一種后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)，包括至少一個結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元包括兩根鋼框架柱、連接鋼框架柱上端的T形鋼梁、位于T形鋼梁下側(cè)并連接鋼框架柱的自定心連接件、位于自定心連接件下方的摩擦耗能部件；自定心連接件包括內(nèi)套管、套住內(nèi)套管的外套管、位于套管兩端的端板、設(shè)置在內(nèi)套管中并錨固在端板上的預(yù)拉桿、與內(nèi)套管端部連接的連接頭；摩擦耗能部件包括與內(nèi)套管連接的摩擦內(nèi)板和與外套管下側(cè)面連接的摩擦外板、設(shè)置在摩擦內(nèi)板和摩擦外板之間的摩擦墊片，摩擦內(nèi)板與摩擦外板的滑動方向沿外套管軸向設(shè)置。本發(fā)明使柱子在側(cè)向變形的過程中柱距保持不變，能在設(shè)計過程中靈活、獨立的調(diào)控結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延性。
【專利說明】一種后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，涉及一種用于減小工程結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]地震給人類帶來極其嚴(yán)重的災(zāi)難。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計采用的是延性設(shè)計方法，即在地震作用下，通過結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件的提前屈服和破壞，但整體不至于喪失功能，依靠構(gòu)件的塑性變形來耗散大部分的地震能量，從而達(dá)到保證主體結(jié)構(gòu)安全的目的。
[0003]自定心鋼框架結(jié)構(gòu)是一種通過張拉預(yù)拉桿為結(jié)構(gòu)提供側(cè)向剛度和自定心力，并通過安裝各種類型的耗能構(gòu)件來消耗地震能量的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)的自定心鋼框架結(jié)構(gòu)，其梁柱節(jié)點通常采用非固結(jié)的節(jié)點，通過在鋼梁中布置水平預(yù)拉桿并穿過梁柱節(jié)點，然后對預(yù)拉桿施加預(yù)張力使得自定心鋼框架結(jié)構(gòu)具有抗側(cè)剛度和自定心能力。在地震力作用下，由框架柱的側(cè)向變形使得梁柱節(jié)點產(chǎn)生一個開口縫隙，從而帶動預(yù)拉桿的伸長，由于預(yù)拉桿中施加有預(yù)張力，隨著梁柱節(jié)點的張開，在節(jié)點處會形成抵抗彎矩，以克服地震力。當(dāng)?shù)卣鹣Ш螅远ㄐ目蚣苡衷陬A(yù)張力的作用下恢復(fù)初始位置，以保證主體結(jié)構(gòu)沒有殘余變形。但是傳統(tǒng)的自定心鋼框架結(jié)構(gòu)的柱距會隨著梁柱節(jié)點的張開而有一定的增加，導(dǎo)致樓板會受拉開裂，增加了震后建筑的維修成本。此外，傳統(tǒng)的自定心鋼框架結(jié)構(gòu)在鋼梁的上部和下部均布置有預(yù)拉桿，這使得當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)向變形時，側(cè)向剛度主要由遠(yuǎn)離鋼梁受壓翼緣的預(yù)拉桿提供，而離鋼梁受壓翼緣較近一側(cè)的預(yù)拉桿對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)有限，從而導(dǎo)致這部分預(yù)拉桿的強度浪費。在傳統(tǒng)的自定心鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中常出現(xiàn)為滿足剛度的需要，在鋼梁的上、下兩側(cè)均布置較多的預(yù)拉桿，造成經(jīng)濟上的浪費。這些缺點都嚴(yán)重的阻礙了自定心鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和推廣。
