一种屈曲约束核心板耗能的自复位钢框架结构的制作方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种在多遇地震和罕遇地震下通过屈曲约束核心板耗能的自复位钢框架结构。

背景技术：

地震给人类带来极其严重的灾难。当强地震来临时，工程结构将承受地震输入的巨大能量而产生强烈的结构反应，由此造成的结构局部破坏或整体倒塌构成了地震致灾的最主要因素。我国是一个多地震的国家，破坏性地震不仅发生在板块边缘的台湾岛、青藏高原和新疆等地区，而且广泛分布于大陆内部。2008年汶川地震和2010年玉树地震都造成巨大的人员伤亡和经济损失。因此，研究经济可靠、性能高效的抗震结构体系，对于有效减轻地震灾害、保障社会经济可持续发展具有重要的现实意义。

传统的抗震设计采用的是延性设计方法，即在地震作用下，通过结构部分构件的提前屈服和破坏，但整体不会倒塌，依靠构件的塑性变形来耗散大部分的地震能量，导致结构易于在强震后产生严重损坏和残余变形。而过大的残余变形不仅导致受损结构在余震中的倒塌概率大幅增加，还会使结构震后的修复难度和费用大幅增加。

自复位钢框架结构是一种通过张拉预拉杆为结构提供自复位力的新型结构形式，在结构受到地震作用后可以有效减小结构的残余变形。在多遇地震作用下，自复位钢框架结构梁柱节点缝隙不张开，类似于抗弯框架，其结构构件保持为弹性；在中震或大震作用下，自复位钢框架结构通过梁柱节点顶底张开缝隙，使安装在节点位置的耗能构件来消耗地震能量，以减轻甚至避免主体结构损伤，地震作用后依靠预拉杆使缝隙闭合实现自复位的功能。通过对耗能构件尺寸、预拉杆数量和初张力、梁柱构件尺寸的调整，可使自复位钢框架结构在侧向荷载作用下的刚度、承载力、延性和滞回性能发生改变，这种特殊性能可以方便工程师在结构设计时进行不同部位结构刚度匹配的调整。

然而传统的自复位钢框架结构的柱距会随着梁柱节点的张开而增大，必须采用复杂的楼板布置形式以避免柱距增大时楼板受拉开裂。此外，传统的自复位钢框架结构通常需要在施工现场进行预拉杆的张拉和构件焊接，不利于保证施工质量且施工难度较大，而最近提出的套筒-预拉杆式自复位钢框架结构虽然能解决上述问题，但是其受力机理复杂，在地震作用下梁的左右端弯矩不相等，为结构设计带来了巨大挑战。这些缺点都严重的阻碍了自复位钢框架结构的应用和推广。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种不仅实现了在工厂进行预制和预应力张拉，还能在地震作用下保持柱距始终不变，同时解决了套筒-预拉杆式自复位梁两端弯矩不相等的缺点的屈曲约束核心板耗能的自复位钢框架结构。

技术方案：本发明的屈曲约束核心板耗能的自复位钢框架结构，包括至少一个结构单元，所述结构单元包括两个框架柱、截面相同的上工字钢梁和下工字钢梁、位于所述上工字钢梁和下工字钢梁间并将二者连为一体的自复位耗能系统、所述上工字钢梁和下工字钢梁的端部分别通过上销轴和下销轴与框架柱连接；

所述自复位耗能系统包括两个端板、设置于所述两个端板之间的核心钢板、填充钢板和预拉杆，所述端板抵压在上工字钢梁和下工字钢梁的端部，所述核心钢板一端与上工字钢梁下翼缘的一端连接，另一端与下工字钢梁上翼缘的一端连接，所述填充钢板位于核心钢板前后两侧，两块填充钢板中的一块与上工字钢梁下翼缘连接，另一块与下工字钢梁上翼缘连接，预拉杆锚固在两端的端板上并施加有预应力将两端拉紧。

进一步的，本发明自复位钢框架结构中，所述预拉杆设置于上工字钢梁和下工字钢梁的腹板位置。

进一步的，本发明自复位钢框架结构中，所述上工字钢梁靠近下翼缘位置与下工字钢梁靠近上翼缘位置均进行裁剪，端板与上工字钢梁的部分腹板和下翼缘、下工字钢梁的部分腹板和上翼缘端部平齐接触。

