CN111809734B - 一种具有拉压换向特性的支撑建筑物及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有拉压换向特性的支撑建筑物及其组装方法，本发明包括与墙板接触的端板、穿过端板的支撑杆、位于支撑杆两侧的阻尼器。上、下端板两端分别弯曲45°使端部与钢梁、钢柱平行，端板上开有孔洞，供支撑杆和SMA元件穿过；支撑杆开有凹槽和对穿螺栓孔，位于端板内侧的协同运动块焊接在支撑杆上凹槽处，支撑杆受拉或受压时通过协同运动块带动端板运动；SMA元件随着端板运动而受拉。阻尼器由开带有圆弧外形孔洞的耗能板、开螺栓孔的两端连接板组成。本发明结构具有构造简单、耗能稳定、安装方便等特点，同时支撑杆受拉或受压时，耗能自复位阻尼器均具有拉压换向特性并始终使SMA元件受拉以提供耗能和自复位。

Description

一种具有拉压换向特性的支撑建筑物及其组装方法
技术领域
本发明属于建筑物中的支撑构造领域，本发明涉及一种具有拉压换向特性的支撑建筑物及其组装方法。
背景技术
钢结构在原材料生产阶段、建造阶段、使用阶段、拆除及回收再利用阶段等整个生命周期具有显著的循环经济特征，符合节能、节地、节水、节材和环保的要求，是我国建筑工业化最理想的结构体系之一。
传统交错桁架结构支撑受压时易发生失稳破坏，结构承载力及耗能能力将显著下降。屈曲约束支撑通过核心元件充分发展塑性以提供耗能，但结构在强震后将留存显著的残余变形，进而造成高昂的修复成本，结构甚至面临着拆除，人们的生产、生活将被迫中断，与实现“可恢复城市”的目标相违背。
近年来，国内外学者对提升交错桁架结构延性进行了研究，但面临结构装配化程度较低，同时对交错桁架结构可恢复性的研究尚未开展的问题。
低屈服点钢阻尼器滞回特性稳定，减震效果显著，疲劳特性良好，且构造简单，震后更换方便。相比于普通碳素钢，低屈服点钢的屈服强度偏差幅度值保持在±20MPa以内，对结构实现预期的破坏模式提供了支持。
镍钛形状记忆合金作为一种智能材料，具有良好的耗能和自复位能力，对于SMA棒材，可恢复应变达到6~8%。将低屈服点钢阻尼器与SMA元件进行合理组合可以实现耗能与自复位平衡的目标，因此将以上两种元件应用于交错桁架结构中使其具有良好的耗能与自复位的特点，目前相关研究工作尚未开展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有上述缺点，提出一种构造简单、装配化程度高、耗能稳定且能够实现支撑杆无论在拉、压状态下SMA元件均受拉以提供耗能和自复位的建筑构造及其装配方法。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种具有拉压换向特性的支撑建筑物，包括钢梁，钢梁两端分别连接有钢柱形成框架结构；沿钢柱和钢梁形成的框架结构的对角线方向布置有支撑杆，支撑杆两端分别连接有拉压换向耗能结构；所述拉压换向耗能结构包括被支撑杆穿过的上端板和下端板，支撑杆上固定有与上端板和下端板的内侧面接触的协同运动块；上端板和下端板之间安装有阻尼器；阻尼器包括处于支撑杆一侧的上阻尼器和处于支撑杆另一侧的下阻尼器；上阻尼器和下阻尼器分别通过墙板与钢梁和钢柱固定连接；上阻尼器和下阻尼器分别与支撑杆固定连接。
进一步的改进，所述上端板和下端板之间安装有SMA元件，SMA元件为SMA杆。
进一步的改进，所述墙板包括梯形钢板，梯形钢板两侧焊接有十字形的加劲肋。
进一步的改进，所述上端板和下端板两端分别弯曲45°形成分别与钢梁和钢柱平行且将梯形钢板侧边夹住的端部；端部两侧固定有将梯形钢板侧面夹持的矩形板。
进一步的改进，所述阻尼器两侧和墙板两端均固定有带螺栓孔的连接板；阻尼器与墙板和支撑杆均通过穿过连接板的螺栓固定；墙板分别通过穿过连接板的螺栓固定在钢梁和钢柱上。
进一步的改进，所述阻尼器包括耗能板，耗能板上切割成形有孔洞；耗能板由屈服点介于140MPa-180MPa的低屈服点钢板制成。
进一步的改进，所述孔洞沿支撑杆延伸方向的上下侧成形有对称设置的弧形边。
