本发明涉及一种可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构，属于结构工程的减振控制和装配式结构技术领域。
背景技术：
近些年来，随着科技的提高和经济的快速发展，综合国力的进一步增强，各经济发达地区钢结构建筑大量涌现出来。由于钢结构具有质量轻、结构形式多样化、应用范围广、施工效率高和环保等优点，多高层钢结构得到了快速的发展，解决了建筑用地稀缺和环保等问题。同时也为土木工程界的工程师和科研人员带来了新的问题，由于近年来地震的频频发生，人们对建筑物的抗震性能日益重视，对多高层钢结构的抗震设计水平要求也逐渐提高。
传统钢结构抗震是通过增强结构本身的抗震性能(强度、刚度、延性)来抵御地震作用，即由结构本身储存和消耗地震能量，由于随着结构本身刚度的增大，结构的地震响应也会增大，结构很可能不满足安全性的要求，而产生严重破坏或倒塌，造成重大的经济损失和人员伤亡。针对以上传统钢结构抗震的缺陷，研究者们一般采用钢框架-支撑结构体系、钢框架-剪力墙结构体系、交错桁架结构体系和耗能减震钢结构体系，上述四种结构体系在抗震性能方面都存在不足之处。现在人们更青睐于利用耗能装置安装在结构上进行效能减振，目前存在的耗能部件也有不足之处，粘滞阻尼器耗能效果良好，但为结构提供的抗侧刚度很小；金属阻尼器能为结构提供很大的抗侧刚度，但是在多遇地震或风振下常常不能充分耗能，减震效果差，即现存阻尼器不能充分实现多级耗能减振。并且耗能装置一般布置在具有较大相对位移的层间，但是层间位移较小就会在一定程度上限制耗能装置性能的充分发挥，研究者们也采用不同的连接方式通过放大层间水平位移来提高耗能部件对结构的减震效果，常用的有对角连接、水平连接、肘式连接和剪刀型连接方式，以上连接方式通过放大层间水平位移的确提高了减震效果，但是连接方式复杂，减震效果提高有限，并且占用空间大，布置位置有一定的局限性，对建筑使用空间和建筑物美观造成了一定的影响。
目前，多高层钢结构在强烈地震作用下破坏和倒塌是由于层间位移过大，安装阻尼器之后层间水平位移会减小，这样阻尼器的耗能效率会降低，墙体也会发生严重破坏，且其耗能能力差不易于在震后置换。上述问题亟需解决，应该直接控制多高层钢结构的层间位移，提高钢结构的整体耗能能力，能够高效耗能，这样就能显著减少多高层钢结构的地震响应。多高层钢结构层间位移控制装置不但要求耗能效率高，且应占用空间小，不对结构的洞口、门窗和使用空间造成影响；针对多高层耗能能力较低和墙体易于破坏且难以置换等问题，应该要求耗能装置能够在风振、多遇地震和罕遇地震下均能充分耗能，同时也能提供较大的抗侧刚度，通过放大层间水平位移极大程度的提高耗能效率，墙体也应该具有一定的耗能能力，且两者皆在强震之后易于置换。
通过以上分析，本发明提出一种可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构，该装配式复合耗能钢梁柱结构中的复合耗能装置与下连接板固结，复合耗能装置通过齿轮与u型滑动杆连接，位移放大杆的上部与立式移动位移撑通过耳板连接，中上部与l型固定支架通过耳板连接，下部与u型滑动杆通过耳板连接，立式移动位移撑的另一端与上连接板固结，耗能墙体分布在复合耗能装置的两侧，与上下连接板固结，上下连接板与上下层钢梁通过螺栓连接。该装配式复合耗能钢梁柱结构可预制加工并在现场快速装配，在风振或多遇地震下，该装配式复合耗能钢梁柱结构中位移放大杆将层间水平位移进行放大至2～4倍，复合耗能装置中铅块的剪切耗能更加充分，耗能效率更高，同时通过其中限位功能为结构提供抗侧刚度；在罕遇地震下，复合耗能装置中的限位功能会限制铅块的剪切耗能从而使低屈服点金属进行耗能，并且在此种情况下通过位移放大杆和齿轮对层间水平位移进行了两次放大，可放大至4～8倍，这样复合耗能装置中低屈服点金属部分的耗能更充分，效率更高，同时墙体也具有一定的耗能能力，在该结构体系中的复合耗能装置消耗效率高，使用空间小，可开设门窗洞口，不会影响建筑使用空间和建筑物美观。该结构实现了多级控制耗能，充分发挥了各耗能装置在不同阶段的作用，同时提高了耗能效率，能够有效的减轻主体结构的地震响应。
