CN111851788A - 一种可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于，一、设计构造：包括斜波纹钢板(1)，边缘约束构件(2)，铅阻尼器(3)，连接端板(4)，铅块夹具(5)；波纹钢板(1)四周焊接在由边缘约束构件(2)和连接端板(4)围成的框架之内；铅阻尼器(3)分别灌注在各个边缘约束构件(2)腹板两侧；边缘约束构件(2)为T字型钢。二、双阶段减震机理设计：在小震下铅阻尼器3先屈服耗能减震，波纹钢板保持弹性1体保持弹性为结构提供刚度；在大震下铅阻尼器3与波纹钢板墙1屈服耗能减震。

Description

一种可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法
技术领域
本申请涉及建筑工程技术的新型耗能减震领域。
背景技术
随着结构性能化设计的要求的增加，用于控制结构在多级地震下的动力响应的复合型多功能构件得到了更多的关注。
波纹钢板墙屈服位移、承载力都大，一般在小震下保持弹性，为结构提供刚度，在中、大震下进入塑性，为结构耗散地震能量。最接近现有技术有：
李国强、孙飞飞、金华建等于2017年6月6日申请提交的“无屈曲波形结构耗能构件及其设计方法”(中国发明申请号201710425071.X)。
李国强、孙飞飞、金华建等于2017年6月6日申请提交的“抗震保温隔声一体化墙”(中国发明申请号201710552568.8)。
以上充分利用波纹钢板面外刚度大的优点，保证了构件的性能，且经济性好，加工方便，具有广泛的应用前景。但是，波纹钢板墙在应用时，仍存在三方面问题：
问题一：小震下，由于波纹钢板墙提高了结构的刚度，同时也提高了输入结构的地震作用，在接近场地特征周期时，波纹钢板墙提高结构刚度引起的结构楼层层间位移减小量，有可能会小于因结构刚度提高地震作用增大引起的结构楼层层间位移增大量。应对此类问题，现有技术中往往通过增大主体结构截面以满足小震情况下弹性设计要求，显然，这类应对方案经济性能很差，不具有推广意义。
问题二：在多高层建筑结构中，为保证结构各个楼层刚度和承载力的均匀，波纹钢板墙一般会采用通高布置，此时，底层波纹钢板墙边缘构件的轴力会由于上部边缘构件的轴力逐层累积并向下传递而变得非常大，若边缘构件在轴力下发生面外屈曲，则无法为波纹钢板提供足够的边界约束，波纹钢板墙无法充分发挥作用，因此，为保证边缘构件在轴力下不发生面外屈曲，边缘构件的截面需要做非常大，此时，波纹钢板墙的经济性自然也比较差，无法得到大规模推广。
问题三：由于波纹钢板墙边缘构件截面过大和大震下仍保持弹性，边缘构件会部分参与抗侧，导致波纹钢板墙的抗侧承载力强化除了包括波纹钢板钢材的强化外，还有边缘构件的弹性力贡献，因此强化现象更明显，极限承载力更大，从而导致节点需求更大，设计不经济。
发明内容
本申请是基于中国发明专利申请《无屈曲波形结构耗能构件及其设计方法》(申请号：201710425071.X)、《抗震保温隔声一体化墙》(申请号：201710552568.8)的进一步应用开发。
本申请首要目的，给出一种波纹钢板—铅复合构件。进一步应用开发，本发明第二目的公开一种加工简单，成本较低，易于安装，易于更换，用较小截面即可满足设计要求，通过特殊设计可以实现小震和中、大震下均可消能减震的双阶段减震的复合型双功能构件。
为此，本申请公开了所述双阶段减震的复合型双功能构件的设计实现方法。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
一种波纹钢板-可调节铅复合双功能构件的设计方法，其特征在于：
一、复合的波纹钢板构件的设计步骤
