专利名称：失稳变形方向可控的支撑及框架的制作方法
失稳变形方向可控的支撑及框架技术领域
本发明属于建筑工程领域，尤其是一种支撑构件及框架。
背景技术：
目前，张紧柔性抗拉支撑作为多层装配式轻型支撑钢结构建筑的主要抗侧力构件 时，往往安置于钢框架平面内，处于两块轻型墙面板的夹层之中。此类支撑通常以交叉支撑 的形式成对出现，以抵抗两个方向的水平作用。由于支撑的长细比很大，受压后极易失稳。 因而在结构分析中，仅考虑受拉支撑提供的水平抗力，认为受压支撑退出工作，将支撑构件 作为拉杆来设计，并未考虑受压支撑的失稳变形形态对结构可能产生的不利影响。
由于轻型钢结构体系的结构构件截面尺寸较小，且墙体厚度不大，使得钢支撑的 安置空间极为有限，而有限的安置空间所提供的支撑平面外变形空间也是有限的；同时，柔 性支撑受压，会在较小的作用力下产生较大的失稳变形。基于上述原因，如果受压支撑的失 稳变形发生在框架平面外，过大的变形使得支撑接触墙体并对墙体产生挤压作用，极易导 致墙体材料的破坏，影响结构的适用性。
现有的柔性抗拉支撑，包括圆钢支撑和扁钢支撑在内，均难以保证在满足安置空 间要求的同时不发生平面外失稳，即难以控制其失稳变形方向满足特定的设计需要，容易 破坏建筑墙体，影响建筑结构的适用性。发明内容
针对上述的技术缺陷和应用时的不利影响，本发明的目的是提供一种失稳变形方 向可控的轻型钢支撑，使得设计者可以根据设计需要，控制轻型受压支撑的挠曲变形方向。
本发明的技术方案如下
—种失稳变形方向可控的支撑，包括张紧装置，连接装置，所述支撑还包括扁钢 组件，所述扁钢组件包括第一扁钢段、第二扁钢段和第三扁钢段，其中第一扁钢段与第二扁 钢段正交并连接，第二扁钢段和第三扁钢段正交并连接。
所述张紧装置包括第一圆钢段、套筒和第二圆钢，第一圆钢段通过套筒和第二圆 钢段相连，套筒中间部分留有实心部分。
所述套筒实心部分的外侧为两个互相平行的平台。
所述第一扁钢段、第三扁钢段的连接部位分别有一槽口供第二扁钢段对中塞入， 并用若干条角焊缝分别与第二扁钢段连接。
所述第一扁钢段、第三扁钢段的连接部位分别用4条角焊缝与第二扁钢段连接
所述第一圆钢段和第二圆钢段上分别设有方向相反的螺纹，套筒内部两端设有与 第一圆钢段和第二圆钢段相配合使用的螺纹。
所述连接装置包括第一连接板和第二连接板，第一扁钢段与第一连接板相连，所 述第二圆钢段与第二连接板相连。
所述支撑的材质为钢。
本发明还公开了一种支撑框架，包括两个交叉的失稳变形方向可控的支撑，所述 支撑的轴线通过所述框架的柱和梁的轴线的交点。
进一步，所述第二扁钢段的中部通过两个支撑的交叉点。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果
本发明在扁钢组件中采用了两两相邻正交的三段扁钢，通过调节三段扁钢的相对 长度，从而实现在这两个正交方向上的失稳变形方向可控。通过控制失稳变形方向，可以在 满足多层装配式轻型支撑钢结构建筑有限安置空间的条件下，保证支撑不发生框架平面外 失稳，有效地保护了轻型墙体的安全，提高了钢结构建筑的适用性。
本发明的轻型钢支撑的制作工艺较为简单，并且具有良好的延性性能，能满足“强 连接弱构件”的抗震要求。
图1为本发明实施例的主视图2为本发明实施例的俯视图3为图1中沿A-A向的剖面图
图4为图1中沿B-B向的剖面图
图5为图1中沿C-C向的剖面图
图6为图1中沿D-D向的剖面图
图7为图1中沿E-E向的剖面图
图8为图1中沿F-F向的剖面图
