一种具有环向预应力的防屈曲支撑、方法及应用
【专利摘要】本发明公开了一种具有环向预应力的防屈曲支撑、方法及应用，该防屈曲支撑包括支撑芯材，采用钢管作为芯材；对芯材提供环向预拉应力的内套管，设置在支撑芯材内部；用于提高支撑芯材局部稳定承载力和整体稳定承载力的外套管，设置在支撑芯材外部，支撑芯材与内外套管之间均设置减摩层，用以减小内外套管对芯材轴向变形的限制。本发明中支撑自重小，结构横截面虽然为三层钢管，但组合后的截面仍然为空心截面。相对于实心截面，构件重量大幅度降低；滞回性能好。支撑芯材、外套管和内套管均匀钢材，强度高，耐久性好，滞回性能好；对芯材施加环向预应力，造成芯材在轴向承载能力降低，从而使芯材达到更容易更快进入屈服的特点，提高抗震耗能能力。
【专利说明】
一种具有环向预应力的防屈曲支撑、方法及应用
技术领域
[0001] 本发明涉及建筑工程相关技术领域，具体涉及一种具有环向预应力的防屈曲支 撑、方法及应用。
【背景技术】
[0002] 框架-支撑体系是多高层建筑中常见结构体系。通过设置支撑可提高框架结构的 侧向刚度和侧向承载力。对需要抗震设防的建筑结构，钢支撑可通过屈服耗散地震能量。但 如果确保钢支撑在地震作用下屈服，则需限制其截面尺寸。
[0003] 在地震作用下往复荷载作用下，截面过小的钢支撑受压将发生屈曲，滞回性能较 差。因此，目前结构中广泛采用防屈曲支撑，其基本原理是一方面通过限制支撑芯材的截面 面积，确保钢支撑在地震作用下屈服;另一方面，采用在芯材外部增加套管，防止钢支撑在 受压时屈曲，从而获得良好的滞回性能。
[0004] 常见的防屈曲支撑包括芯材和外套筒，以及芯材与外套筒之间的填充材料。芯材 部分是构件中的主要受力元件，外套筒部分对芯材提供约束，以防止芯材部分受压时发生 整体屈曲。综合来说，现有技术中的设计有以下缺陷：
[0005] 1、钢材浪费。由于传统防屈曲支撑主要受力元件为芯材部分，截面面积集中，长细 比较大，容易发生屈曲。为防止芯材屈曲需增加截面尺寸较大的外套筒;外套筒主要防止芯 材发生整体屈曲，不参与承受轴力，未充分利用钢材，导致钢材浪费；而且需要在芯材与套 管之间需填充混凝土类材料，材料用量大。
[0006] 2、自重大。芯材与外套筒之间的混凝土类填充材料自重大，强度低。
[0007] 3、芯材与外套筒之间的约束混凝土，在地震往复荷载作用下，容易被压碎而失去 了约束与防屈曲作用，致使防屈曲支撑的耗能能力大幅降低。
[0008] 4、如需降低防屈曲支撑的承载力，需要在芯材上开槽或者开孔以此削弱芯材，施 工工艺麻烦，品质控制难度大，降低支撑可靠度。
[0009] 因此，提出一种新型防屈曲支撑，并可经济合理、安全可靠的降低防屈曲支撑承载 力的制造方法，是本领域技术人员所亟需解决的。
【发明内容】
[0010] 针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本发明提供一种具有环向预应力的防 屈曲支撑，通过引入环向预拉应力的方法，有效降低防屈曲支撑的轴向受压屈服承载力，提 尚支撑的抗震耗能能力；
[0011]本发明还提供了以上支撑的具体制作方法。具体为内套管降温法和芯材钢管升温 法。内套管降温法具体为内套管降温冷却收缩，然后装入到支撑芯材钢管内的制造方法，内 套管温度升高到室温时，产生膨胀变形，从而对芯材钢管施加环向预拉应力；芯材升温法， 具体为将芯材钢管升温膨胀，然后套在内套管外侧的制造方法，芯材钢管温度降低到室温 时，产生收缩变形，该收缩变形收到内套管限制，芯材钢管从而产生环向预拉应力。采用上 述的制造方法，内套管对芯材的环向拉应力会降低芯材轴向受拉力，达到让芯材提前屈服 耗能的特点。
[0012]本发明还提供了以上防屈曲支撑的应用。
