CN105888131A - 一种弯曲屈服型消能桁架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯曲屈服型消能桁架，包括桁架和竖向构件，桁架包括上弦杆、腹杆、下弦杆和屈曲约束支撑，其中，桁架两端第一节间内的腹杆为支座腹杆，其它节间内的腹杆为中部腹杆，所述屈曲约束支撑位于所述第一节间的下弦，屈曲约束支撑的两端分别与相邻的下弦杆和竖向构件铰接，所述桁架的两端与竖向构件刚接，其中，上弦杆、支座腹杆、屈曲约束支撑均与竖向构件铰接；所述支座腹杆为上承式，与上弦杆汇交于竖向构件。本发明结构组成简单，制作安装方便。在各类水平和竖向荷载(包括水平和竖向地震作用)的共同作用下，屈曲约束支撑就会发生屈服并产生较大的塑性变形，从而显著改善结构的延性和耗能能力，且屈曲约束支撑的屈服也不会导致楼板开裂。

Description

一种弯曲屈服型消能桁架

技术领域

本发明涉及的是建筑结构领域中的一种新型消能桁架，具体地说是一种利用弯矩使两端刚接的桁架端部发生弯曲屈服的抗震耗能桁架。

背景技术

结构跨度较大时，梁通常采用桁架，桁架两端与柱刚接，属于受弯构件，而组成桁架的杆件主要承担轴心力。数次震灾表明，传统桁架的抗震性能存在明显不足：在强烈地震作用下，桁架中的受压腹杆因长细比较大很容易发生整体失稳，导致整体结构的强度和刚度剧烈退化，延性和耗能能力很差，具有脆性破坏的特征；如果加强腹杆，又会导致柱先于桁架发生破坏，违背了“强柱弱梁”的设计准则。

延性桁框结构是为解决上述问题而出现的一种抗震耗能结构，通过在桁架跨中央设置不同类型的消能段(如交叉弱腹杆式、空腹式、屈曲约束支撑式等)来改善结构的抗震性能，此类消能段为剪切屈服型，利用水平荷载在桁架中产生的反对称剪力使消能段发生剪切屈服，虽然可以显著改善水平地震作用下结构的抗震性能，但存在以下缺点：在竖向地震作用下桁架的剪力对称，消能段不会发生剪切屈服，无法抗震耗能，而采用桁架的又往往是大跨度结构，竖向地震很可能起控制作用；另外，因消能段贯穿于整个桁架的横截面，其屈服荷载受楼板的影响较大，而且消能段的塑性剪切变形会导致楼板发生开裂。

中国专利201420659578.3(公开号204238347U)公开一种延性桁架抗弯框架，技术方案为：桁架在竖向荷载作用下的弯矩反弯点所在跨设置屈服耗能杆，所述屈服耗能杆的两端分别与相邻的所述下弦杆铰接，所述屈服耗能杆比所述下弦杆的承载力低，使所述屈服耗能杆在地震下比所述下弦杆先屈服；所述屈服耗能杆应在所述竖向荷载加载完成后安装。延性桁架抗弯框架在设防及罕遇地震下的等效阻尼比明显增加并远大于普通桁架框架，基底剪力和层间位移角明显小于普通桁架框架，其消能减震作用明显；延性桁架抗弯框架的框架柱比普通桁架框架更不容易出现塑性铰，从而更容易实现强柱弱梁屈服机制，提高结构延性并实现预定的抗震性能目标。但是，由于屈服耗能杆设置在竖向荷载作用下的弯矩反弯点所在跨，故其在竖向荷载(包括竖向地震)作用下，该屈服耗能杆的内力较小或基本为零，无法起到消能减震的作用，只能在水平地震作用下起作用，存在缺陷。

发明目的

本发明专利的目的是为克服现有桁架结构在抗震理论和设计方法方面的不足，提出一种弯曲屈服型的消能桁架，将桁架端部节间的下弦杆由普通杆件改为屈曲约束支撑，利用桁架端部弯矩和轴力使屈曲约束支撑发生屈服，来改善结构的抗震性能。

