The invention relates to the technical field of structural engineering, and discloses a pre-stressed support friction damping assembled steel structure system and a design method thereof. The invention is composed of the upper and lower layers of frame structure, each layer of frame structure includes steel column, steel beam and floor slab, the steel column between the upper and lower adjacent layer of frame structure is disconnected at the connection with the lower floor slab, connected by self friction, at the same time, the adjacent layer of frame structure is connected with high-strength cable; the top of the steel column is provided with an upper flange plate, which is fixedly connected with the steel beam, and the bottom of the steel column is provided with A lower flange plate is arranged, the lower flange plate is arranged in contact with the upper surface of the floor slab of the frame structure of the lower adjacent layer, and the upper surface of the floor slab is provided with a friction coating layer and a limit device, which is a steel strip arranged along the edge of the floor slab. The invention relates to a layer to layer connection through high-strength cable and mutual friction between column and column, which has convenient and efficient construction and good stress performance.
【技术实现步骤摘要】
一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系及其设计方法
本专利技术涉及结构工程
，特别是涉及一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系及设计方法。
技术介绍
传统的钢结构建筑施工时进行了大量的焊接作业，严重影响了施工进度，造成了环境污染，且现场焊接质量不易得到保证，影响结构安全。装配式钢结构体系因其工业化程度高，施工速度快、环境污染小和施工质量易控制而被广泛采用。目前的装配钢结构建筑大部分采用螺栓连接或焊缝连接，现场螺栓连接或焊缝连接仍耗费大量施工时间，而且连接节点均为刚性连接，地震作用下节点容易发生破坏。随着装配式钢结构建筑层数逐渐增大，钢框架结构的抗震性能和经济性变差，钢框架-支撑结构的抗震性能和经济性优势较为凸出。本专利技术提出的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系采用高强拉索支撑提供较大的抗侧刚度，使得结构体系较为经济。利用上下层间柱之间通过自身摩擦进行耗能来减少结构损伤，具有一定的应用前景。
技术实现思路
本专利技术提供一种层与层之间通过高强拉索和柱与柱之间的相互摩擦力进行连接，施工便捷高效，受力性能好的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系及设计方法。解决的技术问题是：现有装配式钢结构框架均为刚性连接，施工节点多，效率低，框架结构本身抗震性差。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，由相同的层框架结构上下叠合而成，每个层框架结构包括钢柱、钢梁和楼板，每个层框架结构中的钢柱沿横向和纵向间隔布置，钢梁...
【技术保护点】
1.一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，由相同的层框架结构上下叠合而成，每个层框架结构包括钢柱(1)、钢梁(2)和楼板(3)，每个层框架结构中的钢柱(1)沿横向和纵向间隔布置，钢梁(2)沿横向和纵向布置且两端分别与相邻的两个钢柱(1)顶端侧壁固定连接，其特征在于：上下相邻的层框架结构之间的钢柱(1)在与下层楼板(3)的连接处断开，通过自身摩擦连接，同时相邻的层框架结构之间连接有高强拉索(9)；钢柱(1)顶端设置有上法兰板(4)，与钢梁(2)固定连接，钢柱(1)底端设置有下法兰板(5)，下法兰板(5)与下层相邻层框架结构的楼板(3)上表面接触设置，楼板(3)的上表面上设置有摩擦涂料层和限位装置(8)，所述限位装置(8)为沿楼板(3)边沿设置的钢板条带。/n
【技术特征摘要】
1.一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，由相同的层框架结构上下叠合而成，每个层框架结构包括钢柱(1)、钢梁(2)和楼板(3)，每个层框架结构中的钢柱(1)沿横向和纵向间隔布置，钢梁(2)沿横向和纵向布置且两端分别与相邻的两个钢柱(1)顶端侧壁固定连接，其特征在于：上下相邻的层框架结构之间的钢柱(1)在与下层楼板(3)的连接处断开，通过自身摩擦连接，同时相邻的层框架结构之间连接有高强拉索(9)；钢柱(1)顶端设置有上法兰板(4)，与钢梁(2)固定连接，钢柱(1)底端设置有下法兰板(5)，下法兰板(5)与下层相邻层框架结构的楼板(3)上表面接触设置，楼板(3)的上表面上设置有摩擦涂料层和限位装置(8)，所述限位装置(8)为沿楼板(3)边沿设置的钢板条带。
