混凝土套管防压曲支撑的制作方法

专利名称：混凝土套管防压曲支撑的制作方法
技术领域：
混凝土套管防屈曲支撑(BRCB)属于土木工程结构消能减震技术领域，主要用于建筑结构工程、土木结构工程。
二背景技术：
当需要增加结构侧移刚度、提高结构抗震能力、改善结构抗震性能时可使用防压曲支撑，并将其安装在土木工程结构的重要节点之间(图1)。防压屈支撑由涂有表面隔离材料并设构造间隙的钢芯、外包钢管及连接配件组成，钢芯和外包钢管之间的空隙内填充水泥砂浆或混凝土。钢芯在工作时仅承担拉、压力。表面隔离材料及构造间隙可允许钢芯在外包材料中伸缩，外包水泥砂浆及钢管可增加整体稳定，避免钢芯受压失稳。钢芯在屈服前为结构提供侧移刚度，在屈服后可消耗地震能量。在反复荷载作用下滞回曲线具有饱满、规则的特点，大大优于普通钢支撑(图3)。
目前，已发表的研究成果和已发现的实际工程中提到的防压曲支撑，外包部件都是用钢管并内填混凝土制成的。用钢管并内填混凝土的做法制作外套管，一是防火性能逊于混凝土，二是材料和加工费用较高，三是非正方形、非圆形钢管一般需要特别机械加工。如遇火灾，钢管受损，则抗压曲功得不到保证。而材料和加工费用较高主要体现在防火涂料、钢材用量和非正方形/圆形钢管机械加工上。若使用混凝土制作套管，需防止钢芯偶然偏心造成外套管受弯而导致的混凝土开裂。开裂后防压曲套管的整体刚度将降低，影响防压曲功能。在这方面需要相应技术支持。
三
实用新型内容本实用新型的目的是使用混凝土制作防压曲支撑的外包套管，解决目前外包钢管防火性能较低及造价较高的问题。在降低造价的前提下，可与外包钢管内填混凝土防压曲支撑发挥同等功效。
一种混凝土套管防压曲支撑，主要包括外包混凝土套管及内部钢筋骨架、涂有表面隔离材料并设构造间隙的钢芯，其特征在于 (一)混凝土套管的截面 混凝土套管的截面惯性矩须满足式(a) 式中， I钢筋混凝土套管的截面惯性矩；Ny为钢芯屈服轴力，Ny＝Awfy，Aw为钢芯截面面积，fy为钢芯材料屈服强度；Ec为混凝土材料的弹性模量；1为防压曲支撑计算长度，当采用螺栓连接时可取1.0倍支撑的整体长度。
式(a)的原理为外套管的抗压临界承载力大于钢芯屈服承载力的β倍。考虑到支撑整体稳定、钢芯高阶及局部稳定性、钢芯设计安全系数等因素，钢套管内填混凝土防压曲支撑β一般取2.5～3以上。本实用新型混凝土套管β取4.5～5(C30及以下混凝土可取上限)。按式(a)所选的混凝土外套管截面尺寸，约比同条件下钢管内填混凝土外套管大10～15％，可达到减小偶然偏心、增加稳定性、实现抗裂度及刚度控制的效果。
混凝土套管截面的外轮廓形状为圆形、方形、矩形、正六边形、正八边形等具有双对称轴的截面之一。
(二)混凝土套管内钢筋骨架 混凝土套管内的钢筋骨架由纵向钢筋5、抗挤压箍筋7、普通箍筋6和端部附加箍筋4经焊接、绑扎而成。具体要求如下。
1、纵向钢筋 纵向钢筋5的截面积应沿截面两个主轴方向按式(b)分别计算 式中， M为考虑初始偏心和二次弯曲影响的由混凝土套管承担的弯矩。
M＝Nye0，e0为偶然偏心，e0a为初始偏心，h为所验算主轴方向的截面高度。
W0为包括纵筋在内的所验算主轴方向的截面弹性抵抗矩，其中，Wc为混凝土套管(不包括钢芯)的截面弹性抵抗矩；Asi为混凝土套管内第i根纵筋的截面面积；n为截面内纵筋总数； yi为第i根纵筋形心位置至截面形心的距离；y0为截面形心至截面受拉边缘的距离；αs为纵筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值。纵筋截面面积 γ为混凝土截面塑性抵抗系数。对矩形截面，γ＝1.55；对圆形截面，γ＝1.6。
