专利名称：多级串联防屈曲支撑及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抗震支撑构件及其制作方法，特别是一种耗能能力可调的耗能支撑及其制作方法。
背景技术：
防屈曲支撑是通过钢材的轴向拉压来消耗能量的构件，它由防屈曲支撑内芯和约束部件构成，约束部件的作用为防止内芯在受压时发生多段屈曲，使内芯在拉力和压力作用下都能达到全部充分屈服。能更好的消耗输入结构的地震能量，从而起到抗震耗能作用。理想的防屈曲支撑要求其性能为低屈服，确保在小震下就可以耗能；耗能能力大，保证在大震下也可以达到减震耗能的效果；变形量大，与地震作用下的建筑物的层间变形相适应。然而，在实际实施中，上述技术要求不可能在一根连续的支撑杆件中实现。为了优化防屈曲支撑性能，科研人员从两个方面去向理想的防屈曲支撑靠近，一个是通过改变耗能核心区的材料，一个是改变耗能支撑的结构形式。通过改变耗能核心区材料的方法，受到材料学科研究成果的限制，目前能检索到的资料为铅和钢材配合使用的情况，此种情况以铅为耗能核心区的耗能段是通过铅的摩擦力来耗能的，而铅的摩擦力很难控制，主要影响因素有，接触面积、正压力和铅的摩擦系数。因此，提高耗能支撑更便捷的方式从耗能支撑的结构形式入手。现有的结构形式有单级、多级串联和多级并联，其中，单级的低屈服性能差，变形能力一般，多级并联耗能能力不稳定，变形量一般，各个耗能核心同时工作，目前能检索到的多级串联的防屈曲支撑是将两个耗能支撑简单对接而成，如果两个耗能单元屈服力相同，则初始变形大，无法满足低屈服的要求，如果屈服力不同，耗能能力小的耗能单元会发生失稳。并且上述结构形式均为设置明确的传力机制，无法准确控制每个耗能段进入工作的时刻，而且会因为对位移量无法准确控制，很容易出现支撑突然失效的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种多级串联防屈曲支撑及制作方法，要解决现有多级串联防屈曲支撑无法满足低屈服的要求以及缺乏有效的防断裂保护机制而导致耗能支撑突然失效的技术问题。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种多级串联防屈曲支撑，为轴力杆和包裹在轴力杆周围的约束体形成的细长型杆件，所述轴力杆和约束体之间预留有间隙A，所述细长型杆件包括左端部传力单元I、右端部传力单元M、中间传力单元K以及至少两个耗能单元区段，所述耗能单元之间为串联关系，其中，每个耗能单元区段具有不同的屈服力，所述左端部传力单元I、右端部传力单元 M、中间传力单元K中至少有一个通过凹槽和凸块配合形成可动的传力分配机制，所述凹槽和凸块之间预留有间隙B，所述轴力杆在所有耗能单元区段的截面均比在左端部传力单元 I、右端部传力单元M、中间传力单元K区段内的截面小。所述凹槽开在轴力杆、约束体上或同时开在上述两者上，所述凸块与约束体或轴力杆固定为一体，或独立，且凹槽和凸块一一对应。所述轴力杆为钢板、工字钢、十字型钢或钢板和型钢组合。所述约束体为方钢、圆钢管混凝土、方钢管混凝土或矩形钢管混凝土。所述圆钢管混凝土或方钢管混凝土的内壁设置有挡板。所述间隙A和间隙B内均填充有石蜡制品或聚四氟乙烯。所述间隙B的宽度为0 200mm。所述的多级串联防屈曲支撑的制作方法，包括如下步骤
步骤一，按照预先确定的左端部传力单元I、右端部传力单元M和中间传力单元K区段长度和每个耗能单元区段长度将轴力杆加工成在耗能单元区段的截面比左端部传力单元 I、右端部传力单元M和中间传力单元K区段内的截面小的杆件，并使每个耗能单元核心区的耗能能力不同；
