CN101831959B - 防屈曲支撑耗能梁柱节点 - Google Patents
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Abstract
防屈曲支撑耗能梁柱节点，它涉及一种梁柱节点。以解决通过设置额外的耗能阻尼器耗散地震能量而导致建筑使用功能受限，以及通过结构构件（梁端）屈服形成塑性铰耗能而导致震后修复困难等问题。两个钢垫板均固定在工字形钢柱的柱翼缘上，钢垫板位于工字形钢柱和角钢连接件之间，工字形钢柱的柱翼缘与两个钢垫板及两个角钢连接件紧固连接，两个角钢连接件与工字形钢梁的梁腹板紧固连接，一个防屈曲耗能上支撑构件设置在工字形钢梁靠近其上梁翼缘处，一个防屈曲耗能下支撑构件设置在工字形钢梁靠近其下梁翼缘处，防屈曲耗能上、下支撑构件均分别与工字形钢柱的柱翼缘和工字形钢梁的梁腹板紧固连接。本发明用于建筑主体抗震、防震上。
Description
技术领域
本发明涉及一种梁柱节点，具体涉及一种用于建筑钢结构领域的耗能梁柱节点。
背景技术
耗能减震是目前减少建筑主体结构在地震下的地震反应并防止其大震不倒的最有效手段之一。耗能减震的方式主要有两种：一种是通过设置额外的耗能阻尼器耗散地震能量，而设置的位置一般都局限在梁柱开间之间(如图1～3所示)，通过楼层层间相对变形来实现耗能(耗能元件见图1～3的耗能减震装置1、粘滞阻尼器3和防屈曲耗能支撑阻尼器4)；另一种是通过结构构件(梁端)屈服形成塑性铰耗能(如图4)。这两种耗能方式分别存在着以下问题：
首先，对于一些建筑上要求具有大开间或大门窗等使用功能的建筑，在梁柱开间中设置耗能阻尼器的这一类耗能方式就会大大受到限制，因为会影响到建筑的正常使用功能；其次，第二种耗能方式虽然不会影响建筑使用功能，但是在1994年美国的北岭地震和1995年的日本阪神地震中均发现，传统的梁柱翼缘焊接的刚性节点形式(如图5、6)的梁端塑性铰耗能机制无法实现，往往会由于梁端焊缝应力集中而首先发生焊缝的低周疲劳断裂。基于此，人们又提出采用“狗骨式”节点(如图7、8)，把梁端区域进行局部削弱以使塑性区由梁端焊缝位置转移到截面被削弱的区域。这种梁端塑性区转移的方式虽然能够避免梁端焊缝断裂，但是仍然存在一个重要问题没有考虑，那就是震后的修复问题。对于采用此类“狗骨式”节点的框架结构，在大震过后，工程人员必须对已经发生梁端塑性损伤的框架梁进行重新更换后，原建筑才能够正常投入使用，既对震后修复带来困难，又会造成国民经济的巨大损失，因此这种通过主体结构构件(梁端)发展塑性耗能的方式是十分不经济。
发明内容
本发明的目的是提供一种防屈曲支撑耗能梁柱节点，以解决通过设置额外的耗能阻尼器耗散地震能量而导致建筑使用功能受限，以及通过结构构件(梁端)屈服形成塑性铰耗能而导致震后修复困难等问题。采用本发明的技术方案既不影响建筑使用功能又易于震后修复。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的防屈曲支撑耗能梁柱节点包括工字形钢柱和工字形钢梁；所述防屈曲支撑耗能梁柱节点还包括两个钢垫板、两个角钢连接件及两个防屈曲耗能支撑构件；两个防屈曲耗能支撑构件由一个防屈曲耗能上支撑构件及一个防屈曲耗能下支撑构件组成；两个钢垫板均固定在工字形钢柱的同一个柱翼缘的外表面上，且两个钢垫板与两个角钢连接件一一对应设置，钢垫板位于工字形钢柱和角钢连接件之间，固装有钢垫板的工字形钢柱的柱翼缘与两个钢垫板及两个角钢连接件的两个侧板紧固连接，两个角钢连接件对称布置在工字形钢梁的梁腹板的两侧且位于工字形钢梁的梁腹板的一侧端处，两个角钢连接件的另两个侧板与工字形钢梁的梁腹板紧固连接，工字形钢梁的梁腹板的上下两端各分别设置有一个防屈曲耗能上支撑构件和一个防屈曲耗能下支撑构件，且防屈曲耗能上支撑构件设置在工字形钢梁靠近其上梁翼缘处，防屈曲耗能下支撑构件设置在工字形钢梁靠近其下梁翼缘处，防屈曲耗能上支撑构件和防屈曲耗能下支撑构件均与工字形钢柱的柱翼缘和工字形钢梁的梁腹板紧固连接；防屈曲耗能上支撑构件由T字形上芯板、两个T字形上约束件和两个侧向上限位件组成；T字形上芯板的长上芯板的宽度方向的两个侧端面上各加工有一个与侧向上限位件形状相吻合的第一凹槽，每个第一凹槽内装有一个侧向上限位件，T字形上芯板的短上芯板与工字形钢柱的柱翼缘和工字形钢梁的梁腹板紧固连接，两个T字形上约束件的其中一个设置在相应的T字形上芯板的长上芯板及两个侧向上限位件的外表面上并与该长上芯板及该两个侧向上限位件的外表面贴紧，两个T字形上约束件的剩余一个对应设置在工字形钢梁的梁腹板的另一侧面上，两个T字形上约束件与两个侧向上限位件和工字形钢梁的梁腹板紧固连接；防屈曲耗能下支撑构件由T字形下芯板、两个T字形下约束件和两个侧向下限位件组成；T字形下芯板的长下芯板的宽度方向的两个侧端面上各加工有一个与侧向下限位件形状相吻合的第二凹槽，每个第二凹槽内装有一个侧向下限位件，T字形下芯板的短下芯板与固装有钢垫板的工字形钢柱的柱翼缘和工字形钢梁的梁腹板紧固连接，两个T字形下约束件的其中一个设置在相应的T字形下芯板的长下芯板及两个侧向下限位件的外表面上并与该长下芯板及该两个侧向下限位件的外表面贴紧，两个T字形下约束件的剩余一个对应设置在工字形钢梁的梁腹板的另一侧面上，两个T字形下约束件与两个侧向下限位件和工字形钢梁的梁腹板紧固连接。
