《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》是同濟大學於2008年1月25日申請的專利，該專利的公布號為CN101220616，申請公布日為2008年7月16日，發明人是李國強、孫飛飛、胡寶琳。該發明屬於建築領域。
《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》包括：芯材部分、內套筒部分、外套筒，其中芯材部分由芯板和芯板加勁肋組成，內套筒部分由內套筒壁板、內套筒加勁肋和芯板約束板組成，最外層是外套筒；該芯板約束板與芯板之間無間隙。該發明還提供了上述的改進的屈曲約束支撐構件的製作方法。該屈曲約束支撐具有很好的滯回特徵和耗能性能，是一種十分有效的耗能構件，可以達到1/70的變形量，滿足罕遇地震作用下建築結構1/50的樓層位移變形要求，可以很大地提高建築結構的抗震能力；且實現了材料與製作的國產化，使這種支撐的成本降低，為推廣套用奠定了基礎。
2015年11月27日，《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件
- 申請人：同濟大學
- 申請日：2008年1月25日
- 申請號：2008100330699
- 公布號：CN101220616
- 公布日：2008年7月16日
- 發明人：李國強、孫飛飛、胡寶琳
- 地址：上海市楊浦區四平路1239號
- 分類號：E04B1/98(2006.01)
- 代理機構：上海智信專利代理有限公司
- 代理人：吳林松
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2008年1月，屈曲約束支撐因其承受軸向壓力不會發生屈曲、受拉與受壓承載力相當、滯回曲線飽滿、具有良好的耗能能力和低周疲勞性能等優點，在美國、日本、中國台灣地區等的高層建築中頗受青睞。美國在1994年Northridge地震後，開始進行屈曲約束支撐鋼結構體系的研究，2000年建成了美國第一棟使用屈曲約束支撐作為抗側力構件的建築，2008年前已建成或正在建造的使用屈曲約束支撐的結構達30餘棟；日本在1995年神戶地震後大量使用屈曲約束支撐體系，2008年前此類建築已有250餘棟。中國台灣地區在屈曲約束支撐的研究和使用方面已取得了很多成果。
發明內容
專利目的
該發明的目的在於提供一種成本低廉、性能優越的屈曲約束支撐構件。
技術方案
《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》包括：芯材部分、內套筒部分、外套筒，其中芯材部分由芯板和芯板加勁肋組成，內套筒部分由內套筒壁板、內套筒加勁肋和芯板約束板組成，最外層是外套筒；該芯板約束板與芯板之間無間隙。進一步：該套筒端部封板與芯板加勁肋之間無間隙。該套筒壁板上每隔一定間距（例如100～200毫米）加設一個套筒加勁肋。
上述的改進的屈曲約束支撐構件的製作方法，包括以下步驟：
（1）將芯板加勁肋和芯板用對接焊縫焊接在一起；
（2）將芯板約束板和內套筒壁板用角焊縫焊接在一起；
（3）將焊接好芯板約束板的內套筒壁板進行拼裝；
（4）將拼裝好的內套筒壁板用對接焊縫焊接在一起；
（5）將套筒加勁肋和套筒壁板用角焊縫焊接在一起；
（6）再將外套筒壁板進行拼裝；
（7）將拼裝好的外套筒壁板用對接焊縫焊接在一起。
該發明的屈曲約束支撐芯板的約束屈服段採用一字形，套筒採用方形或矩形鋼管，一字形芯板與套管的一對側面平行。套筒與芯板之間無填充材料。芯 板用材選用國產低碳鋼，如Q195鋼材、Q235鋼材以及國產低屈服鋼。
