CN108505639A - 一种弯曲型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构 - Google Patents

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谢丽萍
张所庆
祝黎
何昭仁
冯云霞
罗春霞
刘晓珂
李鸿维
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Abstract

本发明公开了一种弯曲型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构，属于钢框架支撑结构技术领域。该耗能梁包括：上翼缘，下翼缘，腹板，以及，第一加劲肋；上翼缘与下翼缘平行设置；腹板与第一加劲肋垂直设置；且，腹板以及第一加劲肋同时连接上翼缘的底面和下翼缘的顶面；在上翼缘上和下翼缘上分别设置有至少一个凹槽。通过在翼缘上设置至少一个凹槽，减小了翼缘可承载弯曲力矩的宽度，降低了耗能梁的全塑性受弯承载力，进而扩大了整体支撑结构用钢量的可选范围，可进一步降低偏心支撑结构的用钢量，进而降低整体工程造价。

Description

一种弯曲型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构
技术领域
本发明涉及钢框架支撑技术领域，特别涉及一种弯曲型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构。
背景技术
在高烈度地震区，可在钢结构建筑中设置偏心支撑结构，以增强建筑的抗震性能。在地震时，偏心支撑结构受弯出现局部塑性形变，耗散地震能量，避免建筑坍塌。常见的偏心支撑结构包括：耗能梁、非耗能梁、支撑梁、以及框架柱。其中，非耗能梁与耗能梁平行设置，二者端部相连；支撑梁连接耗能梁的底面；框架柱连接非耗能梁未连接耗能梁的端部。遭遇地震时，非耗能梁、支撑梁以及框架柱处于弹性状态，耗能梁受到地震力作用处于塑性状态并产生塑性形变，耗散地震能量。不难看出，弯曲型偏心支撑耗能梁是偏心支撑结构中的重要组成部分。
相关技术中提供了一种弯曲型偏心支撑耗能梁。如图1所示，并参见图2，该耗能梁包括：上翼缘11、下翼缘12、腹板13、至少两个第一加劲肋141。其中，上翼缘11、下翼缘12是等宽的矩形钢板，二者平行设置；腹板13以及第一加劲肋141同时连接上翼缘11的底面以及下翼缘12的顶面。且腹板13的长度方向平行于上翼缘11的长度方向，第一加劲肋141以垂直于腹板13长度方向的方式固定在腹板13上。遭遇地震时，主要通过耗能梁受弯导致上翼缘11和下翼缘12出现塑性形变以耗散地震能量。
在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：
在保障建筑安全的前提下，相关技术中的偏心支撑结构的用钢量可选范围小，造成不易降低工程造价的缺陷。具体来说，由于现有规程规范中限定了翼缘(即上翼缘11和下翼缘12)宽度和厚度的选择范围，因此难以降低上翼缘11和下翼缘12垂直于耗能梁长度方向的截面面积。而该截面面积与整体偏心支撑结构的用钢量正相关，进而该偏心支撑结构可实现的用钢量受到限定，难以进一步降低，导致不易降低工程造价。
发明内容
本发明实施例提供了一种弯曲型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构，为了解决上述问题，技术方案具体如下：
第一方面，提供了一种弯曲型偏心支撑耗能梁，包括：上翼缘，下翼缘，腹板，以及，至少两个第一加劲肋；所述上翼缘与所述下翼缘平行设置；所述腹板与所述第一加劲肋垂直设置；且，所述腹板以及所述第一加劲肋同时连接所述上翼缘的底面和所述下翼缘的顶面；其中，在所述上翼缘上设置有至少一个沿所述上翼缘宽度方向凹陷的凹槽；在所述下翼缘上设置有至少一个沿所述下翼缘宽度方向凹陷的所述凹槽。
可选地，在所述上翼缘用于连接所述非耗能梁的上翼缘的两端上分别设置所述凹槽；
在所述下翼缘用于连接所述非耗能梁的下翼缘的两端上分别设置所述凹槽。
可选地，所述凹槽沿所述耗能梁宽度方向的最大尺寸，是所述上翼缘和所述下翼缘宽度的0.1～0.3倍。
可选地，所述凹槽沿所述耗能梁长度方向的最大尺寸，是所述腹板高度的0.65～0.85倍。
可选地，所述凹槽为弧形凹槽。
可选地，所述耗能梁还包括：与所述腹板固定的第二加劲肋；且在所述耗能梁长度方向上，所述第二加劲肋覆盖所述凹槽。
