CN110863578A - 一种新型u形钢板耗能支撑 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型U形钢板耗能支撑，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

一种新型U形钢板耗能支撑
技术领域
本发明属于建筑抗震领域，具体涉及一种新型U形钢板耗能支撑。
背景技术
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。
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，比较具有代表性的是U形钢板阻尼器。U形钢板阻 尼器技术基于金属板条，其U形元件通过板带冷弯获得，包括三个部分：上直 线部分，半圆部分，下直线部分。当阻尼器上下部分产生相对位移时，上直线 部分和下直线部分分别伸长或缩短，此时阻尼器的直线部分为拉弯或压弯受力， 半圆部分主要处于剪切受力状态，当U形钢板阻尼器由弹性状态进入塑性屈服 状态时，阻尼器开始发挥耗能作用。地震时，U形钢板阻尼器必须先于梁柱等结 构构件进入塑性，而且必须在设计期望的应力水平进入塑性状态。U形钢板在低 周往复运动过程中，屈服区域的曲率是均匀分布的，有效避免了某一截面的应 力集中，不同于传统的抗弯构件中屈服区域的长度与位移无关，U形钢板的屈服 区域总长度等于上下板之间的相对位移，在大震作用下，上下板之间的相对位 移越大，其材料可以利用的更加充分。
在结构框架中设置U形钢板阻尼装置的典型方法是将其设置于人字形支撑 与上部框架梁之间。对于采用U形钢板阻尼器的建筑物，通常通过增加U形元 件的宽度提高其阻尼，但是，结构中一般没有足够的空间来进行阻尼装置的安 装。实际应用中U形钢板阻尼器不仅要承受水平荷载，还要承受竖向荷载，而 竖向荷载会影响U形元件的正常工作，导致U形元件不能充分发挥其作用。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种新型U形钢 板耗能支撑，这种新型U型钢板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：
一种新型U形钢板耗能支撑，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；
所述外套筒为方形钢管；
所述内部钢板与所述外套筒之间有一定间隔，以满足限制外管对轴向承载 系统产生影响的要求；
两组对称所述U形元件分别均匀设置于所述内部钢板与所述外套筒形成的 收容腔内；
两组对称的所述U形元件采用双向布置；
两个开口相对的U形元件为一组耗能阻尼器；
两组对称的所述U形元件分别沿支撑长度方向进行布置同时关于内部钢板 对称分布。
所述U形元件必须先钢框架结构的结构构件进入塑性，采用屈服点低，吸 收大量能量的Q235钢；
所述U形元件其截面形式为U形，包括上直线部分，半圆部分及下直线部 分，上直线部分与下直线部分关于所述U形元件对称分布，上直线部分与下直 线部分长度相同；
所述U形元件上直线部分，半圆部分及下直线部分等厚。
所述连接板一一端为半圆，所述连接板一上设置有螺纹孔，通过使用所述 螺栓与所述钢框架铰接；
所述连接板二一端为半圆，所述连接板二上设置有螺纹孔，通过使用所述 螺栓与所述钢框架铰接。
所述外套筒、所述内部钢板、所述接板一、所述接板二及所述端部盖板在 极限力作用下应处于弹性阶段，使塑性损伤集中于所述U形元件上。
新型U形钢板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°。
新型U形钢板耗能支撑的个数为n，n取偶数：
Figure BDA0002284005700000031
其中，θ为新型U形钢板耗能支撑与钢框架柱的夹角；
H为框架层高。
所述U形元件的厚度
Figure BDA0002284005700000041
其中，其中，F1为在多遇地震情况下，支撑所承受外力；
fy为钢材屈服强度；
F2为在罕遇地震情况下，支撑所承受外力；
b为U形元件的宽度；
所述U形元件(3)的半径
Figure BDA0002284005700000042
其中，D为U形元件的高度。
当对新型U形钢板耗能支撑设计完成后应进行位移验算，应满足：
Figure BDA0002284005700000043
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 BDA0002284005700000044
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)克服人字形支撑U形阻尼装置的缺点。对角线方向上的轴向力引起内 部钢板与外套筒间的相对位移，激活U形元件的滚动弯曲运动进行耗能，避免 了双向荷载对支撑正常工作的影响。
(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为图1的主视图。
图3为图1的俯视图。
图4为图3中A-A处的剖面图。
图5为构件尺寸示意图。
图6为单个U形元件尺寸示意图。
图7为U形元件计算简图。
图8为U形元件内力图。
图中：1、外套筒，2、内部钢板，3、U形元件，4、节点板，5、节点板， 6、连接螺栓，7、端部盖板，8、单边螺栓，9、普通螺栓
