專利名稱：鉸式連接防屈曲支撐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種建筑用鉸式連接防屈曲支撐，屬于土木工程 結(jié)構(gòu)消能減震領(lǐng)域。
技術(shù)背景在土木工程框架結(jié)構(gòu)體系中增設(shè)一定數(shù)量的支撐可解決結(jié)構(gòu)抗 側(cè)剛度不足問(wèn)題。但在遭遇較強(qiáng)烈地震時(shí)，結(jié)構(gòu)承受反復(fù)地震作用， 普通支撐易發(fā)生受壓屈曲現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)抵抗地震能力下降、材料利 用率降低。防屈曲支撐可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)重要節(jié)點(diǎn)之間代替普通支撐使 用，抑制或防止出現(xiàn)受壓屈曲現(xiàn)象，可同時(shí)達(dá)到增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、 消耗地震能量、提高抗震能力、有效利用材料的效果。防屈曲支撐是 一種消能減震構(gòu)件，滯回曲線飽滿。在地震發(fā)生時(shí)，消能減震效果優(yōu) 異。若經(jīng)大震損壞可更換，且不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。防屈曲支撐在美、日兩國(guó)以及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)已有應(yīng)用。所用的防 屈曲支撐與框架節(jié)點(diǎn)板的連接多采用剛接形式，包括節(jié)點(diǎn)板和支撐連 接段的全螺栓連接、節(jié)點(diǎn)板螺栓連接、連接段焊接的半焊接螺栓連接 等。其中一種比較典型的剛式連接防屈曲支撐的結(jié)構(gòu)及其連接示意 圖，如圖1所示。該連接方式為節(jié)點(diǎn)板和支撐連接段的全螺栓連接。包括鋼芯1、涂于鋼芯1表面的隔膜層9、包裹著鋼芯1的鋼管2、 鋼管2內(nèi)填砂漿或混凝土 8。通過(guò)連接板12將防屈曲支撐與梁柱節(jié) 點(diǎn)處伸出的十字形節(jié)點(diǎn)板13連接在一起，并用螺栓連接固定。 所述剛式連接防屈曲支撐具有以下缺點(diǎn)1、 防屈曲支撐理論上是軸心受力構(gòu)件，由于制造與安裝誤差， 剛接連接幾何對(duì)中難度大，對(duì)節(jié)點(diǎn)易形成附加彎矩、扭矩。這些附加 內(nèi)力在設(shè)計(jì)時(shí)難以估計(jì)，既可能會(huì)將節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給防屈曲支撐， 影響其承載力，也因此會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的附加彎矩，削弱結(jié)構(gòu)抗震可靠性。2、 剛式連接往往造成連接段過(guò)長(zhǎng)，工作段相對(duì)較短。 一方面增 加了材料用量，另一方面在大延性需求情況下，難以滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè) 計(jì)需求。3、 連接部件及零件較多，安裝工藝相對(duì)復(fù)雜，安裝操作耗時(shí)較多。美國(guó)Star Seismic, Associated Bracing, Inc.， CoreBrace公司生產(chǎn) 的產(chǎn)品中有鉸接連接的形式，但內(nèi)部構(gòu)造及技術(shù)參數(shù)尚處于保密階 段。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提出了一種鉸式連接防屈曲支撐構(gòu)造，在保證提供側(cè) 移剛度滿足正常工作需求以及消能減震的前提條件下，實(shí)現(xiàn)支撐與主 體結(jié)構(gòu)的鉸接。為了實(shí)現(xiàn)上述效果，本實(shí)用新型的實(shí)際方案如下。鉸式連接防屈 曲支撐，由鋼芯、涂于鋼芯表面的隔膜層、包裹著鋼芯的鋼管、，鋼管 內(nèi)填砂漿或混凝土，以及位于鋼芯中間的限位卡組成。