CN105064527A - 一种钢环减震耗能支撑体系及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢环减震耗能支撑体系及设计方法，包括钢框架，其特征是：所述钢框架内侧两斜对角线两端均设置有钢环，每个所述钢环的一端通过连接件固定在所述钢框架上，每个所述钢环的另一端均通过钢条板支撑杆共同连接一圆环，所述圆环位于所述钢框架的中心位置。本发明将钢环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，钢环内置于钢框架内承担全部侧向力，可以大幅度提升钢框架的抗侧刚度，减小结构本身的侧移；而且在抗震过程中钢环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，只需选取合适的钢环通过连接件与框架连接即可。

Description

一种钢环减震耗能支撑体系及设计方法

技术领域

本发明涉及建筑领域，具体地讲，涉及一种钢环减震耗能支撑体系及设计方法。

背景技术

现代建筑中，钢结构由于具有良好的变形耗能能力，因此被越来越多建筑结构加以应用。钢制建筑一般采用钢框架结构承担结构整体的竖向荷载和水平地震力。虽然钢框架具有良好的变形耗能能力，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，成为钢制建筑结构中一个急需解决的问题。在钢框架中布置支撑体系可以很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。

钢管因拥有良好的承载力和变形能力而被广泛运用于现代建筑和生活中。钢环构件取自于钢管，因此钢环具有钢管的力学性能。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种钢环减震耗能支撑体系及设计方法，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手段实现发明目的：

一种钢环减震耗能支撑体系，包括钢框架，其特征是：所述钢框架内侧两斜对角线两端均设置有钢环，每个所述钢环的一端通过连接件固定在所述钢框架上，每个所述钢环的另一端均通过钢条板支撑杆共同连接一圆环，所述圆环位于所述钢框架的中心位置，所述圆环在塑性变形时的极限承载力计算的公式如下：

M_p＝w_c ²t_wf_y2/4；

$F_2=2\sqrt{2}{M}_p/R_1;$

式中，f_y2为圆环的屈服强度，t_w为圆环厚度，w_c为圆环内外半径差，M_p为圆环的塑性极限弯矩，R₁为圆环内外半径之和的二分之一，F₂为圆环塑性变形的极限承载力。

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，所述框架梁的两端焊接端板，所述端板通过螺栓与所述框架柱连接。

作为对本技术方案的进一步限定，所述连接件与所述钢环螺栓连接，所述连接件与所述钢框架焊接连接。

作为对本技术方案的进一步限定，所述钢环与所述钢条板支撑杆螺栓连接，所述钢条板支撑杆与所述圆环螺栓连接。

一种钢环减震耗能支撑体系的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)从整体上将环减震耗能支撑等效成中心交叉X型支撑体系，进而算出地震水平力对中心交叉X型支撑体系所产生的轴力；

(2)从个体上对中心交叉X型支撑体系构件进行分析计算，中心交叉X型支撑体系包括钢环、钢条板支撑杆和圆环，将钢环受力模型简化计算；钢条板支撑杆由于在地震作用下将受反复轴力作用，钢条板支撑杆的抗震按受压构件进行设计；将圆环受力模型简化计算。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(1)中地震水平力对中心交叉X型支撑体系所产生的轴力计算公式如下：

$P=2Ncos\mathrm{\θ}\⇒N=P/2cos\mathrm{\θ}$

式中，P为水平地震力，N为X支撑所承受的轴力，θ为钢条板支撑杆的倾斜角度。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(2)的钢环受力模型简化计算包括以下步骤：

(1)根据钢环抗弯试验研究以及本着钢环承载力大，变形能力强的原则设定钢环相关尺寸大小范围：

长径比l/d：1/2≤l/d≤1；径厚比d/t：30≤d/t≤50；板厚t：6mm≤t≤12mm；

(2)钢环承载力的计算：

定义钢环的承载力为F

①弹性区域钢环承载力计算公式：

$F=\frac{{\mathrm{\πt}}^{2}l\mathrm{\σ}}{6R}$

②塑性极限范围钢环承载力计算公式：

$F=\frac{t^2{\mathrm{lf}}_y}{R}$

式中，σ为钢环受力F时对应的应力，f_y为钢环板的屈服应力；t为钢环厚度；l为钢环长度；R为钢环半径，根据计算结果选择合理的钢环应用于钢环减震耗能支撑结构中。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(2)钢条板支撑杆的抗震按受压构件进行设计计算包括以下步骤：

