CN107190874B - 一种用于y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段及其施工方法，可更换扩孔螺栓连接型消能梁段包括消能梁段、梁、柱、支撑、支撑端板、外伸端板、加劲肋、垫板、高强螺栓和侧向板；外伸端板包括外伸端板Ⅰ和外伸端板Ⅱ；加劲肋包括加劲肋Ⅰ、加劲肋Ⅱ和加劲肋Ⅲ；垫板包括垫板Ⅰ、垫板Ⅱ和垫板Ⅲ；外伸端板Ⅰ在消能梁段上、下两端各设置一块；梁下翼缘和外伸端板Ⅱ上分别开有扩孔型螺栓孔；外伸端板Ⅰ上都开有普通螺栓孔；梁下翼缘、上方的外伸端板Ⅰ和垫板Ⅰ或垫板Ⅱ经高强螺栓相连；下方的外伸端板Ⅰ、外伸端板Ⅱ和垫板Ⅲ经高强螺栓相连。本发明中高强螺栓在扩孔型螺栓孔中滑移，可有效增大消能梁段的耗能能力和提高相应Y形偏心支撑结构的抗震性能，并在震后仅需更换消能梁段即可快速恢复结构功能，具有抗震性能强、施工方便和震后功能可快速恢复等优点。
Description
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段及其施工方法，适用于高设防烈度地区高层及超高层建筑结构中。
背景技术
偏心支撑结构是一种兼有纯框架结构延性和中心支撑框架结构刚度的结构体系，具有受力性能合理、抗侧刚度大、抗震性能好等优点。多遇地震下，偏心支撑钢框架具有较高的抗侧移能力，能简单地满足结构的抗侧移要求，并具有良好的变形能力；罕遇地震下，消能梁段率先进入屈服并耗散大部分地震所输入的能量，保证消能梁段以外构件不发生屈服和破坏。
然而，地震是偶然事件，具有诸多不确定因素，可能导致建筑物经历超设防烈度地震。2016年实施的《中国地震动参数区划图》中对部分地区的抗震设防烈度也提出了更高的要求，且当前国家日益重视建筑结构体系的震后功能快速恢复能力。因此，如何更加合理有效提高偏心支撑结构的抗震性能和震后功能快速恢复能力，已成为建筑结构抗震研究的重要内容。
当前，采用可更换消能梁段并尽量减小消能梁段的损伤是提高偏心支撑结构震后功能快速恢复的一种有效途径。在Y形偏心支撑结构中，消能梁段端部与梁和支撑端板端部的外伸式端板间通过高强螺栓连接，可达到震后快速更换消能梁段的目的。然而，结构在大震变形下，消能梁段可能会产生较大的变形、剪力和弯矩，并使得支撑和梁端产生较大的内力，对相邻构件产生不利的影响。另外，偏心支撑结构中仅允许消能梁段发生耗能和破坏，当结构遭受超设防烈度地震时，消能梁段以外构件也可能发生屈服或破坏，与偏心支撑结构的设计原理相悖，且不利于结构的震后修复。因此，如何在进一步增大消能梁段的变形和耗能能力的同时，尽可能减小消能梁段以外构件的受力和损伤，是罕遇地震下提高偏心支撑结构的抗震性能和实现震后功能快速恢复的必备条件。
综上所述，对于Y形偏心支撑结构，在增大消能梁段及相应结构的变形和耗能能力的同时，尽量减小消能梁段的损伤，并保证结构中构件的屈服或破坏仅发生在消能梁段上，使结构具有震后功能快速恢复能力。基于此，本发明提出一种用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段。
发明内容
本发明主要提供一种用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段及其施工方法，其目的在于解决现有Y形偏心支撑结构在遭遇强震作用时，消能梁段可能出现耗能能力不足和破坏严重，且可能会引起消能梁段以外构件和连接等发生非弹性变形和破坏等问题。本发明中高强螺栓在扩孔型螺栓孔中的滑移，可在不削弱消能梁段及整体结构刚度和承载能力的情况下，有效增大消能梁段及结构的变形和耗能能力，并减小消能梁段的受力和损伤，保证结构中仅消能梁段发生破坏，在震后仅更换消能梁段就能快速恢复结构功能。本发明具有抗震性能强、施工方便和震后功能可快速恢复等优点，应用前景非常广阔。
