CN102877546A - 延性耗能抗震钢框架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑结构领域，具体为一种延性耗能抗震钢框架。一种延性耗能抗震钢框架，包括框架柱(1)和框架梁(2)，其特征是：框架梁(2)弹性区段(22)的宽厚比的上限值为：腹板取80或130
Figure 820782DEST_PATH_IMAGE002
；框架梁(2)塑性耗能区(21)腹板的宽度及厚度分别和弹性区段(22)腹板的宽度及厚度相等，设置1道或2道纵向加劲肋(31)，并在塑性耗能区(21)的边缘处设置横向加劲肋(32)。本发明结构简单，制造方便，节省钢材消耗。

Description

延性耗能抗震钢框架
技术领域
本发明涉及建筑结构领域，具体为一种延性耗能抗震钢框架。
背景技术
钢材是绿色建筑材料。广义讲，钢结构强度自重比高，延性好，抗震性能卓越。目前，我国钢产量已居全世界之首，供大于需矛盾日趋严重，推广钢结构建筑成为建筑行业发展的必然趋势。然而，钢结构的造价却比混凝土结构要贵，这已成为制约钢结构建筑发展的主要矛盾之一。因此，降低钢结构建筑的耗钢量（即降低造价），是加速发展建筑钢结构的一条关键途径。
框架是钢结构最基本的结构形式。当今国际流行建筑设计规范几乎都要求抗震钢框架满足“强柱弱梁”的要求。我国《建筑抗震设计规范》（GB50011）也规定抗震钢框架应满足“强柱弱梁”的要求，即期望：当遭遇强烈地震时，框架的极限状态呈梁铰机构（塑性铰主要分布于框架梁端），通过梁端塑性耗能区耗散地震能量，保证结构不坍塌。框架延性耗能是实现抗震目标（小震不坏，中震可修，大震不倒）的一条主要途径。
根据钢结构基本原理，梁端塑性耗能区对其截面的板件（翼缘、腹板）宽厚比有严格的限制（否则，将由于局部屈曲而不能达到塑性耗能的要求）。例如，《建筑抗震设计规范（GB50011）》对多层和高层钢结构房屋要求（以H形截面为例）：一级框架，梁翼缘和腹板的宽厚比限值分别为9                                                
Figure 2012104238787100002DEST_PATH_IMAGE001
和60（fy为钢材屈服强度）；二级框架，9
Figure 23481DEST_PATH_IMAGE001
和65
Figure 314654DEST_PATH_IMAGE001
；三级框架，10
Figure 844730DEST_PATH_IMAGE001
和70
Figure 48310DEST_PATH_IMAGE001
；四级框架，11
Figure 562205DEST_PATH_IMAGE001
和75
Figure 391490DEST_PATH_IMAGE001
。上述一、二、三级框架的梁截面板件宽厚比限值基本属于塑性设计截面（塑性铰有较大的转动能力）的要求；四级框架的，相当于塑性强度截面（可达全截面塑性，但由于板件局部屈曲塑性转动能力有限）。然而，大量的工程实践表明，钢框架的截面板件宽厚比是影响单位面积耗钢量的关键指标，尤其是框架梁腹板宽厚比。板件宽厚比小，虽然延性耗能性能好，但耗钢量也高。如果能在保证框架抗震性能的条件下放松板件宽厚比要求，则可降低耗钢量。
钢结构弹性设计截面（包含部分塑化截面和边缘纤维屈服截面。部分塑化截面——在边缘纤维屈服后可发展一定的塑性；边缘纤维屈服截面——边缘纤维可达屈服强度，但由于板件局部屈曲而不能发展塑性）的板件宽厚比限值，比塑性设计截面/塑性强度截面的要大。例如H形截面框架梁，弹性设计截面的翼缘宽厚比限值为15
Figure 871013DEST_PATH_IMAGE001
（可部分塑化时，13
Figure 715998DEST_PATH_IMAGE001
）；腹板的宽厚比限值可取130（即按腹板正则化宽厚比λb＝0.85，梁受压翼缘扭转不受约束时的条件取值。当不需设置横向加劲肋时，80
Figure 789314DEST_PATH_IMAGE001
）。通常情况下，截面板件宽厚比大，截面回转半径也大，构件整体稳定性提高，但由于局部屈曲而使抗震耗能性能变差。
