双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构

摘要

本发明公开了一种双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构，属于钢框架支撑结构技术领域。该耗能梁包括：上翼缘，下翼缘，腹板，以及第一加劲肋；上翼缘与下翼缘平行设置；腹板与第一加劲肋垂直设置；且腹板以及第一加劲肋同时连接上翼缘的底面和下翼缘的顶面；其中，在上翼缘上设置有至少一个沿上翼缘宽度方向凹陷的凹槽；在下翼缘上设置有至少一个沿下翼缘宽度方向凹陷的凹槽；在腹板上设置有一个不贯通耗能梁长度方向的通孔，凹槽与通孔在耗能梁长度方向上不重合。通过在腹板上设置一个通孔，使得耗能梁两端发生弯曲塑性变形后，腹板中部可发生剪切塑性变形。该耗能梁可通过弯曲塑性变形和剪切塑性变形耗散地震能量，提高抗震性能。

说明书

技术领域

本发明涉及钢框架支撑结构技术领域，特别涉及一种双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构。

背景技术

在高烈度地震区，可在钢结构建筑中设置弯曲型偏心支撑结构，以增强建筑的抗震性能。在地震时，弯曲型偏心支撑结构受弯出现局部塑性形变，耗散地震能量，避免建筑坍塌。常见的弯曲型偏心支撑结构包括：耗能梁、非耗能梁、支撑梁、以及框架柱。其中，非耗能梁与耗能梁平行设置，二者端部相连；支撑梁连接非耗能梁的底面；框架柱连接非耗能梁未连接耗能梁的端部。遭遇地震时，非耗能梁、支撑梁以及框架柱处于弹性状态，耗能梁受到地震力作用处于塑性状态并产生塑性形变，耗散地震能量。不难看出，弯曲型偏心支撑耗能梁是弯曲型偏心支撑结构中的重要组成部分。

相关技术中提供了一种弯曲型偏心支撑耗能梁。如图1所示，该耗能梁包括：上翼缘11、下翼缘12、腹板13、第一加劲肋141。其中，上翼缘11、下翼缘12是等宽的矩形钢板，二者平行设置；腹板13以及第一加劲肋141同时连接上翼缘11的底面以及下翼缘12的顶面。且腹板13的长度方向平行于上翼缘11的长度方向，第一加劲肋141以垂直于腹板13长度方向的方式固定在腹板13上。遭遇地震时，主要通过上翼缘11和下翼缘12受弯出现塑形形变以耗散地震能量。

在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：

在水平地震作用下，相关技术中的弯曲型支撑耗能梁的两个端部弯矩较大，耗能梁的中间部分弯矩较小，因此耗能梁的两端会发生弯曲塑形变形，中部不会发生弯曲塑形变形。如此，耗能梁的塑性变形作用发挥不充分，其耗散地震能量的能力得不到充分利用，耗能效果差，抗震性能不高。

发明内容

本发明实施例提供了一种双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构，为了解决相关技术中难以降低剪切型偏心支撑结构工程造价的缺陷。该技术方案具体如下：

第一方面，提供了一种双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，包括：上翼缘，下翼缘，腹板，以及，第一加劲肋；

所述上翼缘与所述下翼缘平行设置；所述腹板与所述第一加劲肋垂直设置；且，所述腹板以及所述第一加劲肋同时连接所述上翼缘的底面和所述下翼缘的顶面；

其中，在所述上翼缘上设置有至少一个沿所述上翼缘宽度方向凹陷的凹槽；在所述下翼缘上设置有至少一个沿所述下翼缘宽度方向凹陷的所述凹槽；在所述腹板上设置有一个不贯通所述耗能梁长度方向的通孔，所述凹槽与所述通孔在所述耗能梁长度方向上不重合。

