加劲钢套筒屈曲约束支撑构件

摘要

本发明涉及一种改进的屈曲约束支撑构件，包括：芯材部分、内套筒部分、外套筒，其中芯材部分由芯板和芯板加劲肋组成，内套筒部分由内套筒壁板、内套筒加劲肋和芯板约束板组成，最外层是外套筒；该芯板约束板与芯板之间无间隙。本发明还提供了上述的改进的屈曲约束支撑构件的制作方法。该屈曲约束支撑具有很好的滞回特征和耗能性能，是一种十分有效的耗能构件，可以达到1/70的变形量，满足罕遇地震作用下建筑结构1/50的楼层位移变形要求，可以很大地提高建筑结构的抗震能力；且实现了材料与制作的国产化，使这种支撑的成本大大降低，为推广应用奠定了基础。

说明书

技术领域

本发明属于建筑领域，具体涉及屈曲约束支撑构件。

背景技术

近年来，屈曲约束支撑因其承受轴向压力不会发生屈曲、受拉与受压承载力相当、滞回曲线饱满、具有良好的耗能能力和低周疲劳性能等优点，在美国、日本、我国台湾地区等的高层建筑中颇受青睐。美国在1994年Northridge地震后，开始进行屈曲约束支撑钢结构体系的研究，2000年建成了美国第一栋使用屈曲约束支撑作为抗侧力构件的建筑，目前已建成或正在建造的使用屈曲约束支撑的结构达30余栋；日本在1995年神户地震后大量使用屈曲约束支撑体系，目前此类建筑已有250余栋。我国台湾地区在屈曲约束支撑的研究和使用方面已取得了很多成果。

美国、日本所用屈曲约束支撑结构的芯材均用低屈服钢制成，需要批量提供优质低屈服点钢材，技术要求高，Q235及其以上的碳素钢及强度更高的低合金钢，以及Q195钢材不能适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、性能优越的屈曲约束支撑构件。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种改进的屈曲约束支撑构件，包括：芯材部分、内套筒部分、外套筒，其中芯材部分由芯板和芯板加劲肋组成，内套筒部分由内套筒壁板、内套筒加劲肋和芯板约束板组成，最外层是外套筒；该芯板约束板与芯板之间无间隙。

进一步：该套筒端部封板与芯板加劲肋之间无间隙。

该套筒壁板上每隔一定间距(例如100～200mm)加设一个套筒加劲肋。

上述的改进的屈曲约束支撑构件的制作方法，包括以下步骤：

(1)将芯板加劲肋和芯板用对接焊缝焊接在一起；

(2)将芯板约束板和内套筒壁板用角焊缝焊接在一起；

(3)将焊接好芯板约束板的内套筒壁板进行拼装；

(4)将拼装好的内套筒壁板用对接焊缝焊接在一起；

(5)将套筒加劲肋和套筒壁板用角焊缝焊接在一起；

(6)再将外套筒壁板进行拼装；

(7)将拼装好的外套筒壁板用对接焊缝焊接在一起。

本发明的屈曲约束支撑芯板的约束屈服段采用一字形，套筒采用方形或矩形钢管，一字形芯板与套管的一对侧面平行。套筒与芯板之间无填充材料。芯板用材选用国产低碳钢，如Q195钢材、Q235钢材以及国产低屈服钢。

1、屈曲约束支撑的强度要求

屈曲约束支撑的受拉和受压屈服承载力F_d可表示如下：

F_d＝R_yf_yA₁                         (1)

式中：F_d——轴向受拉和受压极限强度。

P_y——轴向受拉和受压屈服强度。

R_y——芯板钢材的超强系数。

f_y——芯板刚才的屈服强度标准值。

A₁——约束屈服段的截面面积。

2、套筒的设计要求

屈曲约束支撑构件在多遇地震和罕遇地震作用下，应不发生整体屈曲。屈曲约束支撑构件的整体弹性屈曲荷载与约束屈服段的屈服承载力的比值应满足：

$>\frac{{\pi }^{2}E{I}_1}{l^2}/{\mathrm{\omega F}}_d\ge 1.2---\left(2\right)$>

式中：I₁——套筒的整体刚度。

E——套筒钢材弹性模量。

l——支撑长度。

ω——应变强化调整系数。

屈曲约束支撑构件的板件在多遇地震和罕遇地震作用下，应不发生局部屈曲。无约束非屈服段(连接段)的板件外伸宽厚比应满足：

$>\frac{b}{t}\le 13\sqrt{\frac{235}{f_y}}---\left(3\right)$>

式中b、t——无约束非屈服段钢板的外伸宽度和厚度；

3、节点设计

节点设计时除按节点设计要求考虑外，还应考虑支撑压拉承载力比、材料超强及应变硬化等效应的影响。

本发明新型屈曲约束支撑构件，可采用国产低碳钢，如Q195钢材、Q235钢材以及国产低屈服钢，这种新型支撑与已有屈曲约束支撑区别在于，在钢套管内没有采用填充材料，完全通过钢套管内的加劲肋等构造措施给支撑芯板提供稳定的约束作用，可以有效地避免受压芯材在弹性和塑性阶段下的屈曲问题。对加劲钢套筒屈曲约束支撑构件及其子结构进行了静力往复试验，试验表明，此种屈曲约束支撑具有很好的滞回特征和耗能性能，是一种十分有效的耗能构件，可以达到1/70的变形量，满足罕遇地震作用下建筑结构1/50的楼层位移变形要求，可以很大地提高建筑结构的抗震能力；且实现了材料与制作的国产化，使这种支撑的成本大大降低，为推广应用奠定了基础。

