CN108612186B - 含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,本发明提出的含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构主要依靠肘节型减振部分进行抗震减震。阻尼器与上弦杆形成垂直角度且与上弦杆铰接。同时阻尼器通过连接板与两根下连杆相连,下连杆连接到下弦杆的节点处,节点处均为铰接,阻尼器与节点板的连接为螺栓连接,桁架结构主体部分通过螺栓连接固结在一起。在肘节结构铰接点处添加粘弹性材料,也可以使结构在发生位移的情况下更好的减振耗能。当地震作用或风荷载消失时,下连杆与阻尼器不再发生位移,而是复位与其他构件共同形成一个桁架结构体系,共同受力。该结构即满足了桁架结构的受力要求,同时也能够增强结构体系的抗振减振效果。

Description

含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构
技术领域
本发明涉及一种含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,属于结构工程的减振控制和可装配式结构技术领域。
背景技术
近些年来,随着我国经济的快速增长,加之钢结构具有重量轻、结构形式多样化、应用范围广和环保等优点,大跨度钢结构发展迅猛。值得注意的是:大部分钢结构都处于抗震设防烈度大于6度的地区或强风频繁的地区,其动力风险较高。近年频繁发生的地震和强风破坏使人们对建筑物的抗振性能日益重视,对大跨度钢结构的抗振设计水平要求也逐渐提高。
以钢结构为主的桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。桁架结构中,各杆件受力均以单向拉、压为主,通过对上下弦杆和腹杆的合理布置,可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡,整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活,应用范围非常广。桁架梁和实腹梁相比,在抗弯方面,由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端,增大了内力臂,使得以同样的材料用量,实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面,通过合理布置腹杆,能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪,桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥,从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。更重要的意义还在于:它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态,力的分布和传递机理清晰,便于结构的变化和组合。由于杆件之间的互相支撑作用,且整体性好,抗风和抗震能力较强,所以能够承受来自多个方向的荷载。而且具有结构简单,运输方便等优点,其应用于各个工程领域。
传统型的桁架结构应用十分广泛,但其存在一些明显的缺点,例如:安装不方便、减震效率低、阻尼器的连接条件导致不能多维减震以及不适应结构快速装配化的需求等。而且其抗振性能通常仅依靠其自身结构形式和力学能力来实现,一般并未采取其他特殊的减振措施。对于大型桁架结构,如果不采取有效的减振设计方案或增设减振装置,其在大震或强风下可能发生较严重的破坏。因此,在保证桁架刚度、强度等特性满足条件的情况下采取一定的耗能减振措施来降低地震作用的危害是十分必要的。
发明内容
