CN108532756A - 剪切型偏心支撑耗能梁、剪切型偏心支撑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种剪切型偏心支撑耗能梁、剪切型偏心支撑结构，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；其中在腹板上设置有通孔，通孔至多贯通至上翼缘的底面或下翼缘的顶面。本发明通过设置不贯通腹板高度方向的通孔，减少了腹板可有效承载剪切作用力的高度，降低整体偏心支撑结构的用钢量。故欲降低偏心支撑结构的用钢量不再受限于现有技术规程规范中对腹板高度和厚度的限定。因此通过本发明提供的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，进一步降低工程造价。

Description

剪切型偏心支撑耗能梁、剪切型偏心支撑结构
技术领域
本发明涉及钢框架支撑结构技术领域，特别涉及一种剪切型偏心支撑耗能梁、剪切型偏心支撑结构。
背景技术
通常在钢结构建筑中设置有剪切型偏心支撑结构，以增强建筑的抗震性能。剪切型偏心支撑结构的抗弯性能优于其抗剪性能，因此在地震时可出现局部剪切塑性形变，以耗散地震能量，避免建筑坍塌。常见的剪切型偏心支撑结构包括：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，耗能梁受到剪切作用力处于塑性状态并产生剪切塑性形变，耗散地震能量。不难看出，剪切型偏心支撑耗能梁是剪切型偏心支撑结构中的重要组成部分。
相关技术中提供了一种剪切型偏心支撑耗能梁。如图1所示，该耗能梁包括：上翼缘11、下翼缘12、腹板13、加劲肋14。其中，上翼缘11和下翼缘12平行设置。腹板13以及加劲肋14同时连接上翼缘11的底面以及下翼缘12的顶面。且腹板13为完整的矩形板，其长度方向平行于上翼缘11的长度方向，加劲肋14以垂直于腹板13长度方向的方式固定在腹板13上。
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，相关技术中的剪切型偏心支撑结构的最小用钢量难以降低，因此存在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剪切型偏心支撑耗能梁的腹板13的最小高度以及最小厚度，因此在相关技术所提供的耗能梁中，腹板13垂直于其长度方向的截面所能具有的最小面积受到限定。并且相关技术中，垂直于耗能梁腹板13的长度方向的截面面积与整体偏心支撑结构的用钢量正相关，进而该剪切型偏心支撑结构的最小用钢量受到限定，难以进一步降低，如此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剪切型偏心支撑耗能梁、剪切型偏心支撑结构，为了解决相关技术中难以降低剪切型偏心支撑结构工程造价的缺陷。该技术方案具体如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种剪切型偏心支撑耗能梁，包括：上翼缘，下翼缘，腹板，以及，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，在所述腹板上设置有通孔，通孔至多贯通至所述上翼缘的底面或所述下翼缘的顶面。
可选地，所述通孔设置在所述腹板的中部，以使所述腹板的顶面与所述上翼缘的底面连续接触，所述腹板的底面与所述下翼缘的顶面连续接触。
可选地，所述通孔的高度为所述腹板的高度的0.55～0.65倍。
可选地，一个所述通孔位于一个所述第一加劲肋的一侧。
可选地，所述耗能梁包括有至少两个所述第一加劲肋，所述通孔设置在相邻两个所述第一加劲肋之间的所述腹板上。
可选地，所述耗能梁还包括第二加劲肋，所述第二加劲肋设置在所述耗能梁用于与非耗能梁连接的端部上；所述第二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。
可选地，所述第一加劲肋和所述第二加劲肋均与所述腹板固定连接，且所述第一加劲肋和所述第二加劲肋与所述腹板的连接处设置有倒角。
可选地，所述耗能梁为轴对称结构。
第二方面，本发明实施例提供了一种剪切型偏心支撑结构，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；
其中，所述耗能梁为第一方面所提供的耗能梁，
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剪承载力相匹配。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过设置不贯通腹板13高度方向的通孔，减少了腹板13可有效承载剪切作用力的高度。因此，降低了腹板13垂直于耗能梁长度方向的截面可承受剪切作用力的最小面积。进而，降低了整体偏心支撑结构的用钢量。此时，欲降低偏心支撑结构的用钢量，不再受限于相关技术规程规范中对腹板13高度和厚度的限定。如此，当腹板13的高度、厚度与相关技术中腹板13的高度和厚度相同时，利用本发明实施例提供的剪切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，通过该剪切型偏心支撑耗能梁，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。
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是现有技术中所提供的剪切型偏心支撑结构的轴测图；
图2是本发明实施例提供的剪切型偏心支撑结构的轴测图；
图3是本发明实施例提供的剪切型偏心支撑结构的主视图；
图4是本发明实施例提供的剪切型偏心支撑结构沿A-A方向的剖面图。