(1)钢条板支撑杆承载力的计算

$\mathrm{\ψ}=1/(1+{\mathrm{\λ}}_n/2\mathrm{\π}\sqrt{2});$

${\mathrm{\λ}}_n=\frac{KL}{r}\sqrt{\frac{F_y}{E}};$

式中，F₁为钢条板支撑杆屈曲失稳时的轴向承载力，ψ为钢条板支撑杆受循环荷载时的强度降低系数，为轴心受压构件的稳定系数，可以按照GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定计算，A_b为钢条板支撑杆的截面面积，r_RE为钢条板支撑杆承载力抗震调整系数，f_y1为钢条板支撑杆材料的屈服强度，F_y为钢条板支撑杆材料的名义屈服强度，λ_n分别为钢条板支撑杆的正则化长细比，K、L、r分别为钢条板支撑杆的计算长度系数、几何长度、截面回旋半径，E为钢条板支撑杆材料的弹性模量，根据计算结果选择合理的钢条板支撑杆应用于钢环减震耗能支撑结构中去。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(2)圆环受力模型简化计算的公式如下：

M_p＝w_c ²t_wf_y2/4；

$F_2=2\sqrt{2}{M}_p/R_1;$

式中，f_y2为圆环的屈服强度，t_w为圆环厚度，w_c为圆环内外半径差，M_p为圆环的塑性极限弯矩，R₁为圆环内外半径之和的二分之一，F₂为圆环塑性变形的极限承载力，根据计算结果选择合理的圆环应用于钢环减震耗能支撑中，另外，中心交叉X型支撑体系的构件钢环、钢条板支撑杆和圆环构件的承载力F、F₁、F₂必须大于地震水平力P对中心交叉X型支撑体系所产生的轴力N，然而，为能充分发挥新结构抗震耗能的作用，因此钢条板支撑杆和圆环构件的承载力F₁和F₂两者都必须大于F，即：F≥N。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明将钢环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，钢环内置于钢框架内承担全部侧向力，可以大幅度提升钢框架的抗侧刚度，减小结构本身的侧移；而且在抗震过程中钢环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，只需选取合适的钢环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提高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为框架梁和端板连接的结构示意图。

图3为连接件的结构示意图。

图4为钢环的结构示意图。

图5为圆环的结构示意图。

图6为钢条板支撑杆的结构示意图。

图7为本发明的结构等代示意图。

图8为本发明钢环的结构等代示意图。

图9为本发明圆环的结构等代示意图。

图中，1-框架柱，2-框架梁，3-钢条板支撑杆，4-端板5-钢环，6-圆环，7-连接件。

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9，本发明包括钢框架，所述钢框架内侧两斜对角线两端均设置有钢环5，每个所述钢环5的一端通过连接件7固定在所述钢框架上，每个所述钢环5的另一端均通过钢条板支撑杆3共同连接一圆环6，所述圆环6位于所述钢框架的中心位置，所述圆环在塑性变形时的极限承载力计算的公式如下：

M_p＝w_c ²t_wf_y2/4；

$F_2=2\sqrt{2}{M}_p/R_1;$

式中，f_y2为圆环的屈服强度，t_w为圆环厚度，w_c为圆环内外半径差，M_p为圆环的塑性极限弯矩，R₁为圆环内外半径之和的二分之一，F₂为圆环塑性变形的极限承载力。

所述钢框架包括框架梁2和框架柱1，所述框架梁2和框架柱1均采用工字型钢。

所述框架梁的两端焊接端板4，所述端板4通过螺栓与所述框架柱1连接。

所述连接件7与所述钢环5螺栓连接，所述连接件7与所述钢框架焊接连接。

所述钢环5与所述钢条板支撑杆3螺栓连接，所述钢条板支撑杆3与所述圆环6螺栓连接。

本发明还公开了一种钢环减震耗能支撑体系的设计方法，包括如下步骤：

(1)从整体上将环减震耗能支撑等效成中心交叉X型支撑体系，进而算出地震水平力对中心交叉X型支撑体系所产生的轴力；

(2)从个体上对中心交叉X型支撑体系构件进行分析计算，中心交叉X型支撑体系包括钢环、钢条板支撑杆和圆环，将钢环受力模型简化计算；钢条板支撑杆由于在地震作用下将受反复轴力作用，钢条板支撑杆的抗震按受压构件进行设计；将圆环受力模型简化计算。