[0013] 本发明提供的第一个方案:一种具有环向预应力的防屈曲支撑，包括：
[0014] 支撑芯材，采用钢管作为芯材，是主要受力件；
[0015] 设置在支撑芯材内部的内套管，以对支撑芯材提供环向预拉应力并提高支撑芯材 的整体稳定和局部稳定承载力；
[0016] 设置在支撑芯材外部的外套管，以提高支撑芯材局部稳定承载力和整体稳定承载 力；
[0017] 支撑芯材和内、外套管之间各自设置减摩层，以减小支撑芯材拉压变形时，内、外 套管对支撑芯材轴向变形的限制;减摩层的设置可确保支撑芯材可在内套管和外套管之间 滑动，用于减小内套管和外套管对支撑芯材的轴向变形的限制。
[0018] 以上防屈曲支撑的设置，采用大径厚比的钢管作为支撑芯材，有效提高了支撑的 刚度，降低了支撑芯材对防屈曲措施的要求。通过内套管的设置，对支撑芯材提供环向预拉 应力，削弱了核心芯材的轴向受压承载能力，使防屈曲支撑相对之前提早进入屈服阶段进 行耗能，提升防屈曲支撑的耗能能力。内套管外径稍大于芯材钢管的内径，正是内套管可提 供预拉应力的效果;外套管内径可等于或稍小于芯材钢管的外径，配合外套管的约束，提高 了支撑的稳定承载力，有效节省了传统方法中钢材的用料。
[0019] 进一步地，为了提高支撑的刚度，所述支撑芯材为圆钢管。
[0020] 进一步地，所述减摩层为由高分子聚四氟乙烯材料制成的管材或石墨类润滑剂， 该减摩层同样是套于内套管的外层或涂抹于内套管外层，或者是套于支撑芯材的外层或涂 抹于支撑芯材的外层。
[0021] 进一步地，综合考虑到支撑的效果以及材料的成本，所述内套管的材料为建筑结 构用低碳钢。
[0022] 进一步地，所述外套管的材料为建筑结构用低碳钢。
[0023] 进一步地，所述内套管通过冷却降温后装入支撑芯材内或芯材钢管通过升温后套 在内套管的外侧，通过这样的设置，使得内套管与支撑芯材紧密贴合，以向支撑芯材提供一 定的环向预拉应力。支撑芯材在多向应力作用下，轴向抗压屈服强度的降低，有效降低了支 撑的屈服承载力。
[0024] 本发明提供一种具有环向预应力的防屈曲支撑的第一种制造方法，具体步骤如 下：
[0025] 1)拼装前将对内套管进行降温，直至内套管的外径降温收缩到小于支撑芯材的内 径，此时将内套管置入支撑芯材内；
[0026] 2)内套管温度自然升高至室温，升温过程中内套管膨胀，对支撑芯材提供环向预 拉应力。
[0027] 本发明提供一种具有环向预应力的防屈曲支撑的第二种制造方法，具体步骤如 下：
[0028] 1)拼装前对芯材钢管进行升温，直至芯材钢管的内径膨胀到大于内套管的外径， 此时将芯材钢管套在内套管的外侧；
[0029] 2)芯材的钢管的温度自然冷却到室温，冷却过程中，芯材钢管降温收缩，该收缩变 形受到内套管的限制，芯材钢管产生环向拉应力。
[0030] 此外，上述的一种具有环向预应力的防屈曲支撑，在高烈度地震区框架结构的应 用。
[0031] 本发明的有益效果是：
[0032] 1)节省钢材。受力的主要部件钢管采用闭口空心的截面，相比较于普通一字型实 心截面，空心闭口截面的截面扩展，回转半径大，本身即具有较大的抗屈曲能力，受力合理， 可减小外约束套管和内约束套管的材料用量。
[0033] 2)自重小。本发明横截面虽然为三层钢管，但组合后的截面仍然为空心截面。相对 于实心截面，构件重量大幅度降低。
[0034] 3)耐久性和滞回性能好。支撑芯材、外套管和内套管均匀钢材，强度高，耐久性好， 滞回性能好。
[0035] 4)对芯材施加环向预应力，造成芯材在轴向承载能力下降，从而使支撑芯材更容 易更进入屈服的特点，提高抗震耗能能力。
【附图说明】
[0036]图1是本装置的剖面结构示意图；
