一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐、方法及應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐、方法及應(yīng)用，該防屈曲支撐包括支撐芯材，采用鋼管作為芯材；對芯材提供環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力的內(nèi)套管，設(shè)置在支撐芯材內(nèi)部；用于提高支撐芯材局部穩(wěn)定承載力和整體穩(wěn)定承載力的外套管，設(shè)置在支撐芯材外部，支撐芯材與內(nèi)外套管之間均設(shè)置減摩層，用以減小內(nèi)外套管對芯材軸向變形的限制。本發(fā)明中支撐自重小，結(jié)構(gòu)橫截面雖然為三層鋼管，但組合后的截面仍然為空心截面。相對于實心截面，構(gòu)件重量大幅度降低；滯回性能好。支撐芯材、外套管和內(nèi)套管均勻鋼材，強度高，耐久性好，滯回性能好；對芯材施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，造成芯材在軸向承載能力降低，從而使芯材達到更容易更快進入屈服的特點，提高抗震耗能能力。
【專利說明】
一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐、方法及應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及建筑工程相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支 撐、方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 框架-支撐體系是多高層建筑中常見結(jié)構(gòu)體系。通過設(shè)置支撐可提高框架結(jié)構(gòu)的 側(cè)向剛度和側(cè)向承載力。對需要抗震設(shè)防的建筑結(jié)構(gòu)，鋼支撐可通過屈服耗散地震能量。但 如果確保鋼支撐在地震作用下屈服，則需限制其截面尺寸。
[0003] 在地震作用下往復(fù)荷載作用下，截面過小的鋼支撐受壓將發(fā)生屈曲，滯回性能較 差。因此，目前結(jié)構(gòu)中廣泛采用防屈曲支撐，其基本原理是一方面通過限制支撐芯材的截面 面積，確保鋼支撐在地震作用下屈服;另一方面，采用在芯材外部增加套管，防止鋼支撐在 受壓時屈曲，從而獲得良好的滯回性能。
[0004] 常見的防屈曲支撐包括芯材和外套筒，以及芯材與外套筒之間的填充材料。芯材 部分是構(gòu)件中的主要受力元件，外套筒部分對芯材提供約束，以防止芯材部分受壓時發(fā)生 整體屈曲。綜合來說，現(xiàn)有技術(shù)中的設(shè)計有以下缺陷：
[0005] 1、鋼材浪費。由于傳統(tǒng)防屈曲支撐主要受力元件為芯材部分，截面面積集中，長細 比較大，容易發(fā)生屈曲。為防止芯材屈曲需增加截面尺寸較大的外套筒;外套筒主要防止芯 材發(fā)生整體屈曲，不參與承受軸力，未充分利用鋼材，導(dǎo)致鋼材浪費；而且需要在芯材與套 管之間需填充混凝土類材料，材料用量大。
[0006] 2、自重大。芯材與外套筒之間的混凝土類填充材料自重大，強度低。
[0007] 3、芯材與外套筒之間的約束混凝土，在地震往復(fù)荷載作用下，容易被壓碎而失去 了約束與防屈曲作用，致使防屈曲支撐的耗能能力大幅降低。
[0008] 4、如需降低防屈曲支撐的承載力，需要在芯材上開槽或者開孔以此削弱芯材，施 工工藝麻煩，品質(zhì)控制難度大，降低支撐可靠度。
[0009] 因此，提出一種新型防屈曲支撐，并可經(jīng)濟合理、安全可靠的降低防屈曲支撐承載 力的制造方法，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所亟需解決的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對上述問題，為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防 屈曲支撐，通過引入環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力的方法，有效降低防屈曲支撐的軸向受壓屈服承載力，提 尚支撐的抗震耗能能力；
[0011]本發(fā)明還提供了以上支撐的具體制作方法。具體為內(nèi)套管降溫法和芯材鋼管升溫 法。內(nèi)套管降溫法具體為內(nèi)套管降溫冷卻收縮，然后裝入到支撐芯材鋼管內(nèi)的制造方法，內(nèi) 套管溫度升高到室溫時，產(chǎn)生膨脹變形，從而對芯材鋼管施加環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力；芯材升溫法， 具體為將芯材鋼管升溫膨脹，然后套在內(nèi)套管外側(cè)的制造方法，芯材鋼管溫度降低到室溫 時，產(chǎn)生收縮變形，該收縮變形收到內(nèi)套管限制，芯材鋼管從而產(chǎn)生環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力。采用上 述的制造方法，內(nèi)套管對芯材的環(huán)向拉應(yīng)力會降低芯材軸向受拉力，達到讓芯材提前屈服 耗能的特點。
[0012]本發(fā)明還提供了以上防屈曲支撐的應(yīng)用。
