CN101343894A - 横向支撑系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于在建筑物中将支柱附接到横梁的横向支撑系统。所述横向支撑系统包含一对屈曲抑制块，每一屈曲抑制块附接到横梁的顶部和底部凸缘。每一屈曲抑制块包含穿过所述块的中心而形成的一个或一个以上孔。所述横向支撑系统进一步包含用于每一屈曲抑制块的至少一个下塌链。每一下塌链包含附接到所述支柱的第一末端和穿过屈曲抑制块中的孔而安装并附接到所述屈曲抑制块的末端的第二末端。

Description

横向支撑系统
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2006年12月22日申请的题为“Moment Frame Connector”的第60/871,587号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及对于轻型框架建筑物中所使用的结构的滞后阻尼，且明确地说，涉及一种横向支撑系统，其经构造以提供通过滞后阻尼实现的高度能量耗散以及提供较高初始刚性，使得能量在轻型框架建筑物内在较低力阈值下耗散。
背景技术
由于例如地震活动和大风等自然现象引起的剪切应力可能对轻型框架建筑物的结构完整性具有破坏性影响。此类自然现象期间所产生的横向力可导致墙壁顶部相对于墙壁底部横向移动，这种移动可导致对墙壁的破坏或结构损坏，且在一些情况下，可导致房屋倒塌。
在例如住宅和小型建筑的建筑物中，已经开发出横向支撑系统来抵制剪切应力对轻型框架建筑物的结构完整性可能产生的破坏性影响。尽管已知各种设计，但一种类型的横向支撑系统包含彼此间隔的垂直间柱和附接到所述间柱并在所述间柱之间延伸的水平横梁。所述横梁以旨在增加横向负载下连接的结构性能的方式附接到间柱。
许多常规横向支撑系统最初在横向负载下性能良好，但在显著的地震活动和大风期间经常发生的反复横向负载下下塌并失效。在横向支撑系统明显下塌或失效时，必须更换整个系统。
与结构的负载无关的另一个考虑因素是工作人员可在工地上建立此类结构的容易度和有效性。增加建筑时间、复杂性和成本的一项任务是必须在工地上将组件焊接在一起。通常优选螺栓连接，因为其可较快、有效地且在不需要与焊接相关联的额外设备和劳动力成本的情况下实现。
发明内容
本发明的实施例概括地说涉及一种用于在建筑物中将支柱附接到横梁的横向支撑系统。在实施例中，所述横向支撑系统包含一对屈曲抑制块，所述屈曲抑制块每一者焊接到横梁的顶部和底部凸缘。每一屈曲抑制块包含穿过块中心而形成的一个或一个以上孔。所述横向支撑系统进一步包含用于每一屈曲抑制块的至少一个下塌链。每一下塌链包含附接到支柱的第一末端和穿过屈曲抑制块中的孔而安装并附接到屈曲抑制块的末端的第二末端。
所述横向支撑系统具有足够的刚性和硬度以在所施加横向负载下提供高度的抗偏转能力。然而，在高于可控且可预测水平的横向负载下，本发明的结构实现下塌链的稳定下塌。以此方式，所施加横向负载被滞后阻尼而远离系统，且高度能量得到耗散，进而防止对框架造成破坏。此外，下塌链的能量耗散和稳定下塌允许框架抵挡住横向负载下的反复偏转而不会失效。
在实施例中，可将横梁运送到已焊接、胶合或以另外方式附接有屈曲抑制块的工地。一旦运送到工地上，就可将下塌链插入到屈曲抑制块中的孔中，并附接到屈曲抑制块和支柱。因此，工地上需要最小限度地制造本发明的横向支撑系统。
附图说明
图1是根据本发明实施例通过横向支撑系统连接到支柱的横梁的透视图。