可选地，设置有所述凹槽处的所述上翼缘或者所述下翼缘的宽度，沿所述耗能梁的长度方向先逐渐减小、后保持不变、再逐渐增大。

可选地，在所述上翼缘用于连接所述非耗能梁的上翼缘的两端上分别设置所述凹槽；

在所述下翼缘用于连接所述非耗能梁的下翼缘的两端上分别设置所述凹槽。

可选地，所述耗能梁还包括：第一辅助翼缘，以及，第二辅助翼缘；

所述第一辅助翼缘和所述第二辅助翼缘设置在所述腹板上，且所述第一辅助翼缘位于所述通孔的上方，所述第二辅助翼缘位于所述通孔的下方；

所述第一辅助翼缘和所述第二辅助翼缘在所述腹板的长度方向上均覆盖所述通孔。

可选地，在所述第一辅助翼缘和所述第二辅助翼缘上设置有所述凹槽，

且在所述耗能梁的宽度方向上，所述第一辅助翼缘、所述第二辅助翼缘、所述上翼缘，以及所述下翼缘的边缘平齐。

可选地，所述第一辅助翼缘，所述第二辅助翼缘，所述上翼缘，以及所述下翼缘平行并等长；

所述第一辅助翼缘，所述第二辅助翼缘，所述上翼缘，以及所述下翼缘等厚。

可选地，所述耗能梁还包括：第二加劲肋；

所述第二加劲肋连接所述第一辅助翼缘的顶面和所述上翼缘的底面，所述第二辅助翼缘的底面和所述下翼缘的顶面，以及未设置所述通孔处的所述第一辅助翼缘的底面和所述第二辅助翼缘的顶面。

可选地，在所述耗能梁宽度方向上，所述第一加劲肋和所述第二加劲肋的外边缘，与所述上翼缘和所述下翼缘的最窄宽度处的外边缘平齐。

第二方面，本发明实施例提供了一种偏心支撑结构，包括：耗能梁，非耗能梁，支撑梁，以及，框架柱；所述非耗能梁与所述耗能梁平行设置且端部相接，所述支撑梁与所述非耗能梁的底面连接，所述框架柱与所述非耗能梁未连接所述耗能梁的端部连接；其中，所述耗能梁为第一方面所提供的双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，所述非耗能梁、所述支撑梁以及所述框架柱的设计内力与所述耗能梁的全塑性受弯承载力或全塑性受剪承载力相匹配。

可选地，所述非耗能梁还包括设置在所述非耗能梁用于连接所述耗能梁的两端上的第三加劲肋。

所述第三加劲肋同时连接所述非耗能梁的上翼缘底面，以及所述非耗能梁的下翼缘顶面。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在腹板上设置一个通孔，使得耗能梁两端发生弯曲塑性变形后，腹板中部可继续发生剪切塑性变形。因此，该耗能梁既可通过弯曲塑性变形耗散地震能量，也可通过剪切塑性变形耗散地震能量，充分发挥耗能梁的塑性变形作用，改善其耗能效果，提高抗震性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是相关技术中所提供的弯曲型偏心支撑结构的轴测图；

图2是本发明实施例提供的双梁弯曲型偏心支撑耗能梁的主视图；

图3是本发明实施例提供的双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁腹板设置通孔处沿高度方向的剖视图；

图4是本发明实施例提供的双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁腹板设置通孔处沿高度方向的剖视图；

图5是本发明实施例提供的双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁翼缘设置凹槽、且未设置第二加劲肋处沿高度方向的剖视图；

图6是本发明实施例提供的双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁翼缘设置凹槽、且设置第二加劲肋处沿高度方向的剖视图。

附图中各个标记分别为：

1、耗能梁；

11、上翼缘；

12、下翼缘；

13、腹板；

141、第一加劲肋；

142、第二加劲肋；

151、凹槽；

152、通孔；

161、第一辅助翼缘；

162、第二辅助翼缘；

2、非耗能梁；

21、第三加劲肋；

3、支撑梁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种双梁弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，如图2所示，并结合图3，该耗能梁包括：上翼缘11，下翼缘12，腹板13，以及，第一加劲肋141。上翼缘11与下翼缘12平行设置；腹板13与第一加劲肋141垂直设置；且，腹板13以及第一加劲肋141同时连接上翼缘11的底面和下翼缘12的顶面。

其中，在上翼缘11上设置有至少一个沿上翼缘11宽度方向凹陷的凹槽151，在下翼缘12上设置有至少一个沿下翼缘12宽度方向凹陷的凹槽151。在腹板13上设置有一个不贯通耗能梁长度方向的通孔152。并且，凹槽151与通孔152在耗能梁长度方向上不重合。

