本发明涉及建筑
技术领域：
，尤其涉及一种利用金属耗能元件并约束平面外屈曲的防屈曲金属消能构件、剪力墙结构以及连梁结构。
背景技术：
：纯钢板剪力墙是一种可内嵌在框架结构中的抗侧力构件，在正常使用情况下，它只承受水平剪力作用。普通钢板剪力墙在水平剪力作用下易发生面外凸起形式的屈曲，屈曲后形成斜向拉力场，以拉力场中拉力带来平衡水平力。由于拉力带只能承受拉力，另一斜向压力场中压力带的受压屈曲临界荷载一般远低于其屈服承载力，因此压力场很容易就会发生面外屈曲。针对纯钢板剪力墙的不足，现有技术中提出了屈曲约束墙的概念。但是屈曲约束墙由于在墙的全高设置约束元件，会导致成本太高。耗能减震结构在工程界的引入得到了广泛的研究与使用，耗能减震作为一种被动控制方式，其主要原理是通过在结构中设置特定的附加耗能元件，将地震动输入给结构的能量引向耗能元件，从而吸收大部分地震动输入能量，减轻结构的损伤程度。因此，采用了耗能元件的结构，塑性损伤集中在耗能元件，损伤后只需要替换核心耗能元件。如图1所示，为现有技术中应用于钢板墙的芯板在图中x方向和y方向组成的平面中的结构示意图，其中示出了作为耗能元件使用的芯板101的具体形状。图2为采用该芯板101的钢板墙的结构示意图，其中在芯板101的表面进一步增加了约束元件102。从图中可以看出，为了保持整个钢板墙的结构稳定，约束整个钢板墙在面外凸起形式的屈曲，需要在整个芯板101设置约束元件102，从而在整个钢板墙的全高设置约束元件，需要使用大量的钢材，结构复杂且成本很高。技术实现要素：针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种防屈曲金属消能构件、剪力墙结构以及连梁结构，利用金属耗能元件并约束平面外屈曲，弹性连接元件可以灵活调整整个消能构件的刚度，并且无需在整个消能构件的全长设置约束元件。本发明实施例提供一种防屈曲金属消能构件，包括：耗能元件，所述耗能元件为金属耗能元件，且所述耗能元件包括两个表面、两个侧面和两个端面；第一防屈曲元件，所述第一防屈曲元件设置于所述耗能元件的两个表面；两个弹性连接元件，所述弹性连接元件分别设置于所述耗能元件的两个端面。优选地，还包括第二防屈曲元件，所述第二防屈曲元件设置于所述弹性连接元件的两个表面，所述弹性连接元件的两个表面平行于所述耗能元件的两个表面。优选地，还包括加劲肋，所述加劲肋设置于所述弹性连接元件的两个表面，所述弹性连接元件的两个表面平行于所述耗能元件的两个表面。优选地，所述耗能元件的屈服强度值低于所述弹性连接元件的屈服强度值。优选地，所述耗能元件包括芯板和两个侧板，所述芯板包括两个表面、两个侧面和两个端面，所述芯板的两个端面分别连接所述弹性连接元件，所述芯板的两个侧面分别连接所述侧板，所述芯板的两表面分别设置有所述第一防屈曲元件。优选地，所述芯板以及所述芯板的两个表面的所述第一防屈曲元件的厚度之和小于等于所述侧板的宽度。优选地，所述耗能元件满足如下公式：其中，b1f为所述芯板的宽度，单位为mm；nby为所述耗能元件的预设屈服承载力，单位为x104n；t1f为所述芯板的厚度，单位为mm；fy为所述芯板所用材料的屈服强度值，单位为n/mm2；ηy为所述芯板所用材料的超强系数，无单位。优选地，所述弹性连接元件包括腹板和位于所述腹板两侧的两个翼缘，所述弹性连接元件和所述耗能元件的端面之间分别设置有一连接板，所述弹性连接元件背离所述耗能元件的一端设置有盖板，且所述盖板背离所述弹性连接元件的一端设置有端部连接板。