一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐、方法及應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐、方法及應用，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)向預拉應力的內套管，設置在支撐芯材內部；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，設置在支撐芯材外部，支撐芯材與內外套管之間均設置減摩層，用以減小內外套管對芯材軸向變形的限制。本發(fā)明中支撐自重小，結構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，構件重量大幅度降低；滯回性能好。支撐芯材、外套管和內套管均勻鋼材，強度高，耐久性好，滯回性能好；對芯材施加環(huán)向預應力，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)向預應力的防屈曲支撐、方法及應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及建筑工程相關技術領域，具體涉及一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支 撐、方法及應用。
【背景技術】
[0002] 框架-支撐體系是多高層建筑中常見結構體系。通過設置支撐可提高框架結構的 側向剛度和側向承載力。對需要抗震設防的建筑結構，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，目前結構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，現有技術中的設計有以下缺陷：
[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，是本領域技術人員所亟需解決的。

【發(fā)明內容】

[0010] 針對上述問題，為了解決現有技術的不足，本發(fā)明提供一種具有環(huán)向預應力的防 屈曲支撐，通過引入環(huán)向預拉應力的方法，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。具體為內套管降溫法和芯材鋼管升溫 法。內套管降溫法具體為內套管降溫冷卻收縮，然后裝入到支撐芯材鋼管內的制造方法，內 套管溫度升高到室溫時，產生膨脹變形，從而對芯材鋼管施加環(huán)向預拉應力；芯材升溫法， 具體為將芯材鋼管升溫膨脹，然后套在內套管外側的制造方法，芯材鋼管溫度降低到室溫 時，產生收縮變形，該收縮變形收到內套管限制，芯材鋼管從而產生環(huán)向預拉應力。采用上 述的制造方法，內套管對芯材的環(huán)向拉應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用。
[0013] 本發(fā)明提供的第一個方案:一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐，包括：
[0014] 支撐芯材，采用鋼管作為芯材，是主要受力件；
[0015] 設置在支撐芯材內部的內套管，以對支撐芯材提供環(huán)向預拉應力并提高支撐芯材 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、外套管之間各自設置減摩層，以減小支撐芯材拉壓變形時，內、外 套管對支撐芯材軸向變形的限制;減摩層的設置可確保支撐芯材可在內套管和外套管之間 滑動，用于減小內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。通過內套管的設置，對支撐芯材提供環(huán)向預拉 應力，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。內套管外徑稍大于芯材鋼管的內徑，正是內套管可提 供預拉應力的效果;外套管內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套管的外層或涂抹于內套管外層，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，所述內套管的材料為建筑結 構用低碳鋼。
[0022] 進一步地，所述外套管的材料為建筑結構用低碳鋼。
[0023] 進一步地，所述內套管通過冷卻降溫后裝入支撐芯材內或芯材鋼管通過升溫后套 在內套管的外側，通過這樣的設置，使得內套管與支撐芯材緊密貼合，以向支撐芯材提供一 定的環(huán)向預拉應力。支撐芯材在多向應力作用下，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)向預應力的防屈曲支撐的第一種制造方法，具體步驟如 下：
[0025] 1)拼裝前將對內套管進行降溫，直至內套管的外徑降溫收縮到小于支撐芯材的內 徑，此時將內套管置入支撐芯材內；
[0026] 2)內套管溫度自然升高至室溫，升溫過程中內套管膨脹，對支撐芯材提供環(huán)向預 拉應力。
[0027] 本發(fā)明提供一種具有環(huán)向預應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，直至芯材鋼管的內徑膨脹到大于內套管的外徑， 此時將芯材鋼管套在內套管的外側；
[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 形受到內套管的限制，芯材鋼管產生環(huán)向拉應力。
[0030] 此外，上述的一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐，在高烈度地震區(qū)框架結構的應 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)向預應力，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是本裝置的剖面結構示意圖；
[0037]圖中：1、支撐芯材，2、外套管，3、內套管，4、減摩層。
【具體實施方式】
[0038] 下面結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)向預應力的防屈曲支撐，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)向預拉應力的內套管3,內套管3外 徑稍大于芯材鋼管的內徑，具體數值通過設計確定;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內徑可等于或稍大于芯材鋼管的外徑。內套管3與支撐芯材 1之間，支撐芯材1與外套管2之間，均設置有減摩層，確保支撐芯材可在內套管3和外套管2 之間滑動，用于減小內套管和外套管對支撐芯材1的軸向約束。