fct为混凝土抗拉强度设计值。
式(b)与普通钢筋混凝土受弯构件抗裂度计算公式看似相同，但在本质上不同。防压曲支撑为轴心受力构件。由于制造误差、材料均匀性、构件变形等原因，混凝土套管构件形心与钢芯受力中心会存在一定偶然偏心，使混凝土套管受弯。套管截面边缘的拉应力将达到最大，配置纵向钢筋将提高混凝土套管的横向抗裂能力。与此相应，混凝土外套管对钢芯则起着提供侧向约束力、防止侧向整体失稳的作用。
式(b)与钢结构中的轴心受压构件也不一样。钢结构轴心受压构件一般通过稳定系数来反映构件长细比对构件抗压承载力降低的影响程度。而防压曲支撑的钢芯与套管之间的接触压力是互为依存、互为影响的，钢芯属于受到非线性弹性侧向约束的受压构件。在有效的侧向约束条件下，钢芯的抗压承载力不会降低。另外，钢芯和混凝土套管之间存在相对滑动，因偶然偏心受弯后两种截面并不保持一致的平截面应变分布，用长细比参数反映承载力问题与普通轴心受压构件缺乏可比性。所以，长细比参数无法反映套管受力的复杂情况，钢结构轴心受压构件的思路不能直接用于防压曲支撑构件。
本实用新型以一般钢结构受压构件弯曲矢高的允许安装误差和混凝土构件截面允许尺寸偏差作为初始偏心(e0a)，研究了混凝土套管作为非线性弹性约束构件在受弯后所能允许的最大弯曲拉应变、防压曲支撑二次弯曲侧向挠度的大小及截面曲率沿轴线的分布规律，结合试验测试结果，给出了外套管在钢芯屈服条件下承担弯矩M的计算方法，以控制套管抗裂度的形式给出了套管内纵筋需要量的计算公式(b)。
2、抗挤压箍筋 钢芯屈服时，横向应变达到纵向受压屈服应变乘以泊松比。分析和试验表明，屈服后的横向应变最大量可增至此值的1.5-2.0倍。混凝土套管内留有可容纳此变形的构造间隙。构造间隙不能过大，以防钢芯高阶失稳。由于制作误差、材料均匀性等原因，钢芯与外套管之间仍然存在外涨挤压作用。这种外涨挤压作用在混凝土套管内产生环向拉应力。
为减小混凝土套管内的环向拉应力，增加混凝土抗挤压能力，提高混凝土套管的纵向抗裂能力，设置了抗挤压箍筋7。这种箍筋与普通混凝土轴心受压构件内的复合箍筋作用有所不同(后者的目的在于防止纵筋压曲，特别是让处在截面边缘中间位置的纵筋也受到有效约束)。抗挤压箍筋7形状的设计主要取决于钢芯受压外涨在混凝土套管内所形成的环向拉应力场。分析表明，选用图5、6所示形状的抗挤压箍筋7效果最好。因钢芯受压屈服可发生在整个工作段内，箍筋7应沿套管全长均匀布置，其间距、直径按具体实施方式
中的相关构造要求确定。为使其充分发挥作用，抗挤压箍筋7应按图6要求焊接而成，可与纵筋绑扎形成钢筋骨架。
本实用新型的优点和效益在于 1.本实用新型使用钢筋混凝土作为约束套管制造防压曲支撑，与钢管内填混凝土制作的防屈曲支撑相比，提高了耐火性能和耐腐蚀性能。在保证抗震性能、防火性能与普通钢管内填混凝土防压曲支撑持平的条件下，制作、安装防压曲支撑的总成本至少降低约15％。
2.本实用新型提供的防压曲支撑用途广泛，可在钢结构、劲性钢筋混凝土结构、混凝土结构中安装使用，对新建工程和既有结构加固工程均可使用。
3.同使用传统抗震技术的建筑结构相比，使用本实用新型可较大幅度地降低因保证结构抗震需求造成的工程造价、减少震后加固和修复费用。
4.制作工艺较简单，设计、安装方便，免维护，可更换。
四