进一步的改进，所述支撑杆包括钢管，钢管上刻有四个用于焊接固定协同运动块的凹槽；钢管顶端焊接固定有支撑端帽。
一种具有拉压换向特性的支撑建筑物的组装方法，包括如下步骤：
步骤一：在工厂标准化生产上端板、下端板、矩形板、钢管、协同运动块、支撑端帽、低屈服点钢板、梯形钢板、十字形的加劲肋、SMA元件、钢梁和钢柱；在上端板和下端板开设用于穿过支撑杆的支撑杆矩形孔洞及用于穿过SMA元件的SMA元件圆形孔洞；在钢管上刻出凹槽并开设对穿螺栓孔；在低屈服点钢板上切割带有圆弧边的孔洞形成耗能板，并在耗能板两端的连接板上分别开设螺栓孔；在梯形钢板两端的连接板上分别开设螺栓孔，在钢梁、钢柱相应部位开设螺栓孔；
步骤二：在上端板、下端板的端部分别焊接矩形块形成限位装置；在梯形钢板两侧焊接加劲肋；在钢梁和钢柱上焊接加强板；
步骤三：将钢梁和钢柱端部焊接连接；将钢梁、墙板和阻尼器以及钢柱墙板和阻尼器分别通过连接板将螺栓孔对齐后插入螺栓拧紧固定；
步骤四：阻尼器的连接板与钢管上开设的对穿螺栓孔对齐后插入螺栓并拧紧；上端板穿过钢管并卡在墙板内侧；在钢管上的凹槽处焊接协同运动块；
步骤五：下端板穿过钢管，同时将SMA元件插入上端板和下端板上对应的预留孔洞并用螺母固定，使上端板、下端板的端部分别位于墙板内、外侧；在钢管顶端焊接支撑端帽。
本发明具有以下有益效果：
1、通过提出新的端板构造，增大了端板与墙板的接触面积，避免了支撑杆拉、压状态下端板与墙板接触位置发生应力集中破坏，同时通过焊接的矩形板避免了端部受挤压而滑出端板。
2、协同运动块、位于墙板两侧的端板使得支撑杆无论在拉、压状态下，SMA元件均受拉以提供恢复力，避免了SMA元件受压时可能引起失稳的问题。
3、通过改进构造，将受压为主的传统支撑转变为以阻尼器受剪切的新型支撑，避免了支撑受压失稳破坏，使得配置阻尼器的支撑具有稳定的耗能能力。
4、低屈服点阻尼器与SMA元件分别提供耗能和自复位能力，两者相互独立，通过调整两者配比，可以实现耗能与自复位的平衡。
5、配置SMA元件的低屈服点阻尼器未在节点区域，简化了交错桁架结构复杂的节点设计。
6、本发明安装简单方便，装配化程度高，且更换相比于传统支撑更为容易。
附图说明
图1为本发明在交错桁架结构中的位置示意图；
图2为本发明立体结构示意图；
图3为本发明正视图；
图4为本发明拆解示意图；
图5为开孔的端板；
图6为支撑杆示意图；
图7为刻有凹槽的支撑杆拆解示意图；
图8为配备低屈服点钢的阻尼器示意图；
图9为带有加劲肋的墙板；
图10为本发明的一种具有拉压换向特性的支撑建筑物受拉状态下变形图；
图11为本发明的一种具有拉压换向特性的支撑建筑物受压状态下变形图。
其中，各个部件的编号为：1-1、上端板；1-2、下端板；1-3、矩形块；1-4、支撑杆矩形孔洞；1-5、SMA元件圆形孔洞；2、支撑杆；2-1、钢管；2-2、协同运动块；2-3、支撑端帽；2-4、凹槽；2-5、对穿螺栓孔；3、阻尼器；3-1、耗能板；3-2、连接板；4、墙板；4-1、梯形钢板；4-2、加劲肋；5、SMA元件；6、钢梁；7、钢柱；7-1、加强板。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细阐述。
一方面，本发明提供一种具有拉压换向特性的支撑建筑物，如图1至图11所示，包括上端板1-1、下端板1-2、支撑杆2、阻尼器3、墙板4、SMA元件5、钢梁6及钢柱7，其中：
上端板1-1和下端板1-2两端分别弯曲45°使端部与钢梁6、钢柱7平行，端部焊接四块矩形板1-3形成限位装置，上端板1-1和下端板1-2上分别开设一个支撑杆矩形孔洞1-4、四个SMA元件圆形孔洞1-5；
支撑杆2由一根钢管2-1、四个协同运动块2-2及一个支撑端帽2-3组成。钢管2-1上刻有四个凹槽2-4以加强钢管2-1与协同运动块2-2的连接，支撑杆2上也开设了八个对穿螺栓孔2-5；
阻尼器3由一块耗能板3-1和两块连接板焊接而成，带有的圆弧形孔洞的耗能板3-1是在屈服点为140MPa-180MPa的低屈服点钢板上切割而成，两侧连接板3-2上分别开设八个螺栓孔；
