耗能钢棒和具有其的混凝土耗能结构的制作方法

本发明涉及土木工程结构消能减震技术领域，更具体地，涉及一种土木工程结构消能减震。

背景技术：

传统结构通过节点的延性变形来耗能抗震。比如钢框架，钢筋混凝土框架，钢筋混凝土剪力墙等结构体系，地震后结构节点处往往产生较大的塑性变形，混凝土压溃，钢筋受压屈曲，损伤严重，因此增加了修复的费用和难度。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出了一种耗能钢棒，所述耗能钢棒的耗能能力强，变形能力大，可以提高结构的抗震性能，减小主体结构的损伤。

本发明还提出了一种具有上述耗能钢棒的混凝土耗能结构。

根据本发明实施例的耗能钢棒，包括：钢棒本体，所述钢棒本体上设有削弱其强度的削弱结构，以使所述钢棒本体的至少一部分形成为耗能段；一个或两个连接段，一个或两个所述连接段设在所述钢棒本体的一端或两端且与所述钢棒本体同轴设置，所述耗能段的强度小于所述钢棒本体的未形成所述耗能段的部分的强度以及所述连接段的强度。

根据本发明实施例的耗能钢棒，耗能能力强，变形能力大，可以提高结构的抗震性能，减小主体结构的损伤。

另外，根据本发明上述实施例的耗能钢棒还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述钢棒本体的横截面形成为圆形，所述削弱结构形成为设在所述钢棒本体的外周面的切边结构，所述耗能段的横截面形成为多边形，所述多边形以所述圆形为外接圆。

可选地，所述多边形的每条边形成为直线形或内凸弧形。

根据本发明的一些实施例，所述钢棒本体的横截面为方形，所述耗能结构形成为贯穿所述钢棒本体的两个相对侧面的耗能孔，所述耗能孔为圆形孔或多边形孔。

可选地，所述耗能孔包括多个，多个所述耗能孔沿所述钢棒本体的轴向间隔开设置，每个所述耗能孔的延伸方向与所述耗能段的轴向垂直。

根据本发明的一些实施例，所述钢棒本体的横截面为方形，所述削弱结构形成为耗能槽，所述耗能槽设在所述钢棒本体的两个相对侧面上且关于所述钢棒本体的中心轴线对称设置。

可选地，所述耗能槽为V形槽且沿所述钢棒本体的轴向分布有多个，相邻的两个所述耗能槽的侧壁相连且连接处与所述钢棒本体的未设置耗能槽的外周面平齐。

可选地，所述钢棒本体和所述连接段为一体件。

根据本发明实施例的混凝土耗能结构，包括：混凝土层、根据本发明上述实施例的耗能钢棒和无粘结层，所述耗能钢棒设在所述混凝土层内，所述连接段与所述混凝土层相连且伸出所述混凝土层；所述无粘结层包裹在所述耗能钢棒上以将所述混凝土层和所述耗能钢棒间隔开。

根据本发明实施例的混凝土耗能结构，可以提高结构的抗震性能，减小主体结构的损伤，并具有施工简单、更换方便、成本低廉等优点。

根据本发明的一些实施例，所述无粘结层为无粘结保护套，所述无粘结保护套套设在所述耗能钢棒上，所述连接段上设有固定孔，所述耗能钢棒通过伸入所述固定孔内的螺纹紧固件与所述混凝土层相连。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的耗能钢棒的结构示意图；

图2是沿图1中A-A线的剖视图；

图3是根据本发明实施例的耗能钢棒的结构示意图；

图4是沿图3中B-B线的剖视图；

图5是根据本发明实施例的耗能钢棒的结构示意图；

图6是沿图5中C-C线的剖视图；

图7是根据本发明实施例的耗能钢棒的结构示意图；

图8是沿图7中D-D线的剖视图；

图9是根据本发明实施例的耗能钢棒的结构示意图；

图10是根据本发明实施例的耗能钢棒的结构示意图；

图11是根据本发明一些实施例的混凝土耗能结构的结构示意图；

图12是根据本发明另一些实施例的混凝土耗能结构的结构示意图；

图13是根据本发明再一些实施例的混凝土耗能结构的结构示意图。

附图标记：

1000：混凝土耗能结构；

100：耗能钢棒；200：混凝土层；300：无粘结层；401：框架柱；402：框架梁；403：基础；

1：钢棒本体；11：耗能段；12：耗能孔；13：耗能槽；

2：连接段；21：固定孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图详细描述根据本发明实施例的耗能钢棒100，该耗能钢棒100可以应用于混凝土耗能结构1000中，但不限于此。

