CN103882968B - 工业化装配式多、高层钢结构槽钢自复位防屈曲中心支撑体系 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够实现快速安装的工业化装配式多、高层钢结构槽钢自复位防屈曲中心支撑体系，括钢结构主体板架、自复位支撑构件、柱子系统，钢结构主体板架包括基础板架、楼板，本发明在实施时，在工厂将宽梁（3）、窄梁（4）和柱座（7）组装成基础板架，将所述基础板架、楼板做成一体，宽梁和窄梁均为在工厂由槽钢焊接而成，管线在宽梁和窄梁的腹板槽钢间通过，从而形成三种基础板架A、B、C。在基础板架与柱座连接部位、宽梁与窄梁连接处采用高强螺栓连接及部分焊接，柱座与柱子之间采用高强螺栓法兰连接。本发明的结构体系具有施工速度快，结构承载力高、抗侧移能力好等优点。

Description

工业化装配式多、高层钢结构槽钢自复位防屈曲中心支撑体系

技术领域

本发明涉及一种新型结构体系，特别是建筑领域应用的一种工业化装配式钢结构中心支撑体系。

背景技术

普通的钢结构的施工在现场大量使用焊接，不仅影响施工速度而且施工质量也很难控制，最近几年出现的由于钢结构施工质量造成的工程质量问题不胜枚举，现场焊接是其中一个重要的因素，现场焊接质量不易控制，而且对环境造成很大的污染。

传统的钢筋混凝土结构需要现场绑扎钢筋、浇注混凝土，需要大量的人工及养护时间，工程造价大大提高。并且建筑拆除时造成大量的建筑垃圾。

最近几年，国内学者对装配式钢结构的研究仅限于多层，并且施工速度只是稍有提高，并未真正实现钢结构的快速安装，体现钢结构的优势。

防屈曲支撑构件作为应用于多、高层结构中的抗侧力耗能装置，在中震或大震作用下，防屈曲支撑构件在拉、压时均能实现全截面充分屈服而不出现支撑构件的整体或局部屈曲破坏，使原来通过主体结构梁端塑性铰的耗能方式转变为只在防屈曲支撑部件上集中耗能，从而较好地保护了主体结构。但是传统防屈曲支撑在强震作用下产生的残余变形仍不可恢复，并且传统防屈曲支撑还具有混凝土外围约束构件所导致的加工精度控制困难、湿作业工作量大等诸多问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有工程的上述缺陷，提供一种多、高层钢结构快速施工的结构体系，该结构体系能够实现主体钢结构和自复位支撑构件的快速安装，并且能够抵抗高烈度地震，体现出钢结构的优势。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

工业化装配式多、高层钢结构槽钢自复位防屈曲中心支撑体系包括钢结构主体板架、自复位支撑构件、柱子系统，所述钢结构主体板架包括基础板架、楼板。在工厂将宽梁、窄梁、楼板做成一体，宽梁和窄梁均在工厂由槽钢焊接而成。管线在宽梁和窄梁的腹板槽钢间通过，从而形成A基础板架、B基础板架和C基础板架。在基础板架板与柱座连接部位、宽梁与窄梁连接处采用螺栓连接及部分焊接（仅限于工厂内）。柱座与柱子之间采用螺栓通过法兰连接。

自复位支撑构件可以为弹簧，弹簧通套在支撑柱上与连接板连接。当水平力作用于结构时，自复位支撑构件水平力分量减小甚至抵消作用于结构的水平力，使结构的层间位移为较小值，满足规范的要求。

有益效果

本发明采用施工阶段能够实现快速装配、并能够有效抵抗水平侧移的高层钢结构自复位支撑体系。这种结构形式不仅能够有效地实现钢结构构件加工的工业化而且能够极大地提高施工速度并大幅度降低用钢量。

通过工程实践和1:10振动台实验发现，该高层钢结构自复位支撑体系比普通结构体系施工速度提高了500%，而且用钢量降低50%，并且实现施工现场的“无水、无火、无尘”，减小了现场施工的安全隐患，减小环境污染。

