CN111691544A - 一种自复位钢框架抗侧力体系 - Google Patents

一种自复位钢框架抗侧力体系 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自复位钢框架抗侧力体系，包括基础、钢柱、横梁、悬臂墙和阻尼器；基础之间水平固定有基础梁；钢柱竖直布置在基础的顶面，且钢柱的底端与基础连接形成自复位柱脚结构；横梁水平布置，且端头与钢柱的侧壁连接；钢柱与其两侧连接的横梁形成自复位节点结构；悬臂墙固定在基础梁和上方相邻的横梁之间，或者固定在上下布置的两根相邻的横梁之间；悬臂墙的中部形成断口；阻尼器分别与断口的上下断面固定连接。本发明在常遇地震作用时，依靠结构的弹性变形抵抗地震作用；罕遇地震作用时，结构结点张开，自复位结构与阻尼器塑性变形耗散地震能量，共同保证节点和柱脚具有良好的自复位性能，实现整个体系的抗侧力、耗能与自复位功能。

Description

一种自复位钢框架抗侧力体系
技术领域
本发明涉及建筑结构体系技术领域，更具体的说是涉及一种受力明确、传力清晰、有较强耗能性能的自复位钢框架抗侧力体系。
背景技术
发生自然灾害时，地震与台风主要在水平方向对结构产生激励作用，因此作为主要抵抗水平荷载作用的抗侧力体系成为了保护结构安全的最关键一环。设置抗侧力体系，不仅能确保结构满足正常使用和承载能力极限状态的刚度、强度以及延性要求，还能较好地发挥材料的性能，获得良好的经济效益。
目前，传统抗震思想以保护生命为首要目标，通过延性设计避免结构在强震下发生倒塌。然而，这种延性设计是以允许结构主要受力构件发生塑性变形为代价的。另一方面，由于地震作用的不确定性，结构在使用期间可能会遭受到比设防烈度更强的地震作用并导致结构发生严重损伤甚至倾覆。近些年的地震灾害结果表明，地震中建筑倒塌和人员死亡的数量虽已经得到了有效控制，但是地震所造成的直接与间接经济损失数额巨大，其中城市功能的中断带来的间接经济损失已超过直接经济损失。近年来，许多研究者提出了可恢复功能结构的概念。地震可恢复功能结构是指地震后不需修复或者稍加修复即可恢复使用功能的结构，其主要目的是使结构具备震后快速恢复使用功能的能力，从而减轻由于结构震后功能中断带来的影响。
因此，研究出一种具有极强的抵抗水平荷载能力、自复位性能和耗能能力，同时还具有优良的延性和抗疲劳性能的自复位钢框架抗侧力体系，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种自复位钢框架抗侧力体系，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自复位钢框架抗侧力体系，包括：基础、钢柱、横梁、悬臂墙和阻尼器；
所述基础之间水平固定有基础梁；
所述钢柱竖直布置在所述基础的顶面，且所述钢柱的底端与所述基础连接形成自复位柱脚结构；
所述横梁水平布置，且端头与所述钢柱的侧壁连接；所述钢柱与其两侧连接的横梁形成自复位节点结构；
所述悬臂墙固定在所述基础梁和上方相邻的所述横梁之间，以及固定在上下布置的两根相邻的所述横梁之间；所述悬臂墙的中部形成断口；
所述阻尼器分别与所述断口的上下断面固定连接。
通过上述技术方案，本发明提供的体系在常遇地震作用时，结构各节点闭合，与传统结构一致，依靠结构的弹性变形抵抗地震作用；罕遇地震作用时，结构结点张开，避免主体结构产生塑性损失，与此同时自复位柱脚结构、自复位节点结构与阻尼器塑性变形耗散地震能量，共同保证节点和柱脚具有良好的自复位性能，最终实现整个体系的抗侧力、耗能与自复位功能。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述自复位柱脚结构包括预埋钢板、悬挑板、锚杆和第一碟型弹簧组；
所述预埋钢板预埋固定在所述基础内部；
所述悬挑板水平固定在所述钢柱靠近所述基础的侧壁上；
所述锚杆的数量为多个，且竖直布置；所述锚杆的两端分别穿过所述悬挑板和预埋钢板，并通过第一高强螺母紧固；
所述第一碟型弹簧组套设在所述锚杆的顶端，且顶紧在所述悬挑板的顶面和顶端的所述第一高强螺母之间。
