一种小跨度悬挂式钢结构连桥及其设计方法与流程

本发明属于建筑设计技术领域，特别涉及一种小跨度悬挂式钢结构连桥及其设计方法。

背景技术：

随着现代建筑形体的日趋复杂，连桥结构越来越多地出现在多高层建筑结构设计中，这类结构中的连桥一般都具有跨度较大，刚度较小。如连桥与主体结构之间采用强连接，由于连桥水平刚度较小，无法协调主体结构共同工作，采用整体结构计算时往往导致计算结果不能满足规范的相关要求。因此实际设计时连桥与主体结构之间一般采用弱连接，目前工程中常用的弱连接方式是采用牛腿上设置滑动支座、隔震支座的连接方式以实现连桥在风、温度或地震作用下的水平滑动，但是滑动支座的滑移量不宜控制，容易发生连桥滑落或与主体结构碰撞，隔震支座具有一定的支座刚度，需协调两侧主体结构和连桥之间的位移和内力，水平位移量过大时容易把隔震支座破坏甚至造成连桥坠落，还有较高的支座和牛腿的总高度不仅压低了建筑使用净高，也对建筑外观效果产生了极大的不利影响，特别是强风或地震过后，连桥的自复位问题，滑动支座和隔震橡胶支座都不能得到很好的解决。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术所存在的不足，本发明提供了一种小跨度悬挂式钢结构连桥，改变了连桥的受力传递方式和安装方式，在风、温度及地震作用下可有效释放连桥与主体结构之间的相互作用力，并且能够快速实现自复位。

同时，本申请还提供了上述小跨度悬挂式钢结构连桥的设计方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种小跨度悬挂式钢结构连桥，其包括安装梁、悬挂梁、悬挂装置、连桥边梁以及减震器，所述安装梁由立梁和位于立梁底部的安装支座组合形成l型结构，所述连桥边梁设置于连桥的两端、两侧安装梁之间，且连桥边梁通过悬挂装置与悬挂梁连接、吊装于安装支座上方；所述悬挂梁设置于安装梁的立梁上端；所述减震器设置在连桥边梁与安装梁的立梁之间的变形缝内。

进一步限定，所述连桥边梁的底面与安装梁安装支座上表面之间的距离可通过以下公式确定：

其中，δ为连桥边梁底面与安装梁的安装支座上表面之间的距离，mm；

l为悬挂装置的拉具长度，mm；

μ为地震作用下预估的主体结构悬挂端处最大水平位移量，mm。

进一步限定，所述减震器是弹簧减震器，其包括弹簧、阻尼器、固定锚板和活动锚板；所述固定锚板与安装梁的立梁侧壁固定；所述阻尼器的一端固定在固定锚板上，另一端连接活动锚板；所述活动锚板通过阻尼器的末端推送延伸至连桥边梁侧部；所述弹簧套装在阻尼器的外侧，两端分别与固定锚板和活动锚板连接。

进一步限定，所述减震器的弹簧刚度、弹簧最大变形量、阻尼器的阻尼力及阻尼系数通过以下公式确定：

δ≥μ

其中，k为减震器的弹簧刚度，n/mm；

δ为减震器的弹簧最大变形量，mm；

mb为连桥质量设计值，kg；

n为减震器的数量；

fb为连桥的设计振动频率，hz；

g为重力加速度，m/s²；

fr为阻尼器的阻尼力，n；

np为连桥上总的行人数；

λ为处于同步状态的连桥上行人的百分比，

α为人行荷载产生的纵向力、横向力动荷载因子；

mp为连桥上行人的平均质量，kg；

c为阻尼器的阻尼系数，n·s/m；

ab为纵向、横向的振动加速度，m/s²。

进一步限定，所述悬挂装置包括自上而下依次设置的上耳板、上锚具、拉具、下锚具以及下耳板，所述上耳板与悬挂梁连接，所述下耳板与连桥边梁连接。

进一步限定，所述悬挂梁上设置有悬挂连接件，所述悬挂连接件包括悬挂锚板和锚筋；所述悬挂锚板设置于悬挂梁的下端部并与上耳板连接为一体；所述锚筋的一端与悬挂锚板连接，另一端延伸至悬挂梁内，并通过混凝土浇筑与悬挂梁形成一体结构。