附图说明

图1本发明结构主板架平面图

图2本发明结构整体板架组合图

图3本发明结构框架支撑图

图4本发明结构A板架图

图5本发明结构B板架图

图6本发明结构B板架节点6凸起图

图7本发明结构B板架节点5凸起图

图8本发明结构C板架图

图9本发明结构C板架节点8凹槽图

图10本发明结构C板架节点7凹槽图

图11本发明结构节点1图

图12本发明结构节点1详图

图13发明结构节点2图

图14本发明结构节点2详图

图15本发明结构节点3图

图16本发明结构节点3详图

图17本发明结构节点4图

图18本发明结构节点4详图

图19本发明结构节点5图

图20本发明结构节点5详图

图21本发明结构节点6图

图22本发明结构节点6详图

图23本发明结构节点7图

图24本发明结构节点7详图

图25本发明结构节点8图

图26本发明结构节点8详图

图27本发明结构柱座图

图28本发明结构柱座详图

图29本发明结构压型钢板图

图30本发明支撑构件侧向图

图31本发明支撑构件平面图

图32本发明支撑构件内部耗能内芯图

图33本发明支撑构件外部框架约束构件图

图34本发明支撑构件外部框架约束构件装配图

图35本发明支撑构件外部框架约束构件截面分解图

其中，1-主体板架；2-自复位支撑构件；2-1：槽钢形装配式钢结构自复位防屈曲支撑；2-2：内部耗能内芯；2-3：外部框架约束构件；2-4：弹簧；2-5：上连接板；2-6：下连接板；2-7：横向加劲肋；2-8：外部框架约束构件槽钢腹板；2-9：外部框架约束构件槽钢翼缘板；2-10：上下连接板加劲肋；2-11：支撑柱；2-12：连接板；2-13：挤压板；3-宽梁；4-窄梁；5-压型钢板；6-混凝土；7-柱座；7-1：柱座连接件；7-2：柱墩；7-3：柱座法兰；8-柱子；9-耳板；10-连接槽钢；11-1柱盖板Ⅰ；11-2盖板Ⅱ；11-3柱盖板Ⅲ；11-4盖板Ⅳ；11-5柱盖板Ⅴ；12-加劲板；14-段封板；15-楼板；16-柱子系统。

具体实施方式

下面结合附图具体说明所述结构体系的实现方式。

如图所示，本发明为一种工业化装配式多、高层钢结构槽钢自复位防屈曲中心支撑体系，包括钢结构主体板架、自复位支撑构件、柱子系统，钢结构主体板架包括基础板架、楼板，钢结构主体板架为由基础板架A、基础板架B、基础板架C三种基础板架组成的基本单元，其中基础板架A为边缘部位的基础板架，基础板架B、基础板架C为中间位置的板架，且基础板架B、C交替连接，三种基础板架均为由宽梁（3）和窄梁（4）构成的矩形框架结构，其中，不与其他基础板架相邻一边的梁均为宽梁（3）；与其他基础板架相邻一边的梁均为窄梁（4），窄梁的梁宽为宽梁梁宽的一半，宽梁的梁宽小于或等于柱座法兰的宽度，宽梁，窄梁的构造相同，都是桁架梁。且该桁架梁的上下弦杆、腹杆均为槽钢，腹杆与弦杆成30度-60度的角度。每个桁架梁上下弦杆间至少布置有3个带螺栓孔的连接槽钢（10），桁架梁两端各有一块带螺栓孔的矩形的端封板。桁架梁的上下弦杆、腹杆、连接槽钢、端封板之间均为焊接。

三种基础板架A、B、C中相互垂直的两梁，沿梁高方向通过两块加劲板（12）焊接连接；并排相邻的梁在两梁相同位置的连接槽钢用螺栓连接。带柱座（7）的基础板架中，柱座与相邻的梁用螺栓连接。

基础板架A为钢结构主体板架的外侧基础板架，为宽梁（3）和窄梁（4）组成的矩形的基础板架，基础板架A的中间位置有两个并排相连的窄梁（4），且两窄梁用螺栓将处于两梁相同位置的连接槽钢连接在一起。A基础板架的外侧长边一边布置柱子（8）；与其他基础板架相邻的长边一边不布置柱子。

基础板架B，基础板架C为中间的两矩形基础板架。其中基础板架B与基础板架A相邻的窄梁边不布置柱子（8）。与基础板架C相邻的窄梁边布置柱子（8），形成中间节点（节点6）和两端节点（节点5），其中，中间节点为T形，由于柱座法兰宽大于或等于窄梁梁宽的两倍，所以把窄梁与柱座法兰的中心线对齐后，就使得柱座凸出连接在柱座两侧、由窄梁组成的长边半个柱座的宽度。两端节点为L形，其中柱座与相互垂直的一条宽梁、一条窄梁用螺栓连接在一起，宽梁与柱座法兰中相互垂直的两条中心线中的一条对齐；窄梁与两条中心线中的另一条对齐，由于窄梁的梁宽小于或等于柱座法兰宽度的一半，所以柱座也会凸出由窄梁组成的长边半个柱座的宽度。即基础板架B的两端节点、中间节点处的柱座凸出相连的窄梁半个柱座，形成一个凸起。