图9为图1中沿G-G向的剖面图
图10为应用本发明实施例的支撑框架立面图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的实施例作进一步描述。
图1为本发明实施例失稳变形方向可控的轻型钢支撑的主视图。本发明中的失稳 变形方向可控的轻型钢支撑由扁钢组件、张紧部件和设置在支撑两端的连接部件组成，其 中扁钢组件由第一扁钢段3、第二扁钢段4和第三扁钢段5组成，张紧部件由第一圆钢段6、 套筒8和第二圆钢段9组成，连接部件由第一连接板I和第二连接板10组成，各个部件的 轴线均处于同一直线上。第一连接板I和和第二连接板10上分别开有连接孔2和连接孔 11，以便与钢框架结构的节点板进行连接，并可减少连接部位对支撑端部的转动约束。
第一扁钢段3和第一连接板I采用焊接连接，请同时参阅图3、图4，第一扁钢段3 的平面与第一连接板I的平面相互垂直，具体制作方式为先在第一扁钢段3的连接部位 线切割出一定长度的关于轴线对称的槽口，将第一连接板I塞入第一扁钢段3的槽中，并保 证两者对中，再用若干条角焊缝连接，譬如用4条角焊缝连接，如此即可保持整个支撑在两 个主轴方向的对称性，做到轴心受压，角焊缝需要进行端部绕焊，将所有缝隙填死。请同时 参阅图5、图6，第一扁钢段3和第二扁钢段4采用焊接连接，该两扁钢段平面相互垂直，制 作方式与第一扁钢段3和第一连接板I的制作方式类似，槽口位于第一扁钢段3的另一端。 第二扁钢段4和第三扁钢段5采用焊接连接，两扁钢段平面相互垂直，制作方式与第一扁钢段3和第一连接板I的制作方式类似，槽口位于第三扁钢段5的一端。
图7为图1中沿E-E向的剖面图，第三扁钢段5和第一圆钢段6采用焊接连接，具 体制作方式为在第三扁钢段5的连接部位线切割出一定长度的关于轴线对称的槽口，将 第一圆钢段6塞入第三扁钢段5的槽中，保持两者对中；再用若干条角焊缝连接，譬如用4 条角焊缝连接，如此即可保持整个支撑在两个主轴方向的对称性，做到轴心受压，角焊缝需 要进行端部绕焊，将所有缝隙填死。图9为图1中沿GG向的剖面图，第二圆钢段9和第二 连接板10采用焊接连接，具体制作方式与第三扁钢段5和第一圆钢段6的制作方式类似， 槽口位于第二连接板10上。
第一圆钢段6和第二圆钢段9上分别车有一定长度的螺纹7和螺纹12，螺纹7和 螺纹12的方向相反。第一圆钢段6和第二圆钢段9之间通过套筒8进行机械连接，该连接 可在施工现场完成。套筒8的制作方式为在一直径较大的圆钢两端车出一定长度螺纹方 向相反的螺孔，两端的螺孔不必贯穿整个圆钢，圆钢中部留有一定长度的实心部分，其长度 以稍大于普通扳手的夹持头宽度为宜。为方便扳手夹持，可以在套筒8的外侧加工出利于 扳手夹持的平台，为保证套筒8两端含螺孔截面不因夹持平台而被进一步削弱，可以在套 筒8的实心部分的外侧加工出利于扳手夹持的平台，这也就是需要在套筒8中部留有实心 部分的原因。当然，实心部分的位置并非限定在严格的几何中心，可以根据工程的施工的需 要进行调整。图8为图1中沿F-F向的剖面图，套筒8的实心部分的外侧被加工成为两个 互相平行的平台。
本发明的扁钢组件中第一扁钢段3与第二扁钢段4正交，第二扁钢段4和第三扁 钢段5正交。如果支撑仅包含张紧部分和第二扁钢段，失稳变形会发生在框架平面外，仅引 入第一或第三扁钢段也无法实现失稳变形会发生在框架平面内，故本发明同时引入两者来 调节失稳方向，控制支撑失稳变形发生在框架平面内。如果扁钢组件分段数增加，那么第二 扁钢段所占比例也会增加。通过调节三段扁钢的相对长度，可以改变支撑在两个正交方向 上的抗弯刚度的相对大小，从而实现在这两个正交方向上的失稳变形方向可控。如此，就可 以在满足有限安置空间的条件下，保证支撑不发生框架平面外失稳，有效地保护了轻型墙 体的安全，提高了钢结构建筑的适用性。