钢框架设计时，即使框架梁采用弹性设计截面已足以承受作用的静力荷载，但为保证抗震性能而需满足钢梁截面板件宽厚比的要求（采用塑性设计截面、或塑性屈服截面）。目前常规的做法，是直接采用较厚的翼缘、腹板，直至达到规定的塑性设计截面或塑性强度截面的宽厚比要求。显然，这会导致钢框架单位面积耗钢量较大上升。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供一种钢材消耗量低、抗震性能高、结构简单、容易施工的建筑物框架体系，本发明公开了一种延性耗能抗震钢框架。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种延性耗能抗震钢框架，包括框架柱和框架梁，框架柱的截面为H形或箱形，框架柱垂直固定在地面上；框架梁的截面为H形，框架梁水平架设，框架梁的两端为塑性耗能区，在塑性耗能区之间的为弹性区段，塑性耗能区和弹性区段都由翼缘和腹板两部分组成，框架梁两端的塑性耗能区分别固定在两根相邻的框架柱上，框架梁塑性耗能区的长度L可在1.5倍～2倍的梁高之间取值，并且不小于框架梁净跨度的1/10，fy是框架梁所用材料的屈服强度在以MPa为单位时的数值部分，其特征是：
框架梁弹性区段的宽厚比的上限值为：用于多高层建筑钢框架时，翼缘取13
Figure 293982DEST_PATH_IMAGE001
，腹板取80
Figure 308205DEST_PATH_IMAGE001
；用于工业钢框架时，翼缘取15
Figure 875322DEST_PATH_IMAGE001
，腹板取130
Figure 764518DEST_PATH_IMAGE001
。
框架梁塑性耗能区翼缘的厚度和弹性区段翼缘的厚度相等，翼缘的宽度经切割削减，使得翼缘宽厚比的上限值为：9
Figure 625158DEST_PATH_IMAGE002
～11
Figure 839976DEST_PATH_IMAGE003
，根据框架的抗震等级最终确定；腹板的宽度及厚度分别和弹性区段腹板的宽度及厚度相等，腹板设置1道或2道纵向加劲肋，并在塑性耗能区的边缘处设置横向加劲肋。
本方案中，整根框架梁的翼缘和腹板可分别采用等厚钢板，仅在框架梁梁端塑性耗能区的腹板设置加劲肋，在塑性耗能区翼缘局部切割到宽厚比满足拟建造的框架抗震等级的要求，构件加工制作很方便。此外，梁端切割削弱翼缘的构造，使塑性耗能区从柱边外移，降低大地震下梁柱连接处断裂的风险。
所述的延性耗能抗震钢框架，其特征是：框架梁弹性区段的宽厚比的上限值为：翼缘取9
Figure 317225DEST_PATH_IMAGE001
～11
Figure 10113DEST_PATH_IMAGE001
，根据框架的抗震等级最终确定；用于多高层建筑钢框架时，腹板取80，用于工业钢框架时，腹板取130
Figure 857118DEST_PATH_IMAGE001
。
框架梁的塑性耗能区翼缘的宽度及厚度分别和弹性区段翼缘的宽度及厚度相等；腹板的宽度及厚度分别和弹性区段腹板的宽度及厚度相等，腹板设置1道或2道纵向加劲肋，并在塑性耗能区的边缘处设置横向加劲肋。
所述的延性耗能抗震钢框架，其特征是：纵向加劲肋和横向加劲肋都设于框架梁的单侧或都设于框架梁的两侧。
本发明采用的技术方案原理：对采用弹性设计截面的框架梁，在其梁端塑性耗能区的腹板设置纵向加劲肋，以阻止腹板在经历塑性循环或全截面进入塑性前发生屈曲；通过削减翼缘宽度使框架梁翼缘达到塑性设计截面等较高的宽厚比要求。通过实施上述两条措施，可使框架梁达到潜在塑性铰所要求的转动能力，实现抗震钢结构需要的延性耗能目标，保证钢框架的抗震性能。而在钢框架的非塑性耗能区即弹性区段，由于处于弹性工作状态，只需采用普通的钢结构设计截面如弹性设计截面即可。
钢框架的抗震性能好坏和耗能能力大小，除了要保证连接节点等要求外，主要取决于其塑性耗能区的截面性能。在遭遇强烈地震时，水平地震作用导致框架梁的梁端承受的弯矩大幅增大，而在塑性耗能区外的弹性区段，由于水平地震作用下弯矩波动很小，通常仍然处于弹性工作状态。因此，只要塑性耗能区截面的延性性能达到塑性设计截面或塑性强度截面的要求，框架梁弹性段的板件宽厚比满足钢结构静力弹性设计的要求，框架结构整体延性耗能性能就可达到与整根梁均采用塑性设计截面或塑性强度截面的框架一样。
在框架梁的塑性耗能区腹板设置纵向和横向加劲肋，可减小塑性耗能区腹板的宽厚比，限制腹板的局部屈曲，保证塑性铰的塑性转动能力。根据试验结果，在弹性设计截面宽厚比限值（130
Figure 398827DEST_PATH_IMAGE001
