一种多阶自复位防屈曲支撑及其消能方法和应用
技术领域
本发明涉及建筑消能减震结构，具体涉及一种多阶自复位防屈曲支撑，还涉及一种多阶自复位防屈曲支撑的消能方法，还涉及一种多阶自复位防屈曲支撑的应用。
背景技术
随着我国工业化城镇的发展和现代化的需要，随着近期地震活动的频繁，减轻地震作用时建筑物发生破坏对人民群众的生命和财产造成的损伤已成为现代工程结构设计的关键任务。
目前，建筑结构抗震一般采用增加结构的阻尼和设置隔离层来耗散地震对结构的能量，传统的防屈曲支撑构件主要由内部芯材、外部约束构件、无粘结可膨胀材料及无粘结滑移界面组成，兼备了普通钢支撑和金属耗能阻尼器的功能。强震发生时防屈曲支撑发生屈曲，具有优良的耗能能力和延性，显著降低主体结构的地震损伤。传统防屈曲支撑有明显的屈服变形，防屈曲支撑构件可以为结构提供良好的抗侧能力。
事实上，由于传统的屈曲约束支撑的屈服承载能力大，当地震力太小时，支撑构件不能及时的进入屈曲状态，无法发挥出构件的耗能能力。随着遭遇地震力较大时，支撑构件进入屈曲状态，且与构件连接的周边节点损伤严重，残余变形较大，灾后修复主体结构的难度大并且成本高，不利于灾后的重建工作和生产秩序的恢复。
因此，开发一种在小震和大震作用下都能消耗工程结构所承担的地震能量，同时通过自身能够提供相应的自复位能力的多阶防屈曲支撑装置，可以减轻由于支撑构件破坏所引起的主体结构的残余变形，从而减小灾后修复的难度和成本，有利于进行灾后的重建和生活秩序的恢复。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种能有效耗散地震能量、具有自复位能力、且具有两阶段耗能功能的多阶自复位防屈曲支撑及其消能方法和应用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多阶自复位防屈曲支撑，包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧的二级防屈曲单元，其中一侧二级防屈曲单元的承载力大于另一侧；二级防屈曲单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、固定承重板、稳定钢棒、钢架支撑、蝶形弹簧、摩擦片；外套钢管与中部定位板固定；支撑核心构件、滑动承重板、稳定钢棒从外向内依次相接并整体在外套钢管内滑移；支撑核心构件的中部穿过外套钢管，支撑核心构件的外端与连接节点固定连接；固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接，且固定承重板和钢架支撑位于外套钢管内，稳定钢棒的内端穿过固定承重板；固定承重板和中部定位板之间设有与稳定钢棒接触的摩擦片；压缩的蝶形弹簧套在稳定钢棒外，且位于固定承重板和滑动承重板之间。
作为一种优选，左侧二级防屈曲单元的长度大于右侧二级防屈曲单元的长度；两个二级防屈曲单元排列成一字形。
作为一种优选，左侧稳定钢棒、钢架支撑、摩擦片的长度均大于右侧。
作为一种优选，一侧蝶形弹簧的数量和/或形状和/或大小不同于另一侧。
作为一种优选，支撑核心构件采用横截面为方形或圆形的杆状结构；外套钢管为方形管；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形；稳定钢棒的横截面为圆形。
作为一种优选，钢架支撑的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置；摩擦片的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置，且紧贴稳定钢棒，摩擦片的横截面为矩形。
作为一种优选，二级防屈曲单元还包括限制滑动承重板向外滑移的限位板，限位板固定在外套钢管的内侧壁；左侧限位板与固定承重板之间的距离相同或不同于右侧。
