CN108716247A - 一种装配式双梁自复位抗震钢框架 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种装配式双梁自复位抗震钢框架，包括至少一个结构单元，结构单元包括两个框架柱、上下相邻设置的上工字钢梁和下工字钢梁、设置在框架柱上的上销轴装置和下销轴装置，上工字钢梁的两端分别通过上销轴装置与框架柱连接，下工字钢梁的两端分别通过下销轴装置与下框架柱连接，上工字钢梁和下工字钢梁之间设置有间隙并在两端通过端部限位装置连接为一体，两端的端部限位装置之间锚固有预拉杆，上工字钢梁和下工字钢梁两端分别设置有腹板加强板。本发明可以有效避免端板倾斜、长度误差等问题对自复位双梁强度和刚度产生的影响。将本发明应用到钢框架后可以使结构在地震下实现自复位，而且可实现楼板免损，有效避免震后产生的经济损失。

Description

一种装配式双梁自复位抗震钢框架
技术领域
本发明属于土木工程领域，涉及一种在地震作用下可以实现摩擦耗能的装配式双梁自复位抗震钢框架。
背景技术
自复位钢框架结构是一种通过张拉预拉杆为结构提供自复位力的新型结构形式，在结构受到地震作用后可以有效减小结构的残余变形。在多遇地震作用下，自复位钢框架结构梁柱节点间隙不张开，类似于抗弯框架，其结构构件保持为弹性；在中震或大震作用下，自复位钢框架结构通过梁柱节点顶底张开间隙，使安装在节点位置的耗能构件来消耗地震能量，以减轻甚至避免主体结构损伤，地震作用后依靠预拉杆使间隙闭合实现自复位的功能。通过对耗能构件尺寸、预拉杆数量和初张力、梁柱构件尺寸的调整，可使自复位钢框架结构在侧向荷载作用下的刚度、承载力、延性和滞回性能发生改变，这种特殊性能可以方便工程师在结构设计时进行不同部位结构刚度匹配的调整。然而传统的自复位钢框架结构的柱距会随着梁柱节点的张开而增大，必须采用复杂的楼板布置形式以避免柱距增大时楼板受拉开裂。此外，传统的自复位钢框架结构通常需要在施工现场进行预拉杆的张拉和构件焊接，不利于保证施工质量且施工难度较大，这都限制了自复位框架在实际工程中的应用，而目前提出的双梁自复位钢框架虽然能解决上述问题，但是普遍存在长度误差、端板易倾斜等问题，这严重影响了自复位双梁的初始刚度和自复位耗能能力。
发明内容
技术问题：本发明提供一种可以解决自复位双梁长度误差、端板易倾斜等问题的装配式双梁自复位抗震钢框架。
技术方案：本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架，包括至少一个结构单元，所述结构单元包括两个框架柱、上下相邻设置的上工字钢梁和下工字钢梁、设置在所述框架柱上的上销轴装置和下销轴装置，所述上工字钢梁的两端分别通过上销轴装置与框架柱连接，所述下工字钢梁的两端分别通过下销轴装置与下框架柱连接，上工字钢梁和下工字钢梁之间设置有间隙并在两端通过端部限位装置连接为一体，两端的端部限位装置之间锚固有预拉杆，上工字钢梁和下工字钢梁两端分别设置有腹板加强板。
进一步的，本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架中，端部限位装置包括一块预留有预应力筋孔的端板、与端板连接的四块预留有螺栓孔的摩擦板，预拉杆通过预应力筋孔锚固在端板上，四块摩擦板分为上下两组，每组两个相对设置的摩擦板，上工字钢梁的腹板插入上面一组摩擦板之间并通过高强螺栓与之连接，下工字钢梁插入下面一组摩擦板之间并通过高强螺栓与之连接。
进一步的，本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架中，摩擦板与上工字钢梁的腹板加强板间，以及与和下工字钢梁的腹板加强板间均设置有摩擦材料。
进一步的，本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架中，上工字钢梁的腹板和下工字钢梁的腹板分别在与摩擦板组装的位置设置有上工字钢梁预留滑槽和下工字钢梁预留滑槽。