墙板4由一块梯形钢板4-1、两侧的十字型加劲肋4-2和两块连接板焊接形成，墙板4一侧连接板上开设和钢梁6、钢柱7对应的四个主要螺栓孔，另一侧连接板开设与阻尼器3连接板对应的八个螺栓孔；
钢梁6与钢柱7上分别焊接有六块加强板7-1，开设了与墙板4连接板上对应的四个主要螺栓孔；
为了增大端板与墙板的接触面积，避免支撑杆拉、压状态下端板与墙板接触位置出现应力集中破坏，上端板1-1和下端板1-2两端分别弯曲45°使端部与钢梁6、钢柱7平行。
通过焊接的矩形板形成限位装置，避免了端部受挤压而滑出端板。
上端板1-1和下端板1-2分别位于墙板4的内、外侧，墙板便起到控制端板运动方向的作用。
支撑杆2上设置凹槽2-4焊接协同运动块2-2作为本发明的一种改进，不仅加强了支撑杆2与协同运动块2-2之间的连接，协同运动块2-2更起到在支撑杆2拉、压状态下带动上端板1-1或下端板1-2运动的作用。
本发明位于墙板4两侧的上端板1-1、上端板1-2和协同运动块2-2使得支撑杆2无论在拉、压状态下，SMA元件5均受拉以提供恢复力，避免了SMA元件5受压时可能引起失稳的问题。
本发明的一种具有拉压换向特性的支撑建筑物具有构造简单、耗能稳定、安装方便等特点，并且通过改进构造，将受压为主的传统支撑转变为以阻尼器受剪切的新型支撑，避免了支撑受压失稳破坏，使得配置阻尼器的支撑具有稳定的耗能能力。
另一方面，本发明还提供一种上述具有拉压换向特性的支撑建筑物的组装方法如下：
步骤一：在工厂标准化生产上端板1-1、下端板1-2、钢管2-1、协同运动块2-2、支撑端帽2-3、低屈服点钢板、连接板、梯形钢板4-1、加劲肋4-2、SMA元件5、钢梁6、钢柱7；在上端板1-1和下端板1-2相应部位开设一个支撑杆矩形孔洞1-4及四个SMA元件圆形孔洞1-5；在钢管2-1相应位置设置四个凹槽2-4并开设八个对穿螺栓孔2-5；在低屈服点钢板上切割带有圆弧形的孔洞形成耗能板3-1，并在耗能板3-1两端连接板上分别开设八个螺栓孔；在梯形钢板4-1两端连接板上分别开设和钢梁6（钢柱7）以及阻尼器连接板3-2对应的螺栓孔；在钢梁6、钢柱7相应部位开设四个螺栓孔；
步骤二：在上端板1-1、下端板1-2端部分别焊接矩形限位装置；在梯形钢板4-1相应部位焊接两侧十字型加劲肋4-2；在钢柱6、钢梁7相应部位焊接六块加强板7-1；
步骤三：将钢柱6和钢梁7端部焊接；将墙板4连接板和钢柱7上的四个螺栓孔内壁对齐后依次插入四个螺栓并拧紧；再将墙板4与阻尼器连接板3-2上开设的八个螺栓孔内壁对齐后依次插入八个螺栓并拧紧；同理，将墙板4连接板和钢梁6上的四个螺栓孔内壁对齐后依次插入四个螺栓并拧紧；再将墙板4与阻尼器连接板3-2上开设的八个螺栓孔内壁对齐后依次插入八个螺栓并拧紧；
步骤四：阻尼器连接板3-2与钢管2-1上的开设的八个螺栓孔内壁对齐后依次插入八个螺栓并拧紧；钢管2-1穿过上端板1-1上的支撑杆矩形孔洞1-4并卡在墙板4内侧；在上端板1-1和下端板1-2内侧钢管2-1上的四个凹槽2-4处依次焊接四个协同运动块2-2；
步骤五：钢管2-1穿过下端板上的支撑杆矩形孔洞1-4，同时将四根SMA元件5依次插入上端板1-1和下端板1-2上对应的SMA元件圆形孔洞1-5并分别用两个螺母拧紧SMA上、下端部，从而固定上端板1-1和下端板1-2，使得上端板1-1、下端板1-2分别位于墙板4内、外侧；最后在钢管2-1顶端焊接支撑端帽2-3。
上述仅仅为本发明的一个具体实施例，对其进行的简单改进和替换均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有拉压换向特性的支撑建筑物，其特征在于，包括钢梁（6），钢梁（6）两端分别连接有钢柱（7）形成框架结构；沿钢柱（7）和钢梁（6）形成的框架结构的对角线方向布置有支撑杆（2），支撑杆（2）两端分别连接有拉压换向耗能结构；所述拉压换向耗能结构包括被支撑杆（2）穿过的上端板（1-1）和下端板（1-2），支撑杆（2）上固定有与上端板（1-1）和下端板（1-2）的内侧面接触的协同运动块（2-2）；上端板（1-1）和下端板（1-2）之间安装有阻尼器（3）；阻尼器（3）包括处于支撑杆（2）一侧的上阻尼器和处于支撑杆（2）另一侧的下阻尼器；上阻尼器和下阻尼器分别通过墙板（4）与钢梁（6）和钢柱（7）固定连接；上阻尼器和下阻尼器分别与支撑杆（2）固定连接。
