一种组合耗能自复位钢框架结构体系

本发明涉及建筑结构抗震减震，具体涉及一种组合耗能自复位钢框架结构体系。

背景技术：

1、钢框架结构是一种常用的建筑结构体系。地震作用下，钢框架结构通过梁、柱、节点区或附加耗能装置的材料塑性变形耗散地震输入能量。强震下，梁、柱等结构构件可能出现结构损坏，产生残余变形，震后修复难度大，影响震后使用功能的快速恢复。自复位结构通过预应力筋或弹簧等提供自复位能力，从而减小结构在震后的残余变形。针对钢框架结构，可将预应力筋沿梁轴向布置，从而在梁端发生转动时为结构提供自复位能力。

2、开缝钢板是一种高效的剪切型金属阻尼器。通过在钢板中开竖缝，在相邻开缝之间形成缝间钢板柱，侧向变形下钢板柱通过弯剪变形耗能。开缝钢板的刚度、强度和耗能能力主要由开缝参数（开缝数量、长度）和钢板尺寸控制；若开缝参数不合理，钢板柱将过早发生面外屈曲变形，影响耗能。为控制开缝钢板的面外变形，可以采用加劲肋、混凝土或钢板等面外变形约束装置。

3、但是，使用面外变形约束装置必然增加构造复杂度、加工和安装难度，同时造成震后检查和更换困难。因此，面外变形约束装置应尽量避免使用或最大程度减少使用。

4、综上，迫切需要一种新型钢框架结构体系，组合使用耗能装置进行耗能、预应力自复位装置提供自复位能力以减小震后残余变形，在不使用面外变形约束装置的条件下实现高效耗能，破坏后快速更换、恢复使用功能。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的上述问题，提供了一种组合耗能自复位钢框架结构体系，以解决现有钢框架结构在强震后残余变形大、耗能装置损坏后修复不便，以及单一耗能装置难以兼顾耗能能力和震后功能快速恢复的问题，实现高效耗能，破坏后快速更换、恢复使用功能。

2、为实现上述目的，本发明提出一种组合耗能自复位钢框架结构体系，包括钢柱、钢梁、组合开缝钢板耗能墙、梁端角钢和预应力自复位装置；所述钢梁架设于相邻两根钢柱之间，所述组合开缝钢板耗能墙安装于钢柱与钢梁围合形成的框架内部；所述梁端角钢成对布置在钢梁端部的上翼缘、下翼缘与钢柱翼缘之间；所述预应力自复位装置沿钢梁轴向布置，且成对设置于钢梁腹板的两侧，两端分别通过端部紧固件锚固于相邻两根钢柱的翼缘处。

3、优选的，所述组合开缝钢板耗能墙包括沿厚度方向叠合设置的内侧开缝钢板和外侧开缝钢板，各层开缝钢板均开设有多道竖向开缝，相邻两道竖向开缝之间形成缝间钢板柱；组合开缝钢板耗能墙的整体强度与刚度由各单片开缝钢板的强度、刚度对应叠加得到，单片开缝钢板的强度和刚度计算公式为：

4、；

5、；

6、式中，为墙高，为墙宽，是缝间钢板柱个数，为缝间钢板柱宽度，为开缝长度，为钢板厚度，为钢材弹性模量，为钢材剪切模量，为钢材屈服强度，为缝间钢板柱端部柔度修正系数，。

