装配腋撑式顶底角钢梁柱连接钢框架

摘要

本发明公开了一种装配腋撑式顶底角钢梁柱连接钢框架，包括钢梁和与钢梁垂直设置的两个钢柱，两个钢柱分别与钢梁的两端通过顶底角钢固定连接；在靠近钢梁和两个钢柱的连接处均设置有腋撑，每个腋撑均包括斜支撑和固定设置在斜支撑两端的节点板，每个腋撑的两端通过节点板分别与钢梁和钢柱可拆卸连接，且斜支撑相对于钢梁的轴线和钢柱的轴线均倾斜设置；其中，钢框架的屈服准则为梁柱连接和腋撑先于钢梁屈服，或钢梁先于梁柱连接和腋撑屈服。相比传统的半刚性连接的加固措施，将腋撑加入半刚性钢框架中，结合了抗弯钢框架与中心支撑钢框架的优点，克服了偏心支撑钢框架的缺点。顶底角钢梁柱连接与腋撑耗能能力较好，因此整个框架耗能能力大大提升。

说明书

技术领域

本发明涉及结构工程钢结构技术领域，尤其涉及一种装配腋撑式顶底角钢梁柱连接钢框架。

背景技术

我国是个地震多发的国家，地震造成的建筑安全事故给人们带来不可估量的损失。半刚性钢框架因其轻质高强、抗震性能好、经济环保和施工周期短等一系列优点，越来越受得到建筑行业的青睐。随着近几十年半刚性钢框架的相关理论越来越成熟，我国半刚性连接钢框架使用越来越广泛。在小震或者级数较小的风作用下，半刚性连接钢框架具有足够的抗侧刚度抵抗侧向荷载的作用，且保持连接处于弹性阶段。然而在中大震以及强风作用时，半刚性钢框架连接处出现屈服现象，结构体系侧向位移较大，设计并不能满足抗震规范中对建筑层间位移角的要求。随着设计功能需求与设防指标的提高，如何对现有半刚性钢框架进行加固也是工程中的重要问题。

工程界常常采用抗侧支撑对半刚性钢框架进行加固，以此来提高结构整体的抗震性能。目前常用的支撑钢框架为中心支撑钢框架、偏心支撑钢框架以及隅撑支撑钢框架等。然而中心支撑钢框架和隅撑支撑钢框架均采用较长的中心支撑杆，在罕遇地震作用下该杆易发生侧向屈曲，框架耗能能力有限。基于耗能梁为主要耗能构件的偏心支撑钢框架，在罕遇地震下，梁破坏后维修困难。因此采用合理的方法对半刚性钢框架进行加固和修复损害意义深远。

发明内容

针对半刚性钢框架抗侧刚度不足和现有技术中对半刚性钢框架加固不适用等问题，本发明提出一种装配腋撑式顶底角钢梁柱连接钢框架。腋撑式半刚性钢框架中腋撑对半刚性连接具有很好的保护和加固作用，大大改善了半刚性钢框架的抗侧刚度、强度以及耗能能力，且全框架采用螺栓连接，施工简单。

本发明采用如下技术方案实现：

装配腋撑式顶底角钢梁柱连接钢框架，包括钢梁和与所述钢梁垂直设置的两个钢柱，两个所述钢柱分别与所述钢梁的两端通过顶底角钢固定连接；

在靠近所述钢梁和两个所述钢柱的连接处均设置有腋撑，每个所述腋撑均包括斜支撑和固定设置在所述斜支撑两端的节点板，每个所述腋撑的两端通过所述节点板分别与所述钢梁和所述钢柱可拆卸连接，且所述斜支撑相对于所述钢梁的轴线和所述钢柱的轴线均倾斜设置；

其中，所述钢框架的屈服准则为梁柱连接和腋撑先于钢梁屈服，或钢梁先于梁柱连接和腋撑屈服。

进一步地，所述斜支撑为圆管支撑或屈曲约束支撑，所述圆管为轧制型或焊接型钢，所述屈曲约束支撑包括钢材内芯与位于所述钢材内芯外侧的圆管外筒。

进一步地，每个所述节点板均为轧制型或焊接型钢板，由三块钢板组成；每个所述顶底角钢均为轧制型或焊接型钢板，包括两肢；所述钢梁为轧制型或焊接型工形梁；所述钢柱为轧制型或焊接型工形柱。

