一种地震免损分层预制装配式自复位摇摆钢框架结构体系

摘要

本发明涉及一种地震免损分层预制装配式自复位摇摆钢框架结构体系，包括：承重框架模块：包括多根水平布置的贯通梁，以及两端分别铰接相邻两根贯通梁的分层方钢管柱；布置在承重框架模块周围的至少一个双核心自复位摇摆模块：其包括两个与基础铰接的刚性摇摆核心结构，以及沿竖向布置在所述两个刚性摇摆核心结构之间的自复位耗能装置；抗剪连接件：其两端分别连接所述贯通梁和刚性摇摆核心结构。与现有技术相比，本发明构造简单，承重与抗侧功能分离，作用机理明确，便于工业化生产和装配化施工，具有优越的抗震耗能和自复位性能，且震后无需修复或更换，作为一种高性能结构体系，在地震设防烈度较高的地区具有广泛的推广应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，涉及一种地震免损分层预制装配式自复位摇摆钢框架结构体系。

背景技术

钢结构具有强度高、重量轻、延性和韧性好的优点，虽已有百余年发展历史，但迄今任是各种广泛应用的结构材料中最符合可持续发展要求，且在今后相当长的历史进程中仍能展现其节能、环保、绿色的优势。2017年从中央到地方关于发展装配式建筑的政策相继出台，全国各地均设置装配式建筑相关工作目标，出台相关扶持政策。在国内新建的装配式建筑里，大多为预制装配式混凝土结构形式，而在我国预制装配钢结构目前并不多见，但钢结构具有保护环境、节约能源；施工周期短，施工不受季节影响；增大住宅空间使用面积；减少建筑垃圾，建筑材料可重复利用；抗震性能好等显著优点，势必会让预制装配式钢结构成为未来建筑的发展方向。并且《建筑产业现代化发展纲要》中明确指出，到2020年装配式建筑占新建建筑的比例20％以上；到2025年装配式建筑占新建建筑的比例50％以上，可见装配式钢结构的市场发展空间巨大。

1985年发生的Mexico Ctiy地震、1989年发生的美国Loma Prieta地震、1994年发生的美国Northbridge地震、1995年日本发生的Hyogo-ken Nanbu地震，都给大量的传统结构造成了不可修复的损害，造成了成千上万的人员伤亡，经济损失以百亿美元计。由于地震作用的不确定性和复杂性，结构有可能遭受比设防烈度更大的地震作用，导致结构严重受损。例如汶川地区2008年以前的设防烈度是7度，而汶川地震震中烈度却最高达11度，人员伤亡和失踪超过8万人，直接经济损失超过8400亿元人民币。即使结构在遭受设防烈度的地震后没有出现倒塌，但有部分构件因破坏位置的特殊性以及破坏严重性使其难以加固修复，最后也只能重建，带来了巨大的损失，同时也不可避免地影响了人们的生产、生活。2009年1月在NEES/E-Defense美日地震工程第二阶段合作研究计划会议上，美日学者首次提出“可恢复功能城市(resilient city)”，并被看作地震工程研究的未来发展趋势。通过合理的设计，研究出在地震中不发生破坏或只在某些特定构件发生可迅速修复破坏的结构，是可持续性结构抗震的重要课题。可恢复功能性结构(earthquake-resilient structure)从此成为各国学者与工程师关注的焦点之一。

