一种加固钢框架结构的柱中抬升受控摇摆架及其装配方法

1.本发明属于结构抗震领域，涉及一种加固钢框架结构的柱中抬升受控摇摆架及其装配方法。


背景技术：

2.钢框架结构因其具有强度高、质量轻、良好的延性和耗能能力，在高层及超高层建筑中得到广泛应用。然而，在强震作用下，由于梁柱节点刚度较大，材料的塑性变形很难发展，极易在梁柱焊接节点发生脆性破坏。此后，针对钢结构梁柱连接节点进行了大量研究，目的是使节点区达到强震时塑性铰外移，避免节点出现裂缝而发生脆性破坏，但经历强震之后，这些节点的钢框架都存在较大的残余变形，结构和构件变形较大，震后难以修复或修复成本大大增加。
3.此外，钢框架结构容易发生跨层失效模式，这类失效模式容易在结构中形成薄弱层，结构损伤集中于局部，失效时结构和材料都未能得到充分地利用，结构整体延性、耗能能力和承载力并不高。
4.近年来，可恢复功能结构将结构抗震设计由保障生命安全升级为控制结构的地震损伤，成为当前结构抗震领域的研究热点之一。摇摆结构作为可恢复功能结构中的一种，通过放松上部结构与基础交界面处或结构构件交界面处的某些约束，允许结构在放松位置处发生一定的相对变形，从而改变结构中各构件的受力状态、减小结构损伤，提高结构抗震性能。摇摆结构体系不管是在新建建筑结构，还是已有建筑结构的加固改造中，都发挥重要的作用，具有广阔的应用前景。
5.目前，附加摇摆墙是已有结构加固的一种常见实现形式，根据墙体在平面内转动的约束情况，一般可分为受控摇摆墙和自由摇摆墙两种形式。由于其自身具有较大的抗侧承载力和抗侧刚度，因此将其应用于框架结构体系加固中，可有效改善整体结构的抗震性能和破坏模式。然而，原有结构附加摇摆墙之后，增加了结构质量，使结构受到地震作用力变大，结构动力响应也随之被放大；主体结构发生较大侧移时，摇摆墙自重会产生较大二阶效应，从而对主体结构施加相当大的倾覆力矩；自身极易开裂，开裂后墙体抗弯刚度快速下降退出工作；自重大，安装难度较大，与主体结构连接的链杆、墙底铰支座性能要求较高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种加固钢框架结构的柱中抬升受控摇摆架及其装配方法，在减小结构摇摆变形的同时，有效控制整体结构变形模式和塑性耗能分布，遏制薄弱层的产生，提升结构延性和承载力。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.一种加固钢框架结构的柱中抬升受控摇摆架，包括主体钢框架和多榀外附摇摆架；
9.多榀外附摇摆架设置在主体钢框架侧面，每榀外附摇摆架包括两根摇摆边柱和多
根横向支撑，多根横向支撑在竖直方向排布上将两根摇摆边柱连接，摇摆边柱与主体钢框架侧面的支撑柱之间采用刚性连接件铰接，主体钢框架每一侧的外附摇摆架数量与主体钢框架该侧面支撑柱数量相同；同一外附摇摆架的相邻刚性连接件之间设置有阻尼器，阻尼器两端分别与摇摆边柱与主体钢框架侧面的支撑柱连接；相邻外附摇摆架的摇摆边柱之间连接有纵向水平支撑，纵向水平支撑与横向支撑的数量和高度一致。
10.每根摇摆边柱分为上段柱和下段柱，横向支撑均位于上段柱上，下段柱外径大于上段柱外径，上段柱底部搭在下段柱顶部中心位置，下段柱顶面在上段柱底部周围设置有竖直方向的限位板，下段柱底部通过基础固定在地面上。
11.优选的，横向支撑和刚性连接件与主体钢框架的横梁数量和高度均一致。
12.优选的，刚性连接件采用h型钢，两端设置有耳板，摇摆边柱与支撑柱连接刚性连接件的位置设置有铰接耳板，耳板与铰接耳板采用销轴铰接。
13.优选的，阻尼器采用波纹钢板阻尼器，波纹钢板阻尼器竖直设置，波纹位于水平方向上。
14.优选的，上段柱和下段柱均为双层钢管结构，内部夹层内填充有混凝土。
15.进一步，上段柱顶部连接有钢绞线一端，钢绞线从上段柱和下段柱中空部分依次穿过后，另一端连接基础。
16.进一步，上段柱和下段柱内部夹层内的混凝土采用uhpc。