为实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

一种弯曲屈服型消能桁架，包括桁架和竖向构件，桁架包括上弦杆、腹杆、下弦杆和屈曲约束支撑，其中，桁架两端第一节间内的腹杆为支座腹杆，其它节间内的腹杆为中部腹杆，所述屈曲约束支撑位于所述第一节间的下弦，屈曲约束支撑的两端分别与相邻的下弦杆和竖向构件铰接，所述桁架的两端与竖向构件刚接，其中，上弦杆、支座腹杆、屈曲约束支撑均与竖向构件铰接；所述支座腹杆为上承式，与上弦杆汇交于竖向构件。

根据本发明的消能桁架，桁架两端与竖向构件刚接，桁架两端第一节间的下弦杆改为屈曲约束支撑，结构组成简单，制作安装方便。在各类水平和竖向荷载(包括水平和竖向地震作用)的共同作用下，当桁架端部弯矩和轴力达到一定程度时，屈曲约束支撑就会发生屈服并产生较大的塑性变形，从而显著改善结构的延性和耗能能力。因屈曲约束支撑位于桁架端部节间下弦，其屈服仅与桁架端部弯矩和轴力有关，与桁架的剪力和楼板无关，屈曲约束支撑的屈服也不会导致楼板开裂。

优选的，所述上弦杆、腹杆、下弦杆均采用普通杆件。

优选的，所述竖向构件为框架柱、筒体或剪力墙。

优选的，所述屈曲约束支撑的核心体截面面积A为：

$A=\frac{N_{BT}}{{\mathrm{\αf}}_y}$

其中，f_y为屈曲约束支撑核心体材料的屈服强度标准值；α为核心体材料的超强系数；N_BT为目标地震下屈曲约束支撑的轴心力，即：

$N_{BT}=\frac{M}{h}+\frac{N}{2}$

其中，h为桁架端部轴线高度；M、N分别为楼面荷载和目标地震共同作用下的桁架端部弯矩、桁架端部轴力。

下面对本发明消能桁架的工作机理和抗震性能进行分析，如下：

图1所示两端与竖向构件刚接的桁架属于受弯构件，在水平荷载H和竖向荷载P的共同作用下，桁架端部的内力为剪力V、弯矩M和轴力N。桁架端部剪力V由支座腹杆承担并传递给竖向构件，桁架端部弯矩M和轴力N由上弦杆和屈曲约束支撑共同承担并传递给竖向构件，两端铰接的屈曲约束支撑属于轴心受力构件，所承担的轴心力N_B为：

$N_B=\frac{M}{h}+\frac{N}{2}---\left(1\right)$

其中，h为桁架端部轴线高度。当桁架端部弯矩M和轴力N增加到一定程度时，屈曲约束支撑就会发生屈服。因桁架端部弯矩M较大，轴力N通常较小，故屈曲约束支撑的屈服主要取决于桁架端部弯矩M，因此所述消能桁架属于弯曲屈服型。

整个结构中全部杆件的内力均与水平荷载H和竖向荷载P直接相关，只要给出H和P的具体数值，就可以利用现有的结构分析方法得到全部杆件的内力，其中包括屈曲约束支撑的轴心力N_B值。

根据我国建筑结构抗震设计三原则“小震不坏、中震可修、大震不倒”，可将中震定为目标地震，利用现有的结构分析方法可以得到目标地震下屈曲约束支撑的轴心力，该轴心力记作N_BT。进行结构设计时，只要让屈曲约束支撑的屈服承载力N_By等于N_BT，而竖向构件和桁架其余杆件的设计承载力大于目标地震下各自的内力值，就可以实现在目标地震作用下只有屈曲约束支撑发生屈服，结构其余部分仍处于弹性工作状态。

