一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构

1.本发明属于建筑结构领域，涉及一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构。


背景技术：

2.抗侧力结构在建筑结构中起到抵抗风荷载和地震荷载等水平荷载的作用，是保证整个结构安全可靠的关键。目前在多高层钢结构中应用的抗侧力结构主要有中心支撑、偏心支撑、屈曲约束支撑(防屈曲支撑)、非加劲钢板剪力墙、加劲钢板剪力墙、开缝钢板剪力墙和防屈曲钢板剪力墙等多种形式。
3.中心支撑的抗屈曲能力差，尤其在中震和大震作用下会不可避免地出现弹性或弹塑性屈曲导致支撑失效，造成结构刚度和耗能能力的下降，影响结构安全。偏心支撑通过支撑偏置形成耗能连梁进行耗能，可缓解撑杆的屈曲问题，但在水平荷载作用下楼板会较早地发生破坏，并且为保证耗能梁段首先屈服，其余构件往往需要设计成过大的截面，甚至过分超强，增加建设成本，实际应用较为有限。屈曲约束支撑是通过在支撑芯材外包覆约束材料或构件从而达到限制芯材屈曲效果的一种支撑，它具有更好的耗能能力，但该类支撑普遍截面较大，需占用更多的建筑空间，并且构造较为复杂，工程造价高，因此在实际工程应用中具有较大的局限性。
4.非加劲和加劲钢板剪力墙通过墙板形成的拉力场提供刚度抵抗水平力，但拉力场对钢板墙的边缘约束柱(边框柱)具有很不利的斜向作用，并且由于墙板无抗压能力，水平荷载所产生的倾覆力矩主要由边框柱轴力所形成的力偶抵抗，使得柱中内力极大，很容易导致边框柱的失稳或破坏，因此需要额外加大柱截面或者选用钢管混凝土柱等稳定性更好的组合结构柱来作为边缘约束构件，这也限制了钢板剪力墙在钢结构中的应用。并且，边框梁在上下层墙板所形成的拉力场作用下弯曲变形会在很大程度上受到抑制，使得边框梁塑性发展不充分，边框柱往往会先于边框梁形成塑性铰，达不到抗震设计中“强柱弱梁”的要求，对结构整体的抗震性能有不利影响。此外，钢板剪力墙的墙板在地震和风荷载等水平作用下需循环受力，墙板在双向反复塑性变形过程中会不可避免地发生褶皱、穿孔、开裂等破坏，导致结构延性降低。另外，钢板剪力墙的墙板需在施工现场通过栓接或焊接与边框梁柱进行连接，工作量大且连接质量不易保证，妨碍了钢板墙结构的装配化应用。开缝钢板剪力墙墙板对边柱的影响小，但由于刚度和承载力较弱，实际应用很少。防屈曲钢板剪力墙是通过在钢板剪力墙墙板外包覆混凝土板或钢构件来限制墙板屈曲效果的结构，它具有更好的耗能能力，但该结构构造复杂，自重大，需占用更多的建筑空间，并且工程造价高，在实际工程应用中具有较大的局限性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，以解决屈曲约束支撑(传统防屈曲支撑构造复杂、截面大、工程造价高的问题，以及钢板剪力墙结构受力上和施工中存在的不足的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，包括外支撑框架、内支撑框架、支撑件和受拉金属板；内支撑框架设置在外支撑框架内部，外支撑框架和内支撑框架之间通过若干支撑件连接；受拉金属板设置在内支撑框架内侧；受拉金属板上开设有条形缝隙。
8.进一步的，受拉金属板包括正面金属板和背面金属板；正面金属板和背面金属板均为矩形板，正面金属板和背面金属板上均沿对角线方向开设有条形缝隙。
9.进一步的，两个条形缝隙空间上相互交错设置。
10.进一步的，条形缝隙为贯通或不贯通的缝隙，条形缝隙的数量大于等于一条。
11.进一步的，外支撑框架和内支撑框架均为矩形框架，内支撑框架的四个拐角通过支撑件连接到外支撑框架的内拐角处。
12.进一步的，支撑件包括撑杆和撑杆节点；撑杆的一端连接在内支撑框架的拐角处，另一端通过撑杆节点连接到外支撑框架的内拐角处。
13.进一步的，外支撑框架包括主框架柱和主框架梁，两个主框架梁和两个主框架柱围成矩形的外支撑框架。
14.进一步的，主框架梁为h型截面钢梁或箱型截面钢梁；主框架柱为h型截面钢柱、箱型截面钢柱、钢管混凝土柱、型钢混凝土柱或钢管约束型钢混凝土柱。
15.进一步的，内支撑框架包括内框架梁和内框架柱，两个内框架梁和两个内框架柱围成矩形的内支撑框架。
16.进一步的，内框架柱和内框架梁为h型截面或箱型截面。