技术实现要素：
为提高钢结构的抗侧刚度和整体抗震性能，同时使墙体也具有一定的耗能能力，弥补现有耗能减震钢梁柱结构的缺陷，提高阻尼器在钢结构中的耗能效率和适用性，本发明提出一种可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构。该装配式复合耗能钢梁柱结构具有可装配、耗能装置布置方便、多级耗能和耗能能力强等特点。在风振或是地震作用时，该装配式复合耗能钢梁柱结构能够减轻主体结构构件发生损伤和保护主体结构构件发生破坏，有效控制钢结构的层间位移，且能多级耗能，大量消耗地震动作用中输入结构的能量。该装配式复合耗能钢梁柱结构可预制加工并在现场进行快速装配，实现现场绿色施工，占用空间小，可开设门窗洞口。该复合耗能型装配式钢梁柱结构实现了多级控制耗能且耗能机理明确，其中位移放大杆和齿轮能对结构的层间水平位移进行两次放大，在风振或是地震作用下具有较强的耗能能力，能够减轻钢结构的主体损伤和破坏。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构，该结构包括装配式钢梁1、装配式钢柱2、耗能墙3、槽口4、门窗洞口5、上连接板6、下连接板7、立式移动位移撑8、位移放大杆9、l型固定支架10、u型滑动杆11、耳板12、齿轮转轴13、销栓14、螺栓15、前后盖板16、扇形槽口17、柱型承块18、限位转动板19、环形凹槽20、抗剪键21、剪切块22、外圆环23、低屈服点钢24和内限位圆环25。
装配式钢梁1和装配式钢柱2相互焊接，耗能墙3通过销栓14固定在装配式钢梁1和装配式钢柱2形成的框架结构中；槽口4、门窗洞口5设置在耗能墙3上；复合耗能装置与下连接板7固结，复合耗能装置通过齿轮转轴13与u型滑动杆11连接，位移放大杆9的上部与立式移动位移撑8的一端通过耳板12连接，位移放大杆9的中上部与l型固定支架10通过一块耳板12连接，位移放大杆9下部与u型滑动杆11通过另一块耳板12连接；立式移动位移撑8的另一端与上连接板6固结，耗能墙3分布在复合耗能装置的两侧，耗能墙3分别与上连接板6和下连接板7固结，上连接板6和下连接板7与装配式钢梁1通过螺栓15连接。
复合耗能装置的组成为：前后盖板16分别扣在限位转动板19的两个表面上，前后盖板16内侧与限位转动板19两侧均开设相对的环形凹槽20，形成腔体；抗剪键21设置在环形凹槽20与前后盖板16之间，剪切块22嵌入到形成的腔体中；齿轮转轴13穿过前后盖板16和限位转动板19，预压紧前后盖板16、限位转动板19和剪切块22，并且齿轮转轴13与限位转动板19不能发生转动；齿轮转轴13与前后盖板16能发生转动，低屈服点钢24的两端分别与外圆环23和内限位圆环25固结，外圆环23和前后盖板16之间固结，内限位圆环25紧挨着限位转动板19，并能够发生转动。前后盖板16的外围周向设有扇形槽口17；前后盖板16安装在柱型承块18上。
位移放大杆9与l型固定支架10通过耳板铰接，并且耳板铰接的位置位于层间的中上部，确保层间水平位移被第一次放大；通过齿轮转轴13与限位转动板19之间固结，利用限位转动板19的半径大于齿轮转轴13的半径，确保层间水平位移被第二次放大。
位移放大杆9下部铰接圆孔和中上部铰接圆孔的圆心距为l1，位移放大杆9上部铰接圆孔和中上部铰接圆孔的圆心距为l2，l1与l2的比值在2～4之间，即第一次层间水平位移放大的倍数在2～4之间。
控制齿轮转轴13半径与限位转动板19半径的比值来控制第二次层间水平位移放大的倍数，第二次层间水平位移放大的倍数控制在3倍左右，达到第二次位移方法的效果。
