基于支撑耗能的装配式钢结构自复位模块.pdf

一种基于支撑耗能的装配式钢结构自复位模块，包括竖向边缘构件、横向边缘构件、支撑和铰接柱，沿着两个横向边缘构件设置若干道后张拉预应力钢绞线并锚固在两个竖向边缘构件的外侧翼缘，使之构成一个预应力框架；在两个竖向边缘构件的内侧设置两个铰接柱，并在其两端设置端板通过高强螺栓连接于上下两个横向边缘构件的翼缘；两个支撑通过高强螺栓连接于铰接柱的耳板，形成X型交叉支撑。使用本发明，大震后通过预应力钢绞线使结构恢复原位，而仅需更换支撑即可，更加简单方便，从而实现结构在遭遇地震发展塑性后，仍能够恢复到原位置而没有残余变形，缩短维修时间，减少维修费用并尽快投入使用的目标。

1.  一种基于支撑耗能的装配式钢结构自复位模块，包括竖向边缘构件、横向边缘构件、支撑和铰接柱，其特征在于：沿着两个横向边缘构件设置若干道后张拉预应力钢绞线并锚固在两个竖向边缘构件的外侧翼缘，使之构成一个预应力框架；在两个竖向边缘构件的内侧设置两个铰接柱，并在其两端设置端板通过高强螺栓连接于上下两个横向边缘构件的翼缘；两个支撑通过高强螺栓连接于铰接柱的耳板，形成X型交叉支撑。

2.  根据权利要求1所述的自复位模块，其特征在于：所述竖向边缘构件其端部设置横向加劲肋。

3.  根据权利要求1所述的自复位模块，其特征在于：所述横向边缘构件其端部设置横向加劲肋、端板和盖板。

4.  根据权利要求1所述的自复位模块，其特征在于：所述支撑钢材的规格、材性和面积根据以下要求确定：确保大震发生时通过支撑耗能使得自复位模块的塑性变形发生在支撑部分。

5.  根据权利要求1所述的自复位模块，其特征在于：所述横向边缘构件的端板和竖向边缘构件的内侧翼缘板表面设有摩擦接触面；优选的，所述的摩擦接触面经过喷砂处理方式形成；优选的，对于Q345钢材其摩擦接触面的抗滑移系数≥0.4。

6.  根据权利要求1所述的自复位模块，其特征在于：所述支撑采用六棱柱套筒花篮-扁钢柱间支撑。

7.  根据权利要求7所述的自复位模块，其特征在于：所述支撑的张紧部分采用机械加工成型的六棱柱套筒，确保螺杆端部的屈服承载力高于螺杆抗拉承载力设计值的至少1.1倍；
优选的，支撑构件部位采用扁钢，所述扁钢的截面积小于张紧部位螺杆的最小面积，确保所述螺杆抗拉承载力设计值高于扁钢抗拉承载力设计值的至少1.5倍。

8.  根据权利要求8所述的自复位模块，其特征在于：所述六棱柱套筒材质为S5C，所述螺杆采用Q345圆钢，端部加工为M33规格螺纹；螺纹设计有效长度为40mm以上；
优选的，所述扁钢材质为Q235B，所述扁钢与所述张紧部位螺杆两者之间采用角焊缝连接，支撑连接板上设有螺栓孔，用高强螺栓将支撑连接板与铰接柱端耳板直接连接。