[0004]針對上述問題，本發(fā)明提出了一種新型的后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)形式，不但可以通過保證柱子在側(cè)向變形的過程中柱距始終保持不變，使得樓板與框架的側(cè)向變形相互協(xié)調(diào)，避免了樓板的受拉開裂，而且其強度、剛度和延性的調(diào)控也更加的獨立和靈活。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明針對現(xiàn)有自定心鋼框架結(jié)構(gòu)受地震作用時，樓板與框架側(cè)向變形不協(xié)調(diào)的問題，提供了一種不僅可以使柱子在側(cè)向變形的過程中柱距保持不變，以克服樓板因與框架變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致受拉開裂的問題，而且還能在設(shè)計過程中靈活、獨立的調(diào)控結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延性，使結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性得到提升的后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明的后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)，包括至少一個結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元包括兩根鋼框架柱、連接兩根鋼框架柱上端的T形鋼梁、位于T形鋼梁下側(cè)并連接兩根鋼框架柱的自定心連接件、位于自定心連接件下方的摩擦耗能部件；自定心連接件包括內(nèi)套管、套在內(nèi)套管外部的外套管、封閉內(nèi)套管和外套管端部的端板、設(shè)置在內(nèi)套管中并錨固在端板上的預(yù)拉桿、與內(nèi)套管端部連接的連接頭、設(shè)置在外套管兩端下側(cè)的摩擦耗能部件，連接頭穿過端板后與鋼框架柱連接；摩擦耗能部件包括摩擦內(nèi)板和設(shè)置在摩擦內(nèi)板兩側(cè)的摩擦外板、設(shè)置在摩擦內(nèi)板和摩擦外板之間的摩擦墊片，摩擦內(nèi)板與摩擦外板的滑動方向沿外套管軸向設(shè)置，摩擦外板與外套管下側(cè)面連接，摩擦內(nèi)板穿過外套管后與內(nèi)套管連接；τ形鋼梁的上翼緣長度大于腹板的長度，T形鋼梁的腹板下端與外套管的上側(cè)面連接。
[0007]本發(fā)明的一種優(yōu)選方案中，后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)包括在豎直方向上依次連接的共用鋼框架柱的多個結(jié)構(gòu)單元。
[0008]本發(fā)明的一種優(yōu)選方案中，后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)也可以包括在水平方向上依次連接的多個結(jié)構(gòu)單元，兩相鄰結(jié)構(gòu)單元共用一根鋼框架柱。
[0009]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0010](I)本技術(shù)方案的自定心鋼框架結(jié)構(gòu)在側(cè)向變形的過程中，框架柱的間距不會增力口，可避免樓板的受拉開裂。對于傳統(tǒng)的自定心鋼框架結(jié)構(gòu)，由于鋼框架梁端截面為平截面，因此當(dāng)鋼框架柱發(fā)生側(cè)向變形并繞梁端截面的頂部或底部旋轉(zhuǎn)時，梁柱節(jié)點會張開出現(xiàn)縫隙，使得相鄰柱子的間距會隨之增大，導(dǎo)致樓板受拉開裂，增加了結(jié)構(gòu)震后維修的費用。而本技術(shù)方案T形鋼梁的上翼緣長度大于腹板的長度，使得梁端上翼緣沿著梁的軸線方向相對于腹板伸出部分長度，為鋼框架柱的側(cè)向變形預(yù)留了空間，當(dāng)?shù)卣鹱饔糜诮Y(jié)構(gòu)時，鋼框架柱會發(fā)生側(cè)向變形并繞梁端截面的上翼緣旋轉(zhuǎn)，相鄰柱子的間距始終等于T形鋼梁上翼緣的長度，從而避免了樓板開裂的問題。
