CN101260692B - 免承重力抗震钢支撑体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种免承重力抗震钢支撑体系。它由多个八字形斜支撑单元叠加而成，八字形斜支撑单元包括钢柱、钢梁、钢斜支撑、钢梁牛腿、螺栓、钢薄垫片、支撑牛腿、支撑节点，两钢斜支撑底部与两钢柱下端和钢梁汇交处经支撑节点相连接，两钢斜支撑上端设有支撑牛腿，与焊接在钢梁下的钢梁牛腿侧面通过螺栓相连接，钢梁牛腿上的螺栓孔是竖向为长轴的椭圆孔，钢梁两端与钢柱上端经支撑节点相连接，支撑牛腿与钢梁牛腿之间设有钢薄垫片。本发明中的钢斜支撑百分之百的承载力和刚度用于抵抗水平地震作用，不影响工程施工进度，就地取材。它具有抗震性能好、延性高、耗能滞回环饱满等特点，是一种优越的抗震耗能构件。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构工程技术领域，尤其涉及一种免承重力抗震钢支撑体系。
背景技术
钢斜支撑是传统的增强单层、多层和高层钢结构的抗侧刚度和抗侧承载力的钢结构构件，钢斜支撑布置于钢框架结构中，使得抗侧力的机制发生根本性的变化：从钢框架的梁柱受弯抵抗侧力，变为钢支撑作为斜腹杆、梁作为水平腹杆、柱作为左右弦杆的桁架，通过两个柱子的拉压力抵抗侧向力的弯矩，斜腹杆的拉压力的水平分力抵抗侧向力的剪力。因为设置钢斜支撑后，结构变为轴力抗侧力体系，刚度成几十倍地增大，使得钢结构适用于建造更高的建筑。
设置钢斜支撑的目的，是提高结构的抗侧刚度，提高结构的抗侧力强度。但是遗憾的是，由于钢斜支撑的两端与梁柱刚接连结，使得柱子在竖向重力荷载作用下产生压缩变形时，钢斜支撑也产生压缩变形，钢斜支撑内出现了重力荷载产生的应力，而且这个应力不小，按照变形协调计算，钢斜支撑内产生的应力往往达到柱子应力的70％。使得本应该用于抵抗侧向力的斜支撑，大部分的刚度和承载力被竖向荷载消耗掉了。
其他抗侧力结构，例如带竖缝的剪力墙、钢板支撑剪力墙、钢板剪力墙，防屈曲支撑等存在相同的问题。虽然设计规范要求这些构件不承担竖向荷载，但是与梁柱连接的构造决定了它们必然承担竖向力。
为了使得上述与钢结构配套使用的抗侧力构件尽量小地承担竖向荷载，经常要求这些构件在整个结构安装到顶、大部分的竖向荷载都已经到位传递到柱子上以后，再回过头来安装这些抗侧力构件。
但是这样一来，给施工带来了很大问题：(1)建筑的施工工期延长了。(2)由于立柱已经压缩，斜支撑的长度与图纸尺寸发生变化，必须采取措施，有时现场测量长度后再去制作构件，才能顺利安装。这进一步延长的施工工期。(3)由于此时楼板已经浇筑完毕，工人被迫在没有塔吊的情况下施工，对重构件移位，非常不便。上述原因导致《高层建筑钢结构技术规程》(JGJ98-99)附录中列入的几种抗侧力构件几乎在国内没有应用。个别工程的应用也带来了很大的争议。天津津塔工程原设计要求钢板剪力墙后固定，因为工期的原因，改成了与柱子同步固定，用钢量增加了很多。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种免承重力抗震钢支撑体系。
免承重力抗震钢支撑体系由多个八字形斜支撑单元叠加而成，八字形斜支撑单元包括钢柱、钢梁、钢斜支撑、钢梁牛腿、螺栓、钢薄垫片、支撑牛腿、支撑节点，两钢斜支撑底部与两钢柱下端和钢梁汇交处经支撑节点相连接，两钢斜支撑上端设有支撑牛腿，支撑牛腿与固定在钢梁上的钢梁牛腿侧面通过螺栓相连接，钢梁两端与钢柱上端在支撑节点处连接，支撑牛腿与钢梁牛腿之间设有钢薄垫片，钢薄垫片6厚度为1～5mm。