17.优选的，每根横向支撑底部中间设置有斜支撑，斜支撑为人字形支撑，斜支撑底部两端连接两侧摇摆边柱和下一层横向支撑两端，最下方斜支撑的底部两端连接两侧下段柱顶部。
18.优选的，横向支撑上设置有加劲肋。
19.一种基于上述任意一项所述加固钢框架结构的柱中抬升受控摇摆架的装配方法，包括以下步骤：
20.步骤一，下段柱底部通过基础固定在地面上，限位板竖直固定在下段柱顶部；
21.步骤二，将横向支撑与两根摇摆边柱的上段柱连接，将上段柱底部搭在下段柱顶部中心位置，上段柱底部位于多个限位板之间，形成单榀外附摇摆架；
22.步骤三，将主体钢框架侧面的支撑柱采用刚性连接件和阻尼器与其靠近的柱摇摆边柱铰接；
23.步骤四，将相邻个外附摇摆架之间的柱摇摆边柱采用纵向水平支撑连接。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.本发明通过主体钢框架结构附加柱中抬升受控抬升摇摆架后，在主体结构不需发生过大侧向位移时即可充分发挥外附摇摆架的刚体摇摆和减震作用，达到降低结构倾覆风险的目的，避免钢框架结构倒塌的作用；外附摇摆架绕一侧下段柱柱脚为转动支点产生刚体转动，能够对已有建筑结构进行加固后，使其具有足够抗震性能的同时，有效控制并且减小结构的摇摆变形；避免地震下结构损伤集中于“薄弱层”并减轻结构体系的损伤，降低结构倾覆风险。
26.进一步，外附摇摆架与框架结构的连接处是结构大变形区域，此处布置阻尼器可大量耗散地震能量，在外附摇摆架摇摆过程中，此处布置阻尼器可大量耗散地震能量，震后仅需更换损伤阻尼器即可快速恢复结构使用功能。
27.进一步，波纹钢板阻尼器发生剪切变形时，波纹形状的耗能钢板可以有效控制面外变形，翼缘板通过约束波纹腹板保证腹板与翼缘协调变形，保证阻尼器整体耗能的稳定性，提高耗能能力。
28.进一步，采用钢管混凝土柱相比型钢柱具有更高的强度和刚度，且具有良好的经济性、施工性能，摇摆节点构造简单，建筑适用性较好
29.进一步，钢绞线置于双层钢柱内部，相比框中提供更大倾覆力矩的同时，也避免由于外界环境变化对其力学性能的影响。
30.进一步，uhpc的使用可以避免了摇摆边柱截面尺寸过大和混凝土提前损伤退出工作。
附图说明
31.图1是本发明的结构示意图；
32.图2是本发明的单榀结构立面布置图；
33.图3是本发明的外附摇摆架构造示意图；
34.图4是本发明的外附摇摆架立面示意图；
35.图5是本发明的摇摆边柱构造示意图；
36.图6是本发明的刚性连接件构造示意图；
37.图7是本发明的波纹钢板阻尼器连接构造示意图。
38.其中，1、基础，2、主体钢框架，3、铰接耳板，4、刚性连接件，41、h型钢，42、耳板，5、销轴，6、外附摇摆架，7、加劲肋，8、横向支撑，9、斜支撑，10、支撑连接件，11、摇摆边柱，12、上段柱，13、下段柱，131、双层钢管，132、混凝土，14、钢绞线，15、挤压锚固装置，16、刚性底板，17、限位板，18、波纹钢板阻尼器，19、阻尼器连接板，20、高强螺栓，21、纵向水平支撑。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
41.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
42.如图1所示，为本发明所述的加固钢框架结构的柱中抬升受控摇摆架，包括主体钢框架2和多榀外附摇摆架6。
43.多榀外附摇摆架6设置在主体钢框架2前后左右任意一侧，外附摇摆架6与主体钢框架2可以组成一字型、t字型、l型或十字型结构。主体钢框架2每一侧的外附摇摆架6数量与主体钢框架2该侧面支撑柱数量相同。
44.如图2-4所示，外附摇摆架6主要由铰接耳板3、摇摆边柱11、横向支撑8、斜支撑9、钢绞线14和阻尼器连接板19构成。铰接耳板3焊接在外附摇摆架6的侧部与主体钢框架2的梁柱节点位置对应。
45.横向支撑8连接在两根平行摇摆边柱11之间，横向支撑8上设置若干加劲肋7。
46.斜支撑9为人字形支撑，通过支撑连接件10固接在下一层横向支撑8和摇摆边柱11上，最下方斜支撑9的底部两端连接两侧下段柱13顶部。
