专利名称：四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑及其制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑结构抗震防灾技术领域，属于结构减震被动控制范畴，具体涉及一种四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑，可用于建筑结构中抵抗水平地震作用，提高结构抗震性能。
背景技术：
地震灾害的强随机性与破坏性，会给人类的生命财产安全带来巨大威胁。结构在地震中倒塌的主要原因是其自身的耗能能力不足以消耗地震输入能量，从而导致结构的节点、梁、柱等关键部件发生疲劳损伤断裂破坏。为建筑结构附加耗能减震装置是减小结构地震损伤有效手段，其可使损伤集中于耗能减震装置本身，从而起到保护主体结构，减小结构关键部位构件损伤的作用。
本发明是金属耗能减震装置的一种，即屈曲约束支撑。其通过耗能核心单元轴向拉压屈服的高效耗能机制，耗散地震输入能量。通常屈曲约束支撑有两种主要形式，即(I) 钢管混凝土型屈曲约束支撑；(2)纯钢型屈曲约束支撑。纯钢型屈曲约束支撑较钢管混凝土型屈曲约束支撑轻，加工速度快，精度易控制，质量易保证。
屈曲约束支撑的核心单元在轴向压力作用下有两种屈曲破坏模式，即整体屈曲与局部屈曲。现有的纯钢型屈曲约束支撑，都是通过加劲肋等构造措施限制了核心单元的这两种屈曲破坏模式的发生。常见的核心单元有“一”字形板和“十”字形组合断面等。
但是，现有的纯钢型屈曲约束支撑在设计时都忽略了一个重要问题，即没有利用核心单元自身抵抗局部屈曲的能力，加劲约束措施一般采用面面接触，即加劲约束单元在核心单元的整个外表面都紧贴约束，这将不可避免地造成钢材的浪费。发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无须使用填充材料， 完全通过自身构造提供稳定约束作用的四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑及其制作方法， 用于解决现有技术中的上述问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑，包括横截面为十字形的芯材以及套设在所述芯材上的外围约束套筒，所述外围约束套筒的内壁上周向均匀固定四个轴向延伸的约束件，每个约束件上具有一条轴向延伸的卡槽，所述芯材的四个侧边分别卡设在所述四个卡槽内。
进一步地，所述约束件由两块槽钢并排构成，所述卡槽由两块槽钢之间的间隙构成。
进一步地，所述槽钢的开口面与所述外围约束套筒的内壁贴合并且固定连接。
进一步地，所述外围约束套筒的横截面为方形。
进一步地，所述芯材的两端各连接一横截面为十字形的加劲板，所述加劲板与芯材间为凹凸配合连接。
进一步地，所述加劲板的宽度和高度均大于所述芯材的宽度和高度。
本发明还包括上述四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，包括以下步3骤(1)制作横截面为十字形的芯材；(2)制作四个具有卡槽的约束件，所述卡槽的槽宽为芯板厚度；(3)制作拼装外围约束套筒的各壁板，将所述四个约束件分别焊接在组成外围约束套筒的各壁板上，并且保证四个约束件沿外围约束套筒的周向均匀分布；(4)将芯材的四个侧边插入所述四个约束件的卡槽内并且固定；(5)将所述各壁板拼装成所述外围约束套筒，并且用对接焊缝焊接固定。
进一步地，上述步骤(2)中，所述约束件由两块槽钢并排构成，所述卡槽由两块槽钢之间的间隙构成。
进一步地，在进行步骤(2)前，在所述芯板两端焊接加劲板。
通过以上技术方案，本发明具有以下技术效果
本发明通过利用芯材自身抗局部屈曲的能力，实现芯材屈服而不屈曲的耗能机制，可极大地提高钢材利用效率，减小钢材用量，提高经济性。因此本四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑通过将芯材的四侧分别卡设在四个约束件的卡槽内实现线接触约束，提高并且利用了芯材抗局部屈曲的能力，不必填充约束料，使得自重大大降低，钢材利用率很高， 从而达到了较好的经济性。同时芯材屈服前可为结构提供较大的抗侧刚度与承载能力，其作用同普通钢支撑，但由于本发明不会发生整体失稳破坏，材料利用效率更高；芯材屈服后可耗散大量地震输入能量，为结构提供附加阻尼，是一种性能优良的金属阻尼器。
图I为本发明四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑的示意图。。
图2为图I中A-A向的侧视图。
图3为沿图I中B-B的横截面图。
图4为沿图I中C-C的横截面图。
图5为沿图I中D-D的横截面图。
图6为芯材与加劲板的拼合示意图。
图7为本发明在建筑结构中的布置方式示意图。
元件标号说明
I-芯材；
2-槽钢；
3-外围约束套筒；
4-加劲板；
5-四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
