CN113123463B - 一种可恢复耗能能力增强的钢框架 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可恢复耗能能力增强的钢框架，包括框架柱和至少一个结构单元，结构单元包括两个T型梁，两个T型梁相互平行且连接于两个框架柱之间，两个T型梁能够相对横向移动，每个T型梁的两端均通过梁腋组件与框架柱连接，且梁腋组件具有与框架柱固连的固定部以及与框架柱横向滑动连接的连接部，两个T型梁的同向端部腹板两侧各设有一个与其滑动摩擦的摩擦外板，且两个摩擦外板通过弹性复位组件与T型梁连接。本发明通过T型梁的腹板与摩擦外板间的摩擦滑动起到耗能作用，通过弹性复位组件实现自复位功能，通过两个T型梁的相互横向错动机制，可避免楼板被拉裂或顶裂，增强了框架梁的耗能功能和可恢复功能，且能满足不同层次的抗震需求。

Description

一种可恢复耗能能力增强的钢框架
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，特别是涉及一种可恢复耗能能力增强的钢框架。
背景技术
随着抗震设计方法的发展和广泛应用，建筑物在地震中出现的倒塌现象得到了有效控制，人员伤亡数量也大幅下降，然而地震所造成的经济损失仍然巨大。传统的抗震设计方法通过增强结构构件的抗力和延性等措施来改善结构的抗震性能，依靠构件的塑性变形来耗散地震能量，即所谓的“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”，这样的设计方法往往使得构件在震后产生严重损坏以及较大的残余变形，给修复工作带来困难，不仅造成昂贵的修复费用，而且由于修复时间过长，建筑功能中断，从而影响正常的生产和生活。
在此背景下，可恢复功能结构应运而生，这种结构在震后无需修复或稍加修复即可恢复使用功能。目前钢框架普遍采用后张预应力梁柱节点实现可恢复耗能功能，该节点通过张拉预应力钢绞线连接梁柱，并在节点处设置耗能器，依靠梁柱节点的张开闭合达到耗能目的。然而，这种节点变形机制不仅需要配套复杂的楼板构造来避免楼板被拉裂或顶裂，而且需要现场张拉预应力钢绞线，给施工带来不便。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可恢复耗能能力增强的钢框架，用于解决现有技术中建筑物构件在震后产生严重变形而难于恢复的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可恢复耗能能力增强的钢框架，包括框架柱和至少一个结构单元，所述结构单元包括上、下两个T型梁，两个所述T型梁相互平行且连接于两个所述框架柱之间，两个所述T型梁能够相对横向移动，两个所述T型梁的窄端面相对设置，每个所述T型梁的两端均通过梁腋组件与框架柱连接，且所述梁腋组件具有与所述框架柱固连的固定部以及与所述框架柱横向滑动连接的连接部，两个所述T型梁的同向端部腹板两侧各设有一个与其滑动摩擦的摩擦外板，且两个所述摩擦外板通过弹性复位组件与T型梁连接。
进一步，所述梁腋组件包括梁腋横板、梁腋斜板以及连接于梁腋横板和梁腋斜板之间的梁腋腹板，所述梁腋横板与所述T型梁的宽端面螺接，所述梁腋斜板构成所述固定部并通过倾斜设置的翼缘板与框架柱连接，所述梁腋腹板构成所述连接部并通过横向设置的抗剪连接板与框架柱连接。
进一步，所述抗剪连接板上设有连接板槽孔，所述梁腋腹板上设有腹板连接孔，通过螺栓连接所述腹板连接孔与连接板槽孔，以使所述梁腋腹板与抗剪连接板之间能够相对横向移动。
进一步，所述T型梁的宽端面上对称设置有两排第一螺栓孔，所述梁腋横板上对应设置有两排第二螺栓孔，通过螺栓连接所述第一螺栓孔和第二螺栓孔，以使所述梁腋横板与T型梁连接。
进一步，所述弹性复位组件包括高强螺栓和碟形垫片，所述高强螺栓将两个摩擦外板连接于T型梁的腹板上，所述碟形垫片由高强螺栓压紧在摩擦外板上。
进一步，所述T型梁的两端腹板上间隔开设有多个横向滑槽，所述摩擦外板上对应设置有多个外板螺栓孔，所述弹性复位组件连接在所述外板螺栓孔和横向滑槽上。
