具有多级屈曲强度和定位金属橡胶耗能环的套筒式防屈曲支撑

摘要

具有多级屈曲强度和定位金属橡胶耗能环的套筒式防屈曲支撑，在正常荷载以及风荷载等小的荷载下，防屈曲耗能支撑处于稳定的弹性状态，只给结构提供稳定的刚度和受力，不参与耗能。当结构承受较大的地震作用时，防屈曲耗能支撑开始发挥其耗能能力，由于金属橡胶环被等间隔的套在核心筒外层，而使防屈曲耗能支撑在中大地震作用下发生定位屈曲，而且设置不同直径的带金属橡胶环的核心筒，带金属橡胶环的核心筒由于尺寸的不同而具有不同级别的屈曲强度和极限承载力，因此可在不同阶段先后进入屈曲耗能的工作状态，耗散更多更大地震能量。从而解决自重大而且加工工序复杂以及材料浪费、支撑端部容易破坏及屈服力高等的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有多级屈曲力和定位金属橡胶耗能环的套筒式防屈曲支撑，本发明属于土木工程的抗风、抗震和减震技术领域。

背景技术

土木工程结构强烈的风荷载或地震作用下将发生较明显的破坏，甚至可能出现巨大的人员伤亡和经济财产损失。因此，针对风荷载和地震作用的特点进行合理的工程结构抗震设计，并采用有效的结构减振控制技术将明显减轻结构在相应自然灾害下的破坏程度。结构减振控制即在结构的特定部位，装设某种装置(如隔震垫等)、或某种机构(如耗能支撑、耗能剪力墙和耗能节点等)、或某种子结构(如调频质量阻尼器等)或施加外力(外部能量输入)，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，从而为结构抗震提供了一条安全有效的途径。

金属剪切阻尼器是国内外常用的一种被动耗能装置，其基本原理是利用金属的塑性滞回变形来消耗振动能量，在进入塑性状态后具有突出的滞回特性，具有构造简单、滞回性能稳定、造价低廉、力学模型明确等特点。由于金属剪切阻尼器所用的金属材料屈服点通常较高，在强风作用下很难进入耗能状态，因此该类阻尼器只能中震和大震下发挥作用，其在小震下的适用性需要改善。

作为另一种普遍应用的耗能减震装置，防屈曲耗能支撑兼具普通支撑和金属耗能阻尼器双重功能的支撑形式。在小震下，防屈曲支撑如同不失稳的普通支撑一样工作，给结构提供抗侧刚度。在中震或大震下，由于受到外包约束构件的侧向约束，支撑内芯屈服段在受拉或受压状态下均能全截面充分屈服耗散地震能量，使主体结构大部分保持弹性从而更容易实现建筑物的大震可修。防屈曲耗能支撑因其减震机理明确、减震效果显著、构造简单、适用范围广、维护方便等优点，受到众多国内外研究者的重视，目前国内外学者已经研究开发多种不同类型和不同构造的防屈曲耗能支撑，并且已在新建工程和建筑抗震加固工程中得到应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

然而目前普通的防屈曲耗能支撑也存在一些问题，支撑的核心单元为主要耗能装置，但现有的防屈曲支撑核心单元较单一，即使具有多个核心单元，其屈曲力和极限承载力也相同。在此条件下，一旦楼层间发生严重破坏所有支撑核心几乎同时屈曲，楼层刚度突然降低，易形成薄弱层从而造成集中破坏，也就不能在地震作用中的不同阶段下实现逐级屈曲耗能。由于制造的误差，荷载的随机性，导致防屈曲耗能支撑在实际使用中屈服位置的随机性，使设计的期望性态与实际性态有出入，同时给设计和分析带来了困难；需要进行端部加强，有的支撑的核心单元是由普通钢和低屈服点钢材焊接而成，致使支撑加工复杂和材料浪费，大多数支撑需要应用无黏结材料，致使支撑组件材料种类较多，导致设计时分析困难、元件加工制造及组装时质量及精度不易控制，且约束单元会产生滑动，影响防屈曲耗能支撑的整体抗震效果；约束单元需要灌注砂浆，一般钢结构厂无法独立完成制作，且使支撑自重较大，限制了其在轻质钢结构中的应用，另外砂浆容易压碎破坏导致支撑发生局部屈曲。