目前已有的自复位摇摆钢框架结构体系多是在传统钢结构体系上附加自复位摇摆核心实现，且目前关于自复位耗能摇摆核心的研究多采用预应力筋实现摇摆核心自复位，但预应力筋需要现场张拉，施工过程繁琐。预应力筋与基础的锚固施工困难，甚至实际工程中很难实现。且预应力筋的紧固件长时间会产生松动，造成预应力筋的应力松弛，严重影响结构性能。预应力筋的变形能力有限，如果在地震过程中，结构发生较大变形，预应力筋的应变超过其屈服应变，则震后需要对预应力筋进行更换并重新锚固、张拉，过程繁琐且价格昂贵。目前，摇摆核心的耗能主要通过金属阻尼器在地震作用下发生塑性变形实现。已有研究表明，金属阻尼器在一次地震产生较大塑性变形后，其耗能能力显著降低，无法保证结构在余震作用下的安全。由于金属阻尼器产生较大的塑性变形，震后拆卸困难，全部更换的费用也较高。且已有的摇摆钢框架结构体系无法满足工业化生产，装配化施工的要求。本发明正是基于上述问题而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种地震免损分层预制装配式自复位摇摆钢框架结构体系，其可以满足工业化生产，装配化施工的要求，具有多道抗震防线，且在设计地震作用下，结构体系各构件均保持弹性，震后无需修复或更换。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的在于提出一种地震免损分层预制装配式自复位摇摆钢框架结构体系，包括：

承重框架模块：包括多根水平布置的贯通梁，以及两端分别铰接相邻两根贯通梁的分层方钢管柱；

布置在承重框架模块周围的至少一个双核心自复位摇摆模块：其包括两个与基础铰接的刚性摇摆核心结构，以及沿竖向布置在所述两个刚性摇摆核心结构之间的自复位耗能装置；

抗剪连接件：其两端分别连接所述贯通梁和刚性摇摆核心结构。

本发明中的贯通梁优选采用贯通H型钢梁等。整个结构体系设有多道抗震防线，在小震、中震和大震作用下，结构体系的水平位移没有超过设计位移时，结构体系的抗侧由自复位耗能装置提供；当结构遭受超大地震时，结构体系的水平位移超过设计位移时，自复位耗能装置中的环簧组顶紧变为刚性连接件，此时两个刚性摇摆核心结构及该连接件共同组成结构体系的抗震二道防线，为结构体系提供抗侧能力。

进一步的，分层方钢管柱在各楼层断开处与贯通梁铰接连接。

进一步的，所述的自复位耗能装置包括核心螺杆、套设在核心螺杆上的复合连接件、布置在核心螺杆两端的限位件，以及套设在核心螺杆上并分别位于复合连接件两端与两个限位件之间的环簧组，所述复合连接件包括第一连接件和第二连接件，其中，第二连接件套设在核心螺杆中部外侧并可沿其轴向移动，第一连接件套设在第二连接件外侧，并使得第一连接件和第二连接件可沿核心螺杆轴向产生相对位移。

更进一步的，所述的环簧组包括间隔套设在核心螺杆上并可沿其轴向移动的多个内环，在两个相邻内环上套有用于抵住并挤压其外侧表面的外环。在材料方面，内环优选采用高强钢，所述的外环优选采用形状记忆合金或高强钢，以满足环簧组基本的自复位耗能，以及顶紧后的刚性连接等需求。

更进一步优选的，最上方和最下方的两个内环分别带有从下端倾斜和从上端倾斜的环形外侧坡面，位于中间的内环的外侧表面从其中心线位置向上下两端倾斜并形成上下两个环形外侧坡面，所述外环内侧表面上下两端分别向其中心位置倾斜，并形成与所述环形外侧坡面匹配的两个环形内侧坡面。

更进一步的，所述的环簧组始终处于受压状态。

更进一步的，所述的限位件为通过螺纹设置在核心螺杆上下两端的螺帽，并通过拧紧螺帽对环簧组进行预紧。此外，在螺帽与环簧组之间、环簧组与复合连接件之间均可不止垫片。

进一步的，以两个刚性摇摆核心结构中相对设置的一侧为B侧，另一侧为A侧，所述刚性摇摆核心结构的B侧伸出或预埋有用于临时支撑的短柱，A侧则铰接布置在基础上的铰接基座。