进一步的，本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架中，上销轴装置包括与上工字钢梁端部焊接的梁端转接板、连接在所述梁端转接板上的主板、与框架柱焊接的柱翼缘转接板、连接在所述柱翼缘转接板上的两块耳板，主板插入两块耳板之间并用销轴安装为一体，所述下销轴装置与上销轴装置构造相同。
进一步的，本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架中，预拉杆分为上下两组，分别设置于上工字钢梁和下工字钢梁的腹板位置。
进一步的，本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架中，该结构包括在竖直方向上依次连接并共用一个框架柱的多个结构单元。
进一步的，本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架中，该结构包括在水平方向上依次连接的多个结构单元，两相邻结构单元共用一根框架柱。
本发明的优选方案中，结构单元包括两个框架柱和两个工字钢梁，两工字钢梁通过端部限位装置形成组合双梁，并分别采用销轴与框架柱连接。端部限位装置通过对预拉杆张拉预应力使其紧压在双梁端部，并采用预紧高强螺栓与上下梁连接。本发明可以有效避免端板倾斜、长度误差等问题对自复位双梁强度和刚度产生的影响。将本发明应用到钢框架后可以使结构在地震下不仅实现自复位，而且可实现楼板免损，有效避免震后产生的经济损失。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明采用端部限位装置可以有效增大双梁的等效抗弯刚度。有研究表明在基于双推杆原理工作的构件中长度误差会使构件的初始刚度显著降低，由于两个推杆间在加工中存在长度误差，预拉杆在张拉后通过端板传递的预应力仅作用在某一个推杆上而不能使双推杆成为有效整体，本发明中的端板受预应力的作用后可以产生一定转动，从而使端板与上下梁同时保持紧压状态。
(2)本发明采用高强螺栓将端部限位装置与双梁在其腹板位置组装在一起，不仅节省了梁高，同时便于施加螺栓预紧力，也可以确保端板产生的推覆力直接作用在梁截面上。摩擦板位于钢梁腹板位置，双梁并不会因为引入了摩擦耗能装置增加不必要的梁高。摩擦耗能能力的大小取决于螺栓预紧力的大小，在施工中可以通过扭力扳手和套头转动位于腹板位置的高强螺栓，来实现螺栓预紧力的改变。地震作用下自复位框架的启动力被超过后，紧压在双梁端部的端板被双梁推开，使端板与上下梁分别在两端产生相对平动。端板此时因偏压受力产生倾斜的趋势，但由于摩擦板在梁腹板滑槽位置通过高强螺栓与双梁组装在一起，该横向滑槽限制了摩擦板的竖向位移，避免了端板倾斜使间隙值出现减小，从而有效保证了预拉杆伸长和摩擦滑动耗能。
(3)本发明的自复位钢框架结构在地震作用下可实现楼板免损。对于传统的自复位钢框架结构，梁柱节点通过在地震作用下梁顶底张开产生间隙，使位于节点位置处的耗能构件产生耗能，但产生的间隙使柱距增大，需要采用复杂的楼板布置形式避免楼板受拉开裂。而本发明通过上下梁在地震作用下的相互平行错动在端部产生间隙，从而避免了楼板因柱距增大被拉裂。
(4)本发明能够有效地减小甚至避免地震作用时主体结构的损伤。对于抗弯框架通过部分构件的提前屈服和破坏，依靠构件的塑性变形来耗散大部分的地震能量，而像梁、柱等结构构件的损坏常常难以修复，更易引起结构的倒塌。本发明中的上下梁与框架柱均采用销轴连接，能够有效的避免结构在地震作用下产生塑性铰。双梁在地震作用下的相互平行错动会引起摩擦板与梁腹板摩擦耗能，这样不仅构造简单、耗能成本较低，而且实现了损伤可控，当施加在预拉杆中的预张力克服滑动摩擦力后结构便能实现完全自复位，而不用考虑主体结构塑性变形的影响。此外，自复位框架再次经历地震时摩擦材料一般不需要更换，便能实现与经历第一次地震时相近的摩擦耗能能力。
