含有L型耗能元件的屈曲约束支撑、建筑物及组装方法与流程

本发明涉及土建结构工程抵抗外力构件技术领域，特别是指一种含有l型耗能元件的屈曲约束支撑、建筑物及组装方法。

背景技术：

在多层或高层房屋钢结构体系中，框架是最基本的单元。支撑使钢框架具有更高的抗侧刚度和强度，减小地震时框架的侧向位移，避免或降低对非结构性构件的破坏。屈曲约束支撑克服了普通支撑受压屈曲的缺点，提高了支撑的耗能能力，减小了支撑拉压承载力的大小差异，也使计算机模拟更简单。

1994年北岭地震和1995年阪神地震以后屈曲约束支撑在新建建筑结构和现有建筑物的改造方面应用大幅度增加。各种高性能屈曲约束支撑层出不穷。但是目前的普通屈曲约束支撑存在以下局限：

1)拆除和更换繁琐：屈曲约束支撑的耗能元件在地震中需要消耗地震输入的能量，耗能不可避免的会造成耗能元件的损伤或者断裂，因此在余震或者随后的地震来临时，屈曲约束支撑的耗能减震效果可能会大打折扣。对于现存的屈曲约束支撑，尤其是以填充于钢管中的砂浆或者其他脆性非金属填充材料对耗能元件实现屈曲约束机制的屈曲约束支撑，在大地震后，如果要对耗能元件的损伤进行检测，需要拆除外约束构件，这不但操作麻烦还可能会对支撑造成损坏。即使特别的技术手段证实有必要更换已损伤的屈曲约束支撑，既有屈曲约束支撑的拆卸和新屈曲约束支撑的安装可能会十分繁琐，原因有很多，例如屈曲约束支撑端部的施工操作空间非常有限，尤其是当屈曲约束支撑与框架连接处的节点板完全或者部分被天花板或其他非结构构件遮挡时。另外许多现有的普通屈曲约束支撑通过焊缝与连接框架的节点板相连，这样更换整根支撑势必需要在节点板上施加二次焊接，二次焊接不仅难以施加，质量无法保证，而且焊接产生的热效应会影响节点板的力学性能，降低新支撑的承载力和疲劳性能。

2)可循环利用性差：一个设计合理的屈曲约束支撑应该将损伤控制于耗能元件的约束屈服段中，而屈曲约束构件应始终保持弹性，然而，现在很多传统屈曲约束支撑中屈曲约束构件的重复利用率很低，这非常不利于实现基于可持续发展理念的设计的目标。

技术实现要素：

本发明提供一种拆卸和更换简单，屈曲约束构件方便重复利用的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑、建筑物及组装方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，本发明提供一种含有l型耗能元件的屈曲约束支撑，用作框架结构的支撑，包括可伸缩的内约束构件、套设在所述内约束构件外部的外约束构件、位于所述内约束构件和外约束构件之间的l型耗能元件，其中：

所述内约束构件包括两个长度和外截面尺寸均相同的第一方钢管和第二方钢管，所述第一方钢管和第二方钢管插接连接，所述第一方钢管和第二方钢管互相远离的端部用于与框架结构连接；

所述l型耗能元件包括4个l型芯板，该4个l型芯板的两端分别螺栓连接在所述第一方钢管和第二方钢管的四个直角边上，所述l型芯板的角肢的中部两侧有切槽/切口，形成被削弱的屈服段，两端为未被削弱的非屈服段；

所述外约束构件的内截面为方形，用于包覆在所述l型耗能元件的外部，所述外约束构件和所述l型耗能元件之间设置有一定间隙。

进一步的，所述第一方钢管和第二方钢管尺寸相同，所述第一方钢管和第二方钢管之间通过插接件连接，所述插接件为方钢管，所述插接件的中部设置有沿外周方向且垂直于方钢管平面的肋，所述插接件的外截面尺寸小于所述第一方钢管的内截面尺寸，所述插接件的一端与第一方钢管焊接或插接，另一端插入所述第二方钢管内。

进一步的，所述第一方钢管和第二方钢管的长度均为100～5000mm，所述第一方钢管和第二方钢管之间的间距为20～500mm，所述插接件的外壁与第二方钢管的内壁之间的间隙为1～10mm，所述插接件插入到第二方钢管的长度为20～800mm。