[0011](2)本技術(shù)方案能靈活、獨立的調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度、強度和延性。對于傳統(tǒng)的自定心鋼框架結(jié)構(gòu)，其梁端截面為平面，當(dāng)結(jié)構(gòu)由于出現(xiàn)側(cè)向變形而使得梁柱節(jié)點張開時，梁兩端的受壓翼緣并不在同一側(cè)，因此在鋼梁的上部和下部均布置有足夠多的預(yù)拉桿以滿足剛度的要求，但結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度主要由離鋼梁受壓翼緣較遠(yuǎn)一側(cè)的預(yù)拉桿提供，而離受壓翼緣較近一側(cè)的預(yù)拉桿對剛度的貢獻(xiàn)有限，這使得部分預(yù)拉桿的強度沒有得到充分利用。在本技術(shù)方案中，由于T形鋼梁始終是上翼緣受壓，而預(yù)拉桿均布置在位于T形鋼梁下部的內(nèi)套管中，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)向變形時，內(nèi)套管中的預(yù)拉桿與T形鋼梁的受壓上翼緣組合形成抵抗彎矩，這樣的結(jié)構(gòu)布置使得預(yù)拉桿的強度能得到了充分的利用，讓結(jié)構(gòu)方案的調(diào)整能更加靈活和獨立，也大大提高了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。
[0012](3)本技術(shù)方案能夠有效地減小地震時主體結(jié)構(gòu)的塑性變形。對于傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，其梁柱節(jié)點通常為剛接，當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生側(cè)向變形時，不可避免的在梁柱節(jié)點處產(chǎn)生塑性鉸，使得結(jié)構(gòu)震后的維修費用和難度均較高。本技術(shù)方案的T形鋼梁和內(nèi)套管與鋼框架柱均采用鉸接連接，從而可避免結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)移時在梁柱節(jié)點處產(chǎn)生塑性鉸，能夠有效的控制主體結(jié)構(gòu)的塑性變形。地震時，安裝在主體結(jié)構(gòu)中摩擦耗能部件將吸收絕大部分的地震能量，而結(jié)構(gòu)本身無明顯的塑性變形，這樣不但可有效減小結(jié)構(gòu)震后修復(fù)的成本，而且施加在預(yù)拉桿中的預(yù)張力只需克服摩擦耗能部件的摩擦力便能使結(jié)構(gòu)實現(xiàn)完全自復(fù)位，而不用考慮主體結(jié)構(gòu)塑性變形的影響。
[0013](4)本技術(shù)方案的自定心鋼框架與摩擦耗能部件采用相對獨立的布置方式，摩擦耗能部件位于外套管的下側(cè)，便于對其進(jìn)行檢查和更換，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行震后維修時，只需更換摩損嚴(yán)重的耗能構(gòu)件，從而大大簡化了修復(fù)的難度。摩擦耗能部件的能量消耗也更加充分，相比于其它的耗能構(gòu)件，其滯回曲線更加飽滿，耗能效率更高。而且摩擦耗能部件可重復(fù)使用，不像屈曲耗能構(gòu)件在震后需大量更換，也大大節(jié)約了結(jié)構(gòu)震后的維修費用。
[0014](5)本技術(shù)方案構(gòu)造簡單，制作方便，非常適合工業(yè)化的生產(chǎn)和制造。由于其加工工藝與傳統(tǒng)的自定心鋼框架類似，廠家無需作較大的調(diào)整便能進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，從而降低了制造的難度和成本，具有較高的價格競爭力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明裝置的正視圖；
[0016]圖2a為本發(fā)明裝置的構(gòu)造示意圖；
[0017]圖2b為圖2a的A-A剖面圖；
[0018]圖3a為外套管的平面圖；
[0019]圖3b為圖3a的A-A剖面圖；；
[0020]圖3c為圖3a的B-B剖面圖；
[0021]圖4a為內(nèi)套管和連接頭的平面圖；
[0022]圖4b為圖4a的A-A剖面圖；
[0023]圖4c為圖4a的B-B剖面圖；
