一种能够实现刚度退化与耗能的剪力键阻尼支撑

摘要

本发明提出了一种能够实现刚度退化与耗能的剪力键阻尼支撑，其在一定轴力以下时与普通支撑一样提供抗侧刚度，当其内力达到一定水平能够实现刚度退化并以内置的阻尼器耗散能量，实现整体结构的体系转换，有利于结构的延性。一种能够实现刚度退化与耗能的剪力键阻尼支撑，由以螺栓群连接的两段支撑以及内嵌阻尼器组成，这两段支撑互相嵌套，在螺栓群破坏后能够相对搓动，并且以与其中一段支撑连接的阻尼器进行耗能。本发明依靠螺栓剪断实现刚度退化，一方面改变整体结构的基本周期从而降低短周期地震下的地震影响系数，一方面结构柱的轴压比大大减小以保证其延性。本发明将支撑整体分段的构造形式方便运输，螺栓连接形式便于安装且破坏后能够替换，符合装配式结构和韧性结构的要求。

说明书

技术领域

本发明属于高层结构所用的耗能支撑领域，具体涉及一种能够实现刚度退化与耗能的剪力键阻尼支撑。

背景技术

对于高层和超高层建筑，控制其在各种外部作用下的响应，保证其层间位移角、顶点速度等指标符合规范要求以保证结构正常使用和安全是至关重要的，故近年来大量的新型结构体系得到了广泛运用。

新型机构体系中为了增加结构的抗侧刚度，往往会使用核心筒与框架-支撑结构协同工作的结构形式，而框架中支撑对于整体结构的刚度影响比重相当大，故支撑的设计会在很大程度上控制结构的整体性能。

目前，支撑在高层及超高层结构中的应用形式多样，对于普通支撑，在弹性阶段为整体结构提供抗侧刚度，不同于支撑受拉的情况，由于其受压时可能发生面外变形，进而导致失稳，此时支撑的承载能力下降而大部分材料仍处于弹性，构件耗能能力较低。这种非线性阶段构件拉压性能不一致的现象导致普通支撑屈服后结构的耗能能力和承载力均大幅降低，影响结构的延性，一般在超高层结构设计时普通支撑的截面较大，因此不考虑屈曲只提供刚度，这能够使得结构的抗侧刚度增大但不利于整体结构的延性破坏。

近年来广泛得到运用的防屈曲支撑，其可应用于高层或中低层框架结构、网架网壳等大跨结构以及桥梁结构，并且适用于新建建筑和既有建筑的加固改造。防屈曲支撑主要由内核构件与外围构件组成。内核构件一般采用低屈服点高延性的钢板或热轧型钢或组合焊接构件，直接承受轴向荷载作用；外围约束构件主要承受内核侧向变形引起的弯矩，并不直接承受轴力。内核构件与外围约束构件之间在纵向和横向应留有适当间隙，并用无粘结材料隔离，防止支撑受压时内核与外围约束构件发生纵向接触或由于内核钢材泊松效应引起横向接触，这种接触将导致外围约束构件也承受部分轴力，使外围约束构件提前破坏或内核强度超过预期值，对框架产生不利影响。

防屈曲支撑构件的种类较多，根据外围约束构件的材料划分，主要有3种类型，即混凝土约束型、钢管混凝土约束型和全钢约束型；根据外围约束构件的组成方式，防屈曲支撑可分为整体式和装配式。混凝土约束型和钢管混凝土约束型防屈曲支撑的外围约束构件一般为整体式，混凝土现场湿作业工作量大，混凝土和内核钢板间的精度较难控制，如果工程需要设计大吨位与超长防屈曲构件，采用整体式防屈曲支撑必将给运输与安装带来较大的难度。装配式防屈曲支撑的外围约束构件通常由型钢或钢板通过螺栓装配组成，精度容易控制，现场安装方便，地震后仅需跟换屈服的内核，外围约束构件可实现重复利用，并且型钢和钢板价格便宜，形式也多样。

目前的防屈曲支撑具备承载能力不下降或少量下降并且依靠钢材塑性耗能，其通过改变组件的连接方式也能够实现装配式施工的要求。但支撑的存在会使得结构构件的内利分布以轴力为主，相比框架结构，框架-支撑结构中框架柱的轴压比会有所提高，而较大的轴压比是不利于结构延性的。对于布置了防屈曲支撑的框架-支撑结构，由于防屈曲支撑的轴向承载能力不退化，框架柱的轴压比较高，在弹性或非线性不强的阶段，这种受力形式能够充分利用材料，但在极罕遇及以上的地震作用下时，框架柱可能因较高的轴压比而更早进入屈服并破坏，其承载能力下降也会更快，严重影响竖向构件的延性，不利于整体结构的延性，最终可能导致整体结构的过早倒塌。