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8所示，本发明新型U形钢板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，由外套筒1、内部钢板2和两组对称U形元件3构成， 其特征在于：每个所述U形元件3分别通过单边螺栓8与所述外套筒1连接， 每个所述U形元件3分别通过普通螺栓9与所述内部钢板2连接，所述内部钢 板2外伸构成一侧连接板一4，所述外套筒1与端部盖板7焊接，连接板二5与 所述端部盖板7焊接，整体结构通过螺栓6与所述钢框架连接；
所述外套筒1为方形钢管；
所述内部钢板2与所述外套筒1之间有一定间隔，以满足限制外管对轴向 承载系统产生影响的要求；
两组对称所述U形元件3分别均匀设置于所述内部钢板2与所述外套筒1 形成的收容腔内；
两组对称的所述U形元件3采用双向布置；
两个开口相对的U形元件3为一组耗能阻尼器；
两组对称的所述U形元件3分别沿支撑长度方向进行布置同时关于内部钢 板2对称分布。
所述U形元件3必须先钢框架结构的结构构件进入塑性，采用屈服点低， 吸收大量能量的Q235钢；
所述U形元件3其截面形式为U形，包括上直线部分，半圆部分及下直线 部分，上直线部分与下直线部分关于所述U形元件3对称分布，上直线部分与 下直线部分长度相同；
所述U形元件3上直线部分，半圆部分及下直线部分等厚。
所述连接板一4一端为半圆，所述连接板一4上设置有螺纹孔，通过使用 所述螺栓6与所述钢框架铰接；
所述连接板二5一端为半圆，所述连接板二5上设置有螺纹孔，通过使用 所述螺栓6与所述钢框架铰接。
所述外套筒1、所述内部钢板2、所述接板一4、所述接板二5及所述端部 盖板7在极限力作用下应处于弹性阶段，使塑性损伤集中于所述U形元件3上。
所述外套筒1、所述内部钢板2、所述接板一4、所述接板二5及所述端部 盖板7采用易加工、价格便宜的Q345钢。
新型U形钢板耗能支撑适用于烈度大于9度，层数大于7层的住宅建筑。
新型U形钢板耗能支撑采用人字支撑或成对布置的单斜杆支撑形式，新型U 形钢板耗能支撑与钢框架柱的夹角为35°～55°。
所述外套筒1采用无缝方钢管。
如图5所示，外套筒1选用外边长为620mm的方钢管，其壁厚为20mm， 内部钢板厚度取20mm，其与外套筒间留有一定空隙，距离为10mm。
由此可知，U形元件3的高度和宽度分别为：
D＝280mm
b＝560mm
将D带入(式3)，进一步可得U形元件3的半径R为：
Figure BDA0002284005700000071
如图6所示，进一步可得单个U形元件3的总长度为：
Figure BDA0002284005700000072
其中，L为U形元件的有效长度，与构件承载力无关，取构造长度250mm， a为螺栓到U形元件边缘的长度，取构造长度60mm。
新型U形钢板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 BDA0002284005700000073
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 BDA0002284005700000074
每个U形元件3之间的间隔d建议取值为100mm，两端U形元件3距内部 钢板2边缘的距离取100mm，为留出足够空间使外套筒1与内部钢板2产生相 对位移，取内部钢板2与外套筒1端部距离为200mm。
因此可得U形元件3个数n为：
Figure BDA0002284005700000075
式中，n取偶数。
(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U形元件3所受外荷 载为F1/n，如图7所示。根据力法可计算得出单个U形元件3结构内力图，如图 8所示。在多遇地震作用下要求支撑处于弹性阶段，因此可知：
Figure BDA0002284005700000081
其中，fy为钢材屈服强度；
Mmax为U形元件3最大弯矩；
Nmax为U形元件3最大轴力；
I为截面抗弯惯性矩；
A为截面面积。
进一步可得：
Figure BDA0002284005700000082
根据U形元件3内力图经计算可得支撑的位移为：
Figure BDA0002284005700000083
其中，E表示钢材弹性模量。
由此可知U形钢板耗能支撑的弹性极限位移为：
Figure BDA0002284005700000084
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U形元件3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U形元件3塑性极限承载力Fs为：
Figure BDA0002284005700000091
由于t2＜＜R2，进一步得到塑性极限承载力Fs为：
Figure BDA0002284005700000092
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 BDA0002284005700000093
U形钢板耗能支撑的极限屈服位移为：
Figure BDA0002284005700000094
