專利名稱：四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐及其制作方法
技術領域：
本發明涉及建筑結構抗震防災技術領域，屬于結構減震被動控制范疇，具體涉及一種四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐，可用于建筑結構中抵抗水平地震作用，提高結構抗震性能。
背景技術：
地震災害的強隨機性與破壞性，會給人類的生命財產安全帶來巨大威脅。結構在地震中倒塌的主要原因是其自身的耗能能力不足以消耗地震輸入能量，從而導致結構的節點、梁、柱等關鍵部件發生疲勞損傷斷裂破壞。為建筑結構附加耗能減震裝置是減小結構地震損傷有效手段，其可使損傷集中于耗能減震裝置本身，從而起到保護主體結構，減小結構關鍵部位構件損傷的作用。
本發明是金屬耗能減震裝置的一種，即屈曲約束支撐。其通過耗能核心單元軸向拉壓屈服的高效耗能機制，耗散地震輸入能量。通常屈曲約束支撐有兩種主要形式，即(I) 鋼管混凝土型屈曲約束支撐；(2)純鋼型屈曲約束支撐。純鋼型屈曲約束支撐較鋼管混凝土型屈曲約束支撐輕，加工速度快，精度易控制，質量易保證。
屈曲約束支撐的核心單元在軸向壓力作用下有兩種屈曲破壞模式，即整體屈曲與局部屈曲。現有的純鋼型屈曲約束支撐，都是通過加勁肋等構造措施限制了核心單元的這兩種屈曲破壞模式的發生。常見的核心單元有“一”字形板和“十”字形組合斷面等。
但是，現有的純鋼型屈曲約束支撐在設計時都忽略了一個重要問題，即沒有利用核心單元自身抵抗局部屈曲的能力，加勁約束措施一般采用面面接觸，即加勁約束單元在核心單元的整個外表面都緊貼約束，這將不可避免地造成鋼材的浪費。發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種無須使用填充材料， 完全通過自身構造提供穩定約束作用的四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐及其制作方法， 用于解決現有技術中的上述問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐，包括橫截面為十字形的芯材以及套設在所述芯材上的外圍約束套筒，所述外圍約束套筒的內壁上周向均勻固定四個軸向延伸的約束件，每個約束件上具有一條軸向延伸的卡槽，所述芯材的四個側邊分別卡設在所述四個卡槽內。
進一步地，所述約束件由兩塊槽鋼并排構成，所述卡槽由兩塊槽鋼之間的間隙構成。
進一步地，所述槽鋼的開口面與所述外圍約束套筒的內壁貼合并且固定連接。
進一步地，所述外圍約束套筒的橫截面為方形。
進一步地，所述芯材的兩端各連接一橫截面為十字形的加勁板，所述加勁板與芯材間為凹凸配合連接。
進一步地，所述加勁板的寬度和高度均大于所述芯材的寬度和高度。
本發明還包括上述四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐的制作方法，包括以下步3驟(1)制作橫截面為十字形的芯材；(2)制作四個具有卡槽的約束件，所述卡槽的槽寬為芯板厚度；(3)制作拼裝外圍約束套筒的各壁板，將所述四個約束件分別焊接在組成外圍約束套筒的各壁板上，并且保證四個約束件沿外圍約束套筒的周向均勻分布；(4)將芯材的四個側邊插入所述四個約束件的卡槽內并且固定；(5)將所述各壁板拼裝成所述外圍約束套筒，并且用對接焊縫焊接固定。
進一步地，上述步驟(2)中，所述約束件由兩塊槽鋼并排構成，所述卡槽由兩塊槽鋼之間的間隙構成。
進一步地，在進行步驟(2)前，在所述芯板兩端焊接加勁板。
通過以上技術方案，本發明具有以下技術效果
本發明通過利用芯材自身抗局部屈曲的能力，實現芯材屈服而不屈曲的耗能機制，可極大地提高鋼材利用效率，減小鋼材用量，提高經濟性。因此本四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐通過將芯材的四側分別卡設在四個約束件的卡槽內實現線接觸約束，提高并且利用了芯材抗局部屈曲的能力，不必填充約束料，使得自重大大降低，鋼材利用率很高， 從而達到了較好的經濟性。同時芯材屈服前可為結構提供較大的抗側剛度與承載能力，其作用同普通鋼支撐，但由于本發明不會發生整體失穩破壞，材料利用效率更高；芯材屈服后可耗散大量地震輸入能量，為結構提供附加阻尼，是一種性能優良的金屬阻尼器。


圖I為本發明四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐的示意圖。。
圖2為圖I中A-A向的側視圖。
圖3為沿圖I中B-B的橫截面圖。
圖4為沿圖I中C-C的橫截面圖。
圖5為沿圖I中D-D的橫截面圖。
圖6為芯材與加勁板的拼合示意圖。
圖7為本發明在建筑結構中的布置方式示意圖。
元件標號說明
I-芯材；
2-槽鋼；
3-外圍約束套筒；
4-加勁板；
5-四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐。
具體實施方式
以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。