图I及图5示出了本发明四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑的一种实施方式，包括横截面为十字形的芯材I以及套设在芯材上的外围约束套筒3，外围约束套筒的内壁上周向均匀固定四个轴向延伸的约束件2，每个约束件上具有一条轴向延伸的卡槽，芯材的四条侧边分别卡设在四个卡槽内。根据我国《钢结构设计规范》，若仅在“十”字形核心单元的四条侧边采用线接触约束，并保证核心钢板悬挑部位的宽厚比不大于9^/235//,. (fy为钢材屈服强度标准值)就能使其不发生局部屈曲，而该条件又是非常容易满足的。通过利用核心单元自身抗局部屈曲的能力，实现核心单元屈服而不屈曲的耗能机制，可极大地提高钢材利用效率，减小钢材用量，提高经济性。本发明正是采用该原理制作，通过将芯材四条侧边分别卡设在四个约束件的卡槽中实现线接触约束使芯材不发生局部屈伸。
下面结合上述原理进一步阐述，芯材的屈曲分为整体屈曲和局部屈曲，整体屈曲为芯材以一个正弦曲线半波的形式弯曲失稳,局部屈曲为芯材的边缘发生波浪状的失稳破坏。因此通过约束件的卡槽夹紧芯材用以约束芯材在受压的情况下屈曲，既能防止其发生局部屈曲，也能防止整体屈曲，提高芯材的屈曲承载能力，使其大于芯材的屈服承载力，这样就能使芯材在受压情况下先发生屈服，不发生屈曲，从而达到屈服耗能的目的。本实施例中约束件由两块槽钢2并排构成，两块槽钢之间留有间隙构成上述卡槽。采用槽钢一方面因为其开口槽结构可以节省材料，减轻重量，另一方面槽钢2可以提供良好的抗侧力。
并且理论上槽钢2的开口面方向并无严格限制，若采用槽钢背面固定，槽钢侧壁略显单薄，若采用槽钢开口面与外围约束套筒的内壁固定连接，则可形成一个闭合截面，提供的抗侧力较大，可以提供更好的约束效果，故优选槽钢的开口面与外围约束套筒的内壁固定连接(图5所示)。
外围约束套筒3作为屈曲约束支撑的重要组成部分，需要有足够的抗弯强度，才能确保芯材处于较为理·想的轴向拉、压受力状态并产生抗压塑性变形，从而使得屈伸约束支撑发挥优越的耗能性能。理论上外围约束套筒的横截面可以是圆形的也可以是方形的， 但是考虑到采用方形截面的外围约束套筒，其壁板可以和槽钢2垂直焊接，方便约束芯材 I ;若采用圆形截面的外围约束套筒3，则必须对槽钢2进行切削，才能保证和芯材接触的槽钢面是平行的，加工起来比较复杂，故优选外围约束套筒3的横截面为方形。(图4所示)
同时为加强外围约束套筒3的刚度，也使外围约束套筒3对芯材I提供更好的约束作用，芯材两端各连接一横截面也为十字形的加劲板4以加大端部截面。而且通常支撑核心即芯材在地震往复作用下，会产生应变强化效应，即芯材的屈服力会逐渐增大。由于芯材的与建筑柱体的节点连接为约束支撑的关键部位，在地震中要保证处于弹性状态，又由于十字形芯材构造上的限制，加劲板与芯材在套筒内部是等截面即等宽的，因此要想使得节点强度大于芯材应变强化后的强度，如果不提高钢材强度，就只能增大截面面积，从而用钢量也会增加，因此加劲板4优选采用高强钢，以减小用钢量，并且加劲板的强度高于芯材。
若采用平直对接焊缝连接加劲板与芯材，则连接强度是不够的，因为我国《钢结构设计规范》规定，两种不同的钢材对接拼接，强度取低者，因此加劲板与芯材间采用凹凸配合连接，凹凸配合用以增加连接焊缝的长度，使其拼接强度足够。因为仅为增加连接焊缝的长度，所以实现凹凸配合的具体形状并无严格限制，如半圆形、锥形、三角形均可，三角形显然更便于加工，因此本实施例中芯材为外凸的三角形，加劲板上设有对应的内凹三角形(图 6所示)。
同时加劲板4的尾端外露于外围约束套筒，以便于与建筑柱体连接。出于更加安全的考虑，本实施例对加劲板4外露于套筒这一部分的截面进行了进一步放大，使加劲板的宽度和高度均大于芯材的宽度和高度，使得加劲板与建筑主体的节点的连接强度比芯和加劲肋的连接强度更强一些。
本发明还包括四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，包括以下步骤
(I)根据建筑与分析设计要求，确定四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑5的尺寸， 包括长度、高度、宽度等参数，以方便与建筑主体结构连接；
(2)根据屈服承载力与屈服位移要求，选择芯材的尺寸，确保其宽厚比满足设计要求。芯材侧边的厚度约为12 30mm，芯材适用吨位在300吨飞00吨，芯材钢材为低碳钢或者低屈服点钢；
(3)根据支撑屈服承载力及长度确定外围约束套筒3的厚度与尺寸，使其满足整体稳定要求。制作拼装外围约束套筒3的各壁板，本实施例用四块钢板围成一个方形的外围约束套筒3，其尺寸为200*200mnT500*500mm，长度为2nT6m。
(4)制作横截面为十字形的芯材I ;
(5)芯材I两端采用双坡斜对接焊缝对称焊接一加劲板4 ；
(6)将四个约束件分别焊接在组成外围约束套筒的各壁板上，并且保证四个约束件沿外围约束套筒的周向均匀分布，每个约束件由两块槽钢2并排构成，槽钢采用角焊缝焊接在壁板上，使两块槽钢之间预留一定间隙构成卡槽，两块槽钢的间距(即卡槽的宽度) 为芯材侧边的厚度，槽钢选用热轧标准槽钢；