本发明具有以下有益效果：本发明具有施工安装简便、不影响建筑使用功能以及易于震后修复和减少震后经济损失等优点。本发明的优点具体表现在以下几个方面：一、梁柱节点的施工安装主要采用螺栓(高强度)连接，且避免了梁端翼缘的焊接工序，既提高了施工安装的效率，也消除了焊接对梁柱节点性能的不利影响；二、耗能元件(即防屈曲耗能支撑构件)设置在梁柱节点处，能够很好地解决传统耗能元件设置方式对建筑使用功能的限制；三、地震过后，只需把耗能梁柱节点处的防屈曲耗能支撑构件进行更换即可，而原来的工字形钢柱和工字形钢梁仍然可以继续使用，因此这种耗能梁柱节点既不影响震后重建，又能大大减少震后修复所需费用，经济性十分明显。
附图说明
图1是在梁柱开间内部设置耗能元件的耗能方式示意图(图中1是金属阻尼器，2是普通支撑)；图2是在梁柱开间内部设置耗能元件的耗能方式示意图(图中3是粘滞阻尼器)；图3是在梁柱开间内部设置耗能元件的耗能方式示意图(图中4是防屈曲耗能支撑阻尼器)；图4是梁端屈服的耗能方式示意图(图中5是梁端塑性耗能区)；图5是传统梁端翼缘焊接的刚性节点构造图(图中6是工字形钢梁，7是工字形钢柱)，图6是图5的A-A剖视图；图7是传统梁端翼缘焊接的“狗骨式”梁柱节点构造图(图中8是工字形钢梁两端的带翼缘截面削弱的塑性耗能区域)，图8是图7的B-B剖视图；图9是本发明的防屈曲支撑耗能梁柱节点构造图，图10是图9的C-C剖视图，图11是图9的D-D剖视图，图12是图9的E-E剖视图，图13是图9的F-F剖视图，图14是图9的6-6剖视图；图15是本发明的防屈曲支撑耗能梁柱节点制作流程示意图；图16是本发明的实际工程应用实例图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图9～图15说明，本实施方式的防屈曲支撑耗能梁柱节点9包括工字形钢柱9-1和工字形钢梁9-2；本实施方式的防屈曲支撑耗能梁柱节点9还包括两个钢垫板9-3、两个角钢连接件9-4及两个防屈曲耗能支撑构件；两个防屈曲耗能支撑构件由一个防屈曲耗能上支撑构件9-5及一个防屈曲耗能下支撑构件9-6组成；两个钢垫板9-3均固定在工字形钢柱9-1的同一个柱翼缘9-1-1的外表面上，且两个钢垫板9-3与两个角钢连接件9-4一一对应设置，钢垫板9-3位于工字形钢柱9-1和角钢连接件9-4之间，固装有钢垫板9-3的工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1与两个钢垫板9-3及两个角钢连接件9-4的两个侧板紧固连接，两个角钢连接件9-4对称布置在工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1的两侧且位于工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1的一侧端处，两个角钢连接件9-4的另两个侧板与工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1紧固连接，工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1的上下两端各分别设置有一个防屈曲耗能上支撑构件9-5和一个防屈曲耗能下支撑构件9-6，且防屈曲耗能上支撑构件9-5设置在工字形钢梁9-2靠近其上梁翼缘9-2-2处，防屈曲耗能下支撑构件9-6设置在工字形钢梁9-2靠近其下梁翼缘9-2-3处，防屈曲耗能上支撑构件9-5和防屈曲耗能下支撑构件9-6均分别与工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1紧固连接。