进一步的，所述非屈服段的外侧部分上设置有与所述第一方钢管和第二方钢管连接的螺栓孔，所述非屈服段包括设置有螺栓孔的无约束连接段、未设置螺栓孔且未被所述外约束构件包覆的无约束非屈服段和未设置螺栓孔且被所述外约束构件包覆的约束非屈服段，所述外约束构件包覆在所述屈服段和约束非屈服段上，所述屈服段为被所述内约束构件和外约束构件约束的约束屈服段。

进一步的，所述l型芯板的下部角肢上在所述无约束非屈服段上固定设置有用于托举所述外约束构件的托举件；

所述l型芯板的屈服段的角肢的中部设置有未被削弱的非屈服段，形成中间约束非屈服段，所述中间约束非屈服段的长度大于屈曲约束支撑发生最大设计抗拉承载力变形时所述第一方钢管和第二方钢管之间的间距。

进一步的，所述外约束构件由四个w形钢板扣接形成，相邻的w形钢板螺栓连接；

或者，所述外约束构件由两个开口方向一致的u形钢板螺栓连接形成；

或者，所述外约束构件包括背对设置的两个开口方向相反的u形钢板，所述u形钢板的侧面螺栓连接有两个钢板；

或者，所述外约束构件由两个u形钢板扣接形成，该两个u形钢板两两螺栓连接。

进一步的，所述外约束构件和所述l型耗能元件之间的间隙为1～5mm，所述间隙内填充有无粘结材料。

进一步的，所述约束非屈服段、约束屈服段和中间约束非屈服段之间的过渡区为弧线、直线或直线加弧线。

另一方面，本发明提供一种建筑物，包含上述的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑。

再一方面，本发明还提供一种上述的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑的组装方法，包括：

步骤1：将所述插接件的一端与第一方钢管焊接或插接，另一端插入至第二方钢管内，形成所述内约束构件；

步骤2：调整第一方钢管和第二方钢管之间的间距，将所述l型耗能元件的无约束连接段螺栓连接在第一方钢管和第二方钢管的直角边上；

步骤3：采用外约束构件将所述l型耗能元件包覆起来，并将外约束构件的组成部分螺栓连接。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑、建筑物及组装方法，l型耗能元件的4个l型芯板的两端分别螺栓连接在内约束构件的第一方钢管和第二方钢管的四个直角边上，方便安装和拆卸；损伤集中在l型芯板的屈服段，地震后内约束构件和外约束构件仍然保持弹性，可重复利用，只需要更换l型芯板，屈曲约束支撑即可恢复耗能减震功能。

附图说明

图1为本发明的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑的整体结构示意图；

图2为本发明的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑的各部件的拆分图；

图3为本发明的l型耗能元件与内约束构件的连接示意图；

图4为本发明的内约束构件的第一种实施方式示意图；

图5为本发明的内约束构件的第二种实施方式示意图；

图6为本发明的内约束构件的插接件的结构示意图；

图7为本发明的内约束构件的插接件的组成形式示意图；

图8为本发明的内约束构件的第一方钢管的结构示意图；

图9为本发明的l型芯板的立体图；

图10为本发明的l型芯板的不同结构形式侧视图；

图11为本发明的托举件的不同结构示意图；

图12为本发明的外约束构件的实施例1的截面示意图；

图13为本发明的外约束构件的实施例2的截面示意图；

图14为本发明的外约束构件的实施例3的截面示意图；

图15为本发明的外约束构件的实施例4的截面示意图；

图16为试件b1至b6的滞回曲线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种含有l型耗能元件的屈曲约束支撑，用作框架结构的支撑，如图1至图15所示，包括可伸缩的内约束构件1、套设在内约束构件1外部的外约束构件2、位于内约束构件1和外约束构件2之间的l型耗能元件，其中：

