[发明专利]碳纤维增强冷弯薄壁方钢管防屈曲耗能支撑

说明书

技术领域

本发明涉及一种防屈曲耗能支撑，其内填纳米碳纤维(Carbon nanofibers)混凝土，外包约束为碳纤维增强材料和冷弯薄壁方钢管的构件，属于结构工程抗震涉及领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量及轻质量等诸多优点，将其应用在冷弯薄壁方钢管的防屈曲耗能支撑结构中，以达到增强外包约束钢管的约束效果，使碳纤维增强钢管防屈曲耗能支撑的破坏是始于内核钢材的材料破坏，而非外部约束钢管的破坏，并在加载的过程中能保持完好。采用纤维增强复合材料的约束机制，能使外包冷弯薄壁方钢管的约束效果在原有的基本上获得约20％～30％左右的提升；为了进一步巩固使用碳纤维增强复合材料的增强效果，在外包冷弯薄壁方钢管的四个角上，再进行两层碳纤维复合材料的局部增强，以改善始于方钢管四个角的破坏形态；在支撑制作处理时，将外包钢管的四个角改为圆弧形，根据设计的弧度按照倒角进行处理，转角处的构件表面曲率不小于20mm规定；为保证外包约束钢管的耐久性，用由环氧富锌底漆、环氧(云铁)中间漆及聚硅氧烷面漆所构成防腐涂层体系进行防腐处理；外包钢管的内填混凝土，采用纳米碳纤维混凝土。将纳米碳纤维掺入内填混凝土中，利用纳米碳纤维强度高、抗疲劳、纤维密度低等优点，所形成新的复合材料将在很大程度上改善混凝土的力学性能，获得更好的承载力及减震能力；方钢管的外包碳纤维复合材料，均采用有机胶粘进行粘接，制作时要分三层完成外部的包裹。

发明内容

本发明的目的是屈曲约束机构的外包钢管采用冷弯薄壁方钢管截面，冷弯薄壁方钢管的四个角设置成圆弧形，以保证外包碳纤维增强布与冷弯薄壁方钢管之间的紧密贴合。同时，在外包冷弯薄壁方钢管的表面设置防腐的涂层体系；在冷弯薄壁方钢管外部用三层碳纤维布增强材料进行二次约束包裹。同时，在冷弯薄壁方钢管与三层碳纤维布之间，又采用两层碳纤维布对四个角进行局部上的增强，这种设计形成了双环套箍的约束效果；方钢管内填纳米碳纤维混凝土，这种改性的混凝土将大大提升整个防屈曲耗能支撑的变形能力，耗能减震的效果佳；外包碳纤维增强布为三层，每一层碳纤维增强材料采用有机胶进行胶粘，通过严格的制作工艺保证胶粘的质量；防屈曲耗能支撑的连接方式可采用铰接形式，或固接形式，设置于支撑的两边端部，用以实现支撑构件与组合框架结构之间的连接。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种碳纤维增强冷弯薄壁方钢管防屈曲耗能支撑，该支撑由约束屈服段、约束非屈服段、屈曲约束机构、隔离无粘结层、无约束非屈服段、三层碳纤维增强布包裹、两层碳纤维布局部增强组成；该支撑包括外包约束冷弯薄壁方钢管1、三层碳纤维增强布2、内填纳米碳纤维混凝土3、内核钢芯4、加强端板5、圆形连接孔6、加劲板7、铰接板8、空隙9、隔离无粘结层10、两层碳纤维增强布11、角钢12、防腐涂层体系13；具体而言，外包约束冷弯薄壁方钢管1的截面为方形圆角结构；三层碳纤维增强布2包裹在外包约束冷弯薄壁方钢管1的外面，在外包约束冷弯薄壁方钢管1与三层碳纤维增强布2之间的四个角处用两层碳纤维增强布11进行局部加强；外包约束冷弯薄壁方钢管1的中间设有内核钢芯4，外包约束冷弯薄壁方钢管1与内核钢芯4之间填充有内填纳米碳纤维混凝土3；外包约束冷弯薄壁方钢管1的两端面分别设有两加强端板5；铰接板8设置在沿外包约束冷弯薄壁方钢管1的两端面垂直方向上，且与加强端板5相垂直；加劲板7上下连接加强端板5与铰接板8；所述铰接板8上设有圆形连接孔6；所述内核钢芯4与内填纳米碳纤维混凝土3的接触处设有隔离无粘结层10。

所述加强端板5与外包约束冷弯薄壁方钢管1内的内核钢芯4之间的钢筋衔接处留有空隙9，且端部衔接钢筋与内核钢芯4垂直。

外包约束冷弯薄壁方钢管1的外表面的四个角上设有两层纤维增强布11；同时外包约束冷弯薄壁方钢管1与三层碳纤维增强布2之间设有约束钢管表面防腐涂层体系13；在外包三层碳纤维增强布2的四个角处，采用角钢12进行局部增强。

所述约束屈服段由内核芯材4构成，内核芯材4采用屈服强度值稳定的钢材，其截面形状为一字形或十字形或I字形或箱形或槽形等，内核钢芯4的工作段长度由外包冷弯薄壁约束方钢管1确定，其厚度根据实际情况进行选取。

约束非屈服段在内填纳米碳纤维混凝土3与加强端板5之间设置足够的预留空间，其值大小取外包方钢管长度的1％～3％。

屈曲约束机构由外包约束冷弯薄壁方钢管1和内填纳米碳纤维混凝土3组成。