结构发生摆动，钢柱底部的悬挑板倾斜并压迫第一碟形弹簧组，第一碟形弹簧组产生反力迫使结构回到初始位置，从而达到使柱脚结构自复位的效果；同时由于第一碟形弹簧组上第一高强螺母的限制，结构最大摇摆位受第一高强螺母高度限制，增加了摇摆可控性。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述基础顶面开设有用于所述钢柱***的限位凹槽；所述钢柱的底端固定有底板；所述底板和所述限位凹槽之间固定有缓冲橡胶垫。设置在钢柱底端的缓冲橡胶垫在震中能起到缓冲作用，且限位凹槽实现对钢柱底部侧向位移的控制。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述悬挑板的底面和所述钢柱的侧壁之间固定有支撑板。能够有效提高悬挑板的结构稳定性。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述自复位节点结构包括端板、高强拉杆和C型消能钢板；
所述端板固定在所述横梁的端头；
所述高强拉杆的数量为多个，且水平穿过所述钢柱侧壁和两块所述端板，并通过第二高强螺母在其两端端头紧固；所述高强拉杆至少一端套设有顶紧在所述端板和第二高强螺母之间的第二碟型弹簧组；
所述C型消能钢板的数量为多块；所述C型消能钢板的两端分别与所述钢柱的侧壁和所述横梁的翼缘固定连接。
在地震中，横梁发生摆动时，通过梁柱之间的C型消能钢板实现震中耗散地震能量；当横梁上下摆动时，连接梁柱的多组高强拉杆上的第二碟形弹簧组的形变增大，从而实现框架结构的震后快速自复位；最终实现梁柱节点的耗能与自复位功能，解决了地震后梁柱残余变形大的问题，使结构具有在震中消能、震后快速恢复使用功能的能力。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，在所述自复位节点结构中，所述钢柱的两侧壁之间焊接固定有多块加劲肋，且所述加劲肋在所述高强拉杆之间和上下布置。提高钢柱侧壁的强度。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，多块所述加劲肋的最高布置水平面与所述横梁的顶面平齐，最低布置水平面与所述横梁的底面平齐。既能够提高钢柱的强度，又能够提高钢柱和横梁连接的结构强度。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述C型消能钢板的两端分别与所述钢柱的侧壁和所述横梁的翼缘焊接固定、或采用螺栓固定。C型消能钢板可以为易于更换维修的非永久连接，也可以是稳定的永久连接。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述钢柱为工字钢、或方钢管、或钢管混凝土。能够扩大本发明结构的使用范围。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述阻尼器为环形阻尼器。阻尼器也可以为弯曲屈服型阻尼器、弯剪屈服型阻尼器、剪切屈服型阻尼器等。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种自复位钢框架抗侧力体系，具有以下有益效果：
1、自复位能力强：各节点的碟形弹簧组在结构变形时产生恢复力，并与碟形弹簧组的预压力叠加形成自复位弯矩，共同保证节点和柱脚具有良好的自复位性能，实现大震作用下节点及柱脚无损伤或轻微损伤，保证结构震后使用功能不中断。
2、耗能能力强：已有研究表明自复位结构在地震作用时较传统结构有较大层间位移角，本发明在梁柱节点及层间布置阻尼器，充分发挥金属阻尼器塑性变形耗能特性。
3、结构组件功能独立、受力清晰、传力明确：主体结构竖向荷载由梁柱节点螺栓承担，有别于传统耗能角钢既承担抗剪又兼顾耗能用途，C型消能钢板受力易变形，不提升承载力抗剪力，方便主体结构受力计算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的整体结构示意图；
图2附图为本发明提供的自复位柱脚结构的结构示意图；
