钢框架-支撑(延性墙板)体系是指沿结构的纵、横两个方向或者其他主轴方向,根据侧力的大小布置一定数量的竖向支撑(延性墙板)所形成的结构体系。
1)钢框架-支撑结构体系
钢框架-支撑结构的支撑在设计中可采用中心支撑、屈曲约束支撑和偏心支撑。
(1)中心支撑
中心支撑的布置方式主要有十字交叉斜杆、人字形斜杆、V字形斜杆或成对布置的单斜杆支撑等。K字形支撑在抗震区会使柱承受比较大的水平力,很少使用。
中心支撑体系刚度较大,但在水平地震作用下支撑斜杆会受压屈曲,导致结构的刚度和承载力降低,且支撑在反复荷载作用下,内力在受压受拉两种状态下往复变化,耗能能力较差。因此,中心支撑一般适用于抗震等级为三、四级且高度不超过50 m的建筑。
(2)屈曲约束支撑
屈曲支撑的布置原则同中心支撑的布置原则类似,但能有效提高中心支撑的耗能能力。屈曲约束支撑的构造示意见图5-27所示,主要由核心单元、无粘结约束层和约束单元三部分组成。核心单元是屈曲约束支撑中的主要受力构件,一般采用延性较好的低屈服点钢材制成,约束单元和无粘结约束层的设置可有效约束支撑核心单元的受压屈曲,使核心单元在受拉和受压下均能进入屈服状态。在多遇地震或风荷载作用下,屈曲约束支撑处于弹性工作阶段,能为结构提供较大的侧移刚度,在设防烈度与罕遇地震作用下,屈曲约束支撑处于弹塑性工作阶段,具有良好的变形能力和耗能能力,对主体结构的破坏起到保护作用。
图5-27 屈曲约束支撑
(3)偏心支撑
偏心支撑的布置方式主要有单斜杆式、V字形、人字形或门架式等。偏心支撑的支撑斜杆至少有一端与梁连接,并形成消能梁段,在地震作用下,采用偏心支撑能改变支撑斜杆与耗能梁段的屈服顺序,利用消能梁段的先行屈服和耗能来保护支撑斜杆不发生受压屈曲或者屈曲在后,从而使结构具有良好的抗震性能,对高度超过50 m以及抗震等级为三级以上的建筑宜采用偏心支撑。
2)钢框架-延性墙板结构体系
钢框架-延性墙板结构体系中的延性墙板主要指钢板剪力墙和内藏钢板支撑的剪力墙等。(www.xing528.com)
(1)钢板剪力墙
钢板剪力墙是以钢板为材料填充于框架中承受水平剪力的墙体,根据其构造分为非加劲钢板剪力墙、加劲钢板剪力墙、防屈曲钢板剪力墙以及双钢板组合剪力墙等形式。非加劲钢板剪力墙在设计时,可利用钢板屈曲后的强度来承担剪力,但钢板的屈曲会造成钢板墙的鼓曲变形,且在反复荷载作用下鼓曲变形的发生及变形方向的转换将伴随着明显的响声,影响建筑的使用功能,因此非加劲钢板剪力墙主要应用在非抗震及抗震等级为四级的高层民用建筑中。对设防烈度为7度及以上的抗震建筑,通常在钢板的两侧采取一定的防屈曲措施,来增加钢板的稳定性和刚度,如在钢板的两侧设置纵向或横向的加劲肋形成加劲钢板剪力墙,如图5-28(a)所示,或在钢板的两侧设置预制混凝土板形成防屈曲钢板剪力墙,如图5-28(b)所示。
图5-28 钢板剪力墙
在加劲钢板剪力墙中,加劲肋的布置方式主要取决于荷载的作用方式,其中水平和竖向加劲肋混合布置,使剪力墙的钢板区格宽高比接近于1的方式较为常见;当有多道竖向加劲肋或水平向和竖向加劲肋混合布置时,考虑到竖向加劲肋需要为拉力带提供锚固刚度,宜将竖向加劲肋通长布置。防屈曲钢板剪力墙中的预制混凝土板的设置除了能向钢板提供面外约束外,还可以消除纯钢板墙在水平荷载作用下产生的噪声。设计时预制混凝土板与钢板剪力墙之间按无粘结作用考虑,且不考虑其对钢板抗侧力刚度和承载力的贡献。为了避免混凝土板过早的发生挤压破坏,提高防屈曲钢板剪力墙的变形耗能能力,混凝土板与外围框架之间应预留一定的空隙,预制混凝土板与内嵌钢板之间一般通过对拉螺栓连接,连接螺栓的最大间距和混凝土板的最小厚度是确定防屈曲钢板剪力墙承载性能的主要参数。设计时相邻螺栓中心距离与内嵌钢板厚度的比值不宜超过100;单侧混凝土盖板的厚度不宜小于100 mm,以确保有足够的刚度向钢板提供持续的面外约束。
双钢板混凝土组合剪力墙是由两侧外包钢板、中间内填混凝土和连接件组合成整体,共同承担水平及竖向荷载的双钢板组合墙,钢板内混凝土的填充和连接件的拉结能有效约束钢板的屈曲,同时钢板和连接件对内填混凝土的约束又能增强混凝土的强度和延性,使得双钢板组合剪力墙具有承载力高、刚度大、延性好、抗震性能良好等优点。双钢板混凝土组合墙中连接件的设置对保证外包钢板与内填混凝土的协同工作和组合墙的受力性能具有至关重要的作用。目前依据国内外研究成果,《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380—2015)针对双钢板混凝土组合剪力墙,推荐的连接件构造主要有对拉螺栓、栓钉、T形加劲肋、缀板以及几种连接件混用的方式等,如图5-29所示。
为保证连接件的工程可行性,如栓钉的可焊性和螺栓的可紧固性,《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380—2015)要求外包钢板厚度不宜小于10 mm。
图5-29 双钢板混凝土组合剪力墙
(2)内藏钢板支撑的剪力墙
内藏钢板支撑的剪力墙是以钢板支撑为主要抗侧力构件,外包钢筋混凝土墙板的构件,见图5-30所示。混凝土墙板的设置主要用来约束内藏的钢板支撑,提高内藏钢板支撑的屈曲能力,从而提高钢板支撑抵抗水平荷载作用的能力,改善结构体系的抗震性能,设计时支撑钢板与墙板间应留置适宜的间隙,沿支撑轴向在钢板和墙板壁之间的间隙内均匀地设置无粘结材料;同时混凝土墙板设计时不考虑其承担竖向荷载,因此其与周边框架仅在钢板支撑的上下端节点处与钢框架梁相连,其他部位与钢框架梁柱均不相连,且与周边框架梁柱间均留有空隙,由于空隙的存在,小震作用下混凝土板不参与受力,只有钢板支撑承担水平荷载,混凝土板只起抑制钢板支撑面外屈曲的作用,在大震作用下结构发生较大变形,混凝土板开始与外围框架接触,随着接触面的加大,混凝土板逐渐参与承担水平荷载作用,起到抗震耗能的作用,从而提高整体结构的抗震安全储备。设计时墙板与框架间的间隙量应综合墙板的连接构造和施工等因素确定,最小的间隙应满足层间位移角达1/50时,墙板与框架在平面内不发生碰撞,且墙板四周与框架之间的间隙,宜用隔音的弹性绝缘材料填充,并用轻型金属架及耐火板材覆盖。
图5-30 内藏钢板支撑的剪力墙
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