一种基于SMA螺栓的柔性约束型装配式防屈曲支撑结构

一种基于sma螺栓的柔性约束型装配式防屈曲支撑结构
技术领域
1.本发明涉及防屈曲支撑技术领域，特别是指一种基于sma螺栓的柔性约束型装配式防曲度支撑结构。


背景技术：

2.防屈曲支撑（brb）主要由内核构件和外围约束体系构成，内核构件承受轴力，并利用外围体系对内核构件的横向位移进行约束，使其能在轴压作用下发生全截面屈服，从而获得拉压对称的受力性能。在正常使用状态及小震下，brb起到普通中心支撑的支撑作用，为建筑结构提供抗侧刚度；在大震作用下，brb可通过其反复拉压滞回耗散地震输入的能量。装配式防屈曲支撑以其连接方便以及轻型化的优势而越来越受到学界的关注，并发展出了多种截面型式。
3.虽然目前装配式brb已经受到较为广泛的研究和应用，但其仍然存在一定的设计困难和可优化空间：目前常见的装配式brb均采用垫块和钢制高强螺栓进行外围约束体系与内核耗能构件之间的装配，同时通过调整垫块的高度来控制约束体系与内核构件之间间隙的大小，从而达到优化约束体系局部应力水平以及内核构件受压变形模式等目的。已有研究表明：一方面，适当增大内核与外围约束体系之间的间隙会使内核构件更容易发生多波变形，有利于内核构件屈服段全截面塑性变形的发生和发展；但同时，间隙越大，内核对外围构件的挤压力也会越大，外围构件将处于较高的应力水平，从而必须增大约束构件的截面面积或增设加劲肋以保证足够的约束刚度。另一方面，减小间隙虽然能够有效控制内核对外围构件的挤压力，优化外围构件的受力；但也会限制内核屈服段的多波变形，不利于brb内核的滞回耗能，也不利于brb内核外伸段的受力性能，从而必须增大内核外伸段的截面面积或在外伸段设置额外的转动约束构件。
4.传统的装配式brb的外部的约束盖板和内核构件之间全部通过普通高强度螺栓连接，导致内核构件与约束盖板在接触之前的时间较长，内核构件的形变较大，多波屈曲变形（图11专供的a5和b5状态）发生较晚，使得内核构件与约束盖板以单点接触的状态持续时间过长，约束盖板的单点局部受压持续时间较长，这些因素都对内核构件与约束盖板的强度要求更高，进而需要制作的垫板与约束盖板的材料厚度较厚，不利于材料成本的节省，同时也导致了内核构件在形变后自行复原的难度较大、恢复时间较长。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中所存在的传统的装配式brb的内核构件与约束盖板的材料厚度较厚，同时内核构件在形变后自行复原的难度更大、恢复时间较长的问题，本发明提出了一种基于sma螺栓的柔性约束型装配式防曲度支撑结构。
6.本发明的技术方案是：一种基于sma螺栓的柔性约束型装配式防曲度支撑结构，包括外围约束构件、内核构件，内核构件包括沿左右方向延伸的芯板；外围约束构件包括两个沿左右方向延伸的约束盖板，两个约束盖板分别设在芯板
的上下两侧，约束盖板的左右长度小于芯板的左右长度以使芯板的左右两端均能够延伸至约束盖板的外部；约束盖板设有两列前后间隔设置且沿左右方向排列的第二螺孔，沿着左右方向排列的第二螺孔内交替穿设有高强度螺栓和sma螺栓，sma螺栓由形状记忆合金制成，且位于左右两端的第二螺孔内内均穿设高强度螺栓；芯板的前后两侧间隔沿左右方向均间隔设有垫板结构，垫板结构朝向芯板的一侧与芯板抵靠连接，垫板结构的厚度大于芯板的厚度以为芯板提供初始形变空间；垫板结构上沿左右方向间隔设有多个上下通透的第一螺孔，第一螺孔与第二螺孔上下对应，第一螺孔用以供高强度螺栓和sma螺栓穿过，sma螺栓穿过第二螺孔和第一螺孔以将约束盖板和垫板紧固连接；高强度螺栓的螺母和六角螺杆头之间的长度大于垫板结构和两个约束盖板之间的厚度之和，且高强度螺栓的螺母和六角螺杆头之间的长度小于或等于sma螺栓的最大可恢复变形弹性长度。