参照图1-10所示，根据本发明实施例的耗能钢棒100可以包括钢棒本体1和一个或两个连接段2。

钢棒本体1上可以设有削弱其强度的削弱结构，以使钢棒本体1的至少一部分形成为耗能段11。由于削弱结构的强度被削弱，削弱结构可具有较大的变形能力，在受到外界拉力的作用时，耗能段11可以屈服耗能，在受到外界压力的作用时，耗能段11可以发生高阶模态屈曲耗能，因此具有较强的耗能能力。

如图1-图10所示，一个或两个连接段2可以设在钢棒本体1的一端或两端，以方便钢棒本体1的连接。例如，如图1所示，连接段2可为两个，两个连接段2分别设在钢棒本体1的两端。连接段2可与钢棒本体1同轴设置，以在耗能钢棒100受力时连接段2可将手里传递给耗能段11，由耗能段11变形耗能。

耗能段11的强度可以小于钢棒本体1的未形成耗能段11的部分以及连接段2的强度。也就是说，耗能段11的强度小于耗能钢棒100的其余部分的强度。从而耗能钢棒100不受外力时，耗能钢棒100可具有一定强度以提供支撑作用，而耗能钢棒100在受外力作用时，耗能段11优先发生变形，消耗能量。

将耗能钢棒100应用在建筑结构中，发生地震时，耗能段11优先发生变形，消耗地震能量，从而可以提高结构的抗震性能，减小建筑主体结构的损伤。

根据本发明实施例的耗能钢棒100，通过在钢棒本体1上设置削弱其强度的削弱结构，将钢棒本体1的至少一部分形成为耗能段11，将一个或两个连接段2设在钢棒本体1的一端或两端，使耗能段11与钢棒本体1同轴设置，并将耗能段11的强度设置为小于钢棒本体1的未形成耗能段11的部分的强度以及连接段2的强度，从而在受到外力作用时，耗能段11优先发生变形，可以利用耗能段11的变形消耗能量，耗能能力强，变形能力大，进而可以提高结构的抗震性能，减小主体结构的损伤。

根据本发明的一些实施例，如图1-图6所示，钢棒本体1的横截面可以形成为圆形，削弱结构可以形成为设在钢棒本体1的外周面的切边结构，耗能段11的横截面可以形成为多边形，多边形以所述圆形可为外接圆。

也就是说，钢棒本体1为圆柱，钢棒本体1的外周面上设置可以削弱钢棒本体1的强度的切边结构，使耗能段11形成为多边形柱。可以理解的是，多边形以所述圆形为外接圆时，该多边形为正多边形，并且该多边形相对于钢棒本体1的中心轴线对称。

例如，在如图1和图2所示的示例中，钢棒本体1的横截面为圆形，耗能段11的横截面为三角形，三角形以钢棒本体1的横截面圆形为外接圆。在图3和图4所示的示例中，钢棒本体1的横截面为圆形，耗能段11的横截面为正方形，正方形以钢棒本体1的横截面圆形为外接圆。而在图5和图6所示的示例中，钢棒本体1的横截面为圆形，耗能段11的横截面为八边形，并且八边形以钢棒本体1的横截面圆形为外接圆。当然，本发明的结构不限于此，耗能段11的横截面不限于以上描述，还可以是其他多边形，这对本领域的技术人员来说是可以理解的，在此不再详细描述。

由此，可以通过切边结构削弱钢棒本体1的强度，使耗能段11能够优先变形，消耗能量，并且，可以使耗能钢棒100轴向受力时，耗能段11所受的力均匀分布，从而可以提高耗能钢棒100受力时的稳定性。

