CN104895191B - 一种钢结构抗震耗能抗侧力体系及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢结构抗震耗能抗侧力体系及设计方法，包括钢框架，其特征是：所述钢框架内设置有相互垂直的液压支撑杆组，每个液压支撑杆组均包括三条平行的液压支撑杆。本发明将液压支撑杆与传统钢框架相结合，钢框架作为结构边缘构件承担全部竖向荷载和倾覆弯矩，液压支撑杆内置于钢框架内承担全部侧向力，可以大幅度提升框架的抗侧刚度，减小结构本身的侧移；而且在抗震过程中液压杆可以通过压缩或伸长来消耗地震能量，达到减震耗能的目的。

Description

一种钢结构抗震耗能抗侧力体系及设计方法

技术领域

本发明涉及建筑抗震领域，具体涉及一种新型抗震耗能抗侧力体系及设计方法。

背景技术

现代建筑中，钢结构凭借其良好的变形耗能能力越来越多的应用于建筑结构中，钢制建筑通常采用钢框架结构承担结构整体的竖向荷载和水平地震力。虽然钢框架具有较好的变形耗能能力，但是结构本身的抗侧刚度较小，导致结构易产生较大的侧向位移，成为建筑结构中一个亟待解决的问题。在钢框架中布置支撑体系可以较好的弥补钢框架抗侧刚度低、侧移大的缺陷，使其成为一种良好的抗侧力体系。

液压支撑杆目前广泛应用于现代生活和建筑中，主要是采用油路循环来控制支撑杆荷载的装置，并且沿杆件方向具有较强的承载力。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种新型抗震耗能抗侧力体系及设计方法，改变传统钢框架抗侧刚度低的现状，增强结构的抗震耗能能力。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种钢结构抗震耗能抗侧力体系，包括钢框架，其特征是：所述钢框架内设置有相互垂直的液压支撑杆组，每个液压支撑杆组均包括三条平行的液压支撑杆。

作为对本技术方案的进一步限定，所述钢框架包括框架梁和框架柱，所述框架梁和框架柱均采用工字型钢。

作为对本技术方案的进一步限定，所述框架梁两端通过端板固定在所述框架柱上，所述框架梁与所述端板通过焊接连接，所述端板与所述框架柱通过螺栓连接。

作为对本技术方案的进一步限定，所述液压支撑杆在所述钢框架的两个对角线方向均布置一根，相邻的所述框架梁和框架柱的中点之间均布置两根。

作为对本技术方案的进一步限定，所述钢框架的两个对角线方向的液压支撑杆通过连接件一、连接件二和连接螺栓固定在所述钢框架上。

作为对本技术方案的进一步限定，相邻的所述框架梁和框架柱的中点之间的液压支撑杆通过连接件三和连接件四固定在所述钢框架上。

作为对本技术方案的进一步限定，所述钢框架的两个对角线方向的液压支撑杆承载力F₁为相邻的所述框架梁和框架柱的中点之间的液压支撑杆承载力F₂和F₃为式中，f_y为液压支撑杆等效的钢板剪力墙的屈服强度；t为液压支撑杆等效的钢板剪力墙厚度；a为液压支撑杆等效的钢板剪力墙宽度；b为液压支撑杆等效的钢板剪力墙高度。

作为对本技术方案的进一步限定，所述参数t的取值范围是：

式中，r_R为抗震分项系数，取1.2；P为水平地震力；a为液压支撑杆等效的钢板剪力墙宽度；t为液压支撑杆等效的钢板剪力墙厚度；τ为液压支撑杆等效的钢板剪力墙剪切应力，b为液压支撑杆等效的钢板剪力墙高度。

一种钢结构抗震耗能抗侧力体系设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将钢框架-液压支撑结构体系等效为钢框架-钢板剪力墙结构；

(2)钢框架-钢板剪力墙在抗震过程中在同一个方位会产生三条拉力带，即沿对角线方向墙体中部三条的主拉力带和两侧的两条次拉力带；

(3)计算钢框架-钢板剪力墙的钢板厚度t为：

式中，r_R为抗震分项系数，取1.2；P为水平地震力；a为液压支撑杆等效的钢板剪力墙宽度；t为液压支撑杆等效的钢板剪力墙厚度；τ为液压支撑杆等效的钢板剪力墙剪切应力，b为液压支撑杆等效的钢板剪力墙高度；

(4)液压支撑杆承载力的计算，定义中部液压杆的承载力为F₁，两侧液压杆的承载力为F₂和F₃，其中F₂＝F₃，将等效后的钢板剪力墙均分成九根条带，每根条带的宽度为钢板剪力墙中部三条条带作为墙体的主拉力带；主拉力带两侧的两条条带作为墙体的次拉力带，即红色阴影部分；则三根液压杆等效后的拉力带的宽度分别为

