专利名称：一种带抗剪键的套管耗能元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固定建筑物的支撑构件，特别涉及一种支撑构件的耗能元 件，用于降低地震荷载效应对建筑物和构筑物结构的破坏。
背景技术：
随着多、高层建筑兴建日益增加，抗震成为结构设计的主要研究对象。传统 的抗震设计方法以"抗"为主要思路，由于其经济性和安全性方面都存在问题， 故渐渐被结构控制技术所取代。结构控制技术包括主动结构控制技术和被动结构 控制技术。耗能支撑技术是被动控制技术中较常见的一种，是新建建筑的抗震设 防和既有建筑的抗震加固提高结构抗震性能的一种非常实用的途径。
普通耗能支撑是建筑结构中的非承重构件，有消能支撑组成的体系可以安装 在柱间或抗震墙间，其^L法是在普通支撑上安装各种作用不同的消能节点或阻尼 装置。该装置在正常使用荷载及小震作用下一般不发生作用。在遇到强烈地震时， 当结构的主要承重构件尚未发生屈服时，耗能支撑装置开始滑移或转动而发生作 用，以增大阻尼或以摩擦功消耗地震输入结构的能量，从而使结构改变动力特性， 达到保护主体结构的目的和起到减震的作用。目前，已开发出多种耗能减震支撑，
它们可归纳为以下三类摩擦耗能减震支撑、粘性和粘弹性阻尼器耗能减震支撑、 防屈曲金属耗能减震支撑。
摩擦耗能减震支撑通过支撑的滑动来消耗和吸收地震能量；粘性和粘弹性阻 尼器耗能减震支撑中的粘弹性阻尼器是由粘弹性材料与约束钢板交替叠合而成 的，是一种主要与速度相关的减震装置。它通过粘弹性材料的剪切滞回变形来增 加结构的阻尼，耗散输入的地震能量，从而减小结构的振动反应；金属屈曲耗能 减震支撑利用金属材料进入塑性范围后的较好滞回性能耗能减震。现有的耗能支撑采用在普通支撑上安装各种作用不同的耗能元件、阻尼装置或者采用大延性金 属材料制作的作法，具有造价较高、震后不便于维修更换、加工精度要求高、安 装复杂等缺点，限制了耗能支撑的广泛应用。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种便于维修更 换、加工简单、施工简便、性能优越、造价低廉的支撑耗能元件，它能较经济地 解决新建建筑的消能减震和既有建筑抗震加固的技术问题，同时，非地震状态时 也是建筑结构的承重构件。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
一种带抗剪键的套管耗能元件，其包括内管和外管，所述内管和外管同轴搭 接，所述外管搭接段的内壁上设有抗剪键，所述外管与所述内管搭接段之间的缝 隙处设有膨胀水泥浆，所述膨胀水泥浆固化后形成膨胀水泥环。
基于上述主要技术特征，所述抗剪键为焊在所述外管搭接段内壁表面的堆焊 点或焊缝或截短钢筋或栓钉。
基于上述主要技术特征，所述外管与所述内管搭接萃殳的外端设有外环板，所 述外管与所述内管搭接段的内端设有内环板，所述外环板和所述内环板与所述外 管固定连接，所述内环板、外环板、内管和所述外管围成一灌浆空腔，所述灌浆 空腔外壁上设有灌浆孔，所述膨胀水泥浆位于所述灌浆空腔内。
基于上述主要技术特征，所述膨胀水泥中混有纤维。
基于上述主要技术特征，所述纤维为钢纤维或碳纤维或玻璃纤维。
基于上述主要技术特征，所述膨胀水泥中混有砂。
本发明的有益效果在于本发明利用膨胀水泥浆的化学预应力，使膨胀水泥环和钢管的接触面压紧，以增大两者之间的摩擦力。外管内表面加焊抗剪键，利 用膨胀水泥浆和抗剪键的咬合力提高外管和水泥浆环体的连接强度，将破坏面控 制在内管外壁与水泥浆环的接触面上，往复荷载作用下，该种破坏形式对本耗能 元件的受力性能有利。在正常使用状态下，该发明可以承受很大的轴向荷载，并
具备和普通支撑一样的刚度；而在地震荷载作用下，该发明通过内外管的相对滑 动来消耗和吸收地震能量。其作用机理，使得构件在加工精度上没有太高的要求， 节省钢材，造价低廉。该发明在震灾中破坏失效后，仅需对支撑耗能元件进行更 换即可。采用该支撑对结构设计人员无额外工作量，现场安装简便，无特殊技术 要求。