）条件下的框架梁梁端塑性耗能区的腹板，纵向设置一道加劲肋就已达到不低于框架抗震二级（塑性设计截面）的延性性能，在80
Figure 911716DEST_PATH_IMAGE001
条件下的腹板，塑性耗能区纵向设置一道加劲肋就超过了框架抗震二级的要求。
本发明的有益效果是：本发明可实现采用较薄的腹板厚度（即较大的宽厚比）在塑性耗能区仍具有足够的塑性转动能力，实现钢框架的抗震性能不低于全梁采用塑性设计截面/塑性强度截面时的性能。同时，在保证框架性能的前提下，大幅度降低了结构的耗钢量，可取得很好经济效益。降低耗钢量与设防烈度和框架抗震等级有关，经初步估算，按10m柱距的一般钢框架估算，当框架梁按130
Figure 278107DEST_PATH_IMAGE001
控制腹板宽厚比时，降低框架耗钢量约10%左右；当框架梁按80
Figure 569149DEST_PATH_IMAGE001
控制腹板宽厚比时，降低框架耗钢量约4%左右。
在框架梁腹板采用弹性设计截面宽厚比要求的基础上，仅在梁端塑性耗能区增设纵向和横向加劲肋，即达到保证潜在塑性耗能区的延性性能，进而达到保证整个钢框架的抗震性能的目的，充分结合水平地震作用下框架的受力特征，避免了整根梁采用塑性设计截面/塑性强度截面，可较大降低抗震设计时钢框架的耗钢量，可取得较好的经济效益。
方案一和方案二均适用于抗震钢框架。而方案一的优势在于从构造上保证梁端塑性耗能区外移，可降低梁柱连接在遭遇强烈地震时断裂的风险。
附图说明
图1是采用塑性耗能区梁翼缘宽度小于弹性区段梁翼缘宽度的框架梁时本发明的结构示意图；
图2是图1中A区域的局部放大图；
图3是图1中B区域的局部放大图；
图4是图2中的A-A向视图；
图5是图3中的B-B向视图；
图6是采用塑性耗能区梁翼缘宽度等于弹性区段梁翼缘宽度的框架梁时本发明的结构示意图；
图7是图6中A区域的局部放大图；
图8是图6中B区域的局部放大图；
图9是图7中的A-A向视图；
图10是图8中的B-B向视图。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种延性耗能抗震钢框架，包括框架柱1和框架梁2，如图1～图5所示，具体结构是：框架柱1的截面为H形，框架柱1垂直固定在地面上；框架梁2的截面为H形，框架梁2水平架设，框架梁2的两端为塑性耗能区21，在塑性耗能区21之间的为弹性区段22，框架梁2两端的塑性耗能区21分别固定在两根相邻的框架柱1上，当框架柱1和框架梁2的固定点为中间节点时如图2和图4所示，当框架柱1和框架梁2的固定点为边节点时如图3和图5所示，框架梁2塑性耗能区21的长度L可在1.5倍～2倍梁高之间取值，并不小于框架梁净跨度的1/10，fy是框架梁2所用材料的屈服强度在以MPa为单位时的数值部分。
框架梁2弹性区段22的宽厚比的上限值为：用于多高层建筑钢框架时，翼缘取13
Figure 755410DEST_PATH_IMAGE001
，腹板取80；用于工业钢框架时，翼缘取15，腹板取130
Figure 285990DEST_PATH_IMAGE001
。
框架梁2塑性耗能区21翼缘的厚度和弹性区段22翼缘的厚度相等，翼缘的宽度经切割削减使得翼缘宽厚比的上限值为9
Figure 926924DEST_PATH_IMAGE003
，如图4和图5所示。腹板的宽度及厚度分别和弹性区段22腹板的宽度及厚度相等，腹板设置1道或2道纵向加劲肋31，并在塑性耗能区21的边缘处设置横向加劲肋32，如图2和图3所示。
纵向加劲肋31和横向加劲肋32可以都设于框架梁2的单侧，也可以都设于框架梁2的两侧。
本方案中，整根框架梁的翼缘和腹板可分别采用等厚钢板，仅在框架梁梁端塑性耗能区的腹板设置加劲肋，在塑性耗能区翼缘局部切割到宽厚比满足拟建造的框架抗震等级的要求。
实施例2
一种延性耗能抗震钢框架，包括框架柱1和框架梁2，如图6～图10所示，具体结构是：框架柱1的截面为H形，框架柱1垂直固定在地面上；框架梁2的截面为H形，框架梁2水平架设，框架梁2的两端为塑性耗能区21，在塑性耗能区21之间的为弹性区段22，框架梁2两端的塑性耗能区21分别固定在两根相邻的框架柱1上，当框架柱1和框架梁2的固定点为中间节点时如图7和图9所示，当框架柱1和框架梁2的固定点为边节点时如图8和图10所示，框架梁2塑性耗能区21的长度L可在1.5倍～2倍梁高之间取值，并不小于框架梁净跨度的1/10，fy是框架梁2所用材料的屈服强度在以MPa为单位时的数值部分。
