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申请/专利权人：中国地震局工程力学研究所

摘要：一种钢‑FRP组合构件，它属于极端荷载下空间网格结构的安全防护技术领域，涉及一种钢与FRP复合材料组合的同时具有抗冲击和减震能力的可更换金属阻尼器。本发明的目的是要解决传统防护构件在大跨空间结构抗爆炸冲击性能差与抗震性能差的问题。一种钢‑FRP组合构件包括外约束管、内约束管和内芯钢管，内芯钢管设置在外约束管内部，内约束管设置在内芯钢管内部，外约束管比内芯钢管短，内约束管比内芯钢管短，且钢‑FRP组合构件沿中心截面对称。优点：一、具有轻质高强的特点；二、结构形式简单，力学途径明确，性能可靠，安装方便；三、不存在明显的弱轴。本发明主要用于制备钢‑FRP组合构件。

主权项：1.一种钢-FRP组合构件，其特征在于一种钢-FRP组合构件包括外约束管1、内约束管2和内芯钢管3；内芯钢管3设置在外约束管1内部，且在内芯钢管3和外约束管1之间设置外柔性垫环4；内约束管2设置在内芯钢管3内部，且内约束管2与内芯钢管3之间设置内柔性垫环5，外约束管1比内芯钢管3短，内约束管2比内芯钢管3短；在内芯钢管3与外约束管1之间设置外间隙6，在外间隙6的两端内部设置外柔性垫环4；在内芯钢管3与内约束管2之间设置内间隙7，在内间隙7的两端内部设置内柔性垫环5；所述外约束管1与内约束管2的长度一致；所述内芯钢管3的壁厚为t，外约束管1的厚度为t1，内约束管（2）的厚度为t2，则t＜t1＜3t，t2≤t1；所述外约束管1的材质为FRP型材，所述内约束管2的材质为FRP型材。

全文数据：一种钢-FRP组合构件技术领域本发明属于极端荷载下空间网格结构的安全防护技术领域，涉及一种钢与FRP复合材料组合的同时具有抗冲击和减震能力的可更换金属阻尼器。背景技术大跨空间结构被广泛地应用于各种交通枢纽、会展中心、综合体育场馆等大型公共设施。大跨空间结构作为一个城市的地标性建筑，不仅具有重大的政治、经济意义，同时还常被作为灾害的主要避难场所而汇集大量人员。对于刚性大跨空间结构，传统观念认为地震作用是其最主要的动力荷载。然而，近年来，全球恐怖袭击事件频发，公共安全的形势愈发紧张，大跨空间结构比普通结构更容易成为恐怖袭击的对象，各种类型的恐怖袭击也已逐渐成为空间网格结构所面临的新威胁。然而，对于空间网格结构，一直以来缺乏专门抗冲击措施。传统结构设计并未考虑爆炸冲击等一系列新的问题。多数专门的抗爆防御措施设计复杂、耗资巨大、且对于空间网格结构不适用等问题，所以难以被大规模推广。同时，随着空间网格结构跨度的不断增大，竖向地震作用的影响愈加明显。仅仅只通过布置下部支承结构的减隔震措施的减震效果有限。此时，在屋盖结构自身同时增设减隔震耗能装置可以更好地消耗地震的能量。但是，目前已有的防屈曲支撑多以混凝土和钢材为主要原料，不仅自重大，而且易锈蚀，震后不易修复或更换等诸多缺陷，导致其在大跨空间结构中的应用受到限至。发明内容本发明的目的是要解决传统防护构件在大跨空间结构抗爆炸冲击性能差与抗震性能差的问题，而提供一种钢-FRP组合构件。一种钢-FRP组合构件，它包括外约束管、内约束管和内芯钢管；内芯钢管设置在外约束管内部，且在内芯钢管和外约束管之间设置外柔性垫环；内约束管设置在内芯钢管内部，且内约束管与内芯钢管之间设置内柔性垫环，外约束管比内芯钢管短，内约束管比内芯钢管短。防屈曲支撑的减震原理：在构件轴向受压的情况下，内芯钢管的屈曲模式多为沿着管壁轴向方向发生面外屈曲，此时，在内芯钢管内外双侧同时设置FRP复合材料约束构件即外约束管和内约束管，可以有效地抑制内芯钢管过早地发生低阶屈曲变形，极大程度地增大构件受压极限承载力。