一种碟簧并联金属消能器的变形受控隅撑

1.本发明属于土木结构工程技术领域，具体涉及一种碟簧并联金属消能器的变形受控隅撑。
技术背景
2.建筑结构除需承担重力荷载外，还需要承受地震作用和风荷载等水平作用，因此需要具备足够的抗侧刚度。框架结构依靠梁柱节点抗弯来为结构提供侧向抗力，其刚度往往有限，因此一般通过在结构体系中布置支撑来提高结构的侧向刚度。中心支撑-框架结构抗侧刚度大，但是在地震下容易出现受压失稳，结构在强震下的抗震性能难以保证，且中心支撑框架限制了结构体系的变形，梁柱构件的塑性变形能量无法发挥，对结构抗震性能不利；因此发展了防屈曲支撑。防屈曲支撑避免了普通支撑受压失稳的现象，具有近似相同的拉压性能，地震作用下，可以稳定发挥耗能能力。除此之外，学者们提出了偏心支撑框架及隅撑
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框架结构体系，这种结构体系通过偏置支撑的方式把中心支撑-框架结构体系的刚度优势和框架体系变形优势有机结合起来了，同时经济性好，在多高层钢结构体系中具有广阔的应用前景。
3.一般而言，防屈曲支撑承载力高，小震下无法耗能，且体型大，施工安装不便，占据建筑空间，将其应用于工程结构中会在一定程度上影响建筑的正常使用功能，而且会增大结构刚度，提高结构的地震作用和加速度反应，在有精密仪器的工程结构中应用受限。随着韧性抗震设计的不断发展，建筑结构震后的修复性也越来越得到关注，防屈曲支撑由于受压芯杆被包裹，对其进行修复是不可行的，震后修复需要更换整个支撑，经济性差。
4.近年来，一些体型小巧、承载力小的小型金属消能器被提出，这些消能器主要布置于节点连接区域。由于承载力小，这些消能器能够在小震下即进行耗能，也不会大幅提高结构刚度，震后也易于修复。但是由于小型金属消能器较早进入屈服状态，结构在大震下消能器的塑性发展程度大，一方面小型金属消能器可能会由于承受过大变形而较早断裂，另一方面小型金属消能器在深度塑性阶段的刚度较小，无法为结构体系提高有效的抗侧刚度，导致结构发生薄弱层破坏甚至在重力二阶效应下倒塌。
5.目前公开的为轴向消能器提供辅助受拉受压的技术方案存在后期受拉受压刚度差异大的问题，这对于消能器在结构中的布置提出了更高的要求。


技术实现要素：

6.本发明旨在提出一种可用于隅撑-框架结构中的消能隅撑，该隅撑的构造简单、震后修复容易、变形可控，以解决上述技术背景中屈曲约束支撑震后修复难、传统小消能器大震性能不可靠的问题。
7.为此，本发明一种碟簧并联金属消能器的变形受控隅撑，该隅撑主要应用于隅撑-框架结构体系中，增加框架节点的刚度与耗能能力，能够在小震下即进行耗能，减少结构的地震损伤，在大震下变形可控，拉压刚度近似相同，性能更优；且该隅撑震后修复简单，具有
造价低与震后便于更换的优点。
8.为实现上述目的，本发明给出的一种碟簧并联金属消能器的变形受控隅撑包括：内金属杆、外金属管、外置金属消能器；内金属杆插入外金属管内部，外置金属消能器包括内消能杆、外约束套管和间隙填充管，内消能杆外包裹间隙填充管后穿过外约束套管；其特征还在于：
9.还包括备用拉杆-碟簧系统，内金属杆和外金属管通过外置金属消能器、备用拉杆-碟簧系统进行连接。
10.所述内金属杆包括金属杆主体、次连接端头、次连接端板、封口端板、加劲肋；金属杆主体一端先后与次连接端板和次连接端头进行固定连接，另一端与封口端板进行固定连接，封口端板开设有圆孔；在金属杆主体至少两个相对的外表面设有次加劲板；金属杆主体内部焊接有加劲肋；在加劲肋至封口端板长度区间内，金属杆主体的截面形状为矩形。
11.外金属管的主体为矩形钢管，一端有主连接端头和主连接端板，另一端为开口状态，在矩形钢管至少两个相对的外表面设有主加劲板。
12.内金属杆的金属杆主体的截面尺寸略小于外金属管的矩形钢管的内部空腔截面尺寸，金属杆主体有封口端板的一端插入外金属管内部。