[0037]图中：1、支撑芯材，2、外套管，3、内套管，4、减摩层。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合说明书附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述：
[0039] 如图1所示，一种具有环向预应力的防屈曲支撑，包括:截面为钢管的防屈曲支撑 芯材1，支撑芯材1为支撑钢管;对防屈曲支撑芯材提供环向预拉应力的内套管3,内套管3外 径稍大于芯材钢管的内径，具体数值通过设计确定;提高支撑芯材局部稳定承载力和整体 稳定承载力的外套管2,外套管2内径可等于或稍大于芯材钢管的外径。内套管3与支撑芯材 1之间，支撑芯材1与外套管2之间，均设置有减摩层，确保支撑芯材可在内套管3和外套管2 之间滑动，用于减小内套管和外套管对支撑芯材1的轴向约束。
[0040] -种具有环向预应力防屈曲支撑的第一种制作方法为:拼装前将内套管3降温，直 至内套管3的外径降温收缩到小于支撑芯材1的内径，此时将内套管3穿入支撑芯材1，并让 内套管3温度自然升高到室温，升温过程中内套管3膨胀，对支撑芯材1提供环向预拉应力。
[0041] -种具有环向预应力防屈曲支撑的第二种制作方法为:拼装前将芯材钢管升温， 直至芯材钢管的内径稍大于内套管的外径，此时将芯材钢管套入内套管外侧，并让芯材钢 管温度自然降低到室温，降温过程中芯材钢管收缩，收缩变形收到内套管的约束，支撑芯材 钢管内产生环向预拉应力。
[0042]实施例1:支撑芯材钢管沿钢管壁厚方向的挤压应力通常小于IMPa，因此可忽略。 仅考虑环向拉应力和轴向应力。在双向应力状态下，根据米塞斯屈服准则，钢材的屈服条件 为
[0044] 〇1可表示为：
[0046]其中〇2为预先施加在芯材上的环向预应力，〇1为轴向抗拉或者抗压屈服强度。表1 列出了 Q235钢材在不同环向拉应力作用下，芯材抗拉屈服强度和抗压屈服强度的变化。由 于环向拉应力的存在，芯材的抗压屈服强度显著降低，即芯材可以在较低的压应力水平下 发生屈服。
[0047] 对Q235B钢材来说，当环向拉应力为150Mpa时，轴向抗压屈服强度仅为96.3Mpa，仅 为其在单向受力条件下屈服强度235Mpa的40.9%，因此具有更好的耗能能力。
[0048]表1 Q235钢材在不同的环向预拉应力作用下轴向屈服强度
[0050] 实施例2:防屈曲支撑芯材钢管截面Φ 300x6，内套管截面尺寸为Φ 288.5x6，外套 管截面尺寸为Φ312χ6。外套管的内径与芯材钢管的外径相同，可以正常装配。内套管的外 径288.5mm大于芯材钢管的内径288mm。使用液氮将内套管温度由室温20°C降温125°(：至_ 105°C，钢管收缩量为0.5mm。此时内套管外径与芯材内径相同，可以装配。装配完成后，内套 管温度由-105Γ回升至20°C，升温125°C。由于升温膨胀受到芯材钢的限制，内套管外径为 288.2mm，挤压量为0.3mm;芯材钢管的内径为288.2mm，扩展量为0.2mm，对应的环向预拉应 力为130Mpa。此时芯材的抗压屈服强度为118.2MPa，抗拉强度为248.2Mpa。防屈曲支撑的抗 压屈服强度设计值为668kN，相比较无预应力同尺寸防屈曲支撑的抗压屈服强度1355KN降 低很多。在未采用低屈服点钢材的情况下，显著降低了钢材的屈服承载力。