1、屈曲約束支撐的強度要求
屈曲約束支撐的受拉和受壓屈服承載力Fd可表示如下：Fd＝RyfyA1（1）；式中：Fd——軸向受拉和受壓極限強度。Py——軸向受拉和受壓屈服強度。Ry——芯板鋼材的超強係數。fy——芯板剛才的屈服強度標準值。A1——約束屈服段的截面面積。
2、套筒的設計要求
屈曲約束支撐構件在多遇地震和罕遇地震作用下，應不發生整體屈曲。屈曲約束支撐構件的整體彈性屈曲荷載與約束屈服段的屈服承載力的比值應滿足：
（2）；
式中：I1——套筒的整體剛度。E——套筒鋼材彈性模量。l——支撐長度。ω——應變強化調整係數。
屈曲約束支撐構件的板件在多遇地震和罕遇地震作用下，應不發生局部屈曲。無約束非屈服段（連線段）的板件外伸寬厚比應滿足：
（3）；式中b、t——無約束非屈服段鋼板的外伸寬度和厚度。
3、節點設計
節點設計時除按節點設計要求考慮外，還應考慮支撐壓拉承載力比、材料超強及應變硬化等效應的影響。
改善效果
《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》可採用國產低碳鋼，如Q195鋼材、Q235鋼材以及國產低屈服鋼，這種新型支撐與已有屈曲約束支撐區別在於，在鋼套管內沒有採用填充材料，完全通過鋼套管內的加勁肋等構造措施給支撐芯板提供穩定的約束作用，可以有效地避免受壓芯材在彈性和塑性階段下的屈曲問題。對加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件及其子結構進行了靜力往複試驗，試驗表明，此種屈曲約束支撐具有很好的滯回特徵和耗能性能，是一種十分有效的耗能構件，可以達到1/70的變形量，滿足罕遇地震作用下建築結構1/50的樓層位移變形要求，可以很大地提高建築結構的抗震能力；且實現了材料與製作的國產化，使這種支撐的成本降低，為推廣套用奠定了基礎。
附圖說明
圖1為《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》實施例的構造示意圖。
圖2為該發明實施例的芯板示意圖。
圖3為該發明實施例的結構橫截面示意圖。
圖4為該發明實施例的芯板端部橫截面示意圖。
圖5為該發明實施例的套筒橫截面示意圖。
圖6為該發明實施例的試驗所得的力-位移曲線。
圖中標號：1為芯板，2為芯板加勁肋，3為內套筒，4為內套筒加勁肋，5為芯板約束板，6為外套筒，7為套筒端部封板。
權利要求
1.《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》其特徵在於：包括：芯材部分、內套筒部分、外套筒，其中芯材部分由芯板和芯板加勁肋組成，內套筒部分由內套筒壁板、內套筒加勁肋和芯板約束板組成，最外層是外套筒；該芯板約束板與芯板之間無間隙。
2.根據權利要求1所述的改進的屈曲約束支撐構件，其特徵在於：該套筒端部封板與芯板加勁肋之間無間隙。
3.根據權利要求1所述的改進的屈曲約束支撐構件，其特徵在於：該套筒壁板上每隔一定間距加設一個套筒加勁肋。
4.根據權利要求3所述的改進的屈曲約束支撐構件，其特徵在於：該一定間距為100～200毫米。
5.權利要求1至4中任一所述的改進的屈曲約束支撐構件的製作方法，其特徵在於：包括以下步驟：
（1）將芯板加勁肋和芯板用對接焊縫焊接在一起；
（2）將芯板約束板和內套筒壁板用角焊縫焊接在一起；
（3）將焊接好芯板約束板的內套筒壁板進行拼裝；
（4）將拼裝好的內套筒壁板用對接焊縫焊接在一起；
（5）將套筒加勁肋和套筒壁板用角焊縫焊接在一起；
（6）再將外套筒壁板進行拼裝；
（7）將拼裝好的外套筒壁板用對接焊縫焊接在一起。
