本發明涉及一種多高層鋼框架結構自復位耗能索支撐體系，屬于鋼結構應用技術領域。

背景技術：

鋼結構具有材料強度高、工業化及產業化程度高、施工周期短、抗震性能好、鋼材可回收循環利用等諸多優點，是有利于節能、節材、節水和節地的綠色建筑，而且推廣應用鋼結構是“藏鋼于民”的具有重要戰略意義的舉措。

鋼框架支撐結構是適用于多高層鋼結構的常用結構形式之一。在水平地震作用下，支撐承擔大部分水平荷載，增強結構的抗側移能力。傳統鋼支撐在拉壓往復荷載作用下易發生失穩破壞而退出工作，影響結構抗震性能。采用防屈曲支撐，雖能防止支撐發生失穩破壞，但因防屈曲支撐無自復位功能，震后結構殘余變形大，修復成本高，而有自復位功能的防屈曲支撐構造復雜。采用預應力索支撐，可利用高強索的彈性恢復力實現震后自復位，耗能發生在鋼框架主體結構上，但主體結構殘余變形不好處理，修復難度也很大。所以，如果在支撐本身不發生失穩破壞而失效的前提下還能兼具耗能及自復位功能，即耗能和殘余變形主要發生在支撐上，而不是主體框架上，在震后只需替換支撐部件即可實現結構修復，這對結構震后修復無疑是便捷的。

本發明提出的預應力耗能索支撐，由耗能裝置與高強索有效組合而成。利用索支撐即能充當支撐又能起自復位作用的特點，將耗能裝置附加在索支撐端部實現耗能。預應力耗能索支撐由耗能段與鋼索段串聯而成，體系相對輕巧，耗能段采用摩擦耗能及材料耗能組合耗能技術，相比自復位防屈曲型支撐，結構輕巧簡單，工作原理明確，修復成本降低。

技術實現要素：

本發明提出了一種屬于鋼結構應用技術領域的多高層鋼框架結構自復位耗能索支撐體系。其目的在于提高框架結構的抗側移能力同時，提供耗能和自復位功能，減小震災并為震后結構修復提供方便。該支撐體系在多遇地震作用下支撐各部件均處于彈性工作狀態，實現主體結構和支撐均不受損壞，可繼續正常使用的抗震設防目標。在設防地震作用下，主要由耗能裝置的U型槽壁間的摩擦和 耗能鋼筋或耗能鋼棒的材料塑性變形來耗散能量，而主體結構和高強索始終處于彈性工作狀態實現震后自復位。震后再替換支撐的耗能裝置，恢復整體結構功能，實現經一般性修復仍可繼續使用的抗震設防目標。在罕遇地震作用下，除利用耗能裝置的U型槽壁間的摩擦和耗能鋼筋或耗能鋼棒的材料塑性變形來耗散能量之外，主體結構次要部位發生塑性變形補充耗能，但支撐中的高強索始終處于彈性狀態，起到有效支撐作用，防止整體結構發生倒塌，并在震后發揮自復位功能，實現結構自復位。在震后替換支撐的耗能裝置，就可實現支撐功能的修復，從而可以提高修復速度，降低修復成本。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種多高層鋼框架結構自復位耗能索支撐體系，該自復位耗能支撐體系包括索支撐和支撐耗能器，索支撐與支撐耗能器串聯構成自復位耗能支撐體系。

所述索支撐包括單根長索(1)和短索(2)；所述支撐耗能器包括大U型槽口(3)、小U型槽口(4)、兩側滑移高強螺栓群(5)、耗能鋼筋(6)、基座底板(7)、鋼筋和鋼索端頭的錨具(8)和基座錨固螺栓(9)。