图2是根据图1的横向支撑系统的正视图。
图3到5是根据本发明另一实施例通过横向支撑系统连接到支柱的横梁的透视图。
图6是图3到5所示的横向支撑系统的正视图。
图7是图3到5所示的横向支撑系统的俯视图。
图8是图3到5所示的横向支撑系统的下塌链的侧视图。
图9是图3到5所示的横向支撑系统的屈曲抑制块的端视图。
图10是图3到5所示的横向支撑系统的屈曲抑制块的侧视图。
图11是根据本发明替代实施例的下塌链的侧视图。
图12是根据本发明替代实施例的屈曲抑制块的侧视图。
图13是本发明实施例的框架的横向负载与横向位移的曲线图。
具体实施方式
现将参看图1到13描述本发明，在本发明实施例中图1到13涉及一种横向支撑系统，其具有较高的初始刚性且包含能够在横向负载下有效地耗散横向支撑系统内产生的能量的下塌链。应了解，本发明可用许多不同形式实施，且不应解释为限于本文陈述的实施例。事实上，提供这些实施例是为了使本揭示案将详尽且完整，并将把本发明完全传达给所属领域的技术人员。当然，本发明希望涵盖这些实施例的替代形式、修改和等效物，这些包含在由所附权利要求书界定的本发明范围和精神内。此外，在本发明的以下详细描述中，陈述大量具体细节以便提供对本发明的彻底理解。然而，所属领域的技术人员将了解，可在没有此类具体细节的情况下实践本发明。
现参看图1和2，展示部分由附接到垂直支柱104的水平横梁102组成的框架100。横梁102和支柱104的每一者包含一对通过中心隔板连接的相对凸缘。尽管称为垂直支柱和水平横梁，但应了解，在替代实施例中，支柱和横梁可以除90°以外的角度彼此附接。横梁102借助于包含横向支撑系统的横梁短柱110而附接到支柱104。所述横向支撑系统由一对屈曲受抑制加撑装置112组成，横梁短柱110的顶部和底部凸缘的每一者上有一个屈曲受抑制加撑装置112。每一屈曲受抑制加撑装置112包含平坦的“狗骨”形下塌链114，其在其第一末端处焊接或胶合到横梁短柱110的凸缘，并在其第二末端处焊接或胶合到支柱104的凸缘(“狗骨”形是指其在中心部分比在其端部处窄)。覆盖每一下塌链114的中心部分的是屈曲抑制块116。块116焊接或胶合到横梁短柱110的各个凸缘。
可在横梁短柱110与支柱104之间进一步提供剪切突出部122。剪切突出部122可通过焊接、胶合或螺栓连接而附接到支柱104的凸缘，并通过焊接、胶合或螺栓连接而附接到横梁短柱110的中心隔板。横梁短柱110额外包含端板124，其焊接在横梁短柱的与剪切突出部122相对的末端。端板124可螺栓连接到类似的端板126以将横梁102附接到横梁短柱110，如下文所解释。
在操作中，所述对屈曲受抑制加撑装置112协同操作以对抗横向负载下横梁相对于支柱的旋转(即，围绕剪切突出部122旋转)。第一方向上的试旋转将使装置112中的第一者置于拉伸状态并使装置中的第二者置于压缩状态。相反方向上的试旋转将使装置中的第一者置于压缩状态并使第二者置于拉伸状态。
各个装置112的下塌链114对于横向负载下支柱104与横梁102之间的相对移动提供较高的初始刚性和抗拉力，但在高于可预测且可控水平的横向负载下提供稳定下塌和能量耗散。明确地说，支柱和横梁的弯曲强度可设计成超过下塌链114的力矩容量，且明确地说，超过下塌链114的较薄中心部分的力矩容量。因此，下塌链114在支柱或横梁下塌或失效之前在横向负载下下塌，且任何破坏均限于下塌链，而下塌链可容易地移除并进行更换。屈曲抑制块116防止下塌链在压缩负载下屈曲。提供剪切突出部122是为了对抗垂直负载下的垂直剪切力(即，沿着支柱104的长度)。