本发明采用的技术方案为：一种用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，包括消能梁段、梁、柱、支撑、支撑端板、加劲肋、外伸端板、垫板、高强螺栓和侧向板，其特征在于：所述外伸端板包括外伸端板Ⅰ和外伸端板Ⅱ；所述加劲肋包括加劲肋Ⅰ、加劲肋Ⅱ和加劲肋Ⅲ；所述垫板包括垫板Ⅰ、垫板Ⅱ和垫板Ⅲ；所述外伸端板Ⅰ在消能梁段上下两端各设置一块；所述梁下翼缘开有扩孔型螺栓孔；所述外伸端板Ⅰ上都开有普通螺栓孔；所述外伸端板Ⅱ上开有扩孔型螺栓孔；所述梁下翼缘与上方的外伸端板Ⅰ贴合水平放置，且在远离外伸端板Ⅰ的一侧设有垫板Ⅰ和垫板Ⅱ；所述梁下翼缘、上方的外伸端板Ⅰ、垫板Ⅰ和垫板Ⅱ在同一位置经高强螺栓相连；所述支撑端板与外伸端板Ⅱ固定连接；下方的外伸端板Ⅰ和外伸端板Ⅱ贴合水平放置，且在远离外伸端板Ⅰ的一侧设有垫板Ⅲ；下方的外伸端板Ⅰ、外伸端板Ⅱ、和垫板Ⅲ在同一位置经高强螺栓相连；所述加劲肋Ⅰ对称布置在消能梁段腹板两侧；所述加劲肋Ⅱ对称布置在梁腹板两侧；所述加劲肋Ⅲ对称布置在支撑端板两侧。
进一步地，上述用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述消能梁段腹板与支撑端板厚度相等；所述加劲肋Ⅱ与消能梁段翼缘厚度相等；所述外伸端板Ⅰ、外伸端板Ⅱ、垫板Ⅰ、垫板Ⅱ和垫板Ⅲ的厚度均相等。
进一步地，上述用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述加劲肋Ⅱ与消能梁段翼缘的竖直位置相同。
进一步地，上述用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述支撑端板与外伸端板Ⅱ采用角焊缝连接；所述侧向板与支撑端板采用角焊缝连接；所述侧向板与外伸端板Ⅱ采用坡口全熔透焊缝连接。
进一步地，上述用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述加劲肋Ⅰ与消能梁段上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；所述加劲肋Ⅱ与梁上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；所述加劲肋Ⅲ与支撑端板、外伸端板Ⅱ采用角焊缝连接。
进一步地，上述用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述普通螺栓孔与扩孔型螺栓孔的直径相等；所述扩孔型螺栓孔的扩孔方向沿外伸端板Ⅰ的水平方向；所述普通螺栓孔、扩孔型螺栓孔和高强螺栓在同一位置处的中心重合。
进一步地，上述用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述支撑的中心线与外伸端板Ⅰ、外伸端板Ⅱ的中心交点重合。
本发明的另一技术方案在于：一种用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段及其施工方法，其特征在于：
a. 在外伸端板Ⅰ上开设普通螺栓孔，并经角焊缝焊接在消能梁段两端，加劲肋Ⅰ与消能梁段上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；
b. 在梁下翼缘与消能梁段连接处开设扩孔型螺栓孔，加劲肋Ⅱ与梁上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；