结构包括斜波纹钢板1，边缘约束构件2，铅阻尼器3，连接端板4，铅块夹具5。波纹钢板1四周焊接在由边缘约束构件2和连接端板4围成的框架之内。铅阻尼器3分别灌注在各个边缘约束构件2腹板两侧。边缘约束构件2为T字型钢。
进一步，波纹钢板1，为波纹钢板墙，其钢板截面为梯形波纹。
进一步，边缘约束构件2位于无屈曲波纹钢板1左右两侧，边缘约束构件2呈左右布置上下分别焊接有连接端板4以形成框架。
进一步，铅阻尼器3即为铅块。铅块放置在边缘约束构件2和铅块夹具5之间，从而形成复合双功能构件。
进一步，连接端板4位于波纹钢板1和边缘约束构件2的上下两侧。
进一步，铅块夹具5由端板51与夹板52组成，两块夹板52焊接在端之上。
铅块夹具5焊接在连接端板4上，铅块夹具5两块夹板51分别与焊接在边缘约束构件2的腹板两侧的铅阻尼器3焊接。
二、双阶段减震机理步骤
在小震下铅阻尼器3先屈服耗能减震，波纹钢板保持弹性1体保持弹性为结构提供刚度；在大震下铅阻尼器3与波纹钢板墙1屈服耗能减震。
进一步，为了实现铅阻尼器3和波纹钢板墙1的两阶段工作，首先根据铅阻尼器3和波纹钢板墙1的设计方法确定材料参数和装置尺寸。然后，根据结构的两阶段抗震需求确定铅阻尼器与波纹钢板墙的刚度比和屈服承载力比来控制铅双铅复合双功能构件的屈服位移比。
进一步，通过调整铅块3的数量、在T形边缘构件2腹板处的位置、以及宽度、厚度，实现对T形边缘构件2的屈曲约束作用。
如此，上述技术方案：
解决了问题一：小震下，波纹钢板墙1提高了结构的刚度，同时也提高了输入结构的地震作用，即使在接近场地特征周期时，波纹钢板墙提高结构刚度引起的结构楼层层间位移减小量，当小于因结构刚度提高地震作用增大引起的结构楼层层间位移增大量时，本申请由于通过其调整铅阻尼器3以即可满足小震情况下弹性设计要求，显然，极具有推广意义。
解决了问题二：在多高层建筑结构中，为保证结构各个楼层刚度和承载力的均匀，波纹钢板墙采用通高布置，此时，底层波纹钢板墙边缘构件的轴力会由于上部边缘构件的轴力逐层累积并向下传递而变得非常大。由于本申请通过调整铅块3的数量、在T形边缘构件2腹板处的位置、以及宽度、厚度等尺寸，实现对T形边缘构件2的屈曲约束作用，因此边缘构件2在上部边缘构件轴力的逐层(建筑楼层)累积作用下，可进入屈服且不会失稳，边缘构件在轴力下避免发生面外屈曲，始终能为波纹钢板1提供足够的边界约束，从而波纹钢板墙1能始终充分发挥作用，因此，具有规模化推广的意义。
与现有技术相比，本发明有以下特点：
(1)双阶段抗震，在小震下铅阻尼器先屈服耗能减震，波纹钢板墙保持弹性为结构提供刚度。在大震下铅阻尼器与波纹钢板墙屈服耗能减震。
(2)铅块数量、尺寸可以变化，小震下的耗能能力根据结构需求可调。
(3)T型边缘构件受到两侧铅块和铅块夹具的平面外约束，在截面屈服后仍然不会失稳，保证波纹钢板墙正常发挥作用。
(4)边缘构件得到面外约束，因此可在轴力作用下进入弹塑性屈服，从而控制边缘构件轴力不会过大，避免了波纹钢板墙强化过大导致节点需求过大的问题。并实现通过调整边缘构件的截面，调节边缘构件在大震下的轴力，从而提高复合构件在大震下的经济性和耗能能力。
附图说明
图1为实施例复合双功能构件的正视图。
图2为实施例复合双功能构件的1-1剖面图。
图3为实施例复合双功能构件的2-2剖面图。
图4为实施例提供的铅块夹具正视a图、铅块夹具俯视b图。
图5为实施例应用场景图。
图6为实施例2中假定波纹钢板墙1的反弯点在一半墙高处受力机理示意图。
图7为实施例2中能量耗散系数E用某循环滞回环包围的面积与滞回环卸荷点至横坐标轴之间三角形面积之比示意图。
图7中各个字母表示：
C：滞回环卸荷点；
F：最大承载力点(反向加载)所对应的位移；
B：正向加载最大承载力点。
图中横坐标上的E点只是为了方便公式(三角形OBE的面积)进行表示，并不表示能量耗散系数。
