專利名稱：延性耗能抗震鋼框架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具體為一種延性耗能抗震鋼框架。
背景技術(shù)：
鋼材是綠色建筑材料。廣義講，鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度自重比高，延性好，抗震性能卓越。目前，我國(guó)鋼產(chǎn)量已居全世界之首，供大于需矛盾日趨嚴(yán)重，推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑成為建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。然而，鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)卻比混凝土結(jié)構(gòu)要貴，這已成為制約鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的主要矛盾之一。因此，降低鋼結(jié)構(gòu)建筑的耗鋼量(即降低造價(jià))，是加速發(fā)展建筑鋼結(jié)構(gòu)的一條關(guān)鍵途徑。框架是鋼結(jié)構(gòu)最基本的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)今國(guó)際流行建筑設(shè)計(jì)規(guī)范幾乎都要求抗震鋼框架滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011)也規(guī)定抗震鋼框架應(yīng)·滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求，即期望當(dāng)遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，框架的極限狀態(tài)呈梁鉸機(jī)構(gòu)(塑性鉸主要分布于框架梁端)，通過(guò)梁端塑性耗能區(qū)耗散地震能量，保證結(jié)構(gòu)不坍塌?？蚣苎有院哪苁菍?shí)現(xiàn)抗震目標(biāo)(小震不壞，中震可修，大震不倒)的一條主要途徑。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)基本原理，梁端塑性耗能區(qū)對(duì)其截面的板件(翼緣、腹板)寬厚比有嚴(yán)格的限制(否則，將由于局部屈曲而不能達(dá)到塑性耗能的要求)。例如，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011)》對(duì)多層和高層鋼結(jié)構(gòu)房屋要求(以H形截面為例)一級(jí)框架，梁翼緣和腹板的
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寬厚比限值分別為9 廠和60 j-Γ- Cfy為鋼材屈服強(qiáng)度)；二級(jí)框架，9 和65
(235— )235 235 [235—
;三級(jí)框架，10丨τ和70 ;四級(jí)框架，11 j了和75 ο上述一、二、三級(jí)框架的
I hII 1 >I i ^
梁截面板件寬厚比限值基本屬于塑性設(shè)計(jì)截面(塑性鉸有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)能力)的要求；四級(jí)框架的，相當(dāng)于塑性強(qiáng)度截面(可達(dá)全截面塑性，但由于板件局部屈曲塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力有限)。然而，大量的工程實(shí)踐表明，鋼框架的截面板件寬厚比是影響單位面積耗鋼量的關(guān)鍵指標(biāo)，尤其是框架梁腹板寬厚比。板件寬厚比小，雖然延性耗能性能好，但耗鋼量也高。如果能在保證框架抗震性能的條件下放松板件寬厚比要求，則可降低耗鋼量。鋼結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計(jì)截面(包含部分塑化截面和邊緣纖維屈服截面。部分塑化截面一在邊緣纖維屈服后可發(fā)展一定的塑性；邊緣纖維屈服截面一邊緣纖維可達(dá)屈服強(qiáng)度，但由于板件局部屈曲而不能發(fā)展塑性)的板件寬厚比限值，比塑性設(shè)計(jì)截面/塑性強(qiáng)度
