CN110805157A - 一种十字形耗能支撑 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种十字形耗能支撑，属于建建筑抗震领域。由外套筒、内部钢板和两组对称U形元件构成，其特征在于：每个所述U形元件分别通过单边螺栓与所述外套筒连接，每个所述U形元件分别通过普通螺栓与所述内部钢板连接，所述内部钢板外伸构成一侧连接板一，所述外套筒与端部盖板焊接，连接板二与所述端部盖板焊接，整体结构通过螺栓与所述钢框架连接。本发明克服人字形支撑U形阻尼装置的缺点，便于在支撑损坏后进行更换，维修成本较低。

Description

一种十字形耗能支撑
技术领域
本发明属于建筑抗震领域，具体涉及一种十字形耗能支撑。
背景技术
钢材因为其较稳定的屈服后耗能能力以及良好的塑性变形能力，成为了制作阻尼器的最佳材料之一，其中软钢阻尼器又因其良好的低周疲劳性能、优秀且稳定的滞回性能，较为灵活的应用范围，性能不受温度影响等特性，在国内外得到了广泛的研究与应用。但是，由于阻尼器在模拟与试验时受力情况简单，相对于实际应用中的复杂受力情况，可能会达不到预期的减震效果。
在地震作用下，普通支撑受压会产生屈曲现象，当支撑受压屈曲后，刚度和承载力将急剧下降，支撑的内力在受压和受拉两种状态下往复变化，其滞回性能较差。为解决普通支撑受压屈曲和滞回性能差的问题，提出在支撑外部设置套管，约束支撑的屈曲，构成防屈曲耗能支撑，其应用可以全面提高传统支撑在地震作用下的抗震性能。防屈曲耗能支撑在小震作用下不屈服，只提供附加刚度，在中震或大震作用下，支撑发生屈服，提供附加刚度及附加阻尼，可用于对抗震安全性和使用有较高要求或专门要求的建筑，所以防屈曲耗能支撑适合于高烈度的多、高层建筑和大跨度结构。
发明内容
本发明通过改善软钢阻尼器的缺点，并结合防屈曲耗能支撑的优点，提出了一种十字形耗能支撑。这种十字形耗能支撑属于抗弯耗能装置，制造成本低，相对容易实现。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种十字形耗能支撑，用于连接到建筑物中的钢结构框架形成耗能构件，由外管和内芯两部分组成构成，其特征在于：所述外管由外套筒、端部盖板和节点板构成，所述内芯由型材、屈服构件、开孔钢块、盖板和连接板构成；
所述外套筒截面形式为十字形，采用十字形套筒异型钢；
所述端部盖板截面形式为十字形，所述外套筒一端焊接到所述端部盖板一侧；
所述节点板截面形式为长方形，采用高强度钢，所述节点板一端为方形且另一端为半圆形，所述节点板方形端一侧焊接到所述端部盖板另一侧，所述节点板上设置有螺纹孔，所述节点板通过螺栓与所述钢结构框架铰接。
所述内芯为十字形截面，所述型材的截面为方形，所述型材设置在所述外套筒中心，所述型材与所述外套筒形成四个收容腔，每个所述收容腔内分别设置有一组均匀分布的所述屈服构件和一组均匀分布的所述开孔钢块；
所述屈服构件的截面为方形，每个所述屈服构件一端分别焊接到所述型材的一侧，每个所述屈服构件另一端分别焊接到所述开孔钢块一侧；
所述开孔钢块居中开孔，孔直径为20mm；
所述屈服构件的宽度及所述开孔钢块的宽度与所述型材的边长长度相同；
所述盖板为十字形，所述型材一端焊接到所述盖板一侧；
所述连接板截面形式为长方形，所述连接板一端为方形且另一端为半圆形，所述连接板方形端一侧焊接到所述盖板另一侧，所述连接板上设置有螺纹孔，所述连接板通过所述螺栓与所述钢结构框架铰接。
所述外管和所述内芯通过螺栓连接；
所述螺栓选用8.8级M20的高强螺栓，在组装所述外套筒与所述内芯时应适当拧紧，避免屈服构件受拉力影响提前进入屈服状态；
所述外套筒开长方形孔，以满足不限制所述螺栓横向移动的作用，使所述屈服构件不受拉力影响，所述螺栓穿过所述开孔钢块的中心孔和所述外套筒的长方形孔；
所述外管与所述内芯之间有一定间间隙，以满足限制外管对轴向承载系统产生影响的要求。
所述屈服构件必须先于梁柱等结构构件进入塑性，因此采用屈服点低，可吸收大量能量的Q235钢，沿内芯长度方向进行布置；
为保证所述屈服构件先于梁柱等结构构件进入塑性，所述外套筒、所述端部盖板、所述节点板、所述型材、所述开孔钢块、所述盖板及所述连接板的材料选用易加工、价格便宜的Q345钢。
十字形耗能支撑采用人字支撑或成对布置的单斜杆支撑形式，支撑与钢框架柱的夹角为35°～55°。
十字形耗能支撑的个数为n，n取4的倍数：
Figure BDA0002284046820000031