优选地，满足如下公式：h1f＝b1f×ψ1tg＝tlb2f＝b1f×ψ2l＝b2f+t2y×2t2f≥t1f，且t2f≤100t2y≥t1y，且t2y≤70其中，h1f为所述芯板的高度，单位为mm；b1f为所述芯板的宽度，单位为mm；ψ1为所述芯板的预设高宽比，无单位；h2f为所述腹板的高度，单位为mm；h为所述防屈曲金属消能构件的高度，单位为mm；tg为所述盖板的高度，单位为mm；h6为所述端部连接板的高度，单位为mm；tl为所述连接板的高度，单位为mm；b2f为所述腹板的宽度，单位为mm；ψ2为所述腹板与所述芯板的预设宽度比，无单位；l为所述防屈曲金属消能构件的宽度，单位为mm；t2y为所述翼缘的宽度，单位为mm；t2f为所述腹板的厚度，单位为mm；t1f为所述芯板的厚度，单位为mm；t1y为所述侧板的宽度，单位为mm。优选地，所述耗能元件满足如下公式：α＝(l0-(l1-l2)/h1f<α0其中，α为所述耗能元件的最大剪切角，l0为设计位移，l1为所述防屈曲金属消能构件的整体屈服位移，l2为所述耗能元件的屈服位移，h1f为所述芯板的高度，α0为所述耗能元件的容许延性比，且l0、l1、l2和h1f单位相同。优选地，所述弹性连接元件和所述耗能元件的端面之间分别设置有一连接板，所述第一防屈曲元件包括多个悬臂，各个所述悬臂的一端固定于所述连接板上。优选地，所述耗能元件的各个表面分别设置有两个所述悬臂，位于同一表面的两个所述悬臂的一端分别连接至两块所述连接板。优选地，所述耗能元件为剪切型或弯曲型耗能元件。优选地，所述耗能元件由q235钢、ly100钢、ly225钢和ly160钢中的至少一种制成；所述弹性连接元件由q345钢、q390钢或q420钢中的至少一种制成。本发明实施例还提供一种剪力墙结构，包括所述的防屈曲金属消能构件。本发明实施例还提供一种连梁结构，包括所述的防屈曲金属消能构件。本发明所提供的防屈曲金属消能构件、剪力墙结构以及连梁结构具有下列优点：本发明提供了一种利用金属耗能元件并约束平面外屈曲的技术方案，弹性连接元件可以灵活调整整个消能构件的刚度，并且无需在整个消能构件的全长设置约束元件；塑性损伤集中在耗能元件，损伤后只需更换核心耗能元件即可，设计方法灵活，构造简单，可以很好地适用于钢板墙构件或连梁构件，减少了钢材使用，从而降低产品成本。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。图1是现有技术中用于钢板墙的芯板的结构示意图；图2是现有技术中钢板墙的结构示意图；图3～4是本发明一实施例的防屈曲金属消能构件的正视图；图5是本发明一实施例的防屈曲金属消能构件的侧视图；图6～7是本发明另一实施例的防屈曲金属消能构件的正视图；图8是本发明另一实施例的防屈曲金属消能构件的侧视图；图9是本发明的一种实施方式的第一悬臂的结构示意图。具体实施方式现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。图中表示方向的x、y和z在各个图中的指向相同。另外各个部件的宽度指的是在x方向上的宽度，高度指的是在y方向上的高度，厚度指的是在z方向上的厚度。如图3～5所示，本发明一实施例提供一种防屈曲金属消能构件，图3中示出了所述防屈曲金属消能构件的基本结构。所述防屈曲金属消能构件包括耗能元件1、第一防屈曲元件2和至少一个弹性连接元件3。图3中，所述耗能元件1中部加粗线条表示的即为所述第一防屈曲元件2。所述耗能元件1为金属耗能元件，且所述耗能元件1包括前后两个表面、左右两个侧面和上下两个端面；所述第一防屈曲元件2设置于所述耗能元件1的前后两个表面，防止所述耗能元件1表面的屈曲突出；所述弹性连接元件3设置于所述耗能元件1的至少一个端面，即所述弹性连接元件3设置于所述耗能元件1的上方或下方。