在鋼芯的兩端 分別焊接兩塊平行的焊接連接鋼板，并在焊接連接鋼板上預(yù)留鉸 L， 利用鉸軸將焊接連接鋼板與梁柱節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行連接。本實(shí)用新型中的鋼芯釆用一字形或十字形截面形式。鋼芯可以在設(shè)計(jì)控制位移下屈服耗能，而不發(fā)生屈曲失穩(wěn)。在鋼芯表面上涂刷隔 膜層，由硅膠材料制成，其厚度由設(shè)計(jì)確定，其目的是使鋼芯可以在 約束單元中自由伸縮變形，并且減少鋼芯與約束單元間的摩擦，獲得 優(yōu)秀的滯回耗能性能。在鋼芯的工作段設(shè)置屈曲約束單元，屈曲約束 單元由鋼管及內(nèi)填砂漿或混凝土組成，鋼管多為方形或圓形鋼管。由 于鋼芯和約束單元之間存在間隙，為了防止鋼芯與約束單元之間發(fā)生 任意錯(cuò)動(dòng)， 一般要在鋼芯中間位置設(shè)置限位卡。在鋼芯兩端的連接段的上下兩側(cè)，分別焊接兩塊平行的連接鋼 板，并在焊接連接鋼板的端部設(shè)置鉸孔，通過(guò)鉸軸將焊接連接鋼板與 梁柱節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行鉸式連接。焊接連接鋼板鉸孔處強(qiáng)度不足時(shí)，可在焊接連接鋼板的鉸孔處加 焊環(huán)形鋼圈，增加連接鋼板鉸軸處截面強(qiáng)度，相應(yīng)減小鉸軸設(shè)計(jì)尺寸。梁柱節(jié)點(diǎn)板上鉸孔處也可加焊環(huán)形鋼圈，增強(qiáng)截面抗擠壓能力， 同時(shí)可實(shí)現(xiàn)不同厚度的鋼芯與節(jié)點(diǎn)板連接。當(dāng)設(shè)計(jì)焊接連接鋼板長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，為了防止其發(fā)生平面外的失 穩(wěn)，可以在焊接連接鋼板端部設(shè)置加強(qiáng)板。與現(xiàn)有剛式連接防屈曲支撐技術(shù)相比，本實(shí)用新型傳力明確，大 大減小在主體結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上可能出現(xiàn)的附加彎矩及其引起的次應(yīng)力，使 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符，增加了主體結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)及抗震可靠性；連接段縮短，增加了工作段長(zhǎng)度，可提高結(jié)構(gòu)的延性及抗震能力；簡(jiǎn)化連接構(gòu)造，節(jié)約連接材料，提高安裝效率。靜力反復(fù)荷載下抗震 試驗(yàn)已經(jīng)證明，鉸式連接防屈曲支撐受力可靠、耗能穩(wěn)定、軸力-軸向變形滯回曲線飽滿。
圖l為剛式連接防屈曲支撐結(jié)構(gòu)及連接示意圖1、鋼芯，2、鋼管，8、砂漿或混凝土， 9、隔膜層，12、連接板，13、十字形節(jié)點(diǎn)板； 圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖1、鋼芯，2、鋼管，3、焊接連接鋼板，4、環(huán)形鋼圈，5、加強(qiáng)板，6、鉸軸，7、限位卡，8、砂漿或混凝土， 9、隔膜層圖3、圖4、圖5分別為圖2在A-A、 B-B、 C-C處剖面圖10、梁柱節(jié)點(diǎn)板；圖6為本實(shí)用新型鉸孔處的環(huán)形鋼圈加強(qiáng)俯視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本實(shí)用新型鉸孔處的環(huán)形鋼圈加強(qiáng)側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為本實(shí)用新型限位卡設(shè)計(jì)圖；圖9為本實(shí)用新型實(shí)際應(yīng)用時(shí)的安裝示意圖11、節(jié)點(diǎn)板加勁板。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，圖3、圖4、圖5分別為 圖2在A-A、 B-B、 C-C處剖面圖。