7.优选的，高强度螺栓和sma螺栓在左右方向一一交替穿设在第二螺孔内。
8.优选的，其中两个第二螺孔的圆心连线与约束盖板的左右等分线重合，位于约束盖板的左右等分线上的两个第二螺孔内均穿设sma螺栓。
9.优选的，约束盖板的对角线交叉中心处设有上下通透的定位孔，定位孔位于约束盖板的左右等分线上；芯板的对角线交叉中心处的上下两侧均垂直固定设有定位柱，定位柱插设在定位孔内，定位柱用以防止芯板形变时在两个约束盖板之间发生左右平移。
10.优选的，垫板结构包括多个在左右方向上间隔设置的垫板，每个垫板上均设有第一螺孔，每个高强度螺栓和sma螺栓上均穿设有一个垫板。
11.优选的，约束盖板的左右两端均开设有开口槽，开口槽为上下通透的条形槽结构，且左侧的开口槽的左端开口，右端的开口槽的右端开口；芯板左右两端的上下两侧均垂直固定设有肋板，肋板远离约束盖板的一端与临近的芯板的端部平齐，肋板插设在开口槽内。
12.优选的，位于约束盖板在沿着开口槽的左右长度所对应的面积内的第二螺孔内均穿设高强度螺栓。
13.优选的，约束盖板的左右两端均开设有一个开口槽，约束盖板关于开口槽前后对称；芯板和其端部的肋板呈前后对称的十字形结构。
14.优选的，肋板为直角梯形板结构，肋板的斜面位于远离开口槽的开口的一侧。
15.优选的，芯板的左右两侧均设有加载板，加载板为水平倒置的t型板结构，芯板和肋板的端部同时与加载板的竖板结构固定连接。
16.本发明的优点：本发明在内核构件受压以在左右方向上发生横向变形的幅度较小时，约束盖板和sma螺栓即为内核构件提供一定的柔性约束（sma螺栓提供较小的横向约束刚度和较大的超弹性可恢复变形范围，使内核构件仍能继续发生横向变形，同时，垫板和约束盖板相较于采用传统的完全由高强度螺栓进行紧固连接的装配方式，本发明由于采用了sma螺栓替换掉一部分受力节点处的高强度螺栓，使得垫板的厚度得以缩小，进而使得内核构件的形变状态从发生单点接触向双点接触的状态转变的时间节点更早），从而使内核构
件横向变形达到一定程度时（与传统的brb在相同时间节点时相比），内核构件与约束盖板之间的接触面积更大、约束盖板的局部挤压应力更小，从而优化了约束构件的受力性能、防止约束构件局部鼓曲破坏的发生，提高了装配式brb的稳定性和抗震性能。
17.本发明通过替换一部分受力节点处的高强度螺栓为sma螺栓，减少了垫块的厚度，使得内核变形时能够提前与约束盖板接触产生柔性变形，尽早形成多点接触，避免了约束盖板上应力集中的时间过长，更快地耗散芯板对约束盖板施力时所形成的大量能量。在内核构件变形达到顶点以后（高强度螺栓开始发挥作用），在失去外力作用后，又可以利用sma螺栓的超弹性可恢复应变的反作用力，使得约束盖板恢复初始状态。这样与普通brb相比时，本发明可以在承受相同荷载的时候，减少约束盖板的厚度，从而降低brb的用钢量，达到节能减材减重的目的。