圖I及圖5示出了本發明四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐的一種實施方式，包括橫截面為十字形的芯材I以及套設在芯材上的外圍約束套筒3，外圍約束套筒的內壁上周向均勻固定四個軸向延伸的約束件2，每個約束件上具有一條軸向延伸的卡槽，芯材的四條側邊分別卡設在四個卡槽內。根據我國《鋼結構設計規范》，若僅在“十”字形核心單元的四條側邊采用線接觸約束，并保證核心鋼板懸挑部位的寬厚比不大于9^/235//,. (fy為鋼材屈服強度標準值)就能使其不發生局部屈曲，而該條件又是非常容易滿足的。通過利用核心單元自身抗局部屈曲的能力，實現核心單元屈服而不屈曲的耗能機制，可極大地提高鋼材利用效率，減小鋼材用量，提高經濟性。本發明正是采用該原理制作，通過將芯材四條側邊分別卡設在四個約束件的卡槽中實現線接觸約束使芯材不發生局部屈伸。
下面結合上述原理進一步闡述，芯材的屈曲分為整體屈曲和局部屈曲，整體屈曲為芯材以一個正弦曲線半波的形式彎曲失穩,局部屈曲為芯材的邊緣發生波浪狀的失穩破壞。因此通過約束件的卡槽夾緊芯材用以約束芯材在受壓的情況下屈曲，既能防止其發生局部屈曲，也能防止整體屈曲，提高芯材的屈曲承載能力，使其大于芯材的屈服承載力，這樣就能使芯材在受壓情況下先發生屈服，不發生屈曲，從而達到屈服耗能的目的。本實施例中約束件由兩塊槽鋼2并排構成，兩塊槽鋼之間留有間隙構成上述卡槽。采用槽鋼一方面因為其開口槽結構可以節省材料，減輕重量，另一方面槽鋼2可以提供良好的抗側力。
并且理論上槽鋼2的開口面方向并無嚴格限制，若采用槽鋼背面固定，槽鋼側壁略顯單薄，若采用槽鋼開口面與外圍約束套筒的內壁固定連接，則可形成一個閉合截面，提供的抗側力較大，可以提供更好的約束效果，故優選槽鋼的開口面與外圍約束套筒的內壁固定連接(圖5所示)。
外圍約束套筒3作為屈曲約束支撐的重要組成部分，需要有足夠的抗彎強度，才能確保芯材處于較為理·想的軸向拉、壓受力狀態并產生抗壓塑性變形，從而使得屈伸約束支撐發揮優越的耗能性能。理論上外圍約束套筒的橫截面可以是圓形的也可以是方形的， 但是考慮到采用方形截面的外圍約束套筒，其壁板可以和槽鋼2垂直焊接，方便約束芯材 I ;若采用圓形截面的外圍約束套筒3，則必須對槽鋼2進行切削，才能保證和芯材接觸的槽鋼面是平行的，加工起來比較復雜，故優選外圍約束套筒3的橫截面為方形。(圖4所示)
同時為加強外圍約束套筒3的剛度，也使外圍約束套筒3對芯材I提供更好的約束作用，芯材兩端各連接一橫截面也為十字形的加勁板4以加大端部截面。而且通常支撐核心即芯材在地震往復作用下，會產生應變強化效應，即芯材的屈服力會逐漸增大。由于芯材的與建筑柱體的節點連接為約束支撐的關鍵部位，在地震中要保證處于彈性狀態，又由于十字形芯材構造上的限制，加勁板與芯材在套筒內部是等截面即等寬的，因此要想使得節點強度大于芯材應變強化后的強度，如果不提高鋼材強度，就只能增大截面面積，從而用鋼量也會增加，因此加勁板4優選采用高強鋼，以減小用鋼量，并且加勁板的強度高于芯材。
若采用平直對接焊縫連接加勁板與芯材，則連接強度是不夠的，因為我國《鋼結構設計規范》規定，兩種不同的鋼材對接拼接，強度取低者，因此加勁板與芯材間采用凹凸配合連接，凹凸配合用以增加連接焊縫的長度，使其拼接強度足夠。因為僅為增加連接焊縫的長度，所以實現凹凸配合的具體形狀并無嚴格限制，如半圓形、錐形、三角形均可，三角形顯然更便于加工，因此本實施例中芯材為外凸的三角形，加勁板上設有對應的內凹三角形(圖 6所示)。
同時加勁板4的尾端外露于外圍約束套筒，以便于與建筑柱體連接。出于更加安全的考慮，本實施例對加勁板4外露于套筒這一部分的截面進行了進一步放大，使加勁板的寬度和高度均大于芯材的寬度和高度，使得加勁板與建筑主體的節點的連接強度比芯和加勁肋的連接強度更強一些。
本發明還包括四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐的制作方法，包括以下步驟
(I)根據建筑與分析設計要求，確定四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐5的尺寸， 包括長度、高度、寬度等參數，以方便與建筑主體結構連接；
(2)根據屈服承載力與屈服位移要求，選擇芯材的尺寸，確保其寬厚比滿足設計要求。芯材側邊的厚度約為12 30mm，芯材適用噸位在300噸飛00噸，芯材鋼材為低碳鋼或者低屈服點鋼；
(3)根據支撐屈服承載力及長度確定外圍約束套筒3的厚度與尺寸，使其滿足整體穩定要求。制作拼裝外圍約束套筒3的各壁板，本實施例用四塊鋼板圍成一個方形的外圍約束套筒3，其尺寸為200*200mnT500*500mm，長度為2nT6m。
(4)制作橫截面為十字形的芯材I ;
(5)芯材I兩端采用雙坡斜對接焊縫對稱焊接一加勁板4 ；
(6)將四個約束件分別焊接在組成外圍約束套筒的各壁板上，并且保證四個約束件沿外圍約束套筒的周向均勻分布，每個約束件由兩塊槽鋼2并排構成，槽鋼采用角焊縫焊接在壁板上，使兩塊槽鋼之間預留一定間隙構成卡槽，兩塊槽鋼的間距(即卡槽的寬度) 為芯材側邊的厚度，槽鋼選用熱軋標準槽鋼；