进一步，所述T型梁的腹板两侧设置有第一摩擦面，所述摩擦外板与T型梁的腹板相对的一侧设置有第二摩擦面，所述第一摩擦面和第二摩擦面相互交错嵌合；所述第一摩擦面与第二摩擦面均具有摩擦坡面段和摩擦平面段，所述T型梁与摩擦外板的摩擦系数值小于摩擦坡面段倾斜角度的正切值。
进一步，所述框架柱上沿竖直方向设置有加强肋，且每个所述加强肋对应于一个梁腋组件。
进一步，多个所述结构单元在竖直方向上依次连接，并共用一个框架柱。
进一步，多个所述结构单元在水平方向上依次连接，且两个相邻的所述结构单元共用一个框架柱。
如上所述，本发明的一种可恢复耗能能力增强的钢框架，具有以下有益效果：
1)本发明可以有效避免楼板由于自复位功能被拉裂或顶裂。本发明通过T型梁的相互横向错动机制进行耗能，耗能过程中梁柱节点不会张开，坡角形成的膨胀机制位于T型梁两侧，因此既不会引起柱距变化，也不会顶起楼板，从而避免楼板由于增设自复位功能而被拉裂或顶裂。
2)本发明在不增加框架梁用钢成本的前提下，有效增强了框架梁的耗能功能和可恢复功能。并且，梁内采用“两段式”变形机制，即将两个T型梁之间的相互错动变形分成两部分，在弹性复位组件的弹性变形能力相同的前提下，本发明所采用的变形方式具有更大的弹性变形范围。
3)通过增设梁腋组件的方式增大了梁端的截面，且增大了梁内摩擦滑动抗力的力臂，使得框架结构的抗侧能力得到显著提升，提高了框架梁的承载能力。
4)本发明通过T型梁端部的腹板与摩擦外板之间的摩擦滑动起到耗能的作用，通过弹性复位组件的弹性恢复力实现自复位功能。本发明通过将传统梁的整体弯曲转化为两个分离T型梁的轴向变形，摩擦外板和T型梁的摩擦力可以通过弹性复位组件中高强螺栓的个数和预紧力，以及摩擦坡面段的角度和摩擦系数来改变，自复位能力可以通过多个碟形垫片的串联和并联来调整，实现了耗能功能和可恢复功能可控。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可恢复耗能能力增强的钢框架的立体结构图；
图2为本发明实施例提供的一种可恢复耗能能力增强的钢框架的正视图；
图3为图2的A-A剖面图；
图4为图2中梁腋的立体结构图；
图5为图2中抗剪连接板的立体结构图；
图6a和图6b为图2中T型钢梁的正视图和仰视图；
图7a和图7b为图2中摩擦外板的立体结构图和俯视图；
图8为本发明向左位移时的工作示意图；
图9为本发明向右位移时的工作示意图；
图10为图8中钢梁的正视图；
图11为图9中钢梁的正视图；
图12为图10的B-B剖面图；
图13为图11的C-C剖面图。
附图标记说明
1-框架柱；
2-梁腋组件；21-梁腋横板；211-第二螺栓孔；22-梁腋腹板；221-腹板连接孔；23-梁腋斜板；
3-T型梁；31-宽端面；311-第一螺栓孔；32-腹板；33-第一摩擦面；331-第一摩擦平面段；332-第一摩擦坡面段；34-横向滑槽；
4-摩擦外板；41-第二摩擦面；411-第二摩擦平面段；412-第二摩擦坡面段；42-外板螺栓孔；
5-抗剪连接板；51-连接板槽孔；
6-翼缘板；7-加强肋；8-弹性复位组件；81-高强螺栓；82-碟形垫片。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请结合图1至图7b所示，本发明提供一种可恢复耗能能力增强的钢框架，本实施例中，包括两个框架柱1和一个结构单元，所述结构单元包括上、下两个T型梁3，两个所述T型梁3相互平行且连接于两个所述框架柱1之间，两个所述T型梁3能够相对横向移动，两个所述T型梁3的窄端面相对设置，每个所述T型梁3的两端均通过梁腋组件2与框架柱1连接，且所述梁腋组件2具有与所述框架柱1固连的固定部以及与所述框架柱1横向滑动连接的连接部，两个所述T型梁3的同向端部腹板32两侧各设有一个与其滑动摩擦的摩擦外板4，且两个所述摩擦外板4通过弹性复位组件8与T型梁3连接。
具体的，通过T型梁3端部的腹板32和摩擦外板4之间的摩擦滑动来吸收能量起到耗能的作用，并通过弹性复位组件8的弹性恢复力实现自复位功能。并且，由于依靠两个T型梁3的相互错动进行耗能，耗能过程中梁柱节点没有张开，坡角形成的膨胀机制位于梁两侧，因此即不会引起柱距的变化，也不会将楼板顶起，从而避免楼板由于增设自复位功能被拉裂或顶裂。