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为实施例1的主视角度的结构示意图；图2为图1的俯视角度的结构示意图；图3为图1的立体结构示意图；图4为图1中的外围约束构件和内核构件的主视角度的结构示意图；图5为图4的左视角度的结构示意图；图6为图4的立体结构示意图；图7为图6中的外围约束构件的立体结构示意图；图8为图6中的内核构件和垫板的结构示意图；图9为图8中的内核构件的结构示意图；图10为实施例1中的内核构件在外围约束构件之间的受力形变的过程示意图；图11为改进前（左侧的a系列）和改进后（右侧的b系列）的内核构件在外围约束构件之间的受力形变的过程示意图；图中，1、芯板，2、肋板，3、垫板，301、第一螺孔，4、定位柱，5、约束盖板，501、第二螺孔，502、开口槽，503、定位孔，6、高强度螺栓，7、sma螺栓，8、加载板。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.实施例1：一种基于sma螺栓的柔性约束型装配式防曲度支撑结构，如图4、图5和图6所示，包括外围约束构件、内核构件。
22.如图9所示，内核构件包括沿左右方向延伸的芯板1，芯板1左右两端的上下两侧均
垂直焊接有肋板2，肋板2用以增强芯板1端部的结构强度。
23.肋板2远离约束盖板5的一端与临近的芯板1的端部平齐，芯板1的端部和其上下两侧的肋板2呈前后对称的十字形结构。为了在向芯板1和肋板2的端部施力时，肋板2上的力更容易地导入芯板1内，如图9所示，肋板2为直角梯形板结构，肋板2的斜面位于远离开口槽5的开口的一侧。
24.外围约束构件包括两个沿左右方向延伸的约束盖板5，如图4、图5和图6所示，两个约束盖板5分别设在芯板1的上下两侧，约束盖板5的左右长度小于芯板1的左右长度以使芯板1的左右两端均能够延伸至约束盖板5的外部，以便于在实验和施工装配时，将芯板1的端部与施力构件方便地进行连接。
25.如图4、图5和图6所示，约束盖板5设有两列前后间隔设置且沿左右方向排列的第二螺孔501，沿着左右方向排列的第二螺孔501内一一交替穿设有高强度螺栓6和sma螺栓7，本实施例中的sma螺栓7由镍钛形状记忆合金制成，当然，sma螺栓7还可由其它具有超弹性可恢复变形特性的形状记忆合金制成。
26.为了使芯板1的中心形成波峰，使得芯板1在多波屈曲变形后在的长度在左右方向上的长度对称，并使芯板1在多波屈曲变形后的波峰对约束盖板5的施力节点位于sma螺栓7的施力节点区域，因此，在本实施例中，其中两个第二螺孔501的圆心连线与约束盖板5的左右等分线重合，位于约束盖板5的左右等分线上的两个第二螺孔501内均穿设sma螺栓7。
27.为了防止芯板1形变时在两个约束盖板5之间发生左右平移，如图7所示，约束盖板5的对角线交叉中心处设有上下通透的定位孔503，定位孔503位于约束盖板5的左右等分线上。相应的，如图9所示，芯板1的对角线交叉中心处的上下两侧均垂直固定设有定位柱4，定位柱4插设在定位孔503内，定位柱4用以防止芯板1形变时在两个约束盖板5之间发生左右平移，以使芯板1形变时的中部波峰始终抵靠在位于约束盖板5的左右等分线上的两个sma螺栓7的施力区域。
28.约束盖板5的左右两端均开设有一个开口槽5，约束盖板5关于开口槽5前后对称。开口槽5为上下通透的条形槽结构，且左侧的开口槽5的左端开口，右端的开口槽5的右端开口，肋板2插设在开口槽5内。开口槽5的结构设计特点，使得约束盖板5在与肋板2不发生干涉的情况下能够方便地安装和拆卸。
