CN106703285A - 一种剪切型偏心支撑耗能梁段结构 - Google Patents

一种剪切型偏心支撑耗能梁段结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种剪切型偏心支撑耗能梁段结构，属于钢结构框架领域。该耗能梁段结构包括结构相同且上下间隔的上耗能梁段、下耗能梁段、间隔设置的多个支撑钢板、与支撑钢板相对的多个加劲肋板。上耗能梁段、下耗能梁段均为工字型，由上顶板、下底板、耗能梁腹板构成；上耗能梁段的上顶板的两端分别与非耗能梁段的上顶板连接，下耗能梁段的下底板的两端分别与非耗能梁段的下底板的连接。支撑钢板上端与上耗能梁段的下底板垂直连接，下端与下耗能梁段的上顶板垂直连接。加劲肋板与支撑钢板相对设置，分别垂直地固定在上耗能梁段和下耗能梁段的上顶板和下底板之间。该结构能降低偏心支撑结构的总体用钢量，节约工程造价。

Description

一种剪切型偏心支撑耗能梁段结构
技术领域
本发明涉及钢结构框架领域，特别涉及一种剪切型偏心支撑耗能梁段结构。
背景技术
钢结构建筑的抗震设计是结构工程师目前面临的重要课题，根据震害调查，钢结构在地震作用下的破坏多为局部破坏，进而引发整体破坏。而偏心支撑结构是一种耗能能力较强的结构体系，其包括耗能梁段、与耗能梁段的左右端连接的非耗能梁段、与耗能梁段的下端两侧倾斜连接的支撑梁段、与非耗能梁段的左右端垂直连接的框架柱，在罕遇地震作用下，耗能梁段进入塑性，通过塑性变形耗散地震能量，从而保护上述其他部件，可见，其基于只发生局部破坏而整体结构不会明显破坏的能力广泛应用于高烈度地震区。
耗能梁段在地震作用过程中起到了保险丝的作用，按其屈服形式分为剪切型、弯剪型及弯曲型，剪切型耗能梁段包括工字型框架和设置在工字型框架内部的耗能梁腹板，其依靠耗能梁腹板的剪切变形进行耗能。偏心支撑结构的受力机理要求在罕遇地震作用下框架柱、支撑梁段及非耗能梁段处于弹性状态，设计时主要通过放大多遇地震组合时上述构件的内力来实现。对于利用剪切型耗能梁段的剪切型偏心支撑结构来说，框架柱、支撑梁段及非耗能梁段的设计内力用公式可以表达为：
F＝Ω(VS/V)F1
F—框架柱、支撑梁段及非耗能梁段的设计内力。
F1—框架柱、支撑梁段及非耗能梁段多遇地震组合时的荷载效应内力，可以根据框架柱、支撑梁段及非耗能梁段的物理参数，从有限元软件中读取。
VS—耗能梁段的全塑性受剪承载力，VS＝0.6fytwhw，其中，hw为耗能梁腹板的高度，fy为耗能梁腹板钢材屈服强度，可以在相应的规范中查到，tw为耗能梁腹板厚度，按规范中要求的构造确定。
V—耗能梁段多遇地震组合时的荷载效应剪力，可以模拟耗能梁段多遇地震组合时的受力状况，从有限元软件中读取。
Ω—常数放大系数，可以在相应的规范中查到。
fy—耗能梁腹板钢材屈服强度，可以在相应的规范中查到。
tw—耗能梁腹板厚度，按规范中要求的构造确定。
hw—耗能梁腹板高度。
规程规范中，对耗能梁段构造及VS/V(受剪应力比)有严格的规定。通过上式可以看出，框架柱、支撑及非耗能梁段的设计内力与耗能梁段的VS/V直接相关。在符合规程要求前提下内，当VS和V接近时，可有效降低框架柱、支撑梁段及非耗能梁段的设计内力，降低工程造价；反之，框架柱、支撑及非耗能梁段的设计内力过大放大，增大框架柱、支撑梁段及非耗能梁段的截面，从而增大结构刚度，增大地震力，产生恶性迭代效应，提高工程造价。
基于上述可知，由于钢板厚度都是具有一定规格的，且在规程规范中对耗能梁腹板的最小板厚有严格要求，所以，在满足上述条件的基础上，通过对耗能梁段的结构进行改进，调整hw(耗能梁腹板高度)，使VS和V接近，对于降低偏心支撑结构的总体用钢量，节约工程造价具有重要的意义。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种新型的剪切型偏心支撑耗能梁段结构。具体技术方案如下：