(7)將芯材的四條側邊分別插入上述卡槽內并且固定；
(8)將外圍約束套筒各壁板拼裝好用對接焊縫焊接在一起。
本發明四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐制作完成后，按以下步驟實施
(I)確定四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐5的安裝位置與數量，將其盡量布置在結構抗震的薄弱位置。
(2)根據結構分析設計，確定四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐5的屈服承載力、 剛度與節點連接力等參數。
(3)根據設計參數，結合具體構造措施進行四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐5 的設計與加工。
(4)將四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐5與建筑結構主體通過螺栓、焊接等方式，進行可靠連接，構成一人字形支撐(圖7所示)。
綜上所述，本四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐無須采用填充材料，完全依靠自身構造起到穩定的約束作用，避免受壓芯板在彈性和塑性階段下的屈曲問題，而且類比一字形屈曲約束支撐，十字形核心的支撐在相同的外觀與相同板厚的情況下，核心斷面面積比一字型核心的要大，故支撐的屈服噸位更大。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐，包括橫截面為十字形的芯材以及套設在所述芯材上的外圍約束套筒，其特征在于，所述外圍約束套筒的內壁上周向均勻固定四個軸向延伸的約束件，每個約束件上具有一條軸向延伸的卡槽，所述芯材的四個側邊分別卡設在所述四個卡槽內。
2.根據權利要求I所述的四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐，其特征在于，所述約束件由兩塊槽鋼并排構成，所述卡槽由兩塊槽鋼之間的間隙構成。
3.根據權利要求2所述的四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐，其特征在于，所述槽鋼的開口面與所述外圍約束套筒的內壁貼合并且固定連接。
4.根據權利要求I所述的四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐，其特征在于，所述外圍約束套筒的橫截面為方形。
5.根據權利要求I所述的四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐，其特征在于，所述芯材的兩端各連接一橫截面為十字形的加勁板，所述加勁板與芯材間為凹凸配合連接。
6.根據權利要求5所述的四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐，其特征在于，所述加勁板的寬度和高度均大于所述芯材的寬度和高度。
7.—種權利要求I所述的四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步驟(1)制作橫截面為十字形的芯材；(2)制作四個具有卡槽的約束件，所述卡槽的槽寬為芯材側邊的厚度；(3)制作拼裝外圍約束套筒的各壁板，將所述四個約束件分別焊接在組成外圍約束套筒的各壁板上，并且保證四個約束件沿外圍約束套筒的周向均勻分布；(4)將芯材的四個側邊插入所述四個約束件的卡槽內并且固定；(5)將所述各壁板拼裝成所述外圍約束套筒，并且用對接焊縫焊接固定。
8.根據權利要求7所述的四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐的制作方法，其特征在于，所述約束件由兩塊槽鋼并排構成，所述卡槽由兩塊槽鋼之間的間隙構成。
9.根據權利要求7所述的四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐的制作方法，其特征在于，在進行步驟(2)前，在芯材兩端焊接加勁板。
全文摘要
本發明提供一種四邊約束十字形純鋼屈曲約束支撐及其制作方法，包括橫截面為十字形的芯材以及套設在所述芯材上的外圍約束套筒，所述外圍約束套筒的內壁上周向均勻固定四個軸向延伸的約束件，每個約束件上具有一條軸向延伸的卡槽，所述芯材的四個側邊分別卡設在所述四個卡槽內。本發明通過將芯材的四側分別卡設在四個約束件的卡槽內實現線接觸約束，提高并且利用了芯材抗局部屈曲的能力，不必填充約束料，使得自重大大降低，可極大地提高鋼材利用效率，減小鋼材用量，提高經濟性。
文檔編號E04B1/98GK102943535SQ20121037617
公開日2013年2月27日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者李國強, 郭小康, 孫飛飛 申請人:同濟大學