一种螺纹连接的自应力防屈曲支撑及其装配方法与流程

本发明涉及结构工程技术领域，具体为一种螺纹连接的自应力防屈曲支撑及其装配方法。

背景技术：

支撑-框架结构体系相较于纯框架结构具有更好的延性和抗震性能。在地震作用中，支撑构件能够先于主体结构耗能，作为抗震设防的第一道防线，能够率先耗散掉一部分地震能量，从而降低主体结构的震害程度，符合规范中多道防线的抗震理念。

普通钢支撑受压容易失稳，其欧拉临界力远低于屈服承载力，因此需要较大的构件截面才能满足稳定性要求，而大截面支撑会增加结构的整体刚度，使结构周期变短，由规范中的地震反应谱函数曲线可知，周期越短，结构所承受的地震作用越强，反而需要更大的支撑截面，从而大幅增加用料成本。另外，普通钢支撑由于滞回性能较差，地震作用下耗能效果一般，因此不利于大规模推广。

日本学者为解决普通钢支撑受压容易失稳的弊端，率先提出一种新型耗能支撑构件——屈曲约束支撑(Buckling Restrained Brace，BRB)，这种构件是在核心支撑的外面套一个约束构件，核心支撑和约束构件间能自由滑动，工作时，仅核心支撑与框架结构相连，而约束构件则约束了核心支撑的横向变形，防止核心支撑在压力作用下发生屈曲和局部屈曲。因此，屈曲约束支撑在拉力和压力作用下均可以达到充分的屈服，具有很好的延性，同时它的滞回曲线稳定饱满，明显优于普通钢支撑。

由于屈曲约束支撑采用芯材和套筒分离的解决方案，在实际受力过程中，只有芯材受力，套筒仅提供约束，而不承担任何的轴向作用力，因此造成了一定程度的截面浪费。理论而言，由于支撑构件在轴向受拉作用下不考虑失稳，因此屈曲约束支撑的受拉承载力远低于相同用料成本下的普通钢支撑。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种螺纹连接的自应力防屈曲支撑及其装配方法，不仅具有屈曲约束支撑受压不易失稳的特点，同时能够充分利用构件截面，克服屈曲约束支撑只有芯材受力的缺陷，有效提升构件的轴向受拉承载力。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种螺纹连接的自应力防屈曲支撑，包括外套筒，钢支撑，上端头组件和下端头组件；所述的钢支撑设置在外套筒内部，钢支撑两端分别沿轴向设置上端紧固外螺纹钢柱和下端紧固外螺纹钢柱；所述的上端头组件和下端头组件均包括依次固定连接为一体的紧固端、连接端和双片圆环；紧固端内设置有内螺纹，分别与上端紧固外螺纹钢柱和下端紧固外螺纹钢柱对应配合连接；所述的外套筒的横截面呈圆形，其上端设置外螺纹接口，以及与外螺纹接口螺纹配合的套筒盖；钢支撑的下端通过下端紧固外螺纹钢柱与下端头组件中的紧固端连接固定，钢支撑的上端通过穿过套筒盖的上端紧固螺纹钢柱与上端头组件中的紧固端连接；钢支撑的上端由套筒盖压紧并使钢支撑产生形变；外套筒内浇注有混凝土。

优选的，钢支撑的上端高出外套筒的上端设置，高出的长度为钢支撑屈服位移的130％到150％。

优选的，所述的外套筒下端与下端头组件中的紧固端焊接固定。

优选的，所述的钢支撑为十字形钢支撑，十字形钢支撑的两端截面大于中部截面；十字形钢支撑的同一横截面上的四个分支撑上均设置有应变片，外套筒的外壁上设置柔性显示屏，应变片的输出端连接柔性显示屏的输入端。

进一步，十字形支撑表面包覆有无粘结材料，十字形支撑变截面处的阶梯端面上分别设置可压缩垫块；无粘结材料采用双向拉伸聚丙烯薄膜；可压缩垫块采用软质聚氨酯泡沫塑料制成。