为了提高桁架结构在地震作用或高强风荷载作用下的抗振及减振效果,本发明提出的含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构主要依靠肘节型减振部分包括阻尼器、下连杆以及连接板等构件进行抗震减震,其中阻尼器优先选择粘滞阻尼器或粘弹性阻尼器等。阻尼器与上弦杆形成垂直角度且与上弦杆铰接,这样可以使阻尼器在发生竖直方向振动的时候能发生耗能减振的作用。同时阻尼器通过连接板与两根下连杆相连,下连杆连接到下弦杆的节点处,节点处均为铰接,阻尼器与节点板的连接为固接此处为螺栓连接,内部结构形成一个肘节式结构,桁架结构主体部分通过螺栓连接固结在一起。在地震及风等动力作用下,上下弦杆的振动带动下连杆和阻尼器的振动,同时,两根下连根与阻尼器形成一个肘节式结构,当下弦杆振动带动下连杆发生位移时,可带动阻尼器发生位移。两根下连杆的位移对阻尼器的位移起到一个放大的作用,能够更充分地耗能减振。为了考虑水平向的地震,在桁架边跨与支座处设置一个旋转45°方向的肘节式耗能体系,两根下连根分别与上弦杆铰接,通过连接板与支座铰接,阻尼器端部与第一跨内侧下部连接点处铰接。这样,在动力激励下时可以起到对水平向振动的耗能减振效果。同时,两根下连杆的连接方式也能够对阻尼器的位移起到一个放大的作用。在肘节结构铰接点处添加粘弹性材料,也可以使结构在发生位移的情况下更好的减振耗能。当地震或风荷载消失时,下连杆与阻尼器不再发生位移,而是复位与其他构件共同形成一个桁架结构体系,共同受力。该结构即满足了桁架结构的受力要求,同时也能够增强结构体系的抗震减震效果。
该结构肘节式部分可预制加工并在现场快速拼装,占用空间较小,其余结构可在工厂预制,在正常工作状态中,能满足钢结构承载力和延性的设计要求,同时也能满足桁架结构的刚度和强度。该耗能结构加入了阻尼器,在地震及强风荷载作用下,结构变为一个相对柔性的结构,通过阻尼器进行充分耗能,从而减小结构多维动力响应。下连杆装置为结构提供抗侧刚度的同时,会通过放大水平和竖向位移进行阻尼器充分耗能。含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构耗能机理明确,在地震动作用下具有较强的耗能能力,能够减轻桁架的主体损伤和破坏,且在震后或损伤后易于置换。
为实现上述目的,本发明采取了如下技术方案:
含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,包括下连杆1、连接板2、阻尼器3、销栓4、螺栓5、粘弹性材料6、支座7、耳板8、上弦杆9、下弦杆10、斜腹杆11和竖腹杆12。对于中间跨部分,下连杆1与下弦杆10通过第一组销栓4进行铰接连接;下连杆1与阻尼器3通过连接板2使用第二组销栓4进行铰接。阻尼器3与连接板2之间通过螺栓5连接,形成固接,阻尼器3与上弦杆9通过第三组销栓4进行铰接。下连杆1与阻尼器3形成肘节型机构,在发生振动的情况下,下弦杆10或上弦杆9的变形带动下连杆1发生竖向位移,而下连杆1的位移被肘节型结构放大,致使阻尼器3的位移比所有连接均为固接的情况更大,因此耗能更加充分,减振效果更佳。对于边跨部分,下连杆1与上弦杆9端点处通过第四组销栓4连接,形成铰接,下连杆1与支座7通过耳板8使用第五组销栓4连接,形成铰接。肘节结构中,下连杆1与连接板2通过第六组销栓4连接,形成铰接。阻尼器3与连接板2通过螺栓5进行连接,形成固接。阻尼器3与边跨下连杆内侧节点通过第七组销栓4连接,形成铰接。下连杆1与阻尼器3形成肘节型机构,在结构整体发生水平、竖向振动的情况下,支座7、上弦杆9以及下弦杆10的变形带动下连杆1发生水平、竖向位移,而下连杆1的位移被肘节型结构放大,致使阻尼器3的位移比所有连接均为固接的情况更大,因此耗能更加充分,减振效果更佳。竖腹杆12焊接在上弦杆9和下弦杆10之间,斜腹杆11沿斜向焊接在竖腹杆12与上弦杆9,以及竖腹杆12与下弦杆10之间。
为防止结构在稳定情况下粘滞阻尼器3与上弦杆9的连接发生错动从而使得上弦杆9受到应力集中,在结构中将粘滞阻尼器3与上弦杆9通过螺栓5起来,形成固结点。这样也能够保证粘滞阻尼器3与上弦杆9始终能够保持垂直,使得耗能装置能够在水平和竖向的振动中均能发挥较好的作用。