在本发明实施例中，对于通孔152的形状不做具体限定，例如矩形、方形、椭圆形等。在以下描述中，以通孔152为矩形通孔为例进行说明。同时，结合以下公式对本发明实施例所提供的弯曲剪切型偏心支撑耗能梁的工作原理进行阐述：

首先，弯曲型偏心支撑耗能梁在地震时可通过上翼缘11和下翼缘12受弯塑性变形以耗散地震能量。且由于耗能梁的长度较长，其所承受的剪切力相对较弱，因此相关技术中所提供的弯曲型耗能梁在遭遇地震时腹板13不会因承受剪切作用力出现剪切塑性变形。换言之，相关技术所提供的弯曲型偏心支撑耗能梁通过弯曲塑性变形，而非剪切塑性变形，来耗散地震能量。

但是，在本发明实施例所提供的弯曲剪切型偏心支撑耗能梁中，由于在腹板13上设置了通孔152，对腹板13部分进行了削弱，因此遭遇地震时腹板13受剪切力作用会出现剪切塑性变形。且在长度方向上被通孔152所覆盖的腹板13部分均可发生塑性变形，形成剪切塑性变形区，提高耗能梁消耗地震能量的能力。

如此，从整体来说，本发明实施例所提供的弯曲剪切型偏心支撑耗能梁遭遇地震时，耗能梁的两端如图2中虚线处因承受的弯曲力矩大，出现弯曲塑性变形；耗能梁的中部，由于在腹板13上设置了通孔152，因此在耗能梁两端发生弯曲塑性变形后，腹板13的中部可继续发生剪切塑性变形。因此，该耗能梁既可通过弯曲塑性变形耗散地震能量，也可通过剪切塑性变形耗散地震能量，充分发挥耗能梁的塑性变形作用，改善其耗能效果，提高抗震性能。

其次，相关技术中所提供的耗能梁还存在用钢量难以降低，工程造价高的缺陷。在本发明实施例中，在耗能梁的上翼缘11和下翼缘12上设置有至少一个沿耗能梁宽度方向凹陷的凹槽151。通过凹槽151可降低非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力，进而降低整体偏心支撑结构的用钢量。具体分析如下：

在弯曲型偏心支撑结构中，非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力满足以下条件：

F＝Ω(M_SN/M)F₁(1)

式中，F—非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力；

F₁—非耗能梁或支撑梁或框架柱多遇地震组合时的荷载效应内力；

M_SN—耗能梁的全塑性受弯承载力；

M—耗能梁多遇地震组合时的荷载效应弯矩；

Ω—常数放大系数。

根据公式(1)不难看出，非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力F与耗能梁的全塑性受弯承载力正相关。其中，非耗能梁或支撑梁或框架柱多遇地震组合时的荷载效应内力F₁，以及耗能梁多遇地震组合时的荷载效应弯矩M，通过软件模拟计算获取；耗能梁的全塑性受弯承载力M_SN通过以下公式获取：

M_SN＝(f_y-δ_a)W_pb(2)

式中，W_pb—耗能梁的塑性截面模量；

f_y—耗能梁钢材屈服强度；

δ_a—轴向力引起的梁段翼缘的平均正应力。

其中，耗能梁的塑性截面模量W_pb通过以下公式计算：

W_pb＝b_f×t_f×h+t×h²/4(3)

式中，b_f—耗能梁翼缘受弯宽度；

t_f—耗能梁翼缘的厚度；

t—耗能梁腹板的厚度；

h—耗能梁腹板的高度。

在相关技术中，耗能梁的翼缘的宽度与非耗能梁的翼缘的宽度相同；而在本发明实施例中，耗能梁的翼缘的宽度小于非耗能梁的翼缘的宽度。因此，结合公式(1)、(2)、(3)，不难理解的是，在非耗能梁宽度不变的前提下，与相关技术中耗能梁相比，本发明实施例所提供的耗能梁具有更小的塑性截面模量，进而具有更小的全塑性受弯承载力，如此降低了非耗能梁、支撑梁或框架柱的设计内力。

同时，非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力与各自的用钢量正相关。以用钢量对整体偏心支撑结构用钢量贡献最大的框架柱为例，当框架柱设计内力增大时，需增加框架柱截面尺寸，如此会增大框架柱用钢量；当框架柱设计内力减小时，可减小框架柱截面尺寸，如此减小了框架柱用钢量。