进一步地，所述钢梁包括梁翼缘和梁腹板，在所述梁腹板上且对应于所述腋撑和所述钢梁的连接处均固定设置有梁加劲板。

进一步地，所述钢柱包括柱翼缘和柱腹板，在所述柱腹板上且对应于所述钢梁和所述钢柱的连接处、在所述柱腹板上且对应于所述腋撑和所述钢柱的连接处均固定设置有柱加劲板。

进一步地，所述节点板和钢柱、所述节点板和钢梁之间的连接均通过高强螺栓连接，且所有高强螺栓的轴向承载力之和大于腋撑轴力最大时节点板与钢梁和钢柱连接处所受的轴向拉力。

进一步地，当屈服准则为梁柱连接和腋撑先于梁屈服时，所述腋撑所受的轴向拉力通过如下公式获得

式中：M

所述腋撑的等效轴向刚度通过如下公式获得：

式中：α

所述腋撑的截面大小通过如下公式获得：

σ

式中：σ

进一步地，所述半刚性钢框架的等效抗侧刚度K

式中：L

进一步地，当屈服准则为钢梁先于梁柱连接和腋撑屈服时，所述腋撑所受的轴向拉力通过如下公式获得：

式中：M

所述腋撑的等效轴向刚度通过以下公式获得：

式中：α

进一步地，钢框架的等效抗侧刚度通过以下公式获得：

式中：L为梁长，L

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

(1)全框架采用螺栓连接，施工简单。

(2)相比传统隅撑式钢框架和中心支撑钢框架，腋撑式半刚性钢框架无需增设对角斜撑，建筑使用空间有所提升。

(3)腋撑能很好地保护梁柱连接且损坏后可直接更换；具有抗弯钢框架与中心支撑钢框架高强度、刚度等优点，避免了偏心支撑钢框架修复难等缺点。

(4)由于其多样的屈服机制，它不仅可用于地震多发地的高层建筑中，还能满足建筑更多元化的性能需求。

附图说明

图1是本发明的实施例一的刚框架的整体结构示意图。

图2是本发明的实施例一节点主视图。

图3是本发明的实施例一节点侧视图。

图4是本发明的实施例一节点俯视图。

图5是本发明的实施例一腋撑-梁连接处主视图。

图6是本发明的实施例一腋撑-梁连接处侧视图。

图7是本发明的实施例一腋撑-梁连接处俯视图。

图8是本发明的实施例一腋撑-柱连接处主视图。

图9是本发明的实施例一腋撑-柱连接处侧视图。

图10是本发明的实施例一腋撑-柱连接处俯视图。

图11是本发明的实施例一顶底角钢侧视图。

图12是本发明的实施例一顶底角钢俯视图。

图13是本发明的实施例一节点板正视图。

图14是本发明的实施例一节点板俯视图。

图15是本发明的实施例一梁构造俯视图。

图16是本发明的实施例一柱构造侧视图。

图17是本发明的实施例一圆管支撑正视图。

附图标记：1-柱翼缘；2-柱腹板；3-梁翼缘；4-梁腹板；5-顶底角钢；6-第一螺栓；7-第二螺栓；8-柱加劲板；9-梁加劲板；10-节点板；11-斜支撑；12-第三螺栓；13-第四螺栓；14-第一圆孔；15-第二圆孔；16-第三圆孔；17-第四圆孔；18-第五圆孔；19-第六圆孔；20-第七圆孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例一

如图1-图10所示，本实施例提供的装配腋撑式顶底角钢梁柱连接钢框架，包括两个均由柱翼缘1和柱腹板2焊接组合成的工形钢柱、由梁翼缘3和梁腹板4焊接组合成的工形钢梁、顶底角钢5、柱加劲板8、梁加劲板9、节点板10和斜支撑11，并且还配设有第一螺栓6、第二螺栓7、第三螺栓12和第四螺栓13。