具体实施方式
以下将通过具体实施例来对本发明提供的波纹钢板铅复合双功能构件进行详细说明。
实施例1
基础技术方案
鉴于目前没有一种结构简单易于安装，易于更换，可以实现双阶段抗震控制的复合型双功能构件。本发明提出了一种波纹钢板铅复合双功能构件。该装置安装在框架结构的上下连梁，利用地震时引发结构的层间位移引起波纹钢板的剪切塑性变形，从而提供阻尼力。该装置可以实现双阶段减震，在小震下铅阻尼器先屈服耗能减震，波纹钢板墙保持弹性为结构提供刚度。在大震下铅阻尼器与波纹钢板墙屈服耗能减震。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种复合的波纹钢板构件，其特征在于：
本申请装置包括斜波纹钢板1，边缘约束构件2，铅阻尼器3，连接端板4，铅块夹具5；
进一步，波纹钢板1，即又名波纹钢板墙，其钢板截面为梯形波纹，钢板弯曲出梯形波纹。(为现有技术，其设计和构件特性公开于《无屈曲波形结构耗能构件及其设计方法》，YG-379-I YG-380-I)波纹钢板1波型为无屈曲波型，可保证波纹钢板在墙高(墙体上连接端板到下连接端板的垂直距离)的1/50水平剪切变形下不发生面外屈曲。
进一步，边缘约束构件2位于无屈曲波纹钢板1左右两侧，边缘约束构件2呈左右布置上下分别焊接有连接端板4以形成框架。波纹钢板1四周焊接在由边缘约束构件2和连接端板4围成的框架之内。铅阻尼器3分别灌注在各个边缘约束构件2腹板两侧。边缘约束构件2举例而非限制，具体可以为T字型钢。
进一步，铅阻尼器3即为铅块。铅块放置在边缘约束构件2和铅块夹具5之间，从而形成复合双功能构件。
进一步，连接端板4位于波纹钢板1和边缘约束构件2的上下两侧，连接端板4预开螺栓孔用于与上下连梁固定。无屈曲波纹钢板1与边缘约束构件之间焊接，然后共同焊接在连接端板4上。
进一步，如图4所示，铅块夹具5由端板51与夹板52组成，两块夹板52焊接在端之上。
铅块夹具5焊接在连接端板4上，铅块夹具5两块夹板51分别与焊接在边缘约束构件2的腹板两侧的铅阻尼器3焊接。
如图5所示，本申请装置安装在建筑的框架结构的上下连梁之间，利用地震时引发结构的层间位移引起波纹钢板1的剪切塑性变形，从而提供阻尼力。
本申请装置在小震下铅阻尼器3先屈服耗能减震，波纹钢板保持弹性1体保持弹性为结构提供刚度；在大震下铅阻尼器3与波纹钢板墙1屈服耗能减震，从而实现基本的双阶段减震模式。
实施例2
本实施例在实施例1基础上，进一步给出波纹钢板-可调节铅复合双功能构件的设计方法，其特征在于：
一、结构设计
参照实施例1，本实施例装置包括斜波纹钢板1，边缘约束构件2，铅阻尼器3，连接端板4，铅块夹具5；
进一步，波纹钢板1，即又名波纹钢板墙，其钢板截面为梯形波纹，钢板弯曲出梯形波纹。(为现有技术，其设计和构件特性公开于《无屈曲波形结构耗能构件及其设计方法》，YG-379-I YG-380-I)波纹钢板1波型为无屈曲波型，可保证波纹钢板在墙高(墙体上连接端板到下连接端板的垂直距离)的1/50水平剪切变形下不发生面外屈曲。
进一步，边缘约束构件2位于无屈曲波纹钢板1左右两侧，边缘约束构件2呈左右布置上下分别焊接有连接端板4以形成框架。波纹钢板1四周焊接在由边缘约束构件2和连接端板4围成的框架之内。铅阻尼器3分别灌注在各个边缘约束构件2腹板两侧1/2处和1/4处。如果墙体过高则可以在1/3处补充布置。
进一步，边缘约束构件2为T字型钢。
铅阻尼器3即为铅块。铅块放置在边缘约束构件2和铅块夹具5之间，从而形成复合双功能构件。
进一步，连接端板4位于波纹钢板1和边缘约束构件2的上下两侧，连接端板4预开螺栓孔用于与上下连梁固定。无屈曲波纹钢板1与边缘约束构件之间焊接，然后共同焊接在连接端板4上。