更进一步的，所述刚性摇摆核心结构呈直角梯形，其锐角端与所述铰接基座铰接。

本发明中，抗剪连接件的作用主要用于传递水平剪力，但不约束贯通梁和刚性摇摆核心结构之间的竖向相对位移。其优选的结构设计方式为：在所述的刚性摇摆核心结构上布置有沿竖向的滑槽，所述抗剪连接件的一端与贯通梁固定连接，另一端伸入所述滑槽中并可沿滑槽移动。

进一步的，本发明优选采用的是分层方钢管柱与贯通梁近似铰接的方式。具体结构设计如下：所述的分层方钢管柱与贯通梁之间通过梁贯通式柱梁铰接节点连接，所述梁贯通式柱梁铰接节点包括十字连接件，所述十字连接件的一端连接所述分层方钢管柱，另一端上设有连接端板，所述连接端板与贯通梁之间还布置有多个高强螺栓进行固定。此处在具体实施时，高强螺栓离分层方钢管柱的柱截面形心轴距离较小，其产生的抵抗矩与柱截面惯性矩相比较小，可认为是近似铰接。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明的结构体系构造简单，承重与抗侧功能分离，作用机理明确，便于工业化生产和装配化施工，具有优越的抗震耗能和震后自复位性能，且震后无需修复或更换，作为一种高性能结构体系，在地震设防烈度较高的地区具有广泛的推广应用价值。

(2)结构体系分层柱、贯通梁装配而成的框架结构作为结构体系的承重模块，双核心自复位摇摆模块作为结构体系的抗侧力和自复位耗能模块，两者功能独立。

(3)结构体系具有多道抗震防线，自复位耗能装置为第一道抗震防线，当结构遭受超大地震时，结构体系的水平位移超过设计位移时，自复位耗能装置中的环簧组顶紧变为刚性连接件，此时两个刚性摇摆核心结构及该连接件共同组成结构体系的抗震二道防线，使结构体系具有超预期承载能力。

(4)结构体系利用环簧组的滞回特性进行耗能和自复位，在多次地震作用后性能无明显降低，可多次重复利用，具有较高的经济性。

(5)结构体系在预期地震作用下各构件均可保持弹性，震后无需更换。

附图说明

图1为本发明的体系构造示意图；

图2为本发明的结构体系的平面布置形式示意图；

图3为本发明的承重框架模块的示意图；

图4为本发明的双核心自复位摇摆模块的结构示意图；

图5为抗剪连接件的连接示意图；

图6为梁贯通式柱梁铰接节点的主视示意图；

图7为梁贯通式柱梁铰接节点的俯视示意图；

图8为刚性摇摆核心结构的示意图；

图9为自复位耗能装置的示意图；

图10为环簧组的构造示意图；

图中标记说明：

1-贯通梁，2-分层方钢管柱，3-梁贯通式柱梁铰接节点，4-双核心自复位摇摆模块，5-自复位耗能装置，6-抗剪连接件，7-右侧刚性摇摆核心结构，8-左侧刚性摇摆核心结构，9-短柱，10-铰接基座，11-主结构柱，12-滑槽，13-抗剪件，14-十字连接件，15-高强螺栓，16-端板，17-第一连接件，18-第二连接件，19-环簧组，20-端部内环，21-外环，22-中间内环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提出的一种地震免损分层预制装配式自复位摇摆钢框架结构体系，其结构参见图1和图2所示，包括：

承重框架模块：包括多根水平布置的贯通梁1，以及两端分别铰接相邻两根贯通梁1的分层方钢管柱2；

布置在承重框架模块周围的至少一个双核心自复位摇摆模块4：其包括两个与基础铰接的刚性摇摆核心结构，以及沿竖向布置在所述两个刚性摇摆核心结构之间的自复位耗能装置5；

抗剪连接件6：其两端分别连接所述贯通梁1和刚性摇摆核心结构。

本发明中的贯通梁1优选采用贯通H型钢梁等。整个结构体系设有多道抗震防线，在小震、中震和大震作用下，结构体系的水平位移没有超过设计位移时，结构体系的抗侧由自复位耗能装置5提供；当结构遭受超大地震时，结构体系的水平位移超过设计位移时，自复位耗能装置5中的环簧组19顶紧变为刚性连接件，此时两个刚性摇摆核心结构及该连接件共同组成结构体系的抗震二道防线，为结构体系提供抗侧能力。

