CN113931312A - 一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系及设计方法，结构体系包括装配式剪力墙和框架柱，在相邻的装配式剪力墙与框架柱之间安装有主梁，在相邻的框架柱与框架柱之间安装有主梁，在主梁、装配式剪力墙和框架柱构成的垂直于装配式剪力墙的楼板层上安装有次梁，在主梁跨中安装有金属阻尼器，在金属阻尼器的下方设置支撑。设计方法包括确定主梁、次梁和叠合板组合楼盖的设计方案，确定装配式剪力墙和框架柱的设计方案、金属阻尼器和支撑的设计方案、连接节点的设计方案。结构体系与设计方法可以将重力与侧力系统分离，便于构件的标准化设计与制作，降低工程成本，增强结构在地震作用下的耗能能力，提升结构的抗震安全性。

Description

一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系及设计方法
技术领域
本发明涉及土木结构工程技术领域，特别是指一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系及设计方法。
背景技术
装配式建筑由于施工快速、节能环保在实际工程中得到广泛应用。然而，现有的装配式建筑重力与侧力系统耦合在一起，梁柱等构件内力会随着楼层变化，不便于构件的标准化设计与制作，导致预制构件种类繁多、连接构造复杂、难以降低施工成本。
发明内容
本发明提供了一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系及设计方法，现有的装配式建筑具有以下问题，装配式建筑重力与侧力系统耦合在一起，梁柱等构件内力会随着楼层变化，不便于构件的标准化设计与制作，预制构件种类繁多，结构复杂，成本高。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
本发明实施例提供一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系，包括装配式剪力墙和框架柱，在相邻的所述装配式剪力墙与所述框架柱之间安装有主梁，在相邻的所述框架柱与所述框架柱之间安装有主梁，在所述主梁、所述装配式剪力墙和所述框架柱构成的垂直于所述装配式剪力墙的楼板层上安装有次梁，在所述主梁跨中安装有金属阻尼器，在所述金属阻尼器的下方设置支撑。
优选地，所述装配式剪力墙布置在所述装配式消能结构体系的周围边角处。
优选地，所述装配式剪力墙布置在相邻的所述框架柱之间。
优选地，所述金属阻尼器包括上端板和下端板，在所述上端板和所述下端板之间设置有阻尼器翼缘，在一对所述阻尼器翼缘之间设置有阻尼器腹板和阻尼器加劲肋，所述上端板安装在所述主梁跨中处，所述下端板与与其相邻的所述框架柱之间安装有支撑。
优选地，在所述楼板层上铺设混凝土预制板，在所述混凝土预制板上浇筑混凝土。
优选地，在所述装配式剪力墙上远离所述框架柱一侧设置边缘约束构件，在所述装配式剪力墙上与所述主梁的连接处预留牛腿。
优选地，在所述装配式剪力墙的两侧设置有边缘约束构件，在所述装配式剪力墙上与所述主梁的连接处预留牛腿。
优选地，所述装配式剪力墙在工厂预制，所述装配式剪力墙采用钢板剪力墙、混凝土剪力墙或钢-混凝土组合剪力墙。
优选地，在所述框架柱上设有牛腿，所述牛腿的腹板和所述主梁的腹板通过节点板连接，所述主梁的上下翼缘不焊接，所述次梁的上下翼缘不焊接。
本发明实施例提供一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系设计方法，所述设计方法用于设计所述重力与侧力分离的装配式消能结构体系，所述设计方法包括：
确定主梁、次梁和叠合板组合楼盖的设计方案，根据设计条件给定的竖向重力荷载，设计叠合板组合楼盖的配筋，保证承载力和刚度符合规范要求，设计混凝土预制板的尺寸，按照简支组合梁设计主梁和次梁截面尺寸；
确定装配式剪力墙和框架柱的设计方案，根据结构柱网和建筑布置需求确定装配式剪力墙选型和布置方案，按照层间位移角设计要求确定装配式剪力墙的截面尺寸，对装配式剪力墙的正截面受拉受压承载力和斜截面受剪承载力进行验算，验算框架柱的压弯承载能力；
确定金属阻尼器和支撑的设计方案，金属阻尼器的剪切屈服承载力应介于多遇地震作用下的剪力设计值与设防地震作用下的剪力设计值之间，金属阻尼器的剪切极限承载力应小于周围结构构件屈服时金属阻尼器的剪力设计值，支撑为轴心受力构件，在侧向荷载作用下应保持在弹性状态且不发生失稳；