此外，如参照以上和以下实施例描述的提供在横梁102与支柱104之间的横向支撑系统允许省略常规上提供为横梁的一部分的横向扭转屈曲抑制系统。也就是说，在现有技术系统中，提供横向扭转屈曲抑制系统作为横梁的一部分以在过度横向负载下下塌。这些横向扭转屈曲抑制系统包含下塌链和横向支撑来防止横梁的屈曲。通过使用根据本发明的横向支撑系统，可省略现有技术中建置于横梁上的横向扭转屈曲抑制系统。能够经由链力矩容量的有限上限来控制通过根据本发明的横向支撑系统(其与横梁本身分离)对横梁的输入需求，允许将横梁设计成没有支撑的。其还允许将横梁和支柱设计成在极限下塌链连接力矩容量的水平下保持弹性。
在横向负载下，下塌链114对下塌链所附接到的支柱104的凸缘施加力。因此，视需要，可将连续板130附接到支柱104的受影响凸缘以对抗由下塌链施加的力。
如背景技术中所解释的，需要避免在工地上进行焊接。因此，在实施例中，可如下完成横梁102与支柱104的组装和连接。在到达工地之前，可将下塌链114的第一末端和屈曲抑制块116焊接或胶合到横梁短柱110。还可将端板124焊接或胶合到短柱110。
接着可通过将下塌链114的第二末端焊接/胶合到支柱104的凸缘，并将剪切突出部焊接/胶合到支柱104的隔板，而将横梁短柱110焊接或胶合到支柱104。接着可将剪切突出部螺栓连接到横梁短柱110的隔板。接着可将接合的横梁短柱110与支柱104运送到工地。包含横梁短柱110允许所有焊接/胶合均在支柱到达工地之前发生。可将端板126焊接或胶合到横梁102，且接着可将横梁运送到工地。一旦运送到工地，就可通过将端板124与126螺栓连接在一起而将横梁102附接到横梁短柱110。
现参看图3到12解释本发明的替代实施例。在此实施例中，提供一种横向支撑系统，其允许省略横梁短柱110并提供较简单但有效的设计。首先参看图3到7，框架200部分由附接到垂直支柱104的水平横梁102组成。尽管称为垂直支柱和水平横梁，但应了解，在替代实施例中，支柱和横梁可以除90°以外的角度彼此附接。
横梁102借助于横向支撑系统而附接到支柱104。所述横向支撑系统由一对屈曲受抑制加撑装置212组成，横梁102的顶部和底部凸缘的每一者上有一个屈曲受抑制加撑装置212。每一屈曲受抑制加撑装置212包含一个或一个以上圆柱形下塌链214，每一圆柱形下塌链214在其末端处包含螺纹，如下文所解释。可在屈曲抑制块216内提供每一组一个或一个以上下塌链214，所述屈曲抑制块216焊接、胶合或以另外方式附接到横梁102的上部和下部凸缘。
可在横梁102与支柱104之间进一步提供剪切突出部222。剪切突出部122可通过焊接、胶合或螺栓连接而附接到支柱104的凸缘，并通过焊接、胶合或螺栓连接而附接到横梁102的中心隔板。视需要，可将支柱凸缘加强件230附接到支柱104的凸缘以对抗由下塌链施加的力。
图8展示圆柱形下塌链214的实施例的侧视图，且图9和10分别展示屈曲抑制块216的实施例的端视和侧视图。圆柱形下塌链214可由钢形成，且包含第一和第二螺纹末端240、242以及位于末端240与242之间的中心部分244。中心部分244优选地具有比末端240、242小的直径，使得当下塌时(如下文所解释)，下塌链214在中心部分244处下塌。可提供锥形部分246和248以从末端240、242的直径平滑地过渡到中心部分244。尽管未图示，但末端240和242可斜切以允许容易地插入到屈曲抑制块216中。中心部分244可包含肋状物250，其目的在下文中解释。可能形成由与末端240和242不同的材料制成的中心部分244，其中中心部分具有较低的弹性模数。在此类实施例中，中心部分可具备与末端240相同的直径，且仍是在高于中心部分下塌点的张应力下首先下塌的部分。