具体实施方式二：结合图9～图15说明，本实施方式的防屈曲耗能上支撑构件9-5由T字形上芯板9-5-1、两个T字形上约束件9-5-3和两个侧向上限位件9-5-2组成；T字形上芯板9-5-1的长上芯板9-5-1-1的宽度方向的两个侧端面上各加工有一个与侧向上限位件9-5-2形状相吻合的第一凹槽9-5-1-2，每个第一凹槽9-5-1-2内装有一个侧向上限位件9-5-2，T字形上芯板9-5-1的短上芯板9-5-1-3与工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1紧固连接，两个T字形上约束件9-5-3的其中一个设置在相应的T字形上芯板9-5-1的长上芯板9-5-1-1及两个侧向上限位件9-5-2的外表面上并与其贴紧，两个T字形上约束件9-5-3的剩余一个对应设置在工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1的另一侧面上，两个T字形上约束件9-5-3与两个侧向上限位件9-5-2和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1紧固连接；防屈曲耗能下支撑构件9-6由T字形下芯板9-6-1、两个T字形下约束件9-6-3和两个侧向下限位件9-6-2组成；T字形下芯板9-6-1的长下芯板9-6-1-1的宽度方向的两个侧端面上各加工有一个与侧向下限位件9-6-2形状相吻合的第二凹槽9-6-1-2，每个第二凹槽9-6-1-2内装有一个侧向下限位件9-6-2，T字形下芯板9-6-1的短下芯板9-6-1-3与固装有钢垫板9-3的工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1紧固连接，两个T字形下约束件9-6-3的其中一个设置在相应的T字形下芯板9-6-1的长下芯板9-6-1-1及两个侧向下限位件9-6-2的外表面上并与其贴紧，两个T字形下约束件9-6-3的剩余一个对应设置在工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1的另一侧面上，两个T字形下约束件9-6-3与两个侧向下限位件9-6-2和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1紧固连接。如此设置，结构简单，容易安装，对建筑使用功能不受限制。其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图9～图15说明，本实施方式的固装有钢垫板9-3的工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1与两个钢垫板9-3及两个角钢连接件9-4的两个侧板之间、两个角钢连接件9-4的另两个侧板与工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1之间、防屈曲耗能上支撑构件9-5与工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1之间以及防屈曲耗能下支撑构件9-6与工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1之间均分别通过多个高强螺栓紧固连接。如此设置，连接可靠，连接后整体强度高。其它与实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图9～图15说明，本实施方式的T字形上芯板9-5-1的短上芯板9-5-1-3与工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1之间、两个T字形上约束件9-5-3与两个侧向上限位件9-5-2和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1之间、T字形下芯板9-6-1的短下芯板9-6-1-3与工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1之间以及两个T字形下约束件9-6-3与两个侧向下限位件9-6-2和工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1之间均分别通过多个高强螺栓紧固连接。如此设置，连接可靠，连接后整体强度高。其它与实施方式二相同。
实施例：结合图16说明，本实施方式是将本发明安装在实际工程中的一个实施例：工字形钢梁9-2上的翼缘表面与混凝土楼板10现浇为一体，混凝土楼板10上放有轻质墙板11并开有大窗户12，轻质墙板11与工字形钢柱9-1以及工字形钢梁9-2之间留有一定的间隙以防止地震作用下轻质墙板11与工字形钢柱9-1和工字形钢梁9-2发生碰撞。
本发明的工作原理是：在竖向荷载作用下，角钢连接件9-4主要承担梁端的竖向剪力以及梁端弯矩；在小震作用下，防屈曲耗能支撑构件与角钢连接件9-4共同作用，防屈曲耗能支撑构件主要承担水平地震作用下所产生的梁端弯矩；而角钢连接件9-4则主要承受水平地震作用所产生的附加梁端剪力。在小震作用下，防屈曲耗能支撑构件始终保持弹性，能够增加梁柱节点的相对转动刚度；而在中震或大震作用下，防屈曲耗能支撑构件将进入塑性，梁柱节点的相对转动刚度变柔，既能减少结构的地震作用也能消耗地震能量，从而使工字形钢柱9-1和工字形钢梁9-2都始终保持弹性状态。