所述步骤(1)中地震水平力对中心交叉X型支撑体系所产生的轴力计算公式如下：

$P=2Ncos\mathrm{\θ}\⇒N=P/2cos\mathrm{\θ}$

式中，P为水平地震力，N为X支撑所承受的轴力，θ为钢条板支撑杆的倾斜角度。

所述步骤(2)的钢环受力模型简化计算包括以下步骤：

(1)根据钢环抗弯试验研究以及本着钢环承载力大，变形能力强的原则设定钢环相关尺寸大小范围：

长径比l/d：1/2≤l/d≤1；径厚比d/t：30≤d/t≤50；板厚t：6mm≤t≤12mm；

(2)钢环承载力的计算：

定义钢环的承载力为F

①弹性区域钢环承载力计算公式：

$F=\frac{{\mathrm{\πt}}^{2}l\mathrm{\σ}}{6R}$

②塑性极限范围钢环承载力计算公式：

$F=\frac{t^2{\mathrm{lf}}_y}{R}$

式中，σ为钢环受力F时对应的应力，f_y为钢环板的屈服应力；t为钢环厚度；l为钢环长度；R为钢环半径，根据计算结果选择合理的钢环应用于钢环减震耗能支撑结构中。

所述步骤(2)钢条板支撑杆的抗震按受压构件进行设计计算包括以下步骤：

(1)钢条板支撑杆承载力的计算

$\mathrm{\ψ}=1/(1+{\mathrm{\λ}}_n/2\mathrm{\π}\sqrt{2});$

${\mathrm{\λ}}_n=\frac{KL}{r}\sqrt{\frac{F_y}{E}};$

式中，F₁为钢条板支撑杆屈曲失稳时的轴向承载力，ψ为钢条板支撑杆受循环荷载时的强度降低系数，为轴心受压构件的稳定系数，可以按照GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定计算，A_b为钢条板支撑杆的截面面积，r_RE为钢条板支撑杆承载力抗震调整系数，f_y1为钢条板支撑杆材料的屈服强度，F_y为钢条板支撑杆材料的名义屈服强度，λ_n分别为钢条板支撑杆的正则化长细比，K、L、r分别为钢条板支撑杆的计算长度系数、几何长度、截面回旋半径，E为钢条板支撑杆材料的弹性模量，根据计算结果选择合理的钢条板支撑杆应用于钢环减震耗能支撑结构中去。

所述步骤(2)圆环受力模型简化计算的公式如下：

M_p＝w_c ²t_wf_y2/4；

$F_2=2\sqrt{2}{M}_p/R_1;$

式中，f_y2为圆环的屈服强度，t_w为圆环厚度，w_c为圆环内外半径差，M_p为圆环的塑性极限弯矩，R₁为圆环内外半径之和的二分之一，F₂为圆环塑性变形的极限承载力，根据计算结果选择合理的圆环应用于钢环减震耗能支撑中，另外，中心交叉X型支撑体系的构件钢环、钢条板支撑杆和圆环构件的承载力F、F₁、F₂必须大于地震水平力P对中心交叉X型支撑体系所产生的轴力N，然而，为能充分发挥新结构抗震耗能的作用，因此钢条板支撑杆和圆环构件的承载力F₁和F₂两者都必须大于F，即：F≥N。

Claims (10)

1.一种钢环减震耗能支撑体系，包括钢框架，其特征是：所述钢框架内侧两斜对角线两端均设置有钢环，每个所述钢环的一端通过连接件固定在所述钢框架上，每个所述钢环的另一端均通过钢条板支撑杆共同连接一圆环，所述圆环位于所述钢框架的中心位置，所述圆环在塑性变形时的极限承载力计算的公式如下：

M_p＝w_c ²t_wf_y2/4；

$F_2=2\sqrt{2}{M}_p/R_1;$

式中，f_y2为圆环的屈服强度，t_w为圆环厚度，w_c为圆环内外半径差，M_p为圆环的塑性极限弯矩，R₁为圆环内外半径之和的二分之一，F₂为圆环塑性变形的极限承载力。

2.根据权利要求1所述的钢环减震耗能支撑体系，其特征是：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。