9.  根据权利要求1或9所述的自复位模块，其特征在于：所述高强螺栓均为承压型高强螺栓；优选的，强度等级为10.9s；优选的，规格为M16～M30。

10.  根据权利要求1所述的自复位模块，其特征在于：所述后张拉预应力钢绞线的预拉力按照以下要求确定：预应力钢绞线极限承载力的30％—50％，并以锚具锚固。

基于支撑耗能的装配式钢结构自复位模块
技术领域
本发明属于抗震工程技术领域，涉及基于支撑耗能的结构。
背景技术
我国现阶段的抗震思想是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，这一抗震思想要求结构遭遇设防烈度的地震后主体结构不应有大的破坏并可以修复，遭遇罕遇地震后允许结构有大的破坏，但不能倒塌造成人员伤亡。不过结构在遭受地震后即便没有倒塌，但是部分重要构件已经产生了较大的残余变形而无法恢复到原位置，导致结构难以维修加固甚至被推倒重建。
为了实现结构在遭遇地震发展塑性后，仍能够恢复到原位置而没有残余变形，从而缩短维修时间、减少维修费用并尽快投入使用的目标，需要提出一种能将结构的塑性变形控制在易于更换的某一部分，之后通过预应力钢绞线使结构复位的模块，并将其合理布置在结构体系中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能将结构的塑性变形控制在易于更换的支撑部分，之后通过预应力钢绞线使结构复位的基于支撑耗能的装配式钢结构自复位模块。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于支撑耗能的装配式钢结构自复位模块，包括竖向边缘构件、横向边缘构件、支撑和铰接柱，沿着两个横向边缘构件设置若干道后张拉预应力钢绞线并锚固在两个竖向边缘构件的外侧翼缘，使之构成一个预应力框架；在两个竖向边缘构件的内侧设置两个铰接柱，并在其两端设置端板通过高强螺栓连接于上下两个横向边缘构件的翼缘；两个支撑通过高强螺栓连接于铰接柱的耳板，形成X型交叉支撑。
进一步，所述竖向边缘构件其端部设置横向加劲肋。
所述横向边缘构件其端部设置横向加劲肋、端板和盖板。
所述支撑钢材的规格、材性和面积根据以下要求确定：确保大震发生时通过支撑耗能使得自复位模块的塑性变形发生在支撑部分。
所述横向边缘构件的端板和竖向边缘构件的内侧翼缘加劲板表面设有摩擦接触面，所述的摩擦接触面经过喷砂等处理方式形成，其摩擦面的抗滑移系数：对于Q345钢材，须≥0.4。
所述支撑采用六棱柱套筒花篮-扁钢柱间支撑。
所述支撑的张紧部分采用机械加工成型的六棱柱套筒，确保螺杆端部的屈服承载力高于螺杆抗拉承载力设计值的至少1.1倍；
进一步，支撑构件部位采用扁钢，所述扁钢的截面积小于张紧部位螺杆的最小面积，确保所述螺杆抗拉承载力设计值高于扁钢抗拉承载力设计值的至少1.5倍。
所述六棱柱套筒材质为S5C，所述螺杆采用Q345圆钢，端部加工为M33规格螺纹；螺纹设计有效长度为40mm以上；
进一步，所述扁钢材质为Q235B，所述扁钢与所述张紧部位螺杆两者之间采用角焊缝连接，支撑连接板上设有螺栓孔，用高强螺栓将支撑连接板与铰接柱端耳板直接连接。
所述高强螺栓均为承压型高强螺栓；进一步，强度等级为10.9s；进一步，规格为M16～M30。
所述后张拉预应力钢绞线的预拉力按照以下要求确定：预应力钢绞线极限承载力的30％—50％，并选用合适的锚具锚固。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
所有构件的连接均采用承压型高强螺栓连接，简化了施工工艺，节省了施工成本；同一构件类型截面外形尺寸不超过3种，限制构件种类，提高了工业化程度，集成化程度高；主体结构梁柱节点为铰接，从而简化了设计方法；主体结构中设置含支撑的自复位模块，水平力大部分由支撑承担(自复位模块的预应力框架也可承担水平力)，从而使主体结构柱仅承担竖向荷载，而有效减小了柱截面面积；在大震作用下，支撑屈服产生较大塑性变形，预应力框架仍具有抗侧能力，因此模块能保证结构具有二道防线。大震后通过预应力钢绞线使结构恢复原位，而仅需更换支撑即可，更加简单方便，从而实现结构在遭遇地震发展塑性后，仍能够恢复到原位置而没有残余变形，缩短维修时间，减少维修费用并尽快投入使用的目标。
附图说明