采用本发明的耗能支撑可以取代现有的摩擦耗能减震支撑、粘性和粘弹性阻 尼器耗能减震支撑和防屈曲金属耗能减震支撑在结构中使用，用途广泛。虽然， 灌浆套管连接在建筑工程的构件连接中有所应用，但仅仅停留在钢管连接的层面 上，其对多、高层建筑、空间结构、网架结构的消能减震和既有建筑的抗震加固 的应用并未被认识到，本发明用一种施工简单、成本低廉的方法解决了新建建筑 的消能减震和既有建筑的抗震加固技术问题。
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例环板的结构示意图。
图3为本发明实施例抗剪键采取堆焊点形式的示意图。
图4为本发明实施例抗剪键采取堆焊缝形式的示意图。
图5为本发明实施例抗剪键采取截短钢筋形式的示意图。
具体实施方式
下面接合附图，对本发明的优选实施例进行详细的介绍。
如图1所示，作为本发明的一个实施例，该灌浆套管^^能元件，包括内管l
和外管2,内管1沿管轴线插入外管2内同轴搭接，内管1外壁及外管2内壁表 面均可进行喷砂或喷丸处理，外管2搭接段的内管壁上设有抗剪键6，该抗剪键 为焊点，外管2与内管1搭接段的外端设有环形外环板4，外管2与内管1搭接 段的内端设有环形内环板5 (如图2所示)，外环板4和内环板5只与外管2固 定连接，内环^反5，外环^反4、内管1和所述外管2围成灌浆空腔3，灌浆空腔3 壁上设有灌浆孔，灌浆空腔3内通过灌浆孔注入膨胀水泥，并形成膨胀水泥环。 在灌浆空腔3内灌注了膨胀水泥浆后，固结后膨胀水泥浆体积膨胀形成水泥 环，由于内外套管对水泥环的约束从而使水泥环和钢管之间产生径向预应力，增 大水泥环和管体之间的摩擦力，当内外管在地震力作用下发生往复相对位移时， 滑动面上的摩擦力做功消耗地震输入结构的能量，起到消能减震的作用，外管内 表面加焊抗剪键，利用膨胀水泥浆和抗剪键的咬合力提高外管和水泥浆环体的连 接强度。
水泥浆两端加固定外环板4和内环板5后，膨胀水泥浆受到三向约束，使连 接段的预应力有所提高。外环板4和内环板5可以根据实际情况同时使用，也可 以只使用内环板4或外环板5。由于环板限制了连接段膨胀水泥浆与外管之间的 相对位移，破坏面将出现在内管外壁和膨胀水泥浆的接触面上，将破坏面控制在 内管外壁与水泥浆环的接触面上，在往复荷载作用下，这种破坏形式有利于该耗 能元件的受力。
抗剪件采取堆焊点10的形式(如图3所示)，采耳又堆焊缝11的形式(如图 4所示)，或采取截短钢筋12的形式(如图5所示)。加工精度要求不高，设置 抗剪件无方向要求，可随机布置。为了灌浆方便，灌浆孔也可开在灌浆空腔壁上的任何地方，数量可以一个也
可以是多个，图2中表示的灌浆孔7开在了环板上。
由于膨胀水泥浆抗压强度高，但受拉力易发生碎裂，因此可在膨胀水泥中加 入纤维，纤维的加入在极大程度上改善了膨胀水泥浆的受力性能，提高了该种发 明的承栽力和滞回耗能性能。膨胀水泥浆中添加的纤维包括碳纤维和钢纤维等， 纤维种类、掺量需按工程实际情况选取。为了减少水泥浆液化后的收缩，也可在 膨胀水泥浆中可混入砂。
本发明的耗能减震性能主要由元件尺寸和膨胀水泥浆的膨胀率决定，膨胀剂 的选取，其膨胀水泥浆的配合比很大程度上影响着该种发明的性能。 本发明在正常使用荷载作用下依靠钢管与膨胀水泥浆之间的摩擦力和粘结力传
递轴力作用。在大的地震作用下，依靠钢管与膨胀水泥浆之间的滑动摩擦来消耗 地震能量。 -
本发明的制作工艺才艮据本发明的元件承栽力等级确定内外钢管的具体尺寸 和钢管套接段的长度，并根据钢管尺寸确定环板相应尺寸，设计环板要尽量避免 组装时可能出现的问题。如需要混入纤维，内掺纤维的种类及纤维膨胀水泥浆的 配比根据需要确定。外环板可加工成整个圆环或两个半环，可在端部环板上加开 灌浆孔。加工内外环板(如不使用内环板或外环板时可采用临时模板代替)，完 成内外环板和外管的连接，将抗剪键均匀分布地焊接在外管的内表面上，将泡沫 塑料卡入外管内至内环板位置以限定灌浆段的长度。将内外管准确定位，确保两 管轴线重合。纤维膨胀水泥浆按配比拌和，拌和方法一艮据纤维种类作相应调整。 迅速将拌和完毕的纤维膨胀水泥浆通过灌浆孔灌入灌浆空腔，灌浆后通过敲击等 方法对其进行振捣，帮助纤维膨胀水泥浆中的空气排出，保证膨胀水泥浆的密实。 然后在连接段封盖塑料膜养护即可。