如图3所示，所述弹性连接元件3优选为两个，分别设置于所述耗能元件1的上方和下方。进一步地，所述弹性连接元件3的数量也可以根据实际需要进行调整，而不以此处列举为限。所述耗能元件的屈服强度值优选低于所述弹性连接元件的屈服强度值。本发明的防屈曲金属消能构件采用金属耗能元件，塑性损伤集中在耗能元件1，损伤后只需要替换核心耗能元件1，而无需替换整体防屈曲金属消能构件，从成本上大大降低。并且所述弹性连接元件3可以灵活地调整整个防屈曲金属消能构件的刚度。防屈曲元件可以只设置在耗能元件1部分，而不需在全墙设置，也大大减少了防屈曲元件的采用。在所述弹性连接元件3板厚比较薄时，可以进一步在所述弹性连接元件3处也增加防屈曲元件，防止弹性连接元件表面的屈曲突出。因此该实施例的防屈曲金属消能构件还可以包括第二防屈曲元件4，所述第二防屈曲元件4设置于所述弹性连接元件3的前后两个表面，所述弹性连接元件3的两个表面与所述耗能元件1的两个表面相对应。所述第二防屈曲元件4可以选择性地在弹性连接元件3上设置，可以进一步增强弹性连接元件3部分的抗震能力。在所述弹性连接元件板厚较厚，承载变形能力较强时，也可以不设置所述第二防屈曲元件4。进一步地，所述耗能元件1可以包括芯板11和位于所述芯板11两侧的两个侧板12，且所述第一防屈曲元件2设置于所述芯板11的前后两个表面。所述芯板12和侧板12之间采用焊接连接，或螺栓连接。所述芯板11的厚度t1f以及所述芯板11的两个表面的所述第一防屈曲元件2的厚度之和小于等于所述侧板12的宽度。即在z方向上，所述第一防屈曲元件2左右两端均不会突出所述侧板11。所述弹性连接元件3可以采用h型截面钢，具体包括腹板31和位于所述腹板31两侧的两个翼缘32，在腹板31的两侧可以进一步设置所述第二防屈曲元件4。所述弹性连接元件3和所述耗能元件1之间可以通过连接板5相连接。此处与现有技术进行对比。如图2所示，现有技术中的约束元件102的定位需要在现有技术的芯板101上开孔实现，由此会对现有技术的芯板101造成损伤。本发明的第一防屈曲元件2包括多个第一悬臂21，各个所述第一悬臂21可以采用如图9所示的形状，各个所述第一悬臂21的一端连接到所述连接板5上，另一端位于所述芯板12的表面范围之内，而不再需要另外在所述芯板11上开孔设置连接件，在对第一防屈曲元件2定位固定的同时也避免了对芯板11本身的损伤。所述第一悬臂21和所述连接板5的连接可以通过焊接方式，也可以通过螺栓连接方式。同样地，在设置有所述第二防屈曲元件4时，所述第二防屈曲元件4也可以设置为多个第二悬臂41，所述第二防屈曲元件的第二悬臂41的一端连接到所述连接板5上，另一端位于所述弹性连接元件3的表面范围之内，避免开孔对所述弹性连接元件3本身的损伤。在图示的实施方式中，所述第一防屈曲元件2包括位于所述耗能元件1的两个表面的四个第一悬臂21，即所述耗能元件1的两个表面分别设置上下两个第一悬臂21，所述第二防屈曲元件4包括分别位于两个弹性连接元件3的各个表面的八个第二悬臂41，即各个所述弹性连接元件3的两个表面分别设置有上下两个第二悬臂41。进一步地，所述弹性连接元件3背离所述耗能元件1的一端还设置有盖板6，且所述盖板6背离所述弹性连接元件3的一端设置有端部连接板7。由所述耗能元件1、弹性连接元件3、第一防屈曲元件2、连接板5、盖板6和端部连接板7构成了一个完整的防屈曲金属消能构件的优选结构。各个部件之间可以通过焊接或螺栓连接等方式互相连接固定。如图4和图5中，示出了本发明的防屈曲金属消能构件各部分的尺寸标注。