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；
131、通孔；
141、第一加劲肋；
142、第二加劲肋；
2、非耗能梁；
3、支撑梁；
4、框架柱。
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剪切型偏心支撑耗能梁，如图2，图3所示，该耗能梁包括：上翼缘11，下翼缘12，腹板13，以及，第一加劲肋141。其中，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。结合图4，在腹板13上设置有通孔131，通孔131至多贯通至上翼缘11的底面或下翼缘12的顶面。
结合以下公式对本发明实施例所提供的剪切型偏心支撑耗能梁的工作原理进行阐述说明：
在剪切型偏心支撑结构中，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(Vs/V)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；
Vs—耗能梁的全塑性受剪承载力；
V—耗能梁多遇地震组合时的荷载效应剪力；
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剪承载力正相关。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剪力(V)，通过软件模拟计算获取；耗能梁的全塑性受剪承载力(Vs)通过以下公式获取：
Vs＝0.6fytwhw (2)
式中，fy—腹板钢材屈服强度；tw—腹板厚度；hw—腹板的最小受剪高度。
对于公式(2)需要说明的是，腹板13的最小受剪高度是指腹板13可承载剪切力的部分的最小高度。对于相关技术中所提供的耗能梁而言，腹板13为完整的矩形板，其最小受剪高度是该矩形板的高度。在本发明实施例中，由于在腹板13上设置了通孔131，因此减少了腹板13上可承载剪切力的部分，故腹板13的最小受剪高度为腹板13的高度与通孔131的高度之差。
综上，根据公式(2)可知，腹板13垂直于耗能梁长度方向的截面可承受剪切作用力的最小面积(twhw)，与耗能梁的全塑性受剪承载力(Vs)正相关。
结合上述两个公式，可知，腹板13垂直于耗能梁长度方向的截面可承受剪切作用力的最小面积(twhw)，与非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力(F)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，当需增大框架柱的设计内力时，可采用增加框架柱截面尺寸，增设加强件等方式，如此增大了框架柱的用钢量；当需减小框架柱的设计内力时，可采用减小框架柱截面尺寸的方式，如此减小了框架柱的用钢量。
基于上述分析不难理解的是，腹板13垂直于耗能梁长度方向的截面可承受剪切作用力的最小面积，与整体剪切型偏心支撑结构的用钢量正相关。
本发明实施例提供的剪切型偏心支撑耗能梁通过在腹板13上设置通孔131，减少了腹板13可有效承载剪切作用力的高度。因此降低了腹板13垂直于耗能梁长度方向的截面可承受剪切作用力的最小面积，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，只需改变在腹板13通孔131的高度即可，不再受限于现有技术中规程规范对腹板13高度和厚度的限定。因此，即便腹板13的高度、厚度与相关技术中相同时，利用本发明实施例提供的剪切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，通过该剪切型偏心支撑耗能梁，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，由于可进一步降低剪切型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，由于通孔131的高度易于控制，便于加工，因此扩大了该剪切型偏心支撑结构用钢量可选择的范围。
此外，在本发明实施例中，通孔131至多贯通上翼缘11的底面或者下翼缘12的顶面，即通孔131不贯通腹板13的高度方向。如此保证了腹板13在上翼缘11和下翼缘12长度方向上的连续性，避免影响非耗能梁的综合性能。
综上，本发明实施例所提供的耗能梁，通过设置不贯通腹板13高度方向的通孔131来降低整体支撑结构的用钢量，在满足现有技术规程规范中对腹板13高度和厚度的限定前提下，可进一步降低偏心支撑结构的用钢量，解决了相关技术中难以降低工程造价的缺陷。并且，通孔131不贯通腹板13的高度方向还可保证耗能梁的整体稳定，避免在遭遇地震时因塑性变形导致耗能梁失效，无法起到有效保护。
其中，对于通孔131的形状不做具体限定，例如圆形、方形、矩形、椭圆形、梭形等。且对于通孔131在腹板13上的具体位置，可选地，该通孔131设置在腹板13的中部，以使腹板13的顶面与上翼缘11的底面，以及腹板13的底面与下翼缘12的顶面连续接触。如此，进一步避免通孔131影响腹板13的受剪承载力，延长腹板13塑性形变至断裂的时间，有效消耗地震能量，保护非耗能梁、支撑梁以及框架柱免受破坏。
对于通孔131的尺寸，在本发明实施例中，一方面，通孔131的高度应满足：通孔131的高度为腹板13整体高度的0.55～0.65倍，例如0.55倍、0.58倍、0.6倍、0.63倍、0.65倍等。若通孔131的高度过大，则腹板13的最小受剪高度低，此时易造成腹板13全塑性受剪承载力过低，难以充分耗散地震能量以保证其他部件的安全；若通孔131的高度过小，则腹板13的最小受剪高度高，此时，腹板13垂直于耗能梁长度方向的截面可承受剪切作用力的最小面积减少程度有限，因此难以明显减弱整体结构的用钢量。