通过采用“两段式”变形机制，即将两个T型梁3之间的相互错动变形分成两部分，在弹性复位组件8的弹性变形能力相同的前提下，本发明所采用的变形方式具有更大的弹性变形范围。
其中，所述梁腋组件2包括梁腋横板21、梁腋斜板23以及连接于梁腋横板21和梁腋斜板23之间的梁腋腹板22，所述梁腋横板21与所述T型梁3的宽端面31螺接，所述梁腋斜板23构成所述固定部并通过倾斜设置的翼缘板6与框架柱1连接，所述梁腋腹板22构成所述连接部并通过横向设置的抗剪连接板5与框架柱1连接。本实施例中，所述翼缘板6的两端分别与梁腋斜板23和框架柱1焊接，所述抗剪连接板5的一端与梁腋腹板22滑动连接，另一端与框架柱1焊接，所述抗剪连接板5位于翼缘板6的下方。通过在T型梁3的端部设置梁腋组件2的方式增大了梁端的截面，且增大了梁内摩擦滑动抗力的力臂，使得框架结构的抗侧能力得到显著提升，提高了框架梁的承载能力。
本实施例中，所述抗剪连接板5上设有连接板槽孔51，所述连接板槽孔51呈长条孔，所述梁腋腹板22上设有腹板连接孔221，通过螺栓连接所述腹板连接孔221与连接板槽孔51，以使所述梁腋腹板22与抗剪连接板5之间能够相对横向移动。
本实施例中，所述T型梁3的宽端面31上对称设置有两排第一螺栓孔311，所述梁腋横板21上对应设置有两排第二螺栓孔211，通过螺栓连接所述第一螺栓孔311和第二螺栓孔211，以使所述梁腋横板21与T型梁3连接。
所述弹性复位组件8包括高强螺栓81和碟形垫片82，所述高强螺栓81将两个摩擦外板4连接于T型梁3的腹板32上，所述碟形垫片82由高强螺栓81压紧在摩擦外板4上。所述碟形垫片82可为多个串联或并联，以增强碟形垫片82的弹性复位力。
其中，所述T型梁3的两端腹板32上间隔开设有多个横向滑槽34，所述摩擦外板4上对应设置有多个外板螺栓孔42，所述弹性复位组件8连接在所述外板螺栓孔42和横向滑槽34上。本实施例中，每个T型梁3的两端腹板32上各开设有3个横向滑槽34，相应地，摩擦外板4上设置有3组外板螺栓孔42，每组外板螺栓孔42包括2个外板螺栓孔，分别对应于上、下两个T型梁3上的横向滑槽34。此种结构，便于高强螺栓81能够在横向滑槽34中滑动，从而使摩擦外板4与T型梁3之间产生横向位移。
并且，所述T型梁3的腹板32两侧设置有第一摩擦面33，所述摩擦外板4与T型梁3的腹板32相对的一侧设置有第二摩擦面41，所述第一摩擦面33和第二摩擦面41相互交错嵌合；所述第一摩擦面33与第二摩擦面41均具有摩擦坡面段和摩擦平面段，所述T型梁3与摩擦外板4的摩擦系数值小于摩擦坡面段倾斜角度的正切值。
本实施例中，所述第一摩擦面33包括第一摩擦平面段331和第一摩擦坡面段332，所述第一摩擦坡面段332连接于两个第一摩擦平面段331之间，呈起伏状态；所述第二摩擦面41包括第二摩擦平面段411和第二摩擦坡面段412，所述第二摩擦坡面段412连接于两个第二摩擦平面段411之间，呈起伏状态。所述第一摩擦平面段331对应于第二摩擦平面段411，所述第一摩擦坡面段332对应于第二摩擦坡面段412，二者交错起伏嵌合。此种结构，保证摩擦外板4与T型梁3腹板32之间的摩擦滑动，从而起到吸收耗能的作用。
本发明通过将传统梁的整体弯曲转化为两个分离体的轴向变形，实现了耗能功能和可恢复功能可控。具体的，摩擦外板4与T型梁3之间的摩擦力可以通过调节高强螺栓81的个数和预紧力，以及摩擦坡面段的角度和摩擦系数来改变，自复位能力可以通过多个碟形垫片82的串联和并联来调整，从而使得该结构可以满足不同层次的抗震需求。
为了增强框架柱1的自身强度，所述框架柱1上沿竖直方向设置有加强肋7，且每个所述加强肋7对应于一个梁腋组件2。
另外，本发明在另一实施例中，可设置多个结构单元，多个所述结构单元在竖直方向上依次连接，并共用一个框架柱。
本发明在又一实施例中，可设置多个结构单元，多个所述结构单元在水平方向上依次连接，且两个相邻的所述结构单元共用一个框架柱。
由于本发明中的所有构件均通过螺栓连接和焊接组装，便于工厂批量生产，具有良好的经济效益。