所述大U型槽口(3)包括上側外板(10)、頂板(11)和下側外板(12)；小U型槽口(4)包括上側內板(13)、底板(14)和下側內板(15)。

大U型槽口(3)與小U型槽口(4)的凹面相對，頂板(11)與上側外板(10)和下側外板(12)的端部平齊，底板(14)相對于上側內板(13)和下側內板(15)的端部內收一段距離，該距離用以保證底板(14)與基座底板(7)之間放置鋼筋和鋼索端頭的錨具(8)；上側外板(10)的底面與上側內板(13)的頂面貼合在一起，大U型槽口的下側外板(12)的頂面和小U型槽口下側內板(15)的底面貼合在一起；位于內側的小U型槽口的上側內板(13)和下側內板(15)開有圓螺栓孔，位于外側的大U型槽口的上側外板(10)和下側外板(12)開有滑移螺栓孔；所述長索(1)的一端通過鋼筋和鋼索端頭的錨具(8)錨固于頂板(11)內側面中心點處；短索(2)、耗能鋼筋(6)均安裝在頂板(11)和底板(14)之間，短索(2)與耗能鋼筋(6)相平行布置，短索(2)共有兩根且與耗能鋼筋(6)的截面為菱形面，兩根短索(2)分別為菱形面長對角線的頂點，耗能鋼筋(6)布置在菱形面的其它位置。

所述滑移螺栓群(5)布置方式為螺帽在內側，螺母在外側，螺母與上側外 板(10)的頂面以及螺母和下側外板(12)的底面之間設置摩擦墊片。

所述基座錨固螺栓(9)分別布置在底板(14)的四角，基座錨固螺栓(9)的布置位置要滿足邊距和端距要求；基座錨固螺栓(9)的螺帽位于底板(14)的頂面，基座錨固螺栓(9)的螺母位于基座底板(7)的底面。

所述小U型槽口(4)為固定槽口，大U型槽口(3)為滑動槽口，二者的形式及位置能夠互換，當大U型槽口(3)作為固定槽口時，大U型槽口(3)的底板形式為內收結構并為鋼筋和鋼索端頭的錨具(8)留足位置；螺栓滑移孔始終位于滑動槽口的側板上，圓螺栓孔始終位于固定槽口的側板上。

所述大U型槽口(3)的上側外板(10)、頂板(11)和下側外板(12)相互焊接組成槽口形狀，小U型槽口(4)的上側內板(13)、底板(14)和下側內板(15)相互焊接組成槽口形狀；大U型槽口(3)、小U型槽口(4)在大批量生產時采用軋制工藝直接成型，上側外板(10)和頂板(11)、下側外板(12)和頂板(11)、上側內板(13)和底板(14)、下側內板(13)和底板(14)的連接部位設計為圓弧狀，防止應力集中。

所述耗能器(16)布置在框架四角，耗能器(16)通過基座底板(6)和三角鋼板(17)連接在主體結構上，三角鋼板(17)的斜邊焊接于基座底板(6)底面中軸線上，二者互相垂直；三角鋼板(17)兩直角邊分別焊接于框架柱(18)和框架梁(19)上，梁柱節點處設置有加勁肋(20)；單根鋼索(1)和位于對角的兩個耗能器(16)串聯在一起，形成X型(交叉型)支撐體系。

為保證下側外板(12)的頂面和小U型槽口的下側內板(15)的底面相貼合的摩擦面足夠的摩擦力，在下側外板(12)、下側內板(15)相互接觸的表面做噴砂處理，或者在表面上設置摩擦銅片或其它可靠措施。

滑移螺栓孔的寬度與圓螺栓孔的直徑相等；耗能鋼筋按設計要求分為不同強度等級和粗細，工作時陸續進入塑性工作狀態，受力機理明確，耗能鋼筋(6)亦可用耗能鋼棒替代；基座錨固螺栓(9)的布置個數根據承載力要求確定。

滑移螺栓群(5)布置形式為矩形并列布置，滑移螺栓群(5)的螺栓集中布置在上側外板(10)和下側外板(12)表面，保證滑移過程不產生偏心彎矩，螺栓的中距、邊距和端距均滿足結構的安裝要求。