作为一种优选，二级防屈曲单元还包括两个限位块，一个固定在滑动承重板的内侧，一个固定在固定承重板的外侧；限位块为圆形，蝶形弹簧的端部套接在限位块上，限位块开有圆孔供稳定钢棒穿过。
一种多阶自复位防屈曲支撑的消能方法，采用一种多阶自复位防屈曲支撑，通过摩擦片和稳定钢棒之间的摩擦作用耗散能量，通过蝶形弹簧压缩变形耗散能量，以提高构件的承载力；通过蝶形弹簧提供自复位能力；两侧二级防屈曲单元的承载力的不同，承载力小的二级防屈曲单元作为第一阶段的耗能构件，承载力大的二级防屈曲单元作为第二阶段的耗能构件。
一种多阶自复位防屈曲支撑的应用，将一种多阶自复位防屈曲支撑用于框架结构、钢结构、高层结构或工业化建筑中。
本发明的原理是：
通过摩擦片和蝶形弹簧耗散地震的能量，有效保护建筑结构。在此基础上，通过两侧二级防屈曲单元承载力的不同，实现两个阶段的耗能，能同时满足小震和大震的需求。其中，二级防屈曲单元的长度不同，蝶形弹簧的数量和/或形状和/或大小不同，摩擦片的长度不同均能影响承载力，通过影响承载力的要素的设计，最终满足两侧承载力不同即可。
本发明具有如下优点：
在净可能保证原有主体结构的设计下，多阶自复位防屈曲支撑可以增加主体结构的承载力，同时利用左右两侧蝶形弹簧的数量和类型为构件提供相应的自复位能力，左侧的二级防屈曲单元的长度与右侧的不同，且左侧二级防屈曲单元的承载力大小与右侧不相等，右侧的二级防屈曲单元的承载力小于左侧的二级防屈曲单元的承载力，所以在遭受地震作用时，右侧的二级防屈曲单元先进入屈曲耗能状态，此时为第一阶段消能状态；而后随着地震作用力的增强，左侧的二级防屈曲单元后进入屈曲耗能状态，此作为第二阶段消能状态。同时根据左右两侧防屈曲单元的设计承载力的大小对蝶形弹簧的数量、大小、类型进行设计，以满足构件相应自复位能力的需求。所以在遭受地震作用时，构件中的蝶形弹簧处于压缩或者拉伸的状态，耗散地震输入的能量，发挥支撑的作用，保护整体结构不受破坏，减少震后的残余变形，降低震后建筑物的修缮费用，节约国家的人力物力和财力，同时减少震后恢复的时间。多阶自复位防屈曲支撑构造简单，施工方便，具有很高的实用价值。
外套钢管和支撑核心构件之间的间隙不采用任何材料进行填充。在蝶形弹簧发生变形时，稳定钢棒与摩擦片发生接触，通过摩擦耗散构件所受到的部分能量，提高构件的承载能力。采用蝶形弹簧作为主要的耗能构件，通过蝶形弹簧的变形将支撑构件受到的能量进行耗散。多阶自复位防屈曲支撑不光可以在小震和大震作用下消耗工程结构所承担的地震能量，同时能够通过自身的复位装置来提供相应的自复位能力，可以减轻由于支撑构件破坏所引起的主体结构的残余变形，从而减小灾后修复的难度和成本，有利于进行灾后的恢复和生活秩序的恢复。
采用刚性连接，可保证连接部位处于稳固状态。
本发明不仅可广泛应用于框架结构、钢结构、高层结构，还可以用于工业化建筑当中；解决了传统防屈曲消能支撑在地震作用下无法通过自身回到原点的问题。
附图说明
图1是一种多阶自复位防屈曲支撑的结构示意图。
图2是图1中A-A的截面图。
图3是图1中B-B的截面图。
图4是图1中C-C的截面图。
图5是图1中D-D的截面图。
图6是一种多阶自复位防屈曲支撑在小震时的工作状态图。
图7是一种多阶自复位防屈曲支撑在大震时的工作状态图。
图8是一种多阶自复位防屈曲支撑在震后复位的工作状态图。
其中，1为蝶形弹簧、2为滑动承重板、3为支撑核心构件、4为摩擦片、5为中部定位板、6为钢架支撑、7为限位块、8为限位板、9为连接节点、10为外套钢管、11为自复位装置、12为稳定钢棒、13为固定承重板。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
一种多阶自复位防屈曲支撑，包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧的二级防屈曲单元，用于减轻梁柱连接处在地震作用下发生破坏，减轻所引起主体结构的损伤及残余变形。
