CN103088917A - 一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系 - Google Patents

一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系 Download PDF

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Abstract

一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，包括自复位预制预应力钢框架和普通钢框架。所述自复位预制预应力钢框架包括自复位钢框架梁和钢框架柱，梁柱连接采用自复位预制预应力节点形式，所述自复位钢框架梁包括中间梁段、短梁段、加强装置、连接装置和耗能装置。震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系将自复位机制从钢柱面引到钢梁中，可以实现地震时中间梁段与连接装置的接触面脱开。同时自复位预制预应力钢框架梁作为预制构件全部在现场地面或工厂张拉制作，避免了高空张拉预应力拉索，在施工现场只需像普通钢梁一样通过栓焊混合方法安装钢框架梁，方便了施工，提高了施工质量和安全性，同时大大减少了施工时间。

Description

一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系
技术领域
本发明涉及一种钢结构体系，尤其是建筑结构领域应用的一种震后具有自复位功能的新型预应力钢框架结构体系。
背景技术
传统的抗震钢结构体系梁柱节点一般采用刚接连接，具体形式分为栓焊混合连接和全焊连接两种形式，但是这两种梁柱节点在地震后因梁端焊缝得不到保护容易发生脆性破坏，近年来广泛研究的加强和削弱等改进型钢框架梁柱节点能够达到强震时塑性铰外移的目的，保护了梁端焊缝而不发生脆性破坏，但在强震过后，钢框架都会产生较大的残余变形，结构和构件变形较大，震后难以修复或修复成本大大增加。国外学者提出了震后具有自复位功能的梁柱节点组成的钢框架结构体系（以下称普通自复位钢框架结构体系），其基本构成包括框架梁、柱、预应力构件、耗能装置，其中框架梁通过水平设置的预应力拉索和框架柱连接在一起。当地震作用达到一定程度时，梁柱的接触面张开，耗能装置耗能，从而避免了梁柱等主体构件的损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原先的竖向位置。研究表明这种普通自复位钢框架结构体系能够克服传统钢结构体系的不足，避免现场焊接，发挥预应力钢结构的优势，在强震发生后控制结构损伤，减少或消除结构残余变形，震后结构容易修复。但是普通自复位钢框架结构体系需要现场张拉预应力拉索，尤其应用于高层建筑时，需要高空作业，不但会增加钢框架的施工难度，而且延长了钢框架的施工时间，因此在一定程度上阻碍了自复位钢框架结构体系在实际工程中的应用。
申请号为201210232785.6的中国发明专利申请提供了一种震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点，其包括钢框架柱和短梁段、梁柱连接装置和耗能装置，所述钢框架柱包括钢柱、柱加劲肋和柱加强板，所述短梁段包括短梁段腹板、短梁段翼缘和短梁段翼缘加强板，所述梁柱连接装置包括短梁段腹板加劲肋、预应力拉索和梁端顶板。该节点可以实现地震后结构恢复其原有功能，但是短梁段与柱通过在工厂张拉预应力索完成连接，在施工现场只需像普通钢梁一样的方法通过全栓接或栓焊混合连接安装中间梁段，现场无需张拉预应力拉索，方便了施工、提高了施工质量且减少了安装时间。
申请号为201210232390.6的中国发明专利申请一种震后可恢复功能的预制预应力钢梁包括中间梁段、位于中间梁段两端的短梁段、连接装置和耗能装置，所述中间梁段包括中间梁段腹板和连接在中间梁段腹板边缘的中间梁段翼缘；所述短梁段包括短梁段腹板和连接在短梁段腹板边缘的短梁段翼缘；所述连接装置是指用于连接中间梁段和短梁段的连接装置，包括连接竖板、预应力拉索；所述耗能装置包括中间梁段腹板两侧的槽钢和高强度螺栓。实现了现场不需要张拉预应力拉索，只需像普通钢梁一样采用栓焊混合连接方法与框架柱相连，从而减小了施工难度，提高了施工质量且减少了施工时间。
发明内容
本发明的目的在于基于一种震后可恢复功能的预制预应力钢梁及一种震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点，提出了一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其包括自复位预制预应力钢框架和普通钢框架，所述自复位预制预应力钢框架优先布置在钢结构的周边，其余框架为普通钢框架。所述自复位预制预应力钢框架包括钢框架梁和钢框架柱，钢框架梁和钢框架柱的连接采用自复位预制预应力梁柱节点形式，所述梁柱节点为具有自复位功能的节点，所述钢框架梁包括中间梁段、短梁段、加强装置、连接装置和耗能装置；所述中间梁段的两端分别与短梁段连接，所述连接装置连接中间梁段和两个短梁段，所述短梁段上焊接加强装置，所述短梁段与耗能装置连接，所述钢框架柱包括钢柱、焊接在钢柱与短梁段翼缘齐平位置的柱加劲肋、焊接在钢柱腹板两侧对应节点位置的柱加强板；所述普通钢框架包括钢梁和钢柱，钢梁与钢柱之间的连接采用刚接连接或铰接连接。