步骤二，在左端部传力单元I、右端部传力单元M和中间传力单元K中至少一个上设置凹槽和凸块，形成活动的传力单元；
步骤三，将约束体设置在轴力杆的外，两者之间预留间隙A，并使轴力杆和约束体成为一个整体。与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果
本发明通过设置凸块和凹槽以及并联的多个耗能单元来实现分级位移控制的目的，通过每个耗能单元的分级工作，提高了防屈曲支撑的变形能力，同时，由于凸块在实现位移分配的同时可参与传力，提高整个防屈曲支撑构件的整体性。本发明的可控变形量取决于所有耗能单元变形量的总和，可以实现耗能构件初始屈服低而整体变形大的需要。另外，本发明所采用的构件和耗能材料均为钢材，材料来源范围广，成本低，使用寿命长，同时，由于扩大了可控变形量，继而扩大了耗能支撑的使用范围。其次，通过采用屈服点确定的钢材和凹凸配合的传力机制，实现变形完全可控。还有，通过将传动机构设置为凹槽和凸块配合的形式，提高了传动部位的抗剪能力，防止在大地震作用下支撑的突然断裂，延长了支撑的使用寿命，有利于实现了“大震不倒”的设防目标，可最大程度的保护生命财产。再者，本发明所述耗能支撑可根据实际进行分段生产，然后根据实际需要灵活组装，可实现集约化生产，降低生产成本，扩大应用范围。本发明可广泛应用于建筑物的耗能减震。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1是本发明实施例一结构侧示图。图2是图1的A-A剖视图。图3是图1的B-B剖视图。图4是图1的C-C剖视图。图5是图1的D-D剖视图。图6是图3的E-E剖视图。
图7是本发明实施例二结构侧示图。图8是图6的F-F剖视图。图9是图6的G-G剖视图。图10是图6的H-H剖视图。图11是传力分配单元部分通过独立凸块和凹槽C配合的实施例一。图12是传力分配单元的通过独立凸块和凹槽C配合的实施例二。图13是常见的防屈曲支撑的滞回曲线。图14是本发明结构试验得到的滞回曲线。附图标记1 一十字钢板轴力杆、1. 1 一凸块A、2 —钢管混凝土约束体、2. 1 一凹槽 A、3 —装配螺栓、4 一长圆栓孔、5 —圆栓孔、6 —间隙A、7 —间隙B、8 —间隙C、9 一 H型钢轴力杆、9. 1 一凹槽B、10 —方钢约束体、10. 1 一凸块B、ll 一附加钢板、12 —挡板、13 —独立凸块、14 一凹槽C。
具体实施例方式
实施例一参见图1至图6所示，一种多级串联防屈曲支撑，包括轴力杆和约束体，两者之间预留有间隙A6，所述约束体为钢管混凝土约束体2，包裹在轴力杆外周，所述轴力杆为十字钢板轴力杆1，只在两端和中间部位保持完整截面和约束体一起形成传力单元，其余部分的十字钢板轴力杆1去除翼板只保留腹板和约束体一起形成耗能单元J和耗能单元L，耗能单元J和耗能单元L之间通过中间传力单元K形成串联关系。其中，耗能单元J处的轴力杆的屈服能力较耗能单元L处的屈服能力低，为实现上述目的，在耗能单元J处仅以十字钢板轴力杆1的腹板充当耗能核心，在耗能单元L处以与十字钢板轴力杆1的腹板平行设置的两块附加钢板11和十字钢板轴力杆1的腹板共同充当耗能核心，其中，附加钢板11和腹板之间预留有间隙C8。在左端部传力单元I、右端部传力单元M和中间传力单元K处，十字钢板轴力杆1的腹板上带有突出的凸块Al. 1，钢管混凝土约束体2内陷形成凹槽A2. 1， 凹槽A2. 1和凸块Al. 1相匹配且两者之间预留有间隙B7。上述间隙A6、间隙B7和间隙C8 内均可填充增加滑动性能的物质或材料比如石蜡制品或聚四氟乙烯。所述轴力杆在所有耗能单元区段的截面均比在左端部传力单元I、右端部传力单元M、中间传力单元K区段内的截面小。