为了在风振或是多遇地震下剪切块22剪切耗能，在罕遇地震下低屈服点钢24屈服耗能，限位转动板19的外侧凸起两块扇形结构，外侧凸起两块扇形结构为中心对称结构；同时内限位环25的内侧凸起两块扇形结构，内侧凸起两块扇形结构也为中心对称，对于层高为h的楼层，内限位环25内侧凸起两块扇形结构与限位转动板19外侧凸起两块扇形结构的扇形之间的弧长在h/200～h/100之间。
剪切块22由具有低屈服点，延展性优秀的铅、锡、镍或铅合金及粘弹性材料制成。
为保证低屈服点钢24能够在罕遇地震下易于屈服耗能，所用低屈服点钢24材料的屈服点不超过200mpa。低屈服点钢24具有削弱形截面，削弱形截面为x形、三角形或中空菱形等形状。
耗能墙3上开设的开设槽口4用以在罕遇地震下具有一定的耗能能力，槽口4面积不大于耗能墙3面积的30％。
装配式钢梁1、装配式钢柱2为预制加工并在现场快速装配；该结构中的复合耗能装置在提高结构抗侧刚度的同时，不仅能有效控制结构的层间位移，而且通过对层间水平位移的二次放大高效率的消耗地震动的输入结构的能量，具有足够的延性，且在震后或损伤后易于更换。
本发明的功能如下：
可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构可预制加工并在现场进行快速装配，实现多级控制耗能，使墙体具有一定的耗能能力，且震后易于更换，并占用空间小，可开设门窗洞口；该结构中的耗能装置耗能机理明确，显著提高了耗能装置的耗能效率，尤其是在罕遇地震下的耗能效率。在风振或是多遇地震作用下具有一定的耗能能力、限位功能和足够的抗侧刚度，在罕遇地震作用下，能够显著的耗散结构的能量，减轻刚梁柱的损伤和保护其发生破坏，最终提高了整个钢结构建筑物的耗能能力和安全性。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构可预制加工并在现场进行快速装配，该结构中的复合耗能装置通过齿轮与u型滑动杆连接，位移放大杆的上部与立式移动位移撑通过耳板连接，中部与l型固定支架通过耳板连接，下部与u型滑动杆通过耳板连接，立式移动位移撑的另一端与上连接板固结，耗能墙体分布在复合耗能装置的两侧，与上下连接板固结，上下连接板与上下层钢梁通过螺栓连接，全程实现装配式，施工周期短。
2)本发明实现了多级控制耗能，充分发挥了各耗能部分在不同阶段的作用。在风振或是多遇地震下，该结构中的铅块进行剪切耗能，耗散结构中的振动能量，当发生一定的水平位移之后，限位功能起作用限制铅块的剪切变形，此时低屈服点钢为结构提供抗侧刚度，在罕遇地震下，低屈服点钢发生屈服，大量耗散结构中的能量。
3)本发明在风振或是多遇地震下，可放大铅块的剪切变形至结构层间水平位移的2～4倍，在罕遇地震下，可放大低屈服点钢的屈服位移至结构层间水平位移的4～8倍，显著提高了复合耗能装置的效率，因此减小相同的风振响应和地震响应可以使用较少数量的该复合耗能装置，减少造价。
4)该结构中的墙体还具有一定的耗能能力，且在震后易于更换，耗能装置占用空间小，可开设门窗洞口，不会影响建筑使用空间和建筑物美观，适用于耗能装置布置位置有限、对使用空间要求较高的钢结构建筑。
附图说明
图1为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构示意图。
图2为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构单跨示意图。
图3为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构单跨细部图。
图4为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构安装图。
图5为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构的复合耗能装置及连接件图。
图6为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构的放大杆图。