以多层装配式轻型支撑钢结构建筑中框架内的中心支撑为例，说明通过调节三段 两两正交扁钢的相对长度，可以实现在两个正交方向上的失稳变形方向可控。图10为该支 撑框架的立面图,框架13柱高3000mm，跨度1200mm，支撑轴线通过框架13柱和框架梁轴线 的交点，使得支撑在理论分析时，可以简化为两端铰接的轴心受压变截面杆件，支撑的总长 度可以根据需要进行调节。支撑被安放在墙体内部，为降低对安置空间的要求，第二扁钢段 4的中部(即不能为开槽段)通过两个支撑的交叉点处。
第一连接板I和第二连接板10的长度均为195mm,截面为矩形截面，板厚均为 8mm，故截面均为70X8的矩形截面。连接孔2和连接孔11均为圆孔，第二连接板10上开 有长75mm，宽25mm的槽口。第一扁钢段3、第二扁钢段4和第三扁钢段的长度分别为14、 13和12，可进行调节，以达到失稳变形方向可控的目的，三者截面均为扁钢截面，第一扁钢 段3和第三扁钢段5的两端均开有长度为75mm的槽。第一圆钢段6、套筒8和第二圆钢段9 的长度分别为245mm、150mm和245mm，第一圆钢段6和第二圆钢段9的截面均为圆钢截面， 两者的一端分别车有正向螺纹和反向螺纹，螺纹长度均为70mm ;套筒8由圆钢加工而成，其两端分别车有的正反向螺纹，螺纹长度为60mm，其截面形状沿长度发生变化。安装完成后， 第一圆钢段6和第二圆钢段9与套筒8的搭接长度均为40mm，三者共同组成的张紧部分总 长度为560mm。
运用静力法对上述支撑进行弹性稳定分析，所谓静力法就是在原始平衡状态附近 的新的位形上建立静力平衡方程，并以新位形取得非零解的条件确定失稳临界荷载的方 法。通过比较两个正交方向上支撑的临界屈曲荷载，可以确定支撑的失稳变形方向，定义 PcrE/Pcrl为框架平面外临界屈曲荷载与框架平面内临界屈曲荷载之比。在保持12+13+14 恒定不变的情况下，随着13的增大，PcrE逐渐增大，PcrI逐渐减小，PcrE/Pcrl逐渐增大， 当PcrE/PcrI>l. O时,支撑失稳变形发生在框架平面外,而随着13的减小,PcrE逐渐减小， PcrI逐渐增大，PcrE/Pcrl逐渐减小，当PcrE/PcrI〈l. O时,支撑失稳变形发生在框架平面 内。在满足支撑的交叉点处由第二扁钢段4通过，且不为开槽段的前提下，根据静力法可 知，当12+14超过13的2倍时，PcrE/PcrKl.O，支撑平面内失稳；反之，则发生平面外失稳。 故仅改变13与12+14的相对大小，即可实现在两个正交方向上的失稳变形方向可控。
以下举例计算说明。若取(14，13，12)= (1255，350，775)，根据静力法求解，得到 PcrE/PcrI=3. 24>1. 0，支撑失稳变形方向被控制在了框架平面内。若取(14，13,12)=(200, 1980，200)，得到PcrE/PcrI=0. 05<1. 0，支撑失稳变形方向被控制在了框架平面外。由此，可 知，本发明可以根据工程的需要，调整扁钢的长度，进而调整失稳的方向。
本发明的轻型钢支撑，其制作及拼装方法包括以下步骤
