CN108118939A - 一种高强钢弹性控制延性结构 - Google Patents

一种高强钢弹性控制延性结构 Download PDF

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Abstract

一种高强钢弹性控制延性结构，包括采用高强钢材质的立柱和间隔水平设置于立柱间的横梁构成的结构主体，横梁和立柱通过半刚性节点或铰接节点连接，所述结构主体被横梁分隔形成至少一个抗震耗能区，抗震耗能区内设置有抗震耗能装置。该高强钢弹性控制延性结构，保证在正常使用及地震作用时高强钢构件处于弹性状态，解决传统高强钢结构体系因延性问题在抗震设防地区使用受限的问题，扩展高强钢结构的应用范围，能更充分、有效的发挥高强钢的优势。

Description

一种高强钢弹性控制延性结构
技术领域
本发明属于建筑高强钢结构设计领域，特别涉及一种高强钢弹性控制延性结构。
背景技术
提高钢材的强度有助于减小钢结构构件的截面尺寸，增大建筑的有效利用空间。减小板厚可以解决厚板焊接的难题，保证焊缝质量。高强钢的使用还可以减轻结构自重，减小上部结构对基础的作用力，降低基础造价。由于结构自重小，在抗震设防地区还可以减小结构的地震作用。对于桥梁和大跨结构，高强钢的使用可以解决大型钢构件运输和吊装的难题，同时由于其强度高自重轻的特点，可以实现更大的结构跨度。近年来，各国普遍将屈服强度超过420MPa的钢材称为高强钢，高于690MPa的钢材称为超高强钢。
对不同牌号的钢材的力学性能进行对比，发现随着钢材屈服强度的提高，钢材的屈强比增大，钢材的极限应变减小。这表明高强钢的延性与耗能能力随钢材强度的提高而变差。目前我国建筑构件的抗震设计采用三阶段抗震设防，即小震不坏，中震可修，大震不倒。为保证高强钢结构在中、大震中的抗震性能，要求建筑具有吸收、耗散地震能的能力。因此对于需要考虑抗震设防的建筑，为了保证其在中、大震中满足抗震设防要求，结构需具有一定的塑性变形能力，吸收并耗散地震能，从而保证结构的安全。
我国《钢结构设计规范》（GB50017）要求钢材的屈强比不大于0.83，断后伸长率不小于15%。相应的，我国《建筑抗震设计规范》（GB-50011）规定考虑抗震设防的钢结构建筑，钢材的实测屈强比不大于0.85，断后伸长率不小于20%，且应有明显得屈服台阶。由于随着钢材强度的提高，其屈强比增大，断后伸长率减小，因此其在钢结构建筑中的应用受到限制，尤其不适用于抗震结构中。
发明内容
本发明的目的是针对目前高强钢结构在抗震设防方面存在的缺陷，提供一种高强钢弹性控制延性结构，保证在正常使用及地震作用时高强钢构件处于弹性状态，解决传统高强钢结构体系因延性问题在抗震设防地区使用受限的问题，扩展高强钢结构的应用范围，能更充分、有效的发挥高强钢的优势。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：该高强钢弹性控制延性结构，包括采用高强钢材质的立柱和间隔水平设置于立柱间的横梁构成的结构主体，所述横梁和立柱通过半刚性节点或铰接节点连接，所述结构主体被横梁分隔形成至少一个抗震耗能区，抗震耗能区内设置有抗震耗能装置。
所述抗震耗能装置为屈曲约束支撑系统、防屈曲剪力墙系统或粘滞阻尼器系统。
所述屈曲约束支撑系统设为中心支撑或偏心支撑。
所述中心支撑由设置于抗震耗能区内的中心单斜撑结构、中心人字形支撑结构或中心V形支撑结构组成；所述中心单斜撑结构为倾斜设置的支撑架，且支撑架的两端与抗震耗能区的对角位置连接；所述中心人字形支撑结构为由两根呈人字形对接形成的支撑架，且支撑架的上对接部与位于抗震耗能区上侧的横梁中心位置连接，支撑架的下扩口两端分别与位于抗震耗能区下侧的两节点连接；所述中心V形支撑结构为由两根呈V字形对接形成的支撑架，且支撑架的下对接部与位于抗震耗能区下侧的横梁中心位置连接，支撑架的上扩口两端分别与位于抗震耗能区上侧的两节点连接。
所述偏心支撑由设置于抗震耗能区内的偏心单斜撑结构、偏心人字形支撑结构或偏心V形支撑结构组成；所述偏心单斜撑结构为倾斜设置的支撑架，且支撑架的低端与位于抗震耗能区下侧的节点连接，支撑架的高端与位于抗震耗能区上侧的横梁的非端点位置连接；所述偏心人字形支撑结构为由两根对应倾斜设置且上侧不对接的支撑架，且支撑架的上缩口两端均与抗震耗能区上侧的横梁非中心位置连接，支撑架的下扩口两端分别与位于抗震耗能区下侧的两节点连接；所述偏心V形支撑结构为由两根对应倾斜设置且下侧不对接的支撑架，且支撑架的下缩口两端均与抗震耗能区下侧的横梁非中心位置连接，支撑架的上扩口两端分别与位于抗震耗能区上侧的两节点连接。
所述防屈曲剪力墙系统由设置于立柱间的具有抗震耗能作用的防屈曲剪力墙构成。
所述粘滞阻尼器系统采用支撑式粘滞阻尼器或者墙式粘滞阻尼，且支撑式粘滞阻尼器通过两侧倾斜设置的支撑架与结构主体连接。
本发明的有益效果是：