图3附图为本发明提供的自复位节点结构的结构示意图。
其中：
1-基础；
11-限位凹槽；
12-缓冲橡胶垫；
2-钢柱；
21-底板；
22-支撑板；
3-横梁；
4-悬臂墙；
41-断口；
5-阻尼器；
6-基础梁；
7-自复位柱脚结构；
71-预埋钢板；
72-悬挑板；
73-锚杆；
74-第一碟形弹簧组；
75-第一高强螺母；
76-刚性垫板；
77-翼缘加强板；
78-传力加强板；
8-自复位节点结构；
81-端板；
82-高强拉杆；
83-C型消能钢板；
84-第二高强螺母；
85-第二碟形弹簧组；
86-加劲肋。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参加附图1至附图3，本发明实施例公开了一种自复位钢框架抗侧力体系，包括：基础1、钢柱2、横梁3、悬臂墙4和阻尼器5；
基础1之间水平固定有基础梁6；
钢柱2竖直布置在基础1的顶面，且钢柱2的底端与基础1连接形成自复位柱脚结构7；
横梁3水平布置，且端头与钢柱2的侧壁连接；钢柱2与其两侧连接的横梁3形成自复位节点结构8；
悬臂墙4固定在基础梁6和上方相邻的横梁3之间，以及固定在上下布置的两根相邻的横梁3之间；悬臂墙4的中部形成断口41；
阻尼器5分别与断口41的上下断面固定连接。
为了进一步优化上述技术方案，自复位柱脚结构7包括预埋钢板71、悬挑板72、锚杆73和第一碟型弹簧组74；
预埋钢板71预埋固定在基础1内部；
悬挑板72水平固定在钢柱2靠近基础1的侧壁上；
锚杆73的数量为多个，且竖直布置；锚杆73的两端分别穿过悬挑板72和预埋钢板71，并通过第一高强螺母75紧固；
第一碟型弹簧组74套设在锚杆73的顶端，且顶紧在悬挑板72的顶面和顶端的第一高强螺母75之间。
为了进一步优化上述技术方案，基础1顶面开设有用于钢柱2***的限位凹槽11；钢柱2的底端固定有底板21；底板21和限位凹槽11之间固定有缓冲橡胶垫12。
为了进一步优化上述技术方案，悬挑板72的底面和钢柱2的侧壁之间固定有支撑板22。
为了进一步优化上述技术方案，自复位节点结构8包括端板81、高强拉杆82和C型消能钢板83；
端板81固定在横梁3的端头；
高强拉杆82的数量为多个，且水平穿过钢柱2侧壁和两块端板81，并通过第二高强螺母84在其两端端头紧固；高强拉杆82至少一端套设有顶紧在端板81和第二高强螺母84之间的第二碟型弹簧组85；
C型消能钢板83的数量为多块；C型消能钢板83的两端分别与钢柱2的侧壁和横梁3的翼缘固定连接。
为了进一步优化上述技术方案，在自复位节点结构8中，钢柱2的两侧壁之间焊接固定有多块加劲肋86，且加劲肋86在高强拉杆82之间和上下布置。
为了进一步优化上述技术方案，多块加劲肋86的最高布置水平面与横梁3的顶面平齐，最低布置水平面与横梁3的底面平齐。
为了进一步优化上述技术方案，C型消能钢板83的两端分别与钢柱2的侧壁和横梁3的翼缘焊接固定、或采用螺栓固定。
为了进一步优化上述技术方案，钢柱2为工字钢、或方钢管、或钢管混凝土。
为了进一步优化上述技术方案，阻尼器5为环形阻尼器。
为了进一步优化上述技术方案，悬壁墙4采用钢板剪力墙或钢筋混凝土组合剪力墙。
为了进一步优化上述技术方案，第一碟形弹簧组74的上下垫设有刚性垫板76。
为了进一步优化上述技术方案，当钢柱2为工字钢时，在自复位柱脚结构7中，钢柱2的翼缘内侧固定有翼缘加强板77，翼缘加强板77和底板21之间固定有传力加强板78。
当地震来临时，首先位于梁柱节点的C型消能钢板83耗散地震能量；其次体系中的悬壁墙4部分在震中提供了更大的刚度，墙间的阻尼器5通过变形耗散地震能量，降低结构的震动响应；最后，梁柱节点上的第二碟形弹簧组85的形变增大，钢柱2下部的锚杆73、第一碟形弹簧组74和悬挑板72等共同构成自复位柱脚，通过碟形弹簧组的预压力形成预压弯矩，共同保证节点和柱脚具有良好的自复位性能，最终实现整个体系的抗侧力、耗能与自复位功能。
本发明具有抗侧力、自复位和耗能能力强等特点，本发明概念清晰、施工方便、造价合理，将广泛应用于高层、超高层建筑结构中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，包括：基础(1)、钢柱(2)、横梁(3)、悬臂墙(4)和阻尼器(5)；