图7为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构的正视图。
图8为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构的a-a剖面图。
图9为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构的初始状态简化图。
图10为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构在风振或是多遇地震下的状态简化图。
图11为本发明的可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构在罕遇地震下的状态简化图。
图中：1-装配式钢梁、2-装配式钢柱、3-耗能墙、4-槽口、5-门窗洞口、6-上连接板、7-下连接板、8-立式移动位移撑、9-位移放大杆、10-l型固定支架、11-u型滑动杆、12-耳板、13-齿轮转轴、14-销栓、15-螺栓、16-前后盖板、17-扇形槽口、18-柱型承块、19-限位转动板、20-环形凹槽、21-抗剪键、22-剪切块、23-外圆环、24-低屈服点钢、25-内限位环。
具体实施方式
实施例1：
针对位于8度设防烈度区的某30层钢框架结构，针对其抗震需求，采用可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构实现减震。下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如附图1所示，是本发明可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构的设计实例，其中包括：装配式钢梁、装配式钢柱、耗能墙、槽口、门窗洞口、上连接板、下连接板、立式移动位移撑、位移放大杆、l型固定支架、u型滑动杆、耳板、齿轮转轴、销栓、螺栓、前后盖板、扇形槽口、柱型承块、限位转动板、环形凹槽、抗剪键、剪切块、外圆环、低屈服点钢、内限位环。在工厂预制好上述构件，并在装配式钢梁的翼缘上预留螺栓孔。前后盖板分别扣在限位转动板的两个表面上，前后盖板内侧与限位转动板两侧均开设相对的环形凹槽，形成腔体，环形凹槽之间的板块形成剪切键，剪切块嵌入到形成的腔体中，齿轮转轴穿过前后盖板和限位转动板，预压紧前后盖板、限位转动板和剪切块，并且齿轮转轴与限位转动板不能发生转动，齿轮转轴与前后盖板能发生转动，低屈服点钢的两端分别与外圆环和内限位圆环固结，外圆环和前后盖板之间固结，内限位圆环紧挨着限位转动板，并可以发生转动，这样复合耗能装置就在工厂加工完成了。然后复合耗能装置与下连接板固结，其再通过齿轮与u型滑动杆连接，位移放大杆的上部与立式移动位移撑通过耳板连接，中上部与l型固定支架通过耳板连接，下部与u型滑动杆通过耳板连接，立式移动位移撑的另一端与上连接板固结，耗能墙体分布在复合耗能装置的两侧，与上下连接板固结，此时，工厂的加工已经完成。在施工现场，直接将上下连接板与装配式钢梁通过螺栓连接，最终整个结构装配完成，具体的实施过程可以分为三个阶段。
第一阶段(设计阶段)：
对于该40层钢框架结构，根据设计规范要求进行参数设计阶段，确定钢框架结构中装配式钢梁1的截面形状为工字型，尺寸为800mm×1000mm×100mm×100mm，材料选用q345；装配式钢柱2的截面形状为矩形，尺寸为700mm×500mm，材料选用q345，层高均为4000mm，跨度为8000mm。
适合上述可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构尺寸如下：
