技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，涉及一種在多遇地震和罕遇地震下通過屈曲約束核心板耗能的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

地震給人類帶來極其嚴重的災(zāi)難。當強地震來臨時，工程結(jié)構(gòu)將承受地震輸入的巨大能量而產(chǎn)生強烈的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，由此造成的結(jié)構(gòu)局部破壞或整體倒塌構(gòu)成了地震致災(zāi)的最主要因素。我國是一個多地震的國家，破壞性地震不僅發(fā)生在板塊邊緣的臺灣島、青藏高原和新疆等地區(qū)，而且廣泛分布于大陸內(nèi)部。2008年汶川地震和2010年玉樹地震都造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，研究經(jīng)濟可靠、性能高效的抗震結(jié)構(gòu)體系，對于有效減輕地震災(zāi)害、保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

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，但整體不會倒塌，依靠構(gòu)件的塑性變形來耗散大部分的地震能量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)易于在強震后產(chǎn)生嚴重損壞和殘余變形。而過大的殘余變形不僅導(dǎo)致受損結(jié)構(gòu)在余震中的倒塌概率大幅增加，還會使結(jié)構(gòu)震后的修復(fù)難度和費用大幅增加。

自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)是一種通過張拉預(yù)拉桿為結(jié)構(gòu)提供自復(fù)位力的新型結(jié)構(gòu)形式，在結(jié)構(gòu)受到地震作用后可以有效減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。在多遇地震作用下，自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點縫隙不張開，類似于抗彎框架，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件保持為彈性；在中震或大震作用下，自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)通過梁柱節(jié)點頂?shù)讖堥_縫隙，使安裝在節(jié)點位置的耗能構(gòu)件來消耗地震能量，以減輕甚至避免主體結(jié)構(gòu)損傷，地震作用后依靠預(yù)拉桿使縫隙閉合實現(xiàn)自復(fù)位的功能。通過對耗能構(gòu)件尺寸、預(yù)拉桿數(shù)量和初張力、梁柱構(gòu)件尺寸的調(diào)整，可使自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下的剛度、承載力、延性和滯回性能發(fā)生改變，這種特殊性能可以方便工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計時進行不同部位結(jié)構(gòu)剛度匹配的調(diào)整。

然而傳統(tǒng)的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)的柱距會隨著梁柱節(jié)點的張開而增大，必須采用復(fù)雜的樓板布置形式以避免柱距增大時樓板受拉開裂。此外，傳統(tǒng)的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)通常需要在施工現(xiàn)場進行預(yù)拉桿的張拉和構(gòu)件焊接，不利于保證施工質(zhì)量且施工難度較大，而最近提出的套筒-預(yù)拉桿式自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)雖然能解決上述問題，但是其受力機理復(fù)雜，在地震作用下梁的左右端彎矩不相等，為結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。這些缺點都嚴重的阻礙了自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種不僅實現(xiàn)了在工廠進行預(yù)制和預(yù)應(yīng)力張拉，還能在地震作用下保持柱距始終不變，同時解決了套筒-預(yù)拉桿式自復(fù)位梁兩端彎矩不相等的缺點的屈曲約束核心板耗能的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)。

技術(shù)方案：本發(fā)明的屈曲約束核心板耗能的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)，包括至少一個結(jié)構(gòu)單元，所述結(jié)構(gòu)單元包括兩個框架柱、截面相同的上工字鋼梁和下工字鋼梁、位于所述上工字鋼梁和下工字鋼梁間并將二者連為一體的自復(fù)位耗能系統(tǒng)、所述上工字鋼梁和下工字鋼梁的端部分別通過上銷軸和下銷軸與框架柱連接；

所述自復(fù)位耗能系統(tǒng)包括兩個端板、設(shè)置于所述兩個端板之間的核心鋼板、填充鋼板和預(yù)拉桿，所述端板抵壓在上工字鋼梁和下工字鋼梁的端部，所述核心鋼板一端與上工字鋼梁下翼緣的一端連接，另一端與下工字鋼梁上翼緣的一端連接，所述填充鋼板位于核心鋼板前后兩側(cè)，兩塊填充鋼板中的一塊與上工字鋼梁下翼緣連接，另一塊與下工字鋼梁上翼緣連接，預(yù)拉桿錨固在兩端的端板上并施加有預(yù)應(yīng)力將兩端拉緊。