内约束构件1包括两个长度和外截面尺寸均相同的第一方钢管1-1和第二方钢管1-2，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2插接连接，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2的轴线在同一直线上，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2互相远离的端部用于与框架结构连接，具体的，第一方钢管1-1或第二方钢管1-2的外端四周可以开条形槽，通过连接板1-3或者直接与框架结构的节点板连接，如图8所示，连接板1-3的截面为十字形，十字形的连接板1-3焊接在第一方钢管1-1和第二方钢管1-2的外端，内约束构件1的第一方钢管1-1和第二方钢管1-2在支撑轴线方向上可以相对运动，在安装后，要确保屈曲约束支撑在受到最大设计抗压承载力变形时，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2的互相靠近的外截面尺寸相同的端部不会互相接触，在受到最大设计抗拉承载力变形时，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2的互相靠近的端部不会互相脱出；值得注意的是，在满足设计抗拉/抗压承载力的条件下，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2也可以均为矩形管或者其他截面形状的钢管，本领域的技术人员可以灵活选择，不影响本发明的创造性；另外，本发明的最大设计抗拉/抗压承载力为本领域技术人员根据具体的框架结构的受力特点设计。

l型耗能元件包括4个l型芯板3，该4个l型芯板3的两端分别螺栓连接在第一方钢管1-1和第二方钢管1-2的四个直角边上，螺栓可以采用满足设计强度要求的盲孔螺栓或螺杆较长的高强螺栓，l型芯板3的横截面为l型，可以由现成的型钢进行切削而成，或者利用切削好的钢板冷弯而成，不需要焊接，减少了耗能元件的初始缺陷，有利于充分发挥钢材的性能。

l型芯板3的与第一方钢管1-1和第二方钢管1-2螺栓连接时，此处的螺栓可以采用满足设计要求的盲孔螺栓或螺杆足够长的高强螺栓等，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2可以按照设计位置和大小开螺栓孔，同一个面上，螺栓孔的排列方式可以选择并列或错列，螺栓孔的开口既不能使螺栓互相影响，又不能影响第一方钢管1-1和第二方钢管1-2的相对活动，在平行两个面上开孔可以一致，垂直两个面开孔可以错开，具体操作可根据实际采用的螺栓类型而定。

l型芯板3的角肢的中部两侧有切槽/切口4，形成被削弱的屈服段3-1，两端为未被削弱的非屈服段3-2；

外约束构件2的内截面为方形，用于包覆在l型耗能元件的外部，外约束构件2和l型耗能元件之间设置有一定间隙。

与现有技术相比，本发明的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑，l型耗能元件的4个l型芯板的两端分别螺栓连接在内约束构件的第一方钢管和第二方钢管的四个直角边上，方便安装和拆卸，便于在地震后对l型耗能元件进行更换，更换时，不需焊接，只需将新的l型芯板螺栓连接在内约束构件上；本发明的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑，安装时，内约束构件的第一方钢管和第二方钢管插接连接，然后将4个l型芯板螺栓连接在第一方钢管和第二方钢管的四个直角边上，最后将外约束构件包覆在l型芯板的外部，在受拉或受压时，可以将损伤集中在l型芯板的屈服段，地震后内约束构件和外约束构件仍然保持弹性，可重复使用，只需要更换l型芯板，屈曲约束支撑即可恢复耗能减震功能。

进一步的，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2尺寸优选相同(即长度、厚度、外截面相同)，材质优选也相同，如图4至图6所示，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2之间通过插接件1-4连接，插接件1-4为方钢管，插接件1-4的一端与第一方钢管1-1焊接或插接，另一端插入第二方钢管1-2内，当插接件1-4与第一方钢管1-1插接时，插接件1-4的中部优选设置有沿外周方向且垂直于方钢管平面的肋1-5(焊接时则不需要)，防止插接件1-4滑入到第一方钢管1-1或第二方钢管1-2内，值得注意的是，肋1-5的外围尺寸不超过第一方钢管1-1或第二方钢管1-2最外围的尺寸，不影响l型耗能元件的安装，插接件1-4的外截面尺寸小于第一方钢管1-1和第二方钢管1-2的内截面尺寸，既保证第二方钢管1-2与插接件1-4可以自由的相对滑动，又要确保第一方钢管1-1和第二方钢管1-2对l型耗能元件起到比较有效的内约束作用。

进一步的，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2的长度可以均为100～5000mm，安装完成的初始状态下，第一方钢管1-1和第二方钢管1-2之间的间距为20～500mm，即第一方钢管1-1和第二方钢管1-2相互靠近的端部的距离要满足屈曲约束支撑的最大设计抗拉/抗压承载力变形要求；插接件1-4的外壁与第二方钢管1-2的内壁之间的间隙优选为1～10mm，保证插接件1-4与第二方钢管1-2可以自由滑动；插接件1-4插入到第二方钢管1-2的长度优选为20～800mm，防止屈曲约束支撑在受拉时，插接件1-4脱出第二方钢管1-2。