工作时，十字钢板轴力杆1在外力作用下耗能单元J先参与工作，当十字钢板轴力杆1上的凸块1. 1的边缘与钢管混凝土约束体2上的凹槽A2. 1的边缘全面接触后，该耗能单元J发生“短路”，退出工作，超出的外力全部通过凸块Al. 1传导至下一个耗能单元L，如果有多个耗能单元可依次类推，直至全截面参与工作。此工作状态表现在拉压过程中的往复工作。实施例二参见图7至图10所示，一种多级串联防屈曲支撑，为轴力杆和包裹在轴力杆周围的约束体形成的细长型杆件，所述轴力杆和约束体之间预留有间隙A，所述细长型杆件包括两个左端部传力单元I、右端部传力单元M和中间传力单元K以及至少两个耗能单元，所述约束体为方钢约束体10，所述轴力杆为H型钢轴力杆9，所述方钢约束体10贴在H型钢轴力杆9两侧，所述H型钢轴力杆9只在两端和中间部位保持完整截面和约束体一起形成传力单元，其余部分去除翼缘只保留腹板和方钢约束体10—起形成耗能单元J和耗能单元L，耗能单元J和耗能单元L之间通过中间传力单元K形成串联关系，所述左端部传力单元I和右端部传力单元M活动，通过将H型钢轴力杆9的腹板内缩形成凹槽B9. 1，方钢约束体10外凸形成凸块B10. 1，凹槽B9. 1和凸块B10. 1相匹配且两者之间预留有间隙B7确保凸块B10. 1能在凹槽B9. 1内自由滑动，并在此区段内的方钢约束体10和H型钢轴力杆9上对应开有长圆栓孔4，装配螺栓3穿过长圆栓孔4，将H型钢轴力杆9和方钢约束体10固定；所述中间传力单元K固定，通过将此区段内的H型钢轴力杆9和方钢约束体 10上对应开圆栓孔5，将装配螺栓3穿过圆栓孔5固定连接来实现。其中，在耗能单元J处仅以H型钢轴力杆9的腹板充当耗能核心，在耗能单元L处以与H型钢轴力杆9的腹板平行设置的两块附加钢板11和H型钢轴力杆9的腹板共同充当耗能核心。工作时，H型钢轴力杆9在外力作用下在耗能单元J先参与工作，当H型钢轴力杆9卡顶在约束体上的凸块 B10. 1的边缘时，耗能单元L退出工作，超出的外力全部通过凸块B10. 1传导至下一个耗能单元L，如果有多个耗能单元可依次类推，直至全截面参与工作。此工作状态表现在拉压过程中的往复工作。上述实施例中，所述轴力杆还可为钢板、工字钢、十字型钢或钢板和型钢组合。所述约束体还可为方钢、圆钢管混凝土、方钢管混凝土或矩形钢管混凝土。所述圆钢管混凝土、方钢管混凝土或矩形钢管混凝土的内壁还可设置有挡板12。所述间隙B的宽度为0 200mm。另外，活动的传力单元中可通过在轴力杆和约束体上均开有大小相等一一对应的凹槽C14，凹槽C14内放置独立凸块13，通过独立凸块13在凹槽C14内的滑动实现位移控制和轴力的传递，参见图11和12，其中图11中，每个传力单元上设置一对凹凸配合的凹槽 C14和独立凸块13，上下两个传力部分在一条轴线上，图12中，上下两个传力部分也可不在一条轴线上。另外，凹槽为燕尾槽效果更佳，此时，滑块的形状与凹槽形状相匹配。另外，耗能单元L可仅为一块钢板，厚度与耗能单元J处不同能实现屈服力不同即可。耗能单元部分除上述实施例中所述方式外，只要能在此区段内实现局部截面积大大减少的任何方式均可。所述的多级串联防屈曲支撑的制作方法，包括如下步骤
步骤一，按照预先确定的左端部传力单元I、右端部传力单元M和中间传力单元K区段长度和每个耗能单元区段长度将轴力杆加工成在耗能单元区段的截面比左端部传力单元 I、右端部传力单元M和中间传力单元K区段内的截面小的杆件，并使每个耗能单元核心区的耗能能力不同；
步骤二，在左端部传力单元I、右端部传力单元M和中间传力单元K中至少一个上设置凹槽和凸块，形成活动的传力单元；
