带可替换耗能连接的X形支撑及其设计方法

本发明属于土木工程中的结构工程领域，具体涉及一种带可替换耗能连接的x形支撑及其设计方法。

背景技术：

1、21世纪以来，在结构消能减震方面，理念和技术都取得了显著的进展。结构消能减震技术旨在通过设置消能构件来提高结构在地震作用下的性能。这些消能构件在地震发生时可以首先发生塑性变形，从而为结构提供附加阻尼，并有效地耗散地震产生的能量。这样有助于减少地震对主体结构所带来的影响，降低结构受损的风险。阻尼器作为一种消能构件，构造形式简单，设计较方便，且具有较好的滞回性能，在结构减震消能方面得到广泛的应用。

2、钢框架支撑体系在弹性阶段具有较大的侧向刚度，且在罕遇地震作用下，其耗能能力弱，且支撑受压发生屈曲后，结构的抗侧刚度显著降低，容易导致结构失去承载能力而发生破坏。通过将阻尼器与普通钢支撑结合形成耗能支撑，可以为结构提供附加刚度，也可以在地震作用下先发生阻尼器塑性耗能而支撑主体不发生屈曲，保护结构的整体性能。

3、许立言等学者在《低屈服点钢剪切型阻尼器的力学性能及理论模型研究》一文中提出了一种新型剪切钢板阻尼器装置。研究了包括腹板宽厚比、加劲肋布置、腹板开洞构造以及循环加载制度等试验参数的影响，证明了这种剪切钢板阻尼器优良的抗震性能。但与阻尼器连接的钢梁需承受比较大的荷载。

4、gray等在学者《design and full-scale testing of a cast steel yieldingbrace systemin a braced frame》一文中提出了一种带三角形加劲金属阻尼器的中心支撑系统(ybs)，阻尼器安装在中心支撑的端部，与框架柱通过节点板相连。该阻尼器构造比较复杂，在施工上有一定的困难。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决当前工程需要，提出一种构造简单，设计较为简便的带可替换耗能连接的x形支撑及其设计方法。针对变截面圆端金属耗能件用于x形支撑时的受力特点，本发明提出的构造形式与设计方法，具有较强工程应用价值。

2、所述带可替换耗能连接的x形支撑包括箱型截面支撑、节点板、连接板和变截面圆端金属耗能件。

3、箱型截面支撑端部设有插槽，节点板与箱型截面支撑之间采用卡插的方式装配后焊接；

4、所述的节点板另一侧与连接板焊接形成t字形，箱型支撑、节点板、连接板呈现左右对称关系；

5、在连接板之间设置有所述的变截面圆端金属耗能件。

6、进一步地，变截面圆端金属耗能件为变截面的耗能件，包括两个用于承担耗能作用的半圆端板、两个相对设置的变截面平直板，在变截面平直板的两端各设置有一个半圆端板，且两变截面平直板与连接板通过高强螺栓固定连接。

7、进一步地，支撑可以为箱型外，也可以为槽钢或h型钢构件。

8、优选地，变截面圆端金属耗能件构造形式为：给定耗能件的几何参数，包括钢板的厚度t，变截面平直板端部宽度b′，半圆端外径r，变截面平直板总长度d，如图3所示。单个变截面圆端金属耗能件包括四部分，包括：两个半圆端板abc和def，两个变截面平直板af和cd，在变截面平直板的两端各焊接一个半圆端板，呈半圆型。变截面平直板af和cd在上述节点中与连接板通过高强螺栓连接，是该构件中非耗能连接的部分；半圆弧段abc和def是该构件中承担耗能作用的部分。

9、进一步地，变截面圆端金属耗能件采用q235钢材、低屈服钢材ly225或ly160制成，半圆端板采用平直板冷弯加工制成，螺栓孔采用标准孔、大圆孔或槽孔。

10、一种带变截面圆端金属耗能件的x形支撑设计方法，包括以下步骤：

11、变截面圆端金属耗能件包括两个用于承担耗能作用的半圆端板、两个相对设置的变截面平直板，由于变截面圆端金属耗能件的变截面平直板与半圆端板相交处弯矩最大，且变截面平直板可能会发生弯曲变形，变形后变截面圆端金属耗能件半圆段也不是严格标准的半圆弧，变截面圆端金属耗能件为两个半圆弧共同工作。根据此受力变形，得到变截面圆端金属耗能件修正的屈服荷载fy、初始刚度k0和第二刚度k′的表达式，变截面圆端金属耗能件的恢复力模型通过以下参数确定：变截面圆端金属耗能件的外径r，厚度t，变截面平直板中间宽度b，屈服强度fy，屈服荷载修正系数α，初始刚度修正系数β和第二刚度修正系数γ；

