一种分阶段屈服整体约束型防屈曲支撑的制作方法

1.本发明属于建筑工程和结构工程抗震领域，具体涉及一种分阶段屈服整体约束型防屈曲支撑。


背景技术：

2.我国是一个地震多发的国家，为了降低这种灾害对国家经济和人民生命的危害，为此学者们做了很多关于如何提高结构抗震性能的研究。防屈曲支撑属于这众多研究中的一环，防屈曲支撑的设计理念来自于传统的钢支撑，防屈曲支撑克服了传统钢支撑体系的缺点，在受拉和受压时都可以屈服而不屈曲，从而既能为工程结构提供足够的侧向刚度，而且在遭遇罕遇地震时能够通过自身屈服来耗散。虽然普通防屈曲支撑因其耗能能力强、滞回曲线饱满和能提供足够的侧向刚度而广泛应用建筑工程结构中，但是其一般在罕遇地震作用下才进入塑性阶段耗能，在多遇地震下大多仍处于弹性阶段，只附加刚度而不参与耗能，不能满足结构在不同水平的地震作用下的耗能能力，故研发分阶段屈服防屈曲支撑以抵御不同强度的地震作用显得尤为重要。但目前分阶段屈服防屈曲支撑仍存在以下问题：采用串联的方式将不同截面的核心钢板组合形成的分阶段屈服防屈曲支撑，会导致钢板部分屈服后刚度迅速下降，变形易集中在强度较小处，没有完全发挥防屈曲支撑的作用；采用不同屈服强度的材料用并联的方式共同参与受力，材料成本高，且往往由于其两者刚度相差太多，使得低屈服耗能段耗能能力受到很大影响。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种分阶段屈服整体约束型防屈曲支撑，在保证满足实际工程结构所需的抗侧刚度的情况下，解决目前防屈曲支撑只有单一屈服点，不能适应不同等级水平的地震作用下耗能的情况，解决现有采用并联方式的分阶段屈服防屈曲支撑低屈服段耗能能力较小的问题,实现分阶段屈服的技术目标。
4.本发明是通过下述技术方案来实现的。
5.本发明实施例提供的一种分阶段屈服整体约束型防屈曲支撑，包括核心单元、外围约束单元和连接单元；
6.所述核心单元包括至少两块屈服钢板通过端部焊接构成防屈曲支撑，所述防屈曲支撑上设有约束屈服段、过渡段、约束非屈服段和非约束连接段；
7.屈服钢板翼缘上设有削弱区，削弱强度由内至外逐渐递减，屈服钢板腹板上不设削弱区；
8.所述外围约束单元在侧部围住屈服钢板的约束屈服段、过渡段、约束非屈服段和非约束连接段，两端部通过混凝土端封且留有间隙；
9.所述连接单元与屈服钢板两端连接，并与外部工程连接，形成参与外部结构的荷载作用整体结构。
10.在本发明实施例中，约束屈服段位于屈服钢板中段；过渡段位于约束屈服段两侧，且呈扩径状；被方形钢管围住的屈服钢板段至过渡段为约束非屈服段，在方形钢管外侧的屈服钢板段为非约束连接段。
11.在本发明实施例中，外围约束单元与核心单元之间由无粘结滑移材料隔开，使外围约束单元不参与轴向受力。
12.在本发明实施例中，屈服钢板翼缘的中部两侧设有限定外围约束单元位置的凸钢块。
13.在本发明实施例中，在约束钢板翼缘的削弱区为约束屈服段上设有若干长条形孔段，在长条形孔段上设有粘贴在钢条表面的frp布。
14.在本发明实施例中，若干长条形孔间隔分布于长条形孔段上构成削弱区，在约束屈服段中部的长条形孔分布数量大于两端部的长条形孔，且两端部的长条形孔依次递减；
15.削弱区长度为约束屈服段的3/4，且开孔之间的距离为长条形孔长边的1/2。
16.在本发明实施例中，约束钢板翼缘与腹板钢材材料强度等级相同。
17.在本发明实施例中，防屈曲支撑屈服钢板翼缘与中间腹板的约束屈服段和过渡段之间无连接，在其两端的约束非屈服段和非约束连接段焊接。
18.在本发明实施例中，屈服钢板翼缘的约束屈服段的宽度小于或等于中间腹板约束屈服段的宽度；