当已知所述耗能元件的预设屈服承载力、屈服位移和墙的高度时，可以通过以下步骤实现产品设计：(1)耗能元件设计：其中，b1f为所述芯板的宽度，单位为毫米(mm)；nby为所述耗能元件的预设屈服承载力，单位为x104n；t1f为所述芯板的厚度，单位为mm；fy为所述芯板所用材料的屈服强度值，单位为n/mm2；ηy为所述芯板所用材料的超强系数，无单位。具体地，所述芯板所用材料的屈服强度值可以按如下表1选择：表1屈服强度值对照表其中可以看出，q235、ly100、ly225和ly160相对于其他的金属材料，具有较低的屈服点。所述耗能元件优选为弯曲型或剪切型耗能元件，且所述耗能元件的芯板优选由q235钢、ly100钢、ly225钢和ly160钢中的至少一种制成，即优选采用具有较低屈服点的金属材料制成。所述耗能元件的侧板可以选用q345钢制成，但不以此为限。而所述弹性连接元件优选由q345钢、q390钢或q420钢中的至少一种制成，即所述弹性连接元件优选由较高屈服点的金属材料制成。所述第一防屈曲元件和所述第二防屈曲元件的材质优选为q345、q235等钢材制成。由低屈服点或者极低屈服点钢板制成的耗能元件，其消能机理简单，造价低，效果显著，同时耗能元件可以作为非承重构件安装在墙体或连梁中，在正常使用状态下其能够提高结构的整体刚度；在小震情况下建筑结构本身就能够满足抗震设防要求，所述耗能元件可以不进入或较小部分进入塑性阶段；在遇到中震或罕遇地震时，所述耗能元件要率先进入塑性阶段，依靠其产生的塑性变形来降低结构的地震反应，其自身的破坏不会影响整体结构的使用。所述芯板所用材料的超强系数可以按如下表2选择：表2超强系数对照表材料牌号超强系数ηyly1001.25ly1601.15ly2251.1q2351.25q3451.1q3901.05q4201.05(2)弹性连接元件设计：h1f＝b1f×ψ1tg＝tlb2f＝b1f×ψ2l＝b2f+t2y×2t2f≥t1f，且t2f≤100t2y≥t1y，且t2y≤70其中，h1f为所述芯板的高度，单位为mm；b1f为所述芯板的宽度，单位为mm；ψ1为所述芯板的预设高宽比，无单位，一般为0.8～1.7之间的值；h2f为所述腹板的高度，单位为mm；h为所述防屈曲金属消能构件的高度，单位为mm；tg为所述盖板的高度，单位为mm；h6为所述端部连接板的高度，单位为mm，默认为80mm；t6为所述端部连接板的高度，单位为mm；tl为所述连接板的高度，单位为mm，所述耗能元件的屈服承载力小于60n/mm2时，取所述连接板的高度为30mm；屈服承载力介于60n/mm2和100n/mm2之间(包含端值)时，取高度为40mm；屈服承载力大于100时，取高度为50mm；b2f为所述腹板的宽度，单位为mm；ψ2为所述腹板与所述芯板的预设宽度比，无单位，且ψ2≥1.1；l为所述防屈曲金属消能构件的宽度，单位为mm；t2y为所述翼缘的宽度，单位为mm；t2f为所述腹板的厚度，单位为mm；t1f为所述芯板的厚度，单位为mm；t1y为所述侧板的宽度，单位为mm，所述芯板的厚度t1f<40mm时，取所述侧板的宽度为20mm，所述芯板的厚度t1f≥40mm时，取侧板的宽度为30mm。(3)根据上述公式计算了所述防屈曲金属消能构件的各个尺寸参数之后，需要对如下几个项目进行验算，如果不满足，则需要调整各个部分的板厚尺寸重新验算：①耗能元件最小高度比；a.控制耗能元件的最大剪切角限值，默认为0.08；b.