專利名稱：槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種工程結構減震裝置，尤其涉及一種槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，屬于工程結構的消能減震與振動控制技術。
背景技術：
工程結構消能減震技術是在結構物的某些部位設置消能裝置，通過消能裝置產生滯回變形來耗散或吸收地震輸入結構中的能量，以減少主體結構的地震反應，從而避免結構產生破壞或倒塌，達到減震控制的目的。剪切鋼板消能器是一種常見的消能裝置，薄鋼板在面內受剪時容易發生面外屈曲，承載力不穩定，滯回曲線的“捏縮現象”(如圖4、圖5和圖
6所示)嚴重。目前解決剪切鋼板消能器面外屈曲的方案主要有兩種:一是在鋼板上開豎縫或開孔，變整體的剪切變形為縫間立柱的彎曲變形，這樣會削弱鋼板截面，破壞拉力場，導致鋼板承載力和剛度的降低；二是直接在鋼板上焊接十字形或交叉型加勁肋，這樣會產生殘余應力和殘余變形，降低鋼板延性，焊接處成為薄弱部位。所以，需要研發一種新型的防屈曲方案，既能夠有效限制鋼板的面外屈曲，又能避免上述兩種方案的缺點。
發明內容
發明目的:為了克服現有防屈曲方案存在的不足，本發明提供一種設計簡單、加工方便、穩定可靠的槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，實現面內剪切滯回變形，消耗地震動能量。技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，包括核心耗能構件、防屈曲裝置、頂板和底板，所述核心耗能構件為矩形耗能鋼板，所述頂板和底板分別固定連接在矩形耗能鋼板的上下兩端，所述防屈曲裝置包括四塊豎向槽鋼、兩組構成交叉結構的斜向槽鋼、四塊導槽板和加勁肋；所述四塊豎向槽鋼兩兩分成一組分別設置在矩形耗能鋼板的左右兩側、并與矩形耗能鋼板之間存在避讓距離，同一組的兩塊豎向槽鋼分別位于矩形耗能鋼板的前后兩側相對位置、且槽口相背，所述四塊豎向槽鋼的上端與頂板固定；所述兩組構成交叉結構的斜向槽鋼分別設置在矩形耗能鋼板前后兩側、并分別與矩形耗能鋼板的前后兩側面貼合，斜向槽鋼的兩端部分別與位于矩形耗能鋼板同一側的兩塊豎向槽鋼固定；所述四塊導槽板固定在底板上、分別限制四塊豎向槽鋼的下端沿遠離矩形耗能鋼板的前/后方向的移動；所述加勁肋布置在豎向槽鋼和斜向槽鋼的集中力處。核心耗能構件的尺寸參數需根據工程需要和減震要求具體確定，豎向槽鋼、斜向槽鋼、導槽板和加勁肋的尺寸參數需根據受力計算和構造要求具體確定，豎向槽鋼和核心耗能構件之間的避讓距離需根據工程需要具體確定。優選的，還包括聚四氟乙烯隔離層，所述聚四氟乙烯隔離層設置在斜向槽鋼腹板外側表面上；由于聚四氟乙烯隔離層設置在斜向槽鋼腹板外側表面上，因此構成交叉結構的斜向槽鋼就不再直接與矩形耗能鋼板的前后兩側面貼合，而是與聚四氟乙烯隔離層貼合；通過聚四氟乙烯隔離層的設置，能夠減緩核心耗能構件和防屈曲裝置之間的摩擦；聚四氟乙烯隔離層和斜向槽鋼之間可以采用膠粘接。優選的，所述豎向槽鋼和斜向槽鋼之間，斜向槽鋼和斜向槽鋼之間、加勁肋和豎向槽鋼之間、加勁肋和斜向槽鋼之間通過角焊縫連接；所述頂板和矩形耗能鋼板之間、矩形耗能鋼板和底板之間通過全透對接焊連接；所述豎向槽鋼和頂板之間、導槽板和底板之間通過角焊縫連接。該處給出的僅為優選的一種焊接連接方式，根據需要，還可以選擇本案給出連接方式的部分，結合其他連接方式進行組合，以達到更為優選的方式。優選的，所述矩形耗能鋼板為低屈服點鋼；其他部分可以選擇普通鋼。優選的，所述頂板上設置有與建筑物連接用的頂板螺栓孔，所述底板上設置有與建筑物連接用的底板螺栓孔。使用時，頂板通過高強螺栓與梁連接，底板通過高強螺栓與人字型支撐或中間支柱連接，一般消能器不宜與建筑物焊接，通過螺栓連接能夠方便震后對消能器進行檢修和更換。本案提供的槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器為非承重構件，不能夠承擔建筑物結構的重量，在消能器安裝后不改變建筑物主體結構豎向受力體系；本方案提供的消能器既可以用于新建筑物的抗震設計，也可以用于既有建筑物的抗震加固設計。有益效果:本發明提供的槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，能夠避免對核心耗能構件開縫或開洞，防止造成對截面尺寸、承載力和剛度的削弱；避免直接在核心耗能構件上焊接加勁肋，防止產生薄弱部位、降低鋼板延性；通過設置聚四氟乙烯隔離層，消除了槽鋼對核心耗能構件的摩擦影響；通過設置防屈曲裝置，能夠有效限制核心耗能構件的面外變形，提高承載能力，改善滯回性能；通過合理的參數設計，保證地震作用時在設定的層間位移變形下消能器屈服耗能，避免結構破壞，起到保護作用。
