一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑及使用方法

摘要

本发明涉及一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑及使用方法，包括：限位连接组件、外部约束组件、支撑内芯板组件。外部约束组件设在支撑芯板组件的外围，起到约束芯板使其屈服耗能作用；端部连接板中心部分使用螺栓与支撑内芯板连接，将结构梁柱中的能量传递到芯板中进行消耗；端部连接板两侧使用限位滑块与外部约束组件相连，通过设置端部连接板及外部约束组件延伸段的预留孔洞及限位滑块距离差值，起到连接作用及限制最大轴向位移作用，有效克服了普通屈曲约束支撑内芯板因地震作用过大、承受疲劳载荷、端部加劲肋焊接、开孔削弱等原因造成的支撑内芯板断裂失效的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑及使用方法，属于建筑结构的耗能支撑技术领域。

背景技术

地震往往以其巨大的能量输入引起地面的剧烈振动，从而引起建筑破环，严重威胁人类生命财产安全并给全社会造成巨大的经济损失，而利用消能减震装置和技术可以吸收消耗结构中的地震能量，减小结构的地震反应，保护主体结构和构件免遭损失，从而确保结构在地震中的安全性。

屈曲约束支撑一种常见的消能器，通常由支撑内芯板以及约束单元组成，其中，支撑内芯板主要承受轴向力作用，在小震时作为结构支撑为主体结构提供侧向刚度，在大震时因约束单元的抑制作用而在受拉或者受压时均能够达到屈服而不失稳破坏，因此作为消能器吸收消耗地震能量，被广泛应用于土木工程结构中。

但是，普通屈曲约束支撑存在以下不足：

①支撑内芯板易断裂失效：支撑内芯板因中部耗能段屈服早于端部连接段的要求，在设计和制作时往往通过内核钢板中部耗能段开孔削弱或端部连接段焊接加劲肋板的方式使支撑内芯板薄弱位置转移，而支撑在承受地震作用或者疲劳载荷时，在开孔部分或焊接部分等薄弱位置因应力集中造成内芯板断裂失效，即导致消能器失效，无法确保结构的安全性；

②约束单元未充分发挥作用：支撑内芯板承受轴向力的作用在屈服前提供轴向刚度，在屈服后提供滞回耗能作用，约束单元因需提供抗弯刚度及抗弯承载力在设计和制作时其尺寸及刚度往往比支撑内芯板单元大，这种尺寸及刚度更大的约束单元在轴向上却没有提供作用，极大的造成了约束单元材料及性能的浪费；

③自重较大：混凝土约束型屈曲约束支撑因需对混凝土进行浇注及养护存在生产周期长及自重大的问题，全钢型屈曲约束支撑同样也存在自重大的问题，不适用于跨度较大的空间网架结构和空间网壳结构；

④使用寿命不足：采用普通低碳钢制作的屈曲约束支撑的外表面防锈涂料极易在加工、运输、安装及使用过程中受到损坏丧失防锈效果，导致其远未达到使用年限即已产生严重锈蚀，降低使用寿命。

因此，如何提供一种内芯板不易失效、充分发挥约束单元轴向性能、自重较轻、使用寿命长的装配式防屈曲支撑是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑，旨在解决现有的屈曲约束支撑内芯板易断裂失效、约束单元未充分发挥作用、自重较大、使用寿命不足的弊端。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑，其特征在于：该屈曲约束支撑包括以下组件：限位连接组件、外部约束组件、支撑内芯板组件。其中限位连接组件包括：4个限位滑块、端部连接螺栓群、4个端部连接板、4个端部连接垫板、2个梁柱连接板；外部约束组件包括：外部约束连接螺栓群、1个止动塞、4个约束板加劲肋板、2个约束板、2个约束板垫板；支撑内芯板组件包括：4个内芯板加劲肋板、1个内芯板；该屈曲约束支撑解决了普通屈曲约束支撑内芯板因中部耗能段开孔削弱或端部连接段焊接加劲肋板等原因导致薄弱部位因较大轴力或疲劳载荷作用下的断裂失效问题；普通屈曲约束支撑未充分发挥外部约束单元的轴向抗拉压刚度，将约束单元端部延伸并设置滑块预留孔，并控制预留孔最大长度与滑块最大长度之差为内芯板最大轴向位移；内芯板与端部连接板使用螺栓连接，主要承受轴向力作用，提供轴向刚度及屈服耗能作用，通过在内芯板中部耗能段开孔削弱或端部连接段焊接加劲肋板来控制内芯板塑性发展区域，外部约束组件仍起到防止内芯板屈曲失稳的目的；震后只需通过拆卸外部约束连接螺栓群及端部连接螺栓群即可将有损伤的内芯板抽离更换，也避免了因内芯板局部损伤而更换屈曲约束支撑造成的材料浪费，且更换内芯板后的屈曲约束支撑仍可继续使用，满足震后功能恢复需求。