一种剪切型偏心支撑耗能梁段结构，所述耗能梁段结构包括结构相同且上下间隔的上耗能梁段、下耗能梁段，所述上耗能梁段、所述下耗能梁段均为工字型，由上顶板、下底板、两端分别与所述上顶板和所述下底板垂直连接的耗能梁腹板构成；
所述上耗能梁段的上顶板的两端分别与非耗能梁段的上顶板连接，所述下耗能梁段的下底板的两端分别与所述非耗能梁段的下底板连接；
间隔设置的多个支撑钢板，上端与所述上耗能梁段的下底板垂直连接，下端与所述下耗能梁段的上顶板垂直连接；
与所述支撑钢板相对的多个加劲肋板，分别垂直地固定在所述上耗能梁段和所述下耗能梁段的上顶板和下底板之间。
进一步地，所述耗能梁段结构还包括个对称的延伸肋板；
一个所述延伸肋板的一端与所述非耗能梁段的上顶板连接，另一端与所述上耗能梁段的下底板左端连接；
一个所述延伸肋板的一端与所述非耗能梁段的下底板连接，另一端与所述下耗能梁段的上顶板左端连接；
一个所述延伸肋板的一端与所述非耗能梁段的上顶板连接，另一端与所述上耗能梁段的下底板右端连接；
一个所述延伸肋板的一端与所述非耗能梁段的下底板连接，另一端与所述下耗能梁段的上顶板右端连接。
具体地，作为优选，所述支撑钢板设置有5个，所述加劲肋板设置有20个；
5个所述支撑钢板以相同的间隔距离均匀分布；
每一个所述支撑钢板的上端和下端均对应设置有两个所述加劲肋板。
具体地，作为优选，所述上耗能梁段和所述下耗能梁段的左端设置有所述加劲肋板；
所述上耗能梁段和所述下耗能梁段的右端设置有所述加劲肋板。
具体地，作为优选，所述加劲肋板的一个侧壁紧贴所述耗能梁腹板，所述加劲肋板的与所述耗能梁腹板接触的所述侧壁的两端设置有直倒角。
具体地，作为优选，所述加劲肋板的厚度为15-18mm。
具体地，作为优选，所述支撑钢板的厚度为15-18mm。
具体地，作为优选，所述延伸肋板的厚度为15-18mm。
具体地，作为优选，所述延伸肋板与所述非耗能梁段的上顶板以及与所述非耗能梁段的下底板之间的夹角相等，均为15°-30°。
具体地，作为优选，所述上耗能梁段和所述下耗能梁段的高度相等。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的剪切型偏心支撑耗能梁段结构，通过将传统的耗能梁段上下分割成两个耗能梁段，即上述的上耗能梁段1和下耗能梁段2，两者之间具有间隙，通过在间隙中设置支撑钢板3，在保证这两个耗能梁段协同受力的前提下，以减少耗能梁段的耗能梁腹板的面积，降低耗能梁段的全塑性受剪承载力VS，进而使耗能梁段的全塑性受剪承载力VS接近耗能梁段多遇地震组合时的荷载效应剪力V，从而达到降低偏心支撑结构的总体用钢量以及节约工程造价的目的。此外，通过如上设置多个加劲肋板4，能够保证耗能梁腹板不会出现局部失稳，可见通过如上设置，在实现上述目的的前提下，同时保证了该耗能梁段的强度和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的剪切型偏心支撑耗能梁段结构的正视图；
图2-1是本发明实施例提供的图1所示的剪切型偏心支撑耗能梁段结构的Ⅰ-Ⅰ视图；
图2-2是本发明实施例提供的图1所示的剪切型偏心支撑耗能梁段结构的Ⅱ-Ⅱ视图；
图2-3是本发明实施例提供的图1所示的剪切型偏心支撑耗能梁段结构的Ⅲ-Ⅲ视图；
图2-4是本发明实施例提供的图1所示的剪切型偏心支撑耗能梁段结构的Ⅳ-Ⅳ视图；
图3是本发明实施例提供的剪切型偏心支撑耗能梁段结构中，耗能梁段的局部结构示意图；
图4是现有技术中耗能梁段的局部结构示意图。
附图标记分别表示：
1 上耗能梁段，
2 下耗能梁段，
3 支撑钢板，
4 加劲肋板，
5 延伸肋板，
6 非耗能梁段。
具体实施方式