截面的要大。例如H形截面框架梁，彈性設(shè)計(jì)截面的翼緣寬厚比限值為15彳-3 (可部分塑
hi .hi
化時(shí)，13 Jfz );腹板的寬厚比限值可取130 γ-(即按腹板正則化寬厚比λ b = O. 85，梁
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受壓翼緣扭轉(zhuǎn)不受約束時(shí)的條件取值。當(dāng)不需設(shè)置橫向加勁肋時(shí)，80 f=)。通常情況下，
I ly截面板件寬厚比大，截面回轉(zhuǎn)半徑也大，構(gòu)件整體穩(wěn)定性提高，但由于局部屈曲而使抗震耗能性能變差。鋼框架設(shè)計(jì)時(shí)，即使框架梁采用彈性設(shè)計(jì)截面已足以承受作用的靜力荷載，但為保證抗震性能而需滿足鋼梁截面板件寬厚比的要求(采用塑性設(shè)計(jì)截面、或塑性屈服截面)。目前常規(guī)的做法，是直接采用較厚的翼緣、腹板，直至達(dá)到規(guī)定的塑性設(shè)計(jì)截面或塑性強(qiáng)度截面的寬厚比要求。顯然，這會(huì)導(dǎo)致鋼框架單位面積耗鋼量較大上升。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種鋼材消耗量低、抗震性能高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易施工的建筑物框架體系，本發(fā)明公開(kāi)了一種延性耗能抗震鋼框架。本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案達(dá)到發(fā)明目的 一種延性耗能抗震鋼框架，包括框架柱和框架梁，框架柱的截面為H形或箱形，框架柱垂直固定在地面上；框架梁的截面為H形，框架梁水平架設(shè)，框架梁的兩端為塑性耗能區(qū)，在塑性耗能區(qū)之間的為彈性區(qū)段，塑性耗能區(qū)和彈性區(qū)段都由翼緣和腹板兩部分組成，框架梁兩端的塑性耗能區(qū)分別固定在兩根相鄰的框架柱上，框架梁塑性耗能區(qū)的長(zhǎng)度L可在
I.5倍 2倍的梁高之間取值，并且不小于框架梁凈跨度的1/10，fy是框架梁所用材料的屈服強(qiáng)度在以MPa為單位時(shí)的數(shù)值部分，其特征是
框架梁彈性區(qū)段的寬厚比的上限值為用于多高層建筑鋼框架時(shí)，翼緣取13 腹
I
板取80 Iy1 ;用于工業(yè)鋼框架時(shí)，翼緣取15 fy1,腹板取130丨+f 二。
I' hI hI框架梁塑性耗能區(qū)翼緣的厚度和彈性區(qū)段翼緣的厚度相等，翼緣的寬度經(jīng)切割削減，使得翼緣寬厚比的上限值為 n根據(jù)框架的抗震等級(jí)最終確定；腹板
II !
的寬度及厚度分別和彈性區(qū)段腹板的寬度及厚度相等，腹板設(shè)置I道或2道縱向加勁肋，并在塑性耗能區(qū)的邊緣處設(shè)置橫向加勁肋。本方案中，整根框架梁的翼緣和腹板可分別采用等厚鋼板，僅在框架梁梁端塑性耗能區(qū)的腹板設(shè)置加勁肋，在塑性耗能區(qū)翼緣局部切割到寬厚比滿足擬建造的框架抗震等級(jí)的要求，構(gòu)件加工制作很方便。此外，梁端切割削弱翼緣的構(gòu)造，使塑性耗能區(qū)從柱邊外移，降低大地震下梁柱連接處斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。所述的延性耗能抗震鋼框架，其特征是框架梁彈性區(qū)段的寬厚比的上限值為
(235 1.23 5
翼緣取9 —-++' 11 J—-++'，根據(jù)框架的抗震等級(jí)最終確定；用于多高層建筑鋼框架時(shí)，腹板
11 11
)2351235
取80 ^ +++··-···+++··,用于工業(yè)鋼框架時(shí),腹板取130、丨++++·- ?？蚣芰旱乃苄院哪軈^(qū)翼緣的寬度及厚度分別和彈性區(qū)段翼緣的寬度及厚度相等；腹板的寬度及厚度分別和彈性區(qū)段腹板的寬度及厚度相等，腹板設(shè)置I道或2道縱向加勁肋，并在塑性耗能區(qū)的邊緣處設(shè)置橫向加勁肋。