本发明的防屈曲支撑耗能梁柱节点的加工方法是按照以下步骤实现的：步骤一、两个钢垫板9-3上和工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1上分别开相匹配的螺栓孔，再将两个钢垫板9-3与工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1点焊固定；步骤二、把角钢连接件9-4的一侧板与开螺栓孔的工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1相靠并对称分布在其两侧，彼此之间通过高强螺栓紧固；步骤三、钢垫板9-3与工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1上的角钢连接件9-4另一侧面之间用高强螺栓进行紧固连接；步骤四、待主要的竖向荷载都施加到梁上后(如现浇混凝土楼板、隔墙等)再把T字形上芯板9-5-1和T字形下芯板9-6-1的两端通过高强螺栓分别与工字形钢柱9-1的柱翼缘9-1-1以及工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1固定，且令T字形上芯板9-5-1和T字形下芯板9-6-1贴紧工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1；步骤五、把侧向上限位件9-5-2定位于T字形上芯板9-5-1的第一凹槽9-5-1-2内，把侧向下限位件9-6-2定位于T字形下芯板9-6-1的第二凹槽9-6-1-2内，把两个T字形上约束件9-5-3分别夹于T字形上芯板9-5-1的上方以及工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1的另一侧面(背面)并用高强度螺栓将两个T字形上约束件9-5-3、两个侧向上限位件9-5-2以及工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1相互夹紧；同理，把两个T字形下约束件9-6-3分别夹于T字形下芯板9-6-1的上方以及工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1的另一侧面(背面)并用高强度螺栓将两个T字形下约束件9-6-3、两个侧向下限位件9-6-2以及工字形钢梁9-2的梁腹板9-2-1相互夹紧。
Claims (3)
1.一种防屈曲支撑耗能梁柱节点，所述防屈曲支撑耗能梁柱节点(9)包括工字形钢柱(9-1)和工字形钢梁(9-2)；其特征在于：所述防屈曲支撑耗能梁柱节点(9)还包括两个钢垫板(9-3)、两个角钢连接件(9-4)及两个防屈曲耗能支撑构件；两个防屈曲耗能支撑构件由一个防屈曲耗能上支撑构件(9-5)及一个防屈曲耗能下支撑构件(9-6)组成；两个钢垫板(9-3)均固定在工字形钢柱(9-1)的同一个柱翼缘(9-1-1)的外表面上，且两个钢垫板(9-3)与两个角钢连接件(9-4)一一对应设置，钢垫板(9-3)位于工字形钢柱(9-1)和角钢连接件(9-4)之间，固装有钢垫板(9-3)的工字形钢柱(9-1)的柱翼缘(9-1-1)与两个钢垫板(9-3)及两个角钢连接件(9-4)的两个侧板紧固连接，两个角钢连接件(9-4)对称布置在工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)的两侧且位于工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)的一侧端处，两个角钢连接件(9-4)的另两个侧板与工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)紧固连接，工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)的上下两端各分别设置有一个防屈曲耗能上支撑构件(9-5)和一个防屈曲耗能下支撑构件(9-6)，且防屈曲耗能上支撑构件(9-5)设置在工字形钢梁(9-2)靠近其上梁翼缘(9-2-2)处，防屈曲耗能下支撑构件(9-6)设置在工字形钢梁(9-2)靠近其下梁翼缘(9-2-3)处，防屈曲耗能上支撑构件(9-5)和防屈曲耗能下支撑构件(9-6)均与工字形钢柱(9-1)的柱翼缘(9-1-1)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