19.屈服钢板翼缘的过渡段、约束非屈服段和非约束连接段的厚度小于或等于屈服钢板腹板的过渡段、约束非屈服段和非约束连接段的厚度；
20.屈服钢板翼缘的约束屈服段、过渡段、约束非屈服段和非约束连接段的长度和宽度与屈服钢板腹板的约束屈服段、过渡段、约束非屈服段和非约束连接段的长度和宽度相同；
21.约束屈服段、过渡段、约束非屈服段总和长度与方形钢管的长度相等。
22.在本发明实施例中，屈服钢板为一字型，防屈曲支撑为类工字型或类t字型。
23.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
24.本发明双屈服点的分阶段屈服整体约束型防屈曲支撑，采用至少两块屈服钢板通过端部焊接构成防屈曲支撑，屈服钢板翼缘上设有削弱区，屈服钢板腹板上不设削弱区；屈服钢板翼缘在特定位置进行一定程度的削弱，形成条状的钢带，使得屈服钢板翼缘与屈服钢板腹板有明显不同的初始屈服点，进而实现分阶段屈服的预期，而且削弱的程度逐渐递减，进而使塑性区能够不断的延伸，且条状钢带外包有frp布，有利于提高削弱区的耗能能力和疲劳性能。本发明解决了目前普通防屈曲支撑只有单一屈服点，不能满足不同等级水平的地震作用屈服耗能的情况，而且构造简单，传力途径明确。
25.本发明通过将屈服钢板削弱来人为地将屈服荷载和屈服位移改变，实现定点屈服，并通过并联的方式使不同初始屈服点的钢板能共同地工作，从而实现具有双屈服点的分阶段屈服的目标。在小震或中震作用下屈服钢板翼缘开始屈服，在整个地震作用过程中都参与耗能，当地震作用水平超过某一水平，屈服钢板腹板才开始屈服参与耗能，整个过程分阶段整体约束型防屈曲支撑不仅为工程结构提供了足够的附加刚度，而且也耗散了地震作用输入工程结构的能量，减少了工程结构的损伤。在中震和大震作用下屈服钢板翼缘和屈服钢板腹板共同参与耗能，使耗能效果进一步提高。在屈服钢板翼缘削弱处外包有frp
布，在一定程度上约束钢条，提高钢条的屈服荷载和极限荷载，能够使其在低位移情况下增加耗能，并防止削弱处的钢条被拉断，提高了屈服钢板翼缘的疲劳性能。
附图说明
26.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
27.图1(a)、(b)为本发明的结构示意图；
28.图2(a)、(b)是图1(a)、(b)的侧视结构示意图；
29.图3是核心单元的正视图；
30.图4是第一屈服钢板划分段位置图；
31.图5是第一屈服钢板详图；
32.图6是第一屈服钢板削弱区详图；
33.图7是本发明有限元模型；
34.图8是本发明单压10mm时等效应力图；
35.图9是本发明单压10mm时塑性损伤图；
36.图10是本发明第一屈服钢板削弱处无frp的等效应力图；
37.图11是本发明第一屈服钢板削弱处无frp的塑性损伤图；
38.图12是本发明第一屈服钢板削弱处有无frp的骨架曲线图。
39.附图标记：1-第一屈服钢板；2-第二屈服钢板；3-无粘结滑移材料；4-钢板加劲肋；5-长条形孔；6-frp布；7-凸钢块；8-安装钢板；9-连接钢板；10-方形钢管；11-混凝土；12-非约束连接段；13-约束非屈服段；14-过渡段；15-约束屈服段。
具体实施方式
40.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