1）该高强钢弹性控制延性结构中，主要承重构件采用高强钢材质，结构主体不承担或承担较小的横向力，并合理设置梁柱节点，保证整体结构具有充分的变形能力使抗震耗能装置发挥作用；
2）横梁和立柱通过半刚性节点或铰接节点产生横向变形，和结构主体有效连接的抗震耗能系统随结构主体共同变形，为结构提供横向刚度，并在变形过程中耗散地震能，保证结构的安全性；
3）该高强钢弹性控制延性结构中，可以保证在正常使用及地震作用时高强钢构件处于弹性状态，解决传统高强钢结构体系因延性问题在抗震设防地区使用受限的问题，扩展高强钢结构的应用范围，能更充分、有效的发挥高强钢的优势。
附图说明
图1为中心单斜撑形式的屈曲约束支撑-高强钢弹性控制体系；
图2为中心人字形支撑形式的屈曲约束支撑-高强钢弹性控制体系；
图3为中心V形支撑形式的屈曲约束支撑-高强钢弹性控制体系；
图4为偏心单斜撑形式的屈曲约束支撑-高强钢弹性控制体系；
图5为偏心人字形支撑形式的屈曲约束支撑-高强钢弹性控制体系；
图6为偏心V形支撑形式的屈曲约束支撑-高强钢弹性控制体系；
图7为防屈曲剪力墙-高强钢弹性控制体系；
图8为支撑式粘滞阻尼器-高强钢弹性控制体系；
图9为墙式粘滞阻尼器-高强钢弹性控制体系。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图9。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供了一种高强钢弹性控制延性结构，如图1至图9所示。该高强钢弹性控制延性结构，包括采用高强钢材质的立柱2和间隔水平设置于立柱2间的横梁1构成的结构主体，横梁1和立柱2通过半刚性节点或铰接节点3连接，所述结构主体被横梁1分隔形成至少一个抗震耗能区，抗震耗能区内设置有抗震耗能装置。优选的，本实施例中，所述横梁1设置有2~5根，抗震耗能区相应的设置有2~5组。在该高强钢弹性控制延性结构中，竖向荷载由采用高强钢材质的横梁1和立柱2组成的结构主体承担，通过荷载的计算和结构抗力的设计，保证高强钢构件可以在弹性状态满足结构的承载力要求。所述抗震耗能装置为屈曲约束支撑系统、防屈曲剪力墙系统、粘滞阻尼器系统中的任意一种。
根据使用场合的不同，所述屈曲约束支撑系统设为中心支撑和偏心支撑两种形式。所述中心支撑由设置于抗震耗能区内的中心单斜撑结构、中心人字形支撑结构或中心V形支撑结构组成，如图1至图3所示。所述中心单斜撑结构为倾斜设置的支撑架4，且支撑架的两端与抗震耗能区的对角位置连接；所述中心人字形支撑结构为由两根呈人字形对接形成的支撑架，且支撑架的上对接部与位于抗震耗能区上侧的横梁中心位置连接，支撑架的下扩口两端分别与位于抗震耗能区下侧的两节点连接；所述中心V形支撑结构为由两根呈V字形对接形成的支撑架，且支撑架的下对接部与位于抗震耗能区下侧的横梁中心位置连接，支撑架的上扩口两端分别与位于抗震耗能区上侧的两节点连接，具有很好的抗震耗能性能。
所述偏心支撑由设置于抗震耗能区内的偏心单斜撑结构、偏心人字形支撑结构或偏心V形支撑结构组成，如图4至图6所示。所述偏心单斜撑结构为倾斜设置的支撑架4，且支撑架的低端与位于抗震耗能区下侧的节点连接，支撑架的高端与位于抗震耗能区上侧的横梁的非端点位置连接；所述偏心人字形支撑结构为由两根对应倾斜设置且上侧不对接的支撑架，且支撑架的上缩口两端均与抗震耗能区上侧的横梁非中心位置连接，支撑架的下扩口两端分别与位于抗震耗能区下侧的两节点连接；所述偏心V形支撑结构为由两根对应倾斜设置且下侧不对接的支撑架，且支撑架的下缩口两端均与抗震耗能区下侧的横梁非中心位置连接，支撑架的上扩口两端分别与位于抗震耗能区上侧的两节点连接，具有很好的抗震耗能性能。
所述防屈曲剪力墙系统由设置于立柱2间的具有抗震耗能作用的防屈曲剪力墙5构成，如图7所示；所述粘滞阻尼器系统采用支撑式粘滞阻尼器6或者墙式粘滞阻尼8，且支撑式粘滞阻尼器通过两侧倾斜设置的支撑架7与结构主体连接，如图8和图9所示。使用时，抗震耗能装置可以为屈曲约束支撑系统、防屈曲剪力墙系统、粘滞阻尼器系统中的任意一种，也可以是多种系统的组合。
该高强钢弹性控制延性结构中，主要承重构件采用高强钢材质，结构主体不承担或承担较小的横向力，并合理设置梁柱节点，保证整体结构具有充分的变形能力使抗震耗能装置发挥作用。横梁和立柱2通过半刚性节点或铰接节点产生横向变形，和结构主体有效连接的抗震耗能系统随结构主体共同变形，为结构提供横向刚度，并在变形过程中耗散地震能，保证结构的安全性。另外，该高强钢弹性控制延性结构中，可以保证在正常使用及地震作用时高强钢构件处于弹性状态，解决传统高强钢结构体系因延性问题在抗震设防地区使用受限的问题，扩展高强钢结构的应用范围，能更充分、有效的发挥高强钢的优势。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (7)