装配式钢梁1翼缘每侧预留13个螺栓孔洞，直径为27mm；上连接板6和下连接板7均选用q345，尺寸相同，为100mm×800mm×7000mm，上连接板6和下连接板7的两侧均预留13个螺栓孔洞，直径为27mm；立式移动位移撑8的材料选用q345，截面尺寸为200mm×200mm；位移放大杆9的截面尺寸为80mm×200mm，材料选用q345，其上三个圆孔直径均为100mm，上部圆孔与中上部圆孔的圆心距为200mm，下部圆孔与中上部圆孔的圆心距是500mm；l型固定支架10的截面尺寸为100mm×100mm，材料选用q345；u型滑动杆11的截面尺寸为100mm×100mm，材料选用q345，其中齿条的长度为200mm；耳板12的尺寸为20mm×100mm×70mm，材料选用q345；销轴14直径为50mm，材料选用q345；螺栓15为8.8级m24，耗能墙3的尺寸为50mm×4000mm×8000mm，材料选用为q345，并在其上面开设尺寸为100mm×500mm的槽口4。
复合耗能装置：前后盖板16直径为700mm，厚度为100mm，材料选用q345，并在前后盖板16距离边缘300的范围内开设扇形槽口；限位转动板19材料选用为q345，直径为400mm厚度为200mm，在限位转动板19的外侧凸起两块扇形，且中心对称，扇形角度均为30°，厚度为50mm；开设的环形凹槽20深度为20mm，在圆环直径为120mm与220mm之间为凹槽，在圆环直径为250mm与直径为350mm之间为凹槽，中间的齿轮转轴13的孔为80mm，圆盘其余部分没有凹槽；抗剪键21的宽度为15mm，厚度为20mm；外圆环23直径为700mm，厚度为200mm，材料选用q345；内限位环25直径为500mm，厚度为200mm，材料选用q345，在内限位环25的内侧凸起两块扇形，且中心对称，扇形角度均为90°，厚度为50mm；低屈服点钢24的屈服强度为180mpa，截面形状为x型，其厚度为20mm，个数为18个。低屈服点钢24在外圆环23和内限位环25之间的填充角度为20°；齿轮转轴13的直径为80mm，材料为q345。
第二阶段(工厂预制装配阶段)：
根据第一阶段所述的耗能墙3、连接部分和复合耗能装置的尺寸要求，均可以在工厂进行预制加工并装配完成。前后盖板16分别扣在限位转动板19的两个表面上，前后盖板16内侧与限位转动板19两侧均开设相对的环形凹槽20，形成腔体，环形凹槽20之间的板块形成剪切键21，剪切块22嵌入到形成的腔体中，齿轮转轴13穿过前后盖板16和限位转动板19，预压紧前后盖板16、限位转动板19和剪切块22，并且齿轮转轴13与限位转动板19不能发生转动，齿轮转轴13与前后盖板16能发生转动，低屈服点钢24的两端分别与外圆环23和内限位圆环25固结，外圆环23和前后盖板16之间固结，内限位圆环25紧挨着限位转动板19，上述复合耗能装置在工厂装配完成。然后复合耗能装置与下连接板7固结，复合耗能装置通过齿轮转轴13与u型滑动杆11连接，位移放大杆9的上部与立式移动位移撑8通过耳板12连接，位移放大杆9中上部与l型固定支架10通过耳板12连接，位移放大杆9下部与u型滑动杆11通过耳板12连接，立式移动位移撑9的另一端与上连接板6固结，耗能墙体3分布在复合耗能装置的两侧，分别与上连接板6和下连接板7固结。
第三阶段(现场装配阶段)：
根据第二阶段在工厂预制加工完成的装置在现场进行装配，上连接板6和下连接板7与装配式钢梁1通过螺栓15连接，即可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构全部完成。
通过建立钢框架结构有限元分析模型，进行8度多遇地震和罕遇地震下的分析，对比可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构与对应普通钢结构地震响应，可知可多级减振及位移二次放大的装配式复合耗能钢梁柱结构的抗震性能更优，多遇地震下的层间位移角减震率可达到30.7％，罕遇地震下的层间位移角减震率可达到45.6％，且钢框架主体结构的损伤程度明显降低。
以上是本发明的一个典型实施例，但是本发明的实施不限于此。