利用FRP复合材料轻质高强的材料特性，在不过多增加构件重量的同时又能抑制内芯钢管过早发生整体屈曲的特点，实现了其内部低屈服点钢材在拉压往复过程中不断屈服持续耗能的工作方式。抗爆炸冲击工作原理：当受到爆炸冲击作用时，组合支撑可首先通过外部FRP材料即外约束管作为第一道防线有效地抵御爆炸冲击波的瞬时作用。对于较大的爆炸冲击荷载，外部FRP约束可保证内芯钢管不会因为发生明显的塑性变形而丧失耗能能力。即便是部分构件在某些极端情况下发生较大能量的冲击作用时，本发明的钢-FRP组合支撑的内FRP约束管即内约束管还具有一定的刚度，仍然可以充当空间结构的第二道防线，从而有效地避免因为个别构件的破坏而导致结构整体刚度严重下降甚至整体倒塌的情况。当爆炸冲击作用较小时，空间网格结构中各个构件未出现明显的弯曲变形，整体结构以小幅度振动为主，此时本发明的钢-FRP组合支撑主要充当阻尼器起到持续耗能的作用，从而有效地减小结构的振动幅度，降低发生严重破坏的风险。实现了通过减震措施解决大跨空间结构的抗震及抗爆炸冲击等多灾种安全防御问题。本发明的有益效果：一、本发明采用钢材与FRP组合而成，而FRP型材具有密度小、强度高和耐腐蚀的特点，因此本发明一种钢-FRP组合构件具有轻质高强的特点；二、本发明一种钢-FRP组合构件结构形式简单，力学途径明确，性能可靠，安装方便；在地震发生时能够有效好散结构的地震作用，减小结构地震响应；在受到爆炸冲击作用时，外约束管可以作为结构的第一道防线，有效地抵御此类瞬态荷载的破坏作用；内约束管作为第二道防线，在极端荷载下有效的防止钢-FRP组合构件发生弯曲变形；三、本发明一种钢-FRP组合构件的截面为圆形，不存在明显的弱轴，非常适用于空间网格结构这类复杂的结构形式；四、本发明一种钢-FRP组合构件属于耗能阻尼器，而且被安装在次要构件位置，受灾破坏后可以对其进行更换，便于后期维护；四、为了保证工作中外约束管和内约束管的充分约束作用，因此外约束管和内约束管工作中不承担轴力，所以设计成外约束管和内约束管比内芯钢管短，避免由于受压变形导致内外约束管承受传递轴向压力；但是因为内芯钢管与外约束管和内约束管长度不同，为了避免外约束管和内约束管的错动，因此需要对其进行限位。本发明一种钢-FRP组合构件通过柔性垫层固定内芯钢管与外约束管和内约束管的相对位置。在未受力或者受力较小时，柔性垫环能有效地控制各组件相对位置。当受力较大时，由于其属于弱连接，几乎不能传递轴力，从而避免内外约束构件受到轴力作用而影响其约束性能。并且这种设置有效地避免了焊接或者开洞对钢内芯造成的焊接残余应力影响。附图说明图1是本发明所述一种钢-FRP组合构件的结构示意图；图中1表示外约束管，2表示外约束管，3表示内心钢管；图2是图1沿B-B的放大剖视图，图中1表示外约束管，2表示外约束管，3表示内心钢管，6表示外间隙，7表示内间隙；图3是图1中A区域的放大图，图中1表示外约束管，2表示外约束管，3表示内心钢管，4表示外柔性垫环，5表示内柔性垫环，6表示外间隙，7表示内间隙；图4是加载制度曲线；图5是试验后照片，图中A表示实施例1得到的钢-FRP组合构件，B表示实施例2得到的两层钢-FRP组合构件；图6是实施例2得到的两层钢-FRP组合构件滞回曲线；图7是实施例1得到的钢-FRP组合构件滞回曲线。