在图8的实施例中，末端242可具有比末端240大的直径。作为一个实例，末端242可具有1.30英寸的直径，末端240可具有1.25英寸的直径，且中心部分244除了在肋状物250处外可具有1.00英寸的直径，肋状物250可具有1.25英寸的直径。应了解，在替代实施例中，以上尺寸的每一者可在所陈述的值上下彼此成比例或不成比例地变化。
屈曲抑制块216可以是由例如铝或钢等金属制成的块，其具有穿过其中而形成的一个或一个以上孔260，以用于接纳一个或一个以上下塌链214。孔260可具有与肋状物250和/或末端240的直径近似相同的直径，其中末端264稍大以接纳下塌链214的螺纹末端242。块216的长度(沿着横梁102的长度)可以是(例如)6.50英寸，宽度(跨越横梁102的凸缘的宽度)可近似等于或稍许小于横梁102的凸缘的宽度，例如为7.00英寸，且块216可具有2.50英寸的高度。当块216包含一对孔260时，孔的中心线之间可彼此间隔4.00英寸。应了解，在替代实施例中，这些尺寸的每一者可彼此成比例或不成比例地变化。
块216可包含末端262和与末端262相对的末端264，当如下文所解释那样组装装置112时下塌链214的末端240突起穿过所述末端262。孔260的一部分可拧在末端264附近，以便接纳下塌链的螺纹末端242，如下文所解释。
可将横梁102运送到已焊接、胶合或以另外方式附接有块216的工地。可将支柱运送到已焊接、胶合或以另外方式附接有剪切突出部222的工地。现参看图6到10，一旦运送到工地上，就可将下塌链214插入到孔260中，其中下塌链214的末端240首先插入到块216的末端264中(即，从图6和7的视角来看为从右向左)。下塌链的较小直径部分240、244和250穿过较大直径的孔260，直到有螺纹的下塌链末端242与孔的螺纹末端啮合为止。此时，末端242可被拧到块末端264中以将下塌链214附接到屈曲抑制块216。下塌链214的末端242可包含头部以将链驱动到块中，但在替代实施例中可省略所述头部。
对于每一下塌链214，将所述链拧入直到链末端240从块末端262突起为止。如(例如)图6中看到，接着将螺帽270拧到链末端240上，末端240穿过支柱104的凸缘中所形成的孔，且将第二螺帽272拧到末端240上。一旦螺帽270和272在支柱凸缘的相对侧向下变紧，屈曲受抑制加撑装置212就固定在适当位置以对抗横梁102与支柱104之间的移动。
明确地说，所述对屈曲受抑制加撑装置212协同操作以对抗横向负载下横梁102相对于支柱104的旋转。各个装置212的下塌链214对于横向负载下支柱104与横梁102之间的相对移动提供较高的初始刚性和抗拉力，但在高于可预测且可控水平的横向负载下提供中心部分244处的稳定下塌和能量耗散。明确地说，支柱和横梁的弯曲强度可设计成超过下塌链214的部分244的力矩容量。因此，下塌链214在支柱或横梁下塌或失效之前在横向负载下下塌，且任何破坏均限于下塌链，而下塌链可容易地移除并进行更换。