优选的，外螺纹接口由外套筒上端直接加工形成或由环形外螺纹焊接在外套筒上端形成；外套筒的外壁上设置有一对起吊环。

一种螺纹连接的自应力防屈曲支撑的装配方法，包括如下步骤，

步骤1，在圆形的外套筒的上端加工外螺纹接口，焊接起吊环，作为外部组件；

步骤2，将紧固端、连接端和双片圆环焊接为整体，作为端头组件，一式两套，分别作为上端头组件和下端头组件；紧固端内设置有内螺纹；

步骤3，在两端截面加强的十字形钢支撑上贴应变片，通体包裹无粘结材料，上下两端分别焊接上端紧固外螺纹钢柱和下端紧固外螺纹钢柱，十字形支撑变截面处分别放置可压缩垫块，作为核心组件；

步骤4，将下端头组件焊接到外部组件下端，核心组件放入外部组件中，下端紧固外螺纹钢柱与下端头组件中的紧固端通过螺纹连接，应变片与可弯折的柔性显示屏通过引线连接，引线穿过外套筒上的预留小孔；往外套筒中加入混凝土灌浆，灌浆至套筒上端开口平面，十字形钢支撑高于外套筒上端开口平面，高出的长度为钢支撑屈服位移的130％到150％；带有内螺纹的套筒盖中间开孔，穿过核心组件的上端紧固外螺纹钢柱；套筒盖与外螺纹接口通过螺纹连接，形成螺纹连接组件；

步骤5，使十字形钢支撑发生压缩变形，根据柔性显示屏上的读数判断支撑的变形状态，当十字形钢支撑达到屈服阶段时，旋紧套筒盖，此时十字形钢支撑上产生对应的压应力，外套筒上产生对应的拉应力；将上端头组件与上端紧固外螺纹钢柱通过螺纹旋紧进行连接，完成自应力防屈曲支撑的装配工作。

优选的，上下两端分别焊接上端紧固外螺纹钢柱和下端紧固外螺纹钢柱；上端紧固外螺纹钢柱的焊接端上设置光圆段，套筒盖的上平面板厚度与上端紧固外螺纹钢柱的光圆段高度相同。

优选的，使十字形钢支撑发生压缩变形时，通过套筒盖的旋进，向上端高于外套筒上端开口平面的十字形钢支撑的加强截面施压，使十字形钢支撑发生压缩变形，达到设计要求后，停止套筒盖的旋进；或者通过向上端紧固外螺纹钢柱上部施压，使十字形钢支撑发生的压缩变形到达设计要求后，再旋紧套筒盖。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述支撑将十字形钢支撑置于圆形的外套筒中螺旋固定，通过混凝土灌浆对十字形钢支撑形成轴向约束，圆形的外套筒上设置有环形外螺纹接口，带有相同间距内螺纹的套筒盖通过与外螺纹螺旋式收紧可对套筒中的钢支撑施加预压力，由于十字形钢支撑略高于开口平面，套筒盖在旋紧过程中，能够同时在外套筒中产生拉应力，与钢支撑中的压应力相互平衡。当钢支撑内的压应力达到屈服强度时，停止旋紧，用固定端头进行固定。本支撑在外部施加压力逐渐增大时，内部钢支撑能够充分屈服耗能，而不会提前屈曲；在外部施加拉力逐渐增大时，内部钢支撑和外套筒能够实现全截面屈服。

附图说明

图1为本发明所述支撑的结构爆炸示意图。

图2为本发明所述支撑组装后的结构示意图。

图3为本发明所述支撑的正视剖面图。

图4为本发明所述支撑的侧视剖面图。

图中：1-外套筒；2-外螺纹接口；3-套筒盖；4-紧固端；5-连接端；6-双片圆环；7-十字形钢支撑；8-无粘结材料；9-应变片；10-上端紧固外螺纹钢柱；11-下端紧固外螺纹钢柱；12-可压缩垫块；13-柔性显示屏；14-起吊环。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种螺纹连接的自应力防屈曲支撑，包括主要提供约束的外部组件，提供承载力的核心组件，提供连接作用的端头组件和施加预应力的螺纹连接组件。本发明所述支撑与普通屈曲约束支撑的区别在于，外套筒作为外部组件可以承担荷载，而不会影响对核心十字形钢支撑的侧向约束作用，因此本发明不仅具有屈曲约束支撑不易受压失稳的特性，同时也具有普通钢支撑受拉全截面屈服的力学性能，这种支撑构件在结构设计中能够为广大工程设计人员提供一种更为经济实用的支撑深化方案，具有良好的市场推广和应用前景。