41.参见图1(a)、(b)和图2(a)、(b)所示，为本发明实施例提供的一种分阶段屈服整体约束型防屈曲支撑，包括本体，本体包括核心单元、外围约束单元和两端的连接单元。在一个实施例中，核心单元是三块屈服钢板通过端部的焊接组成“类工字型”防屈曲支撑，即为两块第一屈服钢板1与垂直连接于两块第一屈服钢板1的第二屈服钢板2构成，屈服钢板为一字型。上下翼缘处的屈服钢板为第一屈服钢板1，中间腹板处的屈服钢板为第二屈服钢板2，在上下翼缘屈服钢板两端部的上下表面分别设有钢板加劲肋4，在中间腹板两端部两侧面分别设有两对钢板加劲肋4。
42.外围约束单元包括方形钢管10和混凝土11，在核心单元的“类工字型”防屈曲支撑外包围有方形钢管10，混凝土11约束在方形钢管10围框内。外围约束单元的混凝土11与核心屈服钢板之间存在1mm间隙，防止核心屈服钢板受压时横向变形完全被外围约束单元限制。
43.方钢管10约束混凝土11后，混凝土11不易开裂且延性更好，抗弯刚度进一步提高，约束核心单元发生平面外的屈曲。混凝土11可以为全钢外围约束构件或混凝土外围约束构件，只要满足外围约束构件的抗弯刚度大于核心单元屈服强度的1.5倍时，外围约束构件就
能避免使核心单元过早地出现屈曲，使防屈曲支撑能够充分耗能并能提供足够的刚度。
44.连接单元包括连接钢板9和安装钢板8，连接钢板9分别连接第一屈服钢板1、第二屈服钢板2和钢板加劲肋4，安装钢板8连接在连接钢板9外侧。是屈服钢板非约束连接段12与外部工程结构连接部分，屈服钢板的非约束连接段12与加劲肋4进行焊接，防止屈服钢板端部应力集中出现过早的屈曲；加劲肋4与屈服钢板和连接钢板9焊接，连接钢板9另一侧与安装钢板8焊接，通过安装钢板9使防屈曲支撑能很好地和外部工程结构共同工作，提供侧向刚度和耗能。
45.参见图4，三块屈服钢板均包括约束屈服段15、过渡段14、约束非屈服段13和非约束连接段12。其中，约束屈服段15位于第一屈服钢板1、第二屈服钢板2中段；过渡段14位于约束屈服段15两侧，且呈扩径段；约束非屈服段13和非约束连接段12依次位于过渡段14外端，钢板加劲肋4分布在非约束连接段12上。被方形钢管10围住的屈服钢板段至过渡段14为约束非屈服段13，在方形钢管10外侧的屈服钢板段为非约束连接段12。
46.且三块屈服钢板的约束屈服段15和过渡段14之间无连接，在其两端的约束非屈服段13和非约束连接段12焊接。
47.参见图1(a)、(b)和图2(a)、(b)所示，上下翼缘处的屈服钢板为第一屈服钢板1中间腹板处的屈服钢板为第二屈服钢板2，在第一屈服钢板1上约束屈服段15设若干长条形孔段构成削弱区，在第一屈服钢板1均布的长条形孔5间隔分布构成孔段，在中部的长条形孔5分布数量大于两端部的长条形孔，且两端部的长条形孔依次递减。在长条形孔段上设有frp布6，frp布6通过相适配的粘结剂粘贴在钢条表面，适当提高条形钢条的屈服荷载，使其在小位移下耗能能够充分提高。frp布通过粘结剂使frp布与钢条共同发挥作用，粘结剂应与frp布的型号相适配。
48.在第一约束钢板1设削弱区，第二屈服钢板2不设削弱区，两者最本质的力学性能区别在于第一屈服钢板1在特定位置进行一定程度的削弱，由于削弱其屈服荷载和屈服位移都小于第二屈服钢板2。第一屈服钢板1和第二屈服钢板2的钢材的材料强度等级相同，通过对第一屈服钢板1的削弱使两者的屈服位移和屈服荷载产生明显差距。
[0049]“类工字型”防屈曲支撑在外约束单元约束下提供足够的刚度和耗能，再通过两端连接单元将支撑与外部工程连接在一起，形成整体参与外部结构的荷载作用。
[0050]
在本实施例中，第一屈服钢板约束屈服段15的宽度小于或等于第二屈服钢板，第一屈服钢板过渡段14、约束非屈服段13和非约束连接段12的厚度小于或等于第二屈服钢板过渡段14、约束非屈服段13和非约束连接段12的厚度；第一屈服钢板约束屈服段15、过渡段14、约束非屈服段13和非约束连接段12的长度和宽度与第二屈服钢板约束屈服段15、过渡段14、约束非屈服段13和非约束连接段12的长度和宽度相同，约束屈服段15、过渡段14、约束非屈服段13总和长度与方形钢管10的长度相等。