屈曲抑制块216防止下塌链在压缩负载下屈曲。明确地说，孔260相对于下塌链214的中心部分244的直径的相对直径限制了下塌链可能屈曲的量。如上文所陈述，中心部分244可包含肋状物250。肋状物250的加大直径进一步限制了下塌链214可能在屈曲抑制块216的孔260内屈曲的量。在实施例中，可能存在三个肋状物250，但在替代实施例中可能存在一个、两个或三个以上肋状物250。在另外的实施例中，可完全省略肋状物250。
在参看图8到10描述的实施例中，链末端242具有比链末端240大的直径，进而允许下塌链自由地穿过屈曲抑制块216，直到链末端242与块末端264中的螺纹啮合为止。在图11的替代实施例中，下塌链214具有拥有相等直径的末端240和242，例如1.25英寸。在此类实施例中，块216可具有沿着其整个长度具有螺纹的孔260，如图12所示。图11和12的实施例可在较小直径的中心部分中具有或不具有肋状物的情况下操作。
根据上文参看图1到12描述的本发明实施例，横向支撑系统具有足够的刚性和硬度以在所施加横向负载下提供高度的抗偏转能力。然而，在高于可控且可预测水平的横向负载下，本发明的结构实现下塌链的稳定下塌。以此方式，所施加横向负载被滞后阻尼而远离系统，且高度能量得到耗散，进而防止对框架造成破坏。此外，下塌链的能量耗散和稳定下塌允许框架100抵挡住横向负载下的反复偏转而不会失效。
在下塌后链被破坏的情况下，可简单地通过移除并更换下塌链来使横向支撑系统恢复到其原始的完整性和负载承受能力。结构框架保持完好且不需要更换。
图13是图1到2的屈曲受抑制加撑装置112的实施例和图3到10的屈曲受抑制加撑装置212的实施例对于所施加横向负载的响应的曲线图。如所看到的，两个实施例均弹性地执行，直到在约22,000磅的横向负载下达到其下塌点为止。
尽管本文已经详细描述了本发明，但应了解，本发明不限于本文所揭示的实施例。所属领域的技术人员可在不脱离所附权利要求书所描述和界定的本发明精神或范围的情况下对所述实施例作出各种变化、替代和修改。

Claims (23)

1.一种用于建筑物中的横向支撑系统，所述横向支撑系统包括：
结构框架，其具有横梁和支柱；以及
屈曲抑制块，其附接到所述横梁；以及
下塌链，其拧入到所述屈曲抑制块中并螺栓连接到所述支柱，所述下塌链在横向负载施加到所述结构框架时能够在拉伸和压缩状态下下塌以耗散所述框架内的应力。
2.根据权利要求1所述的横向支撑系统，其中所述横梁与支柱之间的所述屈曲抑制块和下塌链允许省略所述横梁上的横向扭转屈曲抑制系统。
3.一种包含横梁和支柱的建筑物，所述建筑物包括：
屈曲抑制块，其能够附接到所述横梁的末端，所述屈曲抑制块包含当所述块附接到所述横梁时最接近所述横梁的所述末端的第一末端、与所述第一末端相对的第二末端以及处于所述第一与第二末端之间的孔；以及
下塌链，其包含能够附接到所述支柱的第一末端和穿过所述屈曲抑制块中的所述孔而安装并能够附接到所述屈曲抑制块的所述第二末端的第二末端，所述下塌链在横向负载施加到所述横梁和/或支柱时能够在拉伸和压缩状态下下塌以耗散所述框架内的应力。
4.根据权利要求1所述的建筑物，其中所述下塌链的所述第二末端经旋拧以与所述屈曲抑制块的所述第二末端上的螺纹配合。
5.根据权利要求1所述的建筑物，其中所述下塌链包含具有比所述第一和第二末端低的强度的中间部分，所述下塌链在给定张力下在所述中间部分处下塌。
6.根据权利要求5所述的建筑物，其中所述中间部分具有比所述第一和第二末端小的直径。
7.根据权利要求1所述的建筑物，其进一步包括在所述下塌链的中间部分中的具有较大直径的一个或一个以上肋状物，所述一个或一个以上肋状物通过与界定所述孔的所述屈曲抑制块的墙壁形成接触来对抗所述下塌链的屈曲。
