“王”字型截面大承载力屈曲约束支撑构件

摘要

本发明涉及一种“王”字型截面大承载力屈曲约束支撑构件，芯板腹板与芯板上翼缘、芯板下翼缘和芯板中翼缘通过焊接组成“王”字型截面构件，“王”字型截面构件两端分别焊接有端部腹板加强板、翼缘翼缘加强板，芯板上翼缘上端面上和芯板下翼缘下端面上分别设有套筒顶板和套筒底板，芯板上翼缘下端面、芯板中翼缘上、下端面和芯板下翼缘上端面分别设有第一至第四套筒内伸板，第一套筒内伸板与第二套筒内伸板之间和第三套筒内伸板与第四套筒内伸板之间沿芯板腹板长度方向分别设有若干个套筒内加劲板，两外侧分别设有套筒外竖向板，且套筒外竖向板与第一至第四套筒内伸板以及套筒顶板、套筒底板通过焊接连接成“王”字型截面构件的整体套筒。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑消能减震约束钢支撑构件，具体涉及一种大承载能力屈曲约束钢支撑构件。

背景技术

屈曲约束支撑通过对普通钢支撑采取约束措施，由芯板，外套筒以及套筒内无粘结材料组成，它可以完全避免芯板受压屈曲，为效率很高的结构构件；同时屈曲约束支撑在压力和拉力作用下均屈服，且滞回曲线饱满，又为性能优越的耗能减震器。

目前屈曲约束支撑芯板形式可分为两大类型：第一种类型为开口式截面，例如“一”，“十”或“H”型，第二种类型为闭口式截面，例如圆钢管、方钢管。开口式截面芯板易于制作，可采用平钢板进行焊接拼接，而闭口式截面要借助专有设备将平钢板制作成圆管或方管，制作要求高。目前应用最多的是芯板为开口式的屈曲约束支撑。然而常用的开口式屈曲约束支撑存在着各自的问题。由于板厚限制，“一”字型和“十”字型屈曲约束支撑主要用于较小承载力的屈曲约束支撑，这是因为“一”字型和“十”字型截面惯性矩较小，且由于板厚限制，如要增大承载能力，需要加大截面尺寸，从而会影响到建筑功能。“H”型截面的屈曲约束支撑具有较大承载能力，且较“一”字型和“十”字型截面，“H”型截面惯性矩较大。然而“H”型芯板在两个主轴方向上惯性矩差异较大，绕弱轴方向上需要刚度较大的外加约束套筒。因而发明一种“王”字形芯板截面形式，增大受力截面面积，同时仅增加弱轴方向上的惯性矩。这种“王”字形芯板截面与“H” 形相比，在对强轴方向惯性矩影响较小的情况下，增加了弱轴方向的惯性矩，同时又能增大芯板的截面面积，从而提高了屈曲约束支撑的承载力。“王”字形芯板截面屈曲约束支撑将是一种经济且性能优越的技术，它能减小外套筒的约束刚度，从而减小屈曲约束的外观尺寸。

屈曲约束支撑常用的约束形式是钢筋混凝土、钢-混凝土组合截面和钢管约束形式。本发明在钢管约束形式上增加约束板件，既提供整体约束刚度，又约束翼缘的局部屈曲。

发明内容

本发明是要提供一种易于制作、承载能力大、节约钢材的“王”字型截面大承载力屈曲约束支撑构件，用于解决“一”字型“十”字型屈曲约束支撑构件承载力太小，而H型截面屈曲约束支撑构件两个方向约束刚度需求不一致的问题，还可减小屈曲约束支撑的外观截面大小。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种“王”字型截面大承载力屈曲约束支撑构件，包括芯板腹板、芯板上翼缘、芯板中翼缘、芯板下翼缘、端部腹板加强板、端部上翼缘加强板、端部中翼缘加强板、端部下翼缘加强板、套筒顶板、套筒底板、第一至第四套筒内伸板、套筒外竖向板、套筒内加劲板、无粘结隔离材料层，其特点是：芯板腹板与芯板上翼缘、芯板下翼缘和芯板中翼缘通过焊接组成“王”字型截面构件，“王”字型截面构件两端中间分别焊接有端部腹板加强板，位于端部腹板加强板两侧的芯板上翼缘、芯板中翼缘和芯板下翼缘前端分别焊接有端部上翼缘加强板、端部中翼缘加强板和端部下翼缘加强板，芯板上翼缘上端面上和芯板下翼缘下端面上分别设有套筒顶板和套筒底板，芯板上翼缘下端面、芯板中翼缘上、下端面和芯板下翼缘上端面分别设有第一至第四套筒内伸板，第一套筒内伸板与第二套筒内伸板之间和第三套筒内伸板与第四套筒内伸板之间沿芯板腹板长度方向分别设有若干个套筒内加劲板，两外侧分别设有套筒外竖向板，且套筒外竖向板与第一至第四套筒内伸板以及套筒顶板、套筒底板通过焊接连接成“王”字型截面构件的整体套筒。

