CN104878849A - 多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法，其包括以下步骤：步骤一，确定斜拉索、钢抗弯框架和BRB为抗侧力构件，BRB为主要耗能减震构件；步骤二，确定任意层的斜拉索、BRB和钢抗弯框架的抗侧刚度和自复位减震体系的总抗侧刚度；步骤三，在水平荷载作用下，通过自复位减震体系的总抗侧刚度计算出水平位移；步骤四，在横向或纵向的同一楼层斜拉索对称施加预应力。本发明可以有效地提高结构抗侧力性能，使结构具有良好的耗能减震和自复位性能。

Description

多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，特别涉及一种多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法。

背景技术

传统钢框架结构的水平抗侧刚度偏小，为满足在水平荷载作用下的位移要求，采取了加大结构截面尺寸或者增加其他装置等措施，使工程造价提高明显。在地震作用下，钢框架结构可能产生较大的水平位移，同时使结构产生较大残余位移而无法复位；更严重的会导致结构坍塌，危及生命及财产安全。因此寻求在现有的钢框架基础上增加某些装置(耗能减震、加强结构复位等构件)以减小水平位移和残余位移并同时使结构具有多道抗震防线越来越受到社会的广泛关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法，其可以有效地提高结构抗侧力性能，使结构具有良好的耗能减震和自复位性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，确定斜拉索、抗弯框架和BRB为抗侧力构件，BRB为主要耗能减震构件；抗弯框架为多层钢抗弯框架，斜拉索为多层斜拉索；斜拉索在体系的横向、纵向或者横纵向都要对称布置；斜拉索、抗弯框架和BRB组成一个自复位减震体系；

步骤二，确定任意层的斜拉索、BRB和钢抗弯框架的抗侧刚度和自复位减震体系的总抗侧刚度，并给出任意层的斜拉索、钢抗弯框架和BRB抗侧刚度计算公式；

步骤三，在水平荷载作用下，通过自复位减震体系的总抗侧刚度计算出水平位移，确定结构抗侧刚度是否满足的要求；

步骤四，在横向或纵向的同一楼层斜拉索对称施加预应力，顺序从低楼层到高楼层；先从一层对斜拉索对称施加预应力，然后对二层斜拉索对称施加预应力，依此顺序，逐层施加预应力。

优选地，所述步骤二的斜拉索、钢抗弯框架和BRB抗侧刚度计算公式如下：

$K_{\mathrm{Lj}}=\frac{E_L{A}_{\mathrm{Lj}}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_j\sin {\mathrm{\θ}}_j}{H_j}$

$K_{\mathrm{Bj}}=\frac{E_B{A}_{\mathrm{Bj}}{\cos }^2{\mathrm{\φ}}_j\sin {\mathrm{\φ}}_j}{h_j}$

$K_{\mathrm{Fj}}=\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{jk}}$

式中，E_L为斜拉索的弹性模量，E_B为BRB的弹性模量，A_Lj为某斜拉索的截面面积，A_Bj为某BRB的截面面积，H_j为某层离地面的高度，h_j为某层的层高，θ_j为某斜拉索与水平方向的夹角，φ_j为某BRB与水平方向的夹角，为某层钢抗弯框架的抗侧刚度(按D值法计算， 为任意层斜拉索抗侧刚度，为任意层BRB抗侧刚度，K_Fj为任意层的钢抗弯框架抗侧刚度。

优选地，所述自复位减震体系的抗侧刚度计算公式如下：

K_j＝K_Lj+K_Bj+K_Fj。

优选地，所述自复位减震体系的楼层位移以及层间位移表达式如下式：

$\underset{i=j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i=\underset{i=j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{jx}}+\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{jk}}{u}_j$

u_j＝Δu₁+Δu₂+...+Δu_j-1+Δu_j

${\mathrm{\Δu}}_j=\frac{(\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{(j-1)k}+K_{L(j-1)}){\mathrm{\Δu}}_{j-1}{F}_{j-1}}{\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{jk}}}$