进一步限定，所述悬挂连接件还包括抗剪键，所述抗剪键的一端与悬挂锚板连接为一体，另一端延伸至悬挂梁内侧，使悬挂锚板与悬挂梁连接为一体结构。

进一步限定，所述悬挂梁上设置有悬挂连接件，所述悬挂连接件包括工字型钢和竖向加劲板，所述工字型钢的下翼缘与悬挂梁梁底平齐，所述竖向加劲板对称设置在工字型钢的腹板两侧。

一种上述的小跨度悬挂式钢结构连桥的设计方法，所述连桥边梁的底面与安装梁安装支座上表面之间的距离可通过以下公式确定：

其中，δ为连桥边梁底面与安装梁的安装支座上表面之间的距离，mm；

l为悬挂装置的拉具长度，mm；

μ为地震作用下预估的主体结构悬挂端处最大水平位移量，mm；

所述减震器的弹簧刚度、弹簧最大变形量、阻尼器的阻尼力及阻尼系数通过以下公式确定：

δ≥μ

其中，k为减震器的弹簧刚度，n/mm；

δ为减震器的弹簧最大变形量，mm；

mb为连桥质量设计值，kg；

n为减震器的数量；

fb为连桥的设计振动频率，hz；

g为重力加速度，m/s²；

fr为阻尼器的阻尼力，n；

np为连桥上总的行人数；

λ为处于同步状态的连桥上行人的百分比；

α为人行荷载产生的纵向力、横向力动荷载因子；

mp为连桥上行人的平均质量，kg；

c为阻尼器的阻尼系数，n·s/m；

ab为纵向、横向的振动加速度，m/s²。

进一步限定，在地震作用下，所述悬挂装置的单根拉具传递给主体结构悬挂端处的最大水平力h通过以下公式确定：

h为地震作用下单根拉具传递给主体结构悬挂端处的最大水平力设计值，kn；

n为单根拉具竖向拉力设计值，kn。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本申请改变了传统的连桥受力传递方式和安装方式，将连桥采用悬挂方式吊装于主体结构上，实现了连桥与主体结构之间内力传递由传统的压力传递到拉力传递的转变，将连桥与主体结构的刚性直接接触方式调整为间接非接触方式，两侧主体之间的相互影响比弱连接更低，受力大大减轻，使得连桥和主体整体模型的动力响应与单体结构基本相当，在风、温度、地震及不均匀沉降等作用下连桥结构可以适应各向平动和转动变形，且当风和地震过后在自重作用下能够将连桥快速准确自动复位。

2)本申请在连桥与主体结构之间的变形缝内设置有减震器，一方面可以提高连桥阻尼减小人行荷载作用下连桥的纵横向振动响应，保证人行走的舒适性，另一方面可以在温度、风及地震作用时起到防碰撞和耗散能量的作用。

3)本申请在连桥两端主体结构上设有l形安装梁，便于连桥安装检修和起到防坠落的作用，且l形梁隐藏在主体结构之间，不会影响建筑正立面效果。

4)本申请根据地震作用下预估的主体结构悬挂端处最大水平位移量、拉具的拉力以及人行荷载作用下预估的减震器的弹簧刚度、弹簧最大变形量、阻尼力及阻尼系数而进行合理设计，保证连桥在正常使用状态下人员行走的舒适性，以及在风、地震作用下能够适应各向变形、自复位、防碰撞及防坠落，保证连桥的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明悬挂式钢结构连桥平面布置；

图2为悬挂式钢结构连桥的立面图；

图3为悬挂装置下端与连桥边梁连接示意图；

图4为减震器5的结构示意图；

图5为悬挂装置上端于钢筋混凝土悬挂梁连接示意图；

图6为悬挂装置上端于型钢混凝土悬挂梁连接示意图；

其中，1-安装梁，2-悬挂梁，3-悬挂装置，4-连桥边梁，5-减震器，11-限位器，21-悬挂锚板，22-锚筋，23-抗剪键，24-型钢，25竖向加劲板，31-拉具，32-下耳板，33-下锚具，34-上耳板，35-上锚具，51-弹簧51，52-阻尼器52，53-固定锚板53，54-活动锚板54。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为该装置所固有的要素。