图1混凝土套管防压曲支撑的某个(X字形)安装状况及一般构造 图2混凝土套管防压曲支撑的内部构造 其中1钢芯；2钢筋混凝土套管；3表面隔离材料及构造间隙；4端部附加箍筋；5纵向钢筋；6普通箍筋(绑扎而成)；7抗挤压箍筋(焊接而成)。
图3防压曲支撑与普通支撑的轴力-位移试验曲线的比较 其中，(a)普通支撑；(b)防压曲支撑。
图4混凝土套管截面弹性抵抗矩计算参数示意图 其中，Asi为混凝土套管内第i根纵筋的截面面积；yi为第i根纵筋形心位置至截面形心的距离；y0为截面形心至受拉截面边缘的距离。
图5混凝土套管及钢芯截面构造 其中，(a)“一”字形钢芯圆形套管；(b)“十”字形钢芯方形套管；(c)“十”字形钢芯圆形套管；(d)“工”字形钢芯方形套管。
图6普通箍筋及抗挤压箍筋的形式 其中，(a)普通焊接环箍筋；(b)普通方形绑扎箍筋；(c)“一”字形钢芯配套的抗挤压箍筋；(d)“十”字形钢芯配套的抗挤压箍筋；(e)“工”字形钢芯配套的抗挤压箍筋；dy为抗挤压箍筋直径。
图7纵筋切断及端部箍筋加密构造要求 其中lc混凝土套管长度；As纵筋总截面面积。
图8混凝土套管防压曲支撑的工作分段 其中(1)工作段；(2)过渡段；(3)连接段；(4)非工作段；ll连接段长度；lt过渡段长度；lw工作段长度；lc混凝土套管长度；l防压曲支撑整体长度。
图9设置防压曲支撑的框架或设置中心支撑的框架首层平面布置图 其中在设置防压曲支撑的框架中，首层～第三层全部使用“十”字型截面钢芯，第四层使用“一”字型截面钢芯，详见表1。图9中显示两种截面防压曲支撑所在位置。①表示采用了“一”字型截面钢芯的防压曲支撑；②表示采用了“十”字型截面钢芯的防压曲支撑。
图10三种框架的推覆分析结果 图11层间剪力分分配及重分配规律 五具体实施方式
1、混凝土套管防屈曲支撑的设计 (1)先初步确定防压曲支撑的侧移刚度 根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)对竖向荷载承载力及竖向位移的要求选定主体框架结构的柱、梁的截面。为保证在最大风荷载作用下结构的侧移满足规范要求，在主体框架上增设防压曲支撑，共同提供侧移刚度，由此确定防压曲支撑的总侧移刚度及数量。
(2)防压曲支撑钢芯截面的计算 在步骤(1)确定了支撑侧移刚度之后，对设置防压曲支撑的框架进行地震作用计算，并根据框架和支撑的协同工作或刚度比例确定支撑所承担的内力。根据此内力选定防压曲支撑的截面。在截面积确定之后，利用本实用新型式(3)计算出工作段长度。
在此步骤中，如需延缓防压曲支撑的屈服时机、提高结构整体抗震屈服水准，还可以利用本实用新型进一步增加防压曲支撑的截面面积，从而收到“基于性态的抗震设计”所能达到的效果。
(3)混凝土套管的设计 按步骤(1)和(2)，钢芯工作段截面尺寸是根据结构设计所需的屈服水准确定的，钢芯工作段长度是根据结构设计所需的刚度要求确定的。在确定出支撑刚度、截面面积、工作段长度之后，利用本实用新型式(a)及有关构造要求，确定混凝土套管的构造尺寸。按式(b)计算纵向钢筋面积，初始偏心取e0a＝10mm。
混凝土套管选用强度级别为C25-C40的混凝土。钢芯选用Q235或Q345钢之一，箍筋采用HPB235，纵筋采用HRB335，隔离材料采用硅胶。
混凝土套管的构造要求 ①、混凝土套管的最小截面尺寸hmin＝max(200mm，l/20)，其中l为防压曲支撑整体长度，l＝防压曲支撑所连接的框架节点间距离-构件节点尺寸。
