CN103938710A - 工业化装配式多、高层钢结构管形十字形板自复位预应力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、高层钢结构管形十字形板自复位预应力防屈曲中心支撑体系，包括钢结构主体板架、自复位预应力支撑构件、柱子系统，所述钢结构主体板架包括基础板架、柱子系统。在工厂将宽梁、窄梁和柱座组装成基础板架，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。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、无污染等优点，能够充分发挥材料的强度，有效抵抗水平荷载，减小结构层间位移，减小焊接对环境造成的污染，提高工程施工速度，节约成本。

Description

工业化装配式多、高层钢结构管形十字形板自复位预应力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减少，并未真正实现钢结构的快速安装，体现钢结构的优势。

目前预应力钢构件只用在张弦结构中，还未在高层结构中使用，采用预应力钢构件作为高层抗侧力结构在工程上还未有实现。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（2-3）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预应力支撑构件的快速安装，并且能够抵抗高烈度地震，完美地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、高层钢结构管形十字形板自复位预应力防屈曲中心支撑体系包括钢结构主体板架、自复位预应力支撑构件、柱子系统，其特征在于：所述钢结构主体板架包括基础板架、楼板。在工厂将所述宽梁、窄梁、楼板做成一体，宽梁和窄梁均为在工厂由管形单板焊接而成。管线在宽梁和窄梁的腹板管形单板间通过，从而形成A基础板架、B基础板架和C基础板架。在所述基础板架板与所述柱座连接部位、所述宽梁与所述窄梁连接处采用螺栓连接及部分焊接（仅限于工厂内）。所述柱座与所述柱子之间采用螺栓通过法兰连接。

所述自复位预应力支撑构件可以为弹簧，所述弹簧通套在支撑柱上与连接板连接；还有预应力钢索或预应力钢杆和连接耳板，所述耳板通过高强螺栓与所述主板连接。当水平力作用于结构时，所述自复位预应力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。弹簧主要在受压时作用，预应力筋在受拉时起作用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

本发明采用施工阶段能够实现快速装配式并能够有效抵抗水平侧移的高层钢结构自复位预应力支撑体系。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。并且支撑构件在小震下具有很强的承载力、通过提高其初始受压、拉承载力，减小甚至消除其在大震下的残余变形，具有很强的耗能能力。

通过工程实践和1:10振动台实验发现，所述新型结构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本发明支撑构件构造图。

图31本发明支撑构件侧面图。

图32本发明支撑构件平面图。

图33本发明支撑构件内部十字型耗能内芯图。

图34本发明支撑构件外部钢管约束构件图。

图35本发明支撑构件外部钢管约束构件剖面图。

图36本发明支撑构件外部钢管约束构件截面图。

图37本发明支撑构件预应力索图。

其中，1-主体板架；2-自复位预应力支撑构件；2-1：管形十字形板装配式钢结构自复位预应力防屈曲支撑；2-2：内部十字型耗能内芯；2-3：外部钢管约束构件；2-4：弹簧；2-5：上连接板；2-6：下连接板；2-8：隔板；2-9：外部钢管；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；2-14：预应力筋；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-连接管形单板；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。

具体实现方式

下面结合附图具体说明所述结构体系的实现方式。

如图1～9所示，本发明为一种工业化装配式多、高层钢结构管形十字形板自复位预应力防屈曲中心支撑体系，括钢结构主体板架、自复位预应力支撑构件、柱子系统，其特征在于：所述钢结构主体板架包括基础板架、柱子系统。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。此处自复位预应力支撑构件以一种普通形式说明。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A基础板架、B基础板架和C基础板架，将A、B、C基础板架按照附图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A、B、C基础板架上，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，再将自复位预应力支撑构件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10-图25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。

A基础板架为主体板架1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，A板架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。

B基础板架，C基础板架为中间类型的两种矩形的基础板架；其中B基础板架与A基础板架相邻的窄梁边不布置柱子8；与C基础板架相邻的窄梁边布置柱子8，形成节点，其中中间节点为节点6，两端的节点为节点5；节点6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；节点5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B基础板架节点5、节点6处的柱座凸出相连的窄梁半个柱座，形成一个凸起。

C基础板架与B基础板架、A基础板架相邻的两长边均不布置柱子，C基础板架与B基础板架相邻的长边的节点，中间位置节点是节点8，两端是节点7；节点8为四条窄梁组成，其中两窄梁共线；另外两窄梁位于C基础板架中间位置，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；节点7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C基础板架节点8、节点7均形成凹槽，使得节点8凹槽与B基础板架节点5的凸起相吻合、节点7凹槽与B基础板架节点6的凸起相吻合。

图26-图27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。

如图30-图32所示，为结构自复位预应力支撑构件2，为一种管形十字形板装配式钢结构自复位预应力防屈曲支撑，由内部十字形耗能内芯2-2、外围钢管约束构件2-3和预应力索2-14三部分构成。内部耗能内芯2-2插入外围钢管约束构件2-3的中间空隙中。预应力索2-14对称布置在耗能内芯两侧，穿过横向加劲肋2-7，数量由计算确定。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，D值有计算确定。管形十字形板装配式钢结构自复位预应力防屈曲支撑两端构造完全相同。

