专利名称：摇摆防屈曲支撑-框架结构体系及其施工方法
技术领域：
本发明涉及土木工程结构技术领域，尤其涉及一种摇摆防屈曲支撑-框架结构体系和其施工方法。
背景技术：
传统的抗震设计方法允许结构在强烈地震时进入非线性状态，依靠主体结构和构件的弹塑性变形来耗散地震动输入的能量，实现建筑结构“小震不坏、中震可修、大震不倒” 的抗震设防目标。然而，在地震过程中结构和构件受到复杂的往复荷载的作用，使得其累积损伤程度难以定量判别，导致大部分损伤结构的震后修复工作困难重重，不得不拆除重建， 造成资金和资源巨大浪费。因此，有必要设计出更为有效、经济、切实可行的结构抗震体系， 使得结构在遭遇设防烈度或超过设防烈度的地震时，主体结构和主要承重构件不发生破坏或严重损伤。以此为出发点，考虑结构在地震后的损伤修复成本，通过采取更换耗能元件、 不修复或局部修复主体结构等措施后很快恢复结构功能，已成为新世纪结构抗震设计的必然要求和发展趋势。防屈曲支撑结构为目前应用最广、发展最为迅速的结构抗震新体系之一。此类结构体系抗震设计的基本思想为作为设防的第一道防线，防屈曲支撑在地震中承担大部分楼层剪力，首先进入屈服状态，并在此过程中集中耗散大部分地震能量，从而减轻主体结构的损伤及破坏程度。地震作用下，防屈曲支撑结构受力的最大特点在于大部分水平抗力由加设防屈曲支撑的框架提供，在加设防屈曲支撑框架中的框架柱的轴力变化非常显著。随着结构层数的增多，在中震和大震作用下，防屈曲支撑进入屈服状态，加设防屈曲支撑框架中的部分框架柱沿柱子轴向累积的拉力非常大，结构自重不足以抵消全部轴向拉力，使得框架柱中将出现显著的拉力，同时传递到基础中。基础的抗压能力强、抗拉能力弱，安全较难保证。在显著的拉、弯、剪复合受力情况下，基础设计极为困难，这就大大限制了防屈曲支撑在高层建筑中应用，成为防屈曲支撑在工程推广应用中的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是解决目前在防屈曲支撑结构设计中遇到的瓶颈与技术难题，推进防屈曲支撑结构体系在我国实践工程的应用，提出一种摇摆防屈曲支撑-框架结构体系。为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的一种摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其包括防屈曲支撑、框架、基础、固定端以及嵌固端。其中所述框架上安装有所述防屈曲支撑，框架通过固定端和嵌固端方式固定在基础上。主要特点为将支撑框架柱与基础的固定端放松约束，在竖向设置具有耗能元件的嵌固端。该体系主要基于以下考虑①支撑框架柱固端约束放松使得柱子中显著的轴向拉力在基础中有效地释放，由此解决目前基础设计中存在的设计难题，使得防屈曲支撑的使用不受建筑高度的限制，产生质的飞跃；②在强烈地震中柱脚可轻微抬起，形成具有减震效果的摇摆结构体系，通过柱脚的竖向耗能元件，耗散部分地震能量，从而减轻对主体结构的破坏程度；③柱脚耗能元件的设立一方面可以耗散部分地震能量，另外一方面可以限制框架柱的“摇摆范围”，具有复位功能。优选的是，所述固定端是包括框架柱和基础的组合，所述嵌固端是包括框架柱、阻尼器和基础的组合。优选的是，本发明适用于钢筋混凝土结构。优选的是，所述框架是钢筋混凝土框架。优选的是，所述钢筋混凝土框架包括安装有防屈曲支撑的框架柱及框架梁和未安装防屈曲支撑的框架柱及框架梁。优选的是，在钢筋混凝土框架的其中一跨或几跨的框架柱与框架梁之间安装有防屈曲支撑，在刚筋混凝土框架的其它框架柱与框架梁之间未安装防屈曲支撑。通过防屈曲支撑特殊的构造，避免中心的钢筋混凝土框架受压屈曲的问题，在受拉和受压时可屈服而不屈曲，能更好的消耗输入结构的地震能量。优选的是，所述未安装防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底端与基础的连接采用固定端。优选的是，安装有防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底端与基础的连接采用嵌固端。优选的是，在所述安装了防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底面上设有预埋件。优选的是，在所述安装了防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底端四周面上设有预埋件。优选的是，在与所述安装了防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底面接触的基础上设有预埋件。优选的是，在与所述安装了防屈曲支撑的混凝土框架的框架柱的底部四周面接触的基础上设有预埋件。优选的是，安装了防屈曲支撑的混凝土框架柱上的预埋件通过阻尼器与基础上的预埋件连接，即通过阻尼器将基础与安装了防屈曲支撑的混凝土框架柱连接在一起。所述阻尼器也是竖向耗能元件，当钢筋混凝土框架柱受到向上的拉力或向下的压力时，钢筋混凝土框架柱与基础之间的竖向耗能元件会受到很大的力，进而使阻尼器产生变形、耗能。优选的是，本发明适用于钢结构。优选的是，所述框架为钢框架。优选的是，所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于所述钢框架包括安装有防屈曲支撑的框架柱、框架梁和未安装防屈曲支撑的框架柱、框架梁。优选的是，在钢框架的其中一跨或几跨的框架柱与框架梁之间安装有防屈曲支撑，在刚框架的其它框架柱与框架梁之间未安装防屈曲支撑。优选的是，未安装防屈曲支撑的刚框架的框架柱的底端与基础的连接采用固定端。优选的是，安装有防屈曲支撑的混凝土框架柱的底端与基础的连接采用嵌固端。优选的是，在与所述安装了防屈曲支撑的刚框架柱的底面接触的基础上设有预埋件。