具体的，如图1-图4所示，在圆形的外套筒1的上端加工外螺纹接口2，焊接起吊环14，作为外部组件；将带有内螺纹的紧固端4、连接端5和双片圆环6焊接为整体，作为端头组件，一式两套，分别标记为上端头组件和下端头组件；在两端截面加强的十字形钢支撑7上贴应变片9，通体包裹无粘结材料8，将其与浇筑的混凝土实现隔离保证其轴向运动；上下两端分别焊接带有光圆段的上端紧固外螺纹钢柱10和无光圆段的下端紧固外螺纹钢柱11，十字形支撑7变截面处分别放置可压缩垫块12，作为核心组件；将下端头组件焊接到外部组件下端，核心组件放入外部组件中，下端紧固外螺纹钢柱11与下端头组件中的紧固端4通过螺纹连接，应变片9与可弯折的柔性显示屏13通过引线连接，引线穿过外套筒1上的预留小孔；往外套筒1中加入混凝土灌浆，灌浆至套筒上端开口平面，十字形钢支撑7高于外套筒1上端开口平面，高出的长度取钢支撑屈服位移的130％到150％；带有内螺纹的套筒盖3中间开孔，可以穿过核心组件的上端紧固外螺纹钢柱10，套筒盖3的上平面板厚度与上端紧固外螺纹钢柱10的光圆段高度相同，且开孔直径略大于光圆段直径，保证其能够顺利转动旋进；套筒盖3与外螺纹接口2通过螺纹连接，作为螺纹连接组件，由于十字形钢支撑7略高于开口平面，套筒盖3在旋进过程中向十字形钢支撑1的加强截面施压，使其发生压缩变形；也可以通过向带有光圆段的上端紧固外螺纹钢柱10上部施压，十字形钢支撑发生压缩变形后再旋紧套筒盖3。根据柔性显示屏13上的读数判断钢支撑的变形状态，当十字形钢支撑7达到屈服阶段时，停止旋紧套筒盖3；将上端头组件与带有光圆段的上端紧固外螺纹钢柱10通过螺纹旋紧进行连接，至此完成自应力防屈曲支撑的装配工作。

在使用时，梁柱节点板厚度取双片圆环6间距，节点板开孔，孔径大小与双片圆环6直径相同。支撑安装流程与普通屈曲约束支撑相同，采用螺栓连接。

在受力阶段，当所述支撑受压时，支撑整体压缩，由于十字形钢支撑7在装配阶段已经屈服，内部芯材的截面应力基本保持不变，而外套筒1中的拉应力逐渐变小。当外部施加压力达到钢支撑的屈服承载力时，外套筒1中的拉应力消失，此时与屈曲约束支撑的受力情况相同。当外部施加压力继续增大，外套筒1中会产生少量压应力，当外部施加压力达到某一限值，构件整体会发生失稳。这一限值的具体数值需要通过试验来确定。不过从理论受力来看，本构件的受压承载力明显要高于屈曲约束支撑。

当所述支撑受拉时，在第一变形阶段内，十字形钢支撑7内的压应力变小，外套筒1的拉应力持续增大，直到外套筒1受拉屈服，进入第二变形阶段，此时外套筒1拉应力保持不变，十字形钢支撑7内的压应力继续变小，直到压应力消失，进入第三变形阶段，外套筒1拉应力继续保持不变，而十字形钢支撑7开始受拉，直到屈服。从这个受力过程可以看出，本构件的受拉承载力与相同钢截面下的普通钢支撑相同，充分利用了外套筒材料的强度特性，受拉承载力远高于屈曲约束支撑。

以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。