所述基础(1)之间水平固定有基础梁(6)；
所述钢柱(2)竖直布置在所述基础(1)的顶面，且所述钢柱(2)的底端与所述基础(1)连接形成自复位柱脚结构(7)；
所述横梁(3)水平布置，且端头与所述钢柱(2)的侧壁连接；所述钢柱(2)与其两侧连接的横梁(3)形成自复位节点结构(8)；
所述悬臂墙(4)固定在所述基础梁(6)和上方相邻的所述横梁(3)之间，以及固定在上下布置的两根相邻的所述横梁(3)之间；所述悬臂墙(4)的中部形成断口(41)；
所述阻尼器(5)分别与所述断口(41)的上下断面固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，所述自复位柱脚结构(7)包括预埋钢板(71)、悬挑板(72)、锚杆(73)和第一碟型弹簧组(74)；
所述预埋钢板(71)预埋固定在所述基础(1)内部；
所述悬挑板(72)水平固定在所述钢柱(2)靠近所述基础(1)的侧壁上；
所述锚杆(73)的数量为多个，且竖直布置；所述锚杆(73)的两端分别穿过所述悬挑板(72)和预埋钢板(71)，并通过第一高强螺母(75)紧固；
所述第一碟型弹簧组(74)套设在所述锚杆(73)的顶端，且顶紧在所述悬挑板(72)的顶面和顶端的所述第一高强螺母(75)之间。
3.根据权利要求2所述的一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，所述基础(1)顶面开设有用于所述钢柱(2)***的限位凹槽(11)；所述钢柱(2)的底端固定有底板(21)；所述底板(21)和所述限位凹槽(11)之间固定有缓冲橡胶垫(12)。
4.根据权利要求2所述的一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，所述悬挑板(72)的底面和所述钢柱(2)的侧壁之间固定有支撑板(22)。
5.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，所述自复位节点结构(8)包括端板(81)、高强拉杆(82)和C型消能钢板(83)；
所述端板(81)固定在所述横梁(3)的端头；
所述高强拉杆(82)的数量为多个，且水平穿过所述钢柱(2)侧壁和两块所述端板(81)，并通过第二高强螺母(84)在其两端端头紧固；所述高强拉杆(82)至少一端套设有顶紧在所述端板(81)和第二高强螺母(84)之间的第二碟型弹簧组(85)；
所述C型消能钢板(83)的数量为多块；所述C型消能钢板(83)的两端分别与所述钢柱(2)的侧壁和所述横梁(3)的翼缘固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，在所述自复位节点结构(8)中，所述钢柱(2)的两侧壁之间焊接固定有多块加劲肋(86)，且所述加劲肋(86)在所述高强拉杆(82)之间和上下布置。
7.根据权利要求6所述的一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，多块所述加劲肋(86)的最高布置水平面与所述横梁(3)的顶面平齐，最低布置水平面与所述横梁(3)的底面平齐。
8.根据权利要求5所述的一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，所述C型消能钢板(83)的两端分别与所述钢柱(2)的侧壁和所述横梁(3)的翼缘焊接固定、或采用螺栓固定。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，所述钢柱(2)为工字钢、或方钢管、或钢管混凝土。
10.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系，其特征在于，所述阻尼器(5)为环形阻尼器。
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