可选地，如图2和图4所示，多边形的每条边可以形成为直线形，即削弱结构为平面切边结构。或者，如图6所示，对变形的每条边可以形成为内凸弧形，即削弱结构为曲面切边结构。可以理解的是，横截面的每条边为直线形的多边形的耗能段11的强度高于横截面的每条边为内凸弧形的多边形的耗能段11。这样，可以根据实际需要设置多边形中每条边的形状，以满足不同需求。

在一些实施例中，如图7和图8所示，钢棒本体1的横截面可为方形，削弱结构可以形成为切边结构，以形成横截面为菱形的耗能段11，从而可以利用耗能段11的变形实现耗能。当然，本发明的结构不限于此，横截面为方形的钢棒本体1的削弱结构还可以形成为其他形状，对此，本发明不做具体限定。

根据本发明的一些实施例，如图9所示，钢棒本体1的横截面可为方形，削弱结构可以形成为贯穿钢棒本体1的两个相对侧面的耗能孔12，其中，耗能孔12可为圆形孔或多边形孔，通过设置耗能孔12，可以削弱耗能段11的强度，提高耗能段11的变形能力。

可选地，如图9所示，耗能孔12可以包括多个，多个耗能孔12可沿钢棒本体1的轴向间隔开设置，每个耗能孔12的延伸方向与耗能段11的轴向垂直。换言之，每个耗能孔12在垂直于耗能段11的轴向的方向上贯穿钢棒本体1的两个相对的侧面。由此，可以进一步削弱耗能段11的强度，提高耗能段11的变形能力，从而提高耗能钢棒100的耗能能力。

根据本发明的一些实施例，如图10所示，钢棒本体1的横截面可为方形，削弱结构可以形成为耗能槽13，耗能槽13可以设在钢棒本体1的两个相对侧面上，以削弱耗能段11的强度，并且耗能槽13关于钢棒本体1的中心轴线对称设置，使得耗能钢棒100在受力时，耗能段11的受力可以均匀分布，提高耗能钢棒100的稳定性。

可选地，如图10所示，耗能槽13可以形成为V形槽，并且耗能槽13可沿钢棒本体1的轴向分布有多个，换言之，方形钢棒本体1的相对的两个侧面上可以设有多个用于削弱钢棒本体1的耗能槽13，每个耗能槽13内凹形成为V形槽。

可选地，如图10所示，相邻的两个耗能槽13的侧壁相连，并且相连的两个耗能槽13的连接处与钢棒本体1的未设置耗能槽13的外周面可以平齐，从而可以使耗能槽13的结构简单紧凑，而且可以提高耗能段11的受力均匀性，保证耗能段11沿轴向发生变形，提高耗能能力。

根据本发明的一些实施例，钢棒本体1和连接段2可为一体件，从而可以使耗能钢棒100具有一定的强度，在受力时，可以利用耗能段11的屈曲变形消耗能量，不受力时，可以起到一定的支撑作用。

图11-图13分别示出了耗能钢棒100应用于混凝土耗能结构1000中的示意图。如图11-图13所示，根据本发明实施例的混凝土耗能结构1000包括：混凝土层200、根据本发明上述实施例的耗能钢棒100和无粘结层(图中未示出)。

具体而言，耗能钢棒100可以设在混凝土层200内，连接段2可与混凝土层200相连，并且连接段2可伸出混凝土层200，混凝土层200可以约束耗能钢棒100受压屈曲，无粘结层可以包裹在耗能钢棒100上，以将混凝土层200和耗能钢棒100间隔开，使得耗能钢棒100的变形不影响混凝土层200的功能实现。

可以理解的是，由于无粘结层将混凝土层200和耗能钢棒100间隔开，当发生地震时，耗能钢棒100可以发生变形，消耗地震能量，而不会影响混凝土层200，从而可以提高混凝土耗能结构1000的抗震性能，减小混凝土层200的结构损伤。

并且，耗能钢棒100发生变形后，可以更换新的耗能钢棒100，实现震后混凝土耗能结构1000的快速恢复，施工简单，成本低廉，而且更换方便。

根据本发明实施例的混凝土耗能结构1000，通过将根据本发明上述实施例的耗能钢棒100设在混凝土层200内，并利用无粘结层将混凝土层200和耗能钢棒100间隔开，可以通过耗能钢棒100的屈曲变形提高结构的抗震性能，减小主体结构的损伤，并具有施工简单、更换方便、成本低廉等优点。