优选的是，在与所述安装了防屈曲支撑的刚框架柱的底部四周面接触的基础上设有预埋件。优选的是，安装了防屈曲支撑的刚框架柱通过阻尼器与基础上的预埋件连接，即通过阻尼器将基础与安装了防屈曲支撑的混凝土框架柱连接在一起。根据本发明的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系是将支撑框架柱与基础的固定端放松约束，在竖向设置具有耗能元件的嵌固端。当结构受到不同级别的地震作用时，框架的框架柱底部的嵌固端与基础会产生不同的位移。在小震作用下，框架柱底部与基础基本不发生相对位移，地震能量主要通过防屈曲支撑耗散；在中震作用下，框架柱底部与基础的相对位移在设计控制的范围内，连接基础与框架柱底部的阻尼器开始发挥耗能作用，同时上部框架结构发生小幅度的摇摆，框架中的防屈曲支撑屈服，耗散掉大部分输入的地震能量； 在大震作用下，框架柱底部嵌固端可以与基础脱开，发生自由的摇摆，普通结构框架梁柱产生塑性变形，同时防屈曲支撑将充分发挥其耗能作用。其结构刚度大，地震作用下位移小，耗能减震效果好，防屈曲支撑作为可替换耗能元件，在震后可以方便的更换。
图I是现有技术中防屈曲支撑-框架结构示意图2是按照本发明的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系的一优选方案的结构示意图3是图2所示按照本发明的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系的优选方案的竖向耗能元件(阻尼器)的具体做法主视图4是图2所示按照本发明的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系的优选方案的竖向耗能元件(阻尼器)的具体做法俯视图5是图2所示按照本发明的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系的优选方案的基础嵌固端做法视图。附图标记框架I、防屈曲支撑2、基础3、框架柱4、阻尼器5、框架梁6、基础配筋7、 固定端F、嵌固端M。
具体实施例方式为了更好地理解本发明，下面结合附图对按照本发明的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系的优选实施例进行详细描述，以下的描述仅是示范性和解释性的，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。图2-5示出了按照本发明的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系的一优选方案，其包括防屈曲支撑2、框架I、基础3、固定端F以及嵌固端M。其中基础3的底部具有基础配筋 7。实施例I :本发明用于钢筋混凝土结构中，框架I为钢筋混凝土框架，在刚筋混凝土框架的中间一跨的框架柱4与框架梁6之间安装了防屈曲支撑2，通过防屈曲支撑2特殊的构造，避免中心的钢筋混凝土框架受压屈曲的问题，在受拉和受压时可屈服而不屈曲，能更好的消耗输入结构的地震能量。未安装防屈曲支撑2的钢筋混凝土框架的框架柱4的底端与基础3的连接采用固定端F，安装了防屈曲支撑2的钢筋混凝土框架的框架柱4的底端与基础3的连接采用嵌固端M。在安装了防屈曲支撑2的钢筋混凝土框架的框架柱4的底面和四周面上设有预埋件，在与安装了防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底端接触的基础上设有预埋件。安装了防屈曲支撑2的混凝土框架柱上的预埋件通过阻尼器5与基础3上的预埋件连接，即通过阻尼器5将基础3与安装了防屈曲支撑2的混凝土框架连接在一起。阻尼器5也是竖向耗能元件，当钢筋混凝土框架的框架柱4受到向上的拉力或向下的压力时，框架柱4与基础3之间的阻尼器5会受到很大的力，进而使阻尼器5产生变形、耗能。实施例2 :本发明用于钢结构中，框架I为钢框架，在钢框架的中间一跨安装有防屈曲支撑2，通过防屈曲支撑2特殊的构造，避免中心的钢框架受压屈曲的问题，在受拉和受压时可屈服而不屈曲，能更好的消耗输入结构的地震能量。未安装防屈曲支撑2的刚框架的框架柱4的底端与基础3的连接采用固定端F，安装了防屈曲支撑4的刚框架的框架柱 4的底端与基础3的连接采用嵌固端M。在与安装了防屈曲支撑2的刚框架的框架柱4的底端接触的基础3上设有预埋件。安装了防屈曲支撑2的刚框架通过阻尼器5与基础3上的预埋件连接，即通过阻尼器5将基础3与安装了防屈曲支撑的混凝土框架连接在一起。