17.与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
18.本发明在中震或大震作用下本发明可相继实现金属板受拉屈服耗能、边框梁柱弯剪屈服耗能、撑杆受拉屈服耗能、主框架梁弯曲屈服耗能。可实现塑性耗能的构件多，范围大，是一种耗能能力优越的抗侧力结构。
19.本发明在地震的循环荷载作用下，两块开缝方向相反的金属板交替受拉，每块金属板均全程单方向受拉，可避免双向受力引起的损伤积累和破坏，结构延性有显著的提高。
20.本发明可实现“自防屈曲”，通过合理设计以及给予撑杆足够的变形空间达到受压撑杆不发生屈曲，防屈曲效果好且可在很大程度上简化构造、降低造价。
21.本发明在抗侧过程中，撑杆将力直接传递到主框架梁柱节点处，避免了钢板剪力墙结构中拉力场对边框柱不利作用。同时，受压撑杆具有稳定的抗压能力，可参与抵抗侧向荷载所产生的倾覆力矩，减轻主框架柱的受力负担，提高结构的抗震能力。
22.本发明所述的耗能控力墙可在工厂加工完成，施工现场仅需将耗能控力墙、撑杆和主框架三者通过梁柱或梁梁节点连接即可，技术成熟，质量容易保证，和钢板剪力墙结构相比可在很大程度上减少现场施工工作量，易于实现装配化生产。
附图说明
23.图1为本发明的正面结构示意图；
24.图2为本发明的背面结构示意图；
25.图3为本发明的空间结构示意图；
26.图4高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑的滞回曲线。
27.其中，1为主框架梁、2为主框架柱、3为内框架梁、4为内框架柱、5为正面金属板、6为背面金属板、7为撑杆、8为撑杆节点。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.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，如出现术语“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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.本发明是为了解决支撑结构的易屈曲问题，屈曲约束支撑(传统防屈曲支撑构造复杂、截面大、工程造价高的问题，以及钢板剪力墙结构受力上和施工中存在的不足所提出的一种新型抗侧力耗能结构，本发明所提出技术方案如下：
32.本发明高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构包括主框架柱2、主框架梁1、撑杆7、内框架钢梁3、内框架柱4和受拉金属板。
33.主框架梁1和主框架柱2通过梁柱节点连接形成主框架，内框架柱4和内框架钢梁3通过节点连接形成内框架。
34.四个撑杆7的一端与内框架的四角连接固定，四个撑杆的另外一端通过撑杆节点8与主框架相连。
35.两块金属板四周通过焊接或栓接固定于内框架里侧构成耗能墙，金属板上沿对角线方向开设方向相反的缝，缝可以是贯通的，也可以是不贯通的，可以是一道缝，也可以是多道缝。
36.所述主框架梁1为h型截面钢梁或箱型截面钢梁。
37.所述主框架柱2为h型截面钢柱或箱型截面钢柱或钢管混凝土柱或型钢混凝土柱或钢管约束型钢混凝土柱。
38.所述内框架柱4和内框架梁3为h型截面或箱型截面。
39.所述撑杆7为h型截面或箱型截面。
40.所述金属板为普通钢板或带加劲措施的钢板或铝合金板或低屈服点钢板或泡沫钢板。
41.本发明的工作原理为：当结构受到地震荷载和风荷载等水平荷载作用时，撑杆将水平荷载转化为拉力和压力作用于内框架，带动内框架及金属板发生侧向变形。在两层金属板中，其中的开缝方向与内框架的伸长对角线方向一致的金属板发生拉伸变形，形成拉
力场，为结构提供刚度和承载力；另一层金属板受压鼓曲，退出工作，不参与受力。在循环往复的水平荷载作用下，两层金属板交替受拉。金属板和内框架组成的耗能墙是主要耗能部件，在地震作用下金属板和内框架梁柱会进入塑性进行耗能，当水平荷载更大时，撑杆和主框架梁相继发生屈服进一步耗散地震能量。通过变化内框架面积和金属板厚度可调节结构整体的刚度和承载力大小以满足工程要求。耗能墙中的金属板仅单向受拉，能充分发挥钢材高延性的特点，屈服后可在相当大的变形范围内保持稳定的承载力，因此即使在大震作用下结构发生极大的侧向变形时，耗能墙对撑杆的最大反作用力是稳定且可确定的。通过调整内框架面积和金属板厚度并合理选取撑杆截面便可保证撑杆不发生屈曲，实现“自防屈曲”。
