CN108412072A - 变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构，属于钢框架支撑结构技术领域。该耗能梁包括：上翼缘，下翼缘，腹板，以及横向加劲肋；腹板与横向加劲肋垂直设置；且腹板以及横向加劲肋同时连接上翼缘的底面和下翼缘的顶面。其中，腹板包括沿耗能梁长度方向顺次连接的：第一区，第二区，以及第三区，第二区的高度小于非耗能梁腹板的高度；上翼缘和下翼缘与腹板的结构相适配；上翼缘的宽度小于非耗能梁的上翼缘的宽度，下翼缘的宽度小于非耗能梁的下翼缘的宽度。通过在腹板上设置高度较低的第二区，使得耗能梁两端发生弯曲塑性变形后，腹板中部可继续发生剪切塑性变形，改善耗能效果，提高抗震性能。

Description

变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构

技术领域

本发明涉及钢框架支撑结构技术领域，特别涉及一种变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构。

背景技术

在高烈度地震区，可在钢结构建筑中设置弯曲型偏心支撑结构，以增强建筑的抗震性能。在地震时，弯曲型偏心支撑结构受弯出现局部塑性形变，耗散地震能量，避免建筑坍塌。常见的弯曲型偏心支撑结构包括：耗能梁、非耗能梁、支撑梁、以及框架柱。其中，非耗能梁与耗能梁平行设置，二者端部相连；支撑梁连接非耗能梁的底面；框架柱连接非耗能梁未连接耗能梁的端部。遭遇地震时，非耗能梁、支撑梁以及框架柱处于弹性状态，耗能梁受到地震力作用处于塑性状态并产生塑性形变，耗散地震能量。不难看出，弯曲型偏心支撑耗能梁是弯曲型偏心支撑结构中的重要组成部分。

相关技术中提供了一种弯曲偏心支撑耗能梁。如图1所示，该耗能梁包括：上翼缘11、下翼缘12、腹板13、横向加劲肋141。其中，上翼缘11、下翼缘12是等宽的矩形钢板，二者平行设置；腹板13以及横向加劲肋141同时连接上翼缘11的底面以及下翼缘12的顶面。且腹板13的长度方向平行于上翼缘11的长度方向，横向加劲肋141以垂直于腹板13长度方向的方式固定在腹板13上。并且相关技术中，腹板13与非耗能梁的腹板相连并等高；耗能梁的上翼缘11与非耗能梁的上翼缘等宽，下翼缘12与非耗能梁的下翼缘等宽。该偏心支撑结构在遭遇地震时，主要通过上翼缘11和下翼缘12受弯出现塑性形变以耗散地震能量。

在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：

在水平地震作用下，相关技术中的弯曲型支撑耗能梁的两个端部弯矩较大，耗能梁的中间部分弯矩较小，因此耗能梁的两端会发生弯曲塑性变形，中部不会发生弯曲塑性变形。如此，耗能梁的塑性变形作用发挥不充分，其耗散地震能量的能力得不到充分利用，耗能效果差，抗震性能不高。

发明内容

本发明实施例提供了一种变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁、偏心支撑结构，为了解决相关技术中的上述问题。该技术方案具体如下：

第一方面，提供一种变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，包括：上翼缘，下翼缘，腹板，以及横向加劲肋；所述腹板与所述横向加劲肋垂直设置；所述腹板以及所述横向加劲肋同时连接所述上翼缘的底面和所述下翼缘的顶面；其中，