研究表明，当t小于10mm时会影响U形元件的正常使用。因此可得式2：
Figure BDA0002284005700000095
《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13)
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
Figure BDA0002284005700000096
由此可推算出U形钢板耗能支撑的最大弹性层间位移为
Figure BDA0002284005700000097
要求：
Figure BDA0002284005700000098
《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：
Figure BDA0002284005700000105
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U形钢板耗能支撑沿支撑方向的极限屈服位移
Figure BDA0002284005700000101
由此可推算出U形钢板耗能支撑的最大弹性层间位移为
Figure BDA0002284005700000102
要求：
Figure BDA0002284005700000103
因此，当对U形钢板耗能支撑设计完成后应进行位移验算，应满足式4：
Figure BDA0002284005700000104
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。
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)

1.一种新型U形钢板耗能支撑，用于连接到建筑物中的钢结构框架形成耗能构件，由外套筒(1)、内部钢板(2)和两组对称U形元件(3)构成，其特征在于：每个所述U形元件(3)分别通过单边螺栓(8)与所述外套筒(1)连接，每个所述U形元件(3)分别通过普通螺栓(9)与所述内部钢板(2)连接，所述内部钢板(2)外伸构成一侧连接板一(4)，所述外套筒(1)与端部盖板(7)焊接，连接板二(5)与所述端部盖板(7)焊接，整体结构通过螺栓(6)与所述钢框架连接；
所述外套筒(1)为方形钢管；
所述内部钢板(2)与所述外套筒(1)之间有一定间隔，以满足限制外管对轴向承载系统产生影响的要求；
两组对称所述U形元件(3)分别均匀设置于所述内部钢板(2)与所述外套筒(1)形成的收容腔内；
两组对称的所述U形元件(3)采用双向布置；
两个开口相对的U形元件(3)为一组耗能阻尼器；
两组对称的所述U形元件(3)分别沿支撑长度方向进行布置同时关于内部钢板(2)对称分布。
2.根据权利要求1所述的新型U形钢板耗能支撑，其特征在于：所述U形元件(3)必须先钢框架结构的结构构件进入塑性，采用屈服点低，吸收大量能量的Q235钢；
所述U形元件(3)其截面形式为U形，包括上直线部分，半圆部分及下直线部分，上直线部分与下直线部分关于所述U形元件(3)对称分布，上直线部分与下直线部分长度相同；
所述U形元件(3)上直线部分，半圆部分及下直线部分等厚。
3.根据权利要求1所述的新型U形钢板耗能支撑，其特征在于：所述连接板一(4)一端为半圆，所述连接板一(4)上设置有螺纹孔，通过使用所述螺栓(6)与所述钢框架铰接；
所述连接板二(5)一端为半圆，所述连接板二(5)上设置有螺纹孔，通过使用所述螺栓(6)与所述钢框架铰接。
4.根据权利要求1所述的新型U形钢板耗能支撑，其特征在于：所述外套筒(1)、所述内部钢板(2)、所述接板一(4)、所述接板二(5)及所述端部盖板(7)在极限力作用下应处于弹性阶段，使塑性损伤集中于所述U形元件(3)上。
5.根据权利要求1所述的新型U形钢板耗能支撑，其特征在于：新型U形钢板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所述的新型U形钢板耗能支撑，其特征在于：新型U形钢板耗能支撑的个数为n，n取偶数：
Figure FDA0002284005690000021
其中，θ为新型U形钢板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6所述的新型U形钢板耗能支撑，其特征在于：所述U形元件(3)的厚度
Figure FDA0002284005690000031
其中，F1为在多遇地震情况下，支撑所承受外力；
fy为钢材屈服强度；
F2为在罕遇地震情况下，支撑所承受外力；
b为U形元件的宽度；
所述U形元件(3)的半径
Figure FDA0002284005690000032
其中，D为U形元件的高度。
8.根据权利要求7所述的新型U形钢板耗能支撑，其特征在于：当对新型U形钢板耗能支撑设计完成后应进行位移验算，应满足：
Figure FDA0002284005690000033
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 FDA0002284005690000034
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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