進一步的，本發(fā)明自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)中，所述預(yù)拉桿設(shè)置于上工字鋼梁和下工字鋼梁的腹板位置。

進一步的，本發(fā)明自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)中，所述上工字鋼梁靠近下翼緣位置與下工字鋼梁靠近上翼緣位置均進行裁剪，端板與上工字鋼梁的部分腹板和下翼緣、下工字鋼梁的部分腹板和上翼緣端部平齊接觸。

本發(fā)明的一種優(yōu)選方案中，屈曲約束核心板耗能的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)包括在豎直方向上依次連接的共用一個框架柱的多個結(jié)構(gòu)單元。

本發(fā)明的一種優(yōu)選方案中，屈曲約束核心板耗能的自復(fù)位鋼框架結(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)單元共用一根框架柱。

本發(fā)明針對現(xiàn)有自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)受地震作用時，樓板與框架側(cè)向變形不協(xié)調(diào)、施工困難和受力機理復(fù)雜問題，通過上下梁在地震作用下的相互平行錯動在端部產(chǎn)生縫隙。這種結(jié)構(gòu)形式不僅實現(xiàn)了在工廠進行預(yù)制和預(yù)應(yīng)力張拉，還能在地震作用下保持柱距始終不變，同時解決了套筒-預(yù)拉桿式自復(fù)位梁兩端彎矩不相等的缺點。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

（1）本技術(shù)方案的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下柱距始終保持不變，可避免樓板與框架間變形不協(xié)調(diào)。對于傳統(tǒng)的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)，梁柱節(jié)點通過在地震作用下梁頂?shù)讖堥_產(chǎn)生縫隙，使位于節(jié)點位置處的耗能構(gòu)件產(chǎn)生耗能，但產(chǎn)生的縫隙使柱距增大，需要采用復(fù)雜的樓板布置形式避免樓板受拉開裂。而本技術(shù)方案通過上下梁在地震作用下的相互平行錯動在端部產(chǎn)生縫隙，從而避免了上梁頂部張開引起樓板與框架間變形不協(xié)調(diào)。

（2）本技術(shù)方案能夠有效地減小甚至避免地震作用時主體結(jié)構(gòu)的損傷。對于抗彎框架通過部分構(gòu)件的提前屈服和破壞，依靠構(gòu)件的塑性變形來耗散大部分的地震能量，而像梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞常常難以修復(fù)，更易引起結(jié)構(gòu)的倒塌。本技術(shù)方案中的上下梁與框架柱均采用銷軸連接，能夠有效的避免結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生塑性鉸。上下梁在地震作用下的相互平行錯動在端部產(chǎn)生縫隙后，引起核心鋼板受拉屈服進行耗能，使得結(jié)構(gòu)的塑性變形主要集中在核心鋼板上，因此實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的損傷可控。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)張力只需克服核心鋼板屈服力便能使結(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。

（3）本技術(shù)方案可實現(xiàn)自復(fù)位鋼架在工廠進行預(yù)制和預(yù)應(yīng)力張拉，在現(xiàn)場施工時僅需要對各結(jié)構(gòu)構(gòu)件組裝，非常適合工業(yè)化的生產(chǎn)和制造。不僅可以保證各構(gòu)件的加工質(zhì)量和預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量，也可以加快施工進度。由于其加工工藝與傳統(tǒng)的自復(fù)位框架類似，廠家無需作較大的調(diào)整便能進行工業(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。

（4）本技術(shù)方案采用上下梁間夾核心鋼板的疊合形式，構(gòu)造簡單，成本較低。套筒-預(yù)拉桿式自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)雖然能解決傳統(tǒng)自復(fù)位框架的一些問題，但是其構(gòu)件繁多，形式復(fù)雜。其采用的T形梁、內(nèi)外套筒等構(gòu)件無疑增大了梁的用鋼量。本技術(shù)方案中可將傳統(tǒng)的框架梁等效為兩個截面相同的矮梁，用鋼量與抗彎框架梁接近。