所述腹板包括沿所述耗能梁长度方向顺次连接的：第一区，第二区，以及第三区，

所述第二区的高度小于非耗能梁腹板的高度；

所述上翼缘和所述下翼缘与所述腹板的结构相适配；

所述上翼缘的宽度小于非耗能梁的上翼缘的宽度，所述下翼缘的宽度小于所述非耗能梁的下翼缘的宽度。

可选地，所述第一区远离所述第二区的端部，以及所述第三区远离所述第二区的端部均连接非耗能梁的腹板，

所述第一区和所述第三区的高度随着远离所述第二区而逐渐增大；

所述第二区为等高区。

可选地，所述第一区的最大高度以及所述第三区的最大高度与所述非耗能梁的腹板的高度相同；

所述第一区的最小高度以及所述第三区的最小高度与所述第二区的高度相同。

可选地，所述第一区、所述第二区、所述第三区的顶面共面，且平行于所述上翼缘的底面；

所述第一区和所述第三区的底面为倾斜面，所述第二区的底面为平行于所述下翼缘顶面的平面。

可选地，所述下翼缘包括沿所述耗能梁长度方向顺次连接的：第一段、第二段以及第三段；

所述第一段的顶面连接所述第一区的底面；

所述第二段的顶面连接所述第二区的底面；

所述第三段的顶面连接所述第三区的底面。

可选地，所述耗能梁还包括固定在所述腹板上的斜向加劲肋：

所述斜向加劲肋同时连接所述上翼缘的底面和所述下翼缘的顶面；

所述斜向加劲肋设置在所述第一区和所述第三区连接所述第二区的端部。

可选地，在所述耗能梁宽度方向上，所述横向加劲肋和所述斜向加劲肋的外边缘，与所述上翼缘和所述下翼缘的外边缘平齐。

可选地，在所述横向加劲肋、以及所述斜向加劲肋与所述腹板的连接处设置有倒角。

第二方面，提供了一种偏心支撑结构，包括：耗能梁，非耗能梁，支撑梁，以及，框架柱；

所述非耗能梁与所述耗能梁平行设置且端部相接，

所述支撑梁与所述非耗能梁的底面连接，

所述框架柱与所述非耗能梁未连接所述耗能梁的端部连接；

其中，所述耗能梁为第一方面所述的变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，所述非耗能梁、所述支撑梁以及所述框架柱的设计内力与所述耗能梁的全塑性受弯承载力或全塑性受剪承载力相匹配。

可选地，所述非耗能梁还包括设置在所述非耗能梁用于连接所述耗能梁的两端上的辅助加劲肋。

所述辅助加劲肋同时连接所述非耗能梁的上翼缘的底面，以及所述非耗能梁的下翼缘的顶面。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在腹板上设置高度较低的第二区，使得耗能梁两端发生弯曲塑性变形后，腹板中部可继续发生剪切塑性变形。因此，该耗能梁既可通过弯曲塑性变形耗散地震能量，也可通过剪切塑性变形耗散地震能量，充分发挥耗能梁的塑性变形作用，改善其耗能效果，提高抗震性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是相关技术中所提供的弯曲型偏心支撑结构的轴测图；

图2是本发明实施例提供的变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁的主视图；

图3是本发明实施例提供的变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁沿长度方向的剖视图；

图4是本发明实施例提供的变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁第一区处沿高度方向的剖视图；

图5是本发明实施例提供的变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁第二区处沿高度方向的剖视图。

附图中各个标记分别为：

1、耗能梁；

11、上翼缘；

12、下翼缘，

121、第一段；

122、第二段；

123、第三段；

13、腹板，

131、第一区，

132、第二区，

133、第三区；

141、横向加劲肋；

142、斜向加劲肋；

2、非耗能梁；

21、辅助加劲肋；

3、支撑梁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一方面，本发明实施例提供了一种变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，如图2所示，并结合图4、图5，该偏心支撑耗能梁包括：上翼缘11，下翼缘12，腹板13，以及，横向加劲肋141。其中，腹板13与横向加劲肋141垂直设置；且，腹板13以及横向加劲肋141同时连接上翼缘11的底面和下翼缘12的顶面。其中，腹板13包括沿耗能梁长度方向顺次连接的：第一区131，第二区132，以及第三区133；第二区132的高度小于非耗能梁腹板的高度。上翼缘11和下翼缘12与腹板13的结构相适配；且上翼缘11的宽度小于非耗能梁的上翼缘的宽度，下翼缘12的宽度小于非耗能梁的下翼缘的宽度。

结合以下公式对本发明实施例所提供的弯曲剪切型偏心支撑耗能梁的工作原理进行阐述：

首先，弯曲型偏心支撑耗能梁在地震时可通过上翼缘11和下翼缘12受弯塑性变形以耗散地震能量。且由于耗能梁的长度较长，其所承受的剪切力相对较弱，因此相关技术中所提供的弯曲型耗能梁在遭遇地震时腹板13不会因承受剪切作用力出现塑性变形。换言之，相关技术所提供的弯曲型偏心支撑耗能梁通过弯曲塑性变形，而非剪切塑性变形，来耗散地震能量。

但是，在本发明实施例所提供的弯曲剪切型偏心支撑耗能梁中，腹板13包括沿耗能梁长度方向设置的第一区131、第二区132、以及第三区133(可以理解的是，第二区132位于腹板13的中部)。且第二区132的高度低于非耗能梁腹板的高度，因此通过第二区132对腹板13的中部进行了削弱。如此，在遭遇地震时第二区132可受剪切力作用会出现剪切塑性变形，即腹板13的第二区132发生剪切塑性变形，形成剪切塑性变形区，提高耗能梁消耗地震能量的能力。