12、在地震作用下，框架发生水平方向的侧移，支撑承担不同的内力，斜对角方向的两根支撑受到拉力，而另外两根对角支撑受到压力；四根钢支撑由于水平荷载产生的轴力在耗能连接处交汇，经过力的分解后，在水平方向上水平力相互平衡，在竖直方向上有剪力作用于变截面圆端金属耗能件上。在这种情况下，控制变截面圆端金属耗能件先受剪屈服耗散能量，此时对支撑的屈服荷载乘以安全系数η1使得支撑屈服荷载大于耗能件的屈服荷载；考虑支撑受压稳定系数的影响，取0.7py作为支撑屈服荷载，考虑支撑拉压受力的不平衡，取η2fy为耗能件的屈服荷载；则在设计带可替换耗能连接的x形支撑需满足：支撑屈服荷载的竖向分力应大于变截面圆端金属耗能件的屈服荷载使得耗能件先屈服，即

13、2×η1×0.7pysinα>η2fy

14、式中，α为支撑与水平面夹角，fy为变截面圆端金属耗能件的屈服荷载，η2为耗能件的安全放大系数，py＝azc·fy；

15、确定带可替换耗能连接的x形支撑的构件性能，采用刚度比和强度比来描述带可替换耗能连接的x形支撑构件性能：对带可替换耗能连接的x形支撑钢框架结构进行弹塑性时程分析，得到带可替换耗能连接的x形支撑钢框架在x、y向地震下目标性能段所对应的层间位移角、基底剪力以及顶点位移，从而计算得到结构的等效刚度及其对应的附加阻尼比、刚度比。

16、进一步地，将带可替换耗能连接的x形支撑钢框架结构附加阻尼比和附加刚度比整合分析，结果表明耗能连接竖向剪切刚度即耗能件的初始刚度k0与支撑竖向刚度分量比在0.50～0.85之间，耗能连接剪切屈服强度与支撑屈服强度竖向分量比在0.35～0.65之间。

17、进一步地，在结构设计时，变截面圆端金属耗能件的极限位移du是半圆端板外径r的0.2～0.5倍，η1的取值范围在0.50～0.60之间，η2的取值范围在1.05～1.15之间。

18、进一步地，变截面圆端金属耗能件的屈服荷载fy、初始刚度k0，表达式为：

19、

20、式中，r为变截面圆端金属耗能件的外径，t为变截面圆端金属耗能件的厚度，b为变截面平直板中间宽度，fy为屈服强度，λ为放大系数，取值为变截面圆端金属耗能件的变截面平直板宽度之差的平方，α为屈服荷载修正系数，其取值范围在4.45～4.46之间，β为初始刚度修正系数，其取值范围在1.40～1.50之间。

21、进一步地，当变截面耗能件所受剪力大于屈服荷载时，变截面圆端金属耗能件处于弹塑性阶段，此时的刚度为第二刚度，表达式为：

22、k′＝γk0

23、式中，γ为第二刚度修正系数，其取值范围在0.014～0.016之间。

24、进一步地，变截面圆端金属耗能件的变截面平直板端部宽度b′是平直板中间宽度b的1.1～1.2倍。

25、进一步地，根据设计的需要，建议变截面平直板中间宽度b的取值范围为60～300mm，变截面平直板端部宽度b′的取值范围为74～360mm，变截面圆端金属耗能件的高度2r的取值范围为80～240mm，变截面圆端金属耗能件的厚度t的取值范围为6～32mm。

26、相比现有技术，本发明至少具有如下优点与效果：

27、与等截面的圆端金属阻尼器相比，变截面圆端金属耗能件的初始刚度和屈服荷载更大，具有良好的弹塑性性能，荷载-位移滞回曲线较为饱满，耗能能力更强，在地震作用时能够吸收更多的地震能量。与普通的支撑框架相比，带可替换耗能连接的x支撑不会出现支撑屈曲后的刚度突然下降，结构的耗能集中在变截面圆端金属耗能件上，且震后能够快速实现耗能件的替换。与纯框架相比，带可替换耗能连接的x支撑滞回性能更好，刚度更大。本发明构造形式简单，传力明确，具有良好的经济效益。