所述的一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑，其特征在于：其使用耐候钢或者铝合金材料，耐候钢和铝合金均具有耐腐蚀、不锈蚀的特性，长期使用不用维护，耐久年限远超过采用低碳钢制作的屈曲约束支撑，大幅度降低综合建设成本，并且耐候钢和铝合金还具有强度大且塑性变形能力佳的优点；使用耐候钢制成的屈曲约束支撑可用于一般的多、高、超高层建筑，使用铝合金制成的屈曲约束支撑能够大大降低自身重量，可用于跨度较大的空间网架结构和空间网壳结构。

所述的限位连接组件，其特征在于：限位滑块包括连接螺栓、上下垫板和滑块；滑块两端呈半圆形，与预留孔接触时贴合面积更大，可以有效的避免因应力集中导致端部连接板挤压或剪切破坏；端部连接板开滑块活动孔，通过限位滑块连接外部约束组件，可控制内芯板的最大轴向变形，有效分担轴力的作用。

所述的外部约束组件，其特征在于：约束板和约束板垫板两端延伸段开滑块活动孔，通过滑块与限位连接组件实现连接。

所述的支撑内芯板组件，单块通长分为两段：端部连接段——通过螺栓连接限位连接组件，传递轴向力，可通过焊接加劲肋板来避免内芯板端部发生折曲破坏；中部耗能段——内芯板塑性发展区域，当端部连接区加强时耗能区可不进行削弱处理，当端部连接区未加强时可采用开孔削弱或狗骨削弱的方式进行控制，保证该区域截面抗拉承载力弱于端部连接区，从而将塑性变形控制在该区域内，中心设置止动塞预留孔，通过止动塞连接外部约束组件，限制其滑动。

一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑的使用方法，步骤如下：

步骤一：首先的焊接工作有：将内芯板通过焊接与4个内芯板加劲肋板连接成为支撑内芯板组件，当使用削弱型内芯板时则没有此项操作；

步骤二：将个约束板通过焊接与2个约束板加劲肋板连接；将1个梁柱连接板通过焊接与2个端部连接板连接；

步骤三：将支撑内芯板组件定位于2个约束板和2个约束板垫板之间，再通过外部约束连接螺栓群固定连接，而2个约束板和2个约束板垫板拼装形成的空腔形状相同于被包裏的支撑内芯板组件，但空隙尺寸大于支撑内芯板组件尺寸，即使约束部件与支撑内芯板组件之间存在一定的间隙，以保证支撑内芯板具有足够的屈服空间，而该间隙值可根据设计需求确定；

步骤四：将止动塞穿过止动塞预留孔，至此完成支撑内芯板组件与外部约束组件连接工作；

步骤五：将已焊接端部连接板的梁柱连接板通过螺栓连接或焊接的方式固定至预设屈曲约束支撑的梁柱节点处，同时将支撑内芯板组件与外部约束组件连接组件和端部连接垫板定位其中，然后将端部连接螺栓群7连接端部连接板、端部连接垫板9、内芯板，实现端部连接组件与支撑内芯板组件的连接；

