一种震后自复位屈曲约束支撑及其设计方法

本发明属于土木工程，涉及建筑结构的减震技术，具体为一种震后自复位屈曲约束支撑及其设计方法。

背景技术：

1、建筑结构减震技术是为减轻建筑结构在地震作用下的响应，对建筑结构采取的工程技术措施。在工程建设时需要对建筑结构进行抗震设计并采取减震技术措施，最大程度地限制和减轻建筑结构的地震破坏，以避免人员伤亡和减少经济损失。提高建筑结构的震后可恢复功能是近年来土木工程及地震工程领域的研究热点。

2、当前应用较为广泛的建筑结构减震方式之一是通过向结构中布置屈曲约束支撑作为“保险丝”，并通过屈曲约束支撑耗散地震向建筑结构中输入的能量，以达到减震目的。例如专利申请号为cn202320849047.x的中国专利文献，其公开了一种抵抗倒塌的防屈曲支撑结构，通过采用x形布置的支撑杆和连接件，以及抗压阻尼机构和连接加固机构，能够显著增强耗能能力和提高结构抗震及抵御倒塌能力。现有技术中还通过增加屈曲约束措施来克服屈曲支撑在受压过程中耗能金属内芯发生局部屈服的问题，为结构提供拉压对称的耗能能力，并利用耗能金属的塑性变形能力，在一定程度上避免结构在地震作用下发生严重损伤。但是现有屈曲约束支撑所安装的结构震后存在较大残余位移，对结构使用功能造成影响。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中所描述的屈曲约束支撑震后存在残余位移的技术问题，本发明提出了一种震后自复位屈曲约束支撑及其设计方法。

2、本发明的震后自复位屈曲约束支撑是具有超塑性变形能力的震后免维护新型耗能支撑，作为现有屈曲约束支撑的更优替代产品，并在此基础上采用sma丝束提供自复位能力，以消除结构震后的残余位移，形成具有自复位能力且具备多道设防能力的屈曲约束支撑。其中，sma丝束是指形状记忆合金丝束，sma是shape memory alloy的缩写。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

4、本发明一种震后自复位屈曲约束支撑，包括：

5、屈曲约束支撑段；

6、偏心连接件，设置在屈曲约束支撑段的相对两端部，且两端部的偏心连接件沿屈曲约束支撑段的中心横截面呈中心对称；

7、以及sma丝束，设置在屈曲约束支撑段的相对两端部，且与屈曲约束支撑段和偏心连接件均活动连接，形成自复位结构；

8、所述屈曲约束支撑段包括第一屈曲约束板、第二屈曲约束板和耗能部；所述第一屈曲约束板通过sma丝束与偏心连接件连接；所述第二屈曲约束板与第一屈曲约束板层叠设置，且所述第二屈曲约束板通过sma丝束与偏心连接件连接；所述耗能部夹持在第一屈曲约束板与第二屈曲约束板之间；

9、所述偏心连接件使屈曲约束支撑段在建筑结构的弹性范围内发生变形时进行偏心旋转，防止屈曲约束支撑段过早进入屈服耗能状态。

10、进一步限定，所述偏心连接件包括：

11、偏心耳板，所述偏心耳板上偏离中心位置处设置有偏心片；所述偏心片内偏离中心位置处设置有偏心孔；

12、端板，与偏心耳板连接；

13、第一连接段，与端板连接，且与偏心耳板相对设置；

14、自复位连接段，与第一连接段呈一体式连接，且与sma丝束活动连接；

15、以及传力档条连接段，与自复位连接段呈一体式连接，且与屈曲约束支撑段接触；与第一连接段相对设置。

16、进一步限定，所述偏心连接件还包括加劲板，所述加劲板设置在端板与第一连接段的连接处，防止第一连接段远离屈曲约束支撑段的部分发生面外屈服。

17、进一步限定，所述第一屈曲约束板，通过sma丝束与第一连接段接触连接；所述第二屈曲约束板通过sma丝束与第一连接段接触连接；所述耗能部与传力档条连接段接触连接。

18、进一步限定，所述耗能部包括：

19、耗能片，夹持在第一屈曲约束板与第二屈曲约束板之间，且与传力档条连接段接触连接；

20、以及传力档条，设置在耗能片的外侧并对耗能片进行传力及限位固定；且夹持在第一屈曲约束板与第二屈曲约束板之间，并与传力档条连接段接触连接。

21、进一步限定，所述耗能片包括耗能段以及设置在耗能段两端部的夹持段，且所述夹持段和耗能段均夹持在第一屈曲约束板与第二屈曲约束板之间，所述耗能片的耗能段和夹持段共同组成狗骨型结构；