“王”字型截面构件的整体套筒与“王”字型截面构件之间包裹的区域表面粘贴无粘结隔离材料层。

第二套筒内伸板与第三套筒内伸板之间的净距为芯板中翼缘厚度与二倍无粘结隔离材料层厚度之和；第一套筒内伸板与套筒顶板之间的距离为芯板上翼缘厚度与二倍无粘结隔离材料层厚度之和；第四套筒内伸板与套筒底板之间的距离为芯板下翼缘厚度与二倍无粘结隔离材料层厚度之和；第一至第四套筒内伸板距离芯板腹板净距为一倍无粘结隔离材料层厚度。

套筒顶板和套筒底板端部分别设有预开缝，用于端部腹板加强板分别穿过套筒顶板和套筒底板，套筒顶板和套筒底板的开缝长度大于端部腹板加强板在轴向拉伸变形过程中的变形长度；端部上翼缘加强板和端部下翼缘加强板的中间与端部腹板加强板相交位置处预开缝，缝宽应比端部腹板加强板厚度大2mm-3mm，便于端部腹板加强板穿过上翼缘加强板和端部下翼缘加强板。

芯板上翼缘与端部上翼缘加强板、芯板中翼缘与端部中翼缘加强板、芯板下翼缘与端部下翼缘加强板均采用对接焊缝连接；芯板腹板与芯板上翼缘采用全融透焊缝、半融透焊缝或者角焊缝连接；芯板腹板与芯板下翼缘采用全融透焊缝、半融透焊缝或者角焊缝连接；芯板中翼缘与芯板腹板采用全融透焊缝、半融透焊缝或者角焊缝连接；芯板腹板与端部腹板加强板采用全融透对接焊缝连接；芯板上翼缘与端部上翼缘加强板采用全融透对接焊缝连接；芯板中翼缘与端部中翼缘加强板采用全融透对接焊缝连接；芯板下翼缘与端部下翼缘加强板采用全融透对接焊缝连接。

芯板腹板与端部腹板加强板长度之和、芯板上翼缘与端部上翼缘加强板长度之和、芯板中翼缘与端部中翼缘加强板长度之和、芯板下翼缘与端部下翼缘加强板长度之和各自相等。

套筒外竖向板与第一至第四套筒内伸板以及套筒顶板、套筒底板长度相等，并小于芯板腹板与端部腹板加强板长度之和，以便芯板在套筒内自由伸缩变形。

“王”字型截面构件的整体套筒的端部设置端部封头板，端部封头板与整体套筒之间采用角焊缝焊接。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

（1）本发明通过设置“王”字型屈曲约束支撑，可提高芯板钢材的利用效率。对大承载能力的屈曲约束支撑，传统做法需要较厚的钢板，本发明通过增加受力芯板的面积，从而可以减小板件的厚度。

（2）通过增加芯板两个主轴方向的惯性矩，从而能够减小屈曲约束支撑的外观截面。由于支撑一般都设置在墙体内，支撑外观截面减小后，可以减小墙体厚度，这将提高建筑的使用面积。

（3）由于降低了支撑的外观截面，同时板件厚度更薄，本发明能够降低屈曲约束支撑的用钢量，并降低施工难度，从而更为造价更低，更为经济。

附图说明

图1是“王”字型截面大承载力的截面图；

图2是“王”字型截面大承载力屈曲约束支撑芯板三维立体图；

图3是“王”字型截面大承载力屈曲约束支撑套筒分解三维立体图；

图4是“王”字型截面大承载力屈曲约束支撑整体三维立体图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

如图1至图4所示，本发明的“王”字型截面大承载力屈曲约束支撑构件，包括芯板腹板1、芯板上翼缘2、芯板中翼缘3、芯板下翼缘4、端部腹板加强板5、端部上翼缘加强板6、端部中翼缘加强板7、端部下翼缘加强板8、套筒顶板9、套筒底板10、第一至第四套筒内伸板11、12、13、14、套筒内加劲板15、端部封头板16、套筒外竖向板17、无粘结隔离材料层18。