如此，从整体来说，本发明实施例所提供的弯曲剪切型偏心支撑耗能梁遭遇地震时，耗能梁的两端因承受的弯曲力矩大，出现弯曲塑性变形；耗能梁的中部，由于腹板13包括了与非耗能梁腹板高度相比较低的第二区132，因此在耗能梁两端发生弯曲塑性变形后，腹板13的中部可继续发生剪切塑性变形。因此，该耗能梁既可通过弯曲塑性变形耗散地震能量，也可通过剪切塑性变形耗散地震能量，充分发挥耗能梁的塑性变形作用，改善其耗能效果，提高抗震性能。

需要说明的是，由于腹板13的高度存在变化，因此在本发明实施例中，上翼缘11和下翼缘12始终与腹板13的结构相适配，保证上翼缘11的底面连接腹板13的顶面，下翼缘12的顶面连接腹板13的底面。

其次，相关技术中所提供的耗能梁还存在用钢量难以降低，工程造价高的缺陷。在本发明实施例中，耗能梁的上翼缘11和下翼缘12窄于非耗能梁的上翼缘和下翼缘，可降低非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力，进而降低整体偏心支撑结构的用钢量。具体分析如下：

在弯曲型偏心支撑结构中，非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力满足以下条件：

F＝Ω(M_SN/M)F₁ (1)

式中，F—非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力；

F₁—非耗能梁或支撑梁或框架柱多遇地震组合时的荷载效应内力；

M_SN—耗能梁的全塑性受弯承载力；

M—耗能梁多遇地震组合时的荷载效应弯矩；

Ω—常数放大系数。

根据公式(1)不难看出，非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力F与耗能梁的全塑性受弯承载力正相关。其中，非耗能梁或支撑梁或框架柱多遇地震组合时的荷载效应内力F₁，以及耗能梁多遇地震组合时的荷载效应弯矩M，通过软件模拟计算获取；耗能梁的全塑性受弯承载力M_SN通过以下公式获取：

M_SN＝(f_y-δ_a)W_pb (2)

式中，W_pb—耗能梁的塑性截面模量；

f_y—耗能梁钢材屈服强度；

δ_a—轴向力引起的梁段翼缘的平均正应力。

其中，耗能梁的塑性截面模量W_pb通过以下公式计算：

W_pb＝b_f×t_f×h+t×h²/4 (3)

式中，b_f—耗能梁翼缘受弯宽度；

t_f—耗能梁翼缘的厚度；

t—耗能梁腹板的厚度；

h—耗能梁腹板的高度。

在相关技术中，耗能梁的翼缘的宽度与非耗能梁的翼缘的宽度相同，而在本发明实施例中，耗能梁的翼缘(11、12)的宽度小于非耗能梁的翼缘的宽度。因此，结合公式(1)、(2)、(3)，不难理解的是，在非耗能梁宽度不变的前提下，与相关技术中耗能梁相比，本发明实施例所提供的耗能梁具有更小的塑性截面模量，进而具有更小的全塑性受弯承载力，如此降低了非耗能梁、支撑梁或框架柱的设计内力。

同时，非耗能梁或支撑梁或框架柱的设计内力与各自的用钢量正相关。以用钢量对整体偏心支撑结构用钢量贡献最大的框架柱为例，当框架柱设计内力增大时，需增加框架柱截面尺寸，如此会增大框架柱用钢量；当框架柱设计内力减小时，可减小框架柱截面尺寸，如此减小了框架柱用钢量。

基于此，在本发明实施例中，通过缩小上翼缘11和下翼缘12的宽度，降低了非耗能梁、支撑梁以及框架柱的设计内力，进而降低了非耗能梁、支撑梁以及框架柱的用钢量。且由于框架柱的用钢量对整体偏心支撑结构的用钢量贡献最大，因此即便在非耗能梁中新增了辅助翼缘等构件，采用该耗能梁的偏心支撑结构的总体用钢量还是可以降低。如此，解决了相关技术中难以降低工程造价的缺陷。

此外，还需说明的是，腹板13包括高度较低的第二区132，可降低腹板13可承载剪切力的有效高度，因此也可降低非耗能梁、支撑梁以及框架柱的设计内力，进而对降低整体偏心支撑结构的用钢量做出贡献。换言之，腹板13包括高度低于非耗能梁腹板13的第二区132有利于降低工程造价。

同时，由于可进一步降低偏心支撑结构的用钢量，尤其是框架柱的用钢量，因此能够减小框架柱的最小截面面积。减小框架柱的最小截面面积，一方面，有利于框架柱安装、缩短安装周期；另一方面，也使得相邻框架柱之间的间距可进一步增大，增加建筑内部空间，利于建筑内部工艺管道的布置。