②、配筋加密区防压曲支撑混凝土套管两端lc/8范围内为箍筋加密区，中间lc/2范围内为纵筋正常范围，lc为混凝土套管长度。详见图7、8。
③、纵筋5和普通箍筋6需满足下述要求 纵筋5在混凝土套管两端l/4长度范围内最多切断20％。普通箍筋在端部l/8范围内加密。
h＞300mm时，普通箍筋

，加密区

； 全部纵筋最小截面积As，min＝1.25％Ac。
h≤300mm时，普通箍

，加密

； 全部纵筋最小截面积As，min＝1.50％Ac。
最大纵筋直径，ds，max＝min(18，h/16)。
④、抗挤压箍筋7及端部附加箍筋4按下述要求确定 抗挤压箍筋需沿构件通长配置。箍筋直径dv，对一字形钢芯截面，dy＝max(6，0.4t)，t为钢芯钢板厚度；对十字形和工字形，dv＝max(8，0.5t)。间距sv＝max(100，h/2)。构件端部设附加箍筋4，直径及形状同抗挤压箍筋。
2、防压曲支撑的轴向刚度Ka可按式(3)计算 式中Es、El分别为钢芯和连接钢材的弹性模量，ll、Al连接段长度、截面积；lt、At钢芯过渡段长度、截面积；lw、Aw钢芯工作段长度、截面积。
3、混凝土套管防压曲支撑的制作与安装 制作工序 (1)钢芯的制备按结构设计及制作工艺要求制作。
(2)隔离材料及构造间隙按设计要求选择隔离材料，按制作工艺要求将隔离材料置于钢芯表面，构造间隙采用粘贴办法按间隙厚度设计要求预留。
(3)混凝土套管的制作支模(批量生产时模板可重复使用)，绑扎钢筋骨架，放置钢芯并临时固定。混凝土按强度等级设计要求配比(需使用减水剂)，浇筑混凝土，控制振捣时间。养护，拆模。
安装工序 (1)吊装就位要求在钢芯的两端连接部位选择吊点。就位后临时固定。先安装定位螺栓。按钢结构安装技术规程的要求控制支撑与框架节点板之间的安装偏差。
(2)螺栓连接要求混凝土套管防压曲支撑与框架节点板应使用螺栓及相关配件连接。按设计要求选定螺栓的直径和数量。用扭力扳手控制安装螺栓预紧力。采用碳素钢螺栓，螺栓预紧应力控制值为0.65倍材料的屈服强度。拧紧力矩系数取0.2。
4、实施例 某四层钢框架结构，建筑面积约5000m2，首层高度4.8m，标准层高4.2m，结构总高17.4m。采用压型钢板叠合层楼盖，楼面活荷载为2.5kN/m2。抗震设防烈度8度，结构基本地震加速度0.2g，II类场地，设计地震分组为第一组。
(1)钢框架结构选型及混凝土套管防压曲支撑的设计 ①主体钢框架结构的选型、防压曲支撑的侧移刚度 根据建筑功能要求确定主体框架结构的柱网尺寸，根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)对竖向荷载承载力及竖向位移的要求选定主体框架结构的柱、梁的截面。为保证在最大风荷载作用下结构的侧移满足《钢结构设计规范》的要求，在主体框架上增设防压曲支撑，共同提供侧移刚度，由此确定防压曲支撑的总侧移刚度及数量。防压曲支撑也将与主体框架一道抵抗地震作用。
②防压曲支撑截面的计算 利用本实用新型混凝土套管钢防压曲支撑刚度可调及屈服承载力可调的特点计算截面面积。具体是，在步骤1)确定了支撑侧移刚度之后，对设置防压曲支撑的框架进行地震作用计算，并根据框架和支撑的协同工作或刚度比例确定支撑所承担的内力。根据此内力选定防压曲支撑的截面。截面积确定之后，用式(4)计算工作段长度。
表1防压曲支撑钢芯的设计选用表 *注①表示采用了“一”字型截面钢芯的防压曲支撑；②表示采用了“十”字型截面钢芯的防压曲支撑。二者具体构造如图5所示。