)紧固连接；防屈曲耗能上支撑构件(9-5)由T字形上芯板(9-5-1)、两个T字形上约束件(9-5-3)和两个侧向上限位件(9-5-2)组成；T字形上芯板(9-5-1)的长上芯板(9-5-1-1)的宽度方向的两个侧端面上各加工有一个与侧向上限位件(9-5-2)形状相吻合的第一凹槽(9-5-1-2)，每个第一凹槽(9-5-1-2)内装有一个侧向上限位件(9-5-2)，T字形上芯板(9-5-1)的短上芯板(9-5-1-3)与工字形钢柱(9-1)的柱翼缘(9-1-1)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)紧固连接，两个T字形上约束件(9-5-3)的其中一个设置在相应的T字形上芯板(9-5-1)的长上芯板(9-5-1-1)及两个侧向上限位件(9-5-2)的外表面上并与该长上芯板(9-5-1-1)及该两个侧向上限位件(9-5-2)的外表面贴紧，两个T字形上约束件(9-5-3)的剩余一个对应设置在工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)的另一侧面上，两个T字形上约束件(9-5-3)与两个侧向上限位件(9-5-2)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)紧固连接；防屈曲耗能下支撑构件(9-6)由T字形下芯板(9-6-1)、两个T字形下约束件(9-6-3)和两个侧向下限位件(9-6-2)组成；T字形下芯板(9-6-1)的长下芯板(9-6-1-1)的宽度方向的两个侧端面上各加工有一个与侧向下限位件(9-6-2)形状相吻合的第二凹槽(9-6-1-2)，每个第二凹槽(9-6-1-2)内装有一个侧向下限位件(9-6-2)，T字形下芯板(9-6-1)的短下芯板(9-6-1-3)与固装有钢垫板(9-3)的工字形钢柱(9-1)的柱翼缘(9-1-1)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)紧固连接，两个T字形下约束件(9-6-3)的其中一个设置在相应的T字形下芯板(9-6-1)的长下芯板(9-6-1-1)及两个侧向下限位件(9-6-2)的外表面上并与该长下芯板(9-6-1-1)及该两个侧向下限位件(9-6-2)的外表面贴紧，两个T字形下约束件(9-6-3)的剩余一个对应设置在工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)的另一侧面上，两个T字形下约束件(9-6-3)与两个侧向下限位件(9-6-2)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)紧固连接。
2.根据权利要求1所述的防屈曲支撑耗能梁柱节点，其特征在于：固装有钢垫板(9-3)的工字形钢柱(9-1)的柱翼缘(9-1-1)与两个钢垫板(9-3)及两个角钢连接件(9-4)的两个侧板之间、两个角钢连接件(9-4)的另两个侧板与工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)之间、防屈曲耗能上支撑构件(9-5)与工字形钢柱(9-1)的柱翼缘(9-1-1)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)之间以及防屈曲耗能下支撑构件(9-6)与工字形钢柱(9-1)的柱翼缘(9-1-1)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)之间均分别通过多个高强螺栓紧固连接。
3.根据权利要求1所述的防屈曲支撑耗能梁柱节点，其特征在于：T字形上芯板(9-5-1)的短上芯板(9-5-1-3)与工字形钢柱(9-1)的柱翼缘(9-1-1)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)之间、两个T字形上约束件(9-5-3)与两个侧向上限位件(9-5-2)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)之间、T字形下芯板(9-6-1)的短下芯板(9-6-1-3)与工字形钢柱(9-1)的柱翼缘(9-1-1)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)之间以及两个T字形下约束件(9-6-3)与两个侧向下限位件(9-6-2)和工字形钢梁(9-2)的梁腹板(9-2-1)之间均分别通过多个高强螺栓紧固连接。
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