确定连接节点的设计方案。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
上述方案中，重力与侧力分离的装配式消能结构体系将重力与侧力系统分离，通过梁端节点铰接实现重力系统和侧力系统的分离，重力系统主要包括主梁、次梁、框架柱和叠合板组合楼盖，竖向重力荷载首先作用在叠合板组合楼盖上，再依次传递到次梁和主梁上，最后再通过主梁传递到框架柱上；侧力系统主要包括装配式剪力墙、框架柱、金属阻尼器和支撑，其中装配式剪力墙因为刚度最大承担主要的侧向荷载，框架柱承担小部分侧向荷载，金属阻尼器多遇地震作用下不发生屈服，与支撑一起为结构提供额外的抗侧刚度，也承担一部分侧向荷载，在设防地震作用下发生屈服，耗散地震能量，提升结构的消能减震能力；主梁、次梁可实现标准化且节点构造简单，降低工程成本，设置消能减震构件增强结构在地震作用下的耗能能力，提升结构的抗震安全性。
重力与侧力分离的装配式消能结构体系设计方法可以将重力与侧力系统分离，便于构件的标准化设计与制作，降低工程成本，增强结构在地震作用下的耗能能力，提升结构的抗震安全性。
附图说明
图1为本发明的重力与侧力分离的装配式消能结构体系的结构示意图；
图2为图1的A处的放大图；
图3为图1的B处的放大图；
图4为本发明的实施例一的重力与侧力分离的装配式消能结构体系的平面示意图，图中a表示铰接；
图5为本发明的实施例一的重力与侧力分离的装配式消能结构体系的立面示意图一，包含装配式剪力墙、金属阻尼器和支撑；
图6为本发明的实施例一的重力与侧力分离的装配式消能结构体系的立面示意图二，不包含装配式剪力墙、支撑和金属阻尼器；
图7为本发明的实施例二的重力与侧力分离的装配式消能结构体系的平面示意图，图中a表示铰接；
图8为本发明的实施例二的重力与侧力分离的装配式消能结构体系的立面示意图一，包含装配式剪力墙、金属阻尼器和支撑；
图9为本发明的实施例二的重力与侧力分离的装配式消能结构体系的立面示意图二，不包含装配式剪力墙、支撑和金属阻尼器；
图10为本发明的重力与侧力分离的装配式消能结构体系设计方法的流程图。
附图标记：
1、主梁；2、次梁；3、框架柱；4、装配式剪力墙；5、叠合板组合楼盖；6、混凝土预制板；7、金属阻尼器；71、上端板；72、下端板；73、阻尼器翼缘；74、阻尼器加劲肋；75、阻尼器腹板；8、支撑；9、栓钉；10、节点板；11、牛腿；12、边缘约束构件。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
如图1~图6所示的，本实施例提供一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系，包括装配式剪力墙4和框架柱3，装配式剪力墙4布置在装配式消能结构体系的周围边角处，以增强装配式消能结构体系的整体抗扭转刚度。在相邻的装配式剪力墙4与框架柱3之间安装有主梁1，在相邻的框架柱3与框架柱3之间安装有主梁1，在主梁1、装配式剪力墙4和框架柱3构成的垂直于装配式剪力墙4的楼板层上安装有次梁2，在主梁1跨中安装有金属阻尼器7，在金属阻尼器7的下方设置支撑8。在楼板层上铺设混凝土预制板6，具体地，在楼板层上，相邻构件围成的区域内铺设混凝土预制板6，具体地，在相邻主梁1与次梁2、次梁2与次梁2之间，在混凝土预制板6上浇筑混凝土，形成叠合板组合楼盖5，具体地，次梁2与主梁1在同一高度处，次梁2与主梁1的上翼缘顶面与叠合板组合楼盖5底面平齐。本实施例提出了将重力与侧力分离的装配式消能结构体系，通过梁端节点铰接实现重力系统和侧力系统的分离，重力系统主要包括主梁1、次梁2、框架柱3和叠合板组合楼盖5，竖向重力荷载首先作用在叠合板组合楼盖5上，再依次传递到次梁2和主梁1上，最后再通过主梁1传递到框架柱3上；侧力系统主要包括装配式剪力墙4、框架柱3、金属阻尼器7和支撑8，其中装配式剪力墙4因为刚度最大承担主要的侧向荷载，框架柱3承担小部分侧向荷载，金属阻尼器7多遇地震作用下不发生屈服，与支撑8一起为结构提供额外的抗侧刚度，也承担一部分侧向荷载，在设防地震作用下发生屈服，耗散地震能量，提升结构的消能减震能力；主梁1、次梁2可实现标准化且节点构造简单，设置消能减震构件增强结构在地震作用下的耗能能力，提升结构的抗震安全性。
