CN105297916B - 一种柱端全铰接空间支撑框架结点 - Google Patents

Abstract

一种柱端全铰接空间支撑框架结点，它涉及一种梁柱及支撑连接构件。本发明为解决传统梁柱连接采用刚性连接在大震或者中震后出现过量残余变形，从而增加震后维护和重建成本的问题。本发明中结点区上柱、中空棱柱和结点区下柱从上到下依次设置，铰接柱端构件位于中空棱柱和结点区下柱之间，N个横梁均布在中空棱柱的周围，每个横梁的两侧各自通过一个角钢与中空棱柱固接，支撑系统固接在每个横梁和结点区上柱的交汇处、每个横梁和结点区下柱的交汇处。本发明在不增加结构造价的前提下，能显著地提高结构抗震性能，即结构弹性变形能力，实现大震后的立即使用的效果。本发明用于建筑结构工程领域中的抗侧力构件中。

Description

一种柱端全铰接空间支撑框架结点

技术领域

本发明具体涉及一种柱端全铰接空间支撑框架结点。

背景技术

地震灾害对人们的生命安全造成了极大的影响，其主要是由于在地震过程中建筑结构发生了过大的损坏或倒塌所引起的。通过在结构中设置支撑可以有效地提高结构的侧向刚度同时减少结构的变形。但是，传统的支撑框架结构的梁柱连接采用刚性或者半刚性连接，在载荷的作用下，柱子主要受压弯作用，其应力增加显著。同时主体框架的侧向弹性变形能力也被削弱，使得主体结构产生很大的残余变形甚至发生倒塌。为了减少柱子的应力，可以通过加大柱子截面来减少柱子应力，但是这样做增加了制造成本。这些问题普遍存在震后的建筑物中亟待解决。

发明内容

本发明为解决传统梁柱连接采用刚性连接在大震或者中震后出现过量残余变形，从而增大震后维护和重建成本的问题，而提出一种柱端全铰接空间支撑框架结点。

本发明为解决上述问题采用的技术方案是：

一种柱端全铰接空间支撑框架结点，它包括结点区下柱、结点区上柱、中空棱柱、铰接柱端构件、支撑系统、N个横梁和2N个角钢，所述结点区上柱、中空棱柱和结点区下柱从上到下依次设置，所述铰接柱端构件位于中空棱柱和结点区下柱之间，所述N个横梁均布在中空棱柱的周围，每个横梁的两侧各自通过一个角钢与中空棱柱固定连接，所述支撑系统固定连接在每个横梁和结点区上柱的交汇处、每个横梁和结点区下柱的交汇处。

所述结点区下柱包括下H型钢、两个下柱内加劲肋和两个下柱外加劲肋，两个下柱内加劲肋均位于下H型钢中下腹板的上端且二者对称设置在下腹板的两侧，每个下柱内加劲肋与下腹板垂直设置，每个下柱内加劲肋外对应设置有一个下柱外加劲肋，每个下柱外加劲肋与下腹板平行设置，每个下柱外加劲肋的两端分别焊接在下H型钢中两个翼缘上，所述下腹板的宽度为W，所述下腹板的顶端加工有一个直径为W的半圆形凹槽，两个下柱内加劲肋的顶端各加工有一个半径为W/2的四分之一圆形凹槽，半圆形凹槽和两个四分之一圆形凹槽之间形成铰接柱端构件用放置槽。

所述结点区上柱包括上H型钢和两个上柱外加劲肋，两个上柱外加劲肋均位于上H型钢中上腹板的下端且二者对称设置在上腹板两侧，两个上柱外加劲肋均与上腹板平行设置，每个上柱外加劲肋焊接在H型钢中两个翼缘之间。

所述铰接柱端构件包括球冠和球体，球冠的球面设置在铰接柱端构件用放置槽中，球冠的球面分别与下腹板和下柱内加劲肋焊接，球体的下端设置在球冠内，球体的上端设置在中空棱柱内并与中空棱柱焊接，中空棱柱顶端焊接在与结点区上柱的底端上。