为了耗散外部作用带来的能量，而不改变结构本身的刚度，粘性液体阻尼器成为了一种选择。粘性液体阻尼器的特点为内置液体本身没有可计算的刚度，不影响结构模态和原有设计，能单纯增加结构阻尼；滞回曲线呈椭圆形，保证阻尼器在最大位移的状态下受力为零，位移为零的情况下受力最大，如此其它构件的轴力得到了控制；可在地震和大风作用下重复使用；采用先进技术，使用寿命能够保证。但粘性液体阻尼器因内置液体的特性可能在较低频的外部作用下发生运动但几乎不提供阻尼力，故有人提出了在阻尼器上增加风限装置或熔断装置，利用摩擦力或保险片使支撑在风荷载或小震作用下像正常支撑一样工作，之后则发挥阻尼器作用，称为限位阻尼器。

目前的限位阻尼器构造比较复杂，不方便现场安装，并且能够提供的承载力较小，只能在风荷载或小震下提供刚度。故本发明提出一种能够实现刚度退化与耗能的剪力键阻尼支撑，其将粘性液体阻尼器置于分段组装的剪力键支撑中，在罕遇地震及以下时与正常支撑一样发挥提供抗侧刚度的作用，在极罕遇地震及以上时剪力键破坏发挥阻尼器作用，可实现结构体系在极罕遇地震作用下的体系转变，对控制结构整体响应，保证底部轴压比较大框架柱的延性具有重要意义。

发明内容：

本发明在现有的普通支撑、防屈曲支撑、限位器阻尼支撑基础上，提出了一种具有刚度退化能力的支撑结构，其在一定轴力以下时与普通支撑一样提供抗侧刚度，当其内力达到一定水平能够实现刚度退化并以内置的阻尼器耗散能量，实现整体结构在极罕遇地震下的体系转换，有利于结构的延性。

本发明为能够实现刚度退化与耗能的剪力键阻尼支撑，由以螺栓群连接的两段支撑以及内置阻尼器组成，这两段支撑互相嵌套，在螺栓群破坏后能够相对搓动，并且以与其中一段支撑连接的阻尼器进行耗能。

本发明依靠螺栓剪断实现刚度退化，一方面改变整体结构的基本周期从而降低短周期地震下的地震影响系数，一方面结构柱的轴压比大大减小，使得柱全截面的应力减小，在水平外部作用下可以较晚进入屈服以及退化阶段，以保证其延性。

本发明提出了一种能够实现刚度退化与耗能的剪力键阻尼支撑，包括：外套约束支撑，内嵌滑动支撑，内嵌阻尼器三部分组成。

本发明提出的剪力键阻尼支撑，外套约束支撑与内嵌滑动支撑的一段分别与结构的梁柱节点螺栓链接或者焊接，重合处互相嵌套并以剪力键螺栓群连接，内嵌阻尼器一端与内嵌滑动支撑以螺栓连接或焊接，另一端在梁柱节点处与外套约束支撑共节点连接。

优选出的一种方案为，外套约束支撑的支撑长度大于支撑整体的一半，支撑材料为箱型钢管，一端与端板以螺栓连接或焊接，端板再与梁柱节点连接。

优选出的一种方案为，内嵌滑动支撑的支撑长度大于支撑整体的一半，支撑材料为工字型钢，一端与端板以螺栓连接或焊接，端板再与梁柱节点连接。

优选出的一种方案为，外套约束支撑所用箱型钢管在不与梁柱节点连接的一端处开孔，开孔位置为两相对面，开孔沿钢管轴向呈两列分布。

优选出的一种方案为，内嵌滑动支撑所用工字型钢的高度与箱型钢管内边缘高度相同，工字型钢的翼缘宽度略小于箱型钢管内边缘宽度以防止钢材变形阻碍滑动，工字型钢在不与梁柱节点连接的一端处开孔，开孔位置为工字型钢的四个翼缘，沿工字型钢分布，开孔沿翼缘宽度方向的距离同箱型钢管上开孔沿宽度方向的距离。

优选出的一种方案为，箱型钢管及工字型钢上开孔间距不应过大，否则剪力键螺栓群排布稀疏，有可能因螺栓群间受力不均匀而先后破坏，导致剪力键螺栓群的极限承载能力小于设计值。

优选出的一种方案为，内嵌阻尼器的阻尼器类型为速度相关型的粘性液体阻尼。

优选出的一种方案为，剪力键螺栓群的螺栓材料为铝合金，由螺杆、螺帽组成，螺杆直径与箱型钢管以及工字型钢上开孔直径相同，在箱型钢管与工字型钢开孔重合后固定螺栓。

优选出的一种方案为，剪力键螺栓群的极限抗剪承载能力低于外套约束支撑或内嵌滑动支撑的失稳承载能力。

本发明将支撑整体分段的构造形式方便运输，螺栓连接形式便于安装且破坏后能够替换，符合装配式结构和韧性结构的要求。

综上，本发明相对于现有技术的有益效果包括：

本发明一种能够实现刚度退化与耗能的剪力键阻尼支撑能够在极罕遇地震以下的外部作用下发挥提供抗侧刚度的作用，在极罕遇地震及以上外部作用下实现刚度退化，改变了结构的自振周期，并以阻尼器耗能，形成了多道防线；相比于防屈曲支撑，能够在较大外部作用下降低框架柱的轴压比，保证了柱的延性性能；支撑整体分为多段，并以螺栓连接，方便工厂制作后运输，现场安装简便；剪力键螺栓群在发挥作用后能够替换，使支撑整体恢复初始状态，重复使用，符合韧性结构的概念。