(5)本发明可实现自复位钢架在工厂进行预制和预应力张拉，在现场施工时仅需要对各结构构件组装，非常适合工业化的生产和制造。不仅可以保证各构件的加工质量和预应力张拉质量，也可以加快施工进度。由于其加工工艺与传统的自复位框架类似，厂家无需作较大的调整便能进行工业化生产，从而降低了制造的难度和成本，具有较高的价格竞争力。
附图说明
图1为本发明装置的三维示意图；
图2为本发明装置的正视图；
图3为图2的A-A剖面图；
图4(a)和图4(b)分别为图2中上销轴装置的正视图和俯视图；
图5为图2中摩擦材料的正视图；
图6为图2中上工字钢梁平面图；
图7为图2中下工字钢梁平面图；
图8为图2中端部限位装置的正视图和剖面图；
图9为本发明装置向左位移时的工作示意图一；
图10为本发明装置向右位移时的工作示意图二；
图11为本发明装置在地震下滞回机理；
图12为本发明装置预应力施加后初始缝隙因端部限位装置微小转动产生闭合。
图13为本发明装置受侧向力后的自复位梁的上下组件相对滑移前后对比；
图中有：框架柱1、上工字钢梁2、上工字钢梁预留滑槽21、下工字钢梁3、下工字钢梁预留滑槽31、上销轴装置4、下销轴装置5、端部限位装置6、端板61、摩擦板62、螺栓孔63、焊缝64、预应力筋孔65、预拉杆7、端部腹板加强板8、摩擦材料9。
具体实施方式
如图1～图13所示，本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架包括至少一个结构单元，所述结构单元包括两个框架柱1、上下相邻设置的上工字钢梁2和下工字钢梁3、设置在所述框架柱1上的上销轴装置4和下销轴装置5，所述上工字钢梁2的两端分别通过上销轴装置4与框架柱1连接，所述下工字钢梁3的两端分别通过下销轴装置 5与下框架柱1连接，上工字钢梁2和下工字钢梁3之间设置有间隙并在两端通过端部限位装置6连接为一体，两端的端部限位装置6之间锚固有预拉杆7，上工字钢梁 2和下工字钢梁3两端分别设置有腹板加强板8。端部限位装置6并不与双梁进行任何焊接。
端部限位装置6包括一块预留有预应力筋孔65的端板61、与端板61连接的四块预留有螺栓孔63的摩擦板62，预拉杆7通过预应力筋孔65锚固在端板61上，四块摩擦板62分为上下两组，每组两个相对设置的摩擦板62，上工字钢梁2的腹板插入上面一组摩擦板62中之间并采用高强螺栓通过穿过螺栓孔63和横向滑槽21高强螺栓与上面一组摩擦板62连接，下工字钢梁3插入下面一组摩擦板62中之间并采用高强螺栓穿过通过螺栓孔63和横向滑槽31与下面一组摩擦板62连接和高强螺栓连接。框架的耗能能力主要取决于高强螺栓预紧力的大小。
摩擦板62与上工字钢梁2的腹板加强板8间，以及与和下工字钢梁3的腹板加强板8间均设置有摩擦材料9。摩擦材料9预留螺栓孔，目前常用的摩擦材料有黄铜片等。上销轴装置4包括与上工字钢梁2端部焊接的梁端转接板45、连接在所述梁端转接板45上的主板42、与框架柱1焊接的柱翼缘转接板44、连接在所述柱翼缘转接板44上的两块耳板43，主板42插入两块耳板43之间并用销轴41安装为一体，所述下销轴装置5与上销轴装置4构造相同。上工字钢梁2的腹板和下工字钢梁3的腹板分别在与摩擦板62组装的位置有上工字钢梁预留滑槽21和下工字钢梁预留滑槽31。在初始预应力和摩擦力被超过后，该横向滑槽并不影响摩擦板的横向滑动，因此端部限位装置可以与双梁出现水平错动，但横向滑槽限制了摩擦板的竖向位移，避免了因端板倾斜使端部间隙值出现减小，从而有效保证预拉杆伸长和摩擦滑动耗能。