[0040] -種具有環(huán)向預應力防屈曲支撐的第一種制作方法為:拼裝前將內套管3降溫，直 至內套管3的外徑降溫收縮到小于支撐芯材1的內徑，此時將內套管3穿入支撐芯材1，并讓 內套管3溫度自然升高到室溫，升溫過程中內套管3膨脹，對支撐芯材1提供環(huán)向預拉應力。
[0041] -種具有環(huán)向預應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， 直至芯材鋼管的內徑稍大于內套管的外徑，此時將芯材鋼管套入內套管外側，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，收縮變形收到內套管的約束，支撐芯材 鋼管內產生環(huán)向預拉應力。
[0042]實施例1:支撐芯材鋼管沿鋼管壁厚方向的擠壓應力通常小于IMPa，因此可忽略。 僅考慮環(huán)向拉應力和軸向應力。在雙向應力狀態(tài)下，根據米塞斯屈服準則，鋼材的屈服條件 為
[0044] 〇1可表示為：
[0046]其中〇2為預先施加在芯材上的環(huán)向預應力，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力水平下 發(fā)生屈服。
[0047] 對Q235B鋼材來說，當環(huán)向拉應力為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)向預拉應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，內套管截面尺寸為Φ 288.5x6，外套 管截面尺寸為Φ312χ6。外套管的內徑與芯材鋼管的外徑相同，可以正常裝配。內套管的外 徑288.5mm大于芯材鋼管的內徑288mm。使用液氮將內套管溫度由室溫20°C降溫125°(：至_ 105°C，鋼管收縮量為0.5mm。此時內套管外徑與芯材內徑相同，可以裝配。裝配完成后，內套 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，內套管外徑為 288.2mm，擠壓量為0.3mm;芯材鋼管的內徑為288.2mm，擴展量為0.2mm，對應的環(huán)向預拉應 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 壓屈服強度設計值為668kN，相比較無預應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，內套管截面尺寸為Φ 288.5x6，外套 管截面尺寸為Φ312χ6。外套管的內徑與芯材鋼管的外徑相同，可以正常裝配。內套管的外 徑288.5mm大于芯材鋼管的內徑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。此時內套管外徑與芯材內徑相同，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套鋼管 的限制，內套管外徑為288.2mm，擠壓量為0.3mm;芯材鋼管的內徑為288.2mm，擴展量為 0.2mm，對應的環(huán)向預拉應力為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計值為668kN，相比較無預應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，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在 本發(fā)明的保護范圍之內。
[0053]除說明書所述技術特征外，其余技術特征均為本領域技術人員已知技術，為了突 出本發(fā)明的創(chuàng)新特點，上述技術特征在此不再贅述。
【主權項】
1. 一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐，其特征在于，包括： 空心的支撐芯材， 設置在支撐芯材內部的內套管且與支撐芯材貼合，以對支撐芯材提供環(huán)向預拉應力并 提尚支撐芯材的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定承載力； 設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、外套管之間各自設置減摩層，以減小支撐芯材拉壓變形時，內、外套管 對支撐芯材軸向變形的限制。2. 根據權利要求1所述的一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐，所述支撐芯材為圓鋼管。3. 根據權利要求1或2所述的一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐，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. 根據權利要求1或2所述的一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐，其特征在于，所述內 套管的材料為普通建筑結構用低碳鋼。5. 根據權利要求1或2所述的一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐，其特征在于，所述外 套管的材料為普通建筑結構用低碳鋼。6. 根據權利要求1所述的一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐，其特征在于，所述內套管 通過冷卻降溫后裝入支撐芯材內，或支撐芯材通過升溫膨脹后裝在內套管的外部。7. 根據權利要求1~6中任一項所述的一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐的制造方法， 其特征在于，具體步驟如下： 1) 拼裝前將對內套管進行降溫，直至內套管的外徑降溫收縮到小于支撐芯材的內徑， 此時將內套管置入支撐芯材內； 2) 內套管溫度自然升高至室溫，升溫過程中內套管膨脹，對支撐芯材提供環(huán)向預拉應 力。8. 根據權利要求1~6中任一項所述的一種具有環(huán)向預應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，直至芯材鋼管的內徑膨脹到大于內套管的外徑，此 時將芯材鋼管套在內套管的外側； 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，收縮變形收到內套管限 制，支撐芯材鋼管產生環(huán)向預拉應力。9. 根據權利要求1所述的一種具有環(huán)向預應力的防屈曲支撐，在高烈度地震區(qū)框架結 構的應用。
【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