[0013] 本發(fā)明提供的第一個方案:一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，包括：
[0014] 支撐芯材，采用鋼管作為芯材，是主要受力件；
[0015] 設(shè)置在支撐芯材內(nèi)部的內(nèi)套管，以對支撐芯材提供環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力并提高支撐芯材 的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定承載力；
[0016] 設(shè)置在支撐芯材外部的外套管，以提高支撐芯材局部穩(wěn)定承載力和整體穩(wěn)定承載 力；
[0017] 支撐芯材和內(nèi)、外套管之間各自設(shè)置減摩層，以減小支撐芯材拉壓變形時，內(nèi)、外 套管對支撐芯材軸向變形的限制;減摩層的設(shè)置可確保支撐芯材可在內(nèi)套管和外套管之間 滑動，用于減小內(nèi)套管和外套管對支撐芯材的軸向變形的限制。
[0018] 以上防屈曲支撐的設(shè)置，采用大徑厚比的鋼管作為支撐芯材，有效提高了支撐的 剛度，降低了支撐芯材對防屈曲措施的要求。通過內(nèi)套管的設(shè)置，對支撐芯材提供環(huán)向預(yù)拉 應(yīng)力，削弱了核心芯材的軸向受壓承載能力，使防屈曲支撐相對之前提早進入屈服階段進 行耗能，提升防屈曲支撐的耗能能力。內(nèi)套管外徑稍大于芯材鋼管的內(nèi)徑，正是內(nèi)套管可提 供預(yù)拉應(yīng)力的效果;外套管內(nèi)徑可等于或稍小于芯材鋼管的外徑，配合外套管的約束，提高 了支撐的穩(wěn)定承載力，有效節(jié)省了傳統(tǒng)方法中鋼材的用料。
[0019] 進一步地，為了提高支撐的剛度，所述支撐芯材為圓鋼管。
[0020] 進一步地，所述減摩層為由高分子聚四氟乙烯材料制成的管材或石墨類潤滑劑， 該減摩層同樣是套于內(nèi)套管的外層或涂抹于內(nèi)套管外層，或者是套于支撐芯材的外層或涂 抹于支撐芯材的外層。
[0021] 進一步地，綜合考慮到支撐的效果以及材料的成本，所述內(nèi)套管的材料為建筑結(jié) 構(gòu)用低碳鋼。
[0022] 進一步地，所述外套管的材料為建筑結(jié)構(gòu)用低碳鋼。
[0023] 進一步地，所述內(nèi)套管通過冷卻降溫后裝入支撐芯材內(nèi)或芯材鋼管通過升溫后套 在內(nèi)套管的外側(cè)，通過這樣的設(shè)置，使得內(nèi)套管與支撐芯材緊密貼合，以向支撐芯材提供一 定的環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力。支撐芯材在多向應(yīng)力作用下，軸向抗壓屈服強度的降低，有效降低了支 撐的屈服承載力。
[0024] 本發(fā)明提供一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐的第一種制造方法，具體步驟如 下：
[0025] 1)拼裝前將對內(nèi)套管進行降溫，直至內(nèi)套管的外徑降溫收縮到小于支撐芯材的內(nèi) 徑，此時將內(nèi)套管置入支撐芯材內(nèi)；
[0026] 2)內(nèi)套管溫度自然升高至室溫，升溫過程中內(nèi)套管膨脹，對支撐芯材提供環(huán)向預(yù) 拉應(yīng)力。
[0027] 本發(fā)明提供一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐的第二種制造方法，具體步驟如 下：
[0028] 1)拼裝前對芯材鋼管進行升溫，直至芯材鋼管的內(nèi)徑膨脹到大于內(nèi)套管的外徑， 此時將芯材鋼管套在內(nèi)套管的外側(cè)；
[0029] 2)芯材的鋼管的溫度自然冷卻到室溫，冷卻過程中，芯材鋼管降溫收縮，該收縮變 形受到內(nèi)套管的限制，芯材鋼管產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。
[0030] 此外，上述的一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，在高烈度地震區(qū)框架結(jié)構(gòu)的應(yīng) 用。
[0031] 本發(fā)明的有益效果是：
[0032] 1)節(jié)省鋼材。受力的主要部件鋼管采用閉口空心的截面，相比較于普通一字型實 心截面，空心閉口截面的截面擴展，回轉(zhuǎn)半徑大，本身即具有較大的抗屈曲能力，受力合理， 可減小外約束套管和內(nèi)約束套管的材料用量。
[0033] 2)自重小。本發(fā)明橫截面雖然為三層鋼管，但組合后的截面仍然為空心截面。相對 于實心截面，構(gòu)件重量大幅度降低。
[0034] 3)耐久性和滯回性能好。支撐芯材、外套管和內(nèi)套管均勻鋼材，強度高，耐久性好， 滯回性能好。
[0035] 4)對芯材施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，造成芯材在軸向承載能力下降，從而使支撐芯材更容 易更進入屈服的特點，提高抗震耗能能力。
【附圖說明】
[0036]圖1是本裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖中：1、支撐芯材，2、外套管，3、內(nèi)套管，4、減摩層。