c. 在外伸端板Ⅱ上开设扩孔型螺栓孔，支撑端板与外伸端板Ⅱ间采用角焊缝连接，加劲肋Ⅲ与外伸端板Ⅱ和支撑端板间采用角焊缝连接；
d. 侧向板与外伸端板Ⅱ间采用坡口全熔透焊缝连接，侧向板与支撑端板间采用角焊缝连接；
e. 在垫板Ⅰ、垫板Ⅱ和垫板Ⅲ对应位置处开普通螺栓孔；
d. 支撑经Ⅲ面围焊的角焊缝与支撑端板进行焊接；
e. 通过高强螺栓将梁、外伸端板Ⅰ、外伸端板Ⅱ、垫板Ⅰ、垫板Ⅱ和垫板Ⅲ在对应位置处连接，且普通螺栓孔、扩孔型螺栓孔和高强螺栓的中心线需重合。
进一步地，上述施工步骤a，b，c，d，e中的焊接及开孔工艺在工厂中进行。
进一步地，上述施工步骤f中的螺栓连接工艺在现场进行。
本发明具有以下有益效果：
1. 由于采用高强螺栓将消能梁段与框架梁和支撑端板连接，且预期仅有消能梁段发生屈服或破坏，在震后仅需更换消能梁段即可快速恢复使用功能；
2. 在框架梁下翼缘和外伸端板上开的扩孔型螺栓孔作为结构的第一道防线，可在不增大消能梁段的受力情况下增大消能梁段及相应偏心支撑结构的变形和耗能能力，有效减缓消能梁段的损伤或破坏；
3. 扩孔型螺栓孔在增大消能梁段及相应结构耗能能力的同时，不增大支撑、梁和柱等构件的受力，进一步保证消能梁段以外构件在整个过程中始终处于弹性，使大震变形下构件的屈服仅发生在消能梁段；
4. 该连接节点大部分工序都在工厂制作，且大震变形后消能梁段的非弹性变形和损伤也将小于普通Y形偏心支撑结构体系，具有抗震性能强、施工简单和震后可快速恢复结构功能等特点，实现可观的经济效益。
附图说明
图1是本发明的Y形偏心支撑结构图。
图2是本发明的扩孔螺栓连接型消能梁段的结构示意图。
图3是图2的A-A剖面图。
图4是图2的B-B剖面图。
图5是图2的C-C剖面图。
图6是图2的D-D剖面图。
图7是本发明的外伸端板Ⅰ构造示意图。
图8是本发明的外伸端板Ⅱ构造示意图。
图9是本发明的垫板Ⅰ构造示意图。
图10是本发明的垫板Ⅱ构造示意图。
图11是本发明的垫板Ⅲ构造示意图。
图中：1、消能梁段；2、梁；3、柱；4、支撑；5、支撑端板；6、外伸端板Ⅰ；7、外伸端板Ⅱ；8、加劲肋Ⅰ；9、加劲肋Ⅱ；10、加劲肋Ⅲ；11、垫板Ⅰ；12、垫板Ⅱ；13、垫板Ⅲ； 14、普通螺栓孔；15、扩孔型螺栓孔；16、高强螺栓；17、侧向板。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
如图1-11所示，一种用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，包括消能梁段1、梁2、柱3、支撑4、支撑端板5、加劲肋、外伸端板、垫板、高强螺栓16和侧向板17，消能梁段1装于梁2和支撑端板5之间，支撑端板5中部两侧各连接一块侧向板17，支撑端板5下部两侧斜向下分别与支撑4连接。所述外伸端板包括外伸端板Ⅰ6和外伸端板Ⅱ7；所述加劲肋包括加劲肋8、加劲肋Ⅱ9和加劲肋Ⅲ10；所述垫板包括垫板Ⅰ11、垫板Ⅱ12和垫板Ⅲ13；所述外伸端板Ⅰ6在消能梁段1的上、下两端各设置一块；所述梁2下翼缘开有扩孔型螺栓孔15；所述外伸端板Ⅱ6上开有普通螺栓孔14；所述外伸端板Ⅱ7上开有扩孔型螺栓孔15；所述梁2下翼缘与上方的外伸端板Ⅰ6贴合水平放置，且在远离外伸端板Ⅰ6的一侧设有垫板Ⅰ11和垫板Ⅱ12；所述梁2下翼缘、上方的外伸端板Ⅰ6、垫板Ⅰ11和垫板Ⅱ12在同一位置经高强螺栓16相连；所述支撑端板5上部与外伸端板Ⅱ7固定连接，下方的外伸端板Ⅰ6和外伸端板Ⅱ7贴合水平放置，且在远离外伸端板Ⅰ6的一侧设有垫板Ⅲ13；下方的外伸端板Ⅰ6、外伸端板Ⅱ7和垫板Ⅲ13在同一位置经高强螺栓16相连；所述加劲肋Ⅰ8对称布置在消能梁段1腹板两侧；所述加劲肋Ⅱ9对称布置在梁2腹板两侧；所述加劲肋Ⅲ10对称布置在支撑端板5两侧。