工作过程地震作用时，随着结构的水平摇摆，防屈曲支撑(耗能支撑)2产生轴向拉、压变形，在轴向的往复变形过程中，为结构提供水平抗力，并耗散掉输入到结构中的大部分地震能量。在防屈曲支撑2发生变形的同时，安装有防屈曲支撑2的框架I的部分框架柱4会产生很大的竖向拉力。在较大的拉力作用下，框架柱4与基础3会发生相对位移。 在发生位移的同时，竖向耗能元件阻尼器5会产生竖向的剪切变形，耗散部分地震能量，并为框架柱4提供回复力。框架柱4与基础3产生相对位移时，框架I发生摇摆，摇摆框架I 产生较大的变形，从而减小地震对主体结构的作用。综上所述，在地震作用下，防屈曲支撑 2的反复拉伸和压缩以及竖向耗能元件阻尼器和摇摆框架I的变形耗散掉大部分的地震能量，保护主体结构不会在地震时发生较大的损伤。。按照本发明的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系用于钢筋混凝土结构的施工方法包括基础浇筑、框架柱浇筑的步骤，在进行基础浇筑时将阻尼器与基础浇筑在一起，在进行框架柱烧筑时将阻尼器与框架柱烧筑在一起。需要说明的是，按照本发明的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系及其施工方法包括上述实施例中的任何一项及其任意组合，但上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
权利要求
1.摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其包括防屈曲支撑、框架、基础、固定端以及嵌固端，其特征在于所述固定端是包括框架柱和基础的组合，所述嵌固端是包括框架柱、阻尼器和基础的组合，所述框架上安装有所述防屈曲支撑，所述框架通过固定端和嵌固端方式固定在基础上，将支撑框架柱与基础的固定端放松约束，在竖向设置具有耗能元件的嵌固端。
2.根据权利要求I所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于用于混凝土结构。
3.根据权利要求2所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于所述框架为钢筋混凝土框架。
4.根据权利要求3所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于所述钢筋混凝土框架包括安装有防屈曲支撑的框架柱及框架梁和未安装防屈曲支撑的框架柱及框架梁。
5.根据权利要求4所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于在钢筋混凝土框架的其中一跨或几跨的框架柱与框架梁之间安装有防屈曲支撑，在刚筋混凝土框架的其它框架柱与框架梁之间未安装防屈曲支撑。
6.根据权利要求4或5所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于未安装防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底端与基础的连接采用固定端。
7.根据权利要求4、5或6中任一项所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于安装有防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底端与基础的连接采用嵌固端。
8.根据权利要求7所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于在所述安装有防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底面上设有预埋件。
9.根据权利要求7或8所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于在与所述安装有防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底面接触的基础上设有预埋件。
10.根据权利要求7、8或9中任一项所述的摇摆防屈曲支撑-框架结构体系，其特征在于在所述安装有防屈曲支撑的钢筋混凝土框架的框架柱的底端四周面上设有预埋件。
全文摘要
摇摆防屈曲支撑-框架结构体系及其施工方法，其包括防屈曲支撑、框架、基础、固定端以及嵌固端。其中所述框架上安装有所述防屈曲支撑，框架通过固定端和嵌固端方式固定在基础上。主要特点为将支撑框架柱与基础的固定端放松约束，在竖向设置有耗能元件的嵌固端。该体系结构刚度大，地震作用下位移小，耗能减震效果好，防屈曲支撑作为可替换耗能元件，在震后可以方便的更换。
文档编号E04G21/14GK102587531SQ201210052399
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者吴徽, 张国伟, 张扬, 张艳霞, 彭有开, 徐斌 申请人:北京建筑工程学院