[发明专利]一种内设挡板式钢管工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件

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工字形、外约束套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

本发明提出一种变截面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外约束钢管的限位槽相嵌合，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工字形内缩式变截面内芯防屈曲限位耗能支撑构件，由工字形钢芯和外约束钢管组成，工字形钢芯位于外约束钢管内部，外约束钢管与工字形钢芯形成的两个长方形区域内填充两个长方形薄壁型钢钢管混凝土，其特征在于，所述工字形钢芯从两端到中间依次为连接段a、截面缩小段b以及非变截面段c，非变截面段c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2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形截面挡板的翼缘焊接在外约束钢管的外表面，腹板垂直插入限位槽，工字形钢芯截面缩小段b两端以60°坡角缩小，T形截面挡板插入限位槽的腹板与截面缩小段的工字形钢芯端部平行，即同样具有60°坡角。T形截面挡板插入限位槽腹板的轴向截面为梯形，且与工字形钢芯截面内缩处留有空隙。

所述外约束钢管的边长大于工字形钢芯非变截面段宽度，外约束钢管、工字形钢芯及长方形薄壁型钢钢管混凝土之间的缝隙设置无粘结材料层。限位槽位于距离外约束钢管端部1/12长度e处，开槽长度d为1/6外约束钢管的长度，同时也是T形双角钢挡板的长度。所设焊接双角钢T形挡板由限位槽外侧插入槽孔并且焊接在外钢管上。插入槽孔的T形挡板腹板的纵向两端分别以60°的坡角缩小，由此T形挡板的纵向截面为梯形。所述芯材为内缩式变截面芯材，于设置挡板处以60°的坡角局部缩小截面，由此双角钢焊接T形挡板内缩截面与工字形钢芯内缩截面相互平行，T形截面挡板插入限位槽的腹板与工字形钢芯截面内缩处留有一定缝隙。

所述工字形钢芯由屈服工作段、截面局部缩小段、连接段组成，截面局部缩小处b对应外约束钢管的限位槽位置，且纵向长度应大于焊接T形挡板的纵向长度，考虑包括钢芯屈服时的受拉、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。防屈曲支撑受力时，钢芯首先耗能屈服，钢芯屈服变形受到外钢管的内置挡板限制时，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。

所述外约束钢管截面形式可以是方形、圆形。

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。