装配式剪力墙4在工厂预制，装配式剪力墙4采用钢板剪力墙、混凝土剪力墙或钢-混凝土组合剪力墙。如图1所示的，在装配式剪力墙4上远离框架柱3一侧设置边缘约束构件12，此时，框架柱3充当装配式剪力墙4的边缘约束构件，在装配式剪力墙4上与主梁1连接处预留牛腿11，方便连接。
如图2所示的，金属阻尼器7包括上端板71和下端板72，在上端板71和下端板72之间设置有阻尼器翼缘73，在一对阻尼器翼缘73之间设置有阻尼器腹板75和阻尼器加劲肋74，上端板71安装在主梁1跨中处，具体地，上端板71安装在主梁1跨中的下翼缘上，且采用螺栓连接。下端板72与与其相邻的框架柱3之间安装有支撑8，具体地，支撑8对称设置有两个，支撑8的一端连接金属阻尼器7、另一端连接框架柱3的柱底。
如图3所示的，在框架柱3上设有牛腿11。
本实施例的主梁1的腹板和牛腿11的腹板通过节点板10连接，具体地，可采用螺栓连接。主梁1的上下翼缘不焊接，次梁2的上下翼缘不焊接，保证主梁1和次梁2仅承受竖向重力荷载，可以实现标准化设计与制作。主梁1和次梁2的安装均为铰接连接，在主梁1上设置有栓钉9，在次梁2上设置有栓钉9。
实施例二
如图7~图9所示的，装配式剪力墙4布置在相邻的框架柱3之间，在装配式剪力墙4的两侧均布置边缘约束构件12。
在装配式剪力墙4上与所述主梁1的连接处预留牛腿11。
实施例三
如图10所示的，本实施例提供一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系设计方法，设计方法用于设计重力与侧力分离的装配式消能结构体系，设计方法包括：
S100、确定主梁1、次梁2和叠合板组合楼盖5的设计方案；
根据设计条件给定的竖向重力荷载，设计叠合板组合楼盖5的配筋，保证承载力和刚度符合规范要求，设计混凝土预制板6的尺寸；
按照简支组合梁设计主梁1和次梁2截面尺寸，组合梁跨中弯矩设计值
Figure 205212DEST_PATH_IMAGE001
和支座剪力设计值
Figure 43724DEST_PATH_IMAGE002
应满足以下公式：
Figure 557882DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 749829DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 298622DEST_PATH_IMAGE005
分别为组合梁跨中处的正截面受弯承载力和支座处的斜截面抗剪承载力。
S200、确定装配式剪力墙4和框架柱3的设计方案；
根据结构柱网和建筑布置需求确定装配式剪力墙4选型和布置方案，按照层间位移角设计要求确定装配式剪力墙4的截面尺寸，对装配式剪力墙4的正截面受拉受压承载力和斜截面受剪承载力进行验算；选型一般包括钢板剪力墙、混凝土剪力墙或钢-混凝土组合剪力墙，一般为在结构的两个方向上对称布置；
验算框架柱3的压弯承载能力，框架柱3的抗侧刚度远小于装配式剪力墙4，在结构中主要承受竖向重力荷载和少部分侧向荷载，其轴力设计值
Figure 793188DEST_PATH_IMAGE006
和弯矩设计值
Figure 794642DEST_PATH_IMAGE007
应满足以下公式：
Figure 790280DEST_PATH_IMAGE008
式中，
Figure 193579DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 108315DEST_PATH_IMAGE010
为框架柱3的净截面面积和净截面模量，
Figure 597065DEST_PATH_IMAGE011
为截面塑性发展系数，
Figure 130814DEST_PATH_IMAGE012
为钢材强度设计值。
S300、确定金属阻尼器7和支撑8的设计方案；
金属阻尼器7的剪切屈服承载力
Figure 388620DEST_PATH_IMAGE013
应介于多遇地震作用下的剪力设计值
Figure 490569DEST_PATH_IMAGE014
与设防地震作用下的剪力设计值
Figure 466615DEST_PATH_IMAGE015
之间，即满足下式要求：
Figure 538476DEST_PATH_IMAGE016
以使金属阻尼器7在多遇地震作用下不屈服，与支撑一起为结构体系提供额外的抗侧刚度，在设防地震作用下，金属阻尼器7发生屈服以耗散地震能量；
金属阻尼器7的剪切极限承载力
Figure 916368DEST_PATH_IMAGE017