两个钢柱分别与钢梁的两端通过顶底角钢5固定连接，在靠近钢梁和两个钢柱的连接处均设置有腋撑，每个腋撑均包括斜支撑11和固定设置在斜支撑11两端的节点板10，每个腋撑的两端通过节点板10分别与钢梁和钢柱可拆卸连接，且斜支撑11相对于钢梁的轴线和钢柱的轴线均倾斜设置。梁腹板4上且对应于腋撑和钢梁的连接处均固定设置有梁加劲板9，在柱腹板2上且对应于钢梁和钢柱的连接处、在柱腹板2上且对应于腋撑和钢柱的连接处均固定设置有柱加劲板8。

具体地，斜支撑11为圆管支撑或屈曲约束支撑(BRB支撑)，圆管支撑为轧制型或焊接型钢，屈曲约束支撑包括钢材内芯与位于所述钢材内芯外侧的圆管外筒。

具体地，如图1、图2、图5、图8、图11-图16所示，本实施例中共设置有4个顶底角钢5，分别设置在钢梁的两梁翼缘3两侧与两钢柱的相接处，相接处的柱翼缘1在工厂设置有第一圆孔14，顶底角钢5在工厂设置有第二圆孔15，在现场通过第一螺栓6连接以固定顶底角钢5和钢柱，顶底角钢5在工厂设置有第三圆孔16，梁翼缘3在工厂设置有第四圆孔17，在现场通过第二螺栓7连接以固定顶底角钢和钢梁，从而固定钢梁和钢柱。

梁翼缘3在工厂沿长度方向设置有三个第五圆孔18，节点板10在工厂设置相应设置有与三个第五圆孔18相配合的第六圆孔19，在现场通过三个第三螺栓12与第五圆孔18、第六圆孔19配合连接以将节点板10固定在钢梁上，柱翼缘1在工厂设置沿高度方向开设有三个第七圆孔20，节点板10在工厂设置有与三个第七圆孔20相配合的三个第六圆孔19，在现场通过三个第四螺栓13与第七圆孔20、第六圆孔19配合连接，以将节点板10固定在钢柱上，从而将腋撑的两端分别与钢梁和钢柱固定连接。根据腋撑最大轴力选取与第三螺栓12和第四螺栓13相应的孔洞的个数，保证所有高强螺栓轴向承载力之和大于腋撑轴力最大时节点板与钢梁和钢柱连接处所受轴向拉力。

具体的，如图5、图8和图13所示，节点板10在工厂与斜支撑11通过焊缝连接。

具体的，如图2、图4、图7、图9和图16所示，柱腹板2在工厂与两梁翼缘3平齐的位置、第四螺栓13的第二行和第三行螺栓中点的位置和节点板10末端的位置设置有柱加劲板8。

具体的，如图5和图6所示，梁腹板4在工厂于第三螺栓12的第二行和第三行螺栓中点的位置和节点板10末端的位置设置有梁加劲板9。

进一步的，在每个顶底角钢5上焊接固定有角钢加劲肋。角钢加劲肋为轧制型钢板，当需求梁柱连接转动刚度较大时，可增设角钢加劲肋，以避免顶底角钢受弯发生塑性变形。

具体的，第一螺栓6、第二螺栓7、第三螺栓12、第四螺栓13为高强螺栓。高强螺栓为承压型或摩擦型，强度等级为8.8级或10.9级或12.9级。高强螺栓均在工厂预拼装前选取。

具体的，节点板为轧制型或焊接型钢板，由三块钢板组成，顶底角钢为轧制型或焊接型钢板，由两肢组成，钢梁为轧制型或焊接型工形梁，钢柱为轧制型或焊接型工形柱，柱加劲板和梁加劲板均为轧制型钢板，圆管支撑或BRB支撑、节点板、顶底角钢、角钢加劲肋、钢梁、钢柱、柱加劲板和梁加劲板的材料均采用Q345、Q390或Q420强度等级钢材。上述圆管支撑或BRB支撑、节点板、顶底角钢、钢梁、钢柱、柱加劲板、梁加劲板等构件均在工厂制作完成。