芯板腹板1与芯板上翼缘2，芯板下翼缘4，芯板中翼缘3通过焊接组成“王”字型截面构件，“王”字型截面构件两端中间分别焊接有端部腹板加强板5，位于端部腹板加强板5两侧的芯板上翼缘2、芯板中翼缘3和芯板下翼缘4前端分别焊接有端部上翼缘加强板6、端部中翼缘加强板7和端部下翼缘加强板8，芯板上翼缘2上端面上和芯板下翼缘4下端面上分别焊接套筒顶板9和套筒底板10，芯板上翼缘2下端面、芯板中翼缘3上、下端面和芯板下翼缘4上端面分别设有第一至第四套筒内伸板11、12、13、14，第一套筒内伸板11与第二套筒内伸板12之间和第三套筒内伸板13与第四套筒内伸板14之间沿芯板腹板1长度方向分别设有若干个套筒内加劲板15，两外侧分别设有套筒外竖向板17，且套筒外竖向板17与第一至第四套筒内伸板11、12、13、14以及套筒顶板9、套筒底板10通过焊接连接成“王”字型截面构件的整体套筒。

“王”字型截面构件的整体套筒与“王”字型截面构件之间包裹的区域表面粘贴无粘结隔离材料层18。

第二套筒内伸板12与第三套筒内伸板13之间的净距为芯板中翼缘3厚度与二倍无粘结隔离材料层18厚度之和；第一套筒内伸板11与套筒顶板9之间的距离为芯板上翼缘2厚度与二倍无粘结隔离材料层18厚度之和；第四套筒内伸板14与套筒底板10之间的距离为芯板下翼缘4厚度与二倍无粘结隔离材料层18厚度之和；第一至第四套筒内伸板11、12、13、14距离芯板腹板1净距为一倍无粘结隔离材料层18厚度。

套筒顶板9和套筒底板10端部分别设有预开缝，用于端部腹板加强板5分别穿过套筒顶板9和套筒底板10，套筒顶板9和套筒底板10的开缝长度大于端部腹板加强板5在轴向拉伸变形过程中的变形长度；端部上翼缘加强板6和端部下翼缘加强板8的中间与端部腹板加强板5相交位置处预开缝，缝宽应比端部腹板加强板5厚度大2mm-3mm，便于端部腹板加强板5穿过上翼缘加强板6和端部下翼缘加强板8。

芯板上翼缘2与端部上翼缘加强板6、芯板中翼缘3与端部中翼缘加强板7、芯板下翼缘3与端部下翼缘加强板8均采用对接焊缝连接；芯板腹板1与芯板上翼缘2采用全融透焊缝、半融透焊缝或者角焊缝连接；芯板腹板2与芯板下翼缘4的采用全融透焊缝、半融透焊缝或者角焊缝连接；芯板中翼缘3与芯板腹板1采用全融透焊缝、半融透焊缝或者角焊缝连接；芯板腹板1与端部腹板加强板5采用全融透对接焊缝连接；芯板上翼缘2与端部上翼缘加强板6采用全融透对接焊缝连接；芯板中翼缘3与端部中翼缘加强板7采用全融透对接焊缝连接；芯板下翼缘4与端部下翼缘加强板8采用全融透对接焊缝连接。

端部腹板加强板5轴向受拉屈服承载能力应大于芯板腹板1的轴向受拉极限抗拉承载能力，端部上翼缘加强板6轴向受拉屈服承载能力应大于芯板上翼缘2的轴向受拉极限抗拉承载能力，端部中翼缘加强板7轴向受拉屈服承载能力应大于芯板中翼缘3的轴向受拉极限抗拉承载能力，端部下翼缘加强板8轴向受拉屈服承载能力应大于芯板下翼缘4的轴向受拉极限抗拉承载能力。