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式是一种钢-FRP组合构件，它包括外约束管1、内约束管2和内芯钢管3；内芯钢管3设置在外约束管1内部，且在内芯钢管3和外约束管1之间设置外柔性垫环4；内约束管2设置在内芯钢管3内部，且内约束管2与内芯钢管3之间设置内柔性垫环5，外约束管1比内芯钢管3短，内约束管2比内芯钢管3短。利用外柔性垫环4阻止外约束管1沿内芯钢管3轴向滑动，且保证内芯钢管3露在外约束管1外的两端长度相等。利用内柔性垫环5阻止内约束管2沿内芯钢管3轴向滑动，且保证内芯钢管3内部没有被内约束管2约束的两端长度相等。由于FRP型材具有密度小、强度高、耐腐蚀、可设计性强、耐久性好、加工过程工业化程度高等一系列优点，因此本发明将FRP型材应用于大跨空间结构的耗能支撑当中。在进行防屈曲支撑的设计时，常采用约束比设计法进行近似设计。约束比是支撑整体弯曲失稳临界承载力与内芯单元受压屈服承载力的比值，即：η＝PcrPy。其中，Pcr是支撑整体弯曲失稳时的临界承载力；Py是芯材的屈服承载力。根据欧拉公式Pcr＝π2l2EI，当该种支撑的长度l，连接形式，材料均确定后，式中仅有惯性矩I是变量，因此，稳定承载力取决于支撑横截面上的材料的有效分布方式。从公式中，等惯性矩的材料具有相同的约束比。但这只是一个近似的理想设计公式。假设有两个支撑构件，其中一个仅有外约束管约束1，另一个有外约束管1和内约束管2进行约束，但两个构件具有相同的约束比，此问题中即相等的惯性矩。在轴向受压的情况下，钢管的屈曲形式多为沿着管壁轴向方向发生面外一阶或者高阶屈曲，此时，如果仅有单一外侧约束，那么钢管还可以像另外一侧即内侧发生变形。但是，如果内外两侧同时受到约束，能够更好地限制钢管的面外变形，受压时候起到更好的屈曲约束作用。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：在内芯钢管3与外约束管1之间设置外间隙6，在外间隙6的两端内部设置外柔性垫环4。其他与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一的不同点是：在内芯钢管3与内约束管2之间设置内间隙7，在内间隙7的两端内部设置内柔性垫环5。其他与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点是：所述外约束管1与内约束管2的长度一致。其他与具体实施方式一至三相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点是：所述内芯钢管3的壁厚为t，外约束管1的厚度为t1，内约束管2的厚度为t2，则t＜t1＜3t，t2≤t1。其他与具体实施方式一至四相同。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：所述外约束管1的材质为FRP型材，所述内约束管2的材质为FRP型材。其他与具体实施方式一至五相同。本实施方式所述的FRP型材为GFRP型材。具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同点是：所述外约束管1的截面呈圆形，内约束管2的截面呈圆形，内芯钢管3的截面呈圆形。其他与具体实施方式一至六相同。本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。