其中，θ为十字形耗能支撑与钢框架柱的夹角；
H为框架层高。
所述屈服元件的厚度
Figure BDA0002284046820000032
其中，F1为在多遇地震情况下，支撑所承受外力；
F2为在罕遇地震情况下，支撑所承受外力；
fy为钢材屈服强度；
l为屈服构件的长度；
b为屈服元件的高度。
当对十字形耗能支撑设计完成后应进行位移验算，应满足：
Figure BDA0002284046820000041
其中，ω1为U形钢板耗能支撑的最大弹性层间位移；
ω2为U形钢板耗能支撑的最大弹性层间位移；
Δe为U形钢板耗能支撑的弹性极限位移；
Δu为U形钢板耗能支撑的极限屈服位移；
[θe]为弹性层间位移角限值，多、高层钢结构取值为1/250；
Figure BDA0002284046820000042
为弹塑性层间位移角限值，多、高层钢结构取值为1/50；
h为计算楼层层高。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)十字形耗能支撑通过弯曲屈服消耗能量，可以使用更多的金属屈服元件，防止单个元件意外损伤对支撑抗震性能产生影响。
(2)其两端采用螺栓与框架进行连接，便于在支撑损坏后进行更换。
(3)该结构可以通过预制来实现，减少了现场施工的时间，构造简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明的框架示意图。
图2为本发明外套筒示意图。
图3为本发明内芯示意图。
图4为本发明的主视图。
图5为本发明的俯视图。
图6为图5中A-A处的剖面图。
图7为支撑截面尺寸示意图。
图8为支撑受力简图。
图9为屈服构件内力图。
图中：1、外套筒，2、端部盖板，3、节点板，4、型材，5、屈服构件，6、开孔钢块，7、盖板，8、连接板，9、螺栓，10、螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1-图9所示，本发明十字形耗能支撑用于连接到建筑物中的钢结构框架形成耗能构件，由外管和内芯两部分组成构成，其特征在于：所述外管由外套筒1、端部盖板2和节点板3构成，所述内芯由型材4、屈服构件5、开孔钢块6、盖板7和连接板8构成；
所述外套筒1截面形式为十字形，采用十字形套筒异型钢；
所述端部盖板2截面形式为十字形，所述外套筒1一端焊接到所述端部盖板2一侧；
所述节点板3截面形式为长方形，采用高强度钢，所述节点板3一端为方形且另一端为半圆形，所述节点板3方形端一侧焊接到所述端部盖板2另一侧，所述节点板3上设置有螺纹孔，所述节点板3通过螺栓10与所述钢结构框架铰接。
所述内芯为十字形截面，所述型材4的截面为方形，所述型材4设置在所述外套筒1中心，所述型材4与所述外套筒1形成四个收容腔，每个所述收容腔内分别设置有一组均匀分布的所述屈服构件5和一组均匀分布的所述开孔钢块6；
所述屈服构件5的截面为方形，每个所述屈服构件5一端分别焊接到所述型材4的一侧，每个所述屈服构件5另一端分别焊接到所述开孔钢块6一侧；
所述开孔钢块6居中开孔，孔直径为20mm；
所述屈服构件5的宽度及所述开孔钢块6的宽度与所述型材4的边长长度相同；
所述盖板7为十字形，所述型材4一端焊接到所述盖板7一侧；
所述连接板8截面形式为长方形，所述连接板8一端为方形且另一端为半圆形，所述连接板8方形端一侧焊接到所述盖板7另一侧，所述连接板8上设置有螺纹孔，所述连接板8通过所述螺栓10与所述钢结构框架铰接。
所述外管和所述内芯通过螺栓9连接；
所述螺栓9选用8.8级M20的高强螺栓，在组装所述外套筒与所述内芯时应适当拧紧，避免屈服构件受拉力影响提前进入屈服状态；
所述外套筒1开长方形孔，以满足不限制所述螺栓9横向移动的作用，使所述屈服构件5不受拉力影响，所述螺栓9穿过所述开孔钢块6的中心孔和所述外套筒1的长方形孔；
所述外管与所述内芯之间有一定间间隙，以满足限制外管对轴向承载系统产生影响的要求。
所述屈服构件5必须先于梁柱等结构构件进入塑性，因此采用屈服点低，可吸收大量能量的Q235钢，沿内芯长度方向进行布置；
为保证所述屈服构件5先于梁柱等结构构件进入塑性，所述外套筒1、所述端部盖板2、所述节点板3、所述型材4、所述开孔钢块6、所述盖板7及所述连接板8的材料选用易加工、价格便宜的Q345钢。
十字形耗能支撑采用人字支撑或成对布置的单斜杆支撑形式，支撑与钢框架柱的夹角为35°～55°。