式中，F_j为作用在体系某层上的水平力，为某层及其以上的斜拉索水平分力之和，u_j为该自复位减震体系的任意层楼层位移，Δu_j为该自复位减震体系的任意层层间位移。

本发明具有以下有益效果：本发明可以有效地提高结构抗侧力性能，使结构具有良好的耗能性能和自复位性能，达到减震效果明显和实现结构复位目标。

附图说明

图1是本发明采用的自复位减震体系的结构布置示意图；

图2是本发明中BRB(防屈曲支撑件)构件角度示意图。

图3是本发明中斜拉索构件角度示意图。

具体实施方式

以下结合附图和以三层为例对本发明提出的多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1至图3，本发明以三层为例说明，具体步骤如下：

步骤一，确定斜拉索1、钢抗弯框架3和BRB(防屈曲支撑件)2为抗侧力构件，BRB为主要耗能减震构件；钢抗弯框架为三层钢抗弯框架，斜拉索为三层斜拉索；斜拉索上端和钢抗弯框架铰接，斜拉索下端和地面铰接；BRB两端和钢抗弯框架铰接；斜拉索在体系的横向、纵向或者横纵向都要对称布置；斜拉索、钢抗弯框架和BRB(防屈曲支撑件)组成一个自复位减震体系。

步骤二，确定任意层的斜拉索、BRB和抗弯框架的抗侧刚度和自复位减震体系的总抗侧刚度，并给出任意层各构件(斜拉索、抗弯框架和BRB)抗侧刚度计算公式；

步骤三，在水平荷载作用(尤其是水平地震作用)下，通过自复位减震体系的总抗侧刚度计算出水平位移，确定结构抗侧刚度是否满足的要求；如结构抗侧刚度满足要求，则该体系布置合理；如结构抗侧刚度不满足要求，则需要提高多层斜拉索抗侧刚度或BRB刚度、钢抗弯框架的抗侧刚度，直至结构抗侧刚度满足要求。弹性阶段：抗侧刚度和复位由多层斜拉索、BRB和钢抗弯框架共同提供；弹塑性阶段：抗侧刚度和复位主要由多层斜拉索和钢抗弯框架提供，BRB为主要耗能减震构件。

步骤四，在横向或纵向的同一楼层斜拉索对称施加预应力，顺序从低楼层到高楼层；先从一层对斜拉索对称施加预应力，然后对二层斜拉索对称施加预应力，最后对三层斜拉索对称施加预应力。施加预应力使斜拉索保持绷紧状态以便及时有效发挥斜拉索的抗侧性能以及提高斜拉索抗侧刚度。

各构件和自复位减震体系的抗侧刚度表达式如下式(1)至(4)：

$K_{\mathrm{Lj}}=\frac{E_L{A}_{\mathrm{Lj}}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_j\sin {\mathrm{\θ}}_j}{H_j}...\left(1\right)$

$K_{\mathrm{Bj}}=\frac{E_B{A}_{\mathrm{Bj}}{\cos }^2{\mathrm{\φ}}_j\sin {\mathrm{\φ}}_j}{h_j}...\left(2\right)$

$K_{\mathrm{Fj}}=\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{jk}}...\left(3\right)$

K_j＝K_Lj+K_Bj+K_Fj…………………………(4)

式中，E_L为斜拉索的弹性模量，E_B为BRB的弹性模量，A_Lj为某斜拉索的截面面积，A_Bj为某BRB的截面面积，H_j为某层离地面的高度，h_j为某层的层高，θ_j为某斜拉索与水平方向的夹角，φ_j为某BRB与水平方向的夹角，为某层钢抗弯框架的抗侧刚度(按D值法计算， 为任意层斜拉索抗侧刚度，为任意层BRB抗侧刚度，K_Fj为任意层的钢抗弯框架抗侧刚度，任意层的自复位减震体系的抗侧刚度为K_j。

自复位减震体系的楼层位移以及层间位移表达式如下式(5)至(7)：

$\underset{i=j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i=\underset{i=j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{jx}}+\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{jk}}{u}_j...\left(5\right)$

u_j＝Δu₁+Δu₂+...+Δu_j-1+Δu_j…………………………(6)