进一步地，关于腹板13的结构，第一区131远离第二区132的端部，以及第三区133远离第二区132的端部均连接非耗能梁的腹板。并且，第一区131的高度随着远离第二区132而逐渐增大；第二区132为等高区；第三区133的高度随着远离第二区132而逐渐增大。换言之，沿耗能梁长度方向，腹板13的高度先逐渐减小，后保持不变，再逐渐增大。如此，通过高度逐渐改变的方式可以避免在地震中出现应力集中。具体地，第一区131的最大高度以及第三区133的最大高度与非耗能梁的腹板的高度相同；第一区131的最小高度以及第三区133的最小高度与第二区132的高度相同。

此时，通过减小翼缘(11、12)的宽度，以及第一区131和第三区133的高度，使得腹板13中第一区131和第三区133形成了弯曲塑性变形区。并且在弯曲塑性变形区的全长范围内，在满足规范要求的前提下，弯曲塑性变形区任意截面处梁段的弯矩内力接近耗能梁全塑性受弯承载力。具体分析如下：

弯曲塑性变形区任意截面处梁段的弯矩内力通过如下公式计算：

M＝(1-2L₁/L)×M₁+N×(h’-h₁)/2 (4)

式中，

M—弯曲塑性变形区任意截面处梁段的弯矩内力。

M₁—耗能梁段两端多遇地震组合时的荷载效应弯矩。

N—耗能梁段两端多遇地震组合时的荷载效应轴力。

L₁—弯曲塑性变形区任意截面处，至耗能梁端部的距离。

h’—非耗能梁段高度

h₁—弯曲塑性变形区任意截面处高度，为变高度。

其中，对于L₁需要说明的是，该距离是弯曲塑性变形区任意截面处，到与该截面所在区域(第一区131或者第三区133)相连的非耗能梁的端部的距离。

在本发明实施例中降低了耗能梁全塑性受弯承载力(结合上述分析可知)，因此可以做到，在满足规范要求的前提下，使弯曲塑性变形区任意截面处梁段的弯矩内力接近于耗能梁全塑性受弯承载力。进而结合公式(1)，通过变高的第一区131和第三区133可以降低非耗能梁、支撑梁以及框架柱的设计内力，进而降低非耗能梁、支撑梁以及框架柱的用钢量，进一步降低工程造价。

关于腹板13的结构，具体如图2所示，第一区131、第二区132、第三区133的顶面共面，且平行于上翼缘11的底面。第一区131和第三区133的底面为倾斜面，第二区132的底面为平行于下翼缘12顶面的平面。

基于此，下翼缘12包括沿耗能梁长度方向顺次连接的：第一段121、第二段122以及第三段123。其中，第一段121的顶面连接第一区131的底面；第二段122的顶面连接第二区132的底面；第三段123的顶面连接第三区133的底面。如此保证了下翼缘12顶面与腹板13底面的连续连接，提升整体结构的稳定性。

进一步地，在本发明实施例中，耗能梁还包括固定在腹板13上的斜向加劲肋142：斜向加劲肋142同时连接上翼缘11的底面和下翼缘12的顶面；斜向加劲肋142设置在第一区131和第三区133连接第二区132的端部。特别地，斜向加劲肋142设置在第一区131和第三区133连接第二区12的端部上，以对第二区132两侧的过渡区增强，避免过渡区因应力集中造成破坏引起耗能梁失效。并且，横向加劲肋141和斜向加劲肋142在腹板13的两侧对称设置，以增强整体结构受力均匀性。同时，在耗能梁宽度方向上，横向加劲肋141和斜向加劲肋142的外边缘，与上翼缘11和下翼缘12的外边缘平齐，以避免出现应力集中。此外，在横向加劲肋141、以及斜向加劲肋142与腹板13的连接处设置有倒角，避免加劲肋与腹板13的连接处出现应力集中。

本发明实施例所提供的变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁具有耗能能力强、工程造价低的特点，具有良好的推广价值。

第二方面，本发明实施例提供了一种偏心支撑结构，包括：耗能梁1，非耗能梁2，支撑梁3，以及，框架柱(图中未示出)。其中，非耗能梁2与耗能梁1平行设置且端部相接，支撑梁3与非耗能梁2的底面连接，框架柱与非耗能梁2未连接耗能梁1的端部连接。其中，耗能梁1为第一方面所提供的变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，且非耗能梁2、支撑梁3以及框架柱的设计内力与耗能梁1的全塑性受弯承载力或者全塑性受剪承载力相匹配。