29.并且，肋板2的斜面结构设计，能够在芯板1发生形变时，肋板2的斜面能够抵着开口槽5的槽底方便地进行左右滑动，以免肋板2对芯板1端部的左右平移发生阻挡干涉。同时，肋板2和开口槽5的配合，也能够防止芯板1在形变时在两个约束盖板5之间发生前后平移。
30.为了避免位于端部的第二螺孔503内穿设sma螺栓7，使得芯板1位于约束盖板5外部的端部区域在受力时同时发生较大的形变，进而导致芯板1位于约束盖板5外部的端部区域由于无sma螺栓7的反作用力而在复原时难以恢复到初始状态，因此，如图6所示，位于约束盖板5在沿着开口槽5的左右长度所对应的面积内的第二螺孔503内均穿设高强度螺栓6，也即位于端部的高强度螺栓6为芯板1的形变在此区域进行限制。
31.芯板1的前后两侧间隔沿左右方向均间隔设有垫板结构，垫板结构朝向芯板1的一侧与芯板1抵靠连接，垫板结构的厚度大于芯板1的厚度以为芯板1提供初始形变空间。
32.如图6和图8所示，在本实施例中，垫板结构包括多个在左右方向上间隔设置的垫
板3，每个垫板3上均设有上下通透的第一螺孔301，第一螺孔301与第二螺孔501上下对应，第一螺孔301用以供高强度螺栓6和sma螺栓7穿过，每个高强度螺栓6和sma螺栓7上均穿设有一个垫板3。
33.sma螺栓7穿过第二螺孔501和第一螺孔301以将约束盖板5和垫板3紧固连接。
34.垫板3的厚度决定了芯板1在相同受力条件下在形变初始阶段（芯板1与约束盖板5发生单点接触之前的状态变化过程，如图11中的b1阶段）的时间长度。
35.高强度螺栓6的螺母和六角螺杆头之间的长度大于垫板3和两个约束盖板5之间的厚度之和，且高强度螺栓6的螺母和六角螺杆头之间的长度小于或等于sma螺栓7的最大可恢复变形弹性长度。
36.高强度螺栓6在上下方向上用以限制芯板1在约束盖板5之间的多波屈曲变形的最大波峰幅度，高强度螺栓6在左右方向上用以限制芯板1在约束盖板5之间的多波屈曲变形的一个波浪结构的左右长度。
37.为了便于在实验时进行施力，如图1、图2和图3所示，本实施例在芯板1的左右两侧均设有加载板8，加载板8为水平倒置的t型板结构，芯板1和肋板2的端部同时与加载板8的竖板结构焊接连接。
38.工作原理：本发明在内核构件受压以在左右方向上发生横向变形的幅度较小时，约束盖板和sma螺栓即为内核构件提供一定的柔性约束（sma螺栓提供较小的横向约束刚度和较大的超弹性可恢复变形范围，使内核构件仍能继续发生横向变形，同时，垫板和约束盖板相较于采用传统的完全由高强度螺栓进行紧固连接的装配方式，本发明由于采用了sma螺栓螺栓替换掉一部分受力节点处的高强度螺栓，使得垫板的厚度得以缩小，进而使得内核构件的形变状态从发生单点接触向双点接触的状态转变的时间节点更早），从而使内核构件横向变形达到一定程度时（与传统的brb在相同时间节点时相比），内核构件与约束盖板之间的接触面积更大、约束盖板的局部挤压应力更小，从而优化了约束构件的受力性能、防止约束构件局部鼓曲破坏的发生，提高了装配式brb的稳定性和抗震性能。
39.本发明通过替换一部分的高强度螺栓为sma螺栓，减少了垫块的厚度，使得内核变形时能够提前与约束盖板接触产生柔性变形，尽早形成多点接触，避免了约束盖板上应力集中的时间过长，更快地耗散芯板对约束盖板施力时所形成的大量能量。在内核构件变形达到顶点以后（高强度螺栓开始发挥作用），在失去外力作用后，又可以利用sma螺栓的超弹性可恢复应变的反作用力，使得约束盖板恢复初始状态。这样与普通brb相比时，本发明就可以在承受相同荷载的时候，减少约束盖板的厚度，从而降低brb的用钢量，达到节能减材减重的目的。
