一种带有外置金属消能器的变形受控隅撑

技术领域

本发明属于土木结构工程技术领域，具体涉及一种带有外置金属消能器的变形受控隅撑。

技术背景

建筑结构除需承担重力荷载外，还需要承受地震作用和风荷载等水平作用，因此需要具备足够的抗侧刚度。框架结构依靠梁柱节点抗弯来为结构提供侧向抗力，其刚度往往有限，因此一般通过在结构体系中布置支撑来提高结构的侧向刚度。中心支撑-框架结构抗侧刚度大，但是在地震下容易出现受压失稳，结构在强震下的抗震性能难以保证，且中心支撑框架限制了结构体系的变形，梁柱构件的塑性变形能量无法发挥，对结构抗震性能不利；因此发展了防屈曲支撑。防屈曲支撑避免了普通支撑受压失稳的现象，具有近似相同的拉压性能，地震作用下，可以稳定发挥耗能能力。除此之外，学者们提出了偏心支撑框架及隅撑-框架结构体系，这种结构体系通过偏置支撑的方式把中心支撑-框架结构体系的刚度优势和框架体系变形优势有机结合起来，同时兼具良好的经济性，在多高层钢结构体系中具有广阔的应用前景。

一般而言，防屈曲支撑承载力高，小震下无法耗能，且体型大，施工安装不便，占据建筑空间，将其应用于工程结构中会在一定程度上影响建筑的正常使用功能，而且会增大结构刚度，提高结构的地震作用和加速度反应，在有精密仪器的工程结构中应用受限。随着韧性抗震设计的不断发展，建筑结构震后的修复性也越来越得到关注，防屈曲支撑由于受压芯杆被包裹，对其进行修复是不可行的，震后修复需要更换整个支撑，经济性差。

近年来，一些体型小巧、承载力小的小型金属消能器被提出，这些消能器主要布置于节点连接区域。由于承载力小，这些消能器能够在小震下即进行耗能，也不会大幅提高结构刚度，震后也易于修复。但是由于小型金属消能器较早进入屈服状态，结构在大震下消能器的塑性发展程度大，一方面小型金属消能器可能会由于承受过大变形而较早断裂，另一方面小型金属消能器在深度塑性阶段的刚度较小，无法为结构体系提高有效的抗侧刚度，导致结构发生薄弱层破坏甚至在重力二阶效应下倒塌。

发明内容

本发明旨在提出一种可用于隅撑-框架结构中的消能隅撑，该隅撑的构造简单、震后修复容易、变形可控，以解决上述技术背景中屈曲约束支撑震后修复难、传统小阻尼器大震性能不可靠的问题。

为此，本发明一种带有外置金属消能器的变形受控隅撑，该隅撑主要应用于隅撑-框架结构体系中，增加框架节点的刚度与耗能能力，能够在小震下即进行耗能，减少结构的地震损伤，且该隅撑震后修复简单，具有造价低与震后便于更换的优点。

为实现上述目的，本发明给出的一种带有外置金属消能器的变形受控隅撑包括：包括内金属杆、外金属管、外置金属消能器；内金属杆插入外金属管内部，外置金属消能器包括内消能杆、外约束套管和间隙填充管，内消能杆外包裹间隙填充管后穿过外约束套管，其特征还在于：

还包括备用拉杆系统、受压弹性垫块及连接板。内金属杆插入外金属管内部，内部空间通过备用拉杆系统相连接，并在外金属管内腔体底部固定有受压弹性垫块；内金属杆与外金属管在外部至少两个对立外表面通过外置金属消能器进行连接。

内金属杆包括金属杆主体、次连接端头、次连接端板、封口端板；金属杆主体一端先后与次连接端板和次连接端头进行固定连接，另一端与封口端板进行固定连接；在金属杆主体至少两个相对的外表面设有次加劲板；金属杆主体还同连接板进行固定连接；连接板在金属杆主体的位置可以根据需要设定，必要时，连接板和次连接端板是同一物体；在连接板至封口端板长度区间内，金属杆主体的截面形状为矩形。

外金属管的主体为矩形钢管，一端有主连接端头和主连接端板，另一端为开口状态，在矩形钢管至少两个相对的外表面设有主加劲板；在矩形钢管的底部设置有受压弹性垫块。

备用拉杆系统包括螺母紧固件、刚性拉杆和弹性部件；备用拉杆系统用以连接主连接端板和连接板。刚性拉杆的长度大于主连接端板和连接板之间的最大表面距离，并在冗余长度区间内置有弹性部件。