附圖說明

圖1是本發明的整體裝配圖。

圖2是本發明的整體機構分解圖。

圖3是本發明的鋼筋及短索平面布置圖。

圖4是本發明的基座底板連接示意圖。

圖5是本發明的支撐整體布置圖。

圖6是本發明的整體結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行詳細說明：

如附圖1和附圖2所示，本發明的自復位耗能索支撐體系由各個部件裝配在一起，大量減少焊接工作。首先在各塊板材裁定后按照設計要求開設螺栓圓孔和滑移孔，孔的寬度略大于螺桿的直徑，但不宜過大，以免使螺栓預緊力降低過多，滑移孔的長度應根據結構側移量大小來確定。將大U型槽口的上側外板和下側外板分別焊接在頂板上下兩端，頂板與兩塊側板右端平齊，將小U型槽口的上側內板和下側內板分別焊接在底板上下兩端，底板相對于兩側板向左內收一段距離以保證錨具錨固要求。大、小U型槽口安裝時，可在二者側板接觸面之間設置銅板摩擦片或其他摩擦材料，安裝完成后在上下側板上先安裝滑移螺栓，以起到定位作用，螺栓此時不施加預緊力，方便后期鋼筋和鋼索的安裝及錨固。

如附圖3所示，雙短索和鋼筋放置在大、小U型槽口之間，鋼筋兩端設置螺紋通過擰螺母錨固或其他方式錨固。安裝時先將鋼筋和鋼索左端用錨具錨固在小U型槽口底板左側面上，鋼筋右端暫不錨固，將帶有鋼筋和鋼索的大、小U型槽口安放在基座底板上，用錨固螺栓固定，錨固螺栓擰緊。將長索一端深入大U型槽口頂板內，在頂板內側將長索臨時錨固，長索處于松弛狀態。將大U型槽口移動至其滑移孔最左端與小U型槽口螺栓孔對齊并用高強螺栓擰緊，張拉短索施加微小預應力并固定短索。擰松高強螺栓，將大U型槽口移動至其滑移孔最右端與小U型槽口螺栓孔對齊并將滑移高強螺栓擰緊至額定預緊力，短索處于松弛狀態。將多遇地震下參與受力的鋼筋右端與槽口頂板頂緊固定，設防地震及罕遇地震下再參與受力的鋼筋留出計算確定的長度富余量再固定。張拉長索 施加微小預應力，使其處于張緊狀態。多遇地震下，部分鋼筋及長索共同工作起到彈性支撐作用。設防地震下，根據性能化設計要求，其余全部或部分鋼筋進入工作狀態，隨支撐所受拉力的增加，鋼筋陸續受拉屈服進入塑性狀態耗能，側板摩擦耗能，處于彈性狀態的鋼筋、短索及長索共同工作起支撐作用，短索與長索起震后自復位作用。罕遇地震下，全部鋼筋受拉屈服進入塑性狀態，短索與長索仍處于彈性狀態，保證起到結構震后自復位作用。

鋼筋或鋼棒根據設計需要，確定不同強度等級及粗細，在受拉過程中會先后屈服進入塑性而耗能。

如附圖4和附圖5所示，為取得更好的耗能和自復位效果，耗能器應在一榀框架的角部安置，基座底板可通過三角板拼接后焊接于框架結構梁柱連接角部，耗能器通過錨固螺栓安裝在基座底板上，在耗能器經地震或其他作用破損后可快速拆卸。用兩根X型布置的鋼索將處于對角的兩個耗能器連接在一起，在結構受力變形過程中，兩組斜撐交替進入工作狀態。由于鋼索只能受拉，因此本發明的自復位耗能索支撐主要是靠受拉來完成耗能，支撐體系在拉力去除后會通過鋼索的內力將結構拉回原位，從而實現自復位過程。在體系受拉力伸長過程中，耗能段采用側板摩擦、鋼筋或鋼棒受拉進入塑性、大、小U型槽口的鋼板受力屈服進入塑性等方式實現耗能。

為保證支撐體系各階段的耗能需求，耗能鋼筋或鋼棒應根據設計需要采用軟鋼和不同強度等級鋼材。大、小U型槽口應采用高強度鋼材，從保證耗能器剛度的要求。鋼索應采用低松弛高強度索材，錨具亦應滿足強度和剛度的要求。側板摩擦面應選用摩擦系數較大的填充材料，或采用其他措施增加摩擦面個數。