1.一种高强钢弹性控制延性结构，其特征在于：包括采用高强钢材质的立柱和间隔水平设置于立柱间的横梁构成的结构主体，所述横梁和立柱通过半刚性节点或铰接节点连接，所述结构主体被横梁分隔形成至少一个抗震耗能区，抗震耗能区内设置有抗震耗能装置。
2.根据权利要求1所述的一种高强钢弹性控制延性结构，其特征在于：所述抗震耗能装置为屈曲约束支撑系统、防屈曲剪力墙系统或粘滞阻尼器系统。
3.根据权利要求2所述的一种高强钢弹性控制延性结构，其特征在于：所述屈曲约束支撑系统设为中心支撑或偏心支撑。
4.根据权利要求3所述的一种高强钢弹性控制延性结构，其特征在于：所述中心支撑由设置于抗震耗能区内的中心单斜撑结构、中心人字形支撑结构或中心V形支撑结构组成；所述中心单斜撑结构为倾斜设置的支撑架，且支撑架的两端与抗震耗能区的对角位置连接；所述中心人字形支撑结构为由两根呈人字形对接形成的支撑架，且支撑架的上对接部与位于抗震耗能区上侧的横梁中心位置连接，支撑架的下扩口两端分别与位于抗震耗能区下侧的两节点连接；所述中心V形支撑结构为由两根呈V字形对接形成的支撑架，且支撑架的下对接部与位于抗震耗能区下侧的横梁中心位置连接，支撑架的上扩口两端分别与位于抗震耗能区上侧的两节点连接。
5.根据权利要求3所述的一种高强钢弹性控制延性结构，其特征在于：所述偏心支撑由设置于抗震耗能区内的偏心单斜撑结构、偏心人字形支撑结构或偏心V形支撑结构组成；所述偏心单斜撑结构为倾斜设置的支撑架，且支撑架的低端与位于抗震耗能区下侧的节点连接，支撑架的高端与位于抗震耗能区上侧的横梁的非端点位置连接；所述偏心人字形支撑结构为由两根对应倾斜设置且上侧不对接的支撑架，且支撑架的上缩口两端均与抗震耗能区上侧的横梁非中心位置连接，支撑架的下扩口两端分别与位于抗震耗能区下侧的两节点连接；所述偏心V形支撑结构为由两根对应倾斜设置且下侧不对接的支撑架，且支撑架的下缩口两端均与抗震耗能区下侧的横梁非中心位置连接，支撑架的上扩口两端分别与位于抗震耗能区上侧的两节点连接。
6.根据权利要求2所述的一种高强钢弹性控制延性结构，其特征在于：所述防屈曲剪力墙系统由设置于立柱间的具有抗震耗能作用的防屈曲剪力墙构成。
7.根据权利要求2所述的一种高强钢弹性控制延性结构，其特征在于：所述粘滞阻尼器系统采用支撑式粘滞阻尼器或者墙式粘滞阻尼，且支撑式粘滞阻尼器通过两侧倾斜设置的支撑架与结构主体连接。
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