芯板腹板1与端部腹板加强板5长度之和、芯板上翼缘2与端部上翼缘加强板6长度之和、芯板中翼缘3与端部中翼缘加强板7长度之和、芯板下翼缘4与端部下翼缘加强板8长度之和各自相等。

套筒外竖向板17与第一至第四套筒内伸板11、12、13、14以及套筒顶板9、套筒底板10长度相等，并小于芯板腹板1与端部腹板加强板5长度之和，以便芯板在套筒内自由伸缩变形。

“王”字型截面构件的整体套筒的端部设置端部封头板16，端部封头板16与整体套筒之间采用剖口焊缝连接。

在第一套筒内伸板11和第二套筒内伸板12之间设置与内伸板垂直的套筒内加劲板15，套筒内加劲板高度15为第一套筒内伸板11和第二套筒内伸板12之间的净距，宽度不应超过内伸板内伸长度。通过角焊缝与第一、二套筒内伸板11、12焊接。

芯板腹板1、芯板上翼缘2、芯板中翼缘3、芯板下翼缘4厚度可以相等，也可以不相等。芯板腹板1与端部腹板加强板5厚度应相等。芯板上翼缘2与端部上翼缘加强板6厚度应相等。芯板中翼缘3与端部中翼缘加强板7厚度应相等。芯板下翼缘4与端部下翼缘加强板8厚度应相等。芯板腹板1、芯板上翼缘2、芯板中翼缘3、芯板下翼缘4采用低强度高延性的钢板。端部腹板加强板5、端部上翼缘加强板6、端部中翼缘加强板7、端部下翼缘加强板8可采用高强度的钢板。

如图2所示。芯板上翼缘2、中翼缘3、下翼缘4长度相等。芯板上翼缘2与芯板腹板1采用全融透焊缝或者半融透焊缝连接，芯板中翼缘3、芯板下翼缘4与芯板腹板1也采用与芯板上翼缘2相同的连接方法。当焊接变形过大时候，翼缘与腹板也可采用角焊缝或者断续焊缝进行焊接。

端部腹板加强板5与芯板腹板1采用对接焊缝连接，端部上翼缘加强板6与芯板上翼缘2采用对接焊缝连接，端部中翼缘加强板7与芯板中翼缘3采用对接焊缝连接，端部下翼缘加强板8与芯板下翼缘4采用对接焊缝连接。端部加强板的钢板厚度、钢板强度与芯板可不一致，但端部加强板的承载力应比相应芯板的承载力高，且满足芯板达到极限受拉承载力时候，端部加强板应力不超过其屈服应力。

芯板和端部加强板焊接完成后在其表面粘结无粘结隔离材料层18，厚度2-3mm。

套筒外竖板17与第一至第四套筒内伸板11、12、13、14采用角焊缝连接。套筒内加劲板15与第一至第四套筒内伸板11、12、13、14和套筒外竖板17采用角焊缝连接。端部封头板16与第一至第四套筒内伸板11、12、13、14和套筒外竖板17采用剖口焊缝连接。

套筒外竖板17与第一至第四套筒内伸板11、12、13、14以及端部封头板16、套筒内加劲板15组装焊接完毕后与芯板、芯板加强板组装，将套筒顶板9及套筒底板10与套筒外竖板17采用剖口焊缝连接。

本发明提供了一种大承载力屈曲约束支撑，芯板采用“王”字型。在设计中根据屈曲约束支撑的承载力和刚度确定芯板板厚、宽度以及芯板钢材类型，根据支撑长度以及芯板的极限承载力确定套筒板厚度和大小，并满足如下公式：

式中为屈曲约束支撑的长度，为钢材弹性模量，为芯板惯性矩，为钢材弹性模量，为芯板的截面面积，为芯板抗拉强度，为系数，当屈曲约束支撑位承载型时候取0.9，当屈曲约束支撑位耗能型时候取0.1。

以一长度为6m，屈服承载力为10000kN，芯板钢材采用Q235的屈曲约束支撑为例，说明其设计过程。根据屈服承载力以及芯板钢材，芯板截面面积约为4255mm²，芯板腹板、翼缘厚度都取为30mm，王字型截面高度400mm，王字型截面宽度370mm，套筒外竖板、内伸板厚度都为8mm，套筒外观宽度470mm，外观高度420mm。