[0051 ]实施例3:防屈曲支撑芯材钢管截面Φ 300x6，内套管截面尺寸为Φ 288.5x6，外套 管截面尺寸为Φ312χ6。外套管的内径与芯材钢管的外径相同，可以正常装配。内套管的外 径288.5mm大于芯材钢管的内径288mm。使用电炉将芯材钢管温度由室温20°C升温125°C至 145°C，芯材钢管膨胀量为0.5mm。此时内套管外径与芯材内径相同，可以装配。装配完成后， 芯材钢管温度由145°C降至20 °C，温度降低125°C。由于芯材钢管的降温收缩受到内套钢管 的限制，内套管外径为288.2mm，挤压量为0.3mm;芯材钢管的内径为288.2mm，扩展量为 0.2mm，对应的环向预拉应力为130Mpa。此时芯材的抗压屈服强度为118.2MPa，抗拉强度为 248.2Mpa。防屈曲支撑的抗压屈服强度设计值为668kN，相比较无预应力同尺寸防屈曲支撑 的抗压屈服强度1355KN降低很多。在未采用低屈服点钢材的情况下，显著降低了钢材的屈 服承载力。
[0052]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限 制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。
[0053]除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突 出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。
【主权项】
1. 一种具有环向预应力的防屈曲支撑，其特征在于，包括： 空心的支撑芯材， 设置在支撑芯材内部的内套管且与支撑芯材贴合，以对支撑芯材提供环向预拉应力并 提尚支撑芯材的整体稳定和局部稳定承载力； 设置在支撑芯材外部的外套管，以提高支撑芯材局部稳定承载力和整体稳定承载力； 支撑芯材和内、外套管之间各自设置减摩层，以减小支撑芯材拉压变形时，内、外套管 对支撑芯材轴向变形的限制。2. 根据权利要求1所述的一种具有环向预应力的防屈曲支撑，所述支撑芯材为圆钢管。3. 根据权利要求1或2所述的一种具有环向预应力的防屈曲支撑，其特征在于，所述减 摩层为由高分子聚四氟乙烯材料制成的管材。4. 根据权利要求1或2所述的一种具有环向预应力的防屈曲支撑，其特征在于，所述内 套管的材料为普通建筑结构用低碳钢。5. 根据权利要求1或2所述的一种具有环向预应力的防屈曲支撑，其特征在于，所述外 套管的材料为普通建筑结构用低碳钢。6. 根据权利要求1所述的一种具有环向预应力的防屈曲支撑，其特征在于，所述内套管 通过冷却降温后装入支撑芯材内，或支撑芯材通过升温膨胀后装在内套管的外部。7. 根据权利要求1~6中任一项所述的一种具有环向预应力的防屈曲支撑的制造方法， 其特征在于，具体步骤如下： 1) 拼装前将对内套管进行降温，直至内套管的外径降温收缩到小于支撑芯材的内径， 此时将内套管置入支撑芯材内； 2) 内套管温度自然升高至室温，升温过程中内套管膨胀，对支撑芯材提供环向预拉应 力。8. 根据权利要求1~6中任一项所述的一种具有环向预应力的防屈曲支撑的制造方法， 其特征在于，具体步骤如下： 1) 拼装前将对芯材钢管进行升温，直至芯材钢管的内径膨胀到大于内套管的外径，此 时将芯材钢管套在内套管的外侧； 2) 芯材钢管温度自然降低至室温，降温过程中芯材钢管收缩，收缩变形收到内套管限 制，支撑芯材钢管产生环向预拉应力。9. 根据权利要求1所述的一种具有环向预应力的防屈曲支撑，在高烈度地震区框架结 构的应用。
【文档编号】E04B1/98GK106088768SQ201610600878
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610600878.8, CN 106088768 A, CN 106088768A, CN 201610600878, CN-A-106088768, CN106088768 A, CN106088768A, CN201610600878, CN201610600878.8
【发明人】王培军, 肖邵文, 刘梅, 薛子蓬
【申请人】山东大学