所述支撑系统包括2N个支撑结点板和2N个支撑构件，当中空棱柱为中空四棱柱时，N的取值为4，中空四棱柱与四个横梁通过八个角钢相连接；

每个横梁为H型梁，四个横梁的腹板分别位于中空棱柱四个侧面上，每个横梁对应有两个角钢，每个横梁的腹板通过两个角钢与中空棱柱的外壁焊接，每个横梁的上翼缘与结点区上柱的底端齐平，每个横梁的下翼缘与结点区下柱的顶端齐平，每个横梁的上翼缘与结点区上柱交汇处、每个横梁的下翼缘与结点区下柱交汇处各设置有一个支撑结点板，每个支撑结点板上设置有一个支撑构件。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明所提出的柱端全铰接空间支撑框架结点，可显著增加支撑框架结构的侧向弹性变形能力。传统的支撑框架结构即柱端刚接结构的弹性层间位移角限值在0.2％左右。而使用本发明后的结构在位移角达7％-8％时仍能保持弹性，适合与位移型的抗震支撑联合使用。数值分析的结果显示，在不增加结构总体造价的前提下，此类结构在大震下的最大层间位移角可达7.2％，但仍然能够保持弹性，震后可立即使用。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图，图中仅显示一个支撑构件10；

图2是结点区上柱2、结点区下柱1和铰接柱端构件之间的装配图；

图3-1是本发明的第一装配过程图；

图3-2是本发明的第二装配过程图；

图3-3是本发明的第三装配过程图；

图4是下H型钢1-1的立体结构示意图；

图5是结点区上柱2的立体结构示意图；

图6是结点区上柱2的俯视结构示意图；

图7是球冠5与球体6之间装配图；

图8中空棱柱4的立体结构示意图；

图9-1是支撑结点板9的第一立体结构示意图；

图9-2是支撑结点板9的第二立体结构示意图；

图10是支撑构件10的立体结构示意图；

图11是本发明应用在立面结构中的使用状态图，图中A₁处和A₂处均为本发明在立面结构中的位置。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图11说明本实施方式，本实施方式包括结点区下柱1、结点区上柱2、中空棱柱4、铰接柱端构件、支撑系统、N个横梁3和2N个角钢7，所述结点区上柱2、中空棱柱4和结点区下柱1从上到下依次设置，所述铰接柱端构件位于中空棱柱4和结点区下柱1之间，所述N个横梁3均布在中空棱柱4的周围，每个横梁3的两侧各自通过一个角钢7与中空棱柱4固定连接，所述支撑系统固定连接在每个横梁3和结点区上柱2的交汇处、每个横梁3和结点区下柱1的交汇处。

本发明应用在立面结构中，本发明中中空棱柱4的棱数为N，即中空棱柱4的棱数N决定了横梁3的个数和角钢7的个数，中空棱柱4为中空三棱柱、中空四棱柱、中空五棱柱、中空正四棱柱、中空直三棱柱或中空六棱柱，其他类型的中空棱柱均可。

具体实施方式二：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式中所述结点区下柱1包括下H型钢1-1、两个下柱内加劲肋1-2和两个下柱外加劲肋1-3，两个下柱内加劲肋1-2均位于下H型钢1-1中下腹板1-1-1的上端且二者对称设置在下腹板1-1-1的两侧，每个下柱内加劲肋1-2与下腹板1-1-1垂直设置，每个下柱内加劲肋1-2外对应设置有一个下柱外加劲肋1-3，每个下柱外加劲肋1-3与下腹板1-1-1平行设置，每个下柱外加劲肋1-3的两端分别焊接在下H型钢中两个翼缘1-1-2上，所述下腹板1-1-1的宽度为W，所述下腹板1-1-1的顶端加工有一个直径为W的半圆形凹槽1-1-3，两个下柱内加劲肋1-2的顶端各加工有一个半径为W/2的四分之一圆形凹槽1-2-1，半圆形凹槽1-1-3和两个四分之一圆形凹槽1-2-1之间形成铰接柱端构件用放置槽。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式中所述结点区上柱2包括上H型钢2-1和两个上柱外加劲肋2-2，两个上柱外加劲肋2-2均位于上H型钢2-1中上腹板2-1-1的下端且二者对称设置在上腹板2-1-1两侧，两个上柱外加劲肋2-2均与上腹板2-1-1平行设置，每个上柱外加劲肋2-2焊接在H型钢2-1中两个翼缘2-1-2之间。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中所述结点区上柱2与结点区下柱1上下正对设置。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2和图7说明本实施方式，本实施方式中所述铰接柱端构件包括球冠5和球体6，球冠5的球面设置在铰接柱端构件用放置槽中，球冠5的球面分别与下腹板1-1-1和下柱内加劲肋1-2焊接，球体6的下端设置在球冠5内，球体6的上端设置在中空棱柱4内并与中空棱柱4焊接，中空棱柱4顶端焊接在与结点区上柱2的底端上。