为了改善这种情况，本发明提出一种具有多级屈曲强度和定位金属橡胶耗能环的套筒式防屈曲支撑。在正常荷载以及风荷载等小的荷载下，防屈曲耗能支撑处于稳定的弹性状态，只给结构提供稳定的刚度和受力，不参与耗能。当结构承受较大的地震作用时，防屈曲耗能支撑开始发挥其耗能能力，由于金属橡胶环被等间隔的套在核心筒外层，而使防屈曲耗能支撑在中大地震作用下发生定位屈曲，而且设置不同直径的带金属橡胶环的核心筒，带金属橡胶环的核心筒由于尺寸的不同而具有不同级别的屈曲强度和极限承载力，因此可在不同阶段先后进入屈曲耗能的工作状态，耗散更多更大地震能量。从而解决普通防屈曲耗能支撑的核心单元不能实现逐级屈曲耗能，屈服位置难以确定、约束单元需要灌注砂浆导致其自重大而且加工工序复杂以及材料浪费、支撑端部容易破坏及屈服力高等的问题。最终使防屈曲耗能支撑在不同强度的动力作用下充分发挥耗能减振的作用，保护结构主体的安全。

发明内容

本发明提出一种具有多级屈曲强度和定位金属橡胶耗能环的套筒式防屈曲支撑。在正常荷载以及风荷载等小的荷载下，防屈曲耗能支撑处于稳定的弹性状态，只给结构提供稳定的刚度和受力，不参与耗能。当结构承受较大的地震作用时，防屈曲耗能支撑开始发挥其耗能能力，由于金属橡胶环被等间隔的套在核心筒外层，而使防屈曲耗能支撑在中大地震作用下发生定位屈曲，而且设置不同直径的带金属橡胶环的核心筒，带金属橡胶环的核心筒由于尺寸的不同而具有不同级别的屈曲强度和极限承载力，因此可在不同阶段先后进入屈曲耗能的工作状态，耗散更多更大地震能量。从而解决普通防屈曲耗能支撑的核心单元不能实现逐级屈曲耗能，屈服位置难以确定、约束单元需要灌注砂浆导致其自重大而且加工工序复杂以及材料浪费、支撑端部容易破坏及屈服力高等的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

具有多级屈曲强度和定位金属橡胶耗能环的套筒式防屈曲支撑，主要包括支撑端部1、连接钢板2、外约束套筒3、金属橡胶环4、核心筒5。支撑端部1通过连接钢板2与防屈曲耗能支撑的外约束套筒3相连接，外约束套筒3的截面上预留多个大小不同的孔洞，在核心筒5外层等间隔的套上一层金属橡胶环4，然后将安装好的带金属橡胶环4的核心筒5放入外约束套筒3预留的孔洞里面，连接好的防屈曲耗能支撑安装在钢结构框架上，在正常荷载和风荷载等小的荷载作用下，防屈曲耗能支撑相当于普通支撑，为结构提供一定的抗侧刚度，在中震和大震作用下，定位金属橡胶环4的存在使核心筒5发生定位屈曲，带金属橡胶环4的核心筒5由于尺寸的不同而具有不同级别的屈曲强度和极限承载力，因此可在不同阶段先后进入屈曲耗能的工作状态，耗散更多更大的地震能量，从而避免结构主体和构件的破坏。

支撑端部1焊接在连接钢板2上，连接钢板2再焊接在外约束套筒3的一端，实现支撑端部1与防屈曲耗能支撑主体部位的连接，连接钢板2的直径要与外约束套筒3的一样，其厚径比控制在0.2到0.5，连接钢板2太薄容易出现薄弱层。支撑端部1另一端通过高强度螺栓与结构主体(梁和柱)相连接，在风荷载和地震作用下，结构主体受力通过支撑端部1和连接钢板2有效的传递给防屈曲耗能支撑。

外约束套筒3的截面上预留多个大小不同的孔洞，这些孔洞是用来放置金属橡胶环4和核心筒5的，外约束套筒3在正常荷载作用下提供侧向支撑，负责提供约束机制，防止核心筒5受轴压时发生整体和局部屈曲，因此外约束套筒3选用的钢材强度等级大于等于Q345，以保证在大震作用下外约束套筒3能提供足够大的约束。

