建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法.pdf

本发明是一种建筑框架无压杆支撑抗震结构。其特征在于在每根支撑杆件中安装一个拉力锁定器。该拉力锁定器可以达到可靠传递支撑杆件的拉力，而不传递压力的目的。本发明建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法是一种全新的、革新性的建筑结构抗震方法，由于支撑杆件中只有受拉杆件，没有受压杆件，因此可以充分发挥钢材的受拉承载力和耗能性能，避免支撑杆件受压失稳，同时又保持了框架－支撑结构体系的特性，增大了建筑结构的抗侧移刚度和耗能性能，减小框架梁、柱的剪力和弯矩，降低工程造价，提高建筑结构的安全性。本发明的拉力锁定器具有受力明确，机构简单，制造方便，易于安装和维护，耐久性好的特点。本发明的建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法可以用于多层、高层混凝土结构和钢结构的建筑中，也可用于抗震加固改造工程中。

1、  一种建筑框架无压杆支撑抗震结构，其特征在于在每根支撑杆件中安装一个拉力锁定器。

2、  根据权利要求1所述的建筑框架无压杆支撑抗震结构，其特征在于拉力锁定器的结构为：主要由连接杆(5-1)、带楔形块的活塞杆(5-2)、楔形滑块(5-3)、压板(5-5)、弹簧(5-6)、密封圈(5-7)、螺栓(5-8)、上壳体(5-9)、下壳体(5-10)组成；下壳体内部为楔形滑槽(5-4)，活塞杆(5-2)和楔形滑块(5-3)置于楔形滑槽(5-4)内并由压板固定，弹簧置于压板上，上下壳体用螺栓联接，连接杆与上壳体连为一体，密封圈在下壳体底部。

3、  根据权利要求1所述的建筑框架无压杆支撑抗震结构，其特征在于拉力锁定器的结构为：主要由连接杆(6-1)、带齿键的活塞杆(6-2)、齿键(6-3)、带齿键的滑块(6-4)、上限位板(6-5)、下限位板(6-6)、弹簧(6-7)、密封圈(6-8)、连接螺栓(6-9)、壳体(6-10)、滑槽(6-11)、螺栓(6-12)组成；连接杆与上壳体连为一体，带齿键的活塞杆与带齿键的滑块配合，带齿键的滑块由两个对称的半圆柱体组成，带齿键的滑块上有上限位板、其下有限位板，并置于下壳体内，弹簧通过螺栓压紧在带齿键的滑块的两侧，每侧四个弹簧，用螺栓连接上下壳体，密封圈在下壳体的底部，滑槽(6-11)在上限位板和下有限位板中。