附图说明

图1为本发明实施例的构造示意图。

图2为本发明实施例的芯板示意图。

图3为本发明实施例的结构横截面示意图。

图4为本发明实施例的芯板端部横截面示意图。

图5为本发明实施例的套筒横截面示意图。

图6为本发明实施例的试验所得的力-位移曲线。

图中标号：1为芯板，2为芯板加劲肋，3为内套筒，4为内套筒加劲肋，5为芯板约束板，6为外套筒，7为套筒端部封板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

请参阅图1-5，由图可见，本发明主要包括：芯材部分、内套筒部分、外套筒，其中芯材部分由芯板1和芯板加劲肋2组成(如图2、4所示)，内套筒部分由内套筒壁板3、内套筒加劲肋4和芯板约束板5组成，最外层是外套筒(如图5所示)。

本发明的构造：

1、由于套筒须能够对芯板的平面外屈曲有良好的约束作用，本发明的构件采用对内套筒加肋板，使芯板约束板5与芯板1顶紧(即，使芯板约束板5与芯板1之间无间隙)的构造措施来达到这一目的；

2、在支撑的无约束非屈曲段的变截面处很容易发生平面外失稳，本发明的构件采用套筒端部封板顶紧(即，使套筒端部封板7与芯板加劲肋2之间无间隙)的方法来解决这一问题；

3、在芯板端部加劲板边缘(即约束非屈曲段边缘)处，很容易进入塑性，形成塑性铰，使整个支撑芯板端部在此处发生刚性转动，这样一来，在塑性铰转动处就会给内套筒施加一个非常大的集中力，使内套筒产生局部鼓出。为了解决这一问题，本构件采用对内套筒壁板加肋的方法，一方面加强了内套筒壁板的平面外刚度，另一方面也使内套筒能够很好的对芯板起到约束作用。具体实施方案是：在内套筒壁板3上每隔一定间距(例如100～200mm)加设一个内套筒加劲肋4。

本发明TJI型屈曲约束支撑：

其制作方法包括以下步骤：

(1)将芯板加劲肋2和芯板1用对接焊缝焊接在一起；

(2)将芯板约束板5和套筒壁板3用角焊缝焊接在一起；

(3)将焊接好芯板约束板5的内套筒壁板3进行拼装，如图3所示；

(4)将拼装好的内套筒壁板3用对接焊缝焊接在一起；

(5)将套筒加劲肋4和套筒壁板3用角焊缝焊接在一起；

(6)再将外套筒壁板6进行拼装，如图3所示；

(7)将拼装好的外套筒壁板6用对接焊缝焊接在一起。

为验证该产品性能，制作了如下试件进行研究，试件尺寸和材料如表1所示。

试件尺寸及材料表                            表1

  类别  芯板  套筒  节点板  高强螺栓尺寸  长度(mm)  规格(mm)  长度(mm) 规格(mm)  长度(mm)规格(mm)长度(mm)  3143  -290×20  2183 口248×12  710  -100×16  95  材料  Q195  Q235  Q235  10.9级

1、屈曲约束支撑的强度设计

屈曲约束支撑的屈服承载力F_d为：

F_d＝R_yf_yA₁＝1004.64kN

2、套筒的设计验算

$>\frac{{\pi }^{2}E{I}_1}{l^2}/\omega F_d=3.91\ge 1.2$>

满足要求。

无约束非屈服段(连接段)的板件外伸宽厚比为：

$>\frac{b}{t}=11.2\le 13\sqrt{\frac{235}{f_y}}=14.3$>

满足要求。

3、节点设计

按节点设计要求验算，在验算时考虑了支撑压拉承载力比、材料超强及应变硬化等效应的影响，经计算节点满足要求。

由试验所得力-位移曲线十分饱满(如图6所示)，说明此屈曲约束支撑具有很好的耗能能力和低周疲劳性能。

为此，本发明提供了一种新型屈曲约束支撑，可采用国产低碳钢，如Q195钢材、Q235钢材以及国产低屈服钢。这种新型支撑：1)材料均为国产；2)在钢套管内没有采用填充材料，完全通过钢套管内的加劲肋等构造措施给支撑芯板提供稳定的约束作用，避免受压芯材在弹性和塑性阶段下的屈曲问题。通过对加劲钢套筒屈曲约束支撑进行往复加载试验，表明此种屈曲约束支撑具有稳定的滞回特征和很好的耗能性能，是一种十分有效的耗能构件，满足罕遇地震作用下建筑结构1/50的楼层位移变形要求；用于多高层建筑，可以大大提高结构的抗震性能。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。