基于此，在本发明实施例中，通过凹槽151,缩小上翼缘11和下翼缘12的宽度，降低了非耗能梁、支撑梁以及框架柱的设计内力，进而降低了非耗能梁、支撑梁以及框架柱的用钢量。且由于框架柱的用钢量对整体偏心支撑结构的用钢量贡献最大，因此即便在非耗能梁中新增了辅助翼缘等构件，采用该耗能梁的偏心支撑结构的总体用钢量还是可以降低。如此，解决了相关技术中难以降低工程造价的缺陷。

并且，在腹板13上设置通孔152，由于降低了腹板13可承载剪切力的有效宽度，降低了耗能梁的全塑性受剪承载力，因此也可降低非耗能梁、支撑梁以及框架柱的设计内力，进而对降低整体偏心支撑结构的用钢量做出贡献。换言之，在腹板13上设置通孔152同样有利于降低工程造价。

此外需要说明的是，凹槽151用于降低耗能梁的全塑性受弯承载力，且在翼缘的削弱部分需要保证耗能梁的抗剪性能；通孔152用于降低耗能量的全塑性受剪承载力，且在腹板的削弱部分需保证耗能梁的抗弯性能。因此，为了避免凹槽151与通孔152相互影响，在本发明实施例中，凹槽151和通孔152在耗能梁的长度方向上不具有重叠部分。

同时，由于可进一步降低偏心支撑结构的用钢量，尤其是框架柱的用钢量，因此能够减小框架柱的最小截面面积。减小框架柱的最小截面面积，一方面，有利于框架柱安装、缩短安装周期；另一方面，也使得相邻框架柱之间的净距可进一步增大，增加建筑内部空间，利于建筑内部工艺管道的布置。并且，由于凹槽151和通孔152的尺寸易于控制，便于加工，因此扩大了该偏心支撑结构用钢量可选择的范围。

进一步地，在本发明实施例中，设置有凹槽151处的上翼缘11或者下翼缘12的宽度，沿耗能梁的长度方向先逐渐减小、后保持不变、再逐渐增大。翼缘(11、12)的宽度逐渐变化可避免应力集中，保证翼缘(11、12)结构的稳定性。具体地，关于凹槽151的形状，如图3所示的沿耗能梁长度方向的剖视图，凹槽151包括相连接：第一倾斜段，直边段，以及第二倾斜段。此时，第一倾斜段和第二倾斜段平缓过渡，使得翼缘(11、12)的宽度逐渐变化。优选地，为了进一步避免应力集中，第一倾斜段和第二倾斜段为弧形段，且直边段与第一倾斜段和第二倾斜段的切线平行。

进一步地，在本发明实施例中，凹槽151可以设置在耗能梁的中部，或者两端。且凹槽151的总数量可以设置多个，例如1个、2个、3个、4个等。出于降低耗能梁的全塑性受弯承载力的角度，考虑到耗能梁两端的弯曲力矩大于耗能梁中部的弯曲力矩，优选将凹槽151设置在耗能梁用于连接非耗能梁的两端。

具体地，在上翼缘11用于连接非耗能梁的上翼缘的两端上分别设置凹槽151；在下翼缘12用于连接非耗能梁的下翼缘的两端上分别设置凹槽151。更具体地，本发明实施例提供的耗能梁一共具有4个凹槽151，其中，在上翼缘11用于连接非耗能梁的上翼缘的两端上，分别设置有两个凹槽151；在下翼缘12用于连接非耗能梁的下翼缘的两端上，分别设置有两个凹槽151。且凹槽151在上翼缘11和下翼缘12上关于腹板13对称设置。

进一步地，耗能梁还包括：第一辅助翼缘161，以及，第二辅助翼缘162；第一辅助翼缘161和第二辅助翼缘162设置在腹板13上，且第一辅助翼缘161位于通孔152的上方，第二辅助翼缘162位于通孔152的下方。第一辅助翼缘161和第二辅助翼缘162在腹板13的长度方向上覆盖通孔152。如此，通过第一辅助翼缘161、第二辅助翼缘162增强了腹板13未设置通孔15的区域，避免在地震中出现破坏。