本发明的一种优选方案中，屈曲约束核心板耗能的自复位钢框架结构包括在竖直方向上依次连接的共用一个框架柱的多个结构单元。

本发明的一种优选方案中，屈曲约束核心板耗能的自复位钢框架结构包括在水平方向上依次连接的多个结构单元，两相邻结构单元共用一根框架柱。

本发明针对现有自复位钢框架结构受地震作用时，楼板与框架侧向变形不协调、施工困难和受力机理复杂问题，通过上下梁在地震作用下的相互平行错动在端部产生缝隙。这种结构形式不仅实现了在工厂进行预制和预应力张拉，还能在地震作用下保持柱距始终不变，同时解决了套筒-预拉杆式自复位梁两端弯矩不相等的缺点。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本技术方案的自复位钢框架结构在地震作用下柱距始终保持不变，可避免楼板与框架间变形不协调。对于传统的自复位钢框架结构，梁柱节点通过在地震作用下梁顶底张开产生缝隙，使位于节点位置处的耗能构件产生耗能，但产生的缝隙使柱距增大，需要采用复杂的楼板布置形式避免楼板受拉开裂。而本技术方案通过上下梁在地震作用下的相互平行错动在端部产生缝隙，从而避免了上梁顶部张开引起楼板与框架间变形不协调。

（2）本技术方案能够有效地减小甚至避免地震作用时主体结构的损伤。对于抗弯框架通过部分构件的提前屈服和破坏，依靠构件的塑性变形来耗散大部分的地震能量，而像梁、柱等结构构件的损坏常常难以修复，更易引起结构的倒塌。本技术方案中的上下梁与框架柱均采用销轴连接，能够有效的避免结构在地震作用下产生塑性铰。上下梁在地震作用下的相互平行错动在端部产生缝隙后，引起核心钢板受拉屈服进行耗能，使得结构的塑性变形主要集中在核心钢板上，因此实现了结构的损伤可控。这样不但可有效减小结构震后修复的成本，而且施加在预拉杆中的预张力只需克服核心钢板屈服力便能使结构实现完全自复位，而不用考虑主体结构塑性变形的影响。

（3）本技术方案可实现自复位钢架在工厂进行预制和预应力张拉，在现场施工时仅需要对各结构构件组装，非常适合工业化的生产和制造。不仅可以保证各构件的加工质量和预应力张拉质量，也可以加快施工进度。由于其加工工艺与传统的自复位框架类似，厂家无需作较大的调整便能进行工业化生产，从而降低了制造的难度和成本，具有较高的价格竞争力。

（4）本技术方案采用上下梁间夹核心钢板的叠合形式，构造简单，成本较低。套筒-预拉杆式自复位钢框架结构虽然能解决传统自复位框架的一些问题，但是其构件繁多，形式复杂。其采用的T形梁、内外套筒等构件无疑增大了梁的用钢量。本技术方案中可将传统的框架梁等效为两个截面相同的矮梁，用钢量与抗弯框架梁接近。

（5）本技术方案采用上下间夹核心钢板的叠合形式，受力机理简单明确。套筒-预拉杆式自复位钢框架结构中T形梁与外套筒焊接组成的梁上部结构与内套筒组成的梁下部结构受力情况不同，梁的上部结构同时受弯曲和轴向变形的影响，而梁的下部结构仅受轴向变形的影响，两者始终存在的刚度差还会引起梁的左右端弯矩不相等，且其弯矩比随地震作用大小不同不断变化，为结构设计和使用带来巨大的复杂性。本技术方案受地震作用在上下梁产生相对错动时，由于采用的上、下梁截面大小和刚度相同，梁的左右端弯矩始终相等，上下梁的受力情况也相同。

附图说明

图1为本发明装置的三维示意图；

图2为本发明装置的正视图；

图3a为图2的A-A剖面图；

图3b为图2的B-B剖面图；

图3c为图2的C-C剖面图；

图4为图2填充钢板和核心钢板俯视图；

图5为本发明装置向左位移时的工作示意图一；

图6为本发明装置向右位移时的工作示意图二。

图中有：框架柱1、上工字钢梁2、自复位耗能系统3、端板31、核心钢板32、预拉杆33、焊接34、预拉杆锚固装置35、填充钢板36、上销轴4、下工字钢梁5、下销轴6

具体实施方式

如图1~图4所示，屈曲约束核心板耗能的自复位钢框架该结构包括至少一个结构单元，所述结构单元包括两个框架柱1、截面相同的上工字钢梁2和下工字钢梁5、位于所述上工字钢梁2和下工字钢梁5间并将二者连为一体的自复位耗能系统3、所述上工字钢梁2和下工字钢梁5的端部分别通过上销轴4和下销轴6与框架柱1连接。