本发明的工作原理如图8至图13所示，本发明的整体钢框架受到横向荷载作用时会发生侧向变形，并引起框架柱1发生倾斜，进而导致两个T型梁3产生水平错动，此过程中摩擦外板4和T型梁3端部的摩擦滑动起到耗能的作用。由于滑动摩擦面存在摩擦坡面段，使得T型梁3与摩擦外板4的间距增大，从而挤压套在高强螺栓81上的碟形垫片82，将部分地震能量以弹性变形能的形式储存在碟形垫片82中。当横向荷载消失或减弱时，碟形垫片82中的弹性变形能得到释放，弹性挤压力会克服T型梁3的腹板32与摩擦外板4之间的滑动摩擦力，使结构重新回到初始位置，由此可见，该结构有效融合了摩擦耗能和自复位功能。
综上，在本发明实施例提供的一种可恢复耗能能力增强的钢框架中，通过T型梁端部的腹板与摩擦外板之间的摩擦滑动起到耗能的作用，通过弹性复位组件的弹性恢复力实现自复位功能，通过T型梁的相互横向错动机制进行耗能，可以有效避免楼板由于自复位功能被拉裂或顶裂；在不增加框架梁用钢成本的前提下，有效增强了框架梁的耗能功能和可恢复功能；通过将传统梁的整体弯曲转化为两个分离T型梁的轴向变形，实现了耗能功能和可恢复功能可控，构造简单、施工便捷、易于维修。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种可恢复耗能能力增强的钢框架，其特征在于：包括框架柱和至少一个结构单元，所述结构单元包括上、下两个T型梁，两个所述T型梁相互平行且连接于两个所述框架柱之间，两个所述T型梁能够相对横向移动，两个所述T型梁的窄端面相对设置，每个所述T型梁的两端均通过梁腋组件与框架柱连接，且所述梁腋组件具有与所述框架柱固连的固定部以及与所述框架柱横向滑动连接的连接部，两个所述T型梁的同向端部腹板两侧各设有一个与其滑动摩擦的摩擦外板，且两个所述摩擦外板通过弹性复位组件与T型梁连接，所述弹性复位组件包括高强螺栓和碟形垫片，所述高强螺栓将两个摩擦外板连接于T型梁的腹板上，所述碟形垫片由高强螺栓压紧在摩擦外板上。
2.根据权利要求1所述的一种可恢复耗能能力增强的钢框架，其特征在于：所述梁腋组件包括梁腋横板、梁腋斜板以及连接于梁腋横板和梁腋斜板之间的梁腋腹板，所述梁腋横板与所述T型梁的宽端面螺接，所述梁腋斜板构成所述固定部并通过倾斜设置的翼缘板与框架柱连接，所述梁腋腹板构成所述连接部并通过横向设置的抗剪连接板与框架柱连接。
3.根据权利要求2所述的一种可恢复耗能能力增强的钢框架，其特征在于：所述抗剪连接板上设有连接板槽孔，所述梁腋腹板上设有腹板连接孔，通过螺栓连接所述腹板连接孔与连接板槽孔，以使所述梁腋腹板与抗剪连接板之间能够相对横向移动。
4.根据权利要求2所述的一种可恢复耗能能力增强的钢框架，其特征在于：所述T型梁的宽端面上对称设置有两排第一螺栓孔，所述梁腋横板上对应设置有两排第二螺栓孔，通过螺栓连接所述第一螺栓孔和第二螺栓孔，以使所述梁腋横板与T型梁连接。
5.根据权利要求1所述的一种可恢复耗能能力增强的钢框架，其特征在于：所述T型梁的两端腹板上间隔开设有多个横向滑槽，所述摩擦外板上对应设置有多个外板螺栓孔，所述弹性复位组件连接在所述外板螺栓孔和横向滑槽上。
6.根据权利要求1所述的一种可恢复耗能能力增强的钢框架，其特征在于：所述T型梁的腹板两侧设置有第一摩擦面，所述摩擦外板与T型梁的腹板相对的一侧设置有第二摩擦面，所述第一摩擦面和第二摩擦面相互交错嵌合；所述第一摩擦面与第二摩擦面均具有摩擦坡面段和摩擦平面段，所述T型梁与摩擦外板的摩擦系数值小于摩擦坡面段倾斜角度的正切值。
7.根据权利要求1所述的一种可恢复耗能能力增强的钢框架，其特征在于：所述框架柱上沿竖直方向设置有加强肋，且每个所述加强肋对应于一个梁腋组件。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种可恢复耗能能力增强的钢框架，其特征在于：多个所述结构单元在竖直方向上依次连接，并共用一个框架柱。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的一种可恢复耗能能力增强的钢框架，其特征在于：多个所述结构单元在水平方向上依次连接，且两个相邻的所述结构单元共用一个框架柱。
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