一种大位移、高性能的屈曲约束核心单元结构及支撑的制作方法

1.本实用新型涉及建筑抗震技术中的屈曲约束支撑结构技术领域，尤其涉及一种大位移、高性能的屈曲约束核心单元结构及支撑。


背景技术：

2.我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震活动较为频繁，是世界上受地震灾害影响较为严重的国家之一。为了最大限度保护生命及财产安全，国内外学者不断探索安全可靠、经济适用性好的减震措施。屈曲约束支撑是一种兼具普通支撑和金属阻尼器的双重功能支撑，受拉和受压的恢复力对称性基本一致，形成饱满的滞回曲线，具有较好的能力。屈曲约束支撑起源于上世纪80年代，随着现代建筑结构设计的大型化、复杂化，同时对于结构安全的要求越来越高，常规结构的屈曲约束支撑不能满足特殊建筑结构的需求；所以越来越多的新型屈曲约束支撑不断涌现，通过结构改进、新材料应用等方面来提升屈曲约束支撑的性能及工程适用性。目前，常规的单根核心单元结构屈曲约束支撑，不能满足建筑较大层间位移角下的性能要求，尤其是疲劳性能。屈曲约束支撑的核心单元为金属材质，随着金属变形量的增大，其疲劳性能急剧下降，所以希望通过应用新材料来提升支撑较大层间位移角下的疲劳性能，暂时是难以实现的。通过双核心单元串联的结构改进方式，可以实现工作位移量的叠加，使得建筑结构发生较大层间位移角时，支撑保持正常工作，发挥稳定的耗能能力。


技术实现要素：

3.为解决上述现有技术存在的不足和缺陷，发明人经过研发设计，提供了一种钢框架或混凝土框架的屈曲约束支撑，一方面，解决屈曲约束支撑单位长度上的较大变形量位移的需求；另一方面，实现双核心单元可以实现双阶屈服功能的需求。
4.为了实现上述目标，本实用新型提供了如下技术方案：
5.一种大位移、高性能的屈曲约束核心单元结构，安装在外约束套管（3）内部延伸至两端，包括第一、第二两组并列布置的核心单元：第一核心单元（1）和第二核心单元（2），每组核心单元组均有向外分布的固定端和向内分布的活动端，固定端分别与外约束套管的两端固定，两套核心单元反向且重叠式分布安装，形成串联式受力连接，且每组核心单元组的活动端能在外约束套管相应的端头处设有的压缩或拉伸位移空间中位移。
6.进一步的，第一核心单元为一块直板件芯材，第二核心单元为两块平行的直板件芯材，第一核心单元的直板件芯材位于第二核心单元的两块直板件芯材之间分布。
7.进一步的，两组核心单元均为中间窄、两端宽的哑铃形板材，且表面均粘贴隔离层材料；两套核心单元的每块核心单元均为相等规格、尺寸的相同吨位的屈曲约束；或不同规格、尺寸的不同吨位的双阶屈服；
8.两组核心单元的每块核心单元分别为不同厚度、相同宽度；或相同厚度，不同宽度。
9.本实用新型的另一方面，提供了一种大位移、高性能的屈曲约束核心单元结构及支撑，包括核心单元、约束单元和位移机制单元，其中：所述核心单元包括第一、第二两组并列布置的核心单元组，每组核心单元组均有固定端和活动端；所述约束单元为外约束套管，两组核心单元组置于外约束套管内并于固定端分别与外约束套管的两端固定，两组核心单元组反向且重叠式分布安装，形成串联式受力连接；每组核心单元组的活动端能在外约束套管相应的端头处设有的位移机制单元中压缩位移或拉伸位移。
10.本实用新型的外形结构上，两组核心单元并列布置，但实质上是两组核心单元互相穿过中间板，再通过外约束套管将两组核心单元串联式连接起来。其受力传递线路：第一核心单元
↔
中间板
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外约束套管
↔
中间板