基础板架C与基础板架B、基础板架A相邻的两长边均不布置柱子，基础板架C与基础板架B相邻的长边的节点包括中间位置节点（节点8），两端位置节点（节点7）。中间位置节点为四条窄梁组成，其中两窄梁共线；另外两窄梁位于基础板架C中间位置，并排连接且与共线窄梁垂直。两共线窄梁分别与并排窄梁的不相邻长边垂直对齐。两端位置节点为相互垂直的一条窄梁和一条宽梁组成。窄梁与宽梁的内侧长边垂直对齐。即基础板架C中间位置节点、两端位置节点节点均形成凹槽，使得中间位置节点凹槽与基础板架B两端节点的凸起相吻合、两端位置节点凹槽与基础板架B中间节点的凸起相吻合。

柱座（7）为上下带柱座法兰、四周由带螺栓孔的柱座连接件（7-1）包裹的柱墩。各部件通过焊接连接在一起。柱子（8）与柱盖板通过焊接连接在一起。将柱盖板、柱座法兰、梁用螺栓连接在一起。

楼板（15）浇注在于基础板架A、B、C上，与基础板架形成整体。

自复位支撑构件（2）为中心支撑的槽钢装配式钢结构自复位防屈曲支撑，由内部耗能内芯（2-2）、外围框架约束构件（2-3）两部分构成。内部耗能内芯（2-2）插入外围框架约束构件（2-3）的中间空隙中。弹簧套在支撑柱（2-11）上，支撑柱（2-11）的两端分别与翼缘槽钢板（2-9）端部连接板和中间两腹板端部连接板相连，弹簧（2-4）两端分别与连接板（2-12）和挤压板（2-13）固定，弹簧（2-4）在受压、拉时均能起到自复位作用。为使内部耗能内芯（2-2）轴向变形耗能，使得内部耗能内芯（2-2）比外围框架约束构件（2-3）长一个距离D。槽钢装配式钢结构自复位防屈曲支撑两端构造完全相同。

自复位支撑构件的内芯构件（2-2）的内部耗能内芯（2-2）为一字型单片钢板。为使耗能内芯（2-2）易于进入塑性耗能，削弱该单片钢板的中部，使其中部内凹呈圆弧形；耗能内芯（2-2）端部一定距离处，垂直于单片钢板对称布置挤压板（2-13），用来挤压或拉伸约束构件（2-3）上的弹簧（2-4）；耗能内芯（2-2）端部并排连接两块与之垂直的连接板：上连接板（2-5）、下连接板（2-6），上连接板（2-5）带有螺栓孔，由高强螺栓与框架连接在一起，下连接板（2-6）板面内有尺寸与耗能内芯（2-2）截面尺寸相同的空洞。将耗能内芯（2-2）穿过下连接板（2-6），顶紧上连接板（2-5），三者焊接在一起。上、下连接板由上下连接板加劲肋（2-10）焊接连接在一起。上下连接板加劲肋（2-10）与两连接板均垂直。耗能内芯（2-2）两端构造完全相同。

自复位支撑构件的外部约束构件的框架截面呈工字型，为四块槽钢用螺栓拼接或者焊接而成。作为上、下翼缘的槽钢，其腹板与作为中间腹板的槽钢的翼缘在接触的相对位置开洞，用螺栓连接在一起，或在连接的相对位置焊接，形成外围约束框架。外围约束框架中间腹板槽钢（2-8）的两腹板间留有一个耗能内芯（2-2）的宽度，可以使内部耗能内芯（2-2）插入。外围约束框架（2-3）从上端起沿全长布置横向加劲肋（2-7）。各横向加劲肋（2-7）之间具有间距，横向加劲肋（2-7）与中间腹板槽钢的腹板及翼缘板均为焊接连接。外围约束框架（2-3）底部与下连接板（2-6）焊接相连。上下两翼缘的槽钢（2-9）需长出中间腹板的槽钢一定长度，在翼缘的槽钢（2-9）端部和两中间腹板槽钢端部布置连接板，将弹簧（2-4）套在支撑柱（2-11）上，支撑柱（2-11）的两端分别与翼缘槽钢（2-9）端部连接板和两中间腹板槽钢端部连接板相连，弹簧（2-4）两端分别与连接板（2-12）和挤压板（2-13）固定，弹簧（2-4）在受压、拉时均能起到自复位作用。