外置金属消能器两端通过大螺母与次加劲板、主加劲板进行连接。为保证外置金属消能器震后快速拆卸置换，次加劲板、主加劲板至少有一个开设U形缺口。

受压弹性垫块是一种高弹性装置，主要用于缓解隅撑受压时内金属杆对外金属管的冲击作用。受压弹性垫块由受压端板、弹性体、金属导杆组成，并通过螺母紧固件与主连接端板进行连接。

本发明适用于隅撑-支撑框架体系，其工作原理及可实现的有益效果是：

在地震作用下，结构体系的变形引发内金属杆相对于外金属管运动，外置金属消能器承载受力，外置金属消能器是本发明的主要耗能构件，其承载力小，在小震作用下即进行屈服耗能。此外，次加劲板、主加劲板至少有一个开设U形缺口，这使得外置金属消能器方便拆卸，进一步，结构的震后修复非常方便。

进一步的，分为隅撑受拉与受压来说明有益效果：

其一，结构在地震作用下发生形变使得隅撑受拉时，内金属杆相对于外金属管发生分离运动，由于本技术方案中备用拉杆系统的长度大于主连接端板和连接板的最大表面距离，具有冗余长度，并且冗余长度被弹性部件填充；隅撑受拉使得弹性部件发生压缩变形，但由于其刚度较小，因此备用拉杆系统受力较小，外荷载几乎全部由外置金属消能器承担，此阶段，隅撑的力学性能表现与外置金属消能器的性能基本无差异；弹性部件受压产生的内力通过刚性拉杆传递至内金属杆与外金属管，一定程度提高隅撑的受拉承载力，弥补外置金属消能器由于泊松效应和摩擦力导致的压力增大效应。由于弹性部件可压缩的空间有限，因此在结构承受强烈地震作用时，当内金属杆相对于外金属管的拉伸变形超出预留值时，弹性部件被完全压紧，无法发生进一步的压缩变形，内金属杆相对于外金属管的分离运动将受到刚性拉杆的限制，刚性拉杆进入承载状态，由内金属杆、连接板、备用拉杆系统、主连接端板组成的受拉变形控制机制形成，隅撑受拉变形得到控制，有效保护了外置金属消能器，同时由于隅撑其抗拉承载力和刚度得到提升，可以抑制结构薄弱层的出现，提升结构的抗倒塌能力。

其二，当结构承受地震作用导致隅撑受压时，内金属杆相对于外金属管发生挤压运动，由于外金属管内部空腔的存在，外置金属消能器能够首先进入受压耗能状态。当结构承受的地震作用进一步增大，内金属杆相对于外金属管的压缩变形超出预留值时，外金属管内部空腔消失，封口端板与受压弹性垫块开始发生接触，由于受压弹性垫块的承载力及刚度很大，一部分外荷载经受压弹性垫块直接传递至主连接端板；由内金属杆、受压弹性垫块、主连接端板组成的受压变形控制机制形成，隅撑受压变形得到控制，有效保护了外置金属消能器，同时隅撑的抗压承载力和刚度得到提升，抑制了结构薄弱层的出现，提升结构的抗倒塌能力。由于受压弹性垫块中弹性体可以发生压缩变形，因此受压弹性垫块沿着隅撑轴线方向具备一定的变形能力，内金属杆对外金属管的冲击效应得到缓解，并且受压变形控制机制的刚度得到一定程度的削减，进一步均衡其与受拉变形控制机制的刚度差异。通过合理设计，可以实现受拉变形控制机制与受压变形机制的刚度相等。