所述的延性耗能抗震鋼框架，其特征是縱向加勁肋和橫向加勁肋都設(shè)于框架梁的單側(cè)或都設(shè)于框架梁的兩側(cè)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案原理對(duì)采用彈性設(shè)計(jì)截面的框架梁，在其梁端塑性耗能區(qū)的腹板設(shè)置縱向加勁肋，以阻止腹板在經(jīng)歷塑性循環(huán)或全截面進(jìn)入塑性前發(fā)生屈曲；通過(guò)削減翼緣寬度使框架梁翼緣達(dá)到塑性設(shè)計(jì)截面等較高的寬厚比要求。通過(guò)實(shí)施上述兩條措施，可使框架梁達(dá)到潛在塑性鉸所要求的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)抗震鋼結(jié)構(gòu)需要的延性耗能目標(biāo)，保證鋼框架的抗震性能。而在鋼框架的非塑性耗能區(qū)即彈性區(qū)段，由于處于彈性工作狀態(tài)，只需采用普通的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截面如彈性設(shè)計(jì)截面即可。鋼框架的抗震性能好壞和耗能能力大小，除了要保證連接節(jié)點(diǎn)等要求外，主要取決于其塑性耗能區(qū)的截面性能。在遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，水平地震作用導(dǎo)致框架梁的梁端承受的彎矩大幅增大，而在塑性耗能區(qū)外的彈性區(qū)段，由于水平地震作用下彎矩波動(dòng)很小，通常仍然處于彈性工作狀態(tài)。因此，只要塑性耗能區(qū)截面的延性性能達(dá)到塑性設(shè)計(jì)截面或塑性強(qiáng)度截面的要求，框架梁彈性段的板件寬厚比滿足鋼結(jié)構(gòu)靜力彈性設(shè)計(jì)的要求，框架結(jié)構(gòu) 整體延性耗能性能就可達(dá)到與整根梁均采用塑性設(shè)計(jì)截面或塑性強(qiáng)度截面的框架一樣。在框架梁的塑性耗能區(qū)腹板設(shè)置縱向和橫向加勁肋，可減小塑性耗能區(qū)腹板的寬厚比，限制腹板的局部屈曲，保證塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在彈性設(shè)計(jì)截面
寬厚比限值(130 j—)條件下的框架梁梁端塑性耗能區(qū)的腹板，縱向設(shè)置一道加勁肋就已
I ,
達(dá)到不低于框架抗震二級(jí)(塑性設(shè)計(jì)截面)的延性性能，在80 j—條件下的腹板，塑性耗能

區(qū)縱向設(shè)置一道加勁肋就超過(guò)了框架抗震二級(jí)的要求。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)采用較薄的腹板厚度(即較大的寬厚比)在塑性耗能區(qū)仍具有足夠的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)鋼框架的抗震性能不低于全梁采用塑性設(shè)計(jì)截面/塑性強(qiáng)度截面時(shí)的性能。同時(shí)，在保證框架性能的前提下，大幅度降低了結(jié)構(gòu)的耗鋼量，可取得很好經(jīng)濟(jì)效益。降低耗鋼量與設(shè)防烈度和框架抗震等級(jí)有關(guān)，經(jīng)初步估算，按IOm
I
柱距的一般鋼框架估算，當(dāng)框架梁按130 -控制腹板寬厚比時(shí)，降低框架耗鋼量約10%
I
左右；當(dāng)框架梁按SO1I-控制腹板寬厚比時(shí)，降低框架耗鋼量約4%左右。