优选的是，所述中间梁段包括中间梁段腹板和连接在中间梁段腹板边缘的中间梁段翼缘。
在上述任一方案中优选的是，所述短梁段包括短梁段腹板和连接在短梁段腹板边缘的短梁段翼缘。
在上述任一方案中优选的是，所述连接装置包括连接竖板、预应力拉索，所述连接装置用于连接中间梁段和两个短梁段。
在上述任一方案中优选的是，所述连接竖板的一面与短梁段腹板和短梁段翼缘及短梁段腹板两侧的纵向加劲肋焊接。
在上述任一方案中优选的是，所述连接竖板的另一面与中间梁段腹板之间装有钢板，所述连接竖板的另一面与中间梁段腹板两侧的钢板焊接。
在上述任一方案中优选的是，所述加强装置包括焊于短梁腹板上的横向加劲肋和纵向加劲肋。
在上述任一方案中优选的是，所述耗能装置包括钢板、高强度螺栓，其中钢板和高强度螺栓均位于中间梁段腹板的两侧。
在上述任一方案中优选的是，所述中间梁段腹板与高强度螺栓对应位置设置长孔，中间梁段腹板两侧的钢板之间通过穿过中间梁段腹板的高强度螺栓连接。
在上述任一方案中优选的是，所述钢框架梁与钢框架柱的连接方式为短梁段腹板通过拼接板和高强螺栓与钢柱连接，短梁段翼缘通过焊接与钢柱连接，钢柱在与短梁段翼缘齐平位置设置柱加劲肋，在钢柱腹板两侧对应节点位置设加强板。
在上述任一方案中优选的是，所述在短梁段腹板横向加劲肋与另一框架柱短梁段横向加劲肋之间沿中间梁段腹板穿施加了预应力的预应力拉索，通过预应力拉索将两根焊有连接竖板的短梁段与中间梁段连接在一起，形成一整根钢框架梁。
在上述任一方案中优选的是，加强装置中的横向加劲肋作为锚固端和张拉端，耗能装置采用高强螺栓摩擦耗能。
在上述任一方案中优选的是，所述柱加劲肋焊接在钢柱与短梁段翼缘齐平位置。
在上述任一方案中优选的是，所述柱加强板焊接在钢柱腹板两侧对应的节点位置。
在上述任一方案中优选的是，所述短梁段腹板通过拼接板及高强螺栓与钢柱连接。
在上述任一方案中优选的是，所述短梁段翼缘与钢柱焊接，钢柱在与短梁段翼缘齐平位置设置柱加劲肋，钢柱腹板两侧对应节点位置设加强板。
在上述任一方案中优选的是，所述短梁段腹板的厚度与中间梁段腹板的厚度相同。
在上述任一方案中优选的是，所述短梁段腹板的厚度与中间梁段腹板的厚度不相同
在上述任一方案中优选的是，所述短梁段翼缘的厚度与中间梁段翼缘的厚度相同。
在上述任一方案中优选的是，所述短梁段翼缘的厚度与中间梁段翼缘的厚度不相同。
在上述任一方案中优选的是，所述钢板与中间梁段腹板之间夹有黄铜片，所述黄铜片用于保证摩擦系数。
在上述任一方案中优选的是，所述钢框架柱的截面为H型、箱型或其他截面。
在上述任一方案中优选的是，所述钢框架梁、钢柱材料为普通强度等级钢材。
在上述任一方案中优选的是，所述钢框架梁、钢柱材料为Q235。
在上述任一方案中优选的是，所述钢框架梁、钢柱材料为Q345。
在上述任一方案中优选的是，所述钢框架梁、钢柱材料为Q420以上高性能钢材。
在上述任一方案中优选的是，所述钢框架梁的中间梁段与两端短梁段通过在施工现场的地面或工厂张拉预应力索连接在一起，加强装置中的横向加劲肋作为锚固端和张拉端，耗能装置采用高强螺栓摩擦耗能。
在上述任一方案中优选的是，所述震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系中自复位预制预应力钢框架和普通钢框架的数量比例及布置形式需要根据结构具体布置形式，结合结构设计使用类别、抗震设防等级、荷载布置情况等信息进行综合分析。
在上述任一方案中优选的是，所述震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系中可全部布置自复位预制预应力钢框架。
在上述任一方案中优选的是，所述普通钢框架包括钢梁和钢柱。
在上述任一方案中优选的是，所述普通钢框架的钢梁与钢柱之间的连接可以根据结构自身特点采用刚接连接。
在上述任一方案中优选的是，所述普通钢框架的钢梁与钢柱之间的连接可以根据结构自身特点采用铰接连接。
所述自复位预制预应力梁柱节点的安装步骤如下：
a.将连接竖板的一面与短梁段腹板和短梁段翼缘及短梁段腹板上加强装置的纵向加劲肋焊接；
b.将连接竖板的另一面与两钢板焊接；
c.在中间梁段腹板与高强度螺栓对应位置设置长孔，在两钢板与中间梁段腹板之间夹有黄铜片并通过高强度螺栓连接；
d. 在两短梁段腹板上横向加劲肋之间沿中间梁段腹板穿预应力拉索，并对预应力拉索施加预应力；
e. 将两根焊有连接竖板和加强装置的短梁段与中间梁段连接在一起，形成一整根钢框架梁；
优选的是，以上步骤依次进行。
在上述任一方案中优选的是，当地震作用达到一定程度时，中间梁段与连接竖板的接触面脱开，高强度螺栓摩擦耗能，从而避免或减少了钢框架梁和柱等主体构件的损坏。
在上述任一方案中优选的是，地震作用后，所述钢框架梁柱节点结构在预应力作用下回到原先的竖向位置，恢复结构原有的功能。