(7)将芯材的四条侧边分别插入上述卡槽内并且固定；
(8)将外围约束套筒各壁板拼装好用对接焊缝焊接在一起。
本发明四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑制作完成后，按以下步骤实施
(I)确定四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑5的安装位置与数量，将其尽量布置在结构抗震的薄弱位置。
(2)根据结构分析设计，确定四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑5的屈服承载力、 刚度与节点连接力等参数。
(3)根据设计参数，结合具体构造措施进行四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑5 的设计与加工。
(4)将四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑5与建筑结构主体通过螺栓、焊接等方式，进行可靠连接，构成一人字形支撑(图7所示)。
综上所述，本四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑无须采用填充材料，完全依靠自身构造起到稳定的约束作用，避免受压芯板在弹性和塑性阶段下的屈曲问题，而且类比一字形屈曲约束支撑，十字形核心的支撑在相同的外观与相同板厚的情况下，核心断面面积比一字型核心的要大，故支撑的屈服吨位更大。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑，包括横截面为十字形的芯材以及套设在所述芯材上的外围约束套筒，其特征在于，所述外围约束套筒的内壁上周向均匀固定四个轴向延伸的约束件，每个约束件上具有一条轴向延伸的卡槽，所述芯材的四个侧边分别卡设在所述四个卡槽内。
2.根据权利要求I所述的四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑，其特征在于，所述约束件由两块槽钢并排构成，所述卡槽由两块槽钢之间的间隙构成。
3.根据权利要求2所述的四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑，其特征在于，所述槽钢的开口面与所述外围约束套筒的内壁贴合并且固定连接。
4.根据权利要求I所述的四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑，其特征在于，所述外围约束套筒的横截面为方形。
5.根据权利要求I所述的四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑，其特征在于，所述芯材的两端各连接一横截面为十字形的加劲板，所述加劲板与芯材间为凹凸配合连接。
6.根据权利要求5所述的四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑，其特征在于，所述加劲板的宽度和高度均大于所述芯材的宽度和高度。
7.—种权利要求I所述的四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤(1)制作横截面为十字形的芯材；(2)制作四个具有卡槽的约束件，所述卡槽的槽宽为芯材侧边的厚度；(3)制作拼装外围约束套筒的各壁板，将所述四个约束件分别焊接在组成外围约束套筒的各壁板上，并且保证四个约束件沿外围约束套筒的周向均匀分布；(4)将芯材的四个侧边插入所述四个约束件的卡槽内并且固定；(5)将所述各壁板拼装成所述外围约束套筒，并且用对接焊缝焊接固定。
8.根据权利要求7所述的四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，其特征在于，所述约束件由两块槽钢并排构成，所述卡槽由两块槽钢之间的间隙构成。
9.根据权利要求7所述的四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑的制作方法，其特征在于，在进行步骤(2)前，在芯材两端焊接加劲板。
全文摘要
本发明提供一种四边约束十字形纯钢屈曲约束支撑及其制作方法，包括横截面为十字形的芯材以及套设在所述芯材上的外围约束套筒，所述外围约束套筒的内壁上周向均匀固定四个轴向延伸的约束件，每个约束件上具有一条轴向延伸的卡槽，所述芯材的四个侧边分别卡设在所述四个卡槽内。本发明通过将芯材的四侧分别卡设在四个约束件的卡槽内实现线接触约束，提高并且利用了芯材抗局部屈曲的能力，不必填充约束料，使得自重大大降低，可极大地提高钢材利用效率，减小钢材用量，提高经济性。
文档编号E04B1/98GK102943535SQ20121037617
公开日2013年2月27日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者李国强, 郭小康, 孙飞飞 申请人:同济大学