I f-在框架梁腹板采用彈性設(shè)計(jì)截面寬厚比要求的基礎(chǔ)上，僅在梁端塑性耗能區(qū)增設(shè)縱向和橫向加勁肋，即達(dá)到保證潛在塑性耗能區(qū)的延性性能，進(jìn)而達(dá)到保證整個(gè)鋼框架的抗震性能的目的，充分結(jié)合水平地震作用下框架的受力特征，避免了整根梁采用塑性設(shè)計(jì)截面/塑性強(qiáng)度截面，可較大降低抗震設(shè)計(jì)時(shí)鋼框架的耗鋼量，可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。方案一和方案二均適用于抗震鋼框架。而方案一的優(yōu)勢(shì)在于從構(gòu)造上保證梁端塑性耗能區(qū)外移，可降低梁柱連接在遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。


圖I是采用塑性耗能區(qū)梁翼緣寬度小于彈性區(qū)段梁翼緣寬度的框架梁時(shí)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不意 圖2是圖I中A區(qū)域的局部放大 圖3是圖I中B區(qū)域的局部放大 圖4是圖2中的A-A向視 圖5是圖3中的B-B向視 圖6是采用塑性耗能區(qū)梁翼緣寬度等于彈性區(qū)段梁翼緣寬度的框架梁時(shí)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖7是圖6中A區(qū)域的局部放大圖；· 圖8是圖6中B區(qū)域的局部放大 圖9是圖7中的A-A向視 圖10是圖8中的B-B向視圖。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例I
一種延性耗能抗震鋼框架，包括框架柱I和框架梁2，如圖I 圖5所示，具體結(jié)構(gòu)是框架柱I的截面為H形，框架柱I垂直固定在地面上；框架梁2的截面為H形，框架梁2水平架設(shè)，框架梁2的兩端為塑性耗能區(qū)21，在塑性耗能區(qū)21之間的為彈性區(qū)段22，框架梁2兩端的塑性耗能區(qū)21分別固定在兩根相鄰的框架柱I上，當(dāng)框架柱I和框架梁2的固定點(diǎn)為中間節(jié)點(diǎn)時(shí)如圖2和圖4所示，當(dāng)框架柱I和框架梁2的固定點(diǎn)為邊節(jié)點(diǎn)時(shí)如圖3和圖5所示，框架梁2塑性耗能區(qū)21的長(zhǎng)度L可在I. 5倍 2倍梁高之間取值，并不小于框架梁凈跨度的1/10，fy是框架梁2所用材料的屈服強(qiáng)度在以MPa為單位時(shí)的數(shù)值部分?？蚣芰?彈性區(qū)段22的寬厚比的上限值為用于多高層建筑鋼框架時(shí)，翼緣取
.丨2351235.丨2351235
13 腹板取80 ;用于工業(yè)鋼框架時(shí),翼緣取腹板取130
I ··I >I >I '框架梁2塑性耗能區(qū)21翼緣的厚度和彈性區(qū)段22翼緣的厚度相等，翼緣的寬度經(jīng)切割削減使得翼緣寬厚比的上限值為9 如圖4和圖5所示。腹板的寬度及厚度分
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別和彈性區(qū)段22腹板的寬度及厚度相等，腹板設(shè)置I道或2道縱向加勁肋31，并在塑性耗能區(qū)21的邊緣處設(shè)置橫向加勁肋32，如圖2和圖3所示?？v向加勁肋31和橫向加勁肋32可以都設(shè)于框架梁2的單側(cè)，也可以都設(shè)于框架梁2的兩側(cè)。本方案中，整根框架梁的翼緣和腹板可分別采用等厚鋼板，僅在框架梁梁端塑性耗能區(qū)的腹板設(shè)置加勁肋，在塑性耗能區(qū)翼緣局部切割到寬厚比滿足擬建造的框架抗震等級(jí)的要求。實(shí)施例2
一種延性耗能抗震鋼框架，包括框架柱I和框架梁2，如圖6 圖10所示，具體結(jié)構(gòu)是框架柱I的截面為H形，框架柱I垂直固定在地面上；框架梁2的截面為H形，框架梁2水平架設(shè)，框架梁2的兩端為塑性耗能區(qū)21，在塑性耗能區(qū)21之間的為彈性區(qū)段22，框架梁2兩端的塑性耗能區(qū)21分別固定在兩根相鄰的框架柱I上，當(dāng)框架柱I和框架梁2的固定點(diǎn)為中間節(jié)點(diǎn)時(shí)如圖7和圖9所示，當(dāng)框架柱I和框架梁2的固定點(diǎn)為邊節(jié)點(diǎn)時(shí)如圖8和圖10所示，框架梁2塑性耗能區(qū)21的長(zhǎng)度L可在I. 5倍 2倍梁高之間取值，并不小于框架梁凈跨度的1/10，fy是框架梁2所用材料的屈服強(qiáng)度在以MPa為單位時(shí)的數(shù)值部分?？蚣芰?彈性區(qū)段22的寬厚比的上限值為用于多高層建筑鋼框架時(shí)，根據(jù)框架