↔
第二核心单元，从而实现，屈曲约束支撑单位长度上第一核心单元与第二核心单元的工作位移的叠加。本实用新型通过调整核心单元的宽度、厚度以及结构形式，可设计为相同吨位的屈曲约束支撑，或不同吨位的双阶屈服型的屈曲约束支撑。
11.本实用新型的工作原理和有益效果介绍：本实用新型的两组核心单元并列布置，但实质上是两组核心单元互相穿过中间板，在通过外约束套管将两组核心单元串联式连接起来。其受力传递线路：第一核心单元
↔
中间板
↔
外约束套管
↔
中间板
↔
第二核心单元，从而实现，屈曲约束支撑单位长度上第一核心单元与第二核心单元的工作位移的叠加，满足屈曲约束支撑较大变形量位移的需求。当两组核心单元设计为相同吨位时，无论是小震、中震，还是大震的情况下，两组核心单元处于同步工作的状态，在限位装置的设计最大位移范围内实现工作。当两组核心单元设计为不同吨位时，在小震或中震下，第一核心单元先发生塑性变形，第二核心单元保持弹性；随着地震烈度的增加，发展到大震的过程中，第一核心单元的（受拉或受压）变形位移达到设计最大位移时，第一限位机构开始发挥作用，限制第一核心单元的进一步变形；同时第二核心单元逐步开始进入塑性变形，在核心单元的设计最大位移的范围内工作。本结构适用于混凝土结构、钢结构的建筑，尤其是装配式减震建筑。一方面，通过采用两组核心单元工作位移量叠加的原理，解决了常规屈曲约束支撑工作位移量相对较小的问题，实现了屈曲约束支撑单位长度上的较大变形工作位移的需求；另一方面，通过调整段的宽度和厚度设计承载吨位，根据工程实际需求，可以将两组核心单元设计为相同吨位的屈曲约束支撑，或不同吨位的双阶屈服型的屈曲约束支撑。
附图说明
12.图1为本实用新型屈曲约束支撑的结构透视主视图；
13.图2为本实用新型屈曲约束支撑的结构俯视主视图；
14.图3为本实用新型屈曲约束支撑的核心单元结构示意图；
15.图4为本实用新型第二组核心单元组活动端的部件结构爆炸图；
16.图5为本实用新型第一组核心单元组活动端的部件结构爆炸图；
17.图6为本实用新型屈曲约束支撑立体透视结构示意图；
18.图7为第一组核心单元组活动端（第二组核心单元组固定端）的结构透视主视图；
19.图8为第二组核心单元组活动端（第一组核心单元组固定端）的结构透视俯视图；
20.图9为第一组核心单元组活动端（第二组核心单元组固定端）的结构透视主视图；
21.图10为第一组核心单元组活动端（第二组核心单元组固定端）的结构透视俯视图；
22.图11为本实用新型屈曲约束支撑在拉伸状态下的原理示意图；
23.图12为本实用新型屈曲约束支撑在压缩状态下的原理示意图；
24.图13为本实用新型屈曲约束支撑立体结构示意图；
25.图14为传统的单核心常规结构的屈曲约束支撑在各种疲劳工况下的位移量实验结果图；
26.图15为本实用新型的屈曲约束支撑在各种疲劳工况下的位移量实验结果图；
27.图16~19为不同单元截面形状的示意图。
28.其中：1—第一核心单元、2—第二核心单元、3—外约束套管、4—中间板、5—长方形槽孔、6—限位导向管、7—防侧向失稳约束块、8—加劲肋、9—限位块、10—端板、11—孔槽。
具体实施方式
29.下面将结合具体实施例及其附图对本实用新型提供的屈曲约束支撑的技术方案做进一步的说明。结合下面说明，本实用新型的有点和特征将更加清楚。
30.需要说明的是，本实用新型的实施例有较佳的实施性，并非是对本实用新型任何形式的限定。本实用新型实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本实用新型优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且应被本实用新型实施例所属技术领域的技术人员所理解。