步骤六：最后将限位滑块贯通端部连接板预留孔、约束板预留孔、约束板垫板预留孔，完成端部连接组件与外部约束组件的连接，实现“滑动、限位”的功能。

当梁柱连接板和端部连接板是一体构件则没有此项操作。

本专利的有益效果如下：

支撑内芯板不易断裂失效，约束单元充分发挥作用，构件安全性提高。通过将外部约束单元两端延伸并在端部设置长度较滑块长的预留孔，将限位滑块穿过端部连接板和约束单元连接两者，充分发挥约束单元的轴向作用，控制预留孔最大长度与滑块最大长度之差为内芯板最大轴向位移值，即可保证内芯构件屈服变形耗能作用，又可控制内芯板的轴向位移不超限值，为建筑结构再添安全保障，此为本领域首创。

自重较轻、适用范围广泛，耐腐蚀性强、使用寿命长。耐候钢和铝合金均具有耐腐蚀、不锈蚀的特性，长期使用不用维护，耐久年限远超过采用低碳钢制作的屈曲约束支撑，大幅度降低综合建设成本，并且耐候钢和铝合金还具有强度大且塑性变形能力佳的优点；使用耐候钢制成的屈曲约束支撑可用于一般的多、高、超高层建筑，使用铝合金制成的屈曲约束支撑能够大大降低自身重量，可用于跨度较大的空间网架结构和空间网壳结构。

装配化程度高，生产及安装难度低、时间短。各构件均可在工厂预制完成，通过螺栓及焊接实施装配，加工精度高，没有过于繁杂的施工工序，震后只需通过拆卸螺栓即可将有损伤的构件抽离更换，也避免了因部分构件局部损伤而更换屈曲约束支撑造成的材料浪费，且更换构件后的屈曲约束支撑仍可继续使用，满足震后功能恢复需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑的三维图。

图2为一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑的组件图：(a)为限位连接组件；(b)为外部约束组件；(c)为支撑内芯板组件。

图3为一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑的拆分图。

图4为一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑的正视图。

图5为一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑的俯视图。

图6为一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑的侧视图

图7为一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑的限位滑块示意图：(a)为三维图；(b)为拆分图。

图8为可供选择的构件形式：(a)为削弱式内芯板屈曲约束支撑的局部三维图；(b)为削弱式内芯板屈曲约束支撑的局部拆分图；(c)与梁柱焊接时端部连接板的示意图；(d)与梁柱螺栓连接时端部连接板的示意图。

图中：1限位滑块；2外部约束连接螺栓群；3止动塞；4约束板加劲肋板；5约束板；6约束板垫板；7端部连接螺栓群；8端部连接板；9端部连接垫板；10梁柱连接板；11内芯板加劲肋板；12内芯板；13止动塞预留孔；14约束板预留孔；15约束板垫板预留孔；16端部连接板预留孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示，一种限位式复刚度装配型屈曲约束支撑，包括以下组件：限位连接组件、外部约束组件、支撑内芯板组件。其中限位连接组件包括：4个限位滑块1、端部连接螺栓群7、4个端部连接板8、4个端部连接垫板9、2个梁柱连接板10；外部约束组件包括：外部约束连接螺栓群2、1个止动塞3、4个约束板加劲肋板4、2个约束板5、2个约束板垫板6；支撑内芯板组件包括：4个内芯板加劲肋板11、1个内芯板12。

