一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件的制作方法
【专利摘要】一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件，属于防屈曲限位耗能支撑构件【技术领域】，工字形钢芯从两端到中间依次为非变截面段a、截面缩小段b以及连接段c，截面缩小段b分别靠近外约束钢管的两端，限位槽对应截面缩小段b，限位槽处焊接有T形截面挡板，工字形钢芯截面缩小段b以60°坡角内缩，T形截面挡板插入限位槽腹板与截面缩小段的十字形钢芯平行，T形截面挡板的腹板与工字形钢芯截面内缩处留有空隙。受力时，钢芯首先耗能屈服，钢芯屈服变形受到外钢管的内置挡板限制时，外钢管与屈服后钢芯共同参与受力。外钢管刚度较大，加之屈服后钢芯的刚度能够有效限制钢芯屈服后结构整体的侧移，达到限位的效果。
【专利说明】一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件
【技术领域】
[0001]本发明属于防屈曲限位耗能支撑构件【技术领域】，涉及一种工程结构抗震耗能及限位的支撑构件，尤其是一种钢芯为变截面工字形、外约束套管为内设挡板式的防屈曲耗能支撑构件。防屈曲支撑受力时，局部缩小尺寸的钢芯首先屈服耗能，变形达到一定程度钢芯被外钢管内置的挡板约束，由此带动外钢管参与后期的限位工作。
【背景技术】
[0002]屈曲约束支撑又称防屈曲支撑或BRB (Buckling restrained brace),产品技术最早发展于1973年的日本，当时的一批日本学者成功研发了最早的墙板式防屈曲耗能支撑，并对其进行了加入不同无粘结材料的拉压试验；1994年北岭地震后，美国也开始对放屈曲支撑体系进行相应的设计研究和大比例试验，同时结合理论计算分析了该支撑体系较其他支撑体系的优点。防屈曲支撑由支撑钢芯、外围约束构件组成，可为框架或排架结构提供很大的抗侧刚度和承载力，采用支撑的结构体系在建筑结构中应用十分广泛。两者之间通常设置有无粘结材料或适当的间隙以释放支撑钢芯受压时所产生的膨胀变形。外套筒和填充材料仅约束钢芯受压屈曲，使钢芯在受拉和受压下均能进入屈服，因而，防屈曲约束支撑的滞回性能优良。
[0003]传统的防屈曲支撑构件具有以下特点:仅钢芯与结构构件相连，荷载完全由钢芯承担，外钢管和填充材料仅约束钢芯受压屈曲，防止钢芯受压失稳，使钢芯在受拉和受压下均能进入屈服。即仅考虑钢芯一个耗能核心，忽略了外约束套筒的轴向刚度贡献。目前研究开发的防屈曲支撑主要着重提高其耗能能力，对防屈曲支撑的限位作用研究较少。鉴于此，我们将着力提出一种应用外钢管刚度和屈服后钢芯刚度进行结构位移控制的新型防屈曲支撑。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种变截面防屈曲限位耗能支撑构件，要解决现有防屈曲支撑没有位移控制装置的问题。外约束钢管采用内设挡板的方形钢管，钢芯采用变截面设计与外约束钢管的限位槽相嵌合，从而在钢芯屈服后利用外约束钢管的轴向刚度达到限位的目标。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件，由工字形钢芯和外约束钢管组成，工字形钢芯位于外约束钢管内部，外约束钢管与工字形钢芯形成的两个长方形区域内填充两个长方形薄壁型钢钢管混凝土，其特征在于，所述工字形钢芯从两端到中间依次为连接段a、截面缩小段b以及非变截面段C，非变截面段c位于两截面缩小段b之间，截面缩小段b分别靠近外约束钢管的两端，所述外约束钢管是2面开有限位槽的方钢管，限位槽对应截面缩小段b，限位槽处焊接有T形截面挡板，T形截面挡板的翼缘焊接在外约束钢管的外表面，腹板垂直插入限位槽，工字形钢芯截面缩小段b两端以60°坡角缩小，T形截面挡板插入限位槽的腹板与截面缩小段的工字形钢芯端部平行，即同样具有60°坡角。T形截面挡板插入限位槽腹板的轴向截面为梯形，且与工字形钢芯截面内缩处留有空隙。
