CN103967114A - 装配式多、高层钢结构一字自复位偏心预应力支撑体系 - Google Patents

Abstract

装配式多、高层钢结构一字自复位偏心预应力支撑体系，属于建筑施工技术领域。其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、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。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。基础板架板与所述柱座连接部位、宽梁与所述窄梁连接处采用高强螺栓连接及部分焊接。柱座与所述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、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。

Description

装配式多、高层钢结构一字自复位偏心预应力支撑体系

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偏心支撑体系。

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。

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：

装配式多、高层钢结构一字自复位偏心预应力支撑体系，其特征在于：其包括主体板架1和柱子系统16、自复位支撑构件2；主体板架包括：基础板架1-1、楼板1-2；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1-1通过螺栓连接，及焊接连接成主体板架；楼板1-2浇注在A、B、C基础板架1-1上，与基础板架1-1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；

所述主体板架1由A板、B板、C板三种基础板架1-1组成的基本单元构成，将A板、C板、B板、A板顺序连接，其中A板基础板架为边缘部位的基础板架1-1，B板、C板两基础板为中间位置的板架，且B板、C板基础板架1-1交替连接，并通过螺栓连接，及焊接连接成主体板架；楼板1-2浇注在于A、B、C基础板架1-1上，与基础板架1-1形成整体；

三种基础板架1-1中，不与其他基础板架1-1相邻一边的梁均为宽梁3；与其他基础板架1-1相邻一边的梁均为窄梁4；窄梁4的梁宽为宽梁3梁宽的一半，宽梁4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板、B板、C板三种基础板架1-1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1-1中，柱座与相邻的梁用螺栓连接；

A板为主体板架1的外侧基础板架1-1，为宽梁3和窄梁4组成的矩形的基础板架1-1，A板架的中间位置有两个并排相连的窄梁4，且两窄梁4用螺栓将处于两梁相同位置的连接槽钢连接在一起；A板的外侧长边一边布置柱子8；与其他基础板架1-1相邻的长边一边不布置柱子8；

B板，C板为中间类型的两种矩形的基础板架1-1；其中B板与A板相邻的窄梁边不布置柱子8；与C相邻的窄梁边布置柱子8，形成节点，其中中间节点为节点VI，两端的节点为节点V；节点VI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偏心线对齐后，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V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偏心线中的一条对齐；窄梁与两条偏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板节点V、节点VI处的柱座凸出相连的窄梁半个柱座，形成一个凸起；

C板与B板、A板相邻的两长边均不布置柱子，C板与B板相邻的长边的节点，中间位置节点是节点VIII，两端是节点VII；节点VIII为四条窄梁组成，其中两窄梁共线；另外两窄梁位于C板中间位置，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VII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节点VIII、节点VII均形成凹槽，使得节点VIII凹槽与B板节点V的凸起相吻合、节点VII凹槽与B节点VI的凸起相吻合；

柱座7为上下带柱座法兰7-3、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11-1通过焊接连接在一起；将柱盖板11-1、柱座法兰7-3、梁用螺栓连接在一起；

楼板1-2浇注在A板、B板、C板上，与基础板架1-1形成整体；

结构自复位支撑构件，所述为一种角钢装配式钢结构自复位防屈曲支撑，该支撑由内部耗能内芯20、外围角钢约束构件24、弹簧18三部分构成；内部耗能内芯20插入外围角钢约束构件24的中间空隙中；支撑柱17穿过弹簧挤压板28对称布置角钢端部，支撑柱固定在角钢端板29与方钢管端板27之间；弹簧18套在支撑柱17上，加设在弹簧挤压板28与角钢端板29之间；弹簧18只在弹簧挤压板28挤压时起作用；为使内部耗能内芯20轴向变形耗能，使得内部耗能内芯20比外围角钢约束构件24长；

角钢两端各套入一段方钢管19，套入距离另外再定，方钢管19与角钢端板29焊接连接，方钢管19一端加设两块固定板，即方钢管端板27另一端与角钢端板29相连，以固定支撑柱17，将弹簧18套在支撑柱17上，耗能内芯20的对应位置处，上下左右共焊接四块带孔的板，即弹簧挤压板28，弹簧挤压板28上所带孔的孔径大小与支撑柱直径17相同，以使支撑柱17能穿过此板，弹簧18设在弹簧压缩板28与角钢端板29之间；

内部耗能内芯20为一字型单片钢板，为使耗能内芯易于进入塑性耗能，削弱芯片板中部，呈圆弧形；耗能内芯一端为两块与之垂直的连接板：上连接板21、下连接板22，与耗能内芯垂直焊接连接；支撑构件端部的连接板带有螺栓孔，由高强螺栓与框架连接在一起；上连接板、下连接板由短加劲肋焊接连接在一起；短加劲肋与两连接板均垂直；弹簧挤压板28用来约束支撑柱17，并随内芯板的抽动来压缩弹簧18；