且由于通孔152为矩形通孔，因此优选第一辅助翼缘161设置在通孔152的上边缘处，第二辅助翼缘162设置在通孔152的下边缘处。具体参照图2，此时，位于通孔152的上方的辅助翼缘和上翼缘11形成了一个子耗能梁；位于该通孔152的下方的辅助翼缘和下翼缘12形成了另一个耗能梁。如此通孔152和辅助翼缘(161、162)形成了两个子耗能梁，即形成了双梁结构。通过两个子耗能梁之间的协同作用，增强了耗能梁的受剪变形能力，以有效耗散地震能量。

并且，在第一辅助翼缘161和第二辅助翼缘162上设置有凹槽151，且在耗能梁的宽度方向上，第一辅助翼缘161、第二辅助翼缘162、上翼缘11，以及下翼缘12的边缘平齐。如此在增加辅助翼缘的基础可上保证降低耗能梁的全塑性受弯承载力，进而保证降低框架柱、支撑梁以及非耗能梁的设计内力。具体地，在腹板13的两侧对称设置两个第一辅助翼缘161，以及两个第二辅助翼缘162。以保证整体耗能梁结构的对称均一性，以实现期望的力学性能。

关于辅助翼缘(161、162)的尺寸需要说明的是：第一辅助翼缘161，第二辅助翼缘162，上翼缘11，以及下翼缘12平行并等长。并且，第一辅助翼缘161，第二辅助翼缘162，上翼缘11，以及下翼缘12等厚。如此，有利于避免出现应力集中，保证整体结构的稳定性。

进一步地，在本发明实施例中，如图2所示，并结合图4、图5、图6，耗能梁还包括：第二加劲肋142。该第二加劲肋142连接第一辅助翼缘161的顶面和上翼缘11的底面，第二辅助翼缘162的底面和下翼缘12的顶面，以及未设置通孔151处的第一辅助翼缘161的底面和第二辅助翼缘162的顶面。通过第二加劲肋142，增强了未设置通孔15处的腹板13，保证耗能梁结构的稳定性，避免在地震中因应力集中而产生破坏，进而实现持续、有效地耗散地震能量。并且，在耗能梁宽度方向上，第一加劲肋141和第二加劲肋142的外边缘，与上翼缘11和下翼缘12的最窄宽度处的外边缘平齐，使得耗能梁在用钢量和力学性能之间达到平衡。

此外，还需说明的是，在第一加劲肋141、以及第二加劲肋142与腹板13的连接处设置有倒角，以避免第一加劲肋141和第二加劲肋142与腹板13的连接处出现应力集中。

并且，本发明实施例所提供的耗能梁为轴对称结构。具体来说，该耗能梁在其长度方向上，高度方向上，以及宽度方向上均为对称结构，如此以增加整体耗能梁的均匀性。

本发明实施例所提供的弯曲剪切型偏心支撑耗能梁具有耗能能力强、工程造价低的特点，具有良好的推广价值。

第二方面，本发明实施例提供了一种偏心支撑结构，如图2所示，该偏心支撑结构包括：耗能梁1，非耗能梁2，支撑梁3，以及，框架柱(图上未示出)。其中，非耗能梁2与耗能梁1平行设置且端部相接，支撑梁3与非耗能梁2的底面连接，框架柱与非耗能梁2未连接耗能梁1的端部连接。并且，耗能梁1为本发明实施例第一方面所提供的弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，非耗能梁2、支撑梁3以及框架柱的设计内力与耗能梁1的全塑性受弯承载力或全塑性受剪承载力相匹配。

进一步地，非耗能梁2还包括设置在非耗能梁2用于连接耗能梁1的两端上的第三加劲肋21。且第三加劲肋21同时连接非耗能梁2的上翼缘的底面，以及非耗能梁2的下翼缘的顶面。耗能梁与非耗能梁的过渡区域易出现应力集中，因此在该过渡区域设置第三加劲肋21有助于提高整体偏心支撑结构的稳定性，避免因应力集中出现结构破坏。

可以理解的是，该剪切型偏心支撑结构因采用了第一方面所提供的耗能梁，兼具良好的耗能能力、抗震性能，以及较低的用钢量和工程造价。详见第一方面的分析，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。