(fā)明實施例1的垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿核心部件J-J剖面圖；

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

實施例1

如圖1～12所示：一種垂直式竹節(jié)形圓棒耗能桿，包括核心部件1、外約束部件2和定位銷釘3；

所述核心部件1由多個互相垂直消能段1-1、中間限位段1-2、竹節(jié)段1-3和兩端連接段1-4沿縱向同軸線連接構成，中間限位段1-2位于核心部件1的中間，竹節(jié)段1-3與消能段1-1間隔分布，布置在中間限位段1-2的兩側，并與中間限位段1-2共同形成整體，外側兩端固接兩端連接段1-4，共同形成核心部件1；所述中間限位段1-2、竹節(jié)段1-3和兩端連接段1-4的截面都為圓形；中間限位段1-2的中間沿直徑方向開孔一1-2-1；消能段1-1沿長度方向切削制作使得消能段的截面為兩平行對邊1-1-1，另外兩短邊為原弧線1-1-2；

所述外約束部件2為圓形管，核心部件1位于外約束部件2內部，外約束部件2的長度滿足兩端連接段1-4的一端位于外約束部件2的內部，且中間限位段1-2、竹節(jié)段1-3和兩端連接段1-4的直徑略小于外約束部件2的內徑，使得兩者之間存在微間隙；

所述外約束部件2的中間沿直徑方向開孔二2-1，孔二2-1的直徑略大于中間限位段1-2上的孔二1-2-1，且使得定位銷釘3能夠從孔二2-1和孔一1-2-1中穿過。

核心部件1為鋼材制作時，中間限位段1-2、竹節(jié)段1-3和兩端連接段1-4的橫截面面積至少為消能段1-1的1.6倍以上。中間限位段1-2的長度至少大于其半徑。竹節(jié)段1-3沿軸線和直徑剖開截面對角線長度大于外約束部件2的內徑。兩端連接段1-4沿圓周方向可開螺牙形成連接螺桿，螺桿的凈截面面積至少為消能段1-1的1.5倍以上。核心部件1的多個消能段1-1依次互相垂直。

應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。