本发明涉及的工业化装配式多、高层钢结构槽钢自复位防屈曲中心支撑体系在实施时，在工厂将宽梁（3）、窄梁（4）和柱座（7）组装成基础板架，此处楼板以压型钢板混凝土为例，楼板还可以为钢筋混凝土楼板等形式。将压型钢板（5）放置在于宽梁（3）和窄梁（4）上，采用栓钉连接，在压型钢板（5）上浇筑混凝土（6），利用宽梁（3）、窄梁（4）腹杆的空隙，放置管线等，最终形成基础板架A、基础板架B和基础板架C，将基础板架A、B、C按照附图1所示通过螺栓连接，及焊接连接成主体板架。楼板（15）浇注在于基础板架A、B、C上，与基础板架形成整体。将柱子（8）通过螺栓与柱座（7）连接成整体框架，将耳板（9）与主体框架连接后，再将自复位支撑构件（2）通过高强螺栓与整体框架的耳板（9）相连，形成整个结构体系。

图11-图26为本结构节点的构造形式，其连接方式如下：柱（8）与柱盖板在工厂焊接，宽梁（3）和窄梁（4）沿梁高与两块加劲板（12）通过焊接连接在一起形成基础板架，最后用螺栓将柱座（7）、柱盖板、基础板架连接在一起形成节点。

图27-图28为本结构柱座构造图。柱座（7）为上下带柱座法兰、四周由带螺栓孔的柱座连接件（7-1）包裹的柱墩。各部件通过焊接连接在一起。柱子（8）与柱盖板通过焊接连接在一起。将柱盖板、柱座法兰、梁用螺栓连接在一起。

Claims (3)

1.一种工业化装配式多、高层钢结构槽钢自复位防屈曲中心支撑体系，包括主体板架和柱子系统、自复位支撑构件(2)；其特征在于：

主体板架包括：基础板架、楼板；

主体板架包括三种基础板架A、B、C组成的基本单元，其中，基础板架A为边缘部位的基础板架，基础板架B、C为中间位置的板架，且基础板架B、C交替连接，该三种基础板架均为由宽梁(3)和窄梁(4)构成的矩形框架结构，且所述宽梁(3)和窄梁(4)均为桁架梁，该桁架梁的上、下弦杆、腹杆均为槽钢，腹杆与弦杆成30度-60度的角度，每个桁架梁上下弦杆间至少布置有3个带螺栓孔的连接槽钢(10)，桁架梁两端各有一块带螺栓孔的矩形的端封板，桁架梁的上下弦杆、腹杆、连接槽钢、端封板之间均为焊接，三种基础板架中，不与其他基础板架相邻一边的梁均为宽梁(3)；与其他基础板架相邻一边的梁均为窄梁(4)，窄梁的梁宽为宽梁梁宽的一半，宽梁的梁宽小于或等于柱座法兰的宽度；三种基础板架中相互垂直的两梁，沿梁高与两块加劲板(12)通过焊接连接；并排相邻的梁在两梁相同位置的连接槽钢用螺栓连接，带柱座(7)的基础板架中，柱座与相邻的梁用螺栓连接；

所述柱座(7)为上下带柱座法兰、四周由带螺栓孔的柱座连接件(7-1)包裹的柱墩，柱座法兰、柱座连接件通过焊接连接在一起，柱子(8)与柱盖板通过焊接连接在一起，柱盖板、柱座法兰、所述宽梁、窄梁通过螺栓连接在一起；