本实施方式中中空四棱柱4内加工有内孔，球体6的上端设置在中空四棱柱4的内孔中。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图2、图3-1、图3-2、图3-3、图7、图9-1和图9-2说明本实施方式，本实施方式中所述支撑系统包括2N个支撑结点板9和2N个支撑构件10，当中空棱柱4为中空四棱柱时，N的取值为4，中空四棱柱与四个横梁3通过八个角钢7相连接；

每个横梁3为H型梁，四个横梁3的腹板分别位于中空棱柱4四个侧面上，每个横梁3对应有两个角钢7，每个横梁3的腹板通过两个角钢7与中空棱柱4的外壁焊接，每个横梁3的上翼缘与结点区上柱2的底端齐平，每个横梁3的下翼缘与结点区下柱1的顶端齐平，每个横梁3的上翼缘与结点区上柱2交汇处、每个横梁3的下翼缘与结点区下柱1交汇处各设置有一个支撑结点板9，每个支撑结点板9上设置有一个支撑构件10。

本实施方式中支撑系统的每个支撑结点板9由两个组成板交叉设置形成十字形支撑构件，支撑结点板9的两个垂直的底面9-1分别与结点区下柱1和横梁3或者结点区上柱2和横梁3固定连接。其中结点区下柱1、结点区上柱2、横梁3、铰接柱端构件组成的整体为主体框架结构。图3-1所显示的结构就是横梁3与结点区上柱2及结点区下柱1的装配过程图，称为本发明的第一装配过程图，图3-2所显示的结构是支撑结点板9与主体框架结构的装配过程图，称为本发明的第二装配过程图；图3-3所显示的结构是支撑构件10与支撑结点板9的装配图，称为本发明的第三装配过程图。

本实施方式中横梁3的设定个数与中空棱柱4的棱柱类型相关。每个横梁3对应有两个支撑结点板9和两个角钢7，每个角钢7通过多个连接元件8将横梁3与中空棱柱4相连接。本实施方式中支撑结点板9和支撑构件10一一对应设置。连接元件8可取材为螺栓。每个支撑构件10包括支撑方筒和端件，端件的端面为十字形，端件的一端与支撑方筒固定连接，端件的另一端与支撑结点板9的十字形端面9-2焊接。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图2和图7说明本实施方式，本实施方式中所述球冠5由两个球壳5-1焊接形成。

本实施方式中球冠5与球体6组装时，先将球体6放置于两个球壳5-1的中央，然后将两个球壳5-1对齐，再用对接焊缝焊透。这样球体6就被球冠5约束起来，球体6与球冠5之间只能发生相对转动，不能够发生相对位移。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：结合图2和图7说明本实施方式，本实施方式中球体6的外径小于球冠5的内径，二者之间的差值为5mm～10mm。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图2和图7说明本实施方式，本实施方式中球冠5与球体6之间灌以润滑材料。润滑材料能够增强球冠5与球体6之间的灵活性，从而有效增强本发明的弹性。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式八相同。

Claims (5)

