一种纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑

摘要

本发明公开了一种纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑，包括工字钢、位于工字钢的腹板两侧的两个内约束矩形管、套在工字钢和两个内约束矩形管外的外约束矩形管、设置在工字钢两端的两块端板、连接两块端板的纤维拉杆、与端板连接的连接部件；工字钢一边的内壁与内约束矩形管的一端连接，另一边的外壁与外约束矩形管的一端连接，工字钢的腹板上设置有阵列排列的小孔，端板上设置有与工字钢截面相匹配的缺口，端板插入工字钢耗能单元端部并与内约束矩形管和外约束矩形管的端部接触，所述纤维拉杆位于内约束矩形管中，并施加有预应力将两端的端板拉紧，在两块端板的外侧均连接有连接部件。

权利要求

1.一种纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑，其特征在于，该支撑包括工字钢耗能单元（1）、位于所述工字钢耗能单元（1）的腹板两侧的两个内约束矩形管（2）、套在工字钢耗能单元（1）和两个内约束矩形管（2）外的外约束矩形管（3）、设置在工字钢耗能单元（1）两端的两块端板（5）、连接所述两块端板（5）的纤维拉杆（4）、与端板（5）连接的连接部件（6）；

所述工字钢耗能单元（1）一边的内壁与内约束矩形管（2）的一端连接，另一边的外壁与外约束矩形管（3）的一端固定连接，工字钢耗能单元（1）的腹板上设置有阵列排列的小孔（12），端板（5）与内约束矩形管（2）和外约束矩形管（3）的端部接触，所述纤维拉杆（4）位于内约束矩形管（2）中，并施加有预应力将两端的端板（5）拉紧，在所述两块端板（5）的外侧均连接有连接部件（6）。

2.根据权利要求1所述的一种纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑，其特征在于，所述端板（5）上设置有与工字钢耗能单元（1）截面相匹配的缺口（51），端板（5）插入工字钢耗能单元（1）端部。

说明书

一种纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑

技术领域

[0001] 本发明属于土木工程领域，涉及一种用于在多遇地震和罕遇地震下耗能减震的纤维预拉杆式自定心屈曲工字型钢约束支撑。

背景技术

[0002] 地震给人类带来极其严重的灾难。传统的抗震设计采用的是延性设计方法，即在地震作用下，通过结构的部分构件的提前屈服和破坏，但整体不至于丧失功能，依靠构件的塑性变形来耗散大部分的地震能量，达到主体结构的安全目的。其中，屈曲约束支撑由于具有耗能能力强、减震效果好和震后易更换等优点，在近年来得到广泛的应用。

[0003] 工字型钢是传统屈曲约束支撑的主要形式之一，其主要组成部分包括：型钢耗能单元、屈曲约束机构（内约束矩形管和外约束矩形管）以及减少摩擦阻力的单元。屈曲约束支撑在小震和设计风荷载作用下，始终处在全构件的弹性变形阶段，对于原结构提供足够的刚度和强度，作为结构的抗侧支撑。在中震和大震作用下，屈曲约束支撑的型钢耗能单元会进入屈服阶段，但由于屈曲约束机构的作用而不会出现屈曲，从而通过塑性变形耗散地震能量，减少主体结构的地震影响，保证主体的安全性。

[0004] 然而，传统型钢屈曲约束支撑虽然能够有效减小结构在地震过程中的最大位移，但由于型钢耗能单元屈服后刚度较低，在卸载后无法回到初始位置，使得型钢屈曲支撑约束结构体系在强震后易于产生较大的残余变形，其平均残余层间变形可达最大层间位移的40%~60%。过大的残余变形为震后的结构修复增加了困难，亦会大幅增加震后修复的成本，甚至导致结构最终不得不拆除重建。

[0005] 针对传统型钢屈曲约束支撑的上述问题，本发明提出了一种利用玄武岩纤维预拉杆体系来实现型钢屈曲约束支撑自定心功能的装置和技术，以有效减小屈曲约束支撑及其结构体系的震后残余变形。

发明内容

[0006] 技术问题：本发明针对已有屈曲约束支撑体系残余变形过大的缺陷，提供一种有效减小屈曲约束支撑体系的残余变形，大幅提升工程结构震后可修复性的纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑。

[0007] 技术方案：本发明的纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑，包括工字钢耗能单元、位于工字钢耗能单元的腹板两侧的两个内约束矩形管、套在工字钢耗能单元和两个内约束矩形管外的外约束矩形管、设置在工字钢耗能单元两端的两块端板、连接两块端板的纤维拉杆、与端板连接的连接部件；工字钢耗能单元一边的内壁与内约束矩形管的一端连接，另一边的外壁与外约束矩形管的一端连接，工字钢耗能单元的腹板上设置有阵列排列的小孔，端板与内约束矩形管和外约束矩形管的端部接触，所述纤维拉杆位于内约束矩形管中，并施加有预应力将两端的端板拉紧，在两块端板的外侧均连接有连接部件。