屈曲约束支撑的核心体截面面积A可根据下式确定：

$A=\frac{N_{By}}{{\mathrm{\αf}}_y}=\frac{N_{BT}}{{\mathrm{\αf}}_y}---\left(2\right)$

其中，f_y为屈曲约束支撑核心体材料的屈服强度标准值；α为核心体材料的超强系数，可按《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015的相关规定取值，即Q235钢取α＝1.25，Q190钢取α＝1.15。

上述设计原则可以实现以下目标：

在小震作用下，屈曲约束支撑的轴心力小于屈服承载力N_By，整个结构处于弹性，桁架和竖向构件之间的夹角保持不变。

在中震作用下，屈曲约束支撑的轴心力等于屈服承载力N_By，屈曲约束支撑发生屈服并产生塑性变形，桁架和竖向构件之间产生了塑性转角θ，见图2，由于屈曲约束支撑核心体材料的屈服平台很长，使得塑性转角θ可以很大，桁架端部实质上已经形成了塑性铰，这不仅显著增加结构的延性，也实现了地震能量的耗散，竖向构件和桁架其余杆件因设计承载力大于各自在目标地震下的内力，仍处于弹性状态。

在大震作用下，由于屈曲约束支撑已经发生屈服，结构刚度已显著下降，地震能量的输入不再增加，结构内力不再增大，竖向构件和桁架其他杆件继续处于弹性工作状态，保护了整体结构，不会发生进一步的破坏或者倒塌。

本发明的消能桁架还具有灾后易于修复、修复后性能如初的优点。由于屈曲约束支撑两端铰接，灾后修复和更换非常方便，只需逐个更换即可，更换时桁架端部剪力V由支座腹杆承担，结构仍处于稳定状态，安全可靠。更换完成后，整个结构均处于弹性，结构性能得到了完全恢复，因此具有重要的工程价值和社会意义。

附图说明

图1a是弯曲屈服型消能桁架的组成示例图；

图1b是弯曲屈服型消能桁架的桁架端部内力示意图；

图2是屈曲约束支撑屈服后消能桁架的塑性转角示意图。

图3a是曲线型弯曲屈服型消能桁架示例图；

图3b是曲线型弯曲屈服型消能桁架桁架端部内力示意图。

其中：1.上弦杆；2.支座腹杆；3.中部腹杆；4.下弦杆；5.屈曲约束支撑；6.竖向构件；H.水平荷载(包括水平地震作用)；P.竖向荷载(包括竖向地震作用)；M.桁架端部弯矩；V.桁架端部剪力；N.桁架端部轴力；h.桁架端部轴线高度；θ.桁架与竖向构件之间的塑性转角。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1

参见图1、2，一种弯曲屈服型消能桁架，所述桁架为直线型，桁架包括上弦杆1、支座腹杆2、中部腹杆3、下弦杆4和屈曲约束支撑5；上弦杆1、支座腹杆2、中部腹杆3、下弦杆4均采用双角钢组合截面；屈曲约束支撑5位于桁架两端第一节间的下弦，两端铰接；所述桁架两端与竖向构件6刚接，其中，上弦杆1、支座腹杆2、屈曲约束支撑5均与竖向构件6铰接；竖向构件6为工字形截面框架柱；支座腹杆2为上承式，与上弦杆1汇交于竖向构件6。

屈曲约束支撑5的核心体材料为Q235钢(屈服强度标准值f_y＝235N/mm²)，在各类荷载和目标地震的组合作用下，利用现有的结构分析方法可得到全部构件的内力值，假设屈曲约束支撑5在目标地震下的轴心力N_BT＝200kN，由公式(2)可得到屈曲约束支撑5核心体所需的截面面积A：

$A=\frac{N_{BT}}{{\mathrm{\αf}}_y}=\frac{200\×{10}^{3}N}{1.25\×235N/{\mathrm{mm}}^2}=680.9{\mathrm{mm}}^2$