震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系将自复位机制引到整体结构中，可以实现地震时中间梁段1与连接装置4的接触面脱开，耗能装置5摩擦耗能，从而避免或减少了钢框架梁和柱等主体构件的损坏。地震后中间梁段回到原来位置，恢复其原有的结构功能。同时自复位预制预应力钢框架梁作为预制构件全部在现场地面或工厂张拉制作，避免了高空张拉预应力拉索，在施工现场只需像普通钢梁一样通过栓焊混合方法安装钢框架梁，方便了施工，提高了施工质量和安全性，同时大大减少了施工时间。
更多操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，不再赘述。
本发明第一方面所提供的一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系的技术方案包括上述各部分的任意组合，上述各部分组件的简单变化或组合仍为本发明的保护范围。
附图说明
图1为按照本发明的一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系的一优选实施例的自复位预制预应力钢框架结构示意图；
图2为按照本发明的一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系的一优选实施例的自复位预制预应力钢框架梁柱节点细部构造图；
图3为图1所示优选实施例的预制预应力钢框架结构体系的平面布置例图；
图1、图2、图3中数字分别表示：
1、中间梁段        2、 短梁段
3、加强装置        4、连接装置
5、耗能装置        6、自复位预制预应力钢框架。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图分别详细描述按照本发明的一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系的一优选实施例。
图1为按照本发明的一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系的一优选实施例的自复位预制预应力钢框架结构示意图，图2为图1钢框架梁柱节点细部构造图。本实施例中，一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系包括自复位预制预应力钢框架和普通钢框架，其中自复位预制预应力钢框架包括钢框架梁和钢框架柱，所述钢框架梁和钢框架柱的连接采用自复位预制预应力梁柱节点形式，所述梁柱节点为具有自复位功能的节点，所述梁柱节点布置在钢框架结构的周边，所述普通钢框架包括钢梁和钢柱，钢梁与钢柱之间的连接采用刚接连接或铰接连接。
所述钢框架梁包括中间梁段1、短梁段2、加强装置3、连接装置4和耗能装置5。所述中间梁段1包括中间梁段腹板、中间梁段翼缘，其中中间梁段翼缘连接在中间梁段腹板的边缘。所述短梁段包括短梁段腹板、短梁段翼缘，其中短梁段翼缘连接在短梁段腹板的边缘；所述加强装置焊接在短梁段腹板上。所述连接装置包括连接竖板、预应力拉索，所述连接装置用于连接中间梁段和两个短梁段；所述连接竖板的一面与短梁段腹板和短梁段翼缘及短梁段腹板两侧的纵向加劲肋焊接；所述连接竖板的另一面与中间梁段腹板两侧的钢板焊接；所述耗能装置包括钢板、高强度螺栓，其中钢板和高强度螺栓均位于中间梁段腹板的两侧；所述中间梁段腹板与高强度螺栓对应位置设置长孔，中间梁段腹板两侧的钢板之间通过穿过中间梁段腹板的高强度螺栓连接；所述短梁段腹板通过拼接板及高强螺栓与钢柱连接；所述短梁段腹板的厚度与中间梁段腹板的厚度相同；所述钢梁的材料为Q235、Q345普通强度等级钢材。
图3是本发明专利一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系平面布置例图，本实施例中，一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系包括自复位预制预应力钢框架和普通钢框架，所述自复位预制预应力钢框架优先布置在钢结构的周边，其余框架为普通钢框架，其中自复位预制预应力钢框架包括钢框架梁和钢框架柱，所述钢框架梁和钢框架柱的连接采用自复位预制预应力梁柱节点形式，所述普通钢框架包括钢梁和钢柱，钢梁与钢柱之间的连接采用刚接连接或铰接连接，所述自复位预制预应力钢框架结构体系包含自复位预制预应力钢框架6。
震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系将自复位机制从钢柱面引到钢梁中，即可恢复功能框架6可以实现地震时中间梁段与连接装置的接触面脱开，耗能装置摩擦耗能，从而避免或减少了钢框架梁和柱等主体构件的损坏。地震后中间梁段回到原来位置，恢复其原有的结构功能。同时自复位预制预应力钢框架梁作为预制构件全部在现场地面或工厂张拉制作，避免了高空张拉预应力拉索，在施工现场只需像普通钢梁一样通过栓焊混合方法安装钢框架梁，方便了施工，提高了施工质量和安全性，同时大大减少了施工时间。
更多操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，不再赘述。