本實(shí)用新型主要由鋼芯1、涂于 鋼芯1表面的隔膜層9、包裹著鋼芯1的鋼管2、填充于鋼管2內(nèi)部 的砂漿或混凝土 8，以及位于鋼芯1中間位置的限位卡7組成。所述 防屈曲支撐的鋼芯1選用十字形鋼板截面的形式，鋼管2選用方形鋼 管，如圖4所示。隔膜層選用硅膠材料。在鋼芯1的兩端分別焊接兩塊設(shè)有鉸孔的焊接連接鋼板3，在焊接連接鋼板3的鉸孔處加焊可增加鉸孔處截面強(qiáng)度的環(huán)形鋼圈4-1，為防止焊接連接鋼板3平面外失穩(wěn)，在其端部設(shè)置加強(qiáng)板5，利用鉸 軸6將焊接連接鋼板3連接到梁柱節(jié)點(diǎn)板10上。本實(shí)用新型連接處的設(shè)計(jì)思路及方法(1) 焊接連接鋼板3與鋼芯1連接處的焊縫設(shè)計(jì) 焊接連接鋼板3與鋼芯1端部連接采用三面圍焊。根據(jù)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017—2003)焊縫設(shè)計(jì)如下確定端焊縫的焊接長(zhǎng)度^，滿足下式其中，6為支撐鋼芯1截面設(shè)計(jì)寬度，^為焊腳尺寸。 端焊縫的強(qiáng)度計(jì)算公式為w3 = Ax!> w3/7 (2)其中，A為正面角焊縫強(qiáng)度的增大系數(shù)，端焊縫&=1.22， ^為 角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。斜焊縫的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)wl " / ,xS0.7 ,/ (3 )其中，A為正面角焊縫強(qiáng)度的增大系數(shù)，側(cè)焊縫^=1.0， ^為角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，w為防壓曲支撐設(shè)計(jì)承載力。(2) 初步擬定焊接連接鋼板3的厚度C進(jìn)行鉸軸設(shè)計(jì)圓柱形鉸軸其承壓應(yīng)力應(yīng)該按下式計(jì)算其中，7V為防壓曲支撐設(shè)計(jì)承載力，"為鉸軸直徑，/為鉸軸6 縱向接觸面長(zhǎng)度(不焊接環(huán)形鋼圈時(shí)取2z')， /為鋼材的屈服應(yīng)力。(3) 按鉸孔處凈截面受拉承載力確定焊接連接鋼板3的寬度6'"' (5) 其中，^為防壓曲支撐設(shè)計(jì)承載力，"為鉸軸直徑， 〃為焊接連接鋼板3的厚度，/為鋼材的屈服應(yīng)力。(4) 根據(jù)穩(wěn)定條件初步確定焊接連接鋼板3長(zhǎng)度Z'H ^ (6) 其中，W為防壓曲支撐設(shè)計(jì)承載力，6'為焊接連接鋼板3寬度，^為斜焊縫水平投影長(zhǎng)度。(5) 梁柱節(jié)點(diǎn)板10凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算在梁柱節(jié)點(diǎn)板10的鉸孔圓心處沿外力作用方向45度斜線取危險(xiǎn) 截面，驗(yàn)算梁柱節(jié)點(diǎn)板10凈截面強(qiáng)度，使其滿足下式，"" (7) 其中，^為防壓曲支撐設(shè)計(jì)承載力，4為危險(xiǎn)截面凈截面面積，y為鋼材的屈服應(yīng)力。(6) 限位卡7的尺寸設(shè)計(jì)由于鋼芯1和內(nèi)填砂槳或混凝土 8之間存在間隙，為了防止鋼管 2及內(nèi)填砂漿或混凝土 8在安裝或使用過(guò)程中因重力沿鋼芯1產(chǎn)生軸 向滑動(dòng)，在鋼芯l中間位置設(shè)置限位卡7，其形式如圖8所示，尺寸 設(shè)計(jì)參考下式，<formula>formula see original document page 9</formula>(8)h " 2/7其中，6為支撐鋼芯工作段設(shè)計(jì)寬度，^為限位卡處總寬度，"為 限位卡寬度，^為限位卡高，r限位卡過(guò)渡處半徑。設(shè)計(jì)焊接連接鋼板3或梁柱節(jié)點(diǎn)板10不滿足強(qiáng)度要求時(shí)，可以 采取一些加強(qiáng)措施?？稍诤附舆B接鋼板3上焊接環(huán)形鋼圈4-1，增加焊接連接鋼板3 鉸軸6處截面強(qiáng)度，相應(yīng)減小鉸軸6設(shè)計(jì)尺寸。此時(shí)，式(4)中鉸軸縱向接觸面長(zhǎng)度Z取為2 (, + "，其中^為鋼圈厚度?