所述的支撑牛腿、钢梁牛腿和钢薄垫片的螺栓连接孔为竖向椭圆孔，椭圆孔的长轴是短轴的1.5～2.5倍，短轴比螺栓栓杆直径大1～3mm。
所述的支撑牛腿7与钢梁2之间的间隙为30～70mm，钢梁牛腿4与钢斜支撑3之间间隙为30～70mm。
多个八字形斜支撑单元叠加是多个八字形斜支撑单元叠加、多个八字形斜支撑单元倒置叠加或多个八字形斜支撑单元间隔倒置叠加。本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)因为本钢支撑不承受竖向荷载，不预先承担压力，减缓和延迟了钢支撑性能在地震过程中的退化，钢支撑结构体系的抗震性能得到显著改善；
2)完全不影响工程的进度。
目前有些抗侧力构件，要求在整个结构封顶、所有钢筋混凝土楼板都浇筑完毕，才能最终对抗侧力构件继续固定，例如目前日本采用的防屈曲支撑体系。因为这影响了后续工序(例如水电设备安装和建筑装修)，这对建筑物的建设周期产生很大的影响，导致业主不愿意采用。采用本项发明的免承重力钢支撑体系后，每一层的施工同梁柱同步进行，对施工没有任何的影响。
3)就地取材
防屈曲支撑采用低屈服点钢，生产量少，导致价格昂贵。免承重力钢斜支撑，采用同一工程中钢梁和钢柱相同的钢材。
附图说明
图1为本发明的人字形免承重力抗震钢支撑体系示意图。
图2为本发明的倒人字形免承重力抗震钢支撑体系示意图。
图3是本发明的人字形和倒人字形免承重力钢支撑体系组合布置示意图
图4为本发明的人字形免承重力抗震钢支撑体系单元分解图。
图4中标注的数字指向的构件和元件依此为：钢柱1、钢梁2、钢斜支撑3、钢梁牛腿4、螺栓5、钢薄垫片6、支撑牛腿7、支撑节点8
具体实施方式
免承重力抗震钢支撑体系由多个八字形斜支撑单元叠加而成，八字形斜支撑单元包括钢柱1、钢梁2、钢斜支撑3、钢梁牛腿4、螺栓5、钢薄垫片6、支撑牛腿7、支撑节点8，两钢斜支撑3底部与两钢柱1下端和钢梁2汇交处经支撑节点8相连接，两钢斜支撑3上端设有支撑牛腿7，支撑牛腿7与固定在钢梁2上的钢梁牛腿4侧面通过螺栓5相连接，钢梁2两端与钢柱1上端经支撑节点8相连接，支撑牛腿7与钢梁牛腿4之间设有钢薄垫片6。钢薄垫片6厚度为1～5mm。
所述的支撑牛腿7、钢梁牛腿4和钢薄垫片6的螺栓连接孔为竖向椭圆孔，椭圆孔的长轴是短轴的1.5～2.5倍。短轴比螺栓栓杆直径大1～3mm。
所述的支撑牛腿7与钢梁2之间的间隙为30～70mm，钢梁牛腿4与钢斜支撑3之间间隙为30～70mm。
多个八字形斜支撑单元叠加是多个八字形斜支撑单元叠加、多个八字形斜支撑单元倒置叠加或多个八字形斜支撑单元间隔倒置叠加。
本发明提出了通过梁与支撑连接节点的构造，使得人字支撑竖向允许钢梁产生位移，从而不会将竖向荷载传导到支撑，钢斜支撑不参与承受竖向荷载；支撑和钢梁之间水平方向紧密接触，不产生水平相对滑移，在钢框架在水平地震作用下产生侧移时，支撑点也同时出现水平侧移，支撑参与承担水平力，发挥了抗震作用。
免承重力抗震钢支撑体系的具体实施可以参考图1～图4来说明：