附图说明：

图1为本发明结构的安装图，1-1为外套约束支撑、1-2为内嵌滑动支撑和内嵌阻尼器的组合件、1-3为剪力键螺栓、1-4为剪力键阻尼支撑。安装顺序与方法为：内嵌滑动支撑与内嵌阻尼器通过螺栓连接或焊接，内嵌阻尼器一端与连接端板连接，外套约束支撑与内嵌滑动支撑的开孔重合后安装剪力键螺栓，外套约束支撑另一端与内嵌阻尼器在同一连接端板连接。

图2为本发明螺栓排布方式与横截面相对位置，2-1为正视图、2-2为俯视图、2-3为横截面。

图3为剪力键阻尼支撑单调静力加载的力-位移曲线。

图4为结构布置图。

图5为框架柱底部承载力对比图，5-1为柱底剪力、5-2为柱底弯矩。

图6为框架柱底部受压损伤发展对比图。

具体实施方式

下面通过实例和附图解释本发明。本实例为发明优选实施方式，凡其它原理和基本结构或实现方法与本实施例相同或相近的，均在本发明保护范围之内。

实施例一

如图1所示，一种能够实现刚度退化与耗能的剪力键阻尼支撑，其特征在于：包括：外套约束支撑，内嵌滑动支撑，内嵌阻尼器三部分组成。外套约束支撑与内嵌滑动支撑的一段分别与结构的梁柱节点螺栓链接或者焊接，重合处互相嵌套并以剪力键螺栓群连接，内嵌阻尼器一端与内嵌滑动支撑以螺栓连接或焊接，另一端在梁柱节点处与外套约束支撑共节点连接。

实施例二

在实施例1的技术方案上，如图2所示，外套约束支撑所用箱型钢管在不与梁柱节点连接的一端处开孔，开孔位置为两相对面，开孔沿钢管轴向呈两列分布。内嵌滑动支撑所用工字型钢的高度与箱型钢管内边缘高度相同，工字型钢的翼缘宽度略小于箱型钢管内边缘宽度以防止钢材变形阻碍滑动，工字型钢在不与梁柱节点连接的一端处开孔，开孔位置为工字型钢的四个翼缘，沿工字型钢分布，开孔沿翼缘宽度方向的距离同箱型钢管上开孔沿宽度方向的距离。

为实现剪力键螺栓群抗剪破坏，并且能够替换，外套约束支撑和内嵌滑动支撑不能发生塑性变形，剪力键螺栓群材料采用强度较低的铝合金，支撑段采用Q390钢材。

为防止外套约束支撑端部被螺栓剪坏，最外侧螺栓与箱型钢管边缘预留300mm距离。为控制剪力键螺栓群抗剪承载能力不因受力不均匀而与设计值存在不可忽略的偏差，各排剪力键螺栓间的间距为240mm，图2以4排剪力键螺栓的情况为例说明剪力键螺栓的排布方式。以有限元软件对该支撑以及多排剪力键螺栓情况进行单调静力加载，得到力-位移曲线如图3所示，可以看出剪力键断裂达到了刚度和承载能力退化的目的。

实施例三

将应用了实施例二的技术方案的框架-剪力键阻尼支撑结构与未应用本发明的框架-防屈曲支撑结构进行对比，结构布置如图4所示，将剪力键阻尼支撑或防屈曲支撑应用于两层的钢骨混凝土巨型框架结构中。巨型框架一层42米，结构共84米高，框架柱截面尺寸2000×2000mm，含钢率5％；框架梁截面尺寸1000×2000mm，含钢率2.15％。刚才均为Q390，混凝土标号均为C60。

对结构进行单向静力水平加载，提取出框架柱底部内力以及受压柱底的混凝土受压损伤发展，相比未应用本发明的框架-防屈曲支撑结构，其剪力和弯矩、混凝土受压损伤因子发展如图5-6所示。可以看出，本发明因为能够实现刚度与承载能力的退化，使得框架柱的轴压比降低而降低了柱全截面的应力水平，最终使得框架柱的抗侧承载能力退化较晚，并且混凝土受压损伤明显减小，起到了保护结构主要竖向构件，确保结构延性破坏的目的。

本实例中只以几种具体的情况说明本发明的结构的具体应用，本发明还存在其它实施方式、构造和应用方法。如外套约束支撑和内嵌滑动支撑的截面形状，剪力键螺栓群的排列方式，剪力键螺栓的材料选择等，并不限于此。

本发明可广泛运用于框架结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构等，可有效控制结构整体在外部作用下的响应，并确保主要竖向构件的轴压比处于较低水平，加强结构的延性，并且本发明的构件组装简便、可替换，对高性能结构和绿色建筑的发展具有重要意义。