在本发明的一种优选的实施方式中，参见图1所示，分层方钢管柱2在各楼层断开处与贯通梁1铰接连接。

在本发明的一种优选的实施方式中，参见图9和图10所示，所述的自复位耗能装置5包括核心螺杆、套设在核心螺杆上的复合连接件、布置在核心螺杆两端的限位件，以及套设在核心螺杆上并分别位于复合连接件两端与两个限位件之间的环簧组19，所述复合连接件包括第一连接件17和第二连接件18，其中，第二连接件18套设在核心螺杆中部外侧并可沿其轴向移动，第一连接件17套设在第二连接件18外侧，并使得第一连接件17和第二连接件18可沿核心螺杆轴向产生相对位移。

更进一步的实施方式中，所述的环簧组19包括间隔套设在核心螺杆上并可沿其轴向移动的多个内环，在两个相邻内环上套有用于抵住并挤压其外侧表面的外环21。在材料方面，内环优选采用高强钢，所述的外环21优选采用形状记忆合金或高强钢，以满足环簧组19基本的自复位耗能，以及顶紧后的刚性连接等需求，参见图10所示。更进一步优选的，最上方和最下方的两个内环分别带有从下端倾斜和从上端倾斜的环形外侧坡面，位于中间的内环的外侧表面从其中心线位置向上下两端倾斜并形成上下两个环形外侧坡面，所述外环21内侧表面上下两端分别向其中心位置倾斜，并形成与所述环形外侧坡面匹配的两个环形内侧坡面。

更进一步的实施方式中，所述的环簧组19始终处于受压状态。

更进一步的实施方式中，所述的限位件为通过螺纹设置在核心螺杆上下两端的螺帽，并通过拧紧螺帽对环簧组19进行预紧。此外，在螺帽与环簧组19之间、环簧组19与复合连接件之间均可不止垫片。

在本发明的一种优选的实施方式中，以两个刚性摇摆核心结构中相对设置的一侧为B侧，另一侧为A侧，所述刚性摇摆核心结构的B侧伸出或预埋有用于临时支撑的短柱9，A侧则铰接布置在基础上的铰接基座10，参见图1和图8所示。刚性摇摆核心结构可以为钢筋混凝土墙、钢框架、钢桁架等可以提供较大抗弯刚度的结构。

更进一步的实施方式中，所述刚性摇摆核心结构呈直角梯形，其锐角端与所述铰接基座10铰接，参见图8所示。

本发明中，抗剪连接件6的作用主要用于传递水平剪力，但不约束贯通梁1和刚性摇摆核心结构之间的竖向相对位移。其优选的结构设计方式为：在所述的刚性摇摆核心结构上布置有沿竖向的滑槽12，所述抗剪连接件6的一端与贯通梁1固定连接，另一端伸入所述滑槽12中并可沿滑槽12移动，参见图5所示。

在本发明的一种优选的实施方式中，参见图3、图6和图7所示，所述的分层方钢管柱2与贯通梁1之间通过梁贯通式柱梁铰接节点3采用近似铰接的方式连接，所述梁贯通式柱梁铰接节点3包括十字连接件14，所述十字连接件14的一端连接所述分层方钢管柱2，另一端上设有连接端板16，所述连接端板16与贯通梁1之间还布置有多个高强螺栓15进行固定。

实施例1

参见图1和图2所示，一种地震免损分层预制装配式自复位摇摆钢框架结构体系，包括分层方钢管柱2、贯通梁1(本实施例采用贯通H型钢梁)、梁贯通式柱梁铰接节点3、抗剪连接件6、双核心自复位摇摆模块4。其中，分层方钢管柱2在各楼层断开与贯通梁1铰接连接。