根据本发明的一些实施例，无粘结层可为无粘结保护套，无粘结保护套可以套设在耗能钢棒100上，连接段2上可设有固定孔21，耗能钢棒100可以通过伸入固定孔21内的螺纹紧固件与混凝土层200相连。由此，可以利用结构本身进行屈曲约束，无需外加外围约束，方便安装，可以降低造价。

可选地，无粘结保护套的壁厚可为1mm-2mm，无粘结保护套可以保证耗能钢棒100承受拉压的时候，不会影响外围混凝土层200的基本受力性能，使得混凝土层200只起到约束作用，保证混凝土耗能结构1000的耗能能力。

根据本发明的一些实施例，混凝土耗能结构1000可以用于梁柱节点，柱脚节点、剪力墙节点等混凝土结构现浇、装配式节点区域，在节点区受到拉压作用时，耗能钢棒100受拉耗能，受压时钢棒受到混凝土层200的约束从而发生高阶屈曲，也耗散地震能量，从而实现消能减震。

图11示出了使用横截面为圆形的耗能钢棒100在现浇梁柱节点中的应用实例之一。

框架柱401和框架梁402分别在现场现浇成节点，框架梁402的预制钢套通过可靠连接与梁整浇在一起。框架梁402的预制钢套的外伸翼缘留有孔洞，以便耗能钢棒100穿过。框架柱401在浇筑时预埋无粘结保护套，以方便耗能钢棒100穿过。

梁柱节点浇筑完成后，可在现场安放并锚固耗能钢棒100，连接段2通过固定螺丝锚固在梁端外伸翼缘的两侧，保证在耗能钢棒100受拉或者受压的情况下，锚固均发生效果。在结构遭遇地震后，耗能钢棒100可进行快速更换，起到功能快速恢复的效果。

图12示出了使用横截面为圆形的耗能钢棒100在现浇柱与基础403节点中的应用实例之一。

框架柱401和基础403分别在现场现浇成节点，框架柱401的预制钢套通过可靠连接与柱整浇在一起。框架梁402的预制缸套的外伸翼缘留有孔洞，以便耗能钢棒100穿过。基础403在浇筑时预埋无粘结保护套、螺丝孔洞，方便耗能钢棒100穿过和锚固。

基础403节点浇筑完成后，可在现场安放并锚固耗能钢棒100，连接段2通过固定螺丝锚固在柱端外伸翼缘的两侧，保证在耗能钢棒100受拉或者受压的情况下，锚固均发生效果。在结构遭遇地震后，耗能钢棒100可进行快速更换，起到功能快速恢复的效果。

图13示出了使用横截面为矩形的耗能钢棒100在现浇梁柱节点中的应用实例之一。

框架柱401和框架梁402分别在现场现浇成节点，框架柱401的预制钢套通过可靠连接与柱整浇在一起。框架梁402的预制缸套的外伸钢块留有孔洞，以便固定耗能钢棒100的连接段2，框架柱401预埋无粘结保护套，以方便耗能钢棒100穿过节点。

浇筑完成后，可在现场安放并锚固耗能钢棒100，耗能钢棒100使用螺栓锚固在梁端外伸钢块的两侧，保证在耗能钢棒100受拉或者受压的情况下，锚固均发生效果。在结构遭遇地震后，耗能钢棒100可进行快速更换，起到功能快速恢复的效果。

综上所述，根据本发明实施例的混凝土耗能结构1000，具有以下优点：

1)震后可快速恢复。传统结构节点地震下破坏严重，修复困难。传统构件节点混凝土破坏后，难以起到约束作用，钢筋受压屈曲，承载力小，更换困难。根据本发明实施例的混凝土耗能结构1000震后拥有在大变形情况下的耗能能力，拆装方便，易于更换。

2)工业化生产效率高。根据本发明实施例的混凝土耗能结构1000的所有部件均在工厂生产，现浇现场只需预留孔洞，装配式构件在工厂进行预留孔洞，现场进行拼装。工业化生产可以保证耗能钢棒100的性能，同时提高生产效率。

3)耗能能力突出。耗能钢棒100通过屈曲约束耗能，滞回曲线饱满，变形能力大，耗能能力强。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“具体实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。