${\mathrm{\Δu}}_j=\frac{(\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{(j-1)k}+K_{L(j-1)}){\mathrm{\Δu}}_{j-1}{-F}_{j-1}}{\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{jk}}}...\left(7\right)$

式中，F_j为作用在体系某层上的水平力，为某层及其以上的斜拉索水平分力之和，u_j为该自复位减震体系的任意层楼层位移，Δu_j为该自复位减震体系的任意层层间位移。将Δu_j代入以及u_j可以求得每层的层间位移和楼层位移。

本发明把多层斜拉索和BRB引入钢抗弯框架中，具有较好的抗侧刚度、耗能能力和复位能力，建立了抗侧刚度计算方法和在水平荷载作用下体系位移计算方法。

Claims (4)

1.一种多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，确定斜拉索、钢抗弯框架和BRB为抗侧力构件，BRB为主要耗能减震构件；抗弯框架为多层钢抗弯框架，斜拉索为多层斜拉索；斜拉索在体系的横向、纵向或者横纵向都要对称布置；斜拉索、钢抗弯框架和BRB组成一个自复位减震体系；

步骤二，确定任意层的斜拉索、BRB和钢抗弯框架的抗侧刚度和自复位减震体系的总抗侧刚度，并给出任意层的斜拉索、钢抗弯框架和BRB抗侧刚度计算公式；

步骤三，在水平荷载作用下，通过自复位减震体系的总抗侧刚度计算出水平位移，确定结构抗侧刚度是否满足的要求；

步骤四，在横向或纵向的同一楼层斜拉索对称施加预应力，顺序从低楼层到高楼层；先从一层对斜拉索对称施加预应力，然后对二层斜拉索对称施加预应力，依此顺序，逐层施加预应力。

2.根据权利要求1所述的多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法，其特征在于，所述步骤二的斜拉索、钢抗弯框架和BRB抗侧刚度计算公式如下：

$K_{\mathrm{Lj}}=\frac{E_L{A}_{\mathrm{Lj}}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_j\sin {\mathrm{\θ}}_j}{H_j}$

$K_{\mathrm{Bj}}=\frac{E_B{A}_{\mathrm{Bj}}{\cos }^2{\mathrm{\φ}}_j\sin {\mathrm{\φ}}_j}{h_j}$

$K_{\mathrm{Fj}}=\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{jk}}$

式中，E_L为斜拉索的弹性模量，E_B为BRB的弹性模量，A_Lj为某斜拉索的截面面积，A_Bj为某BRB的截面面积，H_j为某层离地面的高度，h_j为某层的层高，θ_j为某斜拉索与水平方向的夹角，φ_j为某BRB与水平方向的夹角，为某层钢抗弯框架的抗侧刚度，K_Lj为任意层斜拉索抗侧刚度，K_Bj为任意层BRB抗侧刚度，K_Fj为任意层的钢抗弯框架抗侧刚度。

3.根据权利要求2所述的多层斜拉索和钢抗弯框架的自复位减震方法，其特征在于，所述自复位减震体系的抗侧刚度计算公式如下：

K_j＝K_Lj+K_Bj+K_Fj。

4.根据权利要求3所述的多层斜拉索和抗弯框架的自复位减震方法，其特征在于，所述自复位减震体系的楼层位移以及层间位移表达式如下式：

$\underset{i=j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i=\underset{i=j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{jx}}+\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{jk}}{u}_j$

u_j＝Δu₁+Δu₂+...+Δu_j-1+Δu_j

$\mathrm{\Δ}{u}_j=\frac{(\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{(j-1)k}+K_{L(j-1)})\mathrm{\Δ}{u}_{j-1}-F_{j-1}}{\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{jk}}}$

式中，F_j为作用在体系某层上的水平力，为某层及其以上的斜拉索水平分力之和，u_j为该自复位减震体系的任意层楼层位移，Δu_j为该自复位减震体系的任意层层间位移。