CN110805128A - 一种新型钢结构半刚性框架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型钢结构半刚性框架，包括半刚性框架，所述的半刚性框架包括固定连接的框架柱(1)和框架梁(2)，所述的半刚性框架柱区域各设置一条液压支撑杆(3)，所述的液压支撑杆(3)与框架柱(1)和框架梁(2)均成45°夹角，所述的框架柱(1)和框架梁(2)为工字型钢，所述的框架梁(2)的两端通过角钢配合螺栓固定在所述框架柱(1)上，所述的液压支撑杆(3)通过小铰链(4)配合销钉(8)固定所述的框架柱(1)和框架梁(2)上，本发明能够改善框架结构的性能，提供足够的抗震性能。

Description

一种新型钢结构半刚性框架

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，尤其涉及一种建筑抗震技术，具体是指一种新型钢结构半刚性框架。

背景技术

随着我国经济的发展，钢结构在我国的工民建筑中得以迅速的发展起来。其中，半刚性节点兼有刚性和铰接节点的优点，既能承受剪力又能传递部分弯矩，并且承载性能好，构造简单，质量比较容易得到保证和控制。相对于铰接节点，半刚性节点还可以降低梁跨中弯矩，提高结构的侧向刚度，多次地震灾害表明，半刚性连接具有良好的抗震性能。半刚性连接钢框架因具有较强的变形能力和耗能能力，较低的结构脆性破坏潜力，大大降低了震害，且连接简单方便，安装速度快，造价相时较低而在建筑市场得到迅速发展。钢结构以其卓越的性能，已经被广泛地应用于大跨空间结构、高层商业建筑、轻型工业厂房等结构。

但是，钢结构的广泛应用也使半刚性连接的钢框架体系面临一些问题，当钢框架需要足够的抗震性能时，由于结构刚度较低和螺栓连接中的能量耗散不足而导致的过度变形仍然是人们关注的问题。因此，在梁柱区域进行设计修改，以保持结构强度并提高耗能能力是至关重要的。

本发明的目的是在梁柱区域提供一种设计修改，即将半刚性框架与液压支撑杆结合在梁柱节点转角区域，以改善框架结构的性能，改变传统半刚性钢框架较低的结构刚度和螺栓连接中能量耗散不足导致的过度变形的问题，提供足够的抗震性能。

目前，应用于梁柱区域的阻尼器多为金属阻尼器，但大陆对该类型阻尼器的研发仍然欠缺，应用更是较少。况且该类型阻尼器普遍加工成本较高，设计和施工规程不够完善。已研发的金属阻尼器不够规范化，部分阻尼器还存在能量耗散能力有限且施工条件受制约的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种新型钢结构半刚性框架以改善框架结构的性能，改变传统半刚性钢框架较低的结构刚度和螺栓连接中能量耗散不足导致的过度变形的问题，提供足够的抗震性能。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种新型钢结构半刚性框架，包括半刚性框架，所述的半刚性框架包括固定连接的框架柱和框架梁，所述的半刚性框架柱区域各设置一条液压支撑杆，所述的液压支撑杆与框架柱和框架梁均成45°夹角。

作为优选，所述的框架柱和框架梁为工字型钢。

作为优选，所述的框架梁的两端通过角钢配合螺栓固定在所述框架柱上。

作为优选，所述的液压支撑杆通过小铰链配合销钉固定所述的框架柱和框架梁上。

作为优选，所述的液压支撑杆进行选取时，将其等效为链杆，通过计算链杆内里来选取液压支撑杆。

作为优选，所述的钢结构半刚性框架的液压支撑杆的承载力F的计算公式为：

式中：l为梁长度，h为柱高度，E₁是梁柱的弹性模量，E₂＝2.06×10¹¹为液压支撑杆的弹性模量，I₁、I₂分别是梁和柱的惯性矩，P是水平地震力，A为液压支撑杆的截面面积。

采用以上方案后，首先，梁柱区域的液压杆在地震过程中可以通过压缩或伸长来消耗地震能量，达到减震耗能的目的；其次，将液压支撑杆与传统半刚性钢框架相结合，半刚性钢框架承担荷载与倾覆弯矩的同时，具有较强的变形能力和耗能能力，液压支撑杆的存在进一步提升该框架的耗能能力，而且，液压支撑杆还具有一定的承载力，缓解了半刚性框架结构强度上的不足；最后，本发明在施工方面简单快捷，只需选取合适的液压支撑杆通过连接件与框架连接即可，如有损坏还可进行替换更新。本发明可广泛应用于半刚性钢框架梁柱区域。

附图说明

图1为本发明一种新型钢结构半刚性框架的整体结构示意图；

图2为图1中液压支撑杆固定用小铰链结构示意图；

图3为图1中液压支撑杆固定用螺柱结构示意图；

图4为图1中地震时受力简图；

图5为液压支撑杆承载力与位移曲线；

图中所示：

1、框架柱，2、框架梁，3、液压支撑杆，4、小铰链，5、销钉。

具体实施方式

为能清楚说明本发明方案的技术特点，下面结合附图，并通过具体实施方式，对本方案进一步阐述。

如图1至图3中所示，一种新型钢结构半刚性框架，包括半刚性框架，所述的半刚性框架包括固定连接的框架柱1和框架梁2，所述的半刚性框架柱区域各设置一条液压支撑杆3，所述的液压支撑杆3与框架柱1和框架梁2均成45°夹角。

在本实施例中，所述的框架柱1和框架梁2为工字型钢，所述的框架梁2的两端通过角钢配合螺栓固定在所述框架柱1上，所述的液压支撑杆3通过小铰链4配合销钉8固定所述的框架柱1和框架梁2上。