预拉杆7分为上下两组，分别设置于上工字钢梁2和下工字钢梁3的腹板位置。框架的自复位能力主要取决于预拉杆初始预应力的大小。本发明的装配式双梁自复位抗震钢框架的工作原理如图9～图13所示：由于存在高度差，在地震作用下框架柱1 在上销轴装置4和下销轴装置5高度处的侧向位移大小不同，使得与上销轴装置4连接的上工字钢梁2和与下销轴装置5连接的下工字钢梁3之间产生相对水平运动。如图9所示，当结构向右侧移时，左侧端板和右侧端板分别在下工字钢梁3和上工字钢梁2的推动下向两侧移动，从而产生间隙。如图10所示，当结构向左侧移时，左侧端板和右侧端板分别在上工字钢梁2和下工字钢梁3的推动下向两侧移动，从而产生间隙。由此保证结构在地震作用下，端部限位装置6中的摩擦板62始终与钢梁腹板加强板8产生滑动耗能。摩擦材料9夹在摩擦板与钢梁腹板加强板8之间，在端部间隙张开后与摩擦板62一起平动，摩擦材料9的使用可以在滑动过程中实现稳定的摩擦滞回耗能。此外，两侧端板61被双梁顶开后预拉杆7始终受拉伸长，地震作用结束后预拉杆7内的预应力克服摩擦板62与钢梁腹板加强板8间产生的滑动摩擦力，实现了框架在地震作用下往复变形后的自复位功能。无论是向左侧移还是向右侧移，柱距始终未发生改变，因此避免了楼板的拉裂。

Claims (8)

1.一种装配式双梁自复位抗震钢框架，其特征在于，该结构包括至少一个结构单元，所述结构单元包括两个框架柱(1)、上下相邻设置的上工字钢梁(2)和下工字钢梁(3)、设置在所述框架柱(1)上的上销轴装置(4)和下销轴装置(5)，所述上工字钢梁(2)的两端分别通过上销轴装置(4)与框架柱(1)连接，所述下工字钢梁(3)的两端分别通过下销轴装置(5)与下框架柱(1)连接，上工字钢梁(2)和下工字钢梁(3)之间设置有间隙并在两端通过端部限位装置(6)连接为一体，两端的端部限位装置(6)之间锚固有预拉杆(7)，上工字钢梁(2)和下工字钢梁(3)两端分别设置有腹板加强板(8)。
2.根据权利要求1所述的装配式双梁自复位抗震钢框架，其特征在于，所述端部限位装置(6)包括一块预留有预应力筋孔(65)的端板(61)、与端板(61)连接的四块预留有螺栓孔(63)的摩擦板(62)，预拉杆(7)通过预应力筋孔(65)锚固在端板(61)上，四块摩擦板(62)分为上下两组，每组两个相对设置的摩擦板(62)，上工字钢梁(2)的腹板插入上面一组摩擦板(62)之间并通过高强螺栓与之连接，下工字钢梁(3)插入下面一组摩擦板(62)之间并通过高强螺栓与之连接。
3.根据权利要求2所述的装配式双梁自复位抗震钢框架，其特征在于，所述摩擦板(62)与上工字钢梁(2)的腹板加强板(8)间，以及与和下工字钢梁(3)的腹板加强板(8)间均设置有摩擦材料(9)。
4.根据权利要求2所述的装配式双梁自复位抗震钢框架，其特征在于，所述上工字钢梁(2)的腹板和下工字钢梁(3)的腹板分别在与摩擦板(62)组装的位置设置有上工字钢梁预留滑槽(21)和下工字钢梁预留滑槽(31)。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的装配式双梁自复位抗震钢框架，其特征在于，所述上销轴装置(4)包括与上工字钢梁(2)端部焊接的梁端转接板(45)、连接在所述梁端转接板(45)上的主板(42)、与框架柱(1)焊接的柱翼缘转接板(44)、连接在所述柱翼缘转接板(44)上的两块耳板(43)，主板(42)插入两块耳板(43)之间并用销轴(41)安装为一体，所述下销轴装置(5)与上销轴装置(4)构造相同。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的装配式双梁自复位抗震钢框架，其特征在于，所述预拉杆(7)分为上下两组，分别设置于上工字钢梁(2)和下工字钢梁(3)的腹板位置。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的装配式双梁自复位抗震钢框架，其特征在于，该结构包括在竖直方向上依次连接并共用一个框架柱(1)的多个结构单元。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的装配式双梁自复位抗震钢框架，其特征在于，该结构包括在水平方向上依次连接的多个结构单元，两相邻结构单元共用一根框架柱(1)。
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