一种采用GFRP角钢约束的防屈曲耗能支撑结构技术领域
本发明属于土木工程结构减震抗风技术领域，一种采用GFRP角钢约束的防
屈曲耗能支撑结构。
背景技术
现代建筑结构在设计过程中必须要考虑建筑结构的抗震性能，特别是位于
地震高发区的建筑结构。除了需要预防地震破坏外，许多建筑结构的设计还需
要考虑其抗风性能。
耗能减震结构体系与传统的抗震结构体系相比，在安全性、经济性和技术
合理性方面都要优越一些。传统抗震结构的基本原理是通过增强结构本身的抗
震性能(强度、刚度)来抵御地震作用，即依靠结构本身和承重构件的损坏来
储存、转换和消耗地震能量。结构抗震能力主要取决于结构的弹塑性变形能力
与滞回环耗能能力，而结构本身不具备自我调节的能力，可以说是被动消极的
抗震措施。
耗能减震结构体系由于设有非承重耗能构件(耗能支撑、耗能剪力墙等)，
他们具有较大的耗能能力，在强震中耗能元件能率先进入耗能状态，消耗输入
结构中的地震能量及衰减结构的地震反应，保护主体结构和构件免遭损坏，从
而确保结构在强震中的安全性。耗能减震结构是通过“柔性消能”的方式减少
结构的地震反应，主体结构和消能装置分工明确，主体结构的承重构件负责承
受主要荷载，而消能装置并非承重构件，仅承担为结构提供较大阻尼，耗散输
入结构的地震能量的作用。这样一方面能够减少结构构件的设置、断面和配筋,
另一方面由于消能装置的协调合作，耗散了一部分地震能量，从而提高了结构
整体的抗震安全度。工程资料表明，采用消能减震结构体系,对于新建建筑可以
节省结构5％～10％的造价。随着建筑技术的不断发展，高强轻质材料越来越多的
被采用，结构构件断面越来越小，房屋高度越来越高，结构跨度也越来越大，
若要满足结构抗震的要求，已无法采用传统抗震理论中的单纯依靠构件的强度
和刚度，以“硬碰硬”的方式来抵御地震的方法，而耗能减震结构则更加倾向
于“以柔克刚”，结构越高、越柔、跨度越大，消能减震效果越显著。因而，
耗能减震结构更加适应现代建筑技术的发展。
现在的建筑结构系统中，框架结构和框架-支撑结构应用十分广泛。纯框架
结构的抗侧刚度有限，在地震和强风荷载作用下，侧向位移较大，限制了他的
应用高度。框架-支撑结构在一定程度上解决了结构抗侧刚度的问题，但其在强
震作用下受压时易产生屈曲现象，极易造成支撑本身或连结的破坏与失效，同
时支撑屈曲后的滞回性能能力变差，很难有效的耗能，使结构的抗震能力降低。
为解决支撑受压屈曲的问题，一些学者研发出一种能防止屈曲的支撑构件，称
为防屈曲耗能支撑。防屈曲耗能支撑一般由3部分组成，即核心单元、约束单
元及滑动机制单元。常见的防屈曲耗能支撑包括两种类型，即灌浆型和纯钢型。
灌浆型指约束材料为混凝土材料，而纯钢型则指整个产品仅使用钢材的情况。
灌浆型产品为早期产品，在各国使用较为广泛，而纯钢型则相对发展较晚，但
由于其自身优势明显，已开始在各国大面积使用。但是，这两种类型的防屈曲
耗能支撑存在一个共同问题，就是支撑装置自身重量太大，给安装和应用带来
很大不便。
社会科学技术和土木工程结构学科发展迅速,这在很大程度上得益于性质
优异的新材料、新技术的应用和发展。其中GFRP(GlassFiberReinforcedPlastics)
以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需
求,正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程
中,受到了结构工程界的广泛关注。GFRP各方面性能如下：(1)抗拉强度高。
GFRP的抗拉强度均明显高于钢筋,与高强钢丝抗拉强度差不多,一般是钢筋
的2倍甚至达10倍。(2)GFRP材料抗腐蚀、抗疲劳性能好,可以在酸、碱、
氯盐和潮湿的环境中长期使用,因而可提高结构的使用寿命,这是其它结构材
料难以做到的。(3)重量很轻，但强度很高，即通常所说的轻质高强。因此采
用GFRP材料可减轻结构自重，施工方便,其重量一般为钢材的20％。(4)良
好的可设计性。GFRP属于人工材料，可根据工程需要采用不同纤维材料、纤维
含量和铺陈方式等不同工艺设计出不同强度指标、弹性模量及特殊性能要求的
GFRP产品，且GFRP产品形状可灵活设计。(5)可工厂化生产，现场安装，
有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。
发明内容
本发明的目的是要解决现有防屈曲支撑存在的以下两方面问题：(1)现有的
灌浆型和纯钢型防屈曲支撑存在自重大、不易安装的问题；(2)焊接连接装配式
防屈曲支撑存在对约束部件产生损伤,而且一旦焊接完成,约束部件不易分开,
分开时也必将损坏约束部件的问题。
本发明的技术方案：
一种采用GFRP角钢约束的防屈曲耗能支撑结构，包括芯板、防摩擦层、GFRP