1)钢柱1和钢梁2组成了钢框架，钢框架抗侧刚度低，所以增加钢斜支撑3。两根斜支撑汇交到梁的中间，如何像目前所做的那样，不采取特殊措施，支撑将仿佛是钢梁的中间支座，钢梁上的大部分竖向荷载将传递到支撑上。现在，在本发明中，钢斜支撑不直接与钢梁连接，而是两根斜支撑会合后向上做出一小段工字形截面牛腿，与钢梁下伸的工字形截面牛腿，采用侧面螺栓连接，螺栓孔在支撑牛腿或者在钢梁牛腿上是长方向是竖向的椭圆孔，且支撑上的牛腿顶部离开梁的下表面还有30mm～70mm的距离，从而允许支撑牛腿和钢梁牛腿能够竖向相对错动，钢梁上的竖向荷载就不会传递到支撑上。
2)免承重力抗震钢支撑的安装步骤是：(a)假定钢柱和下部钢梁已经安装好；(b)开始吊装已经组装好的钢斜支撑，就位，矫正，临时固定，上紧螺栓，部分少量焊接；(c)然后吊装上部钢梁，此时支撑牛腿要套入两个钢梁牛腿之间或者钢梁牛腿要套入两个支撑牛腿之间，因此牛腿之间需要一定的间隙以方便安装，间隙为2mm～5mm。(d)钢梁就位后，与钢柱临时固定，然后高强螺栓永久固定，梁柱节点焊接。(e)梁柱节点完工后，安装支撑牛腿和钢梁牛腿之间的螺栓，牛腿之间为了方便安装预留的空隙，采用1mm，2mm，3mm的薄钢片填塞到基本没有空隙，薄钢片上面打大螺栓孔，以免方便安装。
3)免承重力抗震钢支撑体系的设计方法是：
(a)按照结构整体分析，两根斜支撑分别承受拉力和压力，支撑按照受压屈曲承载力设计，选择截面，并限制支撑的平面内外的长细比和组成板件的宽厚比和高厚比。
(b)螺栓的选择是，在罕遇地震作用下，两根支撑一拉一压、拉杆屈服压杆屈曲，螺栓应该能够传递竖向力抗拉承载力和受压屈曲承载力在竖向分力的差值。在平常情况下，这些螺栓并不参与传力，而是靠支撑牛腿与钢梁牛腿的直接接触传递水平力。
(c)支撑牛腿和钢梁牛腿的大小，要求能够承担受拉支撑全截面屈服拉力和受压支撑屈曲承载力的水平分力的合力。
(d)与支撑直接连接的钢梁的设计，应按照压弯杆进行，并且应能够承受受拉屈服和受压屈曲承载力的竖向分力。为了使得钢梁的截面尺寸保持在合理的水平，设计支撑时内力不放大。
(e)与支撑直接连接的钢柱的设计，要求在支撑架本身范围内，强柱弱梁仍然得到满足，钢柱的轴压力应按照最薄弱层支撑受压屈曲力比上设计地震力下该支撑受到的压力的比值进行放大地震力，然后与重力荷载产生的轴力组合，按照这个组合内力进行设计或者直接对柱子按照中震弹性要求进行设计。
Claims (2)
1.一种免承重力抗震钢支撑体系，其特征在于由多个八字形斜支撑单元叠加而成，八字形斜支撑单元包括钢柱(1)、钢梁(2)、钢斜支撑(3)、钢梁牛腿(4)、螺栓(5)、钢薄垫片(6)、支撑牛腿(7)、支撑节点(8)，两钢斜支撑(3)底部与两钢柱(1)下端和钢梁(2)汇交处经支撑节点(8)相连接，两钢斜支撑(3)上端设有支撑牛腿(7)，支撑牛腿(7)与固定在钢梁(2)上的钢梁牛腿(4)侧面通过螺栓(5)相连接，钢梁(2)两端与钢柱(1)上端在支撑节点(8)处连接，支撑牛腿(7)与钢梁牛腿(4)之间设有钢薄垫片(6)；所述的支撑牛腿(7)、钢梁牛腿(4)和钢薄垫片(6)的螺栓连接孔为竖向椭圆孔，椭圆孔的长轴是短轴的1.5～2.5倍，短轴比螺栓栓杆直径大1～3mm；所述的钢薄垫片(6)厚度为1～5mm；所述的支撑牛腿(7)与钢梁(2)之间的间隙为30～70mm，钢梁牛腿(4)与钢斜支撑(3)之间间隙为30～70mm。
2.根据权利要求1所述的一种免承重力抗震钢支撑体系，其特征在于所述的多个八字形斜支撑单元叠加是多个八字形斜支撑单元叠加、多个八字形斜支撑单元倒置叠加或多个八字形斜支撑单元间隔倒置叠加。
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