31.以下文字所提及的左、右方向的描述，是以本实用新型的附图中所示的视角方向为标准而描述的；并用第一限位机构表示第一组核心单元组活动端的限位机构；第二限位机构表示第二组核心单元组活动端的限位机构；第一加劲肋表示第一组核心单元组活动端的加劲肋；第二加劲肋表示第二组核心单元组活动端的加劲肋；第二端板表示第二组核心单元组活动端能穿过的端板；第一端板表示第一组核心单元组活动端能穿过的端板。
32.实施例1：一种大位移高性能的屈曲约束核心单元结构，如图3、11、12所示，安装在外约束套管内部延伸至两端，包括第一、第二两组并列布置的核心单元：第一核心单元和第二核心单元，每组核心单元组均有向外分布的固定端和向内分布的活动端，固定端分别与外约束套管的两端固定，两套核心单元反向且重叠式分布安装，形成串联式受力连接，且每组核心单元组的活动端能在外约束套管相应的端头处设有的压缩或拉伸位移空间中位移。第一核心单元为一块直板件芯材，第二核心单元为两块平行的直板件芯材，第一核心单元的直板件芯材位于第二核心单元的两块直板件芯材之间分布。
33.优选地，两组核心单元均为中间窄、两端宽的哑铃形板材，且表面均粘贴隔离层材料。两套核心单元的每块核心单元均为相等规格、尺寸的相同吨位的屈曲约束；或不同规格、尺寸的不同吨位的双阶屈服。
34.优选地，两组核心单元的每块核心单元分别为不同厚度、相同宽度；或相同厚度，不同宽度。
35.优选地，核心单元的截面形状呈十字形，且沿第一核心单元呈中心轴对称分布。
36.优选地，如图16~19所示，第一核心单元的截面形状呈工字形，第二核心单元的截面形状呈横倒分布的“t”形状，且沿第一核心单元组呈中心轴对称分布。通过增大核心单元的截面积，从而提高支撑的承载力，并且十字形、工字型、t字形等结构形式能够有效提升核
心单元和支撑整体的稳定性。优选地，所述核心单元的截面形状呈i字形，且沿第一核心单元呈中心轴对称分布。且第一核心单元的厚度大于第二单元的厚度，或第一核心单元的高度长于第二单元的高度。优选地，于核心单元的固定端后方处均设有相对应的位移限位结构和防侧向失稳约束结构，均用于限制第一核心单元或第二核心单元在压缩或拉伸中的位移量极限，和限制侧方向失稳。
37.本实施例的核心在于，两组并列布置的核心单元之间能实现同时相向压缩或反向拉伸的位移叠加。即：核心单元之间受力传递线路为：第一核心单元
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外约束套管
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第二核心单元，以实现屈曲约束支撑单位长度上第一核心单元与第二核心单元的工作位移的叠加，达到屈曲约束支撑大变形量位移的功能。
38.实施例2：屈曲约束支撑总体结构综述
39.一种大位移、高性能的屈曲约束核心单元结构及支撑，第一组核心单元组包括一块第一核心单元1，第二组核心单元组包括两块平行分布的第二核心单元2，第一核心单元1位于两条第二核心单元2中间；每组核心单元组的核心单元均为相等规格、尺寸的相同吨位的屈曲约束；或不同规格、尺寸的不同吨位的双阶屈服；或每块核心单元分别为不同厚度、相同宽度；或相同厚度，不同宽度。
40.核心单元为直板状芯材，截面形状可以为十字形、i字形或|型；又或者，第一核心单元1的截面形状呈工字形，第二核心单元2的截面形状呈横倒分布的“t”形状均可。