所述消能梁段1腹板与支撑端板5厚度相等；所述加劲肋Ⅱ9与消能梁段1翼缘厚度相等；所述外伸端板Ⅰ6、外伸端板Ⅱ7、垫板Ⅰ11、垫板Ⅱ12和垫板Ⅲ13的厚度均相等。
所述加劲肋Ⅱ7与消能梁段1翼缘的竖直位置相同。
所述支撑端板5与外伸端板Ⅱ7采用角焊缝连接；所述侧向板17与支撑端板5采用角焊缝连接；所述侧向板17与外伸端板Ⅱ7采用坡口全熔透焊缝连接。
所述加劲肋Ⅰ8与消能梁段1上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；所述加劲肋Ⅱ9与梁2上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；所述加劲肋Ⅲ10与支撑端板5、外伸端板Ⅱ7采用角焊缝连接。
所述普通螺栓孔14与扩孔型螺栓孔15的直径相等；所述扩孔型螺栓孔15的扩孔方向沿外伸端板Ⅰ6的水平方向；所述普通螺栓孔14、扩孔型螺栓孔15和高强螺栓16在同一位置处的中心重合。
所述支撑4的中心线与外伸端板Ⅰ6、外伸端板Ⅱ7的中心交点重合。
本发明的施工方法为：
本发明所述的一种用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段及其施工方法，其施工方法如下：在工厂经角焊缝将消能梁段1、外伸端板Ⅰ6和加劲肋Ⅰ8焊接，并在外伸端板Ⅰ6上开普通螺栓孔14；在工厂经角焊缝将梁1和加劲肋Ⅱ9焊接，并在梁2的下翼缘开扩孔型螺栓孔15；在工厂经角焊缝将支撑端板5和外伸端板Ⅱ7焊接，经角焊缝将外伸端板Ⅱ7和侧向板17焊接，经全熔透焊缝将支撑端板5和侧向板17焊接，并在外伸端板Ⅱ7上开扩孔型螺栓孔；在工厂制作垫块Ⅰ11、垫块Ⅱ12和垫块Ⅲ13，并分别在垫板上开普通螺栓孔14。将制作好的以上构件运至现场。将消能梁段1上端的外伸端板Ⅰ6与梁2下翼缘的扩孔型螺栓孔对齐，通过高强螺栓15将外伸端板Ⅰ6、梁2下翼缘、垫板Ⅰ11和垫板Ⅱ12连接；将消能梁段1下端的外伸端板Ⅰ6与外伸端板Ⅱ7对齐，通过高强螺栓15将外伸端板Ⅰ6、外伸端板Ⅱ7和垫板Ⅲ10连接；普通螺栓孔14、扩孔型螺栓孔15和高强螺栓16的中心线在同一位置处需重合，由此可形成如图2所示的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段。
本发明提供的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，能有效地增大高强螺栓的摩擦滑移距离和消能梁段的耗能能力，同时减小消能梁段的受力和损伤，防止梁、柱和支撑发生屈服或破坏，且在震后仅需更换消能梁段即可快速恢复结构功能。该种结构具有抗震性能强、施工方便和震后功能可快速恢复等优点，适用于高设防烈度区的高层及超高层建筑结构中。
Claims (9)
1.一种用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，包括消能梁段、梁、柱、支撑、支撑端板、加劲肋、外伸端板、垫板、高强螺栓和侧向板，其特征在于：所述消能梁段设置在所述梁的下方，所述消能梁段装于所述梁和所述支撑端板之间，所述外伸端板包括外伸端板Ⅰ和外伸端板Ⅱ，所述外伸端板Ⅰ在消能梁段的上下两端各设置一块；所述支撑端板与外伸端板Ⅱ固定连接，所述支撑端板下部两侧斜向下分别与所述支撑连接；
所述加劲肋包括加劲肋Ⅰ、加劲肋Ⅱ和加劲肋Ⅲ；所述垫板包括垫板Ⅰ、垫板Ⅱ和垫板Ⅲ；