采用下述试验验证本发明效果实施例1：一种钢-FRP组合构件，它包括外约束管1、内约束管2和内芯钢管3；内芯钢管3设置在外约束管1内部，在内芯钢管3与外约束管1之间设置外间隙6，在外间隙6的两端内部设置外柔性垫环4；内约束管2设置在内芯钢管3内部，在内芯钢管3与内约束管2之间设置内间隙7，在内间隙7的两端内部设置内柔性垫环5，外约束管1的长度为4120mm，内芯钢管3的长度为4300mm，内约束管2的长度为4120mm；外间隙6为1.5mm；内间隙7为1.5mm，内芯钢管3露在外约束管1外的两端长度相等，且外约束管1与内约束管2的两端对正。所述内芯钢管3的外径为121mm，所述内芯钢管3的壁厚为4mm，外约束管1的厚度为6mm，内约束管2的厚度为6mm。所述外约束管1的材质为GFRP型材，所述内约束管2的材质为GFRP型材。所述外约束管1的截面呈圆形，内约束管2的截面呈圆形，内芯钢管3的截面呈圆形。实施例2：无内约束管对比实施例：两层钢-FRP组合构件包括外约束管和内芯钢管，在内芯钢管与外约束管之间设置外间隙，在外间隙的两端内部设置外柔性垫环，外约束管的长度为4120mm，内芯钢管的长度为4300mm；外间隙为1.5mm，内芯钢管3露在外约束管1外的两端长度相等。所述内芯钢管的外径为121mm，所述内芯钢管的壁厚为4mm，外约束管的厚度为6mm。所述外约束管的材质为GFRP型材。所述外约束管的截面呈圆形，内芯钢管的截面呈圆形。轴向拉压拟静力试验：根据构造形式，对实施例1得到的钢-FRP组合构件和实施例2得到的两层钢-FRP组合构件进行拟静力对比试验。经过MTS试验机对其开展往复轴向加载作用，加载制度如下图4所示。试验结束后，通过两个试件试验结果的对比可以发现：实施例2得到的两层钢-FRP组合构件发生整体屈曲，而实施例1得到的钢-FRP组合构件没有发现整体屈曲破坏，试验最终破坏现象差别明显，其破坏如图5所示，图5是试验后照片，图中A表示实施例1得到的钢-FRP组合构件，B表示实施例2得到的两层钢-FRP组合构件。滞回曲线：对实施例1得到的钢-FRP组合构件和实施例2得到的两层钢-FRP组合构件的滞回曲线进行对比，如图6和图7所示，图6是实施例2得到的两层钢-FRP组合构件滞回曲线，图7是实施例1得到的钢-FRP组合构件滞回曲线，由图6和图7可知，在其他条件相同情况下，通过增设内约束管，使得该构件在往复荷载作用下的滞回曲线更加饱满，耗能性能更好，且并未提前发生整体屈曲。

权利要求：1.一种钢-FRP组合构件，其特征在于一种钢-FRP组合构件包括外约束管1、内约束管2和内芯钢管3；内芯钢管3设置在外约束管1内部，且在内芯钢管3和外约束管1之间设置外柔性垫环4；内约束管2设置在内芯钢管3内部，且内约束管2与内芯钢管3之间设置内柔性垫环5，外约束管1比内芯钢管3短，内约束管2比内芯钢管3短。2.根据权利要求1所述的一种钢-FRP组合构件，其特征在于在内芯钢管3与外约束管1之间设置外间隙6，在外间隙6的两端内部设置外柔性垫环4。3.根据权利要求1所述的一种钢-FRP组合构件，其特征在于在内芯钢管3与内约束管2之间设置内间隙7，在内间隙7的两端内部设置内柔性垫环5。4.根据权利要求1所述的一种钢-FRP组合构件，其特征在于所述外约束管1与内约束管2的长度一致。5.根据权利要求1所述的一种钢-FRP组合构件，其特征在于所述内芯钢管3的壁厚为t，外约束管1的厚度为t1，内约束管2的厚度为t2，则t＜t1＜3t，t2≤t1。6.根据权利要求5所述的一种钢-FRP组合构件，其特征在于所述外约束管1的材质为FRP型材，所述内约束管2的材质为FRP型材。7.根据权利要求1所述的一种钢-FRP组合构件，其特征在于所述外约束管1的截面呈圆形，内约束管2的截面呈圆形，内芯钢管3的截面呈圆形。

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