圖1為本發明的正視結構示意圖；圖2為本發明的側視結構示意圖；圖3為本發明的俯視結構示意圖；圖4為地震作用下，無防屈曲耗能鋼板的承載力曲線；圖5為地震作用下，無防屈曲耗能鋼板的單調曲線；圖6為地震作用下，無防屈曲耗能鋼板的滯回曲線。圖7為地震作用下，本發明的承載力曲線；圖8為地震作用下，本發明的單調曲線；圖9為地震作用下，本發明的滯回曲線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。如圖1、圖2、圖3所示為一種槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，包括核心耗能構件、防屈曲裝置、頂板6和底板8。所述核心耗能構件為矩形耗能鋼板I所述頂板6和底板8分別固定連接在矩形耗能鋼板I的上下兩端。所述防屈曲裝置包括四塊豎向槽鋼2、兩組構成交叉結構的斜向槽鋼3、四塊導槽板4和加勁肋5 ;所述四塊豎向槽鋼2兩兩分成一組分別設置在矩形耗能鋼板I的左右兩偵U、并與矩形耗能鋼板I之間存在避讓距離，同一組的兩塊豎向槽鋼2分別位于矩形耗能鋼板I的前后兩側相對位置、且槽口相背，所述四塊豎向槽鋼2的上端與頂板6固定；所述兩組構成交叉結構的斜向槽鋼3分別設置在矩形耗能鋼板I前后兩側、并分別在與矩形耗能鋼板I的相對的腹板外側表面上粘貼一層聚四氟乙烯隔離層10，所述兩層聚四氟乙烯隔離層10分別與矩形耗能鋼板I的前后兩側表面貼合，斜向槽鋼3的兩端部分別與位于矩形耗能鋼板I同一側的兩塊豎向槽鋼2固定；所述四塊導槽板4固定在底板8上、分別限制四塊豎向槽鋼2的下端沿遠離矩形耗能鋼板I前/后方向的移動；所述加勁肋5布置在豎向槽鋼2和斜向槽鋼3的集中力處。具體連接方式為:所述豎向槽鋼2和斜向槽鋼3之間，斜向槽鋼3和斜向槽鋼3之間、加勁肋5和豎向槽鋼2之間、加勁肋5和斜向槽鋼3之間通過角焊縫連接；所述頂板6和矩形耗能鋼板I之間、矩形耗能鋼板I和底板8之間通過全透對接焊連接；所述豎向槽鋼2和頂板6之間、導槽板4和底板8之間通過角焊縫連接。所述矩形耗能鋼板I為低屈服點鋼；所述防屈曲裝置、頂板6和底板8為普通鋼。如圖所示，本方案中使用了六塊斜向槽鋼3，分成兩組，交叉成X形；加勁肋5的使用數量為二十個。所述頂板6上設置有與建筑物連接用的頂板螺栓孔7，所述底板8上設置有與建筑物連接用的底板螺栓孔9 ;使用時，頂板6通過高強螺栓與梁連接，底板8通過高強螺栓與人字型支撐或中間支柱連接。當發生地震作用時，結構發生層間位移導致矩形耗能鋼板I發生剪切變形；矩形耗能鋼板I發生剪切變形之后，易于發生面外屈曲，這時防屈曲裝置能夠有效地約束矩形耗能鋼板I的面外變形，矩形耗能鋼板I的受力機制由拉力場機理轉化為面內剪切機理，從而提高消能器的承載力，減輕屈曲的影響，改善滯回性能。如圖7、圖8、圖9所示，通過合理的設置，本案能夠有效地限制矩形耗能鋼板I的面外屈曲變形，提高承載能力，消除滯回曲線的“捏縮現象”，使得曲線變得飽滿，滯回性能得到改善，耗能能力得到加強。采用聚四氟乙烯隔離層10，消除了槽鋼和矩形耗能鋼板I的摩擦影響。本案既避免在矩形耗能鋼板I上開縫或開洞，造成承載力和剛度的削弱，又避免直接在矩形耗能鋼板I上焊接加勁肋，產生殘余應力和殘余變形，因此具有良好的應用前景。上述消能器設計制造流程如下:(I)根據工程需要的性能參數(屈服位移，彈性剛度，屈服力等)設計出矩形耗能鋼板I的尺寸(長度、寬度、厚度);(2)根據工程設定的極限位移設計出頂板6和底板8的尺寸(長度、寬度、厚度)、高強螺栓的相關參數(數量、直徑、性能等級);(3)根據受力計算和構造要求設計出豎向槽鋼2和斜向槽鋼3的相關參數(槽鋼型號、長度);(4)采用膠粘接聚四氟乙烯隔離層10和斜向槽鋼3 ；(5)采用全熔透對接焊連接核心耗能鋼板I和頂板6、底板8。(6)采用角焊縫連接構成交叉結構的六塊槽鋼；(7)采用角焊縫連接構成交叉結構的斜向槽鋼3和豎向槽鋼2 ；