1.一种柱端全铰接空间支撑框架结点，它包括结点区下柱(1)、结点区上柱(2)、中空棱柱(4)、铰接柱端构件、支撑系统、N个横梁(3)和2N个角钢(7)，所述结点区上柱(2)、中空棱柱(4)和结点区下柱(1)从上到下依次设置，所述铰接柱端构件位于中空棱柱(4)和结点区下柱(1)之间，所述N个横梁(3)均布在中空棱柱(4)的周围，每个横梁(3)的两侧各自通过一个角钢(7)与中空棱柱(4)固定连接，所述支撑系统固定连接在每个横梁(3)和结点区上柱(2)的交汇处、每个横梁(3)和结点区下柱(1)的交汇处，其特征在于：所述结点区下柱(1)包括下H型钢(1-1)、两个下柱内加劲肋(1-2)和两个下柱外加劲肋(1-3)，两个下柱内加劲肋(1-2)均位于下H型钢(1-1)中下腹板(1-1-1)的上端且二者对称设置在下腹板(1-1-1)的两侧，每个下柱内加劲肋(1-2)与下腹板(1-1-1)垂直设置，每个下柱内加劲肋(1-2)外对应设置有一个下柱外加劲肋(1-3)，每个下柱外加劲肋(1-3)与下腹板(1-1-1)平行设置，每个下柱外加劲肋(1-3)的两端分别焊接在下H型钢中两个翼缘(1-1-2)上，所述下腹板(1-1-1)的宽度为W，所述下腹板(1-1-1)的顶端加工有一个直径为W的半圆形凹槽(1-1-3)，两个下柱内加劲肋(1-2)的顶端各加工有一个半径为W/2的四分之一圆形凹槽(1-2-1)，半圆形凹槽(1-1-3)和两个四分之一圆形凹槽(1-2-1)之间形成铰接柱端构件用放置槽；

所述结点区上柱(2)包括上H型钢(2-1)和两个上柱外加劲肋(2-2)，两个上柱外加劲肋(2-2)均位于上H型钢(2-1)中上腹板(2-1-1)的下端且二者对称设置在上腹板(2-1-1)两侧，两个上柱外加劲肋(2-2)均与上腹板(2-1-1)平行设置，每个上柱外加劲肋(2-2)焊接在H型钢(2-1)中两个翼缘(2-1-2)之间；

所述结点区上柱(2)与结点区下柱(1)上下正对设置；

所述铰接柱端构件包括球冠(5)和球体(6)，球冠(5)的球面设置在铰接柱端构件用放置槽中，球冠(5)的球面分别与下腹板(1-1-1)和下柱内加劲肋(1-2)焊接，球体(6)的下端设置在球冠(5)内，球体(6)的上端设置在中空棱柱(4)内并与中空棱柱(4)焊接，中空棱柱(4)顶端焊接在与结点区上柱(2)的底端上。

2.根据权利要求1所述的一种柱端全铰接空间支撑框架结点，其特征在于：所述支撑系统包括2N个支撑结点板(9)和2N个支撑构件(10)，当中空棱柱(4)为中空四棱柱时，N的取值为4，中空四棱柱与四个横梁(3)通过八个角钢(7)相连接；

每个横梁(3)为H型梁，四个横梁(3)的腹板分别位于中空棱柱(4)四个侧面上，每个横梁(3)对应有两个角钢(7)，每个横梁(3)的腹板通过两个角钢(7)与中空棱柱(4)的外壁焊接，每个横梁(3)的上翼缘与结点区上柱(2)的底端齐平，每个横梁(3)的下翼缘与结点区下柱(1)的顶端齐平，每个横梁(3)的上翼缘与结点区上柱(2)交汇处、每个横梁(3)的下翼缘与结点区下柱(1)交汇处各设置有一个支撑结点板(9)，每个支撑结点板(9)上设置有一个支撑构件(10)。

3.根据权利要求1或2所述的一种柱端全铰接空间支撑框架结点，其特征在于：所述球冠(5)由两个球壳(5-1)焊接形成。

4.根据权利要求3所述的一种柱端全铰接空间支撑框架结点，其特征在于：球体(6)的外径小于球冠(5)的内径，二者之间的差值为5mm～10mm。

5.根据权利要求4所述的一种柱端全铰接空间支撑框架结点，其特征在于：球冠(5)与球体(6)之间灌以润滑材料。