外围角钢约束构件24为四个角钢，先两两肢背对其焊接在一起，呈倒着的T字形；再将两个T字形的翼缘用螺栓连接在一起；每个螺栓套有套管25，套管25长度与耗能内芯20厚度相同；套筒位于螺栓连接的两肢背间；每个角钢的双肢间均焊接有横向加劲肋，其角钢端板用来固定支撑柱；

结构自复位预应力支撑构件的预应力构件中，预应力索30对称布置在角钢的周围；穿过外部框架约束构件角钢中间的横向加劲肋20，其两端分别与内部耗能内芯两端的上连接板26相连，连接点位于两相邻短加劲肋28区格的中心。

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17上与连接板连接。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。

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。

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本发明自复位预应力支撑构件构造图

图31本发明支撑构件构造分解图

图32本发明自复位预应力支撑构件内部耗能内芯图

图33本发明自复位预应力支撑构件外部约束构件图

图34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；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；9-1：单连接耳板；9-2：双连接耳板；10-连接角钢；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；13-端头；14-段封板；15-楼板；16-柱子系统。17-支撑柱；18-弹簧；19-方钢管；20-内部耗能内芯；21-上连接板；22-下连接板；23-上下连接板加劲肋；24-外部约束构件角钢；25-套管；26-角钢加劲肋；27-方钢管端板；28-弹簧压缩板；29-角钢端板；30-预应力索。

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、高层钢结构角钢自复位预应力防屈曲偏心支撑体系，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。

如图30-31所示，结构自复位支撑构件，所述为一种角钢装配式钢结构自复位防屈曲支撑，该支撑由内部耗能内芯20、外围角钢约束构件24、弹簧18三部分构成。内部耗能内芯20插入外围角钢约束构件24的中间空隙中。支撑柱17穿过弹簧挤压板28对称布置角钢端部，支撑柱固定在角钢端板29与方钢管端板27之间；弹簧18套在支撑柱17上，加设在弹簧挤压板28与角钢端板29之间。弹簧18只在弹簧挤压板28挤压时起作用；为使内部耗能内芯20轴向变形耗能，使得内部耗能内芯20比外围角钢约束构件24长；

如图31所示：支撑柱17穿过弹簧压缩板28，对称布置在角钢端板29与方钢管端板之间，数量由计算确定，弹簧18套在支撑柱17上，加设在弹簧压缩板28与角钢加劲肋26之间。支撑柱17的数量以及弹簧18的预应力大小由计算确定。角钢两端各套入一段方钢管19，套入距离另外再定，方钢管19与角钢端板29焊接连接，方钢管19一端加设两块固定板，即方钢管端板27另一端与角钢端板29相连，以固定支撑柱17，将弹簧18套在支撑柱17上，耗能内芯20的对应位置处，上下左右共焊接四块带孔的板，即弹簧挤压板28，弹簧挤压板28上所带孔的孔径大小与支撑柱直径17相同，以使支撑柱17能穿过此板，弹簧18设在弹簧压缩板28与角钢端板29之间；

如图32所示：所述内部耗能内芯20为一字型单片钢板，为使耗能内芯易于进入塑性耗能，削弱芯片板中部，呈圆弧形；耗能内芯一端为两块与之垂直的连接板：上连接板21、下连接板22，与耗能内芯垂直焊接连接。支撑构件端部的连接板带有螺栓孔，由高强螺栓与框架连接在一起。上连接板、下连接板由短加劲肋焊接连接在一起。短加劲肋与两连接板均垂直。弹簧挤压板28用来约束支撑柱17，并随内芯板的抽动来压缩弹簧18；

如图33所示：所述外围角钢约束构件24为四个角钢，先两两肢背对其焊接在一起，呈倒着的T字形。再将两个T字形的翼缘用螺栓连接在一起。每个螺栓套有套管25，套管25长度与耗能内芯20厚度相同。套筒位于螺栓连接的两肢背间。每个角钢的双肢间均焊接有横向加劲肋，其角钢端板用来固定支撑柱。

如图34所示：结构自复位预应力支撑构件的预应力构件中，预应力索30对称布置在角钢的周围；穿过外部框架约束构件角钢中间的横向加劲肋20，其两端分别与内部耗能内芯两端的上连接板26相连，连接点位于两相邻短加劲肋28区格的中心。

Claims (1)

1.装配式多、高层钢结构一字自复位偏心预应力支撑体系，其特征在于：其包括主体板架（1）和柱子系统（16）、自复位支撑构件（2）；主体板架包括：基础板架（1-1）、楼板（1-2）；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（1-1）通过螺栓连接，及焊接连接成主体板架；楼板（1-2）浇注在A、B、C基础板架（1-1）上，与基础板架（1-1）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；