[0024]圖5為端板的平面圖；
[0025]圖6a為摩擦耗能部件的平面圖；
[0026]圖6b為圖6a的A-A剖面圖；
[0027]圖6c為圖6a的B-B剖面圖；
[0028]圖7a為內(nèi)、外套管與摩擦耗能部件的組合平面圖；
[0029]圖7b為圖7a的A-A剖面圖；
[0030]圖7c為圖7a的B-B剖面圖；
[0031]圖8為本發(fā)明裝置的原位示意圖；
[0032]圖9為本發(fā)明裝置的工作示意圖一；
[0033]圖10為本發(fā)明裝置的工作示意圖二。
[0034]圖中有:鋼框架柱1、T形鋼梁2、自定心連接件3、內(nèi)套管31、外套管32、端板33、預(yù)拉桿34、連接頭35、端板上的缺口 36、摩擦耗能部件4、摩擦內(nèi)板41、摩擦外板42、摩擦墊片43。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0036]如圖1所示，本發(fā)明的后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)包括至少一個結(jié)構(gòu)單元，每個結(jié)構(gòu)單元包括兩根鋼框架柱1、連接兩根鋼框架柱I上端的T形鋼梁2、位于T形鋼梁2下側(cè)并連接兩根鋼框架柱I的自定心連接件3、位于自定心連接件3下方的摩擦耗能部件4，其中T形鋼梁2和自定心連接件3與鋼框架柱I均采用鉸接連接，從而可避免當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向變形時在梁柱節(jié)點處出現(xiàn)塑性鉸；T形鋼梁2的上翼緣長度大于腹板的長度，使得梁端的上翼緣沿著梁的軸線方向相對于腹板伸出部分長度，且每一端的伸出長度與T形鋼梁2的截面高度之比應(yīng)大于等于1/50，為鋼框架柱I的側(cè)向變形預(yù)留了空間。[0037]如圖2a?圖5所示，自定心連接件3包括內(nèi)套管31、套在內(nèi)套管31外部的外套管32、封閉內(nèi)套管31和外套管32端部的端板33、設(shè)置在內(nèi)套管31中并錨固在端板33上的預(yù)拉桿34、與內(nèi)套管31端部連接的連接頭35、設(shè)置在外套管32兩端下側(cè)的摩擦耗能部件4，端板33上布置有缺口 36，使得內(nèi)套管31兩側(cè)的連接頭35可以穿過端板33后與鋼框架柱I鉸接，端板33與內(nèi)套管31和外套管32并無連接關(guān)系，僅在預(yù)張力的作用下緊緊的頂住內(nèi)套管31和外套管32的兩端，T形鋼梁2的腹板下端與外套管32的上側(cè)面焊接在一起，從而保證外套管32能與T形鋼梁2共同運動。
[0038]如圖6所示，摩擦耗能部件4采用雙剪型摩擦元件，它包括摩擦內(nèi)板41和設(shè)置在摩擦內(nèi)板41兩側(cè)的摩擦外板42、設(shè)置在摩擦內(nèi)板41和摩擦外板42之間的摩擦墊片43，摩擦內(nèi)板41與摩擦外板42的滑動方向沿外套管軸向設(shè)置，通過螺栓將摩擦內(nèi)板41、摩擦外板42和摩擦墊片43連接起來。如圖7所示，摩擦內(nèi)板41穿過外套管32后與內(nèi)套管31用螺栓連接，而摩擦外板42則與外套管32的下側(cè)焊接在一起。通過改變摩擦墊片43的材料、摩擦面積和螺栓的擰緊程度可對摩擦耗能部件4的耗能能力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0039]本發(fā)明的一種優(yōu)選方案中，后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)包括在豎直方向上依次連接的共用鋼框架柱I的多個結(jié)構(gòu)單元，而鋼框架柱I與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用剛接的形式。
[0040]本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案中，后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)包括在水平方向上依次連接的多個結(jié)構(gòu)單元，兩相鄰結(jié)構(gòu)單元共用一根鋼框架柱I。