另一方面，通孔131在腹板13长度方向上的尺寸应满足，一个通孔131位于一个第一加劲肋141一侧。换言之，通孔131应避开第一加劲肋141设置。通过第一加劲肋141起到了局部稳定作用，且与腹板13一起支撑上翼缘11和下翼缘12，因此若通孔131在长度方向上通过第一加劲肋141设置，无法削弱了第一加劲肋141的局部稳定作用。其中，在本发明实施例中，耗能梁包括有至少两个第一加劲肋141，且通孔131设置在相邻两个第一加劲肋141之间的腹板13上。且对于第一加劲肋141和通孔131的数量不做具体限定，示例地，该耗能梁包括5个第一加劲肋141，2个或者3个通孔131；或，7个第一加劲肋141，2个、3个、或者4个通孔131等。
进一步地，结合图3所示，该耗能梁还包括第二加劲肋142，该第二加劲肋142设置在耗能梁用于连接非耗能梁的端部。且，第二加劲肋142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，该第二加劲肋142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塑性变形，从而保证了耗能梁1达到预想的受力模式。可以理解的是，该第二加劲肋142应避开通孔131设置。
并且，第一加劲肋141和第二加劲肋142均与腹板13固定连接，且第一加劲肋141和第二加劲肋142与腹板13的连接处设置有倒角，以减小出现应力集中。
此外，还需说明的是，本发明实施例所提供的耗能梁为轴对称结构。具体来说，该耗能梁在其长度方向上，高度方向上，以及宽度方向上均为对称结构，如此以增加整体耗能梁的均匀性。
本发明实施例所提供的剪切型耗能梁，通过在腹板13上设置通孔131来降低整体支撑结构的用钢量，不再受限于现有技术规程规范中对腹板13高度和厚度的限定。与相关技术相比，本发明实施例提供的剪切型耗能梁可进一步降低的偏心支撑结构的用钢量，进而克服相关技术中难以降低工程造价的缺陷。且剪切型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相协调，保证施工顺利进行。
第二方面，本发明实施例提供了一种剪切型偏心支撑结构，如图3所示，该偏心支撑结构包括：耗能梁1，非耗能梁2，支撑梁3，以及，框架柱4。其中，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4与非耗能梁2未连接耗能梁1的端部连接。并且，该耗能梁1为上述第一方面所提供的耗能梁；非耗能梁2、支撑梁3以及框架柱4的设计内力与耗能梁1的全塑性受剪承载力相匹配。
可以理解的是，该剪切型偏心支撑结构因采用了第一方面所提供的耗能梁，具有用钢量低，工程造价低的优点，详见第一方面的分析，此处不再赘述。
以上所述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)

1.一种剪切型偏心支撑耗能梁，包括：上翼缘(11)，下翼缘(12)，腹板(13)，以及，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，
在所述腹板(13)上设置有通孔(131)，所述通孔(131)至多贯通至所述上翼缘(11)的底面或所述下翼缘(12)的顶面。
2.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，所述通孔(131)设置在所述腹板(13)的中部，以使所述腹板(13)的顶面与所述上翼缘(11)的底面连续接触，所述腹板(13)的底面与所述下翼缘(12)的顶面连续接触。
3.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，所述通孔(131)的高度为所述腹板(13)的高度的0.55～0.65倍。
4.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，一个所述通孔(131)位于一个所述第一加劲肋(141)的一侧。
5.根据权利要求4所述的耗能梁，其特征在于，所述耗能梁包括有至少两个所述第一加劲肋(141)，所述通孔(131)设置在相邻两个所述第一加劲肋(141)之间的所述腹板(13)上。
6.根据权利要求5所述的耗能梁，其特征在于，所述耗能梁还包括第二加劲肋(142)，所述第二加劲肋(142)设置在所述耗能梁用于与非耗能梁连接的端部上；
所述第二加劲肋(142)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。
7.根据权利要求6所述的耗能梁，其特征在于，所述第一加劲肋(141)和所述第二加劲肋(142)均与所述腹板(13)固定连接，
且所述第一加劲肋(141)和所述第二加劲肋(142)与所述腹板(13)的连接处设置有倒角。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的耗能梁，其特征在于，所述耗能梁为轴对称结构。
9.一种剪切型偏心支撑结构，包括：耗能梁(1)，非耗能梁(2)，支撑梁(3)，以及，框架柱(4)；
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(4)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中任一项所述的剪切型偏心支撑耗能梁，
所述非耗能梁(2)、所述支撑梁(3)以及所述框架柱(4)的设计内力与所述耗能梁(1)的全塑性受剪承载力相匹配。
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