所述主体板架（1）由A板、B板、C板三种基础板架（1-1）组成的基本单元构成，将A板、C板、B板、A板顺序连接，其中A板基础板架为边缘部位的基础板架（1-1），B板、C板两基础板为中间位置的板架，且B板、C板基础板架（1-1）交替连接，并通过螺栓连接，及焊接连接成主体板架；楼板（1-2）浇注在于A、B、C基础板架（1-1）上，与基础板架（1-1）形成整体；

三种基础板架（1-1）中，不与其他基础板架（1-1）相邻一边的梁均为宽梁（3）；与其他基础板架（1-1）相邻一边的梁均为窄梁（4）；窄梁（4）的梁宽为宽梁（3）梁宽的一半，宽梁（4）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板、B板、C板三种基础板架（1-1）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（1-1）中，柱座与相邻的梁用螺栓连接；

A板为主体板架（1）的外侧基础板架（1-1），为宽梁（3）和窄梁（4）组成的矩形的基础板架（1-1），A板架的中间位置有两个并排相连的窄梁（4），且两窄梁（4）用螺栓将处于两梁相同位置的连接槽钢连接在一起；A板的外侧长边一边布置柱子（8）；与其他基础板架（1-1）相邻的长边一边不布置柱子（8）；

B板，C板为中间类型的两种矩形的基础板架（1-1）；其中B板与A板相邻的窄梁边不布置柱子（8）；与C相邻的窄梁边布置柱子（8），形成节点，其中中间节点为节点VI，两端的节点为节点V；节点VI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偏心线对齐后，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V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偏心线中的一条对齐；窄梁与两条偏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板节点V、节点VI处的柱座凸出相连的窄梁半个柱座，形成一个凸起；

C板与B板、A板相邻的两长边均不布置柱子，C板与B板相邻的长边的节点，中间位置节点是节点VIII，两端是节点VII；节点VIII为四条窄梁组成，其中两窄梁共线；另外两窄梁位于C板中间位置，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VII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节点VIII、节点VII均形成凹槽，使得节点VIII凹槽与B板节点V的凸起相吻合、节点VII凹槽与B节点VI的凸起相吻合；

柱座（7）为上下带柱座法兰（7-3）、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（11-1）通过焊接连接在一起；将柱盖板（11-1）、柱座法兰（7-3）、梁用螺栓连接在一起；

楼板（1-2）浇注在A板、B板、C板上，与基础板架（1-1）形成整体；

结构自复位支撑构件，所述为一种角钢装配式钢结构自复位防屈曲支撑，该支撑由内部耗能内芯（20）、外围角钢约束构件（24）、弹簧（18）三部分构成；内部耗能内芯（20）插入外围角钢约束构件（24）的中间空隙中；支撑柱（17）穿过弹簧挤压板（28）对称布置角钢端部，支撑柱固定在角钢端板（29）与方钢管端板（27）之间；弹簧（18）套在支撑柱（17）上，加设在弹簧挤压板（28）与角钢端板（29）之间；弹簧（18）只在弹簧挤压板（28）挤压时起作用；为使内部耗能内芯（20）轴向变形耗能，使得内部耗能内芯（20）比外围角钢约束构件（24）长；

角钢两端各套入一段方钢管（19），套入距离另外再定，方钢管（19）与角钢端板（29）焊接连接，方钢管（19）一端加设两块固定板，即方钢管端板（27）另一端与角钢端板（29）相连，以固定支撑柱（17），将弹簧（18）套在支撑柱（17）上，耗能内芯（20）的对应位置处，上下左右共焊接四块带孔的板，即弹簧挤压板（28），弹簧挤压板（28）上所带孔的孔径大小与支撑柱直径（17）相同，以使支撑柱（17）能穿过此板，弹簧（18）设在弹簧压缩板（28）与角钢端板（29）之间；

内部耗能内芯（20）为一字型单片钢板，为使耗能内芯易于进入塑性耗能，削弱芯片板中部，呈圆弧形；耗能内芯一端为两块与之垂直的连接板：上连接板（21）、下连接板（22），与耗能内芯垂直焊接连接；支撑构件端部的连接板带有螺栓孔，由高强螺栓与框架连接在一起；上连接板、下连接板由短加劲肋焊接连接在一起；短加劲肋与两连接板均垂直；弹簧挤压板（28）用来约束支撑柱（17），并随内芯板的抽动来压缩弹簧（18）；

外围角钢约束构件（24）为四个角钢，先两两肢背对其焊接在一起，呈倒着的T字形；再将两个T字形的翼缘用螺栓连接在一起；每个螺栓套有套管（25），套管（25）长度与耗能内芯（20）厚度相同；套筒位于螺栓连接的两肢背间；每个角钢的双肢间均焊接有横向加劲肋，其角钢端板用来固定支撑柱；

结构自复位预应力支撑构件的预应力构件中，预应力索（30）对称布置在角钢的周围；穿过外部框架约束构件角钢中间的横向加劲肋（20），其两端分别与内部耗能内芯两端的上连接板（26）相连，连接点位于两相邻短加劲肋（28）区格的中心。