值得注意的是，如图7所示，插接件1-4的方钢管可以采用一体成型的钢管、两个方管焊接而成或是钢板和型钢焊接等多种形式，只要满足设计要求，均不影响本发明的实施。

优选的，如图9所示，非屈服段3-2的外侧部分上设置有与第一方钢管1-1和第二方钢管1-2连接的螺栓孔3-2-1，非屈服段3-2包括设置有螺栓孔3-2-1的无约束连接段3-2-2、未设置螺栓孔3-2-1且未被外约束构件2包覆的无约束非屈服段3-2-3和未设置螺栓孔3-2-1且被外约束构件2包覆的约束非屈服段3-2-4，外约束构件2包覆在屈服段3-1和约束非屈服段3-2-4上，图9中的虚线为外约束构件2在l型芯板3的包覆位置，虚线左侧为无约束非屈服段3-2-3，虚线右侧为约束非屈服段3-2-4，屈服段3-1为被内约束构件1和外约束构件2约束的约束屈服段。值得注意的是，约束非屈服段3-2-4的长度要足够长，在屈曲约束支撑承受最大设计抗拉承载力变形时不完全脱离外约束构件2的约束，无约束非屈服段3-2-3的长度要合适，确保屈曲约束支撑受到最大设计抗压承载力变形时，无约束连接段3-2-2与外约束构件2的端部之间仍然留有空隙。

优选的，l型芯板3的下部角肢上在无约束非屈服段3-2-3上固定设置有用于托举外约束构件2的托举件5，托举件5与l型芯板3可以采用焊接等方式固定连接，托举件5的数量有多个，多个托举件支撑外约束构件2的托举面在同一平面上且该平面与l型芯板的长度方向垂直，如图11所示，托举件5优选为角钢或v形板，图11(a)为角钢，11(b)为v形板，在安装时，若托举件为角钢，角钢的一个直角边优选焊接在下部角肢上，另一直角边用于托举外约束构件，若托举件为v形板，v形板的端部均焊接在下部角肢上，当然托举件也可以采用本领域技术人员可以想到的其它结构形式，均不应该本发明的实施；托举件5位于l型芯板的底部的角肢上，多个托举件5共同承担外约束构件的重力，阻挡外约束构件往下滑移，托举件5的具体数量可以根据实际情况灵活设置。

由于内约束构件1的第一方钢管1-1和第二方钢管1-2之间的空隙处，插接件1-4的截面尺寸小，约束作用较差，在l型芯板3的屈服段3-1的角肢的中部优选设置有未被削弱的非屈服段，形成中间约束非屈服段3-3，中间约束非屈服段3-3的长度优选大于屈曲约束支撑发生最大设计抗拉承载力变形时第一方钢管1-1和第二方钢管1-2之间的间距，以降低此处的应力大小和损伤集中程度，将塑形损伤都控制在约束屈服段，避免因此处过早发生局部屈曲变形而形成的大的应力和损伤集中，致使l型耗能元件的过早断裂。

l型芯板3从一端到另一端依次包括无约束连接段3-2-2、无约束非屈服段3-2-3、约束非屈服段3-2-4、约束屈服段、中间约束非屈服段3-3、约束屈服段、约束非屈服段3-2-4、无约束非屈服段3-2-3和无约束连接段3-2-2。

本发明中，外约束构件2对l型耗能元件起约束作用，外约束构件2的结构形式可以有多种，以下为外约束构件2的几种结构形式：

实施例1：

如图12所示，外约束构件2由四个w形钢板2-1扣接形成，相邻w形钢板2-1螺栓连接，最后形成方形筒状结构，包覆在l型耗能元件的外侧。优选的，若l型芯板3的厚度变化，但还是想采用同一套外约束构件，则可以在四个w形钢板2-1之间两两螺栓连接时，增加合适厚度的垫片，以适用不同厚度的l型芯板。