为确保目标地震作用下只有屈曲约束支撑5发生屈服，上弦杆1、支座腹杆2、中部腹杆3、下弦杆4、竖向构件6的设计承载力均应不低于各自在目标地震下的内力。在小震作用下，屈曲约束支撑5的轴心力小于200kN，其余构件的内力也小于设计承载力，结构处于弹性。在目标地震作用下，屈曲约束支撑5的轴心力等于200kN，达到了屈服承载力，将发生屈服，桁架端部产生了塑性转角θ，形成了塑性铰，显著增加了结构延性和耗能能力，而其余构件的内力仍小于设计承载力，保持弹性，保证了整体结构的安全。

实施例2

参见图3，一种弯曲屈服型消能桁架，所述桁架为曲线型，桁架包括上弦杆1、支座腹杆2、中部腹杆3、下弦杆4和屈曲约束支撑5；上弦杆1、支座腹杆2、中部腹杆3、下弦杆4均采用圆钢管截面；屈曲约束支撑5位于桁架两端第一节间的下弦，两端铰接；所述桁架两端与竖向构件6刚接，其中，上弦杆1、支座腹杆2、屈曲约束支撑5均与竖向构件6铰接；竖向构件6为格构式框架柱；支座腹杆2为上承式，与上弦杆1汇交于竖向构件6。

屈曲约束支撑5的核心体材料为Q190钢(屈服强度标准值f_y＝190N/mm²)，在各类荷载和目标地震的组合作用下，利用现有的结构分析方法可得到全部构件的内力值，假设屈曲约束支撑5在目标地震下的轴心力N_BT＝350kN，由公式(2)可得到屈曲约束支撑5核心体所需的截面面积A：

$A=\frac{N_{BT}}{{\mathrm{\αf}}_y}=\frac{350\×{10}^{3}N}{1.15\×190N/{\mathrm{mm}}^2}=1601.8{\mathrm{mm}}^2$

为确保目标地震作用下只有屈曲约束支撑5发生屈服，上弦杆1、支座腹杆2、中部腹杆3、下弦杆4、竖向构件6的设计承载力均应不低于各自在目标地震下的内力。在小震作用下，屈曲约束支撑5的轴心力小于350kN，其余构件的内力也小于设计承载力，结构处于弹性。在目标地震作用下，屈曲约束支撑5的轴心力等于350kN，达到了屈服承载力，将发生屈服，桁架端部产生了塑性转角θ，形成了塑性铰，显著增加了结构延性和耗能能力，而其余构件的内力仍小于设计承载力，保持弹性，保证了整体结构的安全。

Claims (3)

1.一种弯曲屈服型消能桁架，包括桁架和竖向构件，桁架包括上弦杆、腹杆、下弦杆和屈曲约束支撑，其中，桁架两端第一节间内的腹杆为支座腹杆，其它节间内的腹杆为中部腹杆，其特征在于，所述屈曲约束支撑位于所述第一节间的下弦，屈曲约束支撑的两端分别与相邻的下弦杆和竖向构件铰接，所述桁架的两端与竖向构件刚接，其中，上弦杆、支座腹杆、屈曲约束支撑均与竖向构件铰接；所述支座腹杆为上承式，与上弦杆汇交于竖向构件。

2.根据权利要求1所述的弯曲屈服型消能桁架，其特征在于，所述竖向构件为框架柱、筒体或剪力墙。

3.根据权利要求1所述的弯曲屈服型消能桁架，其特征在于，所述屈曲约束支撑的核心体截面面积A为：

$A=\frac{N_{BT}}{{\mathrm{\αf}}_y}$

其中，f_y为屈曲约束支撑核心体材料的屈服强度标准值；α为核心体材料的超强系数；N_BT为目标地震下屈曲约束支撑的轴心力，即：

$N_{BT}=\frac{M}{h}+\frac{N}{2}$

其中，h为桁架端部轴线高度；M、N分别为楼面荷载和目标地震共同作用下的桁架端部弯矩、桁架端部轴力。