应小于周围结构构件屈服时金属阻尼器7的剪力设计值
Figure 172906DEST_PATH_IMAGE018
，即满足下式要求：
Figure 636248DEST_PATH_IMAGE019
以使金属阻尼器7能在周围结构构件屈服之前发生屈服并达到极限承载力，以最大限度耗散地震能量，保护周围结构构件，保证主体结构不会发生失效。
支撑8为轴心受力构件，在侧向荷载作用下应保持在弹性状态且不发生失稳，其轴力设计值
Figure 511800DEST_PATH_IMAGE020
应满足下式要求：
Figure 744198DEST_PATH_IMAGE021
式中，
Figure 187949DEST_PATH_IMAGE022
为轴心受压构件的稳定系数，
Figure 873008DEST_PATH_IMAGE023
为支撑的毛截面面积。
S400、确定连接节点的设计方案；
结构体系中全部连接节点均为螺栓连接，确定螺栓节点的布置方案并对其承载力进行验算。
本实施例的重力与侧力分离的装配式消能结构体系设计方法可以将重力与侧力系统分离，便于构件的标准化设计与制作，降低工程成本，增强结构在地震作用下的耗能能力，提升结构的抗震安全性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系，其特征在于，包括装配式剪力墙和框架柱，在相邻的所述装配式剪力墙与所述框架柱之间安装有主梁，在相邻的所述框架柱与所述框架柱之间安装有主梁，在所述主梁、所述装配式剪力墙和所述框架柱构成的垂直于所述装配式剪力墙的楼板层上安装有次梁，在所述主梁跨中安装有金属阻尼器，在所述金属阻尼器的下方设置支撑。
2.根据权利要求1所述的重力与侧力分离的装配式消能结构体系，其特征在于，所述装配式剪力墙布置在所述装配式消能结构体系的周围边角处。
3.根据权利要求1所述的重力与侧力分离的装配式消能结构体系，其特征在于，所述装配式剪力墙布置在相邻的所述框架柱之间。
4.根据权利要求1所述的重力与侧力分离的装配式消能结构体系，其特征在于，所述金属阻尼器包括上端板和下端板，在所述上端板和所述下端板之间设置有阻尼器翼缘，在一对所述阻尼器翼缘之间设置有阻尼器腹板和阻尼器加劲肋，所述上端板安装在所述主梁跨中处，所述下端板与与其相邻的所述框架柱之间安装有支撑。
5.根据权利要求1所述的重力与侧力分离的装配式消能结构体系，其特征在于，在所述楼板层上铺设混凝土预制板，在所述混凝土预制板上浇筑混凝土。
6.根据权利要求2所述的重力与侧力分离的装配式消能结构体系，其特征在于，在所述装配式剪力墙上远离所述框架柱一侧设置边缘约束构件，在所述装配式剪力墙上与所述主梁的连接处预留牛腿。
7.根据权利要求3所述的重力与侧力分离的装配式消能结构体系，其特征在于，在所述装配式剪力墙的两侧设置有边缘约束构件，在所述装配式剪力墙上与所述主梁的连接处预留牛腿。
8.根据权利要求1所述的重力与侧力分离的装配式消能结构体系，其特征在于，所述装配式剪力墙在工厂预制，所述装配式剪力墙采用钢板剪力墙、混凝土剪力墙或钢-混凝土组合剪力墙。
9.根据权利要求1所述的重力与侧力分离的装配式消能结构体系，其特征在于，在所述框架柱上设有牛腿，所述牛腿的腹板和所述主梁的腹板通过节点板连接，所述主梁的上下翼缘不焊接，所述次梁的上下翼缘不焊接。
10.一种重力与侧力分离的装配式消能结构体系设计方法，其特征在于，所述设计方法用于设计如权利要求1~9任意一项所述的重力与侧力分离的装配式消能结构体系，所述设计方法包括：
确定主梁、次梁和叠合板组合楼盖的设计方案，根据设计条件给定的竖向重力荷载，设计叠合板组合楼盖的配筋，保证承载力和刚度符合规范要求，设计混凝土预制板的尺寸，按照简支组合梁设计主梁和次梁截面尺寸；
确定装配式剪力墙和框架柱的设计方案，根据结构柱网和建筑布置需求确定装配式剪力墙选型和布置方案，按照层间位移角设计要求确定装配式剪力墙的截面尺寸，对装配式剪力墙的正截面受拉受压承载力和斜截面受剪承载力进行验算，验算框架柱的压弯承载能力；
确定金属阻尼器和支撑的设计方案，金属阻尼器的剪切屈服承载力应介于多遇地震作用下的剪力设计值与设防地震作用下的剪力设计值之间，金属阻尼器的剪切极限承载力应小于周围结构构件屈服时金属阻尼器的剪力设计值，支撑为轴心受力构件，在侧向荷载作用下应保持在弹性状态且不发生失稳；
确定连接节点的设计方案。
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