42.本发明在中震或大震作用下本发明可相继实现金属板受拉屈服耗能、边框梁柱弯剪屈服耗能、撑杆受拉屈服耗能、主框架梁弯曲屈服耗能。可实现塑性耗能的构件多，范围大，是一种耗能能力优越的抗侧力结构。
43.在地震的循环荷载作用下，两块开缝方向相反的金属板交替受拉，每块金属板均全程单方向受拉，可避免双向受力引起的损伤积累和破坏，结构延性有显著的提高。试验研究表明该结构的最大侧移角超过0.1rad，如图4所示。
44.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，包括外支撑框架、内支撑框架、支撑件和受拉金属板；内支撑框架设置在外支撑框架内部，外支撑框架和内支撑框架之间通过若干支撑件连接；受拉金属板设置在内支撑框架内侧；受拉金属板上开设有条形缝隙。2.根据权利要求1所述的一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，受拉金属板包括正面金属板(5)和背面金属板(6)；正面金属板(5)和背面金属板(6)均为矩形板，正面金属板(5)和背面金属板(6)上均沿对角线方向开设有条形缝隙。3.根据权利要求2所述的一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，两个条形缝隙空间上相互交错设置。4.根据权利要求2所述的一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，条形缝隙为贯通或不贯通的缝隙，条形缝隙的数量大于等于一条。5.根据权利要求1所述的一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，外支撑框架和内支撑框架均为矩形框架，内支撑框架的四个拐角通过支撑件连接到外支撑框架的内拐角处。6.根据权利要求1所述的一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，支撑件包括撑杆(7)和撑杆节点(8)；撑杆(7)的一端连接在内支撑框架的拐角处，另一端通过撑杆节点(8)连接到外支撑框架的内拐角处。7.根据权利要求1所述的一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，外支撑框架包括主框架柱(2)和主框架梁(1)，两个主框架梁(1)和两个主框架柱(2)围成矩形的外支撑框架。8.根据权利要求7所述的一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，主框架梁(1)为h型截面钢梁或箱型截面钢梁；主框架柱(2)为h型截面钢柱、箱型截面钢柱、钢管混凝土柱、型钢混凝土柱或钢管约束型钢混凝土柱。9.根据权利要求1所述的一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，内支撑框架包括内框架梁(3)和内框架柱(4)，两个内框架梁(3)和两个内框架柱(4)围成矩形的内支撑框架。10.根据权利要求9所述的一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，其特征在于，内框架柱(4)和内框架梁(3)为h型截面或箱型截面。

技术总结
一种高延性双层异向耗能墙自防屈曲支撑结构，包括外支撑框架、内支撑框架、支撑件和受拉金属板；内支撑框架设置在外支撑框架内部，外支撑框架和内支撑框架之间通过若干支撑件连接；受拉金属板设置在内支撑框架内侧；受拉金属板上开设有条形缝隙。本发明在中震或大震作用下本发明可相继实现金属板受拉屈服耗能、边框梁柱弯剪屈服耗能、撑杆受拉屈服耗能、主框架梁弯曲屈服耗能。可实现塑性耗能的构件多，范围大，是一种耗能能力优越的抗侧力结构。是一种耗能能力优越的抗侧力结构。是一种耗能能力优越的抗侧力结构。


技术研发人员：田炜烽 占庆 郝际平 余卫铮 张泽玉
受保护的技术使用者：西安建筑科技大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/5