实施例2：

如图13所示，外约束构件2由两个开口方向一致的u形钢板2-2和2-2’螺栓连接形成，最后形成方形筒状结构，包覆在l型耗能元件的外侧。

实施例3：

如图14所示，外约束构件2包括背对设置的两个开口方向相反的u形钢板2-3，u形钢板2-3的侧面螺栓连接有两个钢板2-4，两个钢板2-4和一对u形钢板2-3形成方形筒状结构，包覆在l型耗能元件的外侧。

实施例4：

如图15所示，外约束构件2由两个u形钢板2-5扣接形成，u形钢板2-5的扣接处螺栓连接。

以上实施方式的先后顺序仅为便于描述，不代表实施方式的优劣，上述实施例中外约束构件2均是各部分螺栓连接，便于拆卸，此外，外约束构件要与约束屈服段的设计长度相适应，确保约束屈服段在任何情况下(尤其是受到最大设计抗拉承载力时)均不伸出外约束构件。

作为本发明的一种改进，外约束构件2和l型耗能元件之间的间隙为1～5mm，该间隙内优选填充有无粘结材料，无粘结材料可以为润滑油、软玻璃或特氟龙材料等，也可以根据具体情况灵活选择，无粘结材料可以在l型耗能元件在发生高阶屈曲变形时，降低l型耗能元件与内约束构件1和外约束构件2之间的摩擦力。

作为本发明的又一种改进，如图10所示，l型芯板3的形式有很多种，约束非屈服段3-2-4、约束屈服段和中间约束非屈服段3-3之间的过渡区可以为弧线、直线或直线加弧线。

另一方面，本发明提供一种建筑物，包括上述的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑。由于结构与上述相同，此处不再赘述。

再一方面，本发明还提供一种上述的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑的组装方法，包括：

步骤1：将插接件1-4的一端与第一方钢管1-1焊接或插接(焊接时，为工厂预制)，另一端插入至第二方钢管1-2内，形成内约束构件1；

步骤2：调整第一方钢管1-1和第二方钢管1-2之间的间距，将4个l型耗能元件的无约束连接段3-2-2螺栓连接在第一方钢管1-1和第二方钢管1-2的直角边上；

步骤3：采用外约束构件2将l型耗能元件包覆起来，并将外约束构件2的组成部分螺栓连接。

本发明的含有l型耗能元件的屈曲约束支撑，参照上海市工程建设标准《高层建筑钢结构设计规程》(dg/tj08-32—2008)(简称上海市高钢规)、《建筑抗震设计规范》(gb50011—2010)(简称抗规)、上海市建筑产品推荐性应用标准《tj屈曲约束支撑应用技术规程》(dbj/ct105—2011)(简称tj约束支撑规程)和《建筑消能减震技术规程》(jgj297—2013)(简称减震规程)进行性能测试试验，具体如下：

规范定义支撑净长为l抗规、上海市高钢规和tj约束支撑规程要求对试件依次在l/300、l/200、l/150和l/100的位移幅值拉压各3次不产生超过15％的强度退化；抗规、减震规程和tj约束支撑规程要求试件在l/150的位移幅值上循环30次不产生超过15％的强度退化。

表1

表1为含有l型耗能元件的屈曲约束支撑的基本参数，本次试验假定约束屈服段总长是支撑长度l的0.56倍，依次对试件b4施加了位移幅值对应l/150的30周次等幅加载和位移幅值依次对应l/300、l/200、l/150和l/100，每级3周的增幅加载。等幅加载中，受拉强度退化为3.6％，受压强度退化为5％，满足15％以内的要求。变幅加载过程中，未出现明显(超过15％)的强度和刚度退化，满足规范要求。

表1中，按照美国规范aisc341-16(aisc2016)中的规定，计算了各试件的累积塑性变形(cpd)，各试件的累积塑性变形均超过aisc341-16(aisc2016)给出的建议下限值200，其中试件b4的cpd达到了2214。

表1中，各试件的最大压拉比β值均小于aisc341-16规定的上限值1.3，符合规范要求。

并且，按照表1中试件参数，得到的滞回曲线，如图16中(a)至(f)分别为试件b1至b6的滞回曲线，可以看出，各试件的滞回曲线均比较饱满，均没有发生整体屈曲，表现出了相似的稳定的滞回性能。另外，上述试验研究中的内约束构件和外约束构件在试件b1至b6中循环使用，始终均未出现明显损伤。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。