步骤三，将约束体设置在轴力杆的外，两者之间预留间隙A，并使轴力杆和约束体成为一个整体。图14是实施例一所述构件进行加载试验，得到的滞回曲线，图13是常见的防屈曲支撑的滞回曲线，从滞回曲线对比可以看出，本发明可实现首段低屈服以及逐级屈服，且相对于现有的耗能支撑，其滞回曲线更加饱满，可满足耗能支撑低屈服大变形的需要。在实际工程中，为了集约化生产和加快施工进度，可将传力单元和耗能单元分段制作，根据实际工程需要进行灵活装配。
权利要求
1.一种多级串联防屈曲支撑，为轴力杆和包裹在轴力杆周围的约束体形成的细长型杆件，所述轴力杆和约束体之间预留有间隙A (6)，其特征在于所述细长型杆件划分为左端部传力单元I、右端部传力单元M、中间传力单元K以及至少两个耗能单元，所述耗能单元之间为串联关系，其中，每个耗能单元具有不同的屈服力，所述左端部传力单元I、右端部传力单元M、中间传力单元K中至少有一个通过凹槽和凸块配合形成可动的传力分配机制，所述凹槽和凸块之间预留有间隙B(7)，所述轴力杆在所有耗能单元区段内的截面均比在左端部传力单元I、右端部传力单元M、中间传力单元K区段内的截面小。
2.根据权利要求1所述的多级串联防屈曲支撑，其特征在于所述凹槽开在轴力杆、约束体上或同时开在上述两者上，所述凸块与约束体或轴力杆固定为一体，或独立，且凹槽和凸块一一对应。
3.根据权利要求1所述的多级串联防屈曲支撑，其特征在于所述轴力杆为钢板、工字钢、十字型钢或钢板和型钢组合。
4.根据权利要求1所述的多级串联防屈曲支撑，其特征在于所述约束体为方钢、圆钢管混凝土、方钢管混凝土或矩形钢管混凝土。
5.根据权利要求1所述的多级串联防屈曲支撑，其特征在于所述圆钢管混凝土或方钢管混凝土的内壁设置有挡板(12 )。
6.根据权利要求1所述的多级串联防屈曲支撑，其特征在于所述间隙A(6)和间隙B (7)内均填充有石蜡制品或聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的多级串联防屈曲支撑，其特征在于所述间隙B(7)的宽度为 0 200mm。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的多级串联防屈曲支撑的装配方法，其特征在于 包括如下步骤步骤一，按照预先确定的左端部传力单元I、右端部传力单元M和中间传力单元K区段长度和每个耗能单元区段长度将轴力杆加工成在耗能单元区段的截面比左端部传力单元 I、右端部传力单元M和中间传力单元K区段内的截面小的杆件，并使每个耗能单元核心区的耗能能力不同；步骤二，在左端部传力单元I、右端部传力单元M和中间传力单元K中至少一个上设置凹槽和凸块，形成活动的传力单元；步骤三，将约束体设置在轴力杆的外，两者之间预留间隙A，并使轴力杆和约束体成为一个整体。
全文摘要
本发明涉及一种多级串联防屈曲支撑及制作方法，为轴力杆和包裹在轴力杆周围的约束体形成的细长型杆件，所述轴力杆和约束体之间预留有间隙A，所述细长型杆件划分为左端部传力单元I、右端部传力单元M、中间传力单元K以及至少两个耗能单元，所述耗能单元之间为串联关系，其中，每个耗能单元具有不同的屈服力，所述左端部传力单元I、右端部传力单元M、中间传力单元K中至少有一个通过凹槽和凸块配合形成可动的传力分配机制，所述凹槽和凸块之间预留有间隙B。本发明可实现耗能单元分级工作以及低屈服大变形的要求，可广泛应用建筑物的耗能减震。
文档编号E04G21/00GK102493570SQ20111042673
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者丁志娟, 万金国, 冯祝生, 刘彤程, 周建, 尹飞, 徐建伟, 李文峰, 苗启松, 閣东东, 陈晗, 陈曦, 马培培 申请人:周建, 苗启松