进一步，铅块夹具5由端板51与夹板52组成，两块夹板52焊接在端之上。
最后铅块夹具5焊接在连接端板4上，铅块夹具5两块夹板51分别与焊接在边缘约束构件2的腹板两侧的铅阻尼器3焊接。
本申请装置安装在建筑的框架结构的上下连梁之间，利用地震时引发结构的层间位移引起波纹钢板1的剪切塑性变形，从而提供阻尼力。
二、双阶段减震机理
本申请装置可以实现双阶段减震，在小震下铅阻尼器3先屈服耗能减震，波纹钢板保持弹性1体保持弹性为结构提供刚度；在大震下铅阻尼器3与波纹钢板墙1屈服耗能减震。在中、大震下波纹钢板1进入屈服，与铅块3共同耗能减震。设计时，可通过调整铅块3的数量、尺寸等参数，根据结构耗能需求，调节本申请复合构件在小震下的耗能能力，以及通过调整边缘构件2的截面，调节边缘构件2在大震下的轴力，从而提高复合构件在大震下的经济性和耗能能力。
进一步，为了实现铅阻尼器3和波纹钢板墙1的两阶段工作，首先根据铅阻尼器3和波纹钢板墙1的设计方法确定材料参数和装置尺寸。然后，根据结构的两阶段抗震需求确定铅阻尼器与波纹钢板墙的刚度比和屈服承载力比来控制铅双铅复合双功能构件的屈服位移比。屈服位移比是决定波纹钢板墙何时工作的重要参数。
三、进一步具体阐述机理和效果验证。
参照中国专利申请“波纹钢板墙-转动铅阻尼器双功能复合减震装置及其双阶段抗震控制方法”(申请号：2020102623479，申请日：2020年04月06日)，简称在先申请。
本申请双阶减震原理与所述在先申请“波纹钢板墙-转动铅阻尼器双功能复合减震装置及其双阶段抗震控制方法”相近，唯一的区别在于：本申请铅阻尼器是通过水平剪切起作用，而在先申请是通过转动剪切起作用。
(1)通过调整铅阻尼器3的数量、尺寸等参数，可根据结构在小震下的耗能需求，调节复合构件在小震下的耗能能力。
(2)通过调整铅块3的数量、在T形边缘构件2腹板处的位置、以及宽度、厚度等尺寸，实现对T形边缘构件2的屈曲约束作用，因此边缘构件2在上部边缘构件轴力的逐层(建 筑楼层)累积作用下，可进入屈服且不会失稳，实现了边缘构件截面不用做的太大来保持弹性，经济性更好。
(3)边缘构件2进入屈服后，其轴力P上升非常有限，假定波纹钢板墙1的反弯点在一半墙高处，波纹钢板墙1高度为H，边缘构件2中心线距离为B，边缘构件轴力为P，波纹钢板剪力为V，则波纹钢板墙1的剪力V可表示为：
V＝2*P*B/H (公式一)
如图6所示。
从反弯点处将波纹钢板墙切开取隔离体，根据力矩的平衡关系得公式一。从上式可以看出，当轴力P上升较小时，波纹钢板剪力V上升也会较小，从而有效控制了波纹钢板墙 1的承载力强化，节点需求变小，设计可更为经济。
效果验证步骤，如图7所示：
(4)本申请构件的耗能性能可以用能量耗散系数E来衡量。能量耗散系数E用某循环滞回环包围的面积与滞回环卸荷点至横坐标轴之间三角形面积之比来定义，如图7确定，并按公式二计算:
Figure BDA0002621626050000081
当构件强化明显时，其滞回环呈梭形，当构件强化不明显时，滞回环呈平行四边形，显然，平行四边形的能量耗散系数比梭形更大，因此，实现了波纹钢板墙大震下耗能能力的可调。
如此，上述技术方案：
解决了问题一：小震下，波纹钢板墙1提高了结构的刚度，同时也提高了输入结构的地震作用，即使在接近场地特征周期时，波纹钢板墙提高结构刚度引起的结构楼层层间位移减小量，当小于因结构刚度提高地震作用增大引起的结构楼层层间位移增大量时，本申请由于通过其调整铅阻尼器3以即可满足小震情况下弹性设计要求，显然，具有推广意义。