金属橡胶环4采用金属橡胶材料，金属橡胶是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有高弹性、高阻尼的特性，将金属橡胶环4等间隔的套在核心筒5的外层，放入金属橡胶环4的部位相当于被削弱，防屈曲耗能支撑局部削弱相当于其他部位加强，使防屈曲耗能支撑的薄弱部位由支撑端部1转移到放入金属橡胶环4的部位，金属橡胶环4的屈服强度要小于核心筒5的屈服强度，以使防屈曲耗能支撑的核心筒5在风荷载和地震作用下发生定位屈曲，实现防屈曲耗能支撑屈服部位和非屈服部位的明确分工，此外金属橡胶环4由于其高弹性、高阻尼的特性，在核心筒5发生定位屈曲耗能的阶段能实现超弹性耗能，进一步保证结构主体的安全性。

核心筒5采用低屈服点钢，在中震和大震作用下很容易进入屈服的工作状态进行充分的耗能，在核心筒5的外层等间隔的套上一层金属橡胶环4，将安装好的带金属橡胶环4的核心筒5放置在外约束套筒3预留的孔洞中，并设置几组直径不等的带金属橡胶环4的核心筒5，由于尺寸的不同而使核心筒5具有不同级别的屈曲强度和极限承载力，因此这几组带金属橡胶环4的核心筒5在中震和大震作用下，会在不同阶段先后进入屈曲耗能的工作状态，实现逐级屈曲，耗散更多更大的地震能量，从而避免结构主体和构件的破坏。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明采用几组直径互不相等的带金属橡胶环的核心筒，由于尺寸的差别，使带金属橡胶环的核心筒具有不同级别的屈曲强度和极限承载力，因此这几组带金属橡胶环的核心筒在中震和大震作用下，会在不同阶段先后进入屈曲耗能的工作状态，实现逐级屈曲，从而保证约束屈曲支撑具备更多更大的耗能能力且不至于形成薄弱楼层。

2)本发明采用带金属橡胶环的核心筒，核心筒采用低屈服点钢管，由于其屈服点低在地震作用下很容易进入耗能的工作状态。金属橡胶环采用金属橡胶，金属橡胶环采用金属橡胶材料，金属橡胶是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有高弹性、高阻尼的特性，其材料的特性能使其与核心筒在地震作用下更好的配合工作耗散大量的地震能量，从而保护结构主体的安全。

3)本发明将金属橡胶环等间隔的套在核心筒的外层，放入金属橡胶环的部位相当于被削弱，防屈曲耗能支撑局部削弱相当于其他部位加强，使防屈曲耗能支撑的薄弱部位由支撑端部转移到放入金属橡胶环的部位，避免加强支撑端部，防屈曲耗能支撑在风荷载和地震作用下定位屈曲，实现防屈曲耗能支撑屈服部位和非屈服部位的明确分工。

4)本发明采用金属橡胶环焊接在防屈曲耗能支撑的外约束套筒和核心筒之间，核心筒与外约束套筒间没有填充砂浆和混凝土，从而减轻自重，避免加工工序复杂以及材料浪费，特别适于大跨度结构。

5)本发明在正常荷载或小震作用下，防屈曲耗能支撑处于弹性状态只提供稳定的刚度，相当于普通支撑；在中震和大震作用下，此时具有多级屈曲强度和定位金属橡胶耗能环的套筒式防屈曲支撑利用带有金属橡胶环的核心筒在定位金属橡胶环处产生有效屈曲并充分耗能，由于每个带金属橡胶环的核心筒的尺寸不同，因此相应的屈曲力和极限承载力具有不同级别，可在不同受力状态先后发生屈曲耗能，耗散更多更大的地震能量，从而保护主体结构和构件在地震中的安全性。

附图说明

图1为本发明防屈曲耗能支撑立体图。

图2为本发明图1A-A纵截面剖视图。

图3为本发明图1B-B纵截面剖视图。

图4为本发明图1C-C横截面剖视图。

图5为本发明单个带金属橡胶环的核心筒剖面图。

图6为本发明防屈曲耗能支撑放置于钢结构框架中的平面图。

图中：1-支撑端部、2-连接钢板、3-外约束套筒、4-金属橡胶环、5-核心筒、6-节点板、7-钢结构框架梁、8-钢结构框架柱。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1和图6所示，是本发明带削弱的多重核心筒复合式防屈曲耗能支撑，其主要包括支撑端部1、连接钢板2、外约束套筒3、金属橡胶环4、核心筒5、节点板6、钢结构框架梁7、钢结构框架柱8。