（5）本技術(shù)方案采用上下間夾核心鋼板的疊合形式，受力機理簡單明確。套筒-預(yù)拉桿式自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)中T形梁與外套筒焊接組成的梁上部結(jié)構(gòu)與內(nèi)套筒組成的梁下部結(jié)構(gòu)受力情況不同，梁的上部結(jié)構(gòu)同時受彎曲和軸向變形的影響，而梁的下部結(jié)構(gòu)僅受軸向變形的影響，兩者始終存在的剛度差還會引起梁的左右端彎矩不相等，且其彎矩比隨地震作用大小不同不斷變化，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用帶來巨大的復(fù)雜性。本技術(shù)方案受地震作用在上下梁產(chǎn)生相對錯動時，由于采用的上、下梁截面大小和剛度相同，梁的左右端彎矩始終相等，上下梁的受力情況也相同。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的三維示意圖；

圖2為本發(fā)明裝置的正視圖；

圖3a為圖2的A-A剖面圖；

圖3b為圖2的B-B剖面圖；

圖3c為圖2的C-C剖面圖；

圖4為圖2填充鋼板和核心鋼板俯視圖；

圖5為本發(fā)明裝置向左位移時的工作示意圖一；

圖6為本發(fā)明裝置向右位移時的工作示意圖二。

圖中有：框架柱1、上工字鋼梁2、自復(fù)位耗能系統(tǒng)3、端板31、核心鋼板32、預(yù)拉桿33、焊接34、預(yù)拉桿錨固裝置35、填充鋼板36、上銷軸4、下工字鋼梁5、下銷軸6

具體實施方式

如圖1~圖4所示，屈曲約束核心板耗能的自復(fù)位鋼框架該結(jié)構(gòu)包括至少一個結(jié)構(gòu)單元，所述結(jié)構(gòu)單元包括兩個框架柱1、截面相同的上工字鋼梁2和下工字鋼梁5、位于所述上工字鋼梁2和下工字鋼梁5間并將二者連為一體的自復(fù)位耗能系統(tǒng)3、所述上工字鋼梁2和下工字鋼梁5的端部分別通過上銷軸4和下銷軸6與框架柱1連接。

所述自復(fù)位耗能系統(tǒng)3包括兩個端板31、設(shè)置于所述兩個端板31之間的核心鋼板32、填充鋼板36和預(yù)拉桿33，所述端板31抵壓在上工字鋼梁2和下工字鋼梁5的端部，所述核心鋼板32一端與上工字鋼梁2下翼緣的一端連接，另一端與下工字鋼梁5上翼緣的一端連接，所述填充鋼板36位于核心鋼板32前后兩側(cè)，兩塊填充鋼板36中的一塊與上工字鋼梁2下翼緣連接，另一塊與下工字鋼梁5上翼緣連接，預(yù)拉桿33錨固在兩端的端板31上并施加有預(yù)應(yīng)力將兩端拉緊。所述預(yù)拉桿33設(shè)置于上工字鋼梁2和下工字鋼梁5的腹板位置。