(8)采用角焊縫連接豎向槽鋼2和頂板6 ；(9)采用角焊縫連接導槽板4和底板8，完成槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器的制造；在整個焊接過程中，不應在矩形耗能鋼板I位置進行焊接起弧或落弧等不規范的加工工藝，以免局部熱應力對屈服段性能產生不利影響；同時應注意防火、防腐處理。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，其特征在于:包括核心耗能構件、防屈曲裝置、頂板(6)和底板(8)，所述核心耗能構件為矩形耗能鋼板(1)，所述頂板(6)和底板(8)分別固定連接在矩形耗能鋼板(I)的上下兩端，所述防屈曲裝置包括四塊豎向槽鋼(2)、兩組構成交叉結構的斜向槽鋼(3)、四塊導槽板(4)和加勁肋(5);所述四塊豎向槽鋼(2)兩兩分成一組分別設置在矩形耗能鋼板(I)的左右兩側、并與矩形耗能鋼板(I)之間存在避讓距離，同一組的兩塊豎向槽鋼(2)分別位于矩形耗能鋼板(I)的前后兩側相對位置、且槽口相背，所述四塊豎向槽鋼(2)的上端與頂板(6)固定；所述兩組構成交叉結構的斜向槽鋼(3)分別設置在矩形耗能鋼板(I)前后兩側、并分別與矩形耗能鋼板(I)的前后兩側面貼合，斜向槽鋼(3)的兩端部分別與位于矩形耗能鋼板(I)同一側的兩塊豎向槽鋼(2)固定；所述四塊導槽板(4)固定在底板(8)上、分別限制四塊豎向槽鋼(2)的下端沿遠離矩形耗能鋼板(I)的前/后方向的移動；所述加勁肋(5)布置在豎向槽鋼(2)和斜向槽鋼(3)的集中力處。
2.根據權利要求1所述的槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，其特征在于:還包括聚四氟乙烯隔離層(10)，所述聚四氟乙烯隔離層(10)設置在斜向槽鋼(3)腹板外側表面上。
3.根據權利要求1所述的槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，其特征在于:所述豎向槽鋼(2)和斜向槽鋼(3)之間，斜向槽鋼(3)和斜向槽鋼(3)之間、加勁肋(5)和豎向槽鋼(2)之間、加勁肋(5)和斜向槽鋼(3)之間通過角焊縫連接；所述頂板(6)和矩形耗能鋼板(I)之間、矩形耗能鋼板(I)和底板(8)之間通過全透對接焊連接；所述豎向槽鋼(2)和頂板(6)之間、導槽板(4 )和底板(8 )之間通過角焊縫連接。
4.根據權利要求1所述的槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，其特征在于:所述矩形耗能鋼板(I)為低屈服點鋼。
5.根據權利要求1所述的槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，其特征在于:所述頂板(6)上設置有與建筑物連接用的頂板螺栓孔(7)，所述底板(8)上設置有與建筑物連接用的底板螺栓孔(9)。
6.根據權利要求1所述的槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，其特征在于:所述防屈曲裝置、頂板(6)和底板(8)為普通鋼。
全文摘要
本發明公開了一種槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，包括核心耗能構件、防屈曲裝置、頂板和底板，所述核心耗能構件為矩形耗能鋼板，所述頂板和底板分別固定連接在矩形耗能鋼板的上下兩端，所述防屈曲裝置包括四塊豎向槽鋼、兩組構成交叉結構的斜向槽鋼、四塊導槽板和加勁肋。本發明提供的槽鋼防屈曲剪切鋼板消能器，能夠避免對核心耗能構件開縫或開洞、避免直接在核心耗能構件上焊接加勁肋；通過設置聚四氟乙烯隔離層，消除了槽鋼對核心耗能構件的摩擦影響；通過設置防屈曲裝置，能夠有效限制核心耗能構件的面外變形，提高承載能力，改善滯回性能。
文檔編號E04B1/98GK103161239SQ20131012131
公開日2013年6月19日 申請日期2013年4月9日 優先權日2013年4月9日
發明者黃鎮, 劉峰, 李愛群 申請人:東南大學