角钢、GFRP高强螺栓、安装节点板和加劲肋；
该防屈曲耗能支撑结构的纵向构成分为三部分：无约束非屈服段a、约束非
屈服段b和约束屈服段c；
约束屈服段c为防屈曲耗能支撑结构的中间段，完全包裹在约束部件GFRP
角钢中，其截面采用一字形；约束非屈服段b是约束屈服段c的延伸部分，包
裹在约束部件GFRP角钢中，通过焊接加劲肋6增大约束非屈服段b的截面宽
度；无约束非屈服段a是约束非屈服段b的延伸部分，其未被约束部件GFRP
角钢包裹，其为支撑与框架结构连接的部分；避免安装节点板5与约束部件GFRP
角钢3之间接触，在无约束非屈服段a处设置外部预留空间d；
该防屈曲耗能支撑结构以中间窄两端宽的芯板1为主体结构，芯板两端加
宽的区域分别对称设有两个加劲肋板6，形成端部为十字形的结构；芯板1的两
端延伸部分为十字形安装节点板5，安装节点板5上设有螺孔，支撑结构通过
GFRP高强螺栓4和安装节点板5与框架结构连接；四个GFRP角钢3分别设置
在芯板1周围，组成十字形，再通过GFRP高强螺栓与芯板1固定在一起。所
述的芯板1与约束部件GFRP角钢3之间还设有防摩擦层2。
所述的芯板1为典型的低屈服点钢—08F钢，它的屈服强度只有176N/mm2，
且其屈服强度离散程度很小，只有±20N/mm2，没有明显的屈服点，并且延性滞
回性能很好，在很小的变形时就屈服耗能，是一种非常好的耗能能材料。
所述的防摩擦层2为无粘结可膨胀材料，如橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶等，
可有效减少或消除芯板1与约束部件GFRP角钢3间的摩擦力和剪力。
本发明的有益效果：
1、GFRP角钢约束的防屈曲耗能支撑结构与其它一般防屈曲支撑相比，约
束部件为采用GFRP材料的角钢，其自身重量轻，且强度高，即通常所说的轻
质高强。除此外，其抗腐蚀、抗疲劳性能好,可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环
境中长期使用,因而可提高结构的使用寿命；
2、GFRP角钢约束的防屈曲耗能支撑结构的芯板和GFRP角钢是通过螺栓
组装在一起的，当角钢或内核芯板发生损坏后可方便拆卸，易于更换；
3、GFRP角钢约束的防屈曲耗能支撑结构通过螺栓连接到节点板上，可避
免现场焊接及检测，安装方便且经济。
附图说明
图1是本发明的整体结构模型图。
图2是本发明的内部结构组成图。
图3是本发明的两端截面图。
图4是本发明的外部平面结构组成图。
图5是本发明的A-A截面图。
图6是本发明的B-B截面图。
图中：1芯板；2防摩擦层；3GFRP角钢；4GFRP高强螺栓；5安装节点板；
6加劲肋；a无约束非屈服段；b约束非屈服段；c约束屈服段；d外部预留
空间。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种GFRP角钢约束的防屈曲耗能支撑结构，其加工步骤及
具体实施方式如下：
加工步骤：
一、制备芯板1并焊接加劲肋板6：在防屈曲支撑的内核单元芯板的约束非
屈服段焊接加劲肋板6,得到带加劲肋板的防屈曲支撑内核单元芯板1；二、制
备GFRP角钢3：根据步骤一得到的带加劲肋板的防屈曲支撑内核单元芯板1，
制备四个完全相同的，且大小合适的GFRP角钢3；三、制备GFRP高强螺栓4：
利用GFRP材料制备一定数量的高强螺栓4；四、在GFRP角钢3上钻孔：依据
步骤二和三得到的GFRP角钢3和GFRP高强螺栓4，在GFRP角钢3上面钻取
适合螺栓的螺栓孔；五、无粘结处理：以橡胶作为无粘结防摩擦层2对步骤一
得到的带加劲肋板的防屈曲支撑内核单元芯板1进行无粘结处理,得到无粘结处
理后的防屈曲支撑内核单元；六、组装包裹：利用步骤二得到的四个GFRP角
钢3和步骤三得到的GFRP高强螺栓4，将步骤五得到的无粘结处理后防屈曲支
撑内核单元夹住组装在一起,完成组装得到GFRP角钢约束的防屈曲耗能支撑结
构。最后将GFRP角钢约束的防屈曲耗能支撑结构通过GFRP高强螺栓4和安
装节点板5上连接到框架结构上。
在地震作用下，防屈曲支撑装置所承受的轴向力作用全部由支撑中心的芯
板1承受，该芯板1在轴向拉力和压力作用下屈服耗能；而外围的约束部件GFRP
角钢3提供给芯板1弯曲限制，来增加芯板1的刚度，防止芯板1在受压时发
生整体屈曲并约束其局部屈曲，使芯板1在拉力和压力作用下都能达到全截面
的充分屈服，保证滞回曲线的稳定；由于泊松效应，芯板1在受压情况下会膨
胀，因此在芯板1和约束部件GFRP角钢3之间设有一层无粘结防摩擦层橡胶
片层2，可以减少或消除芯板1受轴力时传给约束部件GFRP角钢3；在约束非
屈服段，芯板1上设有加劲肋6来增加构件截面积，以此确保其在弹性阶段工
作。