7、优选的，内侧开缝钢板的缝间钢板柱宽厚比，不小于外侧开缝钢板的缝间钢板柱宽厚比。

8、优选的，内侧开缝钢板与外侧开缝钢板的缝间钢板柱宽度比为1～1.5，缝间钢板柱的长度比为0.5～1，缝间钢板柱宽度比和缝间钢板柱的长度比计算公式为：

9、；

10、；

11、式中，为内侧开缝钢板的缝间钢板柱宽度，为外侧开缝钢板的缝间钢板柱宽度，为内侧开缝钢板的缝间钢板柱长度，为外侧开缝钢板的缝间钢板柱长度。

12、优选的，所述组合开缝钢板耗能墙采用三层及以上开缝钢板沿厚度方向叠合而成，位于外侧的各层开缝钢板采用相同的开缝参数。

13、优选的，所述梁端角钢沿钢梁翼缘上下对称布置，角钢的宽度与钢梁翼缘宽度相匹配，角钢的厚度通过梁端组合截面弯矩等效原则确定。

14、优选的，所述预应力自复位装置包括预应力筋和端部紧固件；所述预应力筋的两端通过所述端部紧固件锚固于钢柱的翼缘处。

15、优选的，所述预应力筋为预应力钢绞线或预应力索，沿钢梁全长布置，或在梁端设置加劲肋后在梁端局部布置。

16、优选的，所述组合开缝钢板耗能墙与梁端角钢均为独立可拆卸构件，损坏后可单独拆卸更换。

17、因此，本发明提出了一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其有益效果如下：

18、（1）本发明将组合开缝钢板耗能墙、梁端角钢和预应力自复位装置组合应用于钢框架结构，使结构同时具备耗能能力和自复位能力，耗能装置以钢板、角钢为原材料，通过激光切割高效加工，成本优势好。

19、（2）本发明的组合开缝钢板耗能墙由内侧开缝钢板和外侧开缝钢板沿厚度方向叠合形成，通过控制开缝数量、开缝长度和钢板尺寸设计墙体刚度、强度和耗能能力。

20、（3）本发明的组合开缝钢板耗能墙通过设计开缝参数能够形成缝间钢板柱面外屈曲变形自约束，在不使用额外面外变形约束装置的条件下实现高效耗能；通过梁端角钢传递钢梁端部竖向剪力，同时通过梁端转动耗散地震输入能量，通过预应力自复位装置提供复位力，有助于减小残余变形；耗能装置损坏后，能够快速更换。

21、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

1.一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其特征在于，包括钢柱、钢梁、组合开缝钢板耗能墙、梁端角钢和预应力自复位装置；所述钢梁架设于相邻两根钢柱之间，所述组合开缝钢板耗能墙安装于钢柱与钢梁围合形成的框架内部；所述梁端角钢成对布置在钢梁端部的上翼缘、下翼缘与钢柱翼缘之间；所述预应力自复位装置沿钢梁轴向布置，且成对设置于钢梁腹板的两侧，两端分别通过端部紧固件锚固于钢柱翼缘。

2.根据权利要求1所述的一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其特征在于，所述组合开缝钢板耗能墙包括沿厚度方向叠合设置的内侧开缝钢板和外侧开缝钢板，各层开缝钢板均开设有多道竖向开缝，相邻两道竖向开缝之间形成缝间钢板柱；组合开缝钢板耗能墙的整体强度与刚度由各单片开缝钢板的强度、刚度对应叠加得到，单片开缝钢板的强度和刚度计算公式为：

3.根据权利要求2所述的一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其特征在于，内侧开缝钢板的缝间钢板柱宽厚比，不小于外侧开缝钢板的缝间钢板柱宽厚比。

4.根据权利要求3所述的一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其特征在于，内侧开缝钢板与外侧开缝钢板的缝间钢板柱宽度比为1～1.5，缝间钢板柱的长度比为0.5～1，缝间钢板柱宽度比和缝间钢板柱的长度比计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其特征在于，所述组合开缝钢板耗能墙采用三层及以上开缝钢板沿厚度方向叠合而成，位于外侧的各层开缝钢板采用相同的开缝参数。

6.根据权利要求1所述的一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其特征在于，所述梁端角钢沿钢梁翼缘上下对称布置，角钢的宽度与钢梁翼缘宽度相匹配，角钢的厚度通过梁端组合截面弯矩等效原则确定。

7.根据权利要求1所述的一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其特征在于，所述预应力自复位装置包括预应力筋和端部紧固件；所述预应力筋通过所述端部紧固件锚固于钢柱的翼缘处。

8.根据权利要求7所述的一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其特征在于，所述预应力筋为预应力钢绞线或预应力索，沿钢梁全长布置，或在梁端设置加劲肋后在梁端局部布置。

9.根据权利要求1所述的一种组合耗能自复位钢框架结构体系，其特征在于，所述组合开缝钢板耗能墙与梁端角钢均为独立可拆卸构件，损坏后可单独拆卸更换。