[0007]所述外约束钢管的边长大于工字形钢芯非变截面段宽度，外约束钢管、工字形钢芯及长方形薄壁型钢钢管混凝土之间的缝隙设置无粘结材料层。限位槽位于距离外约束钢管端部1/12长度e处，开槽长度d为1/6外约束钢管的长度，同时也是T形双角钢挡板的长度。所设焊接双角钢T形挡板由限位槽外侧插入槽孔并且焊接在外钢管上。插入槽孔的T形挡板腹板的纵向两端分别以60°的坡角缩小，由此T形挡板的纵向截面为梯形。所述芯材为内缩式变截面芯材，于设置挡板处以60°的坡角局部缩小截面，由此双角钢焊接T形挡板内缩截面与工字形钢芯内缩截面相互平行，T形截面挡板插入限位槽的腹板与工字形钢芯截面内缩处留有一定缝隙。
[0008]所述工字形钢芯由屈服工作段、截面局部缩小段、连接段组成，截面局部缩小处b对应外约束钢管的限位槽位置，且纵向长度应大于焊接T形挡板的纵向长度，考虑包括钢芯屈服时的受拉、受压变形和设计此消能限位体系的控制位移量，根据结构抗震设计规范中弹塑性层间位移角的限制要求规定其最大距离差。防屈曲支撑受力时，钢芯首先耗能屈月艮，钢芯屈服变形受到外钢管的内置挡板限制时，外钢管与屈服后钢芯共同参与受力。并且外钢管刚度较大，加之屈服后钢芯的刚度能够有效限制钢芯屈服后结构整体的侧移，达到限位的效果。
[0009]所述外约束钢管截面形式可以是方形、圆形。
[0010]根据以上技术方案，与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
[0011]性能优越:本发明的耗能能力为钢芯的屈服强度，而结构位移则由外约束钢管的刚度和屈服后钢芯的刚度共同控制，充分利用了外约束钢管的轴向刚度。
[0012]取材方便:本发明采用的钢材来源广泛，规格齐全，购买方便。
[0013]传力明确:钢芯屈服后，外约束钢管的轴向刚度作为支撑体系的附加刚度有利于限制结构的层间侧移，实现限位功能。
[0014]本发明可广泛应用于建筑物的耗能减震及限位控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的结构侧视图，即纵向剖面图。
[0016]图2为图1A-A处剖面图，即A-A径向剖面图。
[0017]图3为图1B-B处剖面图，即B-B径向剖面图。
[0018]附图标记:1-钢芯、2-外约束套管、3-薄壁型钢钢管混凝土、4-T形挡板、5-钢芯与外钢管之间无粘结材料、a-非变截面段长度、b-钢芯截面局部缩小段长度、C-连接段长度、d-内设T字形挡板长度、e-槽孔端部距离钢管端部的长度。
【具体实施方式】
[0019]如图1所示，一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件，由工字形耗能钢芯(I)和外约束钢管(2)组成，外钢管尺寸300 X 300_。所述工字形耗能钢芯(I)包括非变截面段a、截面局部缩小段b、连接段C。所述工字形钢芯(I)与外约束钢管(2)之间形成2个长方形空间放置2个薄壁型钢钢管混凝土(3)。所述外约束钢管(2)是2面开槽的方钢管，且外约束钢管(2)的直径略大于芯材(I)非变截面段直径约10mm，外约束钢管(2)和芯材(I)之间的缝隙设置无粘结材料层(5)。距离外约束钢管(2) 1/12长度e的一对对边钢板端部位置开设槽孔，另一对边不做处理。开槽长度d为1/6外约束钢管的长度，同时也是焊接双角钢T形挡板(4)的长度。所设挡板(4)由两角钢焊接而成，T形挡板由外侧插入槽孔并且焊接在外钢管上。插入槽孔的T形挡板纵向两端分别以60°的坡角内缩，由此T形挡板的纵向截面为梯形。所述芯材(I)为内缩式变截面芯材，于设置挡板(4)处以60°的坡角局部缩小截面，由此双角钢焊接T形挡板内缩截面与工字形钢芯内缩截面相互平行，工字形钢芯截面径向内缩的长度约为30mm，挡板穿入槽孔至钢芯截面内缩处并留有约5_的缝隙；工字形钢芯截面局部缩小段的纵向长度应大于T形挡板的纵向长度，考虑包括钢芯(I)屈服时的受拉、受压变形和设计此消能限位体系的控制位移量，根据结构抗震设计规范中弹塑性层间位移角的限制要求规定其最大距离差。防屈曲支撑受力时，钢芯(I)首先耗能屈服，钢芯(I)屈服变形受到外钢管(2)的内置挡板限制时，外钢管