41.每组核心单元组还包括：位于外约束套管3两端刚性连接的中间板4，每端的中间板4与各自组核心单元组的固定端刚性连接，且中间板4上均开设有与对方核心单元的活动端相对应形状、数量的长方形槽孔5，以使得两组核心单元组的第一、二核心单元的活动端能分别相互穿过对方固定端上的中间板4。
42.位移机制单元中还包括：设于每组核心单元组的中间板4后方的限位机构，用于限制第一组核心单元组或第二组核心单元组在压缩或拉伸中的位移量极限、用于限制侧方向失稳、以及用于位移导向。
43.在优选中，限位机构包括：限位导向管6、防侧向失稳约束块7、加劲肋8、限位块9和端板10；其中：所述限位导向管6的左右两端分别连接至端板10和中间板4，防侧向失稳约束块7安装于限位导向管6内，加劲肋8置于防侧向失稳约束块7内分别与每组核心单元组的活动端刚性连接，所述端板10上开设有能使加劲肋8和核心单元组的活动端穿过端板10的相应形状的孔槽11；所述限位块9固定连接在加劲肋8的内侧端上，限位块9常态下置于端板10和中间板4之间，但限位块9的形状使其不能穿过端板10和中间板4，限位块9分别与所述端板10、所述中间板4之间的位移距离，即为每组核心单元组的活动端的压缩位移行程和拉伸位移行程。
44.防侧向失稳约束块7呈若干块分别安装固定在限位导向管6内壁，并于相互之间形成特定的形状的间隙，使得相互之间形成的间隙既能满足核心单元组的活动端、加劲肋8和限位块9能在间隙内顺势导向导向滑移、又能限制、防止核心单元组在位移中侧向失稳。
45.本屈曲约束支撑的受力传递线路为：第一核心单元1
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中间板4
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外约束套管3
↔
中间板4
↔
第二核心单元2，以实现屈曲约束支撑单位长度上第一核心单元1与第二核心单元2的工作位移的叠加，达到屈曲约束支撑大变形量位移的功能。
46.实施例3：实际安装结构详述
47.如图1所示，核心单元为“中间窄、两端宽”的哑铃形板材，其中，中间窄的部分称为段，两端宽的部分称为连接段，两者之间的部分称为过渡段；连接段根据长度的不同，分为长端和短端。段的宽度和厚度需要根据设计吨位来决定，可以根据工程实际需求，将两组核心单元设计为相同吨位，或不同吨位的双阶屈服；所以，第一核心单元1与第二核心单元2的设计可以采用相同规格/型号的材质，如图2所示；也可以采用不同规格/型号的材质，如图3所示。连接段要保证工作过程中的刚度和稳定性，不能发生屈曲，所以，其宽度需要满足合适连耗面积比值连接段横截面积/段横截面积。
48.本单元中共有2件中间板4，每块中间板4上开设相同的3个槽形贯穿孔，槽孔尺寸长度、宽度根据核心单元的连接段尺寸而定。
49.第一组核心单元组，由第一核心单元1的连接段短端穿入一块中间板4的中部的槽孔，在槽孔背面采用塞焊及正面采用角焊缝的刚性连接。第二组核心单元组，由第二核心单元2的连接段短端穿入另一块中间板4的侧边2个槽孔，在槽孔背面采用塞焊及正面采用角焊缝的刚性连接。核心单元的表面需要粘贴隔离层材料，起到预留屈曲间隙、减小与填充材料之间摩擦的作用；为了充分发挥其屈曲的性能，根据核心单元板厚的不同，选取合适厚度的隔离层。
50.第一组核心单元组和第二组核心单元组的连接段长端，分别从外约束套管3的两端穿入，然后第一组核心单元组的连接段长端从第二组核心单元组的中间板4中间槽孔穿出，同时第二组核心单元组的连接段长端从第一组核心单元组的中间板4侧边两个槽孔穿出。两个核心单元组的中间板4内侧面分别与外约束套管3的端面贴紧，并采用对接焊接牢固。通过上述核心单元和外约束套管3的组合，构成屈曲约束支撑的主体结构。在主体结构中，外约束套管3内部与核心单元之间的间隙，需要用密实填充材料灌注填满。