③防压曲支撑的设计 根据步骤1)、2)确定的支撑刚度、截面面积、工作段长度结果，所设计出的防压曲支撑列于表1。在保证刚度、截面积和工作段长度的前提下，实选型钢还可以采纳图5所示的其他截面形式。但为方便施工及加工制作，尽量减少产品规格种类。具体在结构平面上布置时，按照对称、均匀、有利于减小结构扭转的原则进行。选在建筑外观、使用功能不受影响的部位。本案防压曲支撑按“×”字形(图1)安装，具体位置参见图9，其中，X向每层共设4个防压曲支撑，Y向每层共设8个防压曲支撑。钢芯的材料为国产Q235钢，屈服强度按300MPa计算。
④混凝土套管设计 根据表1设计计算的钢芯屈服承载力，设计混凝土套管并进行抗裂计算。选用强度级别为C30的混凝土(ft＝1.43MPa)，根据式(1)及构造要求确定混凝土套管设计截面。按式(2)确定纵筋面积。设计步骤见表2。
表2混凝土套管截面尺寸的确定及抗裂验算
⑤防压曲支撑的制作安装按下列5个步骤进行。
a.根据表1所选钢板截面进行加工制作成钢芯。在钢芯中间部位(图8中X轴与Z轴交点)焊接一限位卡。限位卡可用螺栓、短角钢等制成。
b.在钢芯表面涂抹隔离材料。待结硬后粘贴构造间隙材料，钢板肢尖部位和其它部位的间隙宽度按设计要求取值。
c.支模，将钢芯放入钢筋骨架，将二者放入模板并做临时固定。
d.在模板、钢筋和钢芯的空间内浇筑混凝土并养护至设计强度，拆模。
e.主体框架结构施工，焊接节点板及必要的加劲、连接材料，吊装防压曲支撑并用扭力扳手将连接螺栓旋紧。
(2)结构抗震效果分析及对比 ①结构计算模型 为说明问题，本案设计了三种结构体系本实用新型混凝土套管防压曲支撑钢框架(BRCB框架)、中心支撑钢框架(NB框架)和普通钢框架。三种结构的设计条件相同，后者的结构抗震设计参照现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)进行。普通框架构件截面尺寸的确定，不但要满足静力承载力要求，还要满足抗震设计要求。中心支撑框架和防压曲支撑框架的梁、柱截面尺寸根据竖向承载力验算初步确定，抗震承载力靠框架和支撑共同保证。
使用《建筑抗震设计规范》允许的静力弹塑性分析方法(推覆分析法)对有限元模型进行计算与分析。其中梁、柱压弯构件单元，梁、柱端设塑性铰以模拟构件一旦进入弹塑性后的受力行为。楼盖采用板单元，上加面荷载。中心支撑采用轴力杆单元，设受压临界力限定值，超过此临界力则认为构件失稳。防压曲支撑采用非线性轴力单元，恢复力模型采用非线性模型。推覆分析法所采用的加载模式为倒三角形连续加载。恒荷载、活荷载、风荷载为静力荷载，一次施加完毕。
②计算结果比较与分析 图10为X向推覆分析所得首层中间柱的剪力-层间位移结果。从该图可以看出，带中心支撑的框架柱(图中的NB框架)与带防压曲支撑框架柱(图中的BRCB框架)的初始刚度接近，但当侧向推覆力达到一定水准时，受压的中心支撑会发生大面积整体失稳，承载能力会突然降低，无法实现大震不倒的目标。带防压曲支撑的框架，由于防压曲支撑率先进入屈服阶段消耗地震能量，结构整体刚度会相应降低，但承载能力不会降低，结构整体延性及耗能能力大大提高。从图10还可看出，三种结构当中，只有BRCB框架完全达到了三水准抗震设防目标。普通框架钢材用量多，大震下有大量的梁、柱构件进入屈服状态，残余变形较大，震后修复费用高。