所述楼板浇注于基础板架A、B、C上，与基础板架形成整体；

自复位支撑构件(2)为一种槽钢装配式钢结构自复位防屈曲支撑，由内部耗能内芯(2-2)、外围框架约束构件(2-3)两部分构成，内部耗能内芯(2-2)插入外围框架约束构件(2-3)的中间空隙中，其中，内部耗能内芯(2-2)为一字型单片钢板，外围框架约束构件截面呈工字型，由上、下翼缘槽钢、两中间腹板槽钢共四块槽钢用螺栓拼接或者焊接而成，两中间腹板槽钢(2-8)的两腹板间留有一定宽度，以供内部耗能内芯(2-2)插入，内部耗能内芯两端部对称布置挤压板(2-13)，用来挤压或拉伸外围框架约束构件(2-3)上的弹簧(2-4)，弹簧套在支撑柱(2-11)上，支撑柱(2-11)的两端分别与上、下翼缘槽钢端部连接板和中间腹板槽钢端部连接板相连，弹簧(2-4)两端分别与连接板(2-12)和挤压板(2-13)固定，弹簧(2-4)在受压、拉时均能起到自复位作用，内部耗能内芯(2-2)比外围框架约束构件(2-3)长一个距离D，槽钢装配式钢结构自复位防屈曲支撑两端构造完全相同，内部耗能内芯(2-2)端部并排连接两块与之垂直的连接板：上连接板(2-5)、下连接板(2-6)，上连接板(2-5)带有螺栓孔，由高强螺栓与框架连接在一起，下连接板(2-6)板面内有尺寸与内部耗能内芯(2-2)截面尺寸相同的空洞，将内部耗能内芯(2-2)穿过下连接板(2-6)，顶紧上连接板(2-5)，三者焊接在一起，上、下两连接板由双排上下连接板加劲肋(2-10)焊接连接在一起，上下连接板加劲肋(2-10)与两板均垂直，内部耗能内芯(2-2)两端直接构造完全相同；

所述三种基础板架中，基础板架A为主体板架(1)的外侧基础板架，基础板架A的中间位置有两个并排相连的窄梁(4)，且两窄梁用螺栓连接在一起，基础板架A的外侧长边一边布置柱子(8)；与其他基础板架相邻的长边一边不布置柱子；

基础板架B，基础板架C为主体板架(1)的中间基础板架，其中基础板架B与基础板架A相邻的窄梁边不布置柱子(8)，与基础板架C相邻的窄梁边布置柱子(8)，形成节点，其中中间节点为T形结构，两端节点为L形结构，在中间节点处由于柱座法兰宽大于或等于窄梁梁宽的两倍，所以把窄梁与柱座法兰的中心线对齐后，就使得柱座凸出连接在柱座两侧、由窄梁组成的长边半个柱座的宽度，在两端节点处，柱座与相互垂直的一条宽梁、一条窄梁用螺栓连接在一起，宽梁与柱座法兰中相互垂直的两条中心线中的一条对齐；窄梁与两条中心线中的另一条对齐，由于窄梁的梁宽小于或等于柱座法兰宽度的一半，所以柱座也会凸出由窄梁组成的长边半个柱座的宽度，即基础板架B的中间节点、两端节点处的柱座凸出相连的窄梁半个柱座，形成凸起；基础板架C与基础板架B、基础板架A相邻的两长边均不布置柱子，基础板架C与基础板架B相邻的长边的节点包括中间位置节点，两端位置节点7，中间位置节点由四条窄梁组成，其中两窄梁共线；另外两窄梁位于基础板架C中间位置，并排连接且与共线窄梁垂直，两共线窄梁分别与并排窄梁的不相邻长边垂直对齐，两端位置节点为相互垂直的一条窄梁和一条宽梁组成，窄梁与宽梁的内侧长边垂直对齐，即基础板架C中间位置节点、两端位置节点均形成凹槽，使得凹槽与基础板架B相应节点处的凸起相吻合。

2.根据权利要求1所述的一种工业化装配式多、高层钢结构槽钢自复位防屈曲中心支撑体系，其特征在于：外围框架约束构件(2-3)从上端起沿全长布置横向加劲肋(2-7)，相邻横向加劲肋(2-7)间具有间距，横向加劲肋(2-7)与中间腹板槽钢的腹板及上、下翼缘槽钢均为焊接连接，外围框架约束构件(2-3)底部与下连接板(2-6)焊接相连，上连接板(2-5)、下连接板(2-6)间用上、下连接板加劲肋垂直焊接连接，上、下翼缘槽钢长出中间腹板槽钢一定长度，在上、下翼缘槽钢端部和中间腹板槽钢端部布置连接板。

3.根据权利要求1所述的一种工业化装配式多、高层钢结构槽钢自复位防屈曲中心支撑体系，其特征在于：内部耗能内芯(2-2)的中部内凹呈圆弧形。