CN108035595B - 带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构及其设计方法，支撑结构包括支撑段、阻尼器段以及将支撑段和阻尼器段连接的连接端板，阻尼器段由多个相连的阻尼板并排组装而成，阻尼板相互卡合连接。与现有技术相比，本发明突破传统支撑刚度和承载力的耦合问题，达到控制屈服时序、实现结构中的损伤控制设计的目的；采用模块化拼接设计，仅利用较少种类阻尼板就可组配出刚度与承载力变化范围较大的支撑体系；阻尼器段与支撑段串联，能防止与其相连的普通刚性支撑的屈服/屈曲破坏，且施工和更换方便，适用性广，效果良好。

Description

带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构及其设计方法

技术领域

本发明属于建筑结构消能减震技术领域，具体涉及带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构及其设计方法。

背景技术

目前结构的抗震设计思想从防止其倒塌转向在灾后能够快速修复以保证不影响其原本的使用功能，结构在震后是否可修复很重要一点在于损伤部位拆卸与再安装的可行性，那么就对结构设计提出两点要求：第一，将结构损伤位置能有效地控制在易更换处，第二，减小结构震后的残余位移，而像螺栓孔位不齐等因素影响拆换。

目前采用摇摆结构或是加预应力筋的方式来实现上述目的，但有一个相对经济的方法，通过利用结构本身的弹性恢复力，这时候需要结构能够按照一定的损伤方式递进，如若出现薄弱层的破坏，不借助外力结构不会恢复，而控制损伤方式的递进则不仅包含了与第一点要求的损伤出现位置，还包含了损伤出现的时序，这就对结构设计提出较高的要求。

目前在地震中常用的抗侧装置是支撑，支撑在受到地震力作用后，是否屈服取决于其受到的内力及本身的屈服承载力，而内力的分布不仅与地震的作用相关，更重要的是结构中的刚度分布关系。通常而言，由于支撑的刚度和承载力是耦合在一起的，也就是刚度大的构件会承受更多的作用力，但往往这类构件的屈服承载力也较大，因此屈服的时序很难控制。当然可以采用不同的钢材来进行调控，但不同牌号的钢材屈服承载力差距较大且种类有限，因此在结构中实现上述功能会受到限制。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构及其设计方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构，包括支撑段、阻尼器段以及将支撑段和阻尼器段连接的连接端板，所述的阻尼器段由多个相连的阻尼板并排组装而成，所述的阻尼板相互卡合连接。

进一步地，所述的阻尼板呈板片状，其上、中、下分别设有凸出阻尼板板片的凸块，所述的凸块两侧分别设有插头以及与插头相匹配的槽口，相邻阻尼板通过插头、槽口卡合连接。

进一步地，所述的插头、槽口呈圆柱形，所述的凸块突出阻尼板的尺寸根据支撑的受力确定，其承载能力应高于阻尼板。

所述的阻尼板的高宽比以及阻尼板的个数根据该层该跨所需的刚度与承载力的设计要求决定，而该层该跨的刚度与承载力则是有结构的形式、性能水平和损伤控制的需要等考虑因素确定，通过改变自身高宽比实现刚度与承载力的非线性改变，阻尼板通过自身高宽比的改变，实现刚度与承载力非线性改变，刚性支撑与连接端板连接，其形心与阻尼器段形心一致。对于精度要求不高的情况可以使用经过设计的多种高宽比的阻尼板进行组配，对于精度要求较高的情况可以独立设计阻尼板的高宽比，阻尼板的高宽比可独立、灵活设计。

进一步地，所述的支撑段为刚性支撑，可包括H型钢，矩形钢管等，刚性支撑由普通的钢材制造，一端与连接端板连接，另一端与框架节点相连。

进一步地，所述的阻尼板和连接端板由铸钢制得。

进一步地，所述的连接端板设有与阻尼板的插头及槽口相配合的槽口及插头，通过卡合相连接。

进一步地，所述的阻尼器段与连接端板在连接接口处设有用于防止破坏的加劲肋。

阻尼器段依靠金属的剪切/弯曲的变形模式，耗能能力稳定。

所述的支撑结构的设计方法，包括以下步骤：

(1)根据体系需求，确定某层支撑结构的屈服承载力及刚度，假定阻尼器段的长度并设计支撑段的规格，若该支撑结构的支撑刚度大于需求刚度，则进行步骤(2)，否则重新设定阻尼器段的长度、设计支撑段的规格；

(2)假定阻尼板的高度，计算阻尼板的宽度及数量，计算阻尼板的中距及边距，若中距/边距大于合理值，则进行步骤(3)，否则重新设定阻尼板的高度；

(3)计算连接端板尺寸，校核设计刚度和屈服承载力，满足要求即完成设计。

具体设计方法及计算公式如下：

根据体系需求确定某层框架支撑的屈服承载力P₀与刚度K₀，承载力调整系数β_c可取为1.0，刚度调整系数β_k根据阻尼器段与支撑段的具体连接方式可取为1.0或1.15～1.20，则屈服承载力设计值P_f＝β_cP₀，刚度设计值K_f＝β_kK₀。