[0041]后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)的工作原理如圖8?圖10所示:結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生側(cè)向變形時，由于T形鋼梁2和自定心連接件3的內(nèi)套管31鉸接標(biāo)高不同，二者會形成一個水平位移差，而外套管32與T形鋼梁2共同運動，從而使得內(nèi)套管31與外套管32之間產(chǎn)生一個相對滑移。當(dāng)結(jié)構(gòu)向右側(cè)移時，左側(cè)端板和右側(cè)端板分別在內(nèi)套管31左端和外套管32右端的推動下向兩側(cè)移動，并分別與套管的另一端分離；當(dāng)結(jié)構(gòu)向左側(cè)移時，左側(cè)端板和右側(cè)端板分別在外套管32左端和內(nèi)套管31右端的推動下向兩側(cè)移動，并分別與套管的另一端分離。由此保證在結(jié)構(gòu)變形過的程中，預(yù)拉桿34始終受拉伸長，為結(jié)構(gòu)持續(xù)提供側(cè)向剛度和自定心恢復(fù)力。而摩擦耗能部件4則在內(nèi)套管31和外套管32相對滑移的帶動下工作，消耗地震能量。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受的水平荷載較小時，例如風(fēng)荷載或小震情況下，摩擦耗能部件4不會產(chǎn)生滑動位移，并為結(jié)構(gòu)提供側(cè)向剛度；當(dāng)結(jié)構(gòu)承受較大的水平荷載時，例如中震或大震情況下,摩擦耗能部件4通過摩擦內(nèi)板41和摩擦外板42的相對滑移來耗散大部分的地震能量，減輕甚至避免主體結(jié)構(gòu)的損傷。在整個變形過程中，鋼框架柱I始終頂住T形鋼梁2兩端的上翼緣旋轉(zhuǎn)，柱距并未發(fā)生改變。
【權(quán)利要求】
1.一種后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括至少一個結(jié)構(gòu)單元，所述結(jié)構(gòu)單元包括兩根鋼框架柱(I)、連接所述兩根鋼框架柱(I)上端的T形鋼梁(2)、位于所述T形鋼梁⑵下側(cè)并連接兩根鋼框架柱⑴的自定心連接件(3)、位于所述自定心連接件⑶下方的摩擦耗能部件⑷； 所述自定心連接件(3)包括內(nèi)套管(31)、套在所述內(nèi)套管(31)外部的外套管(32)、封閉內(nèi)套管(31)和外套管(32)端部的端板(33)、設(shè)置在內(nèi)套管(31)中并錨固在端板(33)上的預(yù)拉桿(34)、與內(nèi)套管(31)端部連接的連接頭(35)、設(shè)置在外套管(32)兩端下側(cè)的摩擦耗能部件(4)，所述連接頭(35)穿過端板(33)后與鋼框架柱(I)連接，所述摩擦耗能部件(4)包括摩擦內(nèi)板(41)和設(shè)置在所述摩擦內(nèi)板(41)兩側(cè)的摩擦外板(42)、設(shè)置在所述摩擦內(nèi)板(41)和摩擦外板(42)之間的摩擦墊片(43)，摩擦內(nèi)板(41)與摩擦外板(42)的滑動方向沿外套管(32)軸向設(shè)置，摩擦外板(42)與外套管(32)下側(cè)面連接，摩擦內(nèi)板(41)穿過外套管(32)后與內(nèi)套管(31)連接； 所述T形鋼梁(2)的上翼緣長度大于腹板的長度，T形鋼梁(2)的腹板下端與外套管(32)的上側(cè)面連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括在豎直方向上依次連接的共用鋼框架柱(I)的多個結(jié)構(gòu)單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的后張預(yù)應(yīng)力式自定心鋼框架結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括在水平方向上依次連接的多個結(jié)構(gòu)單元，兩相鄰結(jié)構(gòu)單元共用一根鋼框架柱(I)。
【文檔編號】E04B1/24GK103924668SQ201410178695
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】謝欽, 周臻, 孟少平, 李德猛, 吳京, 王春林, 王維影 申請人:東南大學(xué)