二级防屈曲单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、固定承重板、稳定钢棒、钢架支撑、蝶形弹簧、摩擦片。外套钢管与中部定位板固定；支撑核心构件、滑动承重板、稳定钢棒从外向内依次相接并整体在外套钢管内滑移；支撑核心构件的中部穿过外套钢管，支撑核心构件的外端与连接节点固定连接；固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接，且固定承重板和钢架支撑位于外套钢管内，稳定钢棒的内端穿过固定承重板；固定承重板和中部定位板之间设有与稳定钢棒接触的摩擦片；压缩的蝶形弹簧套在稳定钢棒外，且位于固定承重板和滑动承重板之间。
为了保证蝶形弹簧轴向变形的稳定性，在蝶形弹簧中间采用稳定钢棒贯通，并在后部预留了足够宽的滑动区域；并且在稳定钢棒的两端设置限位块，防止稳定钢棒出现侧向的滑移，影响蝶形弹簧的轴向变形，降低构件的耗能能力；同时根据构件承载力的要求设置相应的限位板，防止由于蝶形弹簧的复位能力太大，将超出原有的设计尺寸；随后中部定位板与外套钢管之间采用焊接进行连接，保证两者之间的连接是可靠的。同时限位板的位置可以根据设计的需要进调整。
本实施例中，左侧的二级防屈曲单元的长度与右侧的不同，从而左侧二级防屈曲单元的承载力大小与右侧不相等，右侧的二级防屈曲单元的承载力小于左侧的二级防屈曲单元的承载力，所以在遭受地震作用时，右侧的二级防屈曲单元先进入屈曲耗能状态，此时为第一阶段消能状态；而后随着地震作用力的增强，左侧的二级防屈曲单元后进入屈曲耗能状态，此作为第二阶段消能状态。
左右侧的蝶形弹簧的规格大小直接影响该自复位防屈曲消能支撑的承载力大小，左右侧蝶形弹簧的规格(截面面积、截面形状)可以根据项目的实际需求进行设计，并且保证左右两侧的自复位力的大小能够和二级防屈曲单元相匹配，但应保证其在地震作用下能够保持弹性，在大震作用下通过发生拉压变形耗散能量且不失效。
中部定位板也是受力的关键部分，中部定位板在受力时需要与外套钢管有着可靠的连接，并且应保证在大震作用下中部定位板与外套钢管之间不发生断裂破坏；因此，实际使用时可根据对整根自复位防屈曲消能支撑的性能要求反过来对定位钢板的大小进行设计，进而保证左右侧自复位装置和整个支撑构件的力学性能。
在稳定钢棒与中部定位板之间留有一定的间隙，保证连接节点在受到轴向荷载时，荷载完全通过核心支撑构件传递给内部的自复位装置，自复位装置中的蝶形弹簧通过不断的压缩和拉伸消耗地震能量，减轻和降低主体结构的损伤和参与变形。
两个二级防屈曲单元的结构相同，但是承载力不同，两个二级防屈曲单元排列成一字形。
支撑核心构件为横截面为方形的杆状结构；外套钢管为方形管；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形，稳定钢棒的横截面为圆形。钢架支撑的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置；摩擦片的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置，且紧贴稳定钢棒，摩擦片的横截面为矩形。稳定钢棒在轴向压缩变形的作用下，与后部的摩擦片发生接触，通过稳定钢棒与摩擦片的摩擦耗散掉一部分的能量，提高构件的承载能力。
二级防屈曲单元还包括限制滑动承重板向外滑移的限位板，限位板固定在外套钢管的内侧壁。
二级防屈曲单元还包括两个限位块，一个固定在滑动承重板的内侧，一个固定在固定承重板的外侧；限位块为圆形，蝶形弹簧的端部套接在限位块上，限位块开有圆形孔供稳定钢棒穿过。
支撑核心构件和滑动承重板之间、固定承重板和钢架支撑之间、钢架支撑和中部定位板之间均采用刚性连接，例如焊接的方式，保证在轴向拉力的作用下不被撕裂。
主体结构上装有节点板，连接节点与节点板通过高强螺栓连接。具体连接方式为：在相关部位(如梁柱节点处)焊接节点板，节点板上开与连接节点相对应的螺栓孔，二者采用高强螺栓直接连接。