除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种剪切型偏心支撑耗能梁段结构，如附图1、附图2-1、附图2-2、附图2-3、附图2-4以及附图3所示，该耗能梁段结构包括结构相同且上下间隔的上耗能梁段1、下耗能梁段2、间隔设置的多个支撑钢板3、与支撑钢板3相对的多个加劲肋板4。其中，上耗能梁段1、下耗能梁段2均为工字型，它们均由上顶板、下底板、两端分别与上顶板和下底板垂直连接的耗能梁腹板构成；上耗能梁段1的上顶板的两端分别与非耗能梁段的上顶板连接，下耗能梁段2的下底板的两端分别与非耗能梁段的下底板的连接。支撑钢板3上端与上耗能梁段1的下底板垂直连接，下端与下耗能梁段2的上顶板垂直连接。加劲肋板4与支撑钢板3相对设置，分别垂直地固定在上耗能梁段1和下耗能梁段2的上顶板和下底板之间。
本发明实施例提供的剪切型偏心支撑耗能梁段结构，通过将传统的耗能梁段上下分割成两个耗能梁段，即上述的上耗能梁段1和下耗能梁段2，两者之间具有间隙，通过在间隙中设置支撑钢板3，在保证这两个耗能梁段协同受力的前提下，以减少耗能梁段的耗能梁腹板的面积，降低耗能梁段的全塑性受剪承载力VS，进而使耗能梁段的全塑性受剪承载力VS接近耗能梁段多遇地震组合时的荷载效应剪力V，从而达到降低偏心支撑结构的总体用钢量以及节约工程造价的目的。此外，通过如上设置多个加劲肋板4，能够保证耗能梁腹板不会出现局部失稳，可见通过如上设置，在实现上述目的的前提下，同时保证了该耗能梁段的强度和稳定性。
需要说明的是，第一，上耗能梁段1和下耗能梁段2的结构与传统的剪切型耗能梁段和非耗能梁段的结构相同，即均为工字型，均由上顶板、下顶板以及设置在两者之间的腹板构成(参见图4)，区别在于：在应用时，现有技术使用剪切型耗能梁段的上顶板和下底板分别与位于其左右两端的两个非耗能梁段(也为工字型)的上顶板和下底板连接。但是，在本发明中，使用上耗能梁段1的上顶板的两端分别与两个非耗能梁段6的上顶板连接，同时使用下耗能梁段2的下底板的两端分别与两个非耗能梁段6的下底板连接，并且，上耗能梁段1与下耗能梁段2之间具有间隙。第二，如附图3所示，在上耗能梁段1和下耗能梁段2的上顶板和下底板之间均设置有多个加劲肋板4，加劲肋板4的上端与相应的上顶板垂直连接，下端与相应的下底板垂直连接，并且，以耗能梁腹板为对称轴，其两侧设置有两个对称的加劲肋板4。
进一步地，为了避免上耗能梁段1和下耗能梁段2左右两端的两个非耗能梁段6(可以命名为左非耗能梁段和右非耗能梁段)中的非耗能梁腹板出现应力集中现象，如附图1、附图2-1、附图2-2、附图2-3、附图2-4所示，本发明实施例提供的耗能梁段结构还包括4个对称的延伸肋板5，其中，一个延伸肋板5的一端与非耗能梁段6(即左非耗能梁段)的上顶板连接，另一端与上耗能梁段1的下底板左端连接；一个延伸肋板5的一端与非耗能梁段6(即左非耗能梁段)的下底板连接，另一端与下耗能梁段2的上顶板左端连接。一个延伸肋板5的一端与非耗能梁段6(即右非耗能梁段)的上顶板连接，另一端与上耗能梁段1的下底板右端连接；一个延伸肋板5的一端与非耗能梁段6(即右非耗能梁段)的下底板连接，另一端与下耗能梁段1的上顶板右端连接。
为了优化上述效果，各个延伸肋板5与对应连接的非耗能梁段6的上顶板以及非耗能梁段6的下底板之间的夹角相等，均为15°-30°，例如15°、18°、20°、23°、25°等。
其中，支撑钢板3与加劲肋板4一一对应，优选间隔相同的距离均匀分布。举例来说，如附图3所示，支撑钢板3设置有5个，加劲肋板4设置有20个；5个支撑钢板3以相同的间隔距离(例如300mm)均匀分布；每一个支撑钢板3的上端和下端均对应设置有两个加劲肋板4，这样能确保在减少支撑钢板3和加劲肋板4数目的前提下，同时保证该耗能梁段结构的耗能性和稳定性。
在此基础上，为了优化上述效果，上耗能梁段1和下耗能梁段2的左端设置有加劲肋板4，上耗能梁段1和下耗能梁段2的右端设置有加劲肋板4，使四个加劲肋板4位于上耗能梁段1和下耗能梁段2的左端，四个加劲肋板4位于上耗能梁段1和下耗能梁段2的右端。
为了增加耗能梁腹板的稳定能力，加劲肋板4的一个侧壁紧贴耗能梁腹板，为了降低焊缝造成的应力集中，加劲肋板4的与耗能梁腹板接触的侧壁的两端设置有直倒角(参见图2-4)。
为了同时满足耗能梁段的稳定性和轻量化，使加劲肋板4的厚度为15-18mm，优选16mm；支撑钢板3的厚度为15-18mm，优选16mm；延伸肋板5的厚度为15-18mm，优选16mm。