如图4和图5中所示，所述的液压支撑杆3进行选取时，将其等效为链杆，通过计算链杆内里来选取液压支撑杆3，所述的钢结构半刚性框架的液压支撑杆3的承载力F的计算公式为：

式中：l为梁长度，h为柱高度，E₁是梁柱的弹性模量，E₂＝2.06×10¹¹为液压支撑杆的弹性模量，I₁、I₂分别是梁和柱的惯性矩，P是水平地震力，A为液压支撑杆的截面面积。

液压支撑杆3是依据杆件在抗震过程中承担的荷载等因素进行选取的，在设计中可先计算出每根液压杆承担的内力等，之后可根据计算结果选取合适的杆件应用于结构体系中。在杆件计算中可将半刚性钢框架-液压支撑杆等效为半刚性钢框架-链杆，具体选取及计算过程如下：

(1)选材

由于国内高层钢结构、体育场馆、钢结构连廊、劲性结构、火力发电厂主体结构和刚性梁等等一般采用Q345钢且综合力学性能良好，性价比远远高于Q235钢，所以建议选用Q345钢。其弹性模量与容许应力按规范规定取值：

E₂＝2.06×10¹¹Pa

[σ]＝230N/mm²

(2)液压支撑杆承载力的计算

定义液压杆的承载力为F，液压支撑杆等效为链杆，则整个钢框架等效为作用有水平地震力P的超静定体系，如图4：将其等效为正对称与反对称两部分，正对称是链杆内力为零；做出反对称体系弯矩图，由图乘法计算得：

由力法可知:

通过求解可知：

式中：l为梁长度，h为柱高度，E₁是梁柱的弹性模量，E₂＝2.06×10¹¹为液压支撑杆的弹性模量，I₁、I₂分别是梁和柱的惯性矩，P是水平地震力，A为液压支撑杆的截面面积，由下面(3)中可知：

根据计算，液压支撑杆所应承担的最大内力为：

(3)液压支撑杆容许压应力选定，截面积、临界压力、临界长度与弹性系数的计算

由(2)中液压支撑杆承载力的计算，我们所选用的液压支撑杆的临界压力：

F_cr＝nF

式中：F_cr为液压支撑杆的临界压力，n为液压支撑杆的稳定安全系数，规范规定n取值为3～5，这里我们取n＝4。

考虑到安全因素，我们在选取液压支撑杆截面积时，可利用公式

F＝A[σ]

来确定，式中：A为液压支撑杆截面积，[σ]为液压支撑杆的容许压应力。液压支撑杆的截面积A可利用液压支撑杆的内力公式与上式相结合求得，即：

整理得：

将上述表达式带回到液压支撑杆内力表达式整理得：

临界压力为：

由公式：

整理得：

带入A得液压支撑杆的临界长度为：

式中：l为液压支撑杆的临界长度，I₃为液压支撑杆的惯性矩。

此时液压支撑杆的位移为Δ，

则液压支撑杆的弹性系数为：

即图5中的斜率。

(4)框架极限侧移

半刚性框架顶点侧移应满足GB 50017——2003《钢结构设计规范》中顶点侧移限值，即H/500～H/400(H为层高)，框架柱侧向刚度D为：

式中：i₁为框架梁的线刚度，i_c为框架柱的线刚度，h为框架柱高度。框架顶点实际侧移为：

式中：∑H_i为产生层间侧移Δu_i的所计算第i楼层及以上各层的水平力之和；∑D_i为第i层所有柱的抗侧移刚度之和。框架顶点侧移Δu_i应小于侧移限值，即H/500～H/400(H为层高)，设此时液压支撑杆的伸缩量为U，对应的内力为X，所处位置如图5所示。

液压支撑杆制造厂商可以根据我们以上计算内容及液压支撑杆的力与位移曲线图，设计制造符合我们计算要求的液压支撑杆应用于结构中去。

最后，还应说明，上述举例和说明也并不仅限于上述实施例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种新型钢结构半刚性框架，包括半刚性框架，所述的半刚性框架包括固定连接的框架柱(1)和框架梁(2)，其特征在于，所述的半刚性框架柱区域各设置一条液压支撑杆(3)，所述的液压支撑杆(3)与框架柱(1)和框架梁(2)均成45°夹角。

2.根据权利要求1所述的一种新型钢结构半刚性框架，其特征在于，所述的框架柱(1)和框架梁(2)为工字型钢。

3.根据权利要求1所述的一种新型钢结构半刚性框架，其特征在于，所述的框架梁(2)的两端通过角钢配合螺栓固定在所述框架柱(1)上。

4.根据权利要求1所述的一种新型钢结构半刚性框架，其特征在于，所述的液压支撑杆(3)通过小铰链(4)配合销钉(8)固定所述的框架柱(1)和框架梁(2)上。

5.根据权利要求1至4中所述的一种新型钢结构半刚性框架，其特征在于，所述的液压支撑杆(3)进行选取时，将其等效为链杆，通过计算链杆内里来选取液压支撑杆(3)。

6.根据权利要求5所述的一种新型钢结构半刚性框架，其特征在在于，所述的钢结构半刚性框架的液压支撑杆(3)的承载力F的计算公式为：

式中：l为梁长度，h为柱高度，E₁是梁柱的弹性模量，E₂＝2.06×10¹¹为液压支撑杆的弹性模量，I₁、I₂分别是梁和柱的惯性矩，P是水平地震力，A为液压支撑杆的截面面积。

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