参见图2，分层方钢管柱2与贯通梁1组成的承重模块与双核心自复位摇摆模块4通过抗剪连接件6连接，抗剪连接件6包括一端与贯通梁1焊接的抗剪件13，抗剪件13的另一端插入刚性摇摆核心结构的主结构柱11的滑槽12内，其只传递水平剪力但不约束竖向位移，参见图5所示。

参见图4所示，双核心自复位摇摆模块4包括两个刚性摇摆核心结构(分别为左侧刚性摇摆核心结构8与右侧刚性摇摆核心结构7)，左侧刚性摇摆核心结构8与右侧刚性摇摆核心结构7通过自复位耗能装置5连接组成，两个刚性摇摆核心结构分别通过铰接基座10与地面等基础铰接。

参见图3、图6和图7所示，梁贯通式柱梁铰接节点3主要由十字连接件14、端板16和四个高强螺栓15组成，分层方钢管柱2与贯通梁1之间通过梁贯通式柱梁铰接节点3连接，十字连接件的14一端连接分层方钢管柱2，另一端上设有连接端板16，端板16与贯通梁1之间还布置有高强螺栓15进行固定。

参见图8，刚性摇摆核心结构可以为钢筋混凝土墙、钢框架、钢桁架等可以提供较大抗弯刚度的结构，这里以钢桁架为例，左侧刚性摇摆核心结构8(或右侧刚性摇摆核心结构7)通过铰接基座10与地基连接，在摇摆核心上设置短柱9，用于在安装时为摇摆核心设置临时支撑，也便于安装时利用千斤顶调整定位.

参见图9，自复位耗能装置5通过第一连接件17、第二连接件18与两个刚性摇摆核心结构连接；

参见图10，自复位耗能装置5包括核心螺杆、套设在核心螺杆上的复合连接件、布置在核心螺杆两端的限位件，以及套设在核心螺杆上并分别位于复合连接件两端与两个限位件之间的环簧组19，所述复合连接件包括第一连接件17和第二连接件18，其中，第二连接件18套设在核心螺杆中部外侧并可沿其轴向移动，第一连接件17套设在第二连接件18外侧，并使得第一连接件17和第二连接件18可沿核心螺杆轴向产生相对位移。环簧组19由内环和外环21构成，始终处于受压状态。内环包括端部内环20和中间内环22两种，所有的内环均间隔套设在核心螺杆上，外环21套在相邻两个内环上，并通过其内侧表面接触挤压所述两个相邻内环外侧表面，从而使得两个相邻内环产生相对远离的运动趋势，保持环簧组19的受压状态。端部内环20可以采用相当于半个中间内环22的形状设置，具体的，最上方和最下方的两个端部内环20分别带有从下端倾斜和从上端倾斜的环形外侧坡面，位于中间的中间内环22的外侧表面从其中心线位置向上下两端倾斜并形成上下两个环形外侧坡面，所述外环21内侧表面上下两端分别向其中心位置倾斜，并形成与所述环形外侧坡面匹配的两个环形内侧坡面。内环材料为高强钢，外21环材料可以为形状记忆合金或高强钢，环簧组19始终处于受压状态。

具体施工时：

(1)根据设计尺寸加工分层方钢管柱2、贯通梁1(贯通H型钢梁)、抗剪连接件6、双核心自复位摇摆模块4等部件；

(2)先通过螺栓将分层方钢管柱2与基础连接，柱间设置临时支撑，后吊装贯通梁1，依此顺序完成承重框架的装配；

(3)将刚性摇摆核心结构吊装，与焊接在贯通H型钢梁上的抗剪连接件6连接，后将刚性摇摆核心结构通过铰接基座10与基础铰接；

(4)利用千斤顶支撑在刚性摇摆核心结构的短柱9上，调整定位，后将自复位耗能装置5与刚性摇摆核心结构的主结构柱11焊接；

(5)撤去千斤顶及承重框架的临时支撑，结构体系装配完成。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。