實施方式
參閱圖1-5，由圖可見，《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》主要包括：芯材部分、內套筒部分、外套筒，其中芯材部分由芯板1和芯板加勁肋2組成（如圖2、4所示），內套筒部分由內套筒壁板3、內套筒加勁肋4和芯板約束板5組成，最外層是外套筒（如圖5所示）。
該發明的構造：
1、由於套筒須能夠對芯板的平面外屈曲有良好的約束作用，該發明的構件採用對內套筒加肋板，使芯板約束板5與芯板1頂緊（即，使芯板約束板5與芯板1之間無間隙）的構造措施來達到這一目的；
2、在支撐的無約束非屈曲段的變截面處很容易發生平面外失穩，該發明的構件採用套筒端部封板頂緊（即，使套筒端部封板7與芯板加勁肋2之間無間隙）的方法來解決這一問題；
3、在芯板端部加勁板邊緣（即約束非屈曲段邊緣）處，很容易進入塑性，形成塑性鉸，使整個支撐芯板端部在此處發生剛性轉動，這樣一來，在塑性鉸轉動處就會給內套筒施加一個非常大的集中力，使內套筒產生局部鼓出。為了解決這一問題，該構件採用對內套筒壁板加肋的方法，一方面加強了內套筒壁板的平面外剛度，另一方面也使內套筒能夠很好的對芯板起到約束作用。具體實施方案是：在內套筒壁板3上每隔一定間距（例如100～200毫米）加設一個內套筒加勁肋4。
該發明TJI型屈曲約束支撐：其製作方法包括以下步驟：
（1）將芯板加勁肋2和芯板1用對接焊縫焊接在一起；
（2）將芯板約束板5和套筒壁板3用角焊縫焊接在一起；
（3）將焊接好芯板約束板5的內套筒壁板3進行拼裝，如圖3所示；
（4）將拼裝好的內套筒壁板3用對接焊縫焊接在一起；
（5）將套筒加勁肋4和套筒壁板3用角焊縫焊接在一起；
（6）再將外套筒壁板6進行拼裝，如圖3所示；
（7）將拼裝好的外套筒壁板6用對接焊縫焊接在一起。
為驗證該產品性能，製作了如下試件進行研究，試件尺寸和材料如表1所示。
類別 | 芯板 | 套筒 | 節點板 | 高強螺栓 | |||
尺寸 | 長度 （毫米） | 規格（毫米） | 長度 （毫米） | 規格（毫米） | 長度 （毫米） | 規格（毫米） | 長度（毫米） |
3143 | -290X20 | 2183 | 口248X12 | 710 | -100X16 | 95 | |
材料 | Q195 | Q235 | Q235 | 10.9 級 | |||
1、屈曲約束支撐的強度設計
屈曲約束支撐的屈服承載力Fd為：Fd＝RyfyA1＝1004.64kN
2、套筒的設計驗算
無約束非屈服段（連線段）的板件外伸寬厚比為：
3、節點設計
按節點設計要求驗算，在驗算時考慮了支撐壓拉承載力比、材料超強及應變硬化等效應的影響，經計算節點滿足要求。
由試驗所得力-位移曲線十分飽滿（如圖6所示），說明此屈曲約束支撐具有很好的耗能能力和低周疲勞性能。為此，該發明提供了一種新型屈曲約束支撐，可採用國產低碳鋼，如Q195鋼材、Q235鋼材以及國產低屈服鋼。這種新型支撐：（1）材料均為國產；（2）在鋼套管內沒有採用填充材料，完全通過鋼套管內的加勁肋等構造措施給支撐芯板提供穩定的約束作用，避免受壓芯材在彈性和塑性階段下的屈曲問題。通過對加勁鋼套筒屈曲約束支撐進行往復載入試驗，表明此種屈曲約束支撐具有穩定的滯回特徵和很好的耗能性能，是一種十分有效的耗能構件，滿足罕遇地震作用下建築結構1/50的樓層位移變形要求；用於多高層建築，可以提高結構的抗震性能。
榮譽表彰
2015年11月27日，《加勁鋼套筒屈曲約束支撐構件》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
