一种内设挡板式钢管十字形内缩式变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件

摘要

一种内设挡板式钢管十字形内缩式变截面钢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。十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，限位槽对应于十字形钢芯截面缩小段b，限位槽处焊接有T形截面挡板，T形截面挡板的翼缘板焊接在外约束钢管的外表面，腹板垂直插入限位槽并与十字形钢芯截面缩小段留有一定空隙，十字形钢芯截面缩小段b两端以60°坡角内缩，T形截面挡板的腹板端部同样以60°坡角内缩，与钢芯截面缩小段b端部平行。此防屈曲支撑构件可广泛应用于建筑物的耗能减震及限位控制。

说明书

技术领域

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十字形、外约束钢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

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。 

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

本发明提出一种十字形变截面钢芯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焊接在外约束钢管限位槽处的T形截面挡板相嵌合，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。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种内设挡板式钢管十字形内缩式变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，由十字型钢芯和外约束钢管组成，其特征在于，十字形钢芯位于外约束钢管内部，外约束钢管与十字形钢芯形成的四个正方形区域内填充四个正方形薄壁型钢钢管混凝土，所述十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。所述外约束钢管是四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形截面挡板由两角钢焊接而成，挡板翼缘焊接在外约束钢管的外表面，腹板垂直插入限位槽且与十字形钢芯截面内缩处留有空隙，十字形钢芯截面缩小段b两端以60°坡角缩小，T形截面挡板的腹板与十字形钢芯截面缩小段端部平行，同样具有60°坡角，T形截面挡板插入限位槽的腹板纵向截面为梯形。 

外约束钢管的边长大于十字形钢芯非变截面段的宽度，钢管内设挡板处局部缩小十字形钢芯尺寸；距离外约束钢管1/12长度e的端部位置开设限位槽，开槽长度d为1/6外约束钢管的长度，同时也是T形挡板的长度。 

所设限位槽处焊接有T形截面挡板，T形截面挡板由两角钢焊接而成，挡板翼缘焊接在外约束钢管的外表面，腹板垂直插入限位槽。十字形钢芯截面缩小 段b两端以60°坡角缩小，T形截面挡板的腹板与十字形钢芯截面缩小段的两端平行，同样具有60°坡角，T形截面挡板插入限位槽的腹板纵向截面为梯形，T形截面挡板插入限位槽的腹板与十字形钢芯截面内缩处留有空隙。外约束钢管、十字形钢芯及正方形薄壁型钢钢管混凝土之间的缝隙设置无粘结材料层。 

所述钢芯由屈服工作段、局部缩小段、连接段组成，截面局部缩小段的长度大于T形挡板的长度，其长度差包括考虑钢芯屈服后的受拉和受压变形，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截面缩小长度。 

所述外约束钢管对应于钢芯两变截面段b开设限位槽并焊接T形钢板，T形钢板长度小于钢芯截面缩小的长度。 

所述外约束钢管的截面形式可以是方形、圆形。 

防屈曲支撑受力时，十字形钢芯首先耗能屈服，钢芯变形屈服并受到外钢管内置挡板的限制时，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。 

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。 

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。 

取材方便：本发明采用的钢材来源广泛，规格齐全，购买方便。 

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。 

本发明可广泛应用于建筑物的耗能减震及限位控制。 

附图说明

图1为本发明的结构主视图和左视图。 

图2为图1A-A处剖面图。 

图3为图1B-B处剖面图。 

附图标记：1-钢芯、2-外约束钢管、3-薄壁型钢钢管混凝土、4-T字型钢板、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

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例，以权利要求书为准。 

如图1所示，一种内设挡板式钢管十字形内缩式变截面钢芯防屈曲限位耗能支撑构件，由十字型钢芯（1）和外约束钢管（2）组成。其特征在于，十字形钢芯（1）位于外约束钢管（2）内部，外约束钢管（2）与十字形钢芯（1）形成的四个正方形区域内填充四个正方形薄壁型钢钢管混凝土（3），所述十字形钢芯（1）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（2）的两端，外约束钢管的限位槽对应截面缩小段b。所述外约束钢管（2）是四面开有限位槽的方钢管，截面尺寸为300×300mm。所述外约束钢管（2）的限位槽处焊接有T形截面挡板（4），T形截面挡板由两角钢焊接而成，挡板翼缘焊接在外约束钢管（2）的外表面，腹板垂直插入限位槽。十字形钢芯（1）截面缩小段b纵向两端以60°坡角缩小，T形截面挡板的腹板与十字形钢芯截面缩小段端部平行，同样具有60°坡角；T形截面挡板插入限位槽的腹板纵向截面为梯形，T形截面挡板插入限位槽的腹板与十字形钢芯（1）截面内缩处留有5mm的空隙。外约束钢管与钢芯非变截面段之间的空隙为10mm，钢芯截面缩小的径向距离为30mm。外约束钢管、T形挡板、十字形钢芯、薄壁型钢钢管混凝土之 间的空隙填充无粘结材料层（5）。 

防屈曲支撑受力时，钢芯（1）首先耗能屈服，钢芯（1）变形屈服并受到外钢管（2）的内置挡板限制时，外约束钢管（2）与屈服后钢芯（1）共同参与受力。并且外钢管（2）刚度较大，加之屈服后钢芯（1）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。 

除上述示例焊接十字形截面之外，钢芯（1）的截面形式还可以是内错角钢十字形。 

如图2所示，外约束钢管（2）是四面开槽的方钢管，且外约束钢管（2）的边长大于钢芯（1）非变截面段a宽度10mm，钢管内设挡板处径向缩小钢芯尺寸30mm，外约束钢管（2）和工作段芯材（1）之间的缝隙设置无粘结材料层（5）。 

如图3所示，T形挡板穿入槽孔至钢芯截面局部缩小段并留有约5mm的缝隙；十字形钢芯截面局部缩小段的纵向长度b应大于焊接T字型钢板的纵向长度d，考虑包括钢芯（1）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。 

本发明所述变截面防屈曲限位耗能支撑构件的工作原理： 

外部荷载施加到防屈曲支撑，首先十字形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，外钢管参与受力。受压状态下，当钢芯屈服后钢芯的压缩变形达到内置挡板的极限时，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。