根据对建筑功能的性能需求、场地条件和抗震烈度等因素，选定一个确切的性能目标，包括结构性能水准和构件的具体屈服准则。基于该性能目标，选择结构极限层间位移角θ

进一步，节点板10与斜支撑11形成的腋撑所受的轴向拉力通过如下公式求得：

式中：M

进一步，节点板10与圆管支撑11形成的腋撑的等效轴向刚度通过如下公式求得：

式中：式中：α

进一步，通过腋撑所受轴向拉力和腋撑的等效轴向刚度确定腋撑的截面大小。所述腋撑的截面大小通过如下公式获得：

σ

式中：σ

进一步，腋撑式半刚性钢框架等效抗侧刚度K

式中：L

通过计算在地震作用下单元框架由整体框架传来的剪力，结合目标层间位移和屈服机制，确定单元框架所需的等效抗侧刚度，并和计算得出的腋撑式半刚性钢框架等效抗侧刚度K

采用上述方法进行设计后，当地震发生时，梁柱节点(包含梁翼缘3、梁腹板4和顶底角钢5)和腋撑(包含节点板10和圆管支撑11)屈服耗能撑屈服耗能，作为抗震设防的防线，且震后可快速维修、更换。

实施例二

与实施例一基本相同，本实施例与实施例一的区别在于：

该装配腋撑式顶底角钢梁柱连接钢框架的屈服机制为钢梁先于梁柱连接和腋撑屈服。

进一步，节点板10与圆管支撑11形成的腋撑所受的轴向拉力通过如下公式求得：

M

式中：M

进一步，节点板10与圆管支撑11形成的腋撑的等效轴向刚度通过如下公式求得：

式中：α为腋撑性能系数，β为梁柱连接性能系数，M

进一步，此时腋撑的截面大小通过如下公式获得：

σ

式中：σ

进一步，此时腋撑式半刚性钢框架等效抗侧刚度K

式中：L为梁长，L

通过计算在地震作用下单元框架由整体框架传来的剪力，结合目标层间位移和屈服机制，确定单元框架所需的等效抗侧刚度，并和计算得出的腋撑式半刚性钢框架等效抗侧刚度K

采用上述方法进行设计后，当地震发生时，钢梁先于梁柱连接和腋撑屈服。设计对传统的单层单跨半刚性钢框架和本实施例提供的腋撑式半刚性钢框架循环加载试验研究，采用位移控制加载，仅对框架一边柱端侧向加载，基于美国钢结构建筑抗震规范(AISC-341-05)采用低周往复加载制度。框架两柱端通过两个铰支座与地梁连接，梁沿跨度方向均布两个侧向约束装置以防止梁平面外变形，连接处均采用高强螺栓连接。计算各框架的初始抗侧刚度、屈服承载力。无腋撑的钢框架初始刚度为1748.3N/mm(正荷载)和1676.3N/mm(负荷载)，屈服承载力为64.8kN(正荷载)和-55.7kN(负荷载)，采用相同梁柱截面和节点，仅多布置了腋撑的钢框架初始刚度为5349.5N/mm(正荷载)和4361.1N/mm(负荷载)，屈服承载力为124.0kN(正荷载)和-106.6kN(负荷载)，表明腋撑式半刚性钢框架能有效地提高框架的初始抗侧刚度、抗侧承载力，作为抗震设防的防线，能满足较高的要求。

本发明提供的装配腋撑式顶底角钢梁柱连接钢框架，腋撑与节点板根据支撑的塑性承载力采用角焊缝焊接的形式，在工厂加工完成。加劲板根据构造要求选择相应的厚度和焊缝宽度与梁柱焊接，整个框架出厂预拼装，确保各构件现场装配成功。相比传统的半刚性连接的加固措施，本发明将腋撑加入半刚性钢框架中，结合了抗弯钢框架与中心支撑钢框架的优点，克服了偏心支撑钢框架的缺点。腋撑与梁及柱连接处均采用螺栓连接，不仅能有效地增加结构整体的抗侧刚度以此满足抗震规范，并且增加的腋撑可以使得塑性铰远离梁柱构件以及其连接处，腋撑自身充当“耗能保险丝”的作用，破坏后的腋撑更换方便，整体框架装配简单。顶底角钢梁柱连接与腋撑耗能能力较好，因此整个框架耗能能力相比无腋撑半刚性钢框架大大提升。且可基于不同的性能，针对不同的框架屈服机制，选取刚度相匹配的腋撑、顶底角钢连接与框架梁。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。