以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。

本申请的小跨度悬挂式钢结构连桥主要是安装于两建筑主体之间，便于通行的连接结构。参见图1～3，其包括安装梁1、悬挂梁2、悬挂装置3、连桥边梁4以及减震器5，其中，安装梁1属于建筑主体结构部分，该安装梁1是由竖向设置的立梁和位于立梁底部的安装支座组合形成l型结构，其中，立梁和安装支座均是采用钢筋混凝土结构。两建筑主体的安装梁1之间设置有连桥，而连桥边梁4设置在连桥的两端，且连桥边梁4分别与两侧的安装梁1相对并位于安装梁1上。

本申请的连桥边梁4是通过悬挂装置3与悬挂梁2连接、吊装于安装支座上方；悬挂梁2设置于安装梁1的立梁上端；其中，如图3所示，悬挂装置3包括自上而下依次设置的上耳板34、上锚具35、拉具31、下锚具33以及下耳板32，上耳板34与悬挂梁2焊接连接为一体，下耳板32与连桥边梁4焊接连接为一体结构。

参见图4，上述减震器5是弹簧减震器，其主要包括弹簧51、阻尼器52、固定锚板53和活动锚板54；其中固定锚板53与安装梁1的立梁侧壁固定；阻尼器52的一端固定在固定锚板53上，另一端连接活动锚板54；活动锚板54通过阻尼器52的末端推送延伸至连桥边梁4侧部；弹簧51套装在阻尼器52的外侧，两端分别与固定锚板53和活动锚板54连接。

本申请的小跨度悬挂式钢结构连桥设计方法为：

连桥边梁4的底面与安装梁1安装支座上表面之间的距离可通过以下公式确定：

其中，δ为连桥边梁底面与安装梁的安装支座上表面之间的距离，mm；

l为悬挂装置3的拉具长度，mm；

μ为地震作用下预估的主体结构悬挂端处最大水平位移量，mm。

同时，地震作用下，悬挂装置3的单根拉具传递给主体结构悬挂端处的最大水平力h通过以下公式确定：

h为地震作用下单根拉具传递给主体结构悬挂端处的最大水平力设计值，kn；

n为单根拉具竖向拉力设计值，kn。

同时，减震器5的弹簧51刚度、弹簧51最大变形量、阻尼器52的阻尼力及阻尼系数通过以下公式确定：

δ≥μ

其中，k为减震器5的弹簧51刚度，n/mm；

δ为减震器5的弹簧51最大变形量，也是阻尼器52行程量，同时等于支座的水平位移量，mm；

mb为连桥质量设计值，kg；

n为减震器5的数量；

fb为连桥的设计振动频率，hz；纵向即平行于连桥跨度方向的振动频率不宜大于1.5hz，横向即垂直于连桥跨度方向的振动频率不宜大于0.45hz。

g为重力加速度，取9.8m/s²；

fr为阻尼器52的阻尼力，n；

np为连桥上总的行人数；

λ为处于同步状态的连桥上行人的百分比，可取0.2；

α为人行荷载产生的纵向力、横向力动荷载因子，可取值为纵向、横向上人行荷载幅值与人体自重的比值0.2、0.05；

mp为连桥上行人的平均质量，取70kg；

c为阻尼器52的阻尼系数，n·s/m；

ab为纵向、横向的振动加速度，取值不宜大于0.1m/s²。

实施例1

参见图5，为了保证悬挂装置的连接安全性，本实施例的悬挂梁2上设置有悬挂连接件，该悬挂连接件包括悬挂锚板21和锚筋22；悬挂锚板21水平铺设于悬挂梁2的下端部，并通过锚筋22与悬挂梁2连接，即本实施例的锚筋22的一端与悬挂锚板21连接，另一端延伸至悬挂梁2内，并通过混凝土浇筑与悬挂梁2形成一体结构。悬挂锚板21的下表面与上耳板34连接为一体，通过上耳板34将悬挂装置3悬吊连接。