可选地，所述第二加劲肋分别连接相邻的两个所述第一加劲肋。
可选地，所述耗能梁还包括：第三加劲肋，所述第三加劲肋设置在所述耗能梁用于与非耗能梁连接的端部上；
所述第三加劲肋倾斜设置并同时连接所述上翼缘的底面以及所述下翼缘的顶面。
第二方面，提供了一种偏心支撑结构，包括：耗能梁，非耗能梁，支撑梁，以及，框架柱；
所述非耗能梁与所述耗能梁平行设置且端部相接，
所述支撑梁与所述耗能梁的底面连接，
所述框架柱与所述非耗能梁未连接所述耗能梁的端部连接；
所述耗能梁为第一方面所述的弯曲型偏心支撑耗能梁，
所述非耗能梁、所述支撑梁以及所述框架柱的设计内力与所述耗能梁的全塑性受弯承载力相匹配。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在上翼缘和下翼缘上设置至少一个凹槽，在宽度方向上减少了翼缘可承载弯曲力矩的部分，即减小了翼缘的最小受弯宽度，因此降低了框架柱、支撑梁以及非耗能梁的设计内力，进而降低了框架柱的用钢量。且由于框架柱在整体偏心支撑结构中用钢量占比最大，因此即便在耗能梁上增加了第二加劲肋，通过本发明实施例提供的偏心支撑耗能梁还是可以降低整体偏心支撑结构的用钢量，进而解决了相关技术中难以降低工程造价的缺陷。且在降低整体偏心支撑结构的用钢量时，只需改变在上翼缘和下翼缘上凹槽的尺寸即可。
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是相关技术中所提供的偏心支撑结构的示意图；
图2是本发明实施例提供的弯曲型偏心支撑耗能梁的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的弯曲型偏心支撑耗能梁，设置有凹槽处沿高度方向的剖面图；
图4是本发明实施例提供的弯曲型偏心支撑耗能梁，未设置凹槽处沿高度方向的剖面图；
图5是本发明实施例提供的弯曲型偏心支撑耗能梁中上翼缘设置凹槽的局部示意图；
图6是本发明实施例提供的偏心支撑结构的主视图。
附图中各个标记分别为：
1、耗能梁；
11、上翼缘；
12、下翼缘；
13、腹板；
141、第一加劲肋；
142、第二加劲肋；
143、第三加劲肋；
15、凹槽；
2、非耗能梁；
3、支撑梁。
具体实施方式
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。
第一方面，本发明实施例提供了一种弯曲型偏心支撑耗能梁，如图2所示，并结合图3、图4，该弯曲型偏心支撑耗能梁，包括：上翼缘11，下翼缘12，腹板13，以及，至少两个第一加劲肋141；上翼缘11与下翼缘12平行设置；腹板13与第一加劲肋141垂直设置；且，腹板13以及第一加劲肋141同时连接上翼缘11的底面和下翼缘12的顶面；其中，如图5所示，在上翼缘11上设置有至少一个沿上翼缘11宽度方向凹陷的凹槽15；在下翼缘12上设置有至少一个沿下翼缘12宽度方向凹陷的凹槽15。
下面，结合以下公式对本发明实施例所提供的弯曲型偏心支撑耗能梁的工作原理进行阐述说明：
在偏心支撑结构中，非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力满足以下条件：
F＝Ω(MSN/M)F1 (1)
式中，F—非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力；
F1—非耗能梁或支撑梁或框架柱多遇地震组合时的荷载效应内力；
MSN—耗能梁的全塑性受弯承载力；
M—耗能梁多遇地震组合时的荷载效应弯矩；
Ω—常数放大系数。
根据公式(1)不难看出，非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力(F)与耗能梁的全塑性受弯承载力正相关。其中，非耗能梁或支撑梁或框架柱多遇地震组合时的荷载效应内力(F1)，以及耗能梁多遇地震组合时的荷载效应弯矩(M)，通过软件模拟计算获取；耗能梁的全塑性受弯承载力(MSN)通过以下公式获取：
MSN＝(fy-δa)Wpb (2)
式中，Wpb—耗能梁的塑性截面模量；
fy—耗能梁钢材屈服强度；
δa—轴向力引起的梁段翼缘的平均正应力。
其中，耗能梁的塑性截面模量(Wpb)通过以下公式计算：
Wpb＝bf×tf×h+t×h2/4 (3)
式中，bf—耗能梁翼缘(包括上翼缘11和下翼缘12)的最小受弯宽度；
tf—耗能梁翼缘的厚度；
t—耗能梁腹板的厚度；
h—耗能梁腹板的高度。