[0051]
参见图1(b)所示，“类工字型”防屈曲支撑通过外围约束单元形成整体约束型防屈曲支撑，第一屈服钢板和第二屈服钢板的约束屈服段15、过渡段14、约束非屈服段13表面都覆有无粘结滑移材料3，外围约束单元与核心单元之间由无粘结滑移材料3隔开，无粘结滑移材料为薄橡胶。使屈服钢板能够单独受轴向力作用，仅仅起到约束防屈曲支撑平面外变形的作用，使外围约束单元不参与轴向的受力。
[0052]
参见图1(b)、图2(b)和图3所示，在第一屈服钢板1的上下翼缘中部两侧设有凸钢
块7，用于限定围在第一屈服钢板1外侧的方形钢管10的位置。凸钢块通过焊接固定在屈服钢板上，凸钢块可以固定外围约束单元，默认外围约束单元与核心单元之间无摩擦。
[0053]
参见图4和图5所示，在第一屈服钢板上开长条形孔5进行了削弱，削弱区长度约为约束屈服段15的3/4，且位置居中对称，从而实现控制屈服荷载和屈服位置，保证设计目标与实际性态一致。开孔之间的距离为长条形孔长边的1/2，并在一定长度范围内削弱的程度逐渐减少，长条形孔分布沿中部向两端依次递减，减少应力集中，使传力路径更加明显，能够使塑性区不断发展，进而提高第一屈服钢板的耗能能力。
[0054]
参见图5和图6所示，在约束屈服段由于削弱而形成的钢条上覆frp布6，与钢条共同参与受力，防止钢条被拉断，并在一定程度上约束钢条，提高钢条的屈服荷载和极限荷载，在小位移下增加第一屈服钢板的耗能能力。
[0055]
下面结合附图对本实施例效果和应用做进一步说明。
[0056]
下图7为本发明的防屈曲支撑的有限元模型，具体尺寸是结合实际情况进行设计的，第一屈服钢板和第二屈服钢板的非约束连接段12、约束非屈服段13、过渡段14和约束屈服段15长度分别为200mm、200mm、100mm和1400mm，第一屈服钢板和第二屈服钢板厚度均为10mm，其强度等级均为q235，外约束单元的混凝土采用c30，钢管采用q345，厚度为3mm，frp的厚度为0.167mm。
[0057]
图8和图9为本发明的模型在单压10mm时的等效应力图和塑性损伤图，从图中可以看出第一屈服钢板的削弱处由于frp的作用使钢条的应力更高和更加集中，进而使钢条能够充分耗能，且各削弱处钢条应力相差不大，塑性发展更加均匀，塑性损伤也集中在削弱处的钢条上，而第二屈服钢板的应力都比较小，大部分都处于弹性状态，故能够取得分阶段屈服的预期目标。
[0058]
图10和图11为本发明模型在削弱处无外包frp单压10mm时的等效应力图和塑性损伤图，从图12可以看出第一屈服钢板没有外包frp的削弱处只有部分应力较为集中，且伴随着明显的向外屈曲，会造成刚度迅速下降，耗能不够充分，第二屈服钢板应力分布较为均匀，能够充分耗能，图11显示塑性损伤集中部分削弱处，整个防屈曲支撑的耗能并没有达到充分发挥；图12为本发明削弱处外包有frp和无frp的骨架曲线，从曲线明显可以看出第一屈服钢板削弱处外包有frp的骨架曲线更加优异，能够使削弱处的钢条充分耗能，而且能够达到分阶段屈服的预期目标。
[0059]
本发明不限于上述“类工字型”防屈曲支撑，还可以是“类t字型”结构，“类t字型”结构防屈曲支撑的翼缘和腹板与“类工字型”防屈曲支撑类似，同样能达到分阶段屈服的预期目的。
[0060]
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。