[0008] 本发明中，端板上设置有与工字钢耗能单元截面相匹配的缺口，端板插入工字钢耗能单元端部。

[0009] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

[0010] （1）本技术方案能够有效控制型钢屈曲约束支撑结构的残余变形。当承受强烈地震作用时，结构将产生较大的层间位移，致使型钢屈曲约束支撑的型钢耗能单元产生较大的轴向力。当型钢耗能单元进入屈服耗能后，累积产生的塑性变形将无法自动恢复。而玄武岩纤维拉杆式自定心系统将为型钢屈曲约束支撑提供稳定持续的弹性恢复力，使屈曲约束支撑在屈服并产生较大塑性变形后，仍然能够强迫其回归初始位置，在最大程度上减小甚至消除型钢屈曲约束支撑结构体系的残余变形，从而大幅减小结构震后修复的成本与难度。

[0011] （2）本技术方案能够确保型钢支撑在拉压往复受力状态下始终保持自定心功能。由于在地震作用过程中，结构将会产生往复的层间变形，型钢屈曲约束支撑的型钢耗能单元的受力也是拉、压往复交替的过程，所产生的塑性变形同样也是拉、压往复变化。本技术方案设计的玄武岩纤维拉杆式自定心系统能够在支撑受拉和受压状态下均产生恢复力：支撑受拉时，内约束管向左推左端端板，外约束管向右推右端端板，纤维预拉杆部件相对伸长，产生阻碍型钢耗能单元变形的弹性力，有将支撑拉回初始状态的趋势，实现自定心功能；当支撑受压时，内约束管向右推右端端板，外约束管向左推左端端板，纤维拉杆仍然相对伸长，产生阻碍型钢耗能单元变形的弹性力，有将支撑拉回初始状态的趋势，同样实现自定心功能。因此，本技术方案确保了型钢支撑在拉压往复受力状态下始终能够保持自定心功能。

[0012] （3）本技术方案为结构的抗震保护提供了两重防线。当结构承受强烈地震作用时，型钢屈曲约束支撑的型钢耗能单元进入屈服耗能，结构的振动响应得到衰减，构成了第一重保护防线；然而随着地震输入的能量不断增加，型钢耗能单元的累积塑性变形亦不断增大，达到一定程度时将会产生断裂而退出工作，此时玄武岩纤维拉杆由于具有高强度、低弹模和高延伸率的特征，而能够与内、外约束管及锚固端板仍然形成正常工作的自定心系统并实现复位功能（第二重保护防线），从而为结构提供一定的抗侧刚度，防止结构因核心耗能部件的断裂而倒塌，并充分控制结构因型钢耗能单元而产生过大的残余变形。

[0013] （4）本技术方案为结构的震中和震后全过程损伤控制设计提供了有效方法。传统的抗震设计仅涉及结构在地震过程中的最大位移控制，但对结构的震后损伤控制缺乏有效的设计方法。本技术方案可通过调节三个关键构造参数（型钢耗能单元刚度、玄武岩纤维预拉杆刚度、纤维拉杆预张力），简便有效地实现震中及震后的全过程损伤控制，其中：型钢耗能单元刚度决定了支撑过程中耗散的能量，主要影响结构在地震过程中的最大位移；玄武岩纤维预拉杆刚度一方面能够减小结构在地震过程中的最大位移，另一方面决定了支撑在地震过程中的弹性恢复力大小；纤维拉杆预张力则直接影响支撑震后的残余变形大小。

[0014] （6）本技术方案制作简便、重量轻、经济高效。本技术方案将利用两个内约束矩形管和一个外约束矩形管作为实现支撑拉压变形时的推杆，在此基础上引入玄武岩纤维预拉杆及其锚固端板与内、外约束管形成自定心体系，加工制作简便，且仅通过较小的附加重量实现支撑的自复位功能。同时，玄武岩纤维是我国具有自主知识产权和研发生产能力的一种高性能纤维材料，与碳纤维、玻璃纤维等材料相比，价格相对较为低廉，且其高强度、低弹模和高延伸率的力学性能能够满足自定心系统的需求，因此仅通过附加较小的成本能够进行纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑的设计制作。

[0015] （6）本技术方案为型钢普通支撑结构体系的抗震加固改造提供有效方案。目前，国内大量的既有建筑结构都采用了工字型钢普通支撑，其耗能能力较差且不具备自定心功能。利用本技术方案，可以在既有的型钢支撑结构中方便地引入内、外约束管和纤维预拉杆及其锚固端板，从而改造成具有自定心功能和良好耗能能力的自定心屈曲约束支撑，实现提升既有结构体系抗震能力的目的。

[0016] （7）利用具有高强度、低弹性模量和高延伸率的玄武岩纤维拉杆与工字型钢管屈曲约束支撑的内外约束部件形成自定心系统，使屈曲约束支撑在受压（拉）塑性变形状态甚至断裂状态下，玄武岩纤维拉杆始终保持在弹性受拉状态，为支撑及结构提供稳定的自定心恢复力，使结构体系能够在地震卸载后最大程度地回归至初始位置，从而有效减小屈曲约束支撑体系的残余变形，大幅提升工程结构的震后可修复性。