作为优选，上耗能梁段1和下耗能梁段2的高度相等，以保证该耗能梁段结构的稳定性，并且，为了确保耗能梁段的全塑性受剪承载力VS接近耗能梁段多遇地震组合时的荷载效应剪力V，达到减少钢材用量的效果，上耗能梁段1和下耗能梁段2之间的间隙的高度h0通过公式V＝Vs计算得到，计算过程如下所示：
h0＝h-hw
hw＝VS/(0.6fytw)＝V/(0.6fytw)
VS—耗能梁段的全塑性受剪承载力，
V—耗能梁段多遇地震组合时的荷载效应剪力，可以从有限元软件中读取。
fy—耗能梁腹板钢材屈服强度，可以在相应的规范中查到。
tw—耗能梁腹板厚度，按规范中要求的构造确定。
hw—耗能梁腹板高度。
h—非耗能梁腹板高度。
h0—上耗能梁段1和下耗能梁段2之间的间隙的高度。
可见，非耗能梁腹板高度h为已知的，通过计算得到hw，即可容易地得到上耗能梁段1和下耗能梁段2之间的间隙的高度h0。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种剪切型偏心支撑耗能梁段结构，其特征在于，所述耗能梁段结构包括结构相同且上下间隔的上耗能梁段(1)、下耗能梁段(2)，所述上耗能梁段(1)、所述下耗能梁段(2)均为工字型，由上顶板、下底板、两端分别与所述上顶板和所述下底板垂直连接的耗能梁腹板构成；
所述上耗能梁段(1)的上顶板的两端分别与非耗能梁段(6)的上顶板连接，所述下耗能梁段(2)的下底板的两端分别与所述非耗能梁段(6)的下底板连接；
间隔设置的多个支撑钢板(3)，上端与所述上耗能梁段(1)的下底板垂直连接，下端与所述下耗能梁段(2)的上顶板垂直连接；
与所述支撑钢板(3)相对的多个加劲肋板(4)，分别垂直地固定在所述上耗能梁段(1)和所述下耗能梁段(2)的上顶板和下底板之间。
2.根据权利要求1所述的耗能梁段结构，其特征在于，所述耗能梁段结构还包括4个对称的延伸肋板(5)；
一个所述延伸肋板(5)的一端与所述非耗能梁段(6)的上顶板连接，另一端与所述上耗能梁段(1)的下底板左端连接；
一个所述延伸肋板(5)的一端与所述非耗能梁段(6)的下底板连接，另一端与所述下耗能梁段(2)的上顶板左端连接；
一个所述延伸肋板(5)的一端与所述非耗能梁段(6)的上顶板连接，另一端与所述上耗能梁段(1)的下底板右端连接；
一个所述延伸肋板(5)的一端与所述非耗能梁段(6)的下底板连接，另一端与所述下耗能梁段(1)的上顶板右端连接。
3.根据权利要求1所述的耗能梁段结构，其特征在于，所述支撑钢板(3)设置有5个，所述加劲肋板(4)设置有20个；
5个所述支撑钢板(3)以相同的间隔距离均匀分布；
每一个所述支撑钢板(3)的上端和下端均对应设置有两个所述加劲肋板(4)。
4.根据权利要求2所述的耗能梁段结构，其特征在于，所述上耗能梁段(1)和所述下耗能梁段(2)的左端设置有所述加劲肋板(4)；
所述上耗能梁段(1)和所述下耗能梁段(2)的右端设置有所述加劲肋板(4)。
5.根据权利要求1所述的耗能梁段结构，其特征在于，所述加劲肋板(4)的一个侧壁紧贴所述耗能梁腹板，所述加劲肋板(4)的与所述耗能梁腹板接触的所述侧壁的两端设置有直倒角。
6.根据权利要求1所述的耗能梁段结构，其特征在于，所述加劲肋板(4)的厚度为15-18mm。
7.根据权利要求1所述的耗能梁段结构，其特征在于，所述支撑钢板(3)的厚度为15-18mm。
8.根据权利要求1所述的耗能梁段结构，其特征在于，所述延伸肋板(5)的厚度为15-18mm。
9.根据权利要求2所述的耗能梁段结构，其特征在于，所述延伸肋板(5)与所述非耗能梁段(6)的上顶板以及与所述非耗能梁段(6)的下底板之间的夹角相等，均为15°-30°。
10.根据权利要求1所述的耗能梁段结构，其特征在于，所述上耗能梁段(1)和所述下耗能梁段(2)的高度相等。
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