一种实现震后可更换的伸臂桁架系统技术领域
本发明属于土木工程领域，尤其涉及一种实现震后可更换的伸臂桁架系统。
背景技术
随着经济的发展，超高层建筑大量兴建已成为城市建设的主要趋势。多数超高层建
筑采用了中间核心筒与外围框架柱相结合的结构，通过设置伸臂桁架来协调核心筒与框
架柱间的受力和变形。
在强烈地震下，目前的伸臂桁架由于受到很大的剪力作用而发生损伤，其中伸臂桁
架多数的损伤是伸臂桁架的斜腹杆受压屈服，这种损伤在地震后很难修复，进而造成严
重的经济损失。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种实现
震后可更换的伸臂桁架系统。
本发明实施方式的实现震后可更换的伸臂桁架系统包括核心筒、框架柱及伸臂桁
架。所述伸臂桁架设置于所述核心筒及所述框架柱之间。所述伸臂桁架包括消能梁段、
上弦杆、下弦杆及腹杆。所述下弦杆平行设置于所述上弦杆的下方。所述腹杆倾斜设置
于所述上弦杆和所述下弦杆之间。所述腹杆分为第一端和第二端，所述腹杆第一端的延
长方向交叉，所述腹杆第二端与所述核心筒或所述框架柱连接。所述消能梁段两端分别
与所述腹杆第一端连接。所述核心筒设置于建筑中间。
本发明实施方式的伸臂桁架系统在地震时所述消能梁段通过剪切屈服消耗地震的
能量，起到了保护腹杆的作用，且所述消能梁段震后容易更换，实现了伸臂桁架损伤后
快速修复的目的，降低了地震后带来的经济损失。
在某些实施方式中，实施消能梁段包括上腹板、下腹板及加劲肋。所述上腹板设置
于所述下腹板的下方，所述加劲肋设置于所述上腹板和所述下腹板之间，且与所述上腹
板和所述下腹板固定连接。
在某些实施方式中，所述消能梁段两端分别设有第一法兰，所述第一法兰设有第一
抗剪键。所述腹杆第一端设有第二法兰，所述第二法兰设有第二抗剪键。相邻的所述第
一抗剪键之间形成有与所述第二抗剪键相匹配的第一键槽，相邻的所述第二抗剪键之间
形成有与所述第一抗剪键相配的第二键槽。所述第一法兰与所述第二法兰通过所述第一
抗剪键与所述第二键槽及第二抗剪键与所述第一键槽配合连接。
在某些实施方式中，所述第一法兰与所述第二法兰通过螺栓连接。
在某些实施方式中，所述伸臂桁架还包括固定弦杆，所述固定弦杆一端与所述核心
筒或所述框架柱连接。所述上弦杆和所述下弦杆的两端分别与所述固定弦杆的另一端铰
接。
在某些实施方式中，所述伸臂桁架为钢结构。
在某些实施方式中，所述伸臂桁架高度为一层或两层楼层高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得
明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得
明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施方式的实现震后可更换的伸臂桁架系统的结构示意图。
图2是本发明实施方式的实现震后可更换的伸臂桁架系统的伸臂桁架的消能梁段的
结构放大示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至
终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参
考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、
“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、
“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位
或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，
而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，
因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而
不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定
有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本
发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、
“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或
一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也
可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含
义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”
可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过
它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”
包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特
征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上
方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简
化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，
并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考
字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设
置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通
技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请参阅图1及图2，本发明实施方式的实现震后可更换的伸臂桁架系统100包括核
心筒10、框架柱20及伸臂桁架30。核心筒10设置于建筑中间。框架柱20设置于建筑
外围。伸臂桁架30设置于核心筒10及框架柱20之间。伸臂桁架30包括上弦杆31、下
弦杆32、腹杆33及消能梁段34。下弦杆32平行设置于上弦杆31的下方。腹杆33设
置于上弦杆31和下弦杆32之间，且腹杆33相对与竖直方向倾斜布置。腹杆33分为第
一端和第二端，腹杆33第一端的延长方向交叉，腹杆33第二端与核心筒10或框架柱
20连接。消能梁段34两端分别与腹杆33第一端连接。