22、传力档条的边缘是经光滑曲线渐变的狗骨型结构，并与耗能片的狗骨型结构相匹配；

23、在地震作用下，所述耗能片作为建筑结构减震第一道防线，抵抗并消耗地震输入能量；当所述耗能片损坏后，所述传力档条作为第二道防线，继续抵抗并消耗地震输入能量，实现建筑结构减震的多道设防。

24、进一步限定，第一屈曲约束板的两端部和第二屈曲约束板的两端部均并列设置有多组sma丝束，每组sma丝束均依次与第一屈曲约束板、自复位连接段和第二屈曲约束板通过锚头活动连接，且多组sma丝束在第一屈曲约束板、自复位连接段和第二屈曲约束板之间交错穿插设置。

25、进一步限定，所述第一屈曲约束板靠近耗能部的表面设置有第一屈曲约束板润滑涂层，以减小第一屈曲约束板与耗能部之间的摩擦力；所述第二屈曲约束板靠近耗能部的表面设置有第二屈曲约束板润滑涂层，以减小第二屈曲约束板与耗能部之间的摩擦力。

26、本发明一种震后自复位屈曲约束支撑的设计方法，包括以下步骤：

27、制作形成上述的震后自复位屈曲约束支撑；

28、在初始状态下，第一屈曲约束板的两端部和第二屈曲约束板的两端部的sma丝束提供的恢复力互相平衡；其中，第一屈曲约束板的厚度和第二屈曲约束板的厚度均大于两端部的第一连接段厚度的20%，确保震后自复位屈曲约束支撑的整体约束比大于1；

29、偏心片的端面和偏心孔的端面均为圆形，偏心片的端面半径和偏心孔的端面半径之间满足以下条件：

30、

31、式中，r1为偏心片的端面半径，单位：m；r2为偏心孔的端面半径，单位：m；为建筑结构的层间位移角，取值为1/550，无量纲；为震后自复位屈曲约束支撑与水平面之间的夹角，单位：°；为建筑结构的层高，单位：m；

32、在自复位状态下，当第一屈曲约束板的一端或第二屈曲约束板的一端与自复位连接段之间的位移由于震后自复位屈曲约束支撑轴向变形导致该端sma丝束变形减小时，对应的第一屈曲约束板的另一端或第二屈曲约束板的另一端与自复位连接段之间的位移增大，使得该端sma丝束变形增大，从而实现自复位。

33、进一步限定，在自复位状态下，建筑结构的层间位移角与耗能片的厚度之间的关系为：

34、

35、式中，ds1为耗能片的厚度，单位：m；dprall为耗能的宽度，单位：m；为震后自复位屈曲约束支撑与水平面之间的夹角，单位：°；为建筑结构的层高，单位：m；为建筑结构的层间位移角，取值为1/550，无量纲；为建筑结构的层间位移角限值，无量纲。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

37、1、本发明一种震后自复位屈曲约束支撑，其通过sma丝束、屈曲约束支撑段和偏心连接件形成的结构为自复位结构。sma丝束是形状记忆合金形成的丝束，具有很好的自复位性能，用于为屈曲约束支撑段提供自复位能力，使得屈曲约束支撑段在震后可消除残余位移，结合耗能片高疲劳寿命的特点，可实现震后免维护的效果。

38、2、本发明一种震后自复位屈曲约束支撑，其在屈曲约束支撑段的相对两端部设置偏心连接件，偏心连接件可以在建筑结构的弹性范围内发生变形时进行偏心旋转，防止屈曲约束支撑段过早进入屈服耗能状态，即过早发生变形，避免屈曲约束支撑段过早损耗。另外，本发明通过偏心连接件的偏心旋转还可消除建筑结构的施工误差，便于安装。

39、3、本发明将耗能片作为第一道减震防线，通过耗能片的塑性变形提供变形能力，锌铝合金耗能片断裂时工程应变转换为真应变后高达1.06，利用其制成的震后自复位屈曲约束支撑具有出色的变形能力。

40、4、本发明一种震后自复位屈曲约束支撑，在自复位状态下，当第一屈曲约束板的一端或第二屈曲约束板的一端与自复位连接段之间的位移由于屈曲约束支撑段轴向变形导致该端sma丝束变形减小，从而导致恢复力减小时，对应的第一屈曲约束板的另一端或第二屈曲约束板的另一端与自复位连接段之间的位移增大，使得该端sma丝束变形增大、恢复力增大，从而实现自复位功能，使得自恢复效果更好。

41、5、本发明震后自复位屈曲约束支撑的自复位原理实现简单，由此制成的震后自复位屈曲约束支撑安装方便、体积小，可灵活布置于墙内等狭小空间，降低对建筑结构使用功能的影响。