51.第一限位机构的组成：首先，第一加劲肋以角接形式焊接在第一核心单元1的连接段长端上，构成“十字形”支撑端部；防侧向失稳约束块7为l形，共4件；l形的两个外侧面分别贴邻第一加劲肋和第一核心单元1的表面。第二，与第二组核心单元组活动端刚性连接的加劲肋8为长条板材，于长条板材的内侧端上安装限位块9，长条板材的两侧面固定连接至第二组核心单元组的两条第二核心单元2活动端端头部之间；将上述第一加劲肋和l形防侧向失稳约束块7穿入限位导向管6中，一方面限位导向管6一端与中间板4贴紧，并采用对接焊接牢固，另一方面l形防侧向失稳约束块7的两端头分别与限位导向管6内侧面断续焊接牢固。第三，将第一端板的十字形孔穿入“十字形”支撑端部，并贴紧限位导向管6的另一端面，采用对接焊接牢固，如图4所示。
52.第二限位机构的组成类似上述第一限位机构。首先，第二加劲肋以角接形式焊接在第二核心单元2连接段长端的两板之间，构成“h形”支撑端部；防侧向失稳约束块7为u形，各2件；u形防侧向失稳约束块7的外底面贴邻核心单元的外侧面，u形防侧向失稳约束块7的两个外立面贴邻核心单元的内侧面。第二，与第一组核心单元组活动端刚性连接的加劲肋8为两条长条板材，分别固定于第一核心单元1活动端端头两侧间，限位块9为分别于两条长条板材内侧端头向外延伸的凸台部结构。将上述第二加劲肋和u形防侧向失稳约束块7穿入另一个限位导向管6中，一方面，限位导向管6一端与中间板4贴紧，并采用对接焊接牢固，另一方面u形防侧向失稳约束块7的两端头分别与限位导向管6内侧面断续焊接牢固。第三，将第二端板的h字形孔穿入“h形”支撑端部，并贴紧限位导向管6的另一端面，采用对接焊接牢
固，如图5所示。
53.第一限位机构的工作机理：由图1的俯视图可以看出，第一加劲肋为“自带凸台”的长条板材，“凸台”位于长条板材的最左侧。“凸台”左边缘与中间板4之间的距离，即为第一核心单元1的压缩位移行程；当第一加劲肋“凸台”左边缘与中间板4外侧面接触顶紧时，第一加劲肋起到限制第一核心单元1压缩位移的作用。“凸台”右边缘与第一端板之间的距离，即为第一核心单元1的拉伸位移行程；当第一加劲肋“凸台”右边缘与第一端板内侧面接触顶紧时，第一加劲肋起到限制第一核心单元1拉伸位移的作用。
54.第二限位机构的工作机理：由图1的俯视图可以看出，第二加劲肋为长条板材，在长条板材的右端面处焊接限位块9。限位块9右边缘与中间板4之间的距离，即为第二核心单元2的压缩位移行程；当限位块9右边缘与中间板4外侧面接触顶紧时，起到限制第二核心单元2压缩位移的作用。限位块9左边缘与第二端板之间的距离，即为第二核心单元2的拉伸位移行程；当限位块9左边缘与第二端板内侧面接触顶紧时，第一加劲肋起到限制第二核心单元2拉伸位移的作用。
55.实施例4：屈曲约束位移量试验
56.常规传统结构：如图14所示，在10~30个疲劳单位的工况下，常规结构的屈曲约束支撑的位移量在
‑
30mm~30mm之间；
57.而本实用新型的新型屈曲约束支撑，如图15所示，在剪切力相同的情况下，可以在15~60个疲劳单位的工况下，实现位移量在
‑
60mm~60mm之间；可见，本实用新型的新型屈曲约束支撑结构，能够适应更大的疲劳度和形变位移量。
58.以上所述仅为本实用新型的较佳实例而已，并非是对本实用新型范围的任何限定，凡是在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。