对于公式(3)需要说明的是，翼缘的最小受弯宽度是指翼缘可承载弯曲力矩的部分的最小宽度。在相关技术中，耗能梁翼缘为等宽的矩形钢板，因此翼缘的最小受弯宽度是该矩形板的宽度。在本发明实施例中，由于在翼缘上设置了凹槽15，因此减少了翼缘上可承载弯矩力矩的部分，故翼缘的最小受弯宽度为翼缘的宽度与凹槽15的宽度之差。
综上，根据公式(3)可知，翼缘的最小受弯宽度(bf)与耗能梁的塑性截面模量(Wpb)成正比。根据公式(2)可知，耗能梁的塑性截面模量(Wpb)与耗能梁的全塑性受弯承载力(MSN)正相关。进而，结合公式(1)，翼缘的最小受弯宽度是该矩形板的宽度，与非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力正相关。
同时，非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力与各自的用钢量正相关。以用钢量对整体偏心支撑结构用钢量贡献最大的框架柱为例，当框架柱设计内力增大时，需增加框架柱截面尺寸，如此会增大框架柱用钢量；当框架柱设计内力减小时，可减小框架柱截面尺寸，如此减小了框架柱用钢量。
根据上述分析不难理解的是，翼缘的最小受弯宽度与整体偏心支撑结构的用钢量正相关。基于此，本发明实施例提供的弯曲型偏心支撑耗能梁通过在上翼缘11和下翼缘12上设置至少一个凹槽15，在宽度方向上减少了翼缘可承载弯曲力矩的部分，即减小了翼缘的最小受弯宽度，进而降低了整体偏心支撑结构的用钢量。如此，当需要降低整体偏心支撑结构的用钢量时，只需改变在上翼缘11和下翼缘12上凹槽15的宽度即可，且可满足现有技术中规程规范对上翼缘11和下翼缘12的宽度和厚度的限定的要求。因此，利用本发明实施例提供的弯曲型偏心支撑耗能梁可进一步降低整体偏心支撑结构的用钢量。换言之，通过该弯曲型偏心支撑耗能梁，能够实现比相关技术中更低的偏心支撑结构用钢量，进而解决了相关技术中难以降低工程造价的缺陷。
同时，由于可进一步降低偏心支撑结构的用钢量，尤其是框架柱的用钢量，因此能够减小框架柱的最小截面面积。减小框架柱的最小截面面积，一方面，有利于框架柱安装、缩短安装周期；另一方面，也使得相邻框架柱之间的净距可进一步增大，增加建筑内部空间，利于建筑内部工艺管道的布置。并且，由于凹槽15的尺寸易于控制，便于加工，因此扩大了该偏心支撑结构用钢量可选择的范围。
进一步地，在本发明实施例中，凹槽15可以设置在耗能梁的中部，或者两端。且凹槽15的总数量可以设置多个，例如1个、2个、3个、4个等。出于降低耗能梁的全塑性受弯承载力的角度，考虑到耗能梁两端的弯曲力矩大于耗能梁中部的弯曲力矩，因此优选将凹槽15设置在耗能梁用于连接非耗能梁的两端。具体来说，本发明实施例提供的耗能梁一共具有四个凹槽15，其中，在上翼缘11用于连接非耗能梁的上翼缘的两端上，分别设置有两个凹槽15；在下翼缘12用于连接非耗能梁的下翼缘的两端上，分别设置有两个凹槽15。且凹槽15在上翼缘11和下翼缘12上关于腹板13对称设置。
关于凹槽15的尺寸，参照图5，凹槽15沿耗能梁宽度方向的最大尺寸，是上翼缘11和下翼缘12宽度的0.1～0.3倍，例如0.15、0.2、0.25倍等。凹槽15沿耗能梁长度方向的最大尺寸，是腹板13高度的0.65～0.85倍，例如0.7倍、0.8倍等。如此，即可保证上翼缘11和下翼缘12具有一定的抗弯性能，也能降低耗能梁的全塑性受弯承载力，进而实现降低整体支撑结构用钢量的目的。
此外，关于凹槽15的形状需要说明的是，凹槽15优选为侧面平滑的弧形槽，如此可以避免棱角结构造成的应力集中，影响上翼缘11和下翼缘12的抗弯性能。
进一步地，耗能梁还包括：耗能梁还包括：与腹板13固定的第二加劲肋142；且在耗能梁长度方向上，第二加劲肋142覆盖凹槽15。此处，需要说明的是，第二加劲肋142在耗能梁长度方向上覆盖凹槽15，意为：第二加劲肋142设置在上翼缘11的凹槽15的正下方，以及下翼缘12的凹槽15的正上方。
如此，通过第二加劲肋142对腹板13起到一定的补强作用，使得耗能梁达到预想的受力模式。并且，优选第二加劲肋142分别连接相邻的两个第一加劲肋141。具体地，第二加劲肋142可以为斜向加劲肋或者水平加劲肋。当第二加劲肋142为水平加劲肋时，优选第二加劲肋142等分腹板13的高度。