建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，具体地说是建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法。
背景技术
在建筑结构抗震领域，框架-支撑结构是一种有效的抗震体系，可以增大建筑结构的抗侧移刚度，减小框架梁、柱的剪力和弯矩。框架-支撑结构的支撑杆件一般由型钢组成。型钢杆件承受拉力是一种非常好的材料，但是在承受压力时，其本身存在着曲屈失稳的问题。由于地震力的往复作用，支撑杆件的内力要经历拉力和压力不断变换的过程，在压力作用下，支撑杆件一旦曲屈失稳退出工作，支撑体系便会失效，危及建筑物的安全。因此框架-支撑结构是一种有待改善的抗震体系。
目前已公知的框架-支撑结构中的支撑杆件，在地震力作用下均是按既承担拉力又承担压力设计的，在拉力作用下杆件的承载力不会有问题，为了提高杆件受压承载力，将杆件的截面型式作一些改进，以提高杆件在受压时的防曲屈失稳能力，如目前最新的无粘结防曲屈支撑。但支撑杆件总是既要承担拉力又要承担压力，材料利用效率不高，造价不经济，而且也不可靠。
框架-支撑结构中的支撑杆件在地震力的往复作用下如果只产生拉力而不产生压力，便能充分发挥钢材的受拉能力，避免压屈失稳。但是支撑杆件在地震力的往复作用下总是拉力和压力交替出现的，这是一对难以解决的矛盾。
发明内容
本发明的目的是克服上述存在的问题和困难，提供一种能充分发挥钢材的受拉承载力和耗能性能，减小框架梁、柱的剪力和弯矩，提高建筑结构安全性的建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法。
本发明的技术方案为：建筑框架的无压杆支撑抗震结构是在每根支撑杆件中安装一个拉力锁定器。支撑方法是：支撑杆件与上下层梁柱节点斜向铰结连接，可以是交叉杆支撑，也可以是单斜杆支撑。
拉力锁定器的结构为：
第一种形式：主要由连接杆(5-1)、带楔形块的活塞杆(5-2)、楔形滑块(5-3)、压板(5-5)、弹簧(5-6)、密封圈(5-7)、螺栓(5-8)、上壳体(5-9)、下壳体(5-10)组成；下壳体内部为楔形滑槽(5-4)，活塞杆(5-2)和楔形滑块(5-3)置于楔形滑槽(5-4)内并由压板固定，弹簧置于压板上，上下壳体用螺栓联接，连接杆与上壳体连为一体，密封圈在下壳体底部。
建筑框架-支撑结构的支撑杆件与拉力锁定器的连接杆和活塞杆相连，支撑杆件的轴力通过连接杆和活塞杆传递给拉力锁定器，当支撑杆件承受拉力时，带楔形块的活塞杆(图2中)有向下位移的趋势，但此时楔形滑块在楔形滑槽中处于“楔紧状态”，活塞杆不能向下位移，此时拉力锁定器传递支撑杆件的拉力；当支撑杆件有压力作用时，带楔形块的活塞杆向上移动，支撑杆件处于“滑动状态”，杆件中没有压力，同时活塞杆向上移动时与楔形滑块之间产生间隙，弹簧与压板始终处于压紧状态，弹簧与压板推动楔形滑块顺楔形滑槽向下运动将此间隙填满，活塞杆、楔形滑块、下壳体三者之间始终处于“楔紧状态”。当地震力往复作用，支撑杆件由受压转变为受拉时，拉力锁定器依然传递支撑杆件的拉力。
因此，该拉力锁定器可以达到可靠传递支撑杆件的拉力，而不传递压力的目的。
第二种形式：主要由连接杆(6-1)、带齿键的活塞杆(6-2)、齿键(6-3)、带齿键的滑块(6-4)、上限位板(6-5)、下限位板(6-6)、弹簧(6-7)、密封圈(6-8)、连接螺栓(6-9)、壳体(6-10)、滑槽(6-11)、螺栓(6-12)组成；连接杆与上壳体连为一体，带齿键的活塞杆与带齿键的滑块配合，带齿键的滑块由两个对称的半圆柱体组成，带齿键的滑块其上有上限位板、其下有限位板，并置于下壳体内，弹簧通过螺栓压紧在带齿键的滑块的两侧，每侧四个弹簧，用螺栓连接上下壳体，密封圈在下壳体的底部，滑槽(6-11)在上限位板和下有限位板中。
建筑框架中的支撑杆件与拉力锁定器的连接杆1和活塞杆2相连，带齿键的滑块可以在滑槽中径向伸张和合拢，带齿键的活塞杆与带齿键的滑块接触处的齿键圆面与斜面相对(见图10)，可以单向滑动，反向锁定。支撑杆件的轴力通过连接杆和活塞杆传递给拉力锁定器，当支撑杆件承受拉力时，带齿键的活塞杆与带齿键的滑块接触处的齿键相互交错卡住，不能顺径向伸张，下限位板阻止活塞杆与带齿键的滑块沿轴向运动，此时拉力锁定器传递支撑杆件的拉力；当支撑杆件有压力作用时，带齿键的活塞杆向上移动，由于限位板的阻碍，带齿键的滑块不能轴向移动，只能沿滑槽径向张开，活塞杆可以沿轴向运动，支撑杆件处于“滑动状态”，杆件中没有压力。同时由螺栓压紧的弹簧推动带齿键的滑块沿滑槽径向收缩合拢，使活塞杆与滑块接触处的齿键重新相互交错卡住。当地震力往复作用，支撑杆件由受压转变为受拉时，拉力锁定器依然传递支撑杆件的拉力。
因此，第二种拉力锁定器同样可以达到只传递杆件拉力，不传递压力的目的。
上述所述的拉力锁定器是实施建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法中的关键装置。