2.根据权利要求1所述的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，其特征在于：所述下法兰板(5)的边沿不超出相邻楼板(3)的边沿设置，下法兰板(5)的边长比钢柱(1)截面边长大至少100mm，下法兰板(5)的外边沿与相邻楼板(3)的边沿之间的最小距离不小于60mm。
3.根据权利要求1所述的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，其特征在于：所述摩擦涂料层表面的摩擦系数为0.1-2.0，且自钢柱(1)中轴线向四周逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，其特征在于：所述高强拉索(9)设置在层框架结构的侧立面内，每个竖直面内的高强拉索(9)呈X形排布，每根高强拉索(9)的上端通过上连接板(6)与上层的层框架结构连接，下端通过下连接板(7)与下层的层框架结构连接，上连接板(6)为直角三角形钢板，上连接板(6)的两直角边沿分别与钢柱(1)侧壁和钢梁(2)下表面焊接固定，下连接板(7)与下层的层框架结构的钢梁(2)上表面焊接固定。
5.根据权利要求1所述的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，其特征在于：所述每个层框架结构中的钢柱(1)顶端与楼板(3)之间还设置有双向摩擦阻尼器。
6.权利要求1-5任意一项所述的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、根据设计需求，确定基本结构参数；
基本结构参数包括层框架结构的尺寸，钢柱(1)的规格，钢梁(2)的规格，楼板(3)的规格，高强拉索(9)的预应力P，钢柱(1)底部与下方相邻楼板(3)之间的摩擦连接参数；
摩擦连接参数包括钢柱(1)与下层相邻楼板(3)之间的起滑力Fsi、钢柱(1)与下层相邻楼板(3)之间发生相对滑动的最大限位行程L和钢柱(1)的最大承受轴力Nfmax；
步骤二、按照初步确定的结构尺寸对结构体系进行建模：在模型中，相邻两个层框架结构中的钢柱(1)上下断开，叠合接触设置，并通过高强拉索(9)连接，考虑钢柱(1)与相邻楼板(3)之间的摩擦连接作用，将钢柱(1)底部与下方相邻楼板(3)之间摩擦的连接参数赋予上下柱之间的连接单元；
步骤三、对模型施加多遇地震作用，对结构体系进行模拟分析；当分析目标值满足验证条件，继续进入下一步设计，当分析目标值不满足验证条件时，返回步骤一，对基本结构参数进行调整，修正设计结构，重新进行分析；
步骤四、对模型施加设防地震作用，对结构体系进行模拟分析；当分析目标值满足验证条件，继续进入下一步设计，当分析目标值经过调整仍无法满足验证条件时，返回步骤一，对基本结构参数进行调整，修正设计结构，重新进行分析；
步骤五、对模型施加罕遇地震作用，对结构体系进行模拟分析；当分析目标值经过调整仍无法满足验证条件时，返回步骤一，对基本结构参数进行调整，修正设计结构，重新进行分析；当分析目标值满足验证条件，继续进入下一步设计，直至完成结构分析设计。
7.根据权利要求6所述的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的设计方法，其特征在于：步骤一中的摩擦连接参数的具体确定方法如下：
Fsi＝μNi公式①
其中，Fsi为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底端与下方相邻楼板上表面之间发生相对滑动时钢柱的起滑力；
μ为钢柱底端与下方相邻楼板上表面之间的摩擦系数；
Ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力；模型建立的初始值取为结构自重作用下钢柱的内力和高强拉索作用下钢柱的内力之和，随着后面多个参数在模拟过程中的提取判断，进行逐步修正；
L根据柱截面尺寸初步确定，取值范围在30～60mm，在这个范围内对L值进行选择和调整；
钢柱的最大承受轴力Nfmax的确定方法具体如下：
Nfmax＝fc(b1×b2)公式②
其中，Nfmax为钢柱的最大承受轴力；
fc为楼板混凝土的抗压强度；
b1为法兰板的长度；
b2为法兰板的宽度。
8.根据权利要求7所述的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的设计方法，其特征在于：步骤三具体包括以下步骤：
步骤3A、在施加多遇地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力Ni，验证其是否满足公式③；
Ni＞0公式③
其中：Ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力；
若轴力Ni满足公式③，则依照以下步骤继续进行，若不满足公式③，则返回步骤一中，调整高强拉索的预应力P大小，对结构模型进行调整，重新进行模拟分析；
步骤3B-1、在施加多遇地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱底部与相邻楼板连接处的剪力Vi，判断其是否满足公式④；
Vi＜Fsi公式④
其中：Vi为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底端与下方相邻楼板连接处的剪力；
Fsi为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底端与下方相邻楼板上表面之间的起滑力；
若剪力Vi满足公式④，可确保在多遇地震情况下，上下相邻的两个层框架结构之间不会发生滑移，则依照以下步骤继续进行；若剪力Vi不满足公式④，则返回步骤一中，调整摩擦系数μ和高强拉索的预应力P大小的大小，再次对结构模型进行调整，重新模拟分析；
步骤3C、在施加多遇地震作用的模型中，判断层间位移角θi是否满足公式⑤-1；
其中：θi为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱两端的层间位移角；
Δu2i为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱两端的水平位移差；
H为自下而上第i层的层框架结构的钢柱的高度；
若层间位移角θi满足公式⑤-1，则依照以下步骤继续进行；若层间位移角θi不满足公式⑤-1，说明设计结构在多遇地震作用下的变形不满足要求，则返回步骤一中，调整钢梁和钢柱的截面...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘鑫刚，葛家琪，张国军，刘金泰，黄威振，朱鸿钧，
申请(专利权)人：中国航空规划设计研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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