耗能元件的最大剪切角满足如下公式：α＝(l0-(l1-l2)/h1f<α0其中，α为所述耗能元件的最大剪切角，l0为设计位移，l1为所述防屈曲金属消能构件的整体屈服位移，l2为所述耗能元件的屈服位移，h1f为所述芯板的高度，α0为所述耗能元件的容许延性比，且l0、l1、l2和h1f单位相同。延性是指构件和结构屈服后，具有承载力不降低或基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性,即塑性变形能力的大小；延性比即为弹塑性位移增大系数。延性是指材料、构件、结构在初始强度没有明显退化的情况下的非弹性变形能力。②校核所述防屈曲金属消能构件的宽度l是否小于限值；③校核所述防屈曲金属消能构件的厚度b是否满足墙厚方向限值。因此，通过调整弹性连接元件或者其他部分的高度或厚度，可以灵活地调节整个防屈曲金属消能构件的刚度。如图6～8所示，为本发明另一实施例的防屈曲金属消能构件的结构示意图，其中示出了本发明另一实施例的防屈曲金属消能构件的具体结构。该实施例与上一实施例相比，区别在于，所述防屈曲金属消能构件还包括加劲肋8，所述加劲肋8设置于所述弹性连接元件3的前后两个表面，所述弹性连接元件3的前后两个表面与所述耗能元件1的前后两个表面相对应。所述加劲肋8的材质优选为q345、q235等钢材。当所述弹性连接元件3采用h型截面时，所述加劲肋8优选设置于所述弹性连接元件3的腹板31的前后两个表面。同样地，该实施例中还可以进一步设置连接板5、盖板6和端部连接板7；第一防屈曲元件2可以包括多个第一悬臂21，各个所述第一悬臂21的一端连接至连接板5上，图示的实施方式中，所述第一防屈曲元件2包括在所述耗能元件1的两个表面设置的四个第一悬臂21。该实施例中采用加劲肋8，相比于上一实施例中设置第二防屈曲元件4，无需在所述防屈曲金属消能构件的整体设置防屈曲元件，可以减少钢材的使用，更为经济，适用于弹性连接元件3本身具有一定的厚度的情况。但是有时候弹性连接元件3的腹板31可能会设置得比较薄(但是为了满足目标刚度必须要设置成比较薄的状态)，若设置加劲肋8则需要设置的数量很多，不利于焊接，这时用第二防屈曲元件4可以避免在较薄的弹性连接元件3的腹板31上焊接。因此，在实际应用中，可以根据实际刚度和成本进行综合考虑选择适合的方式，均属于本发明的保护范围之内。本发明的防屈曲金属消能构件可以应用于钢板墙中，作为墙构件使用。采用普通钢板或低屈服点钢板作为核心耗能元件，能够推算出产品的疲劳性能；钢板两侧通过防屈曲元件约束平面外屈曲，并且进一步设置弹性连接元件，可以灵活调整整个金属消能构件的刚度，相对于现有技术中在全墙设置约束元件的方式，结构更为灵活，减少了钢材的使用；在产生塑性损伤后只需要更换核心耗能元件即可，从而减少了后期更换维修的成本。另外，本发明的防屈曲金属消能构件还可以应用于屈服耗能连梁中，作为连梁构件使用。采用该种防屈曲金属消能构件，可大幅度提高连梁的承载力和耗能能力，可以根据需要设计成弯曲耗能型、剪切耗能型或弯剪耗能型，具有屈服时机可控，震后可更换等优点；对耗能元件设置防屈曲元件，而对弹性连接元件可设置或不设置防屈曲元件，构造简单，概念清晰，设计方式灵活。本发明所提供的防屈曲金属消能构件、剪力墙结构以及连梁结构具有下列优点：本发明提供了一种利用金属耗能元件并约束平面外屈曲的技术方案，弹性连接元件可以灵活调整整个消能构件的刚度，并且无需在整个消能构件的全长设置约束元件；塑性损伤集中在耗能元件，损伤后只需更换核心耗能元件即可，设计方法灵活，构造简单，可以很好地适用于钢板墙构件或连梁构件，减少了钢材使用，从而降低产品成本。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页12