限位滑块1的三维图及拆分图分别见图7a、图7b，其包括连接螺栓、上下垫板和滑块。滑块两端呈半圆形，与预留孔接触时贴合面积更大，可以有效的避免因应力集中导致端部连接板8挤压或剪切破坏；控制其长度与预留孔14、15的长度之差为内芯板最大轴向位移值，当内芯板达到最大位移时，滑块与预留孔14、15接触，有效分担轴力，避免内芯板因变形过大而断裂失效；控制其高度比预留孔14、15的高度略大，宽度比预留孔14、15的宽度略小，保证其能够滑动，不影响内芯板在工作范围内屈服耗能；上下垫板形状同滑块类似，尺寸比滑块略大，保证滑块在预留孔中滑动而不脱落。安装时首先将螺母穿过垫板、滑块，然后将其穿过预留孔洞，最后套上垫片并拧上螺帽，完成限位滑块的安装。端部连接板8为板状结构，其预留螺栓孔及滑块活动孔，通过端部连接螺栓群7连接内芯板12，可实现传递轴力，使得内芯板12屈服耗能的作用，通过限位滑块1连接外部约束组件，可控制内芯板12最大轴向变形，有效分担轴力的作用。端部连接垫板9为长方体结构，中部预留螺栓孔，其厚度为约束板5厚度与约束板及内芯板的间隙之和，主要起固定内芯板5端部的作用。梁柱连接板10为板状结构，连接梁柱及端部连接板8，通过焊接的方式与端部连接板8连接，通过焊接或者螺栓连接的方式与梁柱连接，其示意图分别见图8c、图8d。梁柱连接板10与端部连接板8也可用弯折块板或铸造的方式形成一体构件。

止动塞3通常由较小尺寸的螺栓或圆金属棒构成，其主要作用是防止约束板5与内芯板12相对滑动。约束板加劲肋板4为长方体结构，通过焊接的方式与约束板5连接，可有效提高约束板5的抗弯承载力。约束板5为板状结构，两侧开螺栓孔，两端延伸段开滑块活动孔。约束板垫板6为长方体结构，且厚度大于内芯板12厚度，中间开螺栓孔，两端延伸段开滑块活动孔，两者通过外部约束连接螺栓群2连接可形成比内芯板12尺寸略大的约束空间。

内芯板加劲肋板11为长方体结构，内芯板12端部连接段两侧分别焊接内芯板加劲肋板11，且内芯板12与内芯板加劲肋板11呈十字形结构布置，起保护内芯板12端部连接段不发生弯折变形的作用。当内芯板12采用削弱形式时，则不需要对内芯板12端部进行加强，即不需要内芯板加劲肋板11，示意图见图8a、图8b。内芯板12通常为一字形板状结构，可采用中部耗能段削弱的方式或者端部连接段加强的方式来保证端部不变形。内芯板12也可采用十字形、圆形等，需要对连接组件和外部约束组件依据“滑动、限位”的原理进行构造。

具体组装时，(1)首先的焊接工作有：将内芯板12通过焊接与4个内芯板加劲肋板11连接成为支撑内芯板组件，当使用削弱型内芯板时则没有此项操作；将1个约束板5通过焊接与2个约束板加劲肋板4连接；将1个梁柱连接板10通过焊接与2个端部连接板8连接，当梁柱连接板10和端部连接板8是一体构件(使用弯折块板或铸造的方式成件)则没有此项操作；(2)然后，将支撑内芯板12组件定位于2个约束板5和2个约束板垫板6之间，再通过外部约束连接螺栓群2固定连接，而2个约束板5和2个约束板垫板6拼装形成的空腔形状相同于被包裏的支撑内芯板组件，但空隙尺寸大于支撑内芯板组件尺寸，即使约束部件与支撑内芯板组件之间存在一定的间隙，以保证支撑内芯板具有足够的屈服空间，而该间隙值可根据设计需求确定，继而，将止动塞3穿过止动塞预留孔13，至此完成支撑内芯板组件与外部约束组件连接工作；(3)之后将已焊接端部连接板8的梁柱连接板10通过螺栓连接或焊接的方式固定至预设屈曲约束支撑的梁柱节点处，同时将支撑内芯板组件与外部约束组件连接组件和端部连接垫板9定位其中，然后将端部连接螺栓群7连接端部连接板8、端部连接垫板9、内芯板12，实现端部连接组件与支撑内芯板组件的连接；(4)最后将限位滑块1贯通端部连接板预留孔16、约束板预留孔14、约束板垫板预留孔15，完成端部连接组件与外部约束组件的连接，实现“滑动、限位”的功能。

本发明未尽事宜为公知技术。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。