2.如权利要求1所述的具有拉压换向特性的支撑建筑物，其特征在于，所述上端板（1-1）和下端板（1-2）之间安装有SMA元件（5），SMA元件（5）为SMA杆。
3.如权利要求1所述的具有拉压换向特性的支撑建筑物，其特征在于，所述墙板（4）包括梯形钢板（4-1），梯形钢板（4-1）两侧焊接有十字形的加劲肋（4-2）。
4.如权利要求1所述的具有拉压换向特性的支撑建筑物，其特征在于，所述上端板（1-1）和下端板（1-2）两端分别弯曲45°形成分别与钢梁（6）和钢柱（7）平行且将梯形钢板（4-1）侧边夹住的端部；端部两侧固定有将梯形钢板（4-1）侧面夹持的矩形板（1-3）。
5.如权利要求1所述的具有拉压换向特性的支撑建筑物，其特征在于，所述阻尼器（3）两侧和墙板（4）两端均固定有带螺栓孔的连接板（3-2）；阻尼器（3）与墙板（4）和支撑杆（2）均通过穿过连接板（3-2）的螺栓固定；墙板（4）分别通过穿过连接板（3-2）的螺栓固定在钢梁（6）和钢柱（7）上。
6.如权利要求1所述的具有拉压换向特性的支撑建筑物，其特征在于，所述阻尼器（3）包括耗能板（3-1），耗能板（3-1）上切割成形有孔洞；耗能板（3-1）由屈服点介于140MPa-180MPa的低屈服点钢板制成。
7.如权利要求6所述的具有拉压换向特性的支撑建筑物，其特征在于，所述孔洞沿支撑杆（2）延伸方向的上下侧成形有对称设置的弧形边。
8.如权利要求1所述的具有拉压换向特性的支撑建筑物，其特征在于，所述支撑杆（2）包括钢管（2-1），钢管（2-1）上刻有四个用于焊接固定协同运动块（2-2）的凹槽（2-4）；钢管（2-1）顶端焊接固定有支撑端帽（2-3）。
9.一种具有拉压换向特性的支撑建筑物的组装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在工厂标准化生产上端板（1-1）、下端板（1-2）、矩形板（1-3）、钢管（2-1）、协同运动块（2-2）、支撑端帽（2-3）、低屈服点钢板、梯形钢板（4-1）、十字形的加劲肋（4-2）、SMA元件（5）、钢梁（6）和钢柱（7）；在上端板（1-1）和下端板（1-2）开设用于穿过支撑杆（2）的支撑杆矩形孔洞（1-4）及用于穿过SMA元件（5）的SMA元件圆形孔洞（1-5）；在钢管（2-1）上刻出凹槽（2-4）并开设对穿螺栓孔（2-5）；在低屈服点钢板上切割带有圆弧边的孔洞形成耗能板（3-1），并在耗能板（3-1）两端的连接板（3-2）上分别开设螺栓孔；在梯形钢板（4-1）两端的连接板上分别开设螺栓孔，在钢梁（6）、钢柱（7）相应部位开设螺栓孔；
步骤二：在上端板（1-1）、下端板（1-2）的端部分别焊接矩形块（1-3）形成限位装置；在梯形钢板（4-1）两侧焊接加劲肋（4-2）；在钢梁（6）和钢柱（7）上焊接加强板（7-1）；
步骤三：将钢梁（6）和钢柱（7）端部焊接连接；将钢梁（6）、墙板（4）和阻尼器（3）以及钢柱（7）、墙板（4）和阻尼器（3）分别通过连接板将螺栓孔对齐后插入螺栓拧紧固定；
步骤四：阻尼器的连接板（3-2）与钢管（2-1）上开设的对穿螺栓孔（2-5）对齐后插入螺栓并拧紧；上端板（1-1）穿过钢管（2-1）并卡在墙板（4）内侧；在钢管（2-1）上的凹槽（2-4）处焊接协同运动块（2-2）；
步骤五：下端板（1-2）穿过钢管（2-1），同时将SMA元件（5）插入上端板（1-1）和下端板（1-2）上对应的预留孔洞并用螺母固定，使上端板（1-1）、下端板（1-2）的端部分别位于墙板（4）内、外侧；在钢管（2-1）顶端焊接支撑端帽（2-3）。
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