【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合說明書附圖通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述：
[0039] 如圖1所示，一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，包括:截面為鋼管的防屈曲支撐 芯材1，支撐芯材1為支撐鋼管;對防屈曲支撐芯材提供環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力的內(nèi)套管3,內(nèi)套管3外 徑稍大于芯材鋼管的內(nèi)徑，具體數(shù)值通過設(shè)計確定;提高支撐芯材局部穩(wěn)定承載力和整體 穩(wěn)定承載力的外套管2,外套管2內(nèi)徑可等于或稍大于芯材鋼管的外徑。內(nèi)套管3與支撐芯材 1之間，支撐芯材1與外套管2之間，均設(shè)置有減摩層，確保支撐芯材可在內(nèi)套管3和外套管2 之間滑動，用于減小內(nèi)套管和外套管對支撐芯材1的軸向約束。
[0040] -種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力防屈曲支撐的第一種制作方法為:拼裝前將內(nèi)套管3降溫，直 至內(nèi)套管3的外徑降溫收縮到小于支撐芯材1的內(nèi)徑，此時將內(nèi)套管3穿入支撐芯材1，并讓 內(nèi)套管3溫度自然升高到室溫，升溫過程中內(nèi)套管3膨脹，對支撐芯材1提供環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力。
[0041] -種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力防屈曲支撐的第二種制作方法為:拼裝前將芯材鋼管升溫， 直至芯材鋼管的內(nèi)徑稍大于內(nèi)套管的外徑，此時將芯材鋼管套入內(nèi)套管外側(cè)，并讓芯材鋼 管溫度自然降低到室溫，降溫過程中芯材鋼管收縮，收縮變形收到內(nèi)套管的約束，支撐芯材 鋼管內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力。
[0042]實施例1:支撐芯材鋼管沿鋼管壁厚方向的擠壓應(yīng)力通常小于IMPa，因此可忽略。 僅考慮環(huán)向拉應(yīng)力和軸向應(yīng)力。在雙向應(yīng)力狀態(tài)下，根據(jù)米塞斯屈服準(zhǔn)則，鋼材的屈服條件 為
[0044] 〇1可表示為：
[0046]其中〇2為預(yù)先施加在芯材上的環(huán)向預(yù)應(yīng)力，〇1為軸向抗拉或者抗壓屈服強度。表1 列出了 Q235鋼材在不同環(huán)向拉應(yīng)力作用下，芯材抗拉屈服強度和抗壓屈服強度的變化。由 于環(huán)向拉應(yīng)力的存在，芯材的抗壓屈服強度顯著降低，即芯材可以在較低的壓應(yīng)力水平下 發(fā)生屈服。
[0047] 對Q235B鋼材來說，當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力為150Mpa時，軸向抗壓屈服強度僅為96.3Mpa，僅 為其在單向受力條件下屈服強度235Mpa的40.9%，因此具有更好的耗能能力。
[0048]表1 Q235鋼材在不同的環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力作用下軸向屈服強度
[0050] 實施例2:防屈曲支撐芯材鋼管截面Φ 300x6，內(nèi)套管截面尺寸為Φ 288.5x6，外套 管截面尺寸為Φ312χ6。外套管的內(nèi)徑與芯材鋼管的外徑相同，可以正常裝配。內(nèi)套管的外 徑288.5mm大于芯材鋼管的內(nèi)徑288mm。使用液氮將內(nèi)套管溫度由室溫20°C降溫125°(：至_ 105°C，鋼管收縮量為0.5mm。此時內(nèi)套管外徑與芯材內(nèi)徑相同，可以裝配。裝配完成后，內(nèi)套 管溫度由-105?；厣?0°C，升溫125°C。由于升溫膨脹受到芯材鋼的限制，內(nèi)套管外徑為 288.2mm，擠壓量為0.3mm;芯材鋼管的內(nèi)徑為288.2mm，擴展量為0.2mm，對應(yīng)的環(huán)向預(yù)拉應(yīng) 力為130Mpa。此時芯材的抗壓屈服強度為118.2MPa，抗拉強度為248.2Mpa。防屈曲支撐的抗 壓屈服強度設(shè)計值為668kN，相比較無預(yù)應(yīng)力同尺寸防屈曲支撐的抗壓屈服強度1355KN降 低很多。在未采用低屈服點鋼材的情況下，顯著降低了鋼材的屈服承載力。
[0051 ]實施例3:防屈曲支撐芯材鋼管截面Φ 300x6，內(nèi)套管截面尺寸為Φ 288.5x6，外套 管截面尺寸為Φ312χ6。外套管的內(nèi)徑與芯材鋼管的外徑相同，可以正常裝配。內(nèi)套管的外 徑288.5mm大于芯材鋼管的內(nèi)徑288mm。使用電爐將芯材鋼管溫度由室溫20°C升溫125°C至 145°C，芯材鋼管膨脹量為0.5mm。此時內(nèi)套管外徑與芯材內(nèi)徑相同，可以裝配。裝配完成后， 芯材鋼管溫度由145°C降至20 °C，溫度降低125°C。由于芯材鋼管的降溫收縮受到內(nèi)套鋼管 的限制，內(nèi)套管外徑為288.2mm，擠壓量為0.3mm;芯材鋼管的內(nèi)徑為288.2mm，擴展量為 0.2mm，對應(yīng)的環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力為130Mpa。此時芯材的抗壓屈服強度為118.2MPa，抗拉強度為 248.2Mpa。防屈曲支撐的抗壓屈服強度設(shè)計值為668kN，相比較無預(yù)應(yīng)力同尺寸防屈曲支撐 的抗壓屈服強度1355KN降低很多。在未采用低屈服點鋼材的情況下，顯著降低了鋼材的屈 服承載力。