进一步地，该耗能梁还包括：第三加劲肋143，第三加劲肋143设置在耗能梁用于与非耗能梁连接的端部上；且第三加劲肋143倾斜设置并同时连接上翼缘11的底面以及下翼缘12的顶面。具体地，该第三加劲肋143设置在耗能梁段1与非耗能梁段2的过渡处，如此避免耗能梁1与非耗能梁2连接处由于受力复杂造成的应力集中，进而避免引起构件局部破坏，从而保证了耗能梁1达到预想的受力模式。且第三加劲肋143可为水平加劲肋或者斜向加劲肋。
此外，第一加劲肋141、第二加劲肋142以及第三加劲肋143与腹板13的连接处设置有倒角，以减小出现应力集中。
本发明实施例所提供的弯曲型耗能梁，通过在上翼缘11以及下翼缘12上设置至少一个凹槽15扩大了整体支撑结构用钢量的可选范围，可进一步降低偏心支撑结构的用钢量，进而降低整体工程造价。且由于该偏心支撑结构的用钢量具有更多选择，有助于在施工中与其他因素协调，保证施工顺利进行。
第二方面，提供了一种偏心支撑结构，具体如图6所示，该支撑结构包括：耗能梁1，非耗能梁2，支撑梁3，以及，框架柱(图上未示出)；非耗能梁2与耗能梁1平行设置且端部相接，支撑梁3与耗能梁1的底面连接，框架柱与非耗能梁2未连接耗能梁1的端部连接；其中，耗能梁1为本发明实施例第一方面所提供的弯曲型偏心支撑耗能梁，且非耗能梁2、支撑梁3以及框架柱的设计内力与耗能梁1的全塑性受弯承载力相匹配。
可以理解的是，该偏心支撑结构因采用了第一方面所提供的耗能梁，具有用钢量少、作业工作量低、施工周期短的优点，详见第一方面的分析，此处不再赘述。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种弯曲型偏心支撑耗能梁，包括：上翼缘(11)，下翼缘(12)，腹板(13)，以及，至少两个第一加劲肋(141)；
所述上翼缘(11)与所述下翼缘(12)平行设置；
所述腹板(13)与所述第一加劲肋(141)垂直设置；
且，所述腹板(13)以及所述第一加劲肋(141)同时连接所述上翼缘(11)的底面和所述下翼缘(12)的顶面；
其特征在于，
在所述上翼缘(11)上设置有至少一个沿所述上翼缘(11)宽度方向凹陷的凹槽(15)；
在所述下翼缘(12)上设置有至少一个沿所述下翼缘(12)宽度方向凹陷的所述凹槽(15)。
2.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，在所述上翼缘(11)用于连接所述非耗能梁的上翼缘的两端上分别设置所述凹槽(15)；
在所述下翼缘(12)用于连接所述非耗能梁的下翼缘的两端上分别设置所述凹槽(15)。
3.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，所述凹槽(15)沿所述耗能梁宽度方向的最大尺寸是所述上翼缘(11)和所述下翼缘(12)宽度的0.1～0.3倍。
4.根据权利要求3所述的耗能梁，其特征在于，所述凹槽(15)沿所述耗能梁长度方向的最大尺寸是所述腹板(13)高度的0.65～0.85倍。
5.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，所述凹槽(15)为弧形凹槽。
6.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，所述耗能梁还包括：与所述腹板(13)固定的第二加劲肋(142)；且在所述耗能梁长度方向上，所述第二加劲肋(142)覆盖所述凹槽(15)。
7.根据权利要求6所述的耗能梁，其特征在于，所述第二加劲肋(142)分别连接相邻的两个所述第一加劲肋(141)。
8.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，所述耗能梁还包括：第三加劲肋(143)，所述第三加劲肋(143)设置在所述耗能梁用于与非耗能梁连接的端部上；
所述第三加劲肋(143)倾斜设置并同时连接所述上翼缘(11)的底面以及所述下翼缘(12)的顶面。
9.一种偏心支撑结构，包括：耗能梁(1)，非耗能梁(2)，支撑梁(3)，以及，框架柱；
所述非耗能梁(2)与所述耗能梁(1)平行设置且端部相接，
所述支撑梁(3)与所述耗能梁(1)的底面连接，
所述框架柱与所述非耗能梁(2)未连接所述耗能梁(1)的端部连接；
其特征在于，
所述耗能梁(1)为权利要求1～8中任一项所述的弯曲型偏心支撑耗能梁，
所述非耗能梁(2)、所述支撑梁(3)以及所述框架柱的设计内力与所述耗能梁(1)的全塑性受弯承载力相匹配。
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