8.根据权利要求7所述的建筑物，其中所述一个或一个以上肋状物包括三个肋状物。
9.根据权利要求1所述的建筑物，其中所述下塌链的所述第二末端具有比所述下塌链的所述第一末端大的直径。
10.一种建筑物，其包括：
支柱；
横梁；
剪切突出部，其附接在所述支柱与横梁之间；以及
横向支撑系统，其附接在所述支柱与横梁之间，所述横向支撑系统包含：
一对屈曲抑制块，每一屈曲抑制块处于所述横梁的顶部和底部凸缘上，每一屈曲抑制块包含附接到所述横梁的末端的第一末端、与所述第一末端相对的第二末端和处于所述第一与第二末端之间的至少一个孔；以及
一对下塌链，每一下塌链包含附接到所述支柱的第一末端和穿过所述屈曲抑制块的一者中的所述孔而安装并附接到所述屈曲抑制块的一者的所述第二末端的第二末端，所述对下塌链中的下塌链在横向负载施加到所述横梁和/或支柱时能够在拉伸和压缩状态下下塌以耗散所述框架内的应力。
11.根据权利要求10所述的建筑物，其中每一屈曲抑制块包含一对平行孔。
12.根据权利要求11所述的建筑物，其中屈曲抑制块中的每一孔包含穿过其中的下塌链。
13.根据权利要求10所述的建筑物，其中每一下塌链的所述第二末端经旋拧以与每一屈曲抑制块的所述第二末端上的螺纹配合。
14.根据权利要求10所述的建筑物，其中每一下塌链包含具有比所述第一和第二末端小的直径的中间部分。
15.根据权利要求10所述的建筑物，其进一步包括在每一下塌链的中间部分中的具有较大直径的一个或一个以上肋状物，所述一个或一个以上肋状物通过与界定所述孔的所述屈曲抑制块的墙壁形成接触来对抗所述下塌链的屈曲。
16.根据权利要求15所述的建筑物，其中所述一个或一个以上肋状物包括三个肋状物。
17.一种组装具有横梁、支柱和处于其间的横向支撑系统的框架的方法，其包括以下步骤：
(a)将屈曲抑制块附接到所述横梁和支柱中的第一者；
(b)将下塌链附接到所述屈曲抑制块；以及
(c)将所述下塌链螺栓连接到所述横梁和支柱中的第二者。
18.根据权利要求17所述的方法，所述将屈曲抑制块附接到所述横梁和支柱中的第一者的步骤(a)包括以下步骤：通过胶合或焊接中的一者来附接所述屈曲抑制块。
19.根据权利要求17所述的方法，所述将下塌链附接到所述屈曲抑制块的步骤(b)包括以下步骤：将所述下塌链的螺纹末端拧入到所述屈曲抑制块的螺纹部分中。
20.根据权利要求17所述的方法，所述将屈曲抑制块附接到所述横梁和支柱中的第一者的步骤(a)包括以下步骤：在所述横梁和支柱到达工地之前将所述屈曲抑制块附接到所述横梁和支柱中的一者。
21.根据权利要求17所述的方法，所述步骤(a)中附接的所述屈曲抑制块和所述步骤(b)中附接的所述下塌链一起抵抗所述横梁相对于所述支柱的横向偏转，但在高于阈值水平的负载下在所述下塌链的中心部分处下塌。
22.根据权利要求17所述的方法，所述步骤(a)中附接的所述屈曲抑制块和所述步骤(b)中附接的所述下塌链一起抵抗所述横梁相对于所述支柱的横向偏转，其通过所述下塌链的下塌强度来对所述下塌链施加张力。
23.根据权利要求17所述的方法，所述步骤(a)中附接的所述屈曲抑制块和所述步骤(b)中附接的所述下塌链一起抵抗所述横梁相对于所述支柱的横向偏转，其通过借助所述屈曲抑制块的所述孔的墙壁约束所述下塌链屈曲来对所述下塌链施加压缩力。
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