47.摇摆边柱11是中空夹层钢管混凝土，如图5所示，由双层钢管131和混凝土132组成，混凝土132填充至双层钢管131的夹层中，摇摆边柱11与主体钢框架2的每一榀框架柱平行且处于一个平面，在底层二分之一处断开单根柱分为上段柱12和下段柱13，横向支撑8均位于上段柱12上，下段柱13截面面积大于上段柱12，且下段柱13底部固接在基础1上，下段柱13顶面在上段柱12底部周围设置有竖直方向的限位板17，上段柱12底部焊接一块开孔的刚性底板16，两者构成一个整体平放于下段柱13顶部。
48.如图4所示，钢绞线14为预应力钢绞线，竖向布置在摇摆边柱11的空腔中，顶部锚固在顶层摇摆边柱11端部，下部与基础1连接，均通过挤压锚固装置15进行锚固，具体挤压拉索结构参考《拉压锚固钢绞线拉索jt/t850-2013》相关要求。
49.通过纵向水平支撑21连接相邻外附摇摆架6成为一个整体，纵向水平支撑21与横向支撑8的数量和高度一致。
50.阻尼器连接板19为带螺纹的钢板，固接于二层及以上摇摆边柱11中部。
51.主体钢框架2梁柱节点外侧固接有铰接耳板3，靠近外附摇摆架6的二层及以上钢框架边柱中部固接阻尼器连接板19。
52.摇摆边柱11与主体钢框架2侧面的支撑柱之间采用刚性连接件4铰接，如图6所示，刚性连接件4由h型钢41两端焊接耳板42构成，通过销轴5将刚性连接件4两端的耳板42与钢框架2和外附摇摆架6两端的铰接耳板3进行连接，达到利用外附摇摆架控制钢框架的损伤变形，提高抗震性能。
53.同一外附摇摆架6的相邻刚性连接件4之间设置有阻尼器，阻尼器两端分别与摇摆边柱11与主体钢框架2侧面的支撑柱连接，如图7所示，本实施例阻尼器采用波纹钢板阻尼器18，通过高强螺栓20将波纹钢板阻尼器18两端分别连接在外附摇摆架6和主体钢框架2的阻尼器连接板19，波纹钢板阻尼器18竖直设置，波纹位于水平方向上，为外荷载作用下结构提供耗能力。波纹钢板阻尼器18采用屈服点较低的(lyp160、lyp225、q235等)钢材，为阻尼器提供更好的耗能能力和疲劳性能，尺寸按照《波纹腹板钢结构技术规程》中规定的取值范围进行设计；在外附摇摆架6摇摆抬升过程中避免了梁柱节点接柱脚受力较大进入塑性状态，震后仅需更换损伤阻尼器即可快速恢复结构使用功能。
54.摇摆边柱11的双层钢管131采用高强钢q460，混凝土132为超高性能混凝土uhpc，uhpc的使用可以避免了摇摆边柱截面尺寸过大和混凝土提前损伤退出工作。
55.所述加固钢框架结构的柱中抬升受控摇摆架的装配方法，包括以下步骤：
56.步骤一：下段柱13中预留孔道，上部预埋开洞钢板，整体固接在基础1上。
57.步骤二：限位板17与下段柱13侧面平齐放置，焊接在预埋钢板上。
58.步骤三：横向支撑8焊接在摇摆边柱11上，对应的摇摆边柱11外侧侧焊接有铰接耳板3；摇摆边柱11中段焊接带螺栓孔的阻尼器连接板19；每层的两根人字形的斜支撑9通过
支撑连接件10焊接在摇摆边柱11和横向支撑8上；整体通过上段柱12底部焊接的一块开洞的刚性底板16置于下段柱13的预埋底板上，形成单榀外附摇摆架6。
59.步骤四：将铰接耳板3和阻尼器连接板19焊接在主体钢框架2的节点外侧和每层h钢柱中部。
60.步骤五：刚性连接件4两端耳板42通过销轴5与摇摆边柱11和主体钢框架2的耳板42相互配合。
61.步骤六：将波纹钢板阻尼器18两端通过高强螺栓20连接在摇摆边柱11和主体钢框架2的阻尼器连接板19上。
62.步骤七：将纵向水平支撑21焊接在相邻外附摇摆架6的摇摆边柱11上，进而实现外附摇摆架6对主体钢框架2的加固连接。
63.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
64.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主题内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。