3.根据权利要求1所述的钢环减震耗能支撑体系，其特征是：所述框架梁的两端焊接端板，所述端板通过螺栓与所述框架柱连接。

4.根据权利要求1所述的钢环减震耗能支撑体系，其特征是：所述连接件与所述钢环螺栓连接，所述连接件与所述钢框架焊接连接。

5.根据权利要求1所述的钢环减震耗能支撑体系，其特征是：所述钢环与所述钢条板支撑杆螺栓连接，所述钢条板支撑杆与所述圆环螺栓连接。

6.一种钢环减震耗能支撑体系的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)从整体上将环减震耗能支撑等效成中心交叉X型支撑体系，进而算出地震水平力对中心交叉X型支撑体系所产生的轴力；

(2)从个体上对中心交叉X型支撑体系构件进行分析计算，中心交叉X型支撑体系包括钢环、钢条板支撑杆和圆环，将钢环受力模型简化计算；钢条板支撑杆由于在地震作用下将受反复轴力作用，钢条板支撑杆的抗震按受压构件进行设计；将圆环受力模型简化计算。

7.根据权利要求6所述的钢环减震耗能支撑体系的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中地震水平力对中心交叉X型支撑体系所产生的轴力计算公式如下：

$P=2Ncos\mathrm{\θ}\⇒N=P/2cos\mathrm{\θ}$

式中，P为水平地震力，N为X支撑所承受的轴力，θ为钢条板支撑杆的倾斜角度。

8.根据权利要求7所述的钢环减震耗能支撑体系的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)的钢环受力模型简化计算包括以下步骤：

(1)根据钢环抗弯试验研究以及本着钢环承载力大，变形能力强的原则设定钢环相关尺寸大小范围：

长径比l/d：1/2≤l/d≤1；径厚比d/t：30≤d/t≤50；板厚t：6mm≤t≤12mm；

(2)钢环承载力的计算：

定义钢环的承载力为F

①弹性区域钢环承载力计算公式：

$F=\frac{{\mathrm{\πt}}^{2}l\mathrm{\σ}}{6R}$

②塑性极限范围钢环承载力计算公式：

$F=\frac{t^2{\mathrm{lf}}_y}{R}$

式中，σ为钢环受力F时对应的应力，f_y为钢环板的屈服应力；t为钢环厚度；l为钢环长度；R为钢环半径，根据计算结果选择合理的钢环应用于钢环减震耗能支撑结构中。

9.根据权利要求8所述的钢环减震耗能支撑体系的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)钢条板支撑杆的抗震按受压构件进行设计计算包括以下步骤：

(1)钢条板支撑杆承载力的计算

$\mathrm{\ψ}=1/(1+{\mathrm{\λ}}_n/2\mathrm{\π}\sqrt{2});$

${\mathrm{\λ}}_n=\frac{KL}{r}\sqrt{\frac{F_y}{E}};$

式中，F₁为钢条板支撑杆屈曲失稳时的轴向承载力，ψ为钢条板支撑杆受循环荷载时的强度降低系数，为轴心受压构件的稳定系数，可以按照GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定计算，A_b为钢条板支撑杆的截面面积，r_RE为钢条板支撑杆承载力抗震调整系数，f_y1为钢条板支撑杆材料的屈服强度，F_y为钢条板支撑杆材料的名义屈服强度，λ_n分别为钢条板支撑杆的正则化长细比，K、L、r分别为钢条板支撑杆的计算长度系数、几何长度、截面回旋半径，E为钢条板支撑杆材料的弹性模量，根据计算结果选择合理的钢条板支撑杆应用于钢环减震耗能支撑结构中去。

10.根据权利要求9所述的钢环减震耗能支撑体系的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)圆环受力模型简化计算的公式如下：

M_p＝w_c ²t_wf_y2/4；

式中，f_y2为圆环的屈服强度，t_w为圆环厚度，w_c为圆环内外半径差，M_p为圆环的塑性极限弯矩，R₁为圆环内外半径之和的二分之一，F₂为圆环塑性变形的极限承载力，根据计算结果选择合理的圆环应用于钢环减震耗能支撑中，另外，中心交叉X型支撑体系的构件钢环、钢条板支撑杆和圆环构件的承载力F、F₁、F₂必须大于地震水平力P对中心交叉X型支撑体系所产生的轴力N，然而，为能充分发挥新结构抗震耗能的作用，因此钢条板支撑杆和圆环构件的承载力F₁和F₂两者都必须大于F，即：F≥N。