附图说明

[0017] 图1为本发明装置的正视图；

[0018] 图2为图1的纵向剖面图；

[0019] 图3为图1的纵向剖面图；

[0020] 图4为图2的A-A剖面图；

[0021] 图5为图2的B-B剖面图；

[0022] 图6为图2的C-C剖面图；

[0023] 图7为型钢耗能单元的立面图；

[0024] 图8为本发明的原位示意图；

[0025] 图9为本发明的受拉状态示意图；

[0026] 图10为本发明的受压状态示意图。

[0027] 图中有：工字钢耗能单元1、小孔12、内约束矩形管2、外约束矩形管3、纤维拉杆4、端板5、缺口51、连接部件6、端板锚固体系7，焊缝8

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

[0029] 如图1~图9所示，本发明的纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑包括工字钢耗能单元1、位于工字钢耗能单元1的腹板两侧的两个内约束矩形管2、套在工字钢耗能单元1和两个内约束矩形管2外的外约束矩形管3、设置在工字钢耗能单元1两端的两块端板5、连接两块端板5的纤维拉杆4、与端板5连接的连接部件6；工字钢耗能单元1一边的内壁与内约束矩形管2的一端连接，另一边的外壁与外约束矩形管3的一端连接，工字钢耗能单元1的腹板上设置有阵列排列的小孔12，端板5上设置有与工字钢截面相匹配的缺口51，端板5插入工字钢耗能单元1端部并与内约束矩形管2和外约束矩形管3的端部接触，所述纤维拉杆4位于内约束矩形管2中，并施加有预应力将两端的端板5拉紧，在两块端板5的外侧均连接有连接部件6。

[0030] 工字钢耗能单元1位于外约束矩形管3和内约束矩形管2之间，由屈服强度较低、延性较好的钢材组成，通过在工字钢耗能单元腹板开缝（见图7）来相对加强未约束端部截面，确保端部截面在整个受力过程中处于弹性受力状态。屈曲约束机构由外约束矩形管3和内约束矩形管2组成，外约束矩形管3的右端与工字钢耗能单元1在右侧锚固端板位置通过焊接连接，当然也可通过其他方式连接，并与支撑右侧连接部件的相对位置保持固定；内约束矩形管2的左端与工字钢耗能单元1在左侧锚固端板位置通过焊接连接，同样的也可通过其他方式连接，并与支撑左侧连接部件的相对位置保持固定。屈曲约束机构有两个功能：其一为约束工字钢耗能单元1沿着径向的多波屈曲和局部屈曲，发挥稳定的滞回耗能性能，其二是与纤维拉杆4和端板锚固体系7共同构成自定心系统，实现支撑在拉、压往复变形过程中的自定心功能。纤维拉杆4的材料为玄武岩纤维，对其施加较小的初始预应力使其锚固在外约束矩形管3和内约束矩形管2外侧的两块端板5上（见图2）。为确保支撑在受拉和受压时内外约束矩形管均能与端板分离从而使玄武岩纤维拉杆能够伸长，屈曲约束机构的内、外约束矩形管管与锚固端板之间不进行焊接，仅靠纤维拉杆的预压力使其保持初始紧密接触。锚固端板均设有工字形孔槽（见图5），工字钢耗能单元1的左右两端穿过锚固端板的工字形孔槽，后端分别连接有连接部件6，用以安装固定在主体结构上。

[0031] 本发明的纤维预拉杆式自定心型钢屈曲约束支撑的工作机制如图8~10所示，由于对纤维拉杆施加初始预应力，在初始状态下，端板紧贴在外约束矩形管3和内约束矩形管2两端。当支撑受拉时，核心耗能部件伸长（左端产生向左的位移趋势，右端产生向右的位移趋势），外约束矩形管3则由于与工字钢耗能单元1右侧焊接相连，因此随核心耗能部件右端一起向右运动顶推右端端板；内约束矩形管2由于其左端与工字钢耗能单元1左侧焊接相连，因此随核心耗能部件左端一起向左运动顶推左端端板；而外约束矩形管3的左端与左侧端板、内约束矩形管2的右端与右侧端板之间则可以相互脱离，从而使纤维拉杆4相对伸长，产生阻碍工字钢耗能单元1变形的弹性力，有将支撑拉回初始状态的趋势，实现自定心功能。当支撑受压时，类似地，外约束矩形管3向左推左端端板，内约束矩形管2向右推右端端板，，纤维拉杆4仍然相对伸长，产生阻碍工字钢耗能单元1变形的弹性力，同样可实现自定心功能。

[0032] 本技术发明的安装工序为：将工字钢耗能单元1腹板开缝→将内约束矩形管2定位于工字钢耗能单元1腹板两侧，并焊接在工字钢耗能单元1腹板和上下翼缘内壁→将外约束矩形管3定位于工字钢耗能单元1的外侧，并焊接在工字钢耗能单元1上下翼缘的外壁→将左、右锚固端板5通过孔槽穿过工字钢耗能单元1定位于屈曲约束机构两端→将纤维拉杆4穿过内约束矩形管2，施加预应力将其利用端部锚固体系7锚固在两端的端板5上→将连接部件6与工字钢耗能单元1进行焊接连接。