如图1所示，框架-支撑结构在遭遇水平地震力F往复作用的情况下，当地震力是由左向右作用时，交叉地支撑杆件3和4中，由于它们与地震力作用方向的角度不同，支撑杆件3是承受拉力的，而支撑杆件4是承受压力的；而当地震力是由右向左作用时，支撑杆件3和4的受力正好相反，支撑杆件3承受压力，支撑杆件4承受拉力。如前所述，型钢杆件承受压力容易压屈失稳，承载力很低，但承受拉力的承载力是很高的。型钢杆件受压失稳后，支撑体系便失去抵抗水平地震的效能，进而引起建筑结构的破坏。
运用了本发明的技术，框架-支撑结构在遭遇水平地震往复作用的情况下，当地震力是由左向右作用时，支撑杆件3和4中，原来支撑杆件3是承受拉力的，而支撑杆件4是承受压力的，由于在支撑杆件3和4中连接了拉力锁定器，支撑杆件4处于滑动状态，实际是没有压力的，而支撑杆件3承受着拉力；当地震力是由右向左作用时，支撑杆件3和4的受力要反向，原来处于滑动状态的支撑杆件4中的拉力锁定器发挥作用，使支撑杆件4产生拉力，承担地震作用；而原来承担左向地震作用拉力的支撑杆件3将产生压力，此时支撑杆件3中的拉力锁定器发挥作用，支撑杆件3处于滑动状态，不受压力。也就是说，不论水平地震作用从左或是从右，支撑杆件3和4中必有一根是受拉杆，而另一根是不受力的，这样一来，就可以避免支撑杆件的受压失稳的问题，在抗震设计时，可以按单根受拉斜杆来计算地震作用。
本发明建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法是一种全新的、革新性的建筑结构抗震方法，由于支撑杆件中只有受拉杆件，没有受压杆件，因此可以充分发挥钢材的受拉承载力和耗能性能，避免支撑杆件受压失稳，同时又保持了框架-支撑结构体系的特性，增大了建筑结构的抗侧移刚度和耗能性能，减小框架梁、柱的剪力和弯矩，降低工程造价，提高建筑结构的安全性。本发明的拉力锁定器具有受力明确，机构简单，制造方便，易于安装和维护，耐久性好的特点。
本发明的建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法可以用于多层、高层混凝土结构和钢结构的建筑中，也可用于抗震加固改造工程中。
附图说明
图1-4是本发明在框架-支撑结构中的4种布置方式示意图；
图5是本发明中的第一种拉力锁定器的剖面图；
图6是图5中的I-I剖面图；
图7是本发明中的第一种拉力锁定器的局部透视图；
图8是本发明中的第二种拉力锁定器的剖面图；
图9是图8中的I-I剖面图；
图10是本发明中的第二种拉力锁定器的活塞杆与滑块齿键相对配合放大图；
图11是本发明中的第二种拉力锁定器的局部透视图。
图1-4中，1-框架柱，2-框架梁，3、4-支撑杆件，5-拉力锁定器，F-往复作用的地震力。
图5-7中，5-1-连接杆，5-2-带楔形块的活塞杆，5-3-楔形滑块，5-4-楔形滑槽，5-5-压板，5-6-弹簧，5-7-密封圈，5-8-螺栓，5-9-上壳体，5-10-下壳体。
图8-11中，6-1-连接杆，6-2-带齿键的活塞杆，6-3-齿键，6-4-带齿键的滑块，6-5-上限位板，6-6-下限位板，6-7-弹簧，6-8-密封圈，6-9-连接螺栓，6-10-壳体，6-11-滑槽，6-12-螺栓。
具体实施方式
实施例1：
本发明的建筑框架无压杆支撑抗震结构及支撑方法是：在每根支撑杆件中安装一个拉力锁定器。支撑方法是：支撑杆件与上下层梁柱节点斜向铰结连接，可以是交叉杆支撑，也可以是单斜杆支撑，如图1-4所示。其中的拉力锁定器结构主要由连接杆5-1、带楔形块的活塞杆5-2、楔形滑块5-3、压板5-5、弹簧5-6、密封圈5-7、螺栓5-8、上壳体5-9、下壳体5-10组成；下壳体内部为楔形滑槽5-4，活塞杆5-2和楔形滑块5-3置于楔形滑槽5-4内并由压板固定，弹簧置于压板上，上下壳体用螺栓联接，连接杆与上壳体连为一体，密封圈在下壳体底部。
制造拉力锁定器选用的钢材，GB/T700-1988碳素结构钢Q235、Q345、Q420均可，通过机械加工制成。支撑杆件可以选用强度低、延性好的钢材，如Q195、Q215、Q235，也可用钢材连接其它强度低、延性好的金属材料，如铜，提高支撑杆件的耗能能力。
实施例2：
建筑框架无压杆支撑方法与实施例1相同。其中的拉力锁定器由连接杆6-1、带齿键的活塞杆6-2、齿键6-3、带齿键的滑块6-4、上限位板6-5、下限位板6-6、弹簧6-7、密封圈6-8、连接螺栓6-9、壳体6-10、滑槽6-11、螺栓6-12组成；连接杆与上壳体连为一体，带齿键的活塞杆与带齿键的滑块配合，带齿键的滑块由两个对称的半圆柱体组成，带齿键的滑块上有上限位板、其下有限位板，并置于下壳体内，弹簧通过螺栓压紧在带齿键的滑块的两侧，每侧四个弹簧，用螺栓连接上下壳体，密封圈在下壳体的底部，滑槽(6-11)在上限位板和下有限位板中。
框架-支撑结构体系中的支撑杆件与拉力锁定器相连，通过拉力锁定器只能一个方向锁定受力而反方向滑动的特点，成对布置的支撑杆件中，无论地震作用的方向如何，只有一根承受拉力，另一根不受力，组成无压杆支撑。从而避免支撑杆件受压失稳，充分利用钢支撑杆件的力学性能，增大建筑支撑结构的抗侧移刚度和耗能性能，减小框架梁、柱的剪力和弯矩，提高建筑结构的安全性，降低工程造价。