支撑端部1焊接在连接钢板2上，连接钢板2再焊接在外约束套筒3的一端，其焊缝连接形式T形连接，焊缝形式为角焊缝，采用E50型焊条，实现支撑端部1与防屈曲耗能支撑主体部位的连接。连接钢板2的直径要与外约束套筒3的一样，其厚径比控制在0.2到0.5，连接钢板2太薄容易出现薄弱层。支撑端部1与节点板6通过高强度螺栓相连接，节点板6通过高强度螺栓与结构主体(钢结构框架梁7与钢结构框架柱8)相连接，在风荷载和地震作用下，结构主体受力通过支撑端部1和连接钢板2有效的传递给防屈曲耗能支撑，其中高强度螺栓采用强度等级为10.9级，支撑端部1和连接钢板2选用的钢材为Q345，连接钢板2的直径为60cm，厚度为20cm。

外约束套筒3采用的钢材强度等级为Q345，外约束套筒3的截面上预留七个大小不同的孔洞，外约束套筒3的直径为60cm，七个空洞分成三组，从图4C-C横截面看，上面两个和最下面两个为一组直径15cm，中间两侧的两个为一组直径10cm，最中心的一个为一组直径30cm，这些孔洞是用来放置金属橡胶环4和核心筒5的，外约束套筒3在正常荷载作用下提供侧向支撑，负责提供约束机制，防止核心筒5受轴压时发生整体和局部屈曲，采用钢材强度等级Q345，以保证在地震作用下提供足够大的约束。

金属橡胶环4采用金属橡胶材料，金属橡胶是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有高弹性、高阻尼的特性，从核心筒5的上端开始每间隔50cm套上一个金属橡胶环4，为了避免金属橡胶环4套在核心筒5上发生松动滑落，在它们的接缝处进行焊接或者在接缝处涂抹上一层高强度粘合剂，放入金属橡胶环4的部位相当于被削弱，防屈曲耗能支撑局部削弱相当于其他部位加强，使防屈曲耗能支撑的薄弱部位由支撑端部1转移到放入金属橡胶环4的部位，金属橡胶环4的屈服强度要小于核心筒5的屈服强度，以使防屈曲耗能支撑的核心筒5在风荷载和地震作用下发生定位屈曲，实现防屈曲耗能支撑屈服部位和非屈服部位的明确分工，此外金属橡胶环4由于其高弹性、高阻尼的特性，在核心筒5发生定位屈曲耗能的阶段能实现超弹性耗能，进一步保证结构主体的安全性。

核心筒5采用低屈服点钢，选用钢材的刚度等级为Q160，在中震和大震作用下很容易进入屈服的工作状态进行充分的耗能，带金属橡胶环4的核心筒5直径的大小也分为三组，直径大小分别为10cm、15cm、30cm，在实际制作构件时，这三组直径的大小要比外约束套筒3预留的孔洞小1cm到2cm，保证带金属橡胶环4的核心筒5更容易放入预留的孔洞。将安装好的带金属橡胶环4的核心筒5放置在外约束套筒3预留的孔洞中，外约束套筒3和带金属橡胶环4的核心筒5之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层，可以减小或消除因核心筒5受压膨胀时传给外约束套筒3的力。由于尺寸的差别而使核心筒5具有不同级别的屈曲强度和极限承载力，因此这三组带金属橡胶环4的核心筒5在中震和大震作用下，会在不同阶段先后进入屈曲耗能的工作状态，实现逐级屈曲，耗散更多更大的地震能量，从而避免结构主体和构件的破坏。

上述的具有多级屈曲强度和定位金属橡胶耗能环的套筒式防屈曲支撑的各个组成部分支撑端部1，连接钢板2，外约束套筒3，金属橡胶环4，核心筒5在工厂预制拼装好，待整个钢结构框架施工完成后，将这些拼装好的装置运送到施工现场，用高强度螺栓与钢结构框架的梁柱相连接，既节省施工时间，又能降低施工成本。

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。