十字形耗能支撑可用于对抗震安全性和使用有较高要求或专门要求的建筑，所以此新型支撑适用于烈度大于9度，层数大于7层的住宅建筑或高度大于24m的其他民用建筑或大跨度结构。
十字形耗能支撑的计算方法包括如下步骤：
十字形耗能支撑的外套筒采用十字形套筒异型钢，在工厂预制加工，外套筒与内芯间留有一定空隙，距离为5mm，外套筒1及内芯具体尺寸如图7所示。根据外套筒1尺寸，屈服构件5的长度和高度分别选用：
l1＝180mm
b＝180mm
十字形耗能支撑与钢框架柱的夹角为35°～55°之间，设为θ，框架层高为H，如图1所示，因此单个支撑的长度为
Figure BDA0002284046820000071
为留出足够空间进行支撑的安装以及满足支撑位移要求，外套筒1到钢结构框架节点的距离约为800mm，因此外套筒的长度约为
Figure BDA0002284046820000072
每个屈服构件5之间的间隔d建议取值为150mm，内芯端部第一组屈服构件5距盖板7的距离取300mm，最后一组屈服构件5距型材4边缘的距离取100mm，为留出足够空间使外套筒1与内部钢板产生相对位移，内部型材4与外套筒1端部距离取为200mm。
因此可得屈服构件5个数n为：
Figure BDA0002284046820000073
式中，n取4的倍数。
(1)多遇地震情况下
在多遇地震情况下，支撑所承受外力为F1，因此单个屈服构件5所受外荷载为F1/n，如图8所示。根据力法可计算得出单个屈服构件5结构内力图，忽略剪力的影响，如图9所示。由此可知屈服构件5截面最大弯矩为：
Figure BDA0002284046820000074
在多遇地震作用下要求支撑处于弹性阶段，因此可知：
Figure BDA0002284046820000075
其中，fy为钢材屈服强度；
I为截面抗弯惯性矩；
t为为屈服构件的厚度。
进一步可得：
Figure BDA0002284046820000081
根据屈服构件5内力图经计算可得支撑的位移为：
Figure BDA0002284046820000082
其中，E表示钢材弹性模量。
由此可知十字形耗能支撑的弹性极限位移为：
Figure BDA0002284046820000083
其中，εy表示钢材屈服应变。
(2)罕遇地震情况下
在罕遇地震情况下，支撑所承受外力为F2，因此单个屈服构件5所受外荷载为F2/n。根据《建筑抗震设计规范》可知在罕遇地震情况下要求支撑处于弹塑性阶段。
依据弹塑性力学相关理论，随着外荷载增大，塑性区将由最外层纤维向内逐渐扩大。可得到单个屈服构件5塑性极限承载力Fs为：
Figure BDA0002284046820000084
当F2/n＝Fs时，会产生塑性铰，因此应存在F2/n≤Fs，进一步可得：
Figure BDA0002284046820000085
十字形耗能支撑的极限屈服位移为：
Figure BDA0002284046820000086
式中，εu表示钢材极限应变，取εu＝0.3。
研究表明，当t小于6mm时会影响十字形耗能支撑的正常使用。因此可得式2：
Figure BDA0002284046820000091
《建筑抗震设计规范》中5.5.1多遇地震作用下抗震变形验算楼层内最大的弹性层间位移公式为：
Δue≤[θe]h (式12)
其中，Δue为多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移。
通过计算得出U形钢板耗能支撑沿支撑方向的弹性最大位移由此可推算出十字形耗能支撑的最大弹性层间位移为
Figure BDA0002284046820000093
要求：
Figure BDA0002284046820000094
《建筑抗震设计规范》中5.5.5罕遇地震作用下抗震变形验算结构薄弱层(部位)弹塑性层间位移公式：
其中，Δup为罕遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移。
通过计算得出十字形耗能支撑沿支撑方向的极限屈服位移
Figure BDA0002284046820000096
由此可推算出十字形耗能支撑的最大弹性层间位移为
Figure BDA0002284046820000097
要求：
Figure BDA0002284046820000098
因此，当对十字形耗能支撑设计完成后应进行位移验算，应满足式3：
Figure BDA0002284046820000099