所述自复位耗能系统3包括两个端板31、设置于所述两个端板31之间的核心钢板32、填充钢板36和预拉杆33，所述端板31抵压在上工字钢梁2和下工字钢梁5的端部，所述核心钢板32一端与上工字钢梁2下翼缘的一端连接，另一端与下工字钢梁5上翼缘的一端连接，所述填充钢板36位于核心钢板32前后两侧，两块填充钢板36中的一块与上工字钢梁2下翼缘连接，另一块与下工字钢梁5上翼缘连接，预拉杆33锚固在两端的端板31上并施加有预应力将两端拉紧。所述预拉杆33设置于上工字钢梁2和下工字钢梁5的腹板位置。

上工字钢梁2靠近下翼缘位置与下工字钢梁5靠近上翼缘位置均进行裁剪，端板31与上工字钢梁2的部分腹板和下翼缘、下工字钢梁5的部分腹板和上翼缘端部平齐接触。

核心钢板32位于上工字钢梁2下翼缘和下工字钢梁5上翼缘之间，由屈服强度较低、延性较好的钢材组成。核心钢板32的中间位置有抗滑卡口，用以防止在反复加载中出现滑动，其屈曲约束机构由上工字钢梁2和下工字钢梁5组成，上工字钢梁2下翼缘与核心钢板32的一端通过焊接连接，当然也可通过其他方式连接；下工字钢梁5上翼缘与核心钢板32的另一端通过焊接连接，同样的也可通过其他方式连接。屈曲约束机构有两个功能：其一为约束核心钢板32沿着径向的多波屈曲和局部屈曲，发挥稳定的滞回耗能性能，其二是与端板31、预拉杆33和端板锚固体系35共同构成自复位系统，实现结构在地震作用下往复变形过程中的自复位功能。填充钢板36位于核心钢板32的两侧，分别与上工字钢梁2下翼缘和下工字钢梁5上翼缘整体焊接，当然也可通过其他方式连接，以避免核心钢板32由于宽厚比较小出现平面内屈曲。预拉杆33的材料为预应力钢绞线，也可采用芳纶纤维等高弹性延伸率的材料，对其施加较小的初始预应力使其锚固在两工字钢梁两侧的两块端板31上，见图1和图2。为确保结构在地震作用下两工字钢梁与端板分离从而使预拉杆能够伸长，屈曲约束机构的两端与锚固端板之间不进行焊接，仅靠预拉杆的预压力使其保持初始紧密接触。上工字钢梁2和下工字钢梁5的腹板上均设有圆形孔槽，通过销轴与焊接于框架柱1上的耳板进行较接。

屈曲约束核心板耗能的自复位钢框架结构的工作原理如图5~图6所示：由于存在高度差，在地震作用下框架柱1在上销轴4和下销轴6高度处的侧向位移大小不同，使得与上销轴4连接的上工字钢梁2和与下销轴6连接的下工字钢梁5之间产生相对水平运动。如图5所示，当结构向右侧移时，左侧端板和右侧端板分别在下工字钢梁5和上工字钢梁2的推动下向两侧移动，从而产生缝隙。如图6所示，当结构向左侧移时，左侧端板和右侧端板分别在上工字钢梁2和下工字钢梁5的推动下向两侧移动，从而产生缝隙。由此保证在结构在地震作用下，核心钢板32和预拉杆33始终受拉伸长，分别为结构提供耗能能力和自复位能力。上工字钢梁2下翼缘和下工字钢梁5上翼缘分别作为核心钢板32的约束构件，以抑制核心钢板32受力后平面外变形，两块分别与上工字钢梁2下翼缘和下工字钢梁5上翼缘连接的填充钢板36位于核心钢板32两侧，以抑制核心钢板32受力后平面内变形。无论是向左侧移还是向右侧移，连接上工字钢梁2两端的上销轴4间的距离始终不变，因此柱距并未发生改变。

本发明结构的安装工序为：将上工字钢梁2靠近下翼缘位置和下工字钢梁5靠近上翼缘位置进行裁剪→将上工字钢梁2下翼缘定位于核心钢板32的上侧并与之两侧对齐，然后将核心钢板32一端与上工字钢梁2下翼缘外侧焊接，同时将核心钢板32一侧的填充钢板36与上工字钢梁2下翼缘外侧整体焊接→将下工字钢梁5上翼缘定位于核心钢板32的下侧并与之两侧对齐，然后将核心钢板32另一端与下工字钢梁5上翼缘焊接，同时将核心钢板32另一侧的填充钢板36与下工字钢梁5上翼缘外侧整体焊接→将左、右锚固端板31定位于屈曲约束机构两端→将预拉杆33穿过左、右锚固端板31预留的孔槽，施加预应力后利用端部锚固体系35将预拉杆33锚固在两端的端板31上→在上工字钢梁2和下工字钢梁5腹板上预留孔槽，与焊接于框架柱1上的耳板分别通过上销轴4和下销轴6进行铰接。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。