进一步地，非耗能梁2还包括设置在非耗能梁2用于连接耗能梁1的两端上的辅助加劲肋21。且辅助加劲肋21同时连接非耗能梁2的上翼缘的底面，以及非耗能梁2的下翼缘的顶面。耗能梁与非耗能梁的过渡区域易出现应力集中，因此在该过渡区域设置辅助加劲肋21有助于提高整体偏心支撑结构的稳定性，避免因应力集中出现结构破坏。

可以理解的是，该弯曲剪切型偏心支撑结构因采用了第一方面所提供的耗能梁，兼具良好的耗能能力、抗震性能，以及较低的用钢量和工程造价。详见第一方面的分析，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，包括：上翼缘(11)，下翼缘(12)，腹板(13)，以及，横向加劲肋(141)；

所述腹板(13)与所述横向加劲肋(141)垂直设置；

且，所述腹板(13)以及所述横向加劲肋(141)同时连接所述上翼缘(11)的底面和所述下翼缘(12)的顶面；

其特征在于，

所述腹板(13)包括沿所述耗能梁长度方向顺次连接的：第一区(131)，第二区(132)，以及第三区(133)，

所述第二区(132)的高度小于非耗能梁腹板的高度；

所述上翼缘(11)和所述下翼缘(12)与所述腹板(13)的结构相适配；

所述上翼缘(11)的宽度小于非耗能梁的上翼缘的宽度，所述下翼缘(12)的宽度小于所述非耗能梁的下翼缘的宽度。

2.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，所述第一区(131)远离所述第二区(132)的端部，以及所述第三区(133)远离所述第二区(132)的端部均连接非耗能梁的腹板，

所述第一区(131)和所述第三区(133)的高度随着远离所述第二区(132)而逐渐增大；

所述第二区(132)为等高区。

3.根据权利要求2所述的耗能梁，其特征在于，所述第一区(131)的最大高度以及所述第三区(133)的最大高度与所述非耗能梁的腹板的高度相同；

所述第一区(131)的最小高度以及所述第三区(133)的最小高度与所述第二区(132)的高度相同。

4.根据权利要求3所述的耗能梁，其特征在于，所述第一区(131)、所述第二区(132)、所述第三区(133)的顶面共面，且平行于所述上翼缘(11)的底面；

所述第一区(131)和所述第三区(133)的底面为倾斜面，所述第二区(132)的底面为平行于所述上翼缘(11)底面的平面。

5.根据权利要求4所述的耗能梁，其特征在于，所述下翼缘(12)包括沿所述耗能梁长度方向顺次连接的：第一段(121)、第二段(122)以及第三段(123)；

所述第一段(121)的顶面连接所述第一区(131)的底面；

所述第二段(122)的顶面连接所述第二区(132)的底面；

所述第三段(123)的顶面连接所述第三区(133)的底面。

6.根据权利要求1所述的耗能梁，其特征在于，所述耗能梁还包括固定在所述腹板(13)上的斜向加劲肋(142)：

所述斜向加劲肋(142)同时连接所述上翼缘(11)的底面和所述下翼缘(12)的顶面；

所述斜向加劲肋(142)设置在所述第一区(131)和所述第三区(133)连接所述第二区(132)的端部。

7.根据权利要求6所述的耗能梁，其特征在于，在所述耗能梁宽度方向上，所述横向加劲肋(141)和所述斜向加劲肋(142)的外边缘，与所述上翼缘(11)和所述下翼缘(12)的外边缘平齐。

8.根据权利要求5～7中任一项所述的耗能梁，其特征在于，在所述横向加劲肋(141)、以及所述斜向加劲肋(142)与所述腹板(13)的连接处设置有倒角。

9.一种偏心支撑结构，包括：耗能梁(1)，非耗能梁(2)，支撑梁(3)，以及，框架柱；

所述非耗能梁(2)与所述耗能梁(1)平行设置且端部相接，

所述支撑梁(3)与所述非耗能梁(2)的底面连接，

所述框架柱与所述非耗能梁(2)未连接所述耗能梁(1)的端部连接；

其特征在于，

所述耗能梁(1)为权利要求1～8中任一项所述的变高弯曲剪切型偏心支撑耗能梁，

所述非耗能梁(2)、所述支撑梁(3)以及所述框架柱的设计内力与所述耗能梁(1)的全塑性受弯承载力相匹配。

10.根据权利要求9所述的耗能梁，其特征在于，所述非耗能梁(2)还包括设置在所述非耗能梁(2)用于连接所述耗能梁(1)的两端上的辅助加劲肋(21)。

所述辅助加劲肋(21)同时连接所述非耗能梁(2)的上翼缘底面，以及所述非耗能梁(2)的下翼缘顶面。