防压曲支撑框架在侧向推覆力开始加载直至达到极限位移的过程中，层间剪力的分配和重分配情况绘于图11中。可以看出，在弹性阶段，防压曲支撑承担62％-78％的总层间剪力，且在此阶段均保持此比例基本不变。当推覆至第18步以后，各层防压曲支撑陆续出现屈服现象。同时，在同层位置的框架柱子承担的承剪比例开始增加。推至第35步左右时，少量梁构件开始出现屈服现象，导致有些楼层普通框架的层间剪力比例的增加速度逐渐下降。当一定数量的梁端截面出现屈服时(第50步以后)，防压曲支撑与框架承担的层间剪力比例各自维持在50％左右，直至推覆结束。
此外，进一步研究分析得知，若使用带有消能梁段的偏心支撑框架或骨形连接梁框架，虽然结构抗震性能与本案的防压曲支撑框架持平，但经过大震后在消能梁段内保留的残余变形，将使与之连接的楼盖及维护结构产生较大的不可恢复的残余变形，修复难度加大、费用提高。而防压曲支撑框架是以支撑的屈服变形为代价的，主体框架或绝大部分框架(取决于设计要求)可保持弹性，依附其上的维护结构变形较小，也就减少了修复费用。防压曲支撑属于金属屈服型阻尼器，不需要日常维护，有效地减少了建筑终身造价。即使个别防压曲支撑出现损坏，也是容易更换的。
(3)性价比分析 为比较本实用新型与普通钢管内填混凝土防压曲支撑两种构件的性价比，表3统计了本工程实例(表1和表2)所用防压曲支撑套管的各种材料总用量、各种材料的单价以及材料成本价格比值。表中还给出了目前钢结构工程中通常采用的两种防火做法，即厚涂型防火涂料或薄型防火涂料。两种方法使用材料、施工工艺、性能特点均有所不同，详见表3的注释。
从表3可以看出，使用本实用新型混凝土套管防压曲支撑，套管本身无需喷涂防火涂料便可达到耐火极限2.5小时的标准。使用钢管内填混凝土材料制作防压曲支撑(不喷涂防火涂料)，比本实用新型的材料成本要高5％，但问题是防火性能肯定低于用本实用新型制作的构件。若在钢管外部表面喷涂防火材料，则套管及防火涂料的材料成本至少比混凝土套管增加约88％。若按套管成本占防压曲支撑总成本的20％来估计，则在本工程中使用本实用新型将节约防压曲支撑的总材料成本15％左右，这个估计还未包括防火涂料的施工工艺及机具费用。
表3两种套管做法的材料成本比较

注释 1、厚涂型钢结构防火涂料靠材料的不燃性、低导热性隔热。采用粘结剂、无机轻质材料及增强材料制成。施工宜采用压送式喷涂机喷涂，空气压力为0.4～0.6MPa，喷枪口直径宜为6～10mm。施工顺序为喷枪表面打底，喷涂厚度1-1.5mm。24小时硬化后，可喷涂或涂抹，每遍厚度宜为5～10mm。两次涂抹间隔为24小时。涂抹直至达到设计规定的厚度为止。不足之处表面装饰性较差。
超薄型钢结构防火涂料在受火升温后膨胀发泡，形成致密的耐火隔热层。涂层超薄(3-7mm)，一般为溶剂型，用乳液聚合物作基料，再配以阻燃剂、添加剂等制成。施工采用喷涂方法。粘结强度高以及耐水性、流平性、装饰性好等特点。不足之处一是涂料中的阻燃成份在遇火膨胀后释放NH3、CL2、BR2等有毒气体，二是材料中的有机成份在自然条件下存在降解、老化等问题，耐久性稍逊于厚涂型防火涂料。
2、目前国内外试验研究、国家及行业标准尚缺乏详细试验研究依据。
3、单位价格分别选自中国建材网、中国工程预算网等现行市场指导价格。
4、表中仅计入了混凝土套管、外包钢管内填混凝土两种做法的材料费用，不包括钢芯、连接件等费用。未计入的费用还包括混凝土模板费用(可使用定型周转模板)、钢筋骨架加工人工费、非标准钢管加工费用、喷涂防火材料的人工费及机械费、材料老化翻新费用等。