具体地，核心筒10包括多个剪力墙(图未示)，伸臂桁架30包括多个与剪力墙或框
架柱20连接的节点板38，节点板38伸入剪力墙以固定在剪力墙上。腹杆33的第二端
与节点板38固定连接，例如通过焊接和/或螺栓连接。
伸臂桁架30与核心筒10刚接以保证核心筒10在地震时将水平地震力通过伸臂桁架
30转化为轴力施加到建筑外围的框架柱20。伸臂桁架30在传递地震能时受力以剪切力
为主。伸臂桁架30增加消能梁段34后，伸臂桁架30的剪切力主要集中在消能梁段34
上，消能梁段34通过剪切屈服消耗地震的传递的能量。
轻度地震时，伸臂桁架30发生弹性变形从而消耗地震能量，伸臂桁架30并没有发
生屈服。强烈地震时，地震力大于伸臂桁架30的屈服强度，伸臂桁架30发生屈服而产
生塑性变形，当塑性变形超过一定范围时，伸臂桁架30将出现断裂等破坏。
本发明实施方式的实现震后可更换的伸臂桁架系统100在地震时消能梁段34通过剪
切屈服消耗地震的能量，起到了保护腹杆33的作用，且消能梁段34震后容易更换，实
现了伸臂桁架30损伤后快速修复的目的，降低了地震后带来的经济损失。
伸臂桁架30在建筑的高度方向可设置一道或多道，建筑设置多道伸臂桁架30后，
建筑的整体刚度得到较大的提高，从而可提高建筑的抗震能力。建筑高度方向设置的某
道伸臂桁架30中包括多个伸臂桁架30，多个伸臂桁架30布置在建筑的周围以连接建筑
中心的核心筒10及建筑外围的框架柱20。伸臂桁架30不仅可以提高建筑的整体性，减
少建筑的水平侧移，而且可以对震动进行缓冲，避免建筑受损。
在本实施方式中，消能梁段34两端分别设有第一法兰341，第一法兰341设有第一
抗剪键3411；腹杆33第一端设有第二法兰36，第二法兰36设有第二抗剪键361。相邻
的第一抗剪键3411之间形成有与第二抗剪键361相匹配的第一键槽，相邻的第二抗剪
键361之间形成有与第一抗剪键3411相配的第二键槽。第一法兰341与第二法兰36通
过第一抗剪键3411与第二键槽及第二抗剪键361与第一键槽配合连接。
具体地，第一法兰341与消能梁段34及第二法兰36与腹杆33都是固定连接，如此，
第一抗剪键3411和第二抗剪键361保证消能梁段34在消能过程中与腹杆33不发生相
对滑移，并且能消耗一部分震能。
在本实施方式中，第一法兰341与第二法兰36通过螺栓35连接。
如此，消能梁段34损伤后可以快速更换，减少地震后带来的经济损失。在地震时，
螺栓35也承受一部分的剪切力，为了提高消能梁段34的抗剪能力，螺栓35可以使用
高强螺栓，例如螺栓的性能等级为8.8级。高强螺栓同时保证了伸臂桁架系统100整体
的安全性。
在本实施方式中，实施消能梁段34包括上腹板342、下腹板343及加劲肋344。下
腹板343设置于上腹板342的下方，加劲肋344设置于上腹板342和下腹板343之间，
且与上腹板342和下腹板343固定连接。
消能梁段34采用钢结构的形式并且安装加劲肋344，如此，不但可以保证消能梁段
34的刚性和弹性，增强消能梁段34的耗能能力，还可以节约材料，降低消能梁段34
的制造成本。上腹板342和下腹板343的厚度相同，这样使得消能梁段34制造过程更
加简单，互换性更好。消能梁段34的各个零部件的材料相同以保证制造时焊接的工艺
性。
为了保证腹杆33的弹性及消能梁段34的耗能能力，消能梁段34应先于腹杆33发
生剪切屈服，消能梁段34的设计应遵循以下顺序。
1)计算消能梁段34相对于腹杆33的屈服剪力：
VP＝0.6fA<V；
式中：VP——消能梁段34的屈服剪力；
f——消能梁段34的剪切屈服强度；
A——消能梁段34的腹板的截面面积；
V——腹杆33的屈服剪力。
2)消能梁段34为剪切屈服模式，受弯承载力M应满足：
0.5e·ΩVP<M；
式中：M——消能梁段34全截面的屈服弯矩；
VP——消能梁段34的屈服剪力；
Ω——消能梁段34的超强系数。
3)计算消能梁段34的长度：
e≤1.6M/Vp；
Mp＝fWpx；
Vp＝0.6fA；
式中：e——消能梁段34的长度；
M——消能梁段34全截面的屈服弯矩；
Vp——消能梁段34的屈服剪力；
Wpx——消能梁段34塑性截面抵抗矩；
A——消能梁段34的腹板的截面积；
f——消能梁段34的剪切屈服强度。
4)计算消能梁段34的加劲肋344的布置间距：
dmax＝30T-h/5；
式中：dmax——加劲肋344间距上限值；
T——消能梁段34的腹板的厚度；
h——消能梁段34的高度。
5)计算第一抗剪键3411或第二抗剪键361的数量：
nNvc＝Af/2；
N
v
c
=
0.261
c
E
c
f
;
]]>
式中：n——第一抗剪键3411或第二抗剪键361的数量；
Nvc——单个第一抗剪键3411或第二抗剪键361的剪力；
A——消能梁段34的腹板的截面积；
f——消能梁段34的屈服强度；
Ec——第一抗剪键3411或第二抗剪键361的弹性模量；
lc——第一抗剪键3411或第二抗剪键361的长度。
在本实施方式中，伸臂桁架30还包括固定弦杆37，固定弦杆37一端与核心筒10
或框架柱20刚接。上弦杆31和下弦杆32的两端分别与固定弦杆37的另一端铰接。
如此，减小上弦杆31和下弦杆32的受力，从而保持弦杆的弹性，进而减少上弦杆
31和下弦杆32在地震时的损伤。
在本实施方式中，伸臂桁架30为钢结构。
伸臂桁架30采用钢结构形式可以在减少制造用料的同时仍然可以保持很高的弹性，
并且对冲击载荷、地震及台风具有很好的抵抗力和适应性。伸臂桁架30的材料可以使
用屈服强度较大的钢材(例如Q345)以提高自身的弹性，从而保证伸臂桁架系统100的抗
震能力。
在本实施方式中，伸臂桁架30高度为一层或两层楼层高。
制造伸臂桁架30时，将所需的材料运至现场后制造，考虑到伸臂桁架30的性能及
制造工艺性，一层或两层楼层高的伸臂桁架30在保证伸臂桁架30性能的情况下可降低
伸臂桁架30的制造成本。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性
实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方
式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示
例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。
而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例
中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不
脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变
型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。