本发明克服单个元件意外损伤对支撑抗震性能产生影响的缺点，便于在支撑损坏后进行更换，维修成本较低。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (8)

1.一种十字形耗能支撑，用于连接到建筑物中的钢结构框架形成耗能构件，由外管和内芯两部分组成构成，其特征在于：所述外管由外套筒(1)、端部盖板(2)和节点板(3)构成，所述内芯由型材(4)、屈服构件(5)、开孔钢块(6)、盖板(7)和连接板(8)构成；
所述外套筒(1)截面形式为十字形，采用十字形套筒异型钢；
所述端部盖板(2)截面形式为十字形，所述外套筒(1)一端焊接到所述端部盖板(2)一侧；
所述节点板(3)截面形式为长方形，采用高强度钢，所述节点板(3)一端为方形且另一端为半圆形，所述节点板(3)方形端一侧焊接到所述端部盖板(2)另一侧，所述节点板(3)上设置有螺纹孔，所述节点板(3)通过螺栓(10)与所述钢结构框架铰接。
2.根据权利要求1所述的十字形耗能支撑，其特征在于：所述内芯为十字形截面，所述型材(4)的截面为方形，所述型材(4)设置在所述外套筒(1)中心，所述型材(4)与所述外套筒(1)形成四个收容腔，每个所述收容腔内分别设置有一组均匀分布的所述屈服构件(5)和一组均匀分布的所述开孔钢块(6)；
所述屈服构件(5)的截面为方形，每个所述屈服构件(5)一端分别焊接到所述型材(4)的一侧，每个所述屈服构件(5)另一端分别焊接到所述开孔钢块(6)一侧；
所述开孔钢块(6)居中开孔，孔直径为20mm；
所述屈服构件(5)的宽度及所述开孔钢块(6)的宽度与所述型材(4)的边长长度相同；
所述盖板(7)为十字形，所述型材(4)一端焊接到所述盖板(7)一侧；
所述连接板(8)截面形式为长方形，所述连接板(8)一端为方形且另一端为半圆形，所述连接板(8)方形端一侧焊接到所述盖板(7)另一侧，所述连接板(8)上设置有螺纹孔，所述连接板(8)通过所述螺栓(10)与所述钢结构框架铰接。
3.根据权利要求1所述的十字形耗能支撑，其特征在于：所述外管和所述内芯通过螺栓(9)连接；
所述螺栓(9)选用8.8级M20的高强螺栓，在组装所述外套筒与所述内芯时应适当拧紧，避免屈服构件受拉力影响提前进入屈服状态；
所述外套筒(1)开长方形孔，以满足不限制所述螺栓(9)横向移动的作用，使所述屈服构件(5)不受拉力影响，所述螺栓(9)穿过所述开孔钢块(6)的中心孔和所述外套筒(1)的长方形孔；
所述外管与所述内芯之间有一定间间隙，以满足限制外管对轴向承载系统产生影响的要求。
4.根据权利要求1所述的十字形耗能支撑，其特征在于：所述屈服构件(5)必须先于梁柱等结构构件进入塑性，因此采用屈服点低，可吸收大量能量的Q235钢，沿内芯长度方向进行布置；
为保证所述屈服构件(5)先于梁柱等结构构件进入塑性，所述外套筒(1)、所述端部盖板(2)、所述节点板(3)、所述型材(4)、所述开孔钢块(6)、所述盖板(7)及所述连接板(8)的材料选用易加工、价格便宜的Q345钢。
5.根据权利要求1所述的十字形耗能支撑，其特征在于：十字形耗能支撑采用人字支撑或成对布置的单斜杆支撑形式，支撑与钢框架柱的夹角为35°～55°。
6.根据权利要求1所述的十字形耗能支撑，其特征在于：十字形耗能支撑的个数为n，n取4的倍数：
Figure FDA0002284046810000021
其中，θ为十字形耗能支撑与钢框架柱的夹角；
H为框架层高。
7.根据权利要求1所述的十字形耗能支撑，其特征在于：所述屈服元件(5)的厚度
Figure FDA0002284046810000031
其中，F1为在多遇地震情况下，支撑所承受外力；
F2为在罕遇地震情况下，支撑所承受外力；
fy为钢材屈服强度；
l为屈服构件的长度；
b为屈服元件的高度。
8.根据权利要求1所述的十字形耗能支撑，其特征在于：当对十字形耗能支撑设计完成后应进行位移验算，应满足：
Figure FDA0002284046810000032
其中，ω1为U形钢板耗能支撑的最大弹性层间位移；
ω2为U形钢板耗能支撑的最大弹性层间位移；
Δe为U形钢板耗能支撑的弹性极限位移；
Δu为U形钢板耗能支撑的极限屈服位移；
[θe]为弹性层间位移角限值，多、高层钢结构取值为1/250；
Figure FDA0002284046810000033
为弹塑性层间位移角限值，多、高层钢结构取值为1/50；
h为计算楼层层高。
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