假定阻尼器段的长度，长度的设计值初步可取为支撑总长度的3％～15％，根据后续设计计算而进行调整。

根据连接形式确定支撑的计算长度系数α，根据压杆稳定计算方法选择支撑段的截面积A_b，则支撑的轴向刚度K_b为

其中：E为钢材的弹性模量；

A_b为支撑段的截面积；

α为支撑的计算长度系数，根据支撑的连接方式确定；

L_b为支撑的长度。

阻尼器段的刚度设计值K_z为：

精度要求不高时，使用经设计的多种高宽比阻尼板进行组配的情况，假设每一种高宽比对应的刚度和承载力分别为k_s1,k_s2,……,k_sn以及p_s1,p_s2,……,p_sn，n₁,n₂,……,n_n为每一种阻尼板需要的个数，则：

对于精度要求高，需要独立设计时，则继续计算阻尼器段的设计屈服位移δ为：

设计计算阻尼器盖板的宽度B(根据支撑规格选取)，厚度T(2P_f≤f_yBT)以及卡口处圆柱直径为盖板厚度一半，假定阻尼板的高度h，根据下式计算阻尼板的宽度b：

其中

其中：G为钢材的剪切模量；f_y为铸钢屈服强度。

计算阻尼板的计算个数，每毫米的计算个数计为1：

单侧阻尼板的排数：

每排阻尼板总个数：

计算阻尼板的中距d₁及边距d₂，如果中距d₁及边距d₂不满足制造等实际工程要求，需要调整上述阻尼板高度h，重新设计。

校核设计刚度K与屈服承载力P：

本支撑结构具体原理为，支撑的刚度由支撑段及阻尼器段串联组成，承载力由其中的相对薄弱部分决定，设计将薄弱部分控制在阻尼器段，由于刚度和承载力的设计都处于弹性阶段，阻尼器的承载力和刚度通过不同的高宽比阻尼板进行线性组合，也可以直接选择对应刚度和承载力的阻尼板。在弹性阶段，通过刚度和承载力的调节作用，可控制结构的损伤位置与出现时序。在塑性阶段，提供显著的阻尼力以及刚度，使结构的响应减小，并且阻尼器段在特别大的荷载作用下，受力由弯/剪转变为受拉，刚度、承载力可进一步增大，这种受力机制能有效防止结构倒塌。

本发明根据结构性能水平以及损伤控制要求，布置在框架中，实现结构性能目标与损伤的控制，支撑段在拉压受力过程中始终保持轴向变形，以保证刚度与所需的相同，并且支撑段不会发生屈曲或是屈服；阻尼器段在弹性阶段通过阻尼板提供有效的初始刚度，再达到屈服承载力之后，通过弯/剪变形来耗能，有效地减小地震下的反应。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

(1)可实现结构中的损伤控制设计，设计中需要耗能破坏的构件可提高刚度，降低其承载力，在地震中这些构件受力较大，可先于其他构件进入屈服而耗能，从而保障其他构件，尤其是主体承重结构的安全，可有效控制损伤，并且阻尼器段采用金属的剪切/弯曲的变形模式，其耗能能力非常稳定。

(2)采用模块化拼接设计，利用较少种类的阻尼板就可以组配出刚度与承载力变化范围较大的支撑体系。

(3)阻尼器段与支撑段串联，能防止与其相连的普通刚性支撑的屈服/屈曲破坏，在地震后只需要更换阻尼器段，且连接端板与阻尼器段通过插头、槽口连接，使其很容易进行更换，此外，模块化的拼接设计有利于震后残余变形较大情况下的更替。

(4)本发明结构构造简单，施工和更换方便，适用性广，效果好。

附图说明

图1是本发明支撑结构的支撑立面图；

图2是本发明支撑结构的轴测图；

图3是本发明阻尼器段与连接端板的轴测图；

图4是本发明阻尼板的轴测图；

图5是本发明阻尼器段设计方法的流程框图；

图中：1为支撑段；2为连接端板；3为阻尼器段；4为阻尼板；5为上、下凸块；6为中间凸块，7为插头；8为槽口；9为加劲肋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构，如图1-4所示，包括支撑段1、阻尼器段3以及将支撑段1和阻尼器段3连接的连接端板2，阻尼器段3由多个相连的阻尼板4并排组装而成。

阻尼板4呈板片状，其上、中、下分别设有凸出阻尼板板片的凸块，包括上、下凸块5以及中间凸块6，凸块两侧分别设有插头7以及与插头7相匹配的槽口8，插头7、槽口8呈圆柱形，相邻阻尼板通过插头7、槽口8卡合连接，支撑段1为H型钢，由普通钢材制造，一端与连接端板2连接，另一端与框架节点相连，阻尼板4和连接端板2由铸钢制得，连接端板2设有与阻尼板4的插头及槽口相配合的槽口及插头，通过卡合相连接，阻尼器段3与连接端板2在连接接口处设有用于防止破坏的加劲肋9，本结构按照设计的要求组配成不同刚度和承载力的带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑，安装在相应的楼层处。