上工字鋼梁2靠近下翼緣位置與下工字鋼梁5靠近上翼緣位置均進行裁剪，端板31與上工字鋼梁2的部分腹板和下翼緣、下工字鋼梁5的部分腹板和上翼緣端部平齊接觸。

核心鋼板32位于上工字鋼梁2下翼緣和下工字鋼梁5上翼緣之間，由屈服強度較低、延性較好的鋼材組成。核心鋼板32的中間位置有抗滑卡口，用以防止在反復(fù)加載中出現(xiàn)滑動，其屈曲約束機構(gòu)由上工字鋼梁2和下工字鋼梁5組成，上工字鋼梁2下翼緣與核心鋼板32的一端通過焊接連接，當然也可通過其他方式連接；下工字鋼梁5上翼緣與核心鋼板32的另一端通過焊接連接，同樣的也可通過其他方式連接。屈曲約束機構(gòu)有兩個功能：其一為約束核心鋼板32沿著徑向的多波屈曲和局部屈曲，發(fā)揮穩(wěn)定的滯回耗能性能，其二是與端板31、預(yù)拉桿33和端板錨固體系35共同構(gòu)成自復(fù)位系統(tǒng)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下往復(fù)變形過程中的自復(fù)位功能。填充鋼板36位于核心鋼板32的兩側(cè)，分別與上工字鋼梁2下翼緣和下工字鋼梁5上翼緣整體焊接，當然也可通過其他方式連接，以避免核心鋼板32由于寬厚比較小出現(xiàn)平面內(nèi)屈曲。預(yù)拉桿33的材料為預(yù)應(yīng)力鋼絞線，也可采用芳綸纖維等高彈性延伸率的材料，對其施加較小的初始預(yù)應(yīng)力使其錨固在兩工字鋼梁兩側(cè)的兩塊端板31上，見圖1和圖2。為確保結(jié)構(gòu)在地震作用下兩工字鋼梁與端板分離從而使預(yù)拉桿能夠伸長，屈曲約束機構(gòu)的兩端與錨固端板之間不進行焊接，僅靠預(yù)拉桿的預(yù)壓力使其保持初始緊密接觸。上工字鋼梁2和下工字鋼梁5的腹板上均設(shè)有圓形孔槽，通過銷軸與焊接于框架柱1上的耳板進行較接。

屈曲約束核心板耗能的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)的工作原理如圖5~圖6所示：由于存在高度差，在地震作用下框架柱1在上銷軸4和下銷軸6高度處的側(cè)向位移大小不同，使得與上銷軸4連接的上工字鋼梁2和與下銷軸6連接的下工字鋼梁5之間產(chǎn)生相對水平運動。如圖5所示，當結(jié)構(gòu)向右側(cè)移時，左側(cè)端板和右側(cè)端板分別在下工字鋼梁5和上工字鋼梁2的推動下向兩側(cè)移動，從而產(chǎn)生縫隙。如圖6所示，當結(jié)構(gòu)向左側(cè)移時，左側(cè)端板和右側(cè)端板分別在上工字鋼梁2和下工字鋼梁5的推動下向兩側(cè)移動，從而產(chǎn)生縫隙。由此保證在結(jié)構(gòu)在地震作用下，核心鋼板32和預(yù)拉桿33始終受拉伸長，分別為結(jié)構(gòu)提供耗能能力和自復(fù)位能力。上工字鋼梁2下翼緣和下工字鋼梁5上翼緣分別作為核心鋼板32的約束構(gòu)件，以抑制核心鋼板32受力后平面外變形，兩塊分別與上工字鋼梁2下翼緣和下工字鋼梁5上翼緣連接的填充鋼板36位于核心鋼板32兩側(cè)，以抑制核心鋼板32受力后平面內(nèi)變形。無論是向左側(cè)移還是向右側(cè)移，連接上工字鋼梁2兩端的上銷軸4間的距離始終不變，因此柱距并未發(fā)生改變。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)的安裝工序為：將上工字鋼梁2靠近下翼緣位置和下工字鋼梁5靠近上翼緣位置進行裁剪→將上工字鋼梁2下翼緣定位于核心鋼板32的上側(cè)并與之兩側(cè)對齊，然后將核心鋼板32一端與上工字鋼梁2下翼緣外側(cè)焊接，同時將核心鋼板32一側(cè)的填充鋼板36與上工字鋼梁2下翼緣外側(cè)整體焊接→將下工字鋼梁5上翼緣定位于核心鋼板32的下側(cè)并與之兩側(cè)對齊，然后將核心鋼板32另一端與下工字鋼梁5上翼緣焊接，同時將核心鋼板32另一側(cè)的填充鋼板36與下工字鋼梁5上翼緣外側(cè)整體焊接→將左、右錨固端板31定位于屈曲約束機構(gòu)兩端→將預(yù)拉桿33穿過左、右錨固端板31預(yù)留的孔槽，施加預(yù)應(yīng)力后利用端部錨固體系35將預(yù)拉桿33錨固在兩端的端板31上→在上工字鋼梁2和下工字鋼梁5腹板上預(yù)留孔槽，與焊接于框架柱1上的耳板分別通過上銷軸4和下銷軸6進行鉸接。

上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發(fā)明權(quán)利要求進行改進和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。