首先，分别在第一连接板I和第二连接板10的一端开孔，并在第二连接板10的另 一端开槽，槽口关于轴线对称；其次，在第一扁钢段3和第三扁钢段5的两端开槽,槽口关于 轴线对称；然后，对第一圆钢段6和第二圆钢段9进行螺纹加工；接着，套筒8的螺孔加工和 夹持平台加工；然后，将第一连接板I和第一扁钢段3用角焊缝焊接在一起，第一扁钢段3 和第二扁钢段4用角焊缝焊接在一起，将第二扁钢段4和第三扁钢段5用角焊缝焊接在一 起，将第三扁钢段5和第一圆钢段6用角焊缝焊接在一起，将第二圆钢段9和第二连接板10 用角焊缝焊接在一起；最后，利用套筒8，将第一圆钢段6和第二圆钢段9连接起来，完成支 撑的拼装。
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，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该 在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种失稳变形方向可控的支撑，包括张紧装置，连接装置，其特征在于所述支撑还包括扁钢组件，所述扁钢组件包括第一扁钢段、第二扁钢段和第三扁钢段，其中第一扁钢段与第二扁钢段正交并连接，第二扁钢段和第三扁钢段正交并连接。
2.如权利要求1所述的支撑，其特征在于所述张紧装置包括第一圆钢段、套筒和第二圆钢，所述第一圆钢段通过套筒和第二圆钢段相连，其中所述套筒中间部分留有实心部分。
3.如权利要求2所述的支撑，其特征在于所述套筒实心部分的外侧为两个互相平行的平台。
4.如权利要求1所述的支撑，其特征在于所述第一扁钢段、第三扁钢段的连接部位分别有一槽口供第二扁钢段对中塞入，并用若干条角焊缝分别与第二扁钢段连接。
5.如权利要求4所述的支撑，其特征在于所述第一扁钢段、第三扁钢段的连接部位分别用4条角焊缝与第二扁钢段连接。
6.如权利要求1所述的支撑，其特征在于所述第一圆钢段和第二圆钢段上分别有方向相反的螺纹，所述套筒内部两端设有与第一圆钢段和第二圆钢段相配合使用的螺纹。
7.根据权利要求1至6任一项所述的支撑，其特征在于所述连接装置包括第一连接板和第二连接板，所述第一连接板与第一扁钢段相连，所述第二连接板与所述张紧装置相连。
8.根据权利要求7所述的支撑，其特征在于所述支撑的材质为钢。
9.一种采用权利要求1所述的支撑的框架，其特征在于包括两个相交叉的所述支撑， 所述支撑的轴线通过所述框架柱和梁的轴线的交点。
10.如权利要求9所述的框架，其特征在于所述第二扁钢段的中部通过两个支撑的交叉点。
全文摘要
本发明公开了一种失稳变形方向可控的支撑，包括张紧装置，连接装置和扁钢组件，扁钢组件包括第一扁钢段、第二扁钢段和第三扁钢段，其中第一扁钢段与第二扁钢段正交并连接，第二扁钢段和第三扁钢段正交并连接。本发明还公开了一种采用失稳变形方向可控的支撑的框架，包括两个相交叉的支撑，且支撑的轴线通过框架柱和梁的轴线的交点。本发明采用了两两相邻正交的三段扁钢，通过调节三段扁钢的相对长度，从而实现在这两个正交方向上的失稳变形方向可控。本发明可以在满足多层装配式轻型支撑钢结构建筑有限安置空间的条件下，保证支撑不发生框架平面外失稳，有效地保护了轻型墙体的安全，且制作工艺简单，具有良好的延性性能。
文档编号E04B1/24GK103061411SQ20131001847
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月18日 优先权日2013年1月18日
发明者陈以一, 徐婷, 王伟 申请人:同济大学