5、结论 实施例中使用了本实用新型混凝土套管防压曲支撑。在纵、横向分别安装了两种钢芯构造、四种工作段长度、六种钢芯断面尺寸的防压曲支撑。通过调整工作段长度和截面面积得到了多种(每个楼层不同)刚度/屈服承载力设计参数，使结构具备了必要的抗侧移刚度及抗震承载力。
分析表明，使用本实用新型混凝土套管防压曲支撑框架结构，受力机理明确，结构耗能稳定，抗震防线合理，可充分实现小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震设防目标，抗震性能优于中心支撑框架和普通框架。在大震下能够有效地保护主体结构、非结构构件及附属设施，实现基于性态的结构抗震设计。同带消能梁段的偏心支撑框架和骨形连接梁框架相比，混凝土套管防压曲支撑框架抗震效果持平或略好。但本实用新型将屈服变形控制在防压曲支撑内部，震后修复费用低或免修复。本实用新型构造简单、免维护，施工难度小，可在房屋装修阶段进行安装，给施工带来便利条件。
使用本实用新型在保证抗震性能、防火性能与普通钢管内填混凝土防压曲支撑持平的条件下，制作、安装防压曲支撑的总成本至少降低约15％。
权利要求1.一种混凝土套管防压曲支撑，包括外包混凝土套管(2)及内部钢筋骨架，涂有表面隔离材料并设构造间隙(3)的钢芯(1)，所述钢筋骨架由纵向钢筋(5)、抗挤压箍筋(7)、普通箍筋(6)和附加箍筋(4)经焊接、绑扎而成，其特征在于
使用钢筋混凝土套管作为防压曲支撑钢芯的侧向约束单元；
混凝土套管的截面惯性矩需满足式(a)的要求
I钢筋混凝土套管的截面惯性矩；Ny为钢芯屈服轴力，Ny＝Acorefy，Acore为钢芯工作段截面面积，fy为钢芯材料屈服强度；Ec为混凝土材料的弹性模量；l为防压曲支撑计算长度；β为稳定安全系数；
混凝土套管内纵向钢筋5的用量按式(b)确定
式中，M为考虑初始偏心及二次弯曲由外套管承担的弯矩，按截面两主轴方向分别计算；M＝Nye0，e0为考虑防压曲支撑混凝土套管因初始偏心和二次弯曲作用而产生的偏心距，e0a为初始偏心，h为所验算主轴方向的截面高度，fct为混凝土材料抗拉强度设计值；γ为混凝土截面抵抗矩塑性系数；W0为包括纵筋在内的所验算主轴方向的钢筋混凝土套管截面弹性抵抗矩，其中，Wc为混凝土不包括钢芯的截面弹性抵抗矩；Asi为混凝土套管内第i根纵筋的截面面积；n为截面内纵筋总数；yi为第i根纵筋形心位置至截面形心的距离；y0为截面形心至截面受拉边缘的距离；αs为纵筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；纵筋截面面积
专利摘要一种混凝土套管防压曲支撑属于土木工程结构消能减震领域。目前所用防压曲支撑的外部约束构件采用钢管内填混凝土，防火性能逊于混凝土、材料和加工费用较高。本实用新型采用混凝土套管替代钢管内填混凝土。混凝土套管需按稳定安全要求确定截面尺寸，按截面抗裂要求计算纵筋，按构造要求确定抗挤压箍筋及普通箍筋数量，以及纵筋最大直径、最小数量及切断位置。本实用新型耗能稳定，不失稳，能增加结构抗侧移刚度，抗低周疲劳性能好，具有优异的抗震性能，能够满足工程抗震设计对屈服水准及刚度的多种需求。本实用新型在保证抗震性能、防火性能与普通钢管内填混凝土防压曲支撑持平的条件下，制作、安装防压曲支撑的总成本降低约15％。
文档编号E04B1/98GK201068607SQ200720149218
公开日2008年6月4日 申请日期2007年5月21日 优先权日2007年5月21日
发明者高向宇, 周锡元, 张腾龙, 巍 陈 申请人:北京工业大学