如图33所示：为结构自复位预应力支撑构件的内芯2-2构件，所述内部十字型耗能内芯2-2为两块垂直的十字形条状钢板。十字型耗能内芯2-2的截面宽度与围钢管约束构件2-3内径一样大。为使耗能内芯2-2易于进入塑性耗能，削弱内芯板中部，呈圆弧形。十字型耗能内芯一端连有一块与之垂直的方形连接板2-12，焊接连接。弹簧2-4套在支撑柱2-11上，支撑柱2-11的两端分别与方形连接板2-12和下连接板2-6连接。两板之间的距离由计算确定。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板面正中有一字型空洞，空洞面积尺寸与十字型耗能内芯2-2相同。十字型耗能内芯2-2穿过下连接板2-6，与上连接板2-5顶紧，三者截面中心对齐焊接在一起。十字型耗能内芯2-2两端构造完全形同。

如图34-36所示：为结构自复位预应力支撑构件的外部约束构件2-3，所述外围钢管约束构件为方钢管或圆钢管2-9，底部与下连接板2-6焊接在一起。钢管内部焊有四块矩形钢隔板2-8，四块隔板中间留有十字型空洞，空洞大小与十字型耗能内芯2-2截面相同。隔板2-8间距由计算确定。

如图37所示：预应力索2-14穿过横向加劲肋2-7，两端与内部耗能内芯2-2的两个下连接板2-6相连，连接点位于两相邻短加劲肋2-10区格的中心。预应力索2-14的数量由计算确定。

以上是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (1)

1.工业化装配式多、高层钢结构管形十字形板自复位预应力防屈曲中心支撑体系，其特征在于：该体系包括主体板架（1）和柱子系统（16）、自复位预应力支撑构件（2）；主体板架包括：基础板架、楼板（15）；

所述主体板架（1）由A、B、C三种基础板架组成的基本单元构成，其中A基础板架为边缘部位的基础板架，B、C两基础板为中间位置的板架，且B、C基础板架交替连接；

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；宽梁，窄梁的构造相同，都是桁架梁；其中桁架梁的上下弦杆、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；

A、B、C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；

A基础板架为主体板架（1）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，A板架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；

B基础板架，C基础板架为中间类型的两种矩形的基础板架；其中B基础板架与A基础板架相邻的窄梁边不布置柱子（8）；与C基础板架相邻的窄梁边布置柱子（8），形成节点，其中中间节点为节点6，两端的节点为节点5；节点6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；节点5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B基础板架节点5、节点6处的柱座凸出相连的窄梁半个柱座，形成一个凸起；

C基础板架与B基础板架、A基础板架相邻的两长边均不布置柱子，C基础板架与B基础板架相邻的长边的节点，中间位置节点是节点8，两端是节点7；节点8为四条窄梁组成，其中两窄梁共线；另外两窄梁位于C基础板架中间位置，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；节点7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C基础板架节点8、节点7均形成凹槽，使得节点8凹槽与B基础板架节点5的凸起相吻合、节点7凹槽与B基础板架节点6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A、B、C基础板架上，与基础板架形成整体；

自复位预应力支撑构件（2）其实现形式为中心支撑；结构自复位预应力支撑构件，为一种管形十字形板装配式钢结构自复位预应力防屈曲支撑，由内部十字形耗能内芯（2-2）、外围钢管约束构件（2-3）和预应力索（2-14）三部分构成；内部耗能内芯（2-2）插入外围钢管约束构件（2-3）的中间空隙中；预应力索（2-14）对称布置在耗能内芯两侧，穿过横向加劲肋（2-7），数量由计算确定；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，D值有计算确定；管形十字形板装配式钢结构自复位预应力防屈曲支撑两端构造完全相同；

结构自复位预应力支撑构件的内芯构件（2-2），所述内部十字型耗能内芯（2-2）为两块垂直的十字形条状钢板；十字型耗能内芯（2-2）的截面宽度与围钢管约束构件（2-3）内径一样大；为使耗能内芯（2-2）易于进入塑性耗能，削弱内芯板中部，呈圆弧形；十字型耗能内芯一端连有一块与之垂直的方形连接板（2-12），焊接连接；弹簧（2-4）套在支撑柱（2-11）上，支撑柱（2-11）的两端分别与方形连接板（2-12）和下连接板（2-6）连接；两板之间的距离由计算确定；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）板面正中有一字型空洞，空洞面积尺寸与十字型耗能内芯（2-2）相同；十字型耗能内芯（2-2）穿过下连接板（2-6），与上连接板（2-5）顶紧，三者截面中心对齐焊接在一起；十字型耗能内芯（2-2）两端构造完全形同；

结构自复位预应力支撑构件的外部约束构件，所述外围钢管约束构件为方钢管（或圆钢管）（2-9），底部与下连接板（2-6）焊接在一起；钢管内部焊有四块矩形钢隔板（2-8），四块隔板中间留有十字型空洞，空洞大小与十字型耗能内芯（2-2）截面相同；隔板（2-8）间距由计算确定；

结构自复位预应力支撑构件的预应力索构件，预应力索（2-14）穿过横向加劲肋（2-7），两端与内部耗能内芯（2-2）的两个下连接板（2-6）相连，连接点位于两相邻短加劲肋（2-10）区格的中心；预应力索（2-14）的数量由计算确定。