附图说明

图1为实施例带有外置金属消能器的变形受控隅撑的正视图；

图2为实施例带有外置金属消能器的变形受控隅撑的俯视图；

图3为实施例提供的内金属杆正视图；

图4为实施例提供的外金属管正视图；

图5-a为实施例提供的外置金属消能器及其连接示意图；

图5-b为实施例提供的次加劲板示意图；

图5-c为实施例提供的主加劲板示意图；

图6为实施例提供的备用拉杆系统；

图7是实施例的受压弹性垫块透视图；

图8是实施例提供的本发明变形受控隅撑产品及其典型应用场景示意图；

图9是实施例的工作原理示意图；

图10是实施例的力位移曲线示意图；

图中：1内金属杆；11金属杆主体；12次连接端头；13次连接端板；

14次加劲板；141次加劲板纵向板；142次加劲板横向板；143U形缺口；15封口端板；

2外金属管；21矩形钢管；22主连接端头；23主连接端板；24主加劲板；

241主加劲板纵向板；242主加劲板横向板；243圆形缺口；

3外置金属消能器；31内消能杆；32外约束套管；33间隙填充管；34大螺母；

4备用拉杆系统；41刚性拉杆；42弹性部件；

5受压弹性垫块；51受压端板、52弹性体、53金属导杆；

6连接板；

7螺母紧固件；

8框架梁；

9框架柱。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明技术方案做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的一种带有外置金属消能器的变形受控隅撑，包括内金属杆1、外金属管2、外置金属消能器3、备用拉杆系统4、受压弹性垫块5及连接板6。内金属杆1插入外金属管2内部，内部空间通过备用拉杆系统4相连接，并在外金属管2内腔体底部固定有受压弹性垫块5；内金属杆1与外金属管2在上下两个对立外表面通过外置金属消能器3进行连接。

如图3所示，内金属杆1由金属杆主体11、次连接端头12、次连接端板13、封口端板15组成；优选的，金属杆主体11为一矩形截面空钢管，在一端焊接有次连接端头12和次连接端板13，在另一端焊接有封口端板15，在上下两个对立外表面焊接有次加劲板14。金属杆主体11内部焊接有连接板6。优选的，连接板6与次加劲板14在金属杆主体11上的轴线方向分布位置相同。

如图4所示，外金属管2为矩形钢管21制成，一端焊接有主连接端头22和主连接端板23，另一端为开口状态，在矩形钢管21上下两个相对的外表面焊接有主加劲板24；在矩形钢管21的底部设置有受压弹性垫块5。

如图5-a所示，一种典型的外置金属消能器3包括内消能杆31、外约束套管32和间隙填充管33，内消能杆31外包裹间隙填充管33后穿过外约束套管32。内消能杆31中间进行削弱，两端进行攻丝；优选的，内消能杆31由低屈服点钢棒制成。进一步，外置金属消能器3两端通过大螺母34与次加劲板14、主加劲板24进行连接。为方便进行拆卸，次加劲板14与主加劲板24至少一个开有U形缺口，实施例提供的次加劲板14如图5-b所示，包括次加劲板纵向板141、次加劲板横向板142，次加劲板横向板142上开设U形缺口143。实施例提供的主加劲板24如图5-c所示，包括主加劲板纵向板241、主加劲板横向板242，主加劲板横向板242上开设圆形缺口243。

进一步，如图6所示，备用拉杆系统4由螺母紧固件7、刚性拉杆41和弹性部件42构成。备用拉杆系统4预先穿过金属杆主体11后，再焊接固定次连接端头12和次连接端板13，然后再将备用拉杆系统4与主连接端板23连接。刚性拉杆41的长度需要大于主连接端板23和连接板6之间的最大表面距离。在刚性拉杆41的多余长度区间内放置弹性部件42。弹性部件42一般选用低承载力弹簧即可。

进一步，结合图4与图7，受压弹性垫块5由受压端板51、弹性体52、金属导杆53组成。弹性体52一般为高强度弹簧或者碟簧；金属导杆53穿过弹性体52后再穿过主连接端板23，然后通过螺母紧固件7与主连接端板23进行连接。

本发明在建筑中的典型应用方式如图8所示，其用于连接框架梁8及框架柱9。在地震作用下，框架主体结构的变形会引起隅撑的变形，根据不同的受力模式，本发明有不同的力学响应，其工作机理如图9所示，具体而言：

其一，在地震作用下，结构体系变形导致隅撑受拉时，内金属杆1相对于外金属管2发生分离运动，外置金属消能器3会发生拉伸变形，从而进入屈服耗能状态，消耗地震能量。由于实施例中备用拉杆系统4的长度大于主连接端板23和连接板6的最大表面距离，具有冗余长度，并且冗余长度被弹性部件42填充。当隅撑受拉变形不超过预留距离y

其二，在地震作用下，结构体系变形导致隅撑受压时，内金属杆1相对于外金属管2发生挤压运动，由于外金属管2内部空腔的存在，外置金属消能器3能够首先进入受压耗能状态。这一阶段隅撑的受压的力位移响应对应于图10-b位移不超过y