(2)与屈服后钢芯(I)共同参与受力。并且外钢管(2)刚度较大，加之屈服后钢芯(I)的刚度能够有效限制钢芯屈服后结构整体的侧移，达到限位的效果。
[0020]除上述示例之外，钢芯(I)的截面形式还可以是H形截面。
[0021]如图2所示，外约束钢管(2)是2面开槽的方钢管，且外约束钢管(2)的边长略大于芯材(I)非变截面段宽度约10_，钢管内设挡板处局部缩小钢芯尺寸，外约束钢管(2)和钢芯(I)之间的缝隙设置无粘结材料层(5 )。
[0022]如图3所示，工字形钢芯截面径向内缩的长度约为30mm，挡板穿入槽孔及钢芯截面内缩处并留有约5mm的缝隙，外约束钢管(2)和钢芯(I)之间的缝隙设置无粘结材料层(5)。
[0023]本发明所述变截面防屈曲限位耗能支撑构件的工作原理为:
[0024]外部荷载施加到防屈曲支撑，首先钢芯承受外荷载直至屈服，变形达到一定程度受到内挡板的约束时，外钢管参与受荷。受压状态下，当钢芯屈服后钢芯的压缩变形达到内挡板的极限时，即钢芯向内压缩接触到内置挡板的端部时，外约束体在钢芯的作用下贡献轴向抗压刚度，作为附加刚度限制结构整体侧移。受拉状态下，直到钢芯屈服的拉伸变形达到内挡板的极限时，即钢芯向外拉伸接触到内置挡板的端部时，外约束体在钢芯的作用下贡献轴向抗拉刚度，作为附加刚度限制结构整体侧移。此时钢芯和外约束体作为一个整体共同承受外部荷载。此工作状态表现在拉压过程中的往复工作。
【权利要求】
1.一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件，由工字形钢芯和外约束钢管组成，工字形钢芯位于外约束钢管内部，外约束钢管与工字形钢芯形成的两个长方形区域内填充两个长方形薄壁型钢钢管混凝土，其特征在于，所述工字形钢芯从中间到两端依次为非变截面段a、截面缩小段b以及连接段C，非变截面段a位于两截面缩小段b之间，截面缩小段b分别靠近外约束钢管的两端，所述外约束钢管是2面开有限位槽的方钢管，限位槽对应工字形截面缩小段b。限位槽处焊接有T形截面挡板，T形截面挡板的翼缘焊接在外约束钢管的外表面，腹板垂直插入限位槽，工字形钢芯截面缩小段b以60°坡角缩小，T形截面挡板的腹板与截面缩小段的工字形钢芯端部平行，即挡板两端同样具有60°坡角。T形截面挡板的腹板纵向截面为梯形，且与工字形钢芯截面内缩处留有空隙。
2.按照权利要求1的一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，外约束钢管的边长略大于工字形钢芯非变截面段宽度。
3.按照权利要求1的一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，T形截面挡板插入限位槽的腹板与工字形钢芯截面内缩处留有一定缝隙，外约束钢管、工字形钢芯及长方形薄壁型钢钢管混凝土之间的缝隙设置无粘结材料层。
4.按照权利要求1的一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，限位槽距离外约束钢管端部1/12长度e处，开槽长度d为1/6外约束钢管的长度，同时也是T字型双角钢挡板的长度。
5.按照权利要求1的一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件，其特征在于，外钢管的截面形式可以是方形、圆形。
【文档编号】E04B1/98GK103711222SQ201310745337
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】马华, 张芳亮, 李汉杰, 高宇, 李振宝 申请人:北京工业大学