为了保证在结构发生振动的情况下阻尼装置能够更好的发挥作用,将下连杆1与下弦杆节点处通过销栓4进行连接,形成一个铰接结构,使得下连杆1在振动的情况下发生转动,从而带动粘滞阻尼器3发生位移作用。
为了保证桁架结构体系的刚度要求,将桁架结构主体通过螺栓5进行连接,形成固结,增大结构刚度。根据工程需要,可将肘节式耗能型结构体系采取隔跨安装或者隔两跨安装,但肘节式结构最好在跨中位置进行设置,因为跨中位置竖向位移相对较大,能更好的发挥肘节式结构耗能减震的作用,在满足结构刚度要求的情况下可大大提高桁架结构的抗震减震效果。
为了保证桁架结构体系在振动情况下能够有效的在多维方向上减震耗能,采取粘滞性阻尼器或摩擦性阻尼器,这些阻尼器对位移较为敏感,在肘节机构的位移放大作用下,能够更好地耗能减震,保证结构整体的安全性和稳定性。
为了保证桁架结构能够有足够的刚度、强度和稳定性,阻尼器外部结构应采取刚度、强度均较高的金属材料,在结构处于正常使用状态下,阻尼器可以作为一个受力构件为结构提供支撑。
下连杆1、连接板2、阻尼器3三者连接组成肘节式耗能装置,为了保证肘节式耗能装置受力分配较为均匀,同时也为了保证整体结构的稳定性,阻尼器3的长度与下连杆1在阻尼器3竖向上的投影长度之比处于1/5~1/2之间,阻尼器长度不能过长或者过短。
为了保证肘节式耗能装置受力分配较为均匀,同时也为了保证整体结构的稳定性,下连杆1与竖腹杆11之间的夹角保持在30°~60°之间时结构受力性能最好,也更加稳定。
为了保证桁架结构整体的刚度和稳定性,肘节式耗能装置应根据工程抗震要求选取相适应的布置方法,可采取在跨中布置的同时隔跨或隔两跨对称布置。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
1)对于本发明的含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,下连杆通过铰接的方式与粘滞阻尼器和下弦杆相连,当振动时,两根下弦杆发生变形,从而带动阻尼器的运动,并且两根下弦杆的变形可可被肘节式结构放大,因此也能更好的发挥阻尼器的效果。
2)本发明的含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构装配化程度较高,方便安装和更换,当振动作用较强造成结构某一部分发生破坏时,可以对此部分及时进行更换,不影响整体结构的完整性及性能。
附图说明
图1为本发明可预制肘节式耗能型桁架结构一示意图。
图2为本发明可预制肘节式耗能型桁架结构二示意图。
图3为本发明可预制肘节式耗能型桁架结构肘节式耗能装置示意图详图。
图4为本发明可预制肘节式耗能型桁架结构肘节式构件示意图。
图5为本发明可预制肘节式耗能型桁架结构连接板示意图。
图6为本发明可预制肘节式耗能型桁架结构中粘滞阻尼器结构构造示意图。
其中1-下连杆、2-连接板、3-阻尼器、4-销栓、5-螺栓、6-粘弹性材料、7-支座、8-耳板、9-上弦杆、10-下弦杆、11-斜腹杆、12-竖腹杆、13-活塞杆、14-活塞、15-头部和封口、16-末端马蹄铁、17-外壁、18-油腔、19-油孔、20-头部和封口。
具体实施方式
实施例一:
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示,可预制肘节式耗能型桁架包括:下连杆1、连接板2、阻尼器3、销栓4、螺栓5、粘弹性材料6、支座7、耳板8、上弦杆9、下弦杆10、斜腹杆11、竖腹杆12。
以一片平面桁架为例,该桁架取9跨,每跨上弦杆长1.5米,下弦杆长1.5米,竖腹杆长1米,其中将竖向肘节式耗能型桁架设置在第3、5、7跨,水平向肘节式耗能结构设置在两边跨设置方式与竖向肘节式结构相同,只不过连接点不同,取其第三跨,肘节式耗能型桁架结构各部位尺寸及设置方式如下:
1)肘节式耗能型装置包括下连杆、耳板、连接板选用钢材为Q235,首先通过螺栓连接的方法将粘滞阻尼器固接在上弦杆处,然后通过销栓将下连杆与连接板连接,通过螺栓连接将阻尼器与连接板连接,组装成一个肘节机构,在该肘节机构中,下连杆与下弦杆之间角度选取为45度,阻尼器长度与下弦杆在竖向上投影长度之比为1:2,即阻尼器长0.33m,下弦杆长0.95m。下连杆的作用是与下连杆节点处相连,为结构整体提供刚度,同时对粘滞阻尼器的位移起到放大的作用。粘滞阻尼器的作用为在结构处于振动情况下通过粘滞阻尼器的运动从而达到耗能减震的效果。
2)在肘节式耗能型结构中,下连杆尺寸取宽为8cm,长为95cm,连接板尺寸取长10cm,宽3cm,高为10cm,节点板尺寸取长、宽均为4cm。
3)在本示例中,选取输出阻尼力F=100kN,阻尼系数C=200kN·(s/m)0.3速度V=0.1m/s的粘滞阻尼器。
4)上述的肘节式耗能型装置中的下连杆、耳板、连接杆、粘滞阻尼器可通过在预制场预制拼装好之后直接运往现场安装,同时也可在预制场直接将肘节式耗能结构与桁架拼装在一起之后再运往现场,在指定位置进行安装,既节省施工时间,也会降低施工成本。
5)经试验检测,含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构的减震率较传统桁架结构提高了12.3%-22.65%,有较明显的提升。
以上为本发明的一个典型实施例,但本发明的实施不限于此。

Claims (6)

1.含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,其特征在于:包括下连杆(1)、连接板(2)、阻尼器(3)、销栓(4)、螺栓(5)、粘弹性材料(6)、支座(7)、耳板(8)、上弦杆(9)、下弦杆(10)、斜腹杆(11)和竖腹杆(12);对于中间跨部分,下连杆(1)与下弦杆(10)通过第一组销栓(4)进行铰接连接,下连杆(1)与阻尼器(3)通过连接板(2)使用第二组销栓(4)进行铰接,阻尼器(3)与连接板(2)之间通过螺栓(5)连接,形成固接,下连杆(1)、连接板(2)、阻尼器(3)三者连接组成肘节式耗能装置,阻尼器(3)与上弦杆(9)通过第三组螺栓(4)进行铰接;对于边跨部分,下连杆(1)与上弦杆(9)端点处通过第三组销栓(4)连接,形成铰接,下连杆(1)与支座(7)通过耳板(8)使用第四组销栓(4)连接,形成铰接;肘节结构中,下连杆(1)与连接板(2)通过第五组销栓(4)连接,形成铰接;阻尼器(3)与连接板(2)通过螺栓(5)进行连接,形成固接;阻尼器(3)与边跨下连杆内侧节点通过第六组销栓(4)连接,形成铰接;下连杆(1)与阻尼器(3)形成肘节型机构;
竖腹杆(12)焊接在上弦杆(9)和下弦杆(10)之间,斜腹杆(11)沿斜向焊接在竖腹杆(12)与上弦杆(9),以及竖腹杆(12)与下弦杆(10)之间。
2.根据权利要求1所述的含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,其特征在于:将桁架结构主体通过螺栓(5)进行连接,且将肘节式耗能型结构体系采取隔跨安装或者隔两跨安装,但肘节式结构在跨中位置进行设置。
3.根据权利要求1所述的含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,其特征在于:采取粘滞性阻尼器或摩擦性阻尼器。
4.根据权利要求1所述的含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,其特征在于:阻尼器(3)的长度与下连杆(1)在阻尼器(3)竖向上的投影长度之比处于1/5~1/2之间。
5.根据权利要求1所述的含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,其特征在于:下连杆(1)与竖腹杆(12)之间的夹角保持在30°~60°之间。
6.根据权利要求3所述的含肘节型多维减振杆件的可装配式桁架结构,其特征在于:肘节式耗能装置宜采取在跨中布置的同时隔跨或隔两跨对称布置。
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