所述梁下翼缘开有扩孔型螺栓孔；所述外伸端板Ⅰ上都开有普通螺栓孔；所述外伸端板Ⅱ上开有扩孔型螺栓孔，所述普通螺栓孔与扩孔型螺栓孔的直径相等；所述扩孔型螺栓孔的扩孔方向沿外伸端板Ⅰ的水平方向；所述普通螺栓孔、扩孔型螺栓孔和高强螺栓在同一位置处的中心重合；所述梁下翼缘与上方的外伸端板Ⅰ贴合水平放置，且在远离外伸端板Ⅰ的一侧设有垫板Ⅰ和垫板Ⅱ；所述梁下翼缘、上方的外伸端板Ⅰ、垫板Ⅰ和垫板Ⅱ在同一位置经高强螺栓相连；下方的外伸端板Ⅰ和外伸端板Ⅱ贴合水平放置，且在远离外伸端板Ⅰ的一侧设有垫板Ⅲ；下方的外伸端板Ⅰ、外伸端板Ⅱ、和垫板Ⅲ在同一位置经高强螺栓相连；所述加劲肋Ⅰ对称布置在消能梁段腹板两侧；所述加劲肋Ⅱ对称布置在梁腹板两侧；所述加劲肋Ⅲ对称布置在支撑端板两侧。
2.根据权利要求1所述的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述消能梁段腹板与支撑端板厚度相等；所述加劲肋Ⅱ与消能梁段翼缘厚度相等；所述外伸端板Ⅰ、外伸端板Ⅱ、垫板Ⅰ、垫板Ⅱ和垫板Ⅲ的厚度均相等。
3.根据权利要求1所述的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述加劲肋Ⅱ与消能梁段翼缘的竖直位置相同。
4.根据权利要求1所述的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述支撑端板与外伸端板Ⅱ采用角焊缝连接；所述侧向板与支撑端板采用角焊缝连接；所述侧向板与外伸端板Ⅱ采用坡口全熔透焊缝连接。
5.根据权利要求1所述的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述加劲肋Ⅰ与消能梁段上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；所述加劲肋Ⅱ与梁上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；所述加劲肋Ⅲ与支撑端板、外伸端板Ⅱ采用角焊缝连接。
6.根据权利要求1所述的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，所述支撑的中心线与外伸端板Ⅰ、外伸端板Ⅱ的中心交点重合。
7.根据权利要求1所述的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段的施工方法，其特征在于：
a.在外伸端板Ⅰ上开设普通螺栓孔，并经角焊缝焊接在消能梁段两端，加劲肋Ⅰ与消能梁段上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；
b.在梁下翼缘与消能梁段连接处开设扩孔型螺栓孔，加劲肋Ⅱ与梁上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；
c.在外伸端板Ⅱ上开设扩孔型螺栓孔，支撑端板与外伸端板Ⅱ间采用角焊缝连接，加劲肋Ⅲ与外伸端板Ⅱ和支撑端板间采用角焊缝连接；
d.侧向板与外伸端板Ⅱ间采用坡口全熔透焊缝连接，侧向板与支撑端板间采用角焊缝连接；
e.在垫板Ⅰ、垫板Ⅱ和垫板Ⅲ对应位置处开普通螺栓孔；
f.通过高强螺栓将梁、外伸端板Ⅰ、外伸端板Ⅱ、垫板Ⅰ、垫板Ⅱ和垫板Ⅲ在对应位置处连接，且扩孔型螺栓孔、普通螺栓孔和高强螺栓的中心线需重合。
8.根据权利要求7所述的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，其特征在于：所述施工步骤a、b、c、d、e中的焊接及开孔工艺在工厂中进行。
9.根据权利要求7所述的用于Y形偏心支撑结构中的可更换扩孔螺栓连接型消能梁段，其特征在于：所述施工步骤f中的螺栓连接工艺在现场进行。
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