框架梁2弹性区段22的宽厚比的上限值为：用于多高层建筑钢框架时，根据框架的抗震等级确定，翼缘取9
Figure 266770DEST_PATH_IMAGE001
，腹板取80
Figure 60282DEST_PATH_IMAGE003
；用于工业钢框架时，翼缘取9
Figure 259441DEST_PATH_IMAGE001
，腹板取130
Figure 951454DEST_PATH_IMAGE001
。
框架梁2的塑性耗能区21翼缘的宽度及厚度分别和弹性区段22翼缘的宽度及厚度相等，如图9和图10所示。腹板的宽度及厚度分别和弹性区段22腹板的宽度及厚度相等，腹板设置1道或2道纵向加劲肋31，并在塑性耗能区21的边缘处设置横向加劲肋32，如图7和图8所示。
实施例3
一种延性耗能抗震钢框架，包括框架柱1和框架梁2，框架柱1的截面为箱形，框架梁2塑性耗能区21翼缘宽厚比的上限值为10
Figure 327946DEST_PATH_IMAGE003
。其他结构都和实施例1同。
实施例4
一种延性耗能抗震钢框架，包括框架柱1和框架梁2，框架柱1的截面为H形，框架梁2塑性耗能区21翼缘宽厚比的上限值为11。其他结构都和实施例1同。
实施例5
一种延性耗能抗震钢框架，包括框架柱1和框架梁2，框架柱1的截面为箱形，用于多高层建筑钢框架和工业钢框架时，框架梁2弹性区段22的宽厚比的上限值都为：翼缘取10。其他结构都和实施例2同。
实施例6
一种延性耗能抗震钢框架，包括框架柱1和框架梁2，框架柱1的截面为H形，用于多高层建筑钢框架和工业钢框架时，框架梁2弹性区段22的宽厚比的上限值都为：翼缘取11。其他结构都和实施例2同。

Claims (3)

1. 一种延性耗能抗震钢框架，包括框架柱(1)和框架梁(2)，框架柱(1)的截面为H形或箱形，框架柱(1)垂直固定在地面上；框架梁(2)的截面为H形，框架梁(2)水平架设，框架梁(2)的两端为塑性耗能区(21)，在塑性耗能区(21)之间的为弹性区段(22)，塑性耗能区(21)和弹性区段(22)都由翼缘和腹板两部分组成，框架梁(2)两端的塑性耗能区(21)分别固定在两根相邻的框架柱(1)上，fy是框架梁(2)所用材料的屈服强度在以MPa为单位时的数值部分，其特征是：
框架梁(2)弹性区段(22)的宽厚比的上限值为：翼缘取13                                               
Figure 2012104238787100001DEST_PATH_IMAGE002
或15
Figure 681439DEST_PATH_IMAGE002
，腹板取80
Figure 616554DEST_PATH_IMAGE002
或130
Figure 144094DEST_PATH_IMAGE002
；
框架梁(2)塑性耗能区(21)翼缘的厚度和弹性区段(22)翼缘的厚度相等，翼缘的宽度经削减，使得翼缘宽厚比的上限值为9
Figure 257412DEST_PATH_IMAGE002
～11
Figure 727577DEST_PATH_IMAGE002
；腹板的宽度及厚度分别和弹性区段(22)腹板的宽度及厚度相等，腹板设置1道或2道纵向加劲肋(31)，并在塑性耗能区(21)的边缘处设置横向加劲肋(32)。
2. 如权利要求1所述的延性耗能抗震钢框架，其特征是：框架梁(2)弹性区段(22)的宽厚比的上限值为：翼缘取9
Figure 205831DEST_PATH_IMAGE002
～11，腹板取80
Figure 373562DEST_PATH_IMAGE002
或130
Figure 901496DEST_PATH_IMAGE002
；
框架梁(2)的塑性耗能区(21)翼缘的宽度及厚度分别和弹性区段(22)翼缘的宽度及厚度相等；腹板设置1道或2道纵向加劲肋(31)，并在塑性耗能区(21)的边缘处设置横向加劲肋(32)。
3. 如权利要求1或2所述的所述的延性耗能抗震钢框架，其特征是：纵向加劲肋(31)和横向加劲肋(32)都设于框架梁(2)的单侧或都设于框架梁(2)的两侧。
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