Claims (10)

1.一种震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其包括自复位预制预应力钢框架和普通钢框架，所述自复位预制预应力钢框架包括钢框架梁和钢框架柱，所述钢框架梁包括中间梁段、短梁段、加强装置、连接装置和耗能装置，所述中间梁段的两端分别与短梁段连接，所述连接装置连接中间梁段和两个短梁段，所述短梁段上焊接加强装置，所述短梁段与耗能装置连接，所述钢框架柱包括钢柱、焊接在钢柱与短梁段翼缘齐平位置的柱加劲肋、焊接在钢柱腹板两侧对应节点位置的柱加强板，所述普通钢框架包括钢梁和钢柱，钢梁与钢柱之间的连接采用刚接连接，其特征在于：钢框架梁和钢框架柱的连接采用自复位预制预应力梁柱节点形式，所述梁柱节点为具有自复位功能的节点，所述自复位预制预应力钢框架优先布置在钢结构的周边，其余框架为普通钢框架。
2.如权利要求1所述的震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其特征在于：所述中间梁段包括中间梁段腹板、中间梁段翼缘，其中中间梁段翼缘连接在中间梁段腹板的边缘。
3.如权利要求1所述的震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其特征在于：所述短梁段包括短梁段腹板、短梁段翼缘，短梁段翼缘连接在短梁段腹板的边缘。
4.如权利要求2所述的震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其特征在于：所述中间梁段的中间梁段翼缘连接在中间梁段腹板边缘。
5.如权利要求1所述的震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其特征在于：所述加强装置包括横向加劲肋和纵向加劲肋。
6.如权利要求1所述的震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其特征在于：所述连接装置包括连接竖板、预应力拉索。
7.如权利要求2或6所述的震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其特征在于：所述连接竖板的一面与短梁段腹板和短梁段翼缘及短梁段腹板两侧的纵向加劲肋焊接，所述连接竖板的另一面与中间梁段腹板之间装有钢板，所述连接竖板的另一面与中间梁段腹板两侧的钢板焊接。
8.如权利要求1所述的震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其特征在于：所述耗能装置包括钢板、高强度螺栓，所述钢板和高强度螺栓均位于中间梁段腹板的两侧。
9.如权利要求2或8所述的震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其特征在于：所述中间梁段腹板与高强度螺栓对应位置设置长孔，中间梁段腹板两侧的钢板之间通过穿过中间梁段腹板的高强度螺栓连接。
10.如权利要求3所述的震后具有自复位功能的新型预制预应力钢框架结构体系，其特征在于：在短梁段腹板横向加劲肋与另一框架柱短梁段横向加劲肋之间沿中间梁段腹板穿施加了预应力的预应力拉索。
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