图1是本发明实施例的自复位模块正立面示意图。
图2是本发明实施例的自复位模块侧立面示意图。
图3是本发明实施例的自复位模块平面示意图。
图4A是本发明实施例的自复位模块中支撑与铰接柱节点连接示意图之一。
图4B是本发明实施例的自复位模块中支撑与铰接柱节点连接示意图之二。
图4C是本发明实施例的自复位模块中支撑与铰接柱节点连接示意图之三。
图5是本发明实施例的支撑某一种示例的构造示意图。
图6是本发明实施例的自复位模块布置在某结构体系中的示例。
图中标号：1为竖向边缘构件(VBE)，2为横向边缘构件(HBE)，3为支撑，4为铰接柱，5为后张拉预应力钢绞线，6为耳板，7为铰接柱端板，8为耳板高强螺栓，9为铰接柱端高强螺栓，10为横向边缘构件端部横向加劲肋，11为横向边缘构件端板，12为横向边缘构件盖板，13为竖向边缘构件端部横向加劲肋，14为支撑连接板，15为螺栓孔，16为六棱柱套筒，17为螺纹，18为螺杆，19为扁钢，20为柱，21为梁，22为梁柱连接节点，23为自复位支撑模块，24为基础，25为梁端高强螺栓，26为梁横向加劲肋。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：如图1、2、3所示，一种基于支撑耗能的装配式钢结构自复位模块，包括两个个竖向边缘构件1、两个横向边缘构件2、两个支撑3和两个铰接柱4，沿着两个横向边缘构件2设置若干道后张拉预应力钢绞线5并锚固在两个竖向边缘构件1的外侧翼缘，使之构成一个预应力框架；在两个竖向边缘构件1的内侧设置两个铰接柱4，并在其两端设置端板通过高强螺栓连接于上下两个横向边缘构件2的翼缘；两个支撑3通过高强螺栓连接于铰接柱的耳板，形成X型交叉支撑。
竖向边缘构件1其端部设置横向加劲肋13，以防止板件局部屈曲，提高构件力学性能。
横向边缘构件2其端部设置横向加劲肋10、端板11和盖板12，以防止板件局部屈曲，提高构件力学性能。
支撑3选用适当规格、材性和面积的钢材，确保大震发生时通过支撑耗能使得自复位模块的塑性变形发生在支撑部分。
铰接柱4的两端设置耳板6和端板7。
支撑3与铰接柱4通过耳板6采用高强螺栓8连接，铰接柱4两端设置端板7并与横向边缘构件2通过高强螺栓9连接。
横向边缘构件2的端部和竖向边缘构件1的内侧翼缘设有摩擦接触面，横向边缘构件2的端板11和竖向边缘构件1的内侧翼缘板表面设有摩擦接触面。
本发明中所述的摩擦接触面经过喷砂等处理方式形成，其摩擦面的抗滑移系数：对于Q345钢材，须≥0.4。
支撑3与铰接柱4通过耳板6采用高强螺栓8连接，铰接柱4两端设置端板6并与横向边缘构件2通过高强螺栓9连接。
本发明各处所使用的高强螺栓均为承压型高强螺栓，强度等级为10.9s，规格为M16～M30视各处情况选择。
如图4A、4B、4C所示，自复位支撑模块中支撑与铰接柱耳板的连接，通过高强螺栓8 将耳板6与支撑连接板14直接连接，耳板6则通过角焊缝与铰接柱4连接。
如图5所示支撑4的某一种示例构造，该示例采用六棱柱套筒花篮-扁钢柱间支撑，考虑到传统分叉形花篮(铸铁材质)质量不稳定，支撑张紧部分采用机械加工成型的六棱柱套筒16，材质为S5C，螺杆18采用Q345圆钢，端部加工为M33规格螺纹17，确保该部位屈服承载力高于螺杆18抗拉承载力设计值的至少1.1倍。此外，为避免由于大震时激烈的循环荷载作用所引起的螺杆18被拉出现象，螺纹17设计有效长度为40mm以上；支撑构件部位采用扁钢19，材质为Q235B，扁钢19截面积须小于张紧部位螺杆18的最小面积，确保螺杆18抗拉承载力设计值高于扁钢19抗拉承载力设计值的至少1.5倍，两者之间采用角焊缝连接，支撑连接板14上设有螺栓孔15，用高强螺栓8将支撑连接板14与铰接柱端耳板6直接连接。
如图6所示为自复位模块布置在某结构体系中的示例，该结构根据基于性能的抗震设计需要在每层布置若干个含支撑的自复位模块。在大震作用下，支撑屈服产生较大塑性变形，此时预应力框架仍具有一定的抗侧刚度，因此模块能保证结构具有二道防线。大震后通过预应力钢绞线使结构恢复原位，而仅需更换支撑即可，更加简单方便，从而实现结构在遭遇地震发展塑性后，仍能够恢复到原位置而没有残余变形，缩短维修时间，减少维修费用的目标。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。