解决了问题二：在多高层建筑结构中，为保证结构各个楼层刚度和承载力的均匀，波纹钢板墙采用通高布置，此时，底层波纹钢板墙边缘构件的轴力会由于上部边缘构件的轴力逐层累积并向下传递而变得非常大。由于本申请通过调整铅块3的数量、在T形边缘构件2腹板处的位置、以及宽度、厚度等尺寸，实现对T形边缘构件2的屈曲约束作用，因此边缘构件2在上部边缘构件轴力的逐层(建筑楼层)累积作用下，可进入屈服且不会失稳，边缘构件在轴力下避免发生面外屈曲，始终能为波纹钢板1提供足够的边界约束，从而波纹钢板墙1能始终充分发挥作用，因此，具有规模化推广的意义。
解决了问题三：大震下边缘构件2进入屈服后，其轴力P上升非常有限，当轴力P上 升较小时，波纹钢板剪力V上升也会较小，从而有效控制了波纹钢板墙1的承载力强化，节点 需求变小，设计可更为经济。

Claims (9)

1.一种可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于，
一、复合的波纹钢板构件的设计步骤
包括斜波纹钢板(1)，边缘约束构件(2)，铅阻尼器(3)，连接端板(4)，铅块夹具(5)；波纹钢板(1)四周焊接在由边缘约束构件(2)和连接端板(4)围成的框架之内；铅阻尼器(3)分别灌注在各个边缘约束构件(2)腹板两侧；边缘约束构件(2)为T字型钢；
二、双阶段减震机理设计步骤
在小震下铅阻尼器(3)先屈服耗能减震，波纹钢板保持弹性(1)体保持弹性为结构提供刚度；
在大震下铅阻尼器(3)与波纹钢板墙(1)屈服耗能减震。
2.如权利要求1所述的可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于：波纹钢板(1)，为波纹钢板墙，其钢板截面为梯形波纹。
3.如权利要求1所述的可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于：边缘约束构件(2)位于无屈曲波纹钢板(1)左右两侧，边缘约束构件(2)呈左右布置上下分别焊接有连接端板(4)以形成框架。
4.如权利要求1所述的可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于：铅阻尼器(3)即为铅块；铅块放置在边缘约束构件(2)和铅块夹具(5)之间，从而形成复合双功能构件。
5.如权利要求1所述的可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于：连接端板(4)位于波纹钢板(1)和边缘约束构件(2)的上下两侧。
6.如权利要求1所述的可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于：铅块夹具(5)由端板(51)与夹板(52)组成，两块夹板(52)焊接在端之上。
7.如权利要求1所述的可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于：铅块夹具(5)焊接在连接端板(4)上，铅块夹具(5)两块夹(52)分别与焊接在边缘约束构件(2)的腹板两侧的铅阻尼器(3)焊接。
8.如权利要求1所述的可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于：为了实现铅阻尼器(3)和波纹钢板墙(1)的两阶段工作，首先根据铅阻尼器(3)和波纹钢板墙(1)的设计方法确定材料参数和装置尺寸；然后，根据结构的两阶段抗震需求确定铅阻尼器与波纹钢板墙的刚度比和屈服承载力比来控制铅双铅复合双功能构件的屈服位移比。
9.如权利要求1所述的可调节的波纹钢板—铅复合双功能构件设计方法，其特征在于：通过调整铅块(3)的数量、在T形边缘构件(2)腹板处的位置、以及宽度、厚度，实现对T形边缘构件(2)的屈曲约束作用。
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