13.备用拉杆-碟簧系统包括端头、螺母、碟簧、套管、刚性拉杆；备用拉杆-碟簧系统穿过封口端板与主连接端板通过螺母进行连接并施加一定的预紧力。另外，端头为矩形，其外围尺寸比金属杆主体内部空腔尺寸小，比碟簧的直径大；套管的外径比碟簧的外径小；碟簧的外径比封口端板开设的圆孔外径大。
14.外置金属消能器两端通过连接螺母与次加劲板、主加劲板进行连接。为保证外置金属消能器震后快速拆卸置换，次加劲板、主加劲板至少有一个开设u形缺口。
15.本发明适用于隅撑-支撑框架体系，其工作原理及可实现的有益效果是：
16.外置金属消能器是本发明的主要耗能构件，其承载力小，可以在小震作用下即进行耗能。此外，次加劲板、主加劲板至少有一个开设u形缺口的构造措施保证了外置金属消能器方便拆卸，进一步，结构的震后修复非常方便。
17.进一步，当结构在地震作用下发生形变使得隅撑受力时，内金属杆相对于外金属管发生相对运动，由于本技术方案中备用拉杆-碟簧系统的套管为外金属管和内金属管的相对变形提供了自由空间，这一空间的大小即为套管的长度。因此，当隅撑的变形始终处于这一自由空间内时，备用拉杆-碟簧系统不受力，隅撑所受外荷载直接传递到外置金属消能器，使得隅撑具备外置金属消能器的消能能力。由于套管的长度有限，因此在结构承受强烈地震作用时，当内金属杆相对于外金属管的变形超出这一自由空间时，封口端板与碟簧发生接触，碟簧受力承压并发生压缩变形，备用拉杆-碟簧系统开始承担部分外力荷载，由内金属杆、备用拉杆-碟簧系统、主连接端板组成的第二道受力机制形成。由于第二道受力机制的刚度与承载力较大，隅撑变形得到控制，有效保护了外置金属消能器，同时由于隅撑的承载力和刚度得到提升，可以抑制结构薄弱层的出现，提升结构的抗倒塌能力。
18.结构在地震作用下发生强烈形变使得隅撑的变形控制机制开始工作，隅撑受拉时，备用拉杆-碟簧系统的刚性拉杆作为传力组件承受拉力；隅撑受压时，刚性拉杆不承受外部荷载；通过调节套管两侧碟簧的数量可以使得隅撑在变形控制阶段获得近似相同的受拉与受压刚度。
附图说明
19.图1为实施例碟簧并联金属消能器的变形受控隅撑的正视图；
20.图2为实施例碟簧并联金属消能器的变形受控隅撑的俯视图；
21.图3为实施例提供的内金属杆正视图；
22.图4为实施例提供的外金属管正视图；
23.图5为实施例提供的外置金属消能器及其连接示意图；
24.图6为实施例提供的备用拉杆-碟簧系统；
25.图7(a)是实施例提供的带u形缺口的次加劲板；
26.图7(b)是实施例提供的带圆孔的主加劲板；
27.图8(a)是实施例侧视图；
28.图8(b)是实施例提供的内金属杆侧视图；
29.图9是实施例提供本发明变形受控隅撑产品及其典型应用场景示意图；
30.图10是实施例的工作原理示意图；
31.图11是实施例的力位移曲线示意图
32.图中：1内金属杆；11金属杆主体；12次连接端头；13次连接端板；14次加劲板；141 次加劲板纵向板；142次加劲板横向板；143u形缺口；15封口端板；16加劲肋；
33.2外金属管；21矩形钢管；22主连接端头；23主连接端板；24主加劲板；241主加劲板纵向板；242主加劲板横向板；243圆形缺口；
34.3外置金属消能器；31内消能杆；32外约束套管；33间隙填充管；34连接螺母；
35.4备用拉杆-碟簧系统；41端头；42螺母；43碟簧；44套管；45刚性拉杆；
36.5框架梁；
37.6框架柱。
具体实施方式
38.以下结合实施例和附图对本发明技术方案做进一步说明。
39.如图1和图2所示，本发明的一种碟簧并联金属消能器的变形受控隅撑，包括内金属杆 1、外金属管2、外置金属消能器3、及备用拉杆-碟簧系统4。内金属杆1插入外金属管2 内部，内部空间通过备用拉杆-碟簧系统4相连接，内金属杆1与外金属管2在上下两个对立外表面通过外置金属消能器3进行连接。