根据公式A＝0.55D·t可得三条拉力带的截面面积为

根据F＝A·f_y可计算每根液压杆的承载力为

式中，f_y为等效钢板剪力墙的屈服强度；t为等效钢板剪力墙厚度；a为等效钢板剪力墙宽度；b为等效钢板剪力墙高度；

(5)根据计算出的液压承载力F₁、F₂和F₃选择对应的中部液压支撑杆和两侧的液压支撑杆应用于抗侧力体系中去。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明将液压支撑杆与传统钢框架相结合，钢框架作为结构边缘构件承担全部竖向荷载和倾覆弯矩，液压支撑杆内置于钢框架内承担全部侧向力，可以大幅度提升框架的抗侧刚度，减小结构本身的侧移；而且在抗震过程中液压支撑杆可以通过压缩或伸长来消耗地震能量，达到减震耗能的目的。本发明在施工方面比较简单快捷，只需选取合适的液压支撑杆通过连接件与框架连接即可；钢框架采用的两端外伸端板式连接方式属于半刚性连接，与传统钢框架中采用的刚性连接方式相比，两端外伸端板式连接方式可以增强结构的变形耗能能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为框架柱和框架梁连接的结构拆解图。

图3为液压支撑杆与钢框架连接的结构拆解图一。

图4为液压支撑杆与钢框架连接的结构拆解图二。

图5为液压支撑杆与钢框架结构等效示意图。

图中，1-框架柱，2-框架梁，3-液压支撑杆，4-端板，5-节点螺栓，6-连接件一，7-连接件二，8-连接螺栓，9-连接件三，10-连接件四。

具体实施方式:

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1-图5，本发明包括钢框架和液压支撑杆3。所述钢框架包括框架柱1和框架梁2，框架柱1和框架梁2的连接方式采用两端外伸端板式连接，即框架梁2与端板4通过焊接连接，端板4与框架柱1通过节点螺栓5进行连接；所述液压支撑杆3内置于钢框架内，在框架一侧沿对角线方向斜向布置三根，在框架另一侧同样布置三根液压杆，布置方向与先前布置方向垂直；在钢框架2个对角线方向，钢框架与连接件一6焊接连接，液压支撑杆3与连接件二7同样焊接连接，连接件一6和连接件二7通过连接螺栓8进行螺栓连接；在框架柱1和框架梁2的中点处焊接连接件三9，四根液压支撑杆同样与连接件四10焊接连接，之后接件三9和连接件四10通过连接螺栓8连接。

液压支撑杆的选取原则:

液压支撑杆是依据杆件在抗震过程中承担的荷载进行选取的，在设计中可先计算出每根液压杆承担的荷载，之后可根据计算结果选取合适的杆件应用于结构体系中。在杆件计算中可将钢框架-液压支撑结构体系等效为钢框架-钢板剪力墙结构(见图5)，钢框架-钢板剪力墙在抗震过程中一个对角线方向会产生三条拉力带，即沿对角线方向墙体中部三条的主拉力带和两侧的两条次拉力带。

(1)钢板厚度t的选取

钢框架-钢板剪力墙中的钢板所提供的抗剪承载力应当大于水平地震力，即

a·τ·t>r_R·P (1)

根据这一原则可确定钢板厚度的下限，即

式中，r_R为抗震分项系数，取1.2；P为水平地震力；a为等效钢板剪力墙宽度；t为等效钢板剪力墙厚度；τ为等效钢板剪力墙剪切应力。

钢框架-钢板剪力墙在设计中以钢板的剪切屈曲状态作为其受力极限，此时的钢板厚度可作为钢板厚度的上限值，即

根据公式(2)和(3)可得钢板的厚度的取值范围，即

式中，b为钢板高度。

(2)液压支撑杆承载力的计算

定义所述钢框架的两个对角线方向的液压支撑杆为中部液压杆，中部液压杆的承载力为F₁，相邻的所述框架梁和框架柱的中点之间的液压支撑杆为两侧液压杆，两侧液压杆的承载力为F₂和F₃，其中F₂＝F₃。将等效后的钢板剪力墙均分成九根条带，每根条带的宽度为(见图5)。钢板剪力墙中部三条条带作为墙体的主拉力带；主拉力带两侧的两条条带作为墙体的次拉力带，则三根液压杆等效后的拉力带的宽度分别为