；蛘咴诹褐?jié)點(diǎn)板10上焊接環(huán)形鋼圈4-2，增強(qiáng)抗擠壓能力的同 時(shí)，亦可實(shí)現(xiàn)不同厚度的鋼芯1與梁柱節(jié)點(diǎn)板10連接。以上兩種加強(qiáng)措施可單獨(dú)使用，也可同時(shí)使用。如圖6、圖7為 本實(shí)用新型同時(shí)使用以上兩種加強(qiáng)措施時(shí)的俯視與側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。圖9所示為該實(shí)用新型鉸式連接防屈曲支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)板10連 接的安裝示意圖，由于在鋼芯1端部加焊的焊接連接鋼板3之間留有 一定的間隙，可將焊接連接鋼板3直接夾至梁柱節(jié)點(diǎn)板10上并用鉸 軸連接，從而實(shí)現(xiàn)鉸接形式。為了防止節(jié)點(diǎn)板發(fā)生平面外失穩(wěn)可以在 梁柱節(jié)點(diǎn)板10上增加一組加勁板11，此外鉸軸6外側(cè)應(yīng)加設(shè)拴釘， 以防止滑脫。
權(quán)利要求1、一種鉸式連接防屈曲支撐，包括有鋼芯(1)、涂于鋼芯(1)表面的隔膜層(9)、包裹著鋼芯(1)的鋼管(2)、鋼管(2)內(nèi)填砂漿或混凝土(8)，以及位于鋼芯(1)中間的限位卡(7)，其特征在于在鋼芯(1)的兩端分別焊接兩塊平行的焊接連接鋼板(3)，并在焊接連接鋼板(3)上預(yù)留鉸孔，利用鉸軸(6)將焊接連接鋼板(3)與梁柱節(jié)點(diǎn)板(10)進(jìn)行連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉸式連接防屈曲支撐，其特征在于 可在焊接連接鋼板(3)的鉸孔處加焊環(huán)形鋼圈(4)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉸式連接防屈曲支撐，其特征在于 可在梁柱節(jié)點(diǎn)板(10)的鉸孔處加焊環(huán)形鋼圈(4)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉸式連接防屈曲支撐，其特征在于 可在焊接連接鋼板(3)上加焊防止其平面外失穩(wěn)的加強(qiáng)板(5)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉸式連接防屈曲支撐，其特征在于 所述鋼芯(1)采用扁鋼或焊接成十字形截面形式的鋼板。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉸式連接防屈曲支撐，其特征在于所述的隔膜層(9)，可選用硅膠涂于鋼芯(1)表面。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種建筑用鉸式連接防屈曲支撐，包括鋼芯(1)、隔膜層(9)、包裹著鋼芯(1)的鋼管(2)、鋼管(2)內(nèi)填砂漿或混凝土(8)、以及位于鋼芯(1)中間的限位卡(7)。在鋼芯(1)兩端分別焊接兩塊平行的焊接連接鋼板(3)，并在焊接連接鋼板(3)上預(yù)留鉸孔，利用鉸軸(6)將焊接連接鋼板(3)與梁柱節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行連接。本實(shí)用新型具有傳力明確，減小附加彎矩及次應(yīng)力的特點(diǎn)，可增加主體結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)及抗震可靠性；大大縮短了連接段長(zhǎng)度、構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝效率高；開孔處的局部加強(qiáng)措施可使截面及剛度的設(shè)計(jì)可選范圍加寬，產(chǎn)品規(guī)格品種多樣。
文檔編號(hào)E04B1/98GK201172902SQ20082007870
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者劉丹卉, 王永貴, 高向宇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)