40.如图3所示，内金属杆1由金属杆主体11、次连接端头12、次连接端板13、封口端板 15、加劲肋16组成；优选的，金属杆主体11为一矩形截面空钢管，在一端焊接有次连接端头12和次连接端板13，在另一端焊接有封口端板15，在上下两个对立外表面焊接有次加劲板14，并在内部相同位置焊接加劲肋16。
41.如图4所示，外金属管2为矩形钢管21制成，一端焊接有主连接端头22和主连接端板 23，另一端为开口状态，在矩形钢管21上下两个相对的外表面焊接有主加劲板24。
42.如图5所示，外置金属消能器3包括内消能杆31、外约束套管32和间隙填充管33，内消能杆31外包裹间隙填充管33后穿过外约束套管32。内消能杆31中间进行削弱，两端进行攻丝；优选的，内消能杆31由低屈服点钢棒制成。进一步，外置金属消能器3两端通过连接螺母34与次加劲板14、主加劲板24进行连接，为方便进行拆卸，次加劲板14和主加劲板24至少
一个上开设u形缺口。实施例提供的次加劲板14如图7-a所示，包括次加劲板纵向板141、次加劲板横向板142，次加劲板横向板142上开设u形缺口143。实施例提供的主加劲板24如图7-b所示，包括主加劲板纵向板241、主加劲板横向板242，主加劲板横向板242上开设圆形缺口243。
43.如图6所示，备用拉杆-碟簧系统4由端头41、螺母42、碟簧43、套管44、刚性拉杆 45构成。为保证工作可靠性，端头41为矩形，其外围尺寸比金属杆主体11内部空腔尺寸小，比碟簧43的直径大，套管44的外径比碟簧43的外径小；碟簧43的外径比封口端板 15开设的圆孔外径大。这使得备用拉杆-碟簧系统4能够相对于金属杆主体11进行运动，同时封口端板15能够锁住位于金属杆主体11内部空腔的碟簧43。结合图1、图3、图4、图 6，备用拉杆-碟簧系统4在隅撑中的组装步骤为：
44.1.刚性拉杆45与端头41焊接；
45.2.刚性拉杆45首先串入部分碟簧43及套管44、封口端板15，然后将刚性拉杆45置入金属杆主体11空腔内，并将封口端板15与金属杆主体11进行焊接，保证部分刚性拉杆 45露出封口端板15外侧。
46.3.刚性拉杆45露出封口端板15外侧部分再串入剩余碟簧43，然后将内金属杆1插入外金属管2内部并对准孔位，使得刚性拉杆45穿过主连接端板23，最后拧紧
47.螺母42。
48.进一步，为了保证外置金属消能器3工作性能的可靠性及疲劳性能，外置金属消能器3 长度与本发明隅撑整体长度的比值大于1:3。
49.本发明在建筑中的典型应用方式如图9所示，其用于连接框架梁5及框架柱6。在地震作用下，框架主体结构的变形会引起隅撑的变形，根据不同的受力模式，本发明有不同的力学响应，其工作机理如图10所示，具体而言：
50.当结构在地震作用下发生形变使得隅撑受力时，内金属杆1相对于外金属管2发生相对运动，隅撑受拉如图10-c所示，隅撑受压如图10-a所示。由于本技术方案中备用拉杆-碟簧系统4的具备套管44为外金属管和内金属管的相对变形提供了自由空间，这一空间的大小即为套管44的长度。因此，当隅撑的变形始终处于这一自由空间内时，也即拉伸位移不超过y1，压缩位移不超过y2(见图10)，封口端板15与碟簧43不发生接触，备用拉杆-碟簧系统4不受力，隅撑所受外荷载直接传递到外置金属消能器3，使得隅撑具备外置金属消能器3的消能能力。这一阶段隅撑的力位移曲线见图11中拉伸位移不超过y1，压缩位移不超过y2时的部分。同时，由于套管44的长度有限，因此在结构承受强烈地震作用时，当内金属杆1相对于外金属管2的变形超出这一自由空间时，封口端板15与碟簧43发生接触，碟簧43开始受力承压并在压力作用下发生弹性压缩变形，进而备用拉杆-碟簧系统4开始承担部分外力荷载，由内金属杆1、备用拉杆-碟簧系统4、主连接端板23组成的第二道受力机制形成。由于第二道受力机制的刚度与承载力较大，隅撑变形得到控制，有效保护了外置金属消能器3，同时由于隅撑的承载力和刚度得到提升，可以抑制结构薄弱层的出现，提升结构的抗倒塌能力。这一阶段隅撑的受拉与受压性能分别见图11-a中位移超过y1，图11-b中超过y2时的部分。