根据公式A＝0.55D·t(D即D₁、D₂和D₃)可得三条拉力带的截面面积为：

根据F＝A·f_y(A即A₁、A₂和A₃)可计算每根液压杆的承载力为

式中，f_y为等效钢板剪力墙的屈服强度；t为等效钢板剪力墙厚度；a为等效钢板剪力墙宽度；b为等效钢板剪力墙高度。根据计算结果可选取合适的液压支撑杆应用于结构体系中去，钢框架另一个对角线方向上的三个液压支撑杆的选取方式与上述选取方式雷同，在此不再赘述。

Claims (4)

1.一种钢结构抗震耗能抗侧力体系，包括钢框架，其特征是：所述钢框架内设置有相互垂直的液压支撑杆组，每个液压支撑杆组均包括三条平行的液压支撑杆；

所述钢框架包括框架梁和框架柱，所述框架梁和框架柱均采用工字型钢；所述框架梁两端通过端板固定在所述框架柱上，所述框架梁与所述端板通过焊接连接，所述端板与所述框架柱通过螺栓连接；

所述液压支撑杆在所述钢框架的两个对角线方向均布置一根，相邻的所述框架梁和框架柱的中点之间均布置两根；

所述钢框架的两个对角线方向的液压支撑杆承载力F₁为 相邻的所述框架梁和框架柱的中点之间的液压支撑杆承载力F₂和F₃为式中，f_y为液压支撑杆等效的钢板剪力墙的屈服强度；t为液压支撑杆等效的钢板剪力墙厚度；a为液压支撑杆等效的钢板剪力墙宽度；b为液压支撑杆等效的钢板剪力墙高度；

所述参数t的取值范围是：

式中，r_R为抗震分项系数，取1.2；P为水平地震力；a为液压支撑杆等效的钢板剪力墙宽度；t为液压支撑杆等效的钢板剪力墙厚度；τ为液压支撑杆等效的钢板剪力墙剪切应力，b为液压支撑杆等效的钢板剪力墙高度。

2.根据权利要求1所述的钢结构抗震耗能抗侧力体系，其特征是：所述钢框架的两个对角线方向的液压支撑杆通过连接件一、连接件二和连接螺栓固定在所述钢框架上。

3.根据权利要求1所述的钢结构抗震耗能抗侧力体系，其特征是：相邻的所述框架梁和框架柱的中点之间的液压支撑杆通过连接件三和连接件四固定在所述钢框架上。

4.一种钢结构抗震耗能抗侧力体系设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将钢框架-液压支撑结构体系等效为钢框架-钢板剪力墙结构；

(2)钢框架-钢板剪力墙在抗震过程中在同一个方位会产生三条拉力带，即沿对角线方向墙体中部三条的主拉力带和两侧的两条次拉力带；

(3)计算钢框架-钢板剪力墙的钢板厚度t为：

$\frac{r_R\&CenterDot;P}{a\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}}<t<\frac{b}{100}\sqrt{\mathrm{\&tau;}/\&lsqb;123+\frac{93}{{(a/b)}^2}\&rsqb;}$

式中，r_R为抗震分项系数，取1.2；P为水平地震力；a为液压支撑杆等效的钢板剪力墙宽度；t为液压支撑杆等效的钢板剪力墙厚度；τ为液压支撑杆等效的钢板剪力墙剪切应力，b为液压支撑杆等效的钢板剪力墙高度；

(4)液压支撑杆承载力的计算，定义中部液压杆的承载力为F₁，两侧液压杆的承载力为F₂和F₃，其中F₂＝F₃，将等效后的钢板剪力墙均分成九根条带，每根条带的宽度为钢板剪力墙中部三条条带作为墙体的主拉力带；主拉力带两侧的两条条带作为墙体的次拉力带，即红色阴影部分；则三根液压杆等效后的拉力带的宽度分别为根据公式A＝0.55D·t可得三条拉力带的截面面积为：

$A_1=\frac{11t}{60}\sqrt{a^2+b^2},A_2=A_3=\frac{11t}{90}\sqrt{a^2+b^2},$

根据F＝A·f_y可计算每根液压杆的承载力为

$F_1=\frac{11}{60}{f}_y\&CenterDot;t\&CenterDot;\sqrt{a^2+b^2},F_2=F_3=\frac{11}{90}{f}_y\&CenterDot;t\&CenterDot;\sqrt{a^2+b^2},$

式中，f_y为等效钢板剪力墙的屈服强度；t为等效钢板剪力墙厚度；a为等效钢板剪力墙宽度；b为等效钢板剪力墙高度；

(5)根据计算出的液压承载力F₁、F₂和F₃选择对应的中部液压支撑杆和两侧的液压支撑杆应用于抗侧力体系中去。