一种多阶自复位防屈曲支撑的消能方法，采用种多阶自复位防屈曲支撑，通过摩擦片和稳定钢棒的作用耗散能量，通过蝶形弹簧耗散能量，以提高承载力；通过蝶形弹簧提供自复位能力；两侧二级防屈曲单元的承载力的不同，承载力小的二级防屈曲单元作为第一阶段的耗能构件，承载力大的二级防屈曲单元作为第二阶段的耗能构件。利用蝶形弹簧的数量和类型提供相应的自复位能力，两个二级防屈曲单元的承载力是不同的。
本发明的有益效果是：为了防止耗能支撑受压时发生整体屈曲，在开缝钢板外套上一个钢管，这样就增加了支撑的平面内外的整体刚度，从而提高耗能支撑的整体稳定。并且由于左右两侧的二级防屈曲单元的长度不同，左侧二级防屈曲单元的承载力大小与右侧不相等，左侧的二级防屈曲单元的承载力大于右侧的二级防屈曲单元的承载力。所以在遭受地震作用时，右侧的二级防屈曲单元先进入屈曲耗能状态，此时为第一阶段消能状态；而后随着地震作用力的增强，左侧的二级防屈曲单元再进入屈曲耗能状态，此作为第二阶段消能状态。而其左右两侧相应的自复位装置来承受拉压荷载作用，通过蝶形弹簧与摩擦片来耗散地震能量，保证内部核心支撑在地震作用下不屈曲。当耗能支撑的承载力由蝶形弹簧的强度确定时，这样能使蝶形弹簧在拉压荷载作用下收缩变形，充分发挥蝶形弹簧的耗能作用。当构件受到较小的轴向力作用时，由于在耗能支撑核心构件的后部预留了较长的伸缩位置，其右侧的核心支撑构件在压力作用下先向中间靠拢，此时右侧的蝶形弹簧处于压缩的状态，但是核心支撑构件不屈曲，且左侧的蝶形弹簧不工作。当所受到轴向力继续增大时，超出右侧二级防屈曲构件的设计承载力，左侧的核心支撑构件在压力作用下后向中间靠拢，压缩左侧的蝶形弹簧，保证核心支撑构件不屈服。相应的在拉力作用下耗能支撑两端的核心构件向外伸长，弹簧沿着中心限位构件向外伸缩。并且设置相应的限位块保证蝶形弹簧不超过其能够承受的范围。这样在反复拉压荷载作用下，蝶形弹簧反复处于伸缩变形状态，并且中心限位构件随着蝶形弹簧的伸缩变形与后部的摩擦片进行接触耗能，从而达到消耗地震能量，起到保护主体结构的目的。并且当地震力消失后，自复位防屈曲支撑可以通过左右两侧相应的蝶形弹簧所提供的恢复力使构件恢复到初始状态，减小整体结构的残余变形。本发明解决了传统防屈曲消能支撑无法在小震作用下发挥作用，同时在震后支撑屈曲无法复位导致整体结构的残余变形较大的问题，有效减轻整体结构在地震作用下的产生的结构损伤及残余变形。该自复位防屈曲消能支撑可以采用工厂预制的方式生产，现场螺栓安装，施工速度快，节能环保。本发明适用于框架结构、钢结构、高层结构建筑，特别是工业化的减震建筑中。
本实施例中，左侧二级防屈曲单元的长度大于右侧二级防屈曲单元的长度，具体左侧稳定钢棒、钢架支撑、摩擦片的长度均大于右侧；同时，左右侧蝶形弹簧的数量均为一个，左侧蝶形弹簧的长度大于右侧蝶形弹簧的长度，两蝶形弹簧形状相同。通过该设置实现左侧二级防屈曲单元的承载力大于右侧。
实施例二
本实施例中，左侧二级防屈曲单元的长度大于右侧二级防屈曲单元的长度，其中连接节点、支撑核心构件、钢架支撑、摩擦片的长度均相等，左侧外套钢管、稳定钢棒和蝶形弹簧的长度大于右侧，左右两侧蝶形弹簧的数量均为一个，形状相同。通过该设置实现左侧二级防屈曲单元的承载力大于右侧。
本实施例未提及部分同实施例一。
实施例三
本实施例中，左侧二级防屈曲单元的长度等于右侧二级防屈曲单元的长度，左右两侧的蝶形弹簧数量均为一个，通过设置左侧蝶形弹簧的形状不同于右侧，使得左侧二级防屈曲单元的承载力大于右侧。
本实施例未提及部分同实施例一。
实施例四
本实施例中，左侧二级防屈曲单元的长度大于右侧二级防屈曲单元的长度，具体左侧稳定钢棒、钢架支撑、摩擦片的长度均大于右侧；同时，左侧蝶形弹簧的数量为两个，右侧蝶形弹簧的数量为一个，蝶形弹簧的长度相等。通过该设置实现左侧二级防屈曲单元的承载力大于右侧。
本实施例未提及部分同实施例一。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