[0052]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不是本發(fā)明的全部實施例，不用以限 制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在 本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0053]除說明書所述技術(shù)特征外，其余技術(shù)特征均為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知技術(shù)，為了突 出本發(fā)明的創(chuàng)新特點，上述技術(shù)特征在此不再贅述。
【主權(quán)項】
1. 一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，其特征在于，包括： 空心的支撐芯材， 設(shè)置在支撐芯材內(nèi)部的內(nèi)套管且與支撐芯材貼合，以對支撐芯材提供環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力并 提尚支撐芯材的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定承載力； 設(shè)置在支撐芯材外部的外套管，以提高支撐芯材局部穩(wěn)定承載力和整體穩(wěn)定承載力； 支撐芯材和內(nèi)、外套管之間各自設(shè)置減摩層，以減小支撐芯材拉壓變形時，內(nèi)、外套管 對支撐芯材軸向變形的限制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，所述支撐芯材為圓鋼管。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，其特征在于，所述減 摩層為由高分子聚四氟乙烯材料制成的管材。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，其特征在于，所述內(nèi) 套管的材料為普通建筑結(jié)構(gòu)用低碳鋼。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，其特征在于，所述外 套管的材料為普通建筑結(jié)構(gòu)用低碳鋼。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，其特征在于，所述內(nèi)套管 通過冷卻降溫后裝入支撐芯材內(nèi)，或支撐芯材通過升溫膨脹后裝在內(nèi)套管的外部。7. 根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項所述的一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐的制造方法， 其特征在于，具體步驟如下： 1) 拼裝前將對內(nèi)套管進行降溫，直至內(nèi)套管的外徑降溫收縮到小于支撐芯材的內(nèi)徑， 此時將內(nèi)套管置入支撐芯材內(nèi)； 2) 內(nèi)套管溫度自然升高至室溫，升溫過程中內(nèi)套管膨脹，對支撐芯材提供環(huán)向預(yù)拉應(yīng) 力。8. 根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項所述的一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐的制造方法， 其特征在于，具體步驟如下： 1) 拼裝前將對芯材鋼管進行升溫，直至芯材鋼管的內(nèi)徑膨脹到大于內(nèi)套管的外徑，此 時將芯材鋼管套在內(nèi)套管的外側(cè)； 2) 芯材鋼管溫度自然降低至室溫，降溫過程中芯材鋼管收縮，收縮變形收到內(nèi)套管限 制，支撐芯材鋼管產(chǎn)生環(huán)向預(yù)拉應(yīng)力。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有環(huán)向預(yù)應(yīng)力的防屈曲支撐，在高烈度地震區(qū)框架結(jié) 構(gòu)的應(yīng)用。
【文檔編號】E04B1/98GK106088768SQ201610600878
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月27日 公開號201610600878.8, CN 106088768 A, CN 106088768A, CN 201610600878, CN-A-106088768, CN106088768 A, CN106088768A, CN201610600878, CN201610600878.8
【發(fā)明人】王培軍, 肖邵文, 劉梅, 薛子蓬
【申請人】山東大學(xué)