40.本发明打破了传统装配式防屈曲支撑在正常工作过程中上、下约束盖板之间间距变化很小（仅在钢材弹性范围内变形）的工作特征，如图11所示，其中，本发明的柔性约束型brb是指：
①
以相对较薄的垫块3和相对较短的sma螺栓来控制约束盖板之间的初始最小间距，以使内核构件与约束盖板能够更早地开始从单点接触到多点接触状态变化，避免了约束盖板上应力集中的时间过长，更快地耗散芯板对约束盖板施力时所形成的大量能量。
41.②
以本发名中的sma螺栓所采用的镍钛形状记忆合金为例，利用sma螺栓较小的刚度（sma的弹性模量约为钢材（高强度螺栓采用的材料为钢材）的1/8）和较大的超弹性可恢复变形（sma材料的超弹性可恢复应变高达6%-8%，而普通高强度螺栓的超弹性可恢复应变
小于0.5%），为brb的内核构件的受压横向变形过程在单点接触状态向后变化时（图11右侧的b2向b4过度的状态）提供一定的约束刚度和阻尼，使内核构件与外围约束构件之间的单点接触以及单点接触向双点接触状态的发生和发展过程提前。
42.从而使得本发明与传统装配式brb相比，当内核构件的横向变形较大、高强度螺栓开始产生约束作用而发生弹性变形，且两类装配式brb的上、下约束盖板之间的间距相同时，由于本发明的内核构件的多点接触状态发生更早、多波变形发展程度更广，使得在相同时间受力条件下，本发明中的内核构件与约束盖板的接触面积也就更大。
43.即，本发明中的高强度螺栓对两个约束盖板限制的最大间距与传统的brb的约束间距相同条件时，本发明中约束盖板受到的局部挤压应力更小，更不容易发生局部鼓曲破坏。
44.因此，本发明的brb构造方式在提高了传统的brb稳定性的同时，还给予了适当减小约束体系截面尺寸（约束盖板和垫块的厚度）的设计空间，可以进一步减轻brb自重，有利于建筑结构的抗震性能和成本控制。
45.③
本发明中，以相对于sma螺栓较长的高强度螺栓来控制约束体系正式进入工作状态时的临界约束间距。也即，如图11，在芯板从b2的单点接触状态向b5的多波屈曲变形状态变化时，随着高强度螺栓和sma螺栓的轴向压力的进一步增大，将由外围约束构件和高强度螺栓共同提供充足的约束刚度来限制内核构件的受压横向变形的波峰幅度和一个波浪结构的左右长度，以使内核构件在快速达到多波屈曲变形状态，并使得在形成多波屈曲变形状态过程中的内核构件对约束盖板的施力节点快速增多。
46.实施例2：一种基于sma螺栓的柔性约束型装配式防曲度支撑结构，本实施例中，高强度螺栓6和sma螺栓7在左右方向两两交替穿设在第二螺孔501内。其它结构与实施例1相同。
47.实施例3：一种基于sma螺栓的柔性约束型装配式防曲度支撑结构，本实施例中，约束盖板5的左右两端均开设有两个前后间隔设置的开口槽5，芯板1左右两端的上下两侧均垂直焊接有两个前后间隔设置的肋板2，肋板2与开口槽5上下对应。其它结构与实施例1相同。
48.实施例4：一种基于sma螺栓的柔性约束型装配式防曲度支撑结构，本实施例中，垫板结构为一根通长的条形板，条形板上沿左右方向间隔设有多个上下通透的第一螺孔301。其它结构与实施例1相同。
49.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不受上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。