1235J211hi
的抗震等級(jí)確定，翼緣取9,腹板取80 ;用于工業(yè)鋼框架時(shí),翼緣取9 ,腹板
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,1235取130《了.。
框架梁2的塑性耗能區(qū)21翼緣的寬度及厚度分別和彈性區(qū)段22翼緣的寬度及厚度相等，如圖9和圖10所示。腹板的寬度及厚度分別和彈性區(qū)段22腹板的寬度及厚度相等，腹板設(shè)置I道或2道縱向加勁肋31，并在塑性耗能區(qū)21的邊緣處設(shè)置橫向加勁肋32，如圖7和圖8所示。實(shí)施例3
一種延性耗能抗震鋼框架，包括框架柱I和框架梁2，框架柱I的截面為箱形，框架梁2
塑性耗能區(qū)21翼緣寬厚比的上限值為10 %丨〒。其他結(jié)構(gòu)都和實(shí)施例I同。
I ^實(shí)施例4
一種延性耗能抗震鋼框架，包括框架柱I和框架梁2，框架柱I的截面為H形，框架梁2
!21巧
塑性耗能區(qū)21翼緣寬厚比的上限值為11 If。其他結(jié)構(gòu)都和實(shí)施例I同。實(shí)施例5
一種延性耗能抗震鋼框架，包括框架柱I和框架梁2，框架柱I的截面為箱形，用于多高層建筑鋼框架和工業(yè)鋼框架時(shí)，框架梁2彈性區(qū)段22的寬厚比的上限值都為翼緣取
1235
10彳+1:--。其他結(jié)構(gòu)都和實(shí)施例2同。
I實(shí)施例6
一種延性耗能抗震鋼框架，包括框架柱I和框架梁2，框架柱I的截面為H形，用于多高層建筑鋼框架和工業(yè)鋼框架時(shí)，框架梁2彈性區(qū)段22的寬厚比的上限值都為翼緣取
(235
11J— ο其他結(jié)構(gòu)都和實(shí)施例2同。
II
權(quán)利要求
1.一種延性耗能抗震鋼框架，包括框架柱(I)和框架梁(2)，框架柱(1)的截面為H形或箱形，框架柱⑴垂直固定在地面上；框架梁⑵的截面為H形，框架梁⑵水平架設(shè)，框架梁(2)的兩端為塑性耗能區(qū)(21)，在塑性耗能區(qū)(21)之間的為彈性區(qū)段(22)，塑性耗能區(qū)(21)和彈性區(qū)段(22)都由翼緣和腹板兩部分組成，框架梁(2)兩端的塑性耗能區(qū)(21)分別固定在兩根相鄰的框架柱(1)上，&是框架梁(2)所用材料的屈服強(qiáng)度在以MPa為單位時(shí)的數(shù)值部分，其特征是 框架梁(2 )彈性區(qū)段(22)的寬厚比的上限值為翼緣取
2.如權(quán)利要求I所述的延性耗能抗震鋼框架，其特征是框架梁(2)彈性區(qū)段(22)的寬厚比的上限值為翼緣取9
3.如權(quán)利要求I或2所述的所述的延性耗能抗震鋼框架，其特征是縱向加勁肋(31)和橫向加勁肋(32)都設(shè)于框架梁(2)的單側(cè)或都設(shè)于框架梁(2)的兩側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具體為一種延性耗能抗震鋼框架。一種延性耗能抗震鋼框架，包括框架柱(1)和框架梁(2)，其特征是框架梁(2)彈性區(qū)段(22)的寬厚比的上限值為腹板取80或130；框架梁(2)塑性耗能區(qū)(21)腹板的寬度及厚度分別和彈性區(qū)段(22)腹板的寬度及厚度相等，設(shè)置1道或2道縱向加勁肋(31)，并在塑性耗能區(qū)(21)的邊緣處設(shè)置橫向加勁肋(32)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，節(jié)省鋼材消耗。
文檔編號(hào)E04B1/24GK102877546SQ201210423878
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者陳炯, 路志浩 申請(qǐng)人:寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司