本实施例的悬挂装置3包括自上而下依次设置的上耳板34、上锚具35、拉具31、下锚具33以及下耳板32，上耳板34与悬挂梁2焊接连接为一体，下耳板32与连桥边梁4焊接连接为一体结构，拉具31采用钢拉索实现柔性连接，可以并列多根形成合力。

进一步，为了提高悬挂锚板21的抵抗水平剪力的能力，确保悬挂的安全性，本实施例的悬挂连接件还可以增设抗剪键23，抗剪键23的一端与悬挂锚板21连接为一体，另一端延伸至悬挂梁2内侧，通过混凝土浇筑，使悬挂锚板21与悬挂梁2连接为一体结构。

本实施例的小跨度悬挂式钢结构连桥设计方法为：悬挂锚板21的厚度为25mm，长度为350mm，宽度为350mm，拉具设于连桥四角共4根，长度l为3600mm，拉力设计值为250kn，地震作用下预估的主体结构悬挂端处最大水平位移量μ为150mm，根据下式计算可知：

则，连桥边梁底面与安装梁的安装支座上表面之间的距离δ为4mm，地震作用下，单根拉具传递给主体结构悬挂端处的最大水平力h为10.4kn，减震器5的弹簧51刚度、弹簧51最大变形量、阻尼力及阻尼系数分别为42n/mm、160mm、550n、1.38×10⁴n·s/m。

实施例2

本实施例中，参见图6，为了保证悬挂装置的连接安全性，本实施例的悬挂梁2上设置有悬挂连接件，该悬挂连接件包括工字型钢24和竖向加劲板25，工字型钢24的下翼缘与悬挂梁2梁底平齐，竖向加劲板25对称设置在工字型钢24的腹板两侧。

本实施例的悬挂装置3包括自上而下依次设置的上耳板34、上锚具35、拉具31、下锚具33以及下耳板32，上耳板34与悬挂梁2焊接连接为一体，下耳板32与连桥边梁4焊接连接为一体结构，拉具31采用钢拉杆。

本实施例的小跨度悬挂式钢结构连桥设计方法为：工字型钢24的上、下翼缘的厚度为35mm，宽度为300mm，腹板的厚度为25mm，竖向加劲板25的厚度为25mm，拉具设于连桥四角，每角并列的2根，长度l为5000mm，每根拉具拉力设计值为250kn，地震作用下预估的主体结构悬挂端处最大水平位移量μ为200mm，根据下式计算可知：

则，连桥边梁底面与安装梁的安装支座上表面之间的距离δ为5mm，地震作用下，单根拉具传递给主体结构悬挂端处的最大水平力h为10kn，减震器5的弹簧51刚度、弹簧51最大变形量、阻尼力及阻尼系数分别为68n/mm、210mm、900n、1.98×10⁴n·s/m。

实施例3

进一步为了保证人行荷载下连桥的舒适性，本实施例的连桥边梁4与安装梁1的立梁之间的变形缝内设置减震器5。减震器5包括纵向减震器和横向减震器，纵向减震器5一端固定于安装梁1的立梁上，另一端延伸至连桥边梁4侧面，并与其贴紧，间距为1～2m均可；所述横向减震器一端固定于安装梁1两端的框架柱上，另一端延伸至连桥边梁4端部。

本实施例的小跨度悬挂式钢结构连桥设计方法为：变形缝宽为400mm，在该变形缝内设置4个纵向减震器和2个横向减震器，其中连桥质量为9.6×10⁴kg，连桥的设计振动频率为0.38hz，拉具长度为5m，在地震作用下主体结构悬挂端处最大水平位移量为150mm，连桥上总的行人数为120人，则减震器5的弹簧51刚度、弹簧51最大变形量、阻尼力及阻尼系数根据下式计算可知：

δ≥μ

为了便于加工和安装，本实施例中纵、横向减震器的参数按照两个方向包络取值，单个减震器5的弹簧51刚度为89n/mm，弹簧51最大变形量为160mm，阻尼力为900n，阻尼系数为2.26×10⁴n·s/m。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。