以上对本发明实施例所提供的一种带抗剪键的套管耗能元件进行了详细介 绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处(如纤维膨胀水泥浆中纤维的种类等)。综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变 都在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在于其包括内管(1)和外管(2)，所述内管(1)和外管(2)同轴搭接，所述外管(2)搭接段的内壁上设有抗剪键(6)，所述外管(2)与所述内管(1)搭接段之间的缝隙处设有膨胀水泥浆，所述膨胀水泥浆固化后形成膨胀水泥环。
2、 根据权利要求1所述的一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在于所述 抗剪键(6 )为焊在所述外管(2 )搭接段内壁表面的堆焊点(10 )或焊缝(11) 或截短钢筋(12 )或栓钉。
3、 根据权利要求1或2所述的一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在于 所述外管(2 )与所述内管(1)搭接段的外端设有外环板(4 )，所述外管(2 ) 与所述内管(1)搭接段的内端设有内环板(5),所述外环板(4)和所述内 环板(5)与所述外管(2)固定连接，所述内环板(5)、外环板(4)、内管(1)和所述外管(2)围成一灌浆空腔(3),所述灌浆空腔(3)外壁上设有灌 浆孔，所述膨胀水泥浆位于所述灌浆空腔(3)内。
4、 根据权利要求3所述的一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在于所述 灌浆孔位于所述内环板上(5)或所述外环板(4)上或所述外管(2)的灌浆 空腔(3 )段上或所述内管(1)的灌浆空腔(3 )段上。
5、 根据权利要求1或2或4所述的一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在 于所述膨胀水泥中混有纤维。
6、 根据权利要求5所述的一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在于所述 纤维为钢纤维或-友纤维或玻璃纤维。
7、 根据权利要求3所述的一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在于所述 膨胀水泥中混有纤维。
8、 根据权利要求7所述的一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在于所述 纤维为钢纤维或碳纤维或玻璃纤维。
9、 根据权利要求1或2或4或6至8任意一项权利要求所述的一种带抗剪键 的套管耗能元件，其特征在于所述膨胀水泥中混有砂。
10、 根据权利要求3所述的一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在于所述 膨胀水泥中混有砂。
11、 根据权利要求5所述的一种带抗剪键的套管耗能元件，其特征在于所述 膨胀水泥中混有砂。
全文摘要
本发明揭示了一种带抗剪键的套管耗能元件，包括内管和外管，内管和外管同轴搭接，外管搭接段的内管壁上设有抗剪键，内管和外管之间形成空腔，空腔内形成膨胀水泥环。本发明利用膨胀水泥浆的化学预应力使膨胀水泥环和管体的接触面之间的摩擦力增大，膨胀水泥环和抗剪键的咬合力可提高外管和水泥浆环体的连接强度，将破坏面控制在内管外壁与水泥浆环的接触面上。在正常使用状态下，该发明可以作为普通支撑承受轴向荷载，在地震荷载作用下，本发明通过内外管的相对滑动来消耗和吸收地震能量。该发明在加工精度上没有太高的要求，节省钢材，造价低廉。该发明在震灾中破坏失效后，仅需对灌浆套管耗能元件进行更换即可，非常方便。
文档编号E04B1/98GK101525911SQ200910048899
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者震 王, 蒋首超, 赵媛媛, 赵晓林 申请人:同济大学