该支撑结构具体设计时按图5所示的框图进行，具体步骤为：

(1)根据体系需求，确定某层支撑结构的屈服承载力及刚度，假定阻尼器段的长度并设计支撑段的规格，若该支撑结构的支撑刚度大于需求刚度，则进行步骤(2)，否则重新设定阻尼器段的长度、设计支撑段的规格；

(2)假定阻尼板的高度，计算阻尼板的宽度及数量，计算阻尼板的中距及边距，若中距/边距大于合理值，则进行步骤(3)，否则重新设定阻尼板的高度；

(3)计算连接螺栓的数量及端板尺寸，校核设计刚度和屈服承载力，满足要求即完成设计。

Claims (9)

1.一种带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构，其特征在于，包括支撑段、阻尼器段以及将支撑段和阻尼器段连接的连接端板，所述的阻尼器段由多个相连的阻尼板并排组装而成，所述的阻尼板相互卡合连接，

所述的阻尼板呈板片状，其上、中、下分别设有凸出阻尼板板片的凸块，所述的凸块两侧分别设有插头以及与插头相匹配的槽口，相邻阻尼板通过插头、槽口卡合连接。

2.根据权利要求1所述的一种带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构，其特征在于，所述的插头、槽口呈圆柱形。

3.根据权利要求1所述的一种带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构，其特征在于，所述的支撑段为刚性支撑，包括H型钢或矩形钢管，一端与连接端板连接，另一端与框架节点相连。

4.根据权利要求1所述的一种带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构，其特征在于，所述的阻尼板和连接端板由铸钢制得。

5.根据权利要求1所述的一种带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构，其特征在于，所述的连接端板设有与阻尼板的插头及槽口相配合的槽口及插头，通过卡合相连接。

6.根据权利要求1所述的一种带独立调节刚度与承载力阻尼器的支撑结构，其特征在于，所述的阻尼器段与连接端板在连接接口处设有用于防止破坏的加劲肋。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的支撑结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据结构体系需求，确定某层支撑结构的屈服承载力及刚度，假定阻尼器段的长度并设计支撑段的规格，若该支撑结构的支撑刚度大于需求刚度，则进行步骤(2)，否则重新设定阻尼器段的长度、设计支撑段的规格；

(2)假定阻尼板的高度，计算阻尼板的宽度及数量，计算阻尼板的中距及边距，若中距/边距大于合理值，则进行步骤(3)，否则重新设定阻尼板的高度；

(3)计算连接端板尺寸，校核设计刚度和屈服承载力，满足要求即完成设计。

8.根据权利要求7所述的一种支撑结构的设计方法，其特征在于，步骤(1)具体方法为：

计算屈服承载力设计值及刚度设计值：

P_f＝β_cP₀

K_f＝β_kK₀

其中，P₀、K₀分别为支撑结构的屈服承载力及刚度，β_c为承载力调整系数，取1.0，β_k为刚度调整系数，根据阻尼器段与支撑段的具体连接方式取1.0或1.15～1.20；

假定阻尼器段的长度，长度设计值初步取为支撑总长度的3％～15％，根据连接形式确定支撑的计算长度系数α，根据压杆稳定计算方法选择支撑段的截面积A_b，则支撑的轴向刚度K_b为：

其中：E为钢材的弹性模量；

A_b为支撑段的截面积；

α为支撑的计算长度系数，根据支撑的连接方式确定；

L_b为支撑的长度；

阻尼器段的刚度设计值K_z为：

9.根据权利要求7所述的一种支撑结构的设计方法，其特征在于，步骤(2)具体方法为：

精度要求不高时，使用经设计的多种高宽比阻尼板进行组配的情况，假设每种高宽比对应阻尼板的刚度和承载力分别为k_s1,k_s2,……,k_sn以及p_s1,p_s2,……,p_sn，n₁,n₂,……,n_n为每一种阻尼板需要的个数，则：

对于精度要求高，需要独立设计时，则继续计算阻尼器段的设计屈服位移δ：

设计计算阻尼器段的宽度B，厚度T，并满足2P_f≤f_yBT，卡口处圆柱直径为盖板厚度一半，假定阻尼板的高度h，计算阻尼板的宽度b以及该高宽比的刚度K_s：

其中

其中：G为钢材的剪切模量；

f_y为铸钢屈服强度；

计算阻尼板的计算个数，每毫米厚的计算个数计为1：

单侧阻尼板的排数：

每排阻尼板总宽度：

步骤(3)具体方法为：

校核设计刚度K与屈服承载力P，需满足：