CN105178466B - 一种采用组合拉杆的自复位钢连梁体系 - Google Patents

一种采用组合拉杆的自复位钢连梁体系 Download PDF

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本发明公开了一种采用组合拉杆的自复位钢连梁体系。本发明中的钢连梁可以采用任何适合实际需要的截面形式与长度尺寸，组合拉杆由形状记忆合金段和钢材段组合而成，贯穿整个钢连梁，锚固于连梁两端的主结构构件上。组合拉杆在锚固前施加预应力，从而在钢连梁与其所连接的主结构构件之间形成预压力。在设计地震荷载下，组合拉杆中的形状记忆合金段将发生超弹性变形，组合拉杆中的钢材段将处于弹性状态，钢连梁除端部局部接触应力集中部位外整体处于弹性状态，钢连梁与其所连接的主结构构件之间出现间隙。在荷载消失后，钢连梁与其所连接的主结构构件之间的间隙将消除，整个连梁体系复位到初始状态，无全局的残余变形。

Description

一种采用组合拉杆的自复位钢连梁体系
技术领域
本发明涉及一种钢连梁体系，尤其涉及一种采用组合拉杆的、具有自复位功能的、抗震钢连梁体系。
背景技术
连梁是建筑结构中的一种重要构件，主要承受剪力与弯矩。在抗震结构中，钢连梁一般被设计成允许发生塑性剪切变形，从而达到增加结构延性与耗能的目的。上述塑性剪切变形将使连梁结构在地震后存在较大的残余变形，修复成本较高。近年来兴起自复位结构体系的概念，其核心是通过采用一定的装置提供抗震结构的自恢复力与耗能能力，达到减小结构震后残余变形、免修复的目的。
对于自复位连梁结构而言，一般的思路是采用预应力钢拉索提供自恢复力、采用角钢或摩擦耗能装置提供耗能能力。这种将自恢复装置与耗能装置分离的思路在构造上相对复杂，同时存在角钢在震后需要替换、摩擦耗能装置安装要求高等不足。基于自复位结构体系的原理，利用形状记忆合金特有的超弹性性能，本发明提出了一种采用形状记忆合金与钢材组合拉杆的自复位钢连梁体系。目前尚无采用此类组合拉杆的自复位钢连梁体系。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种采用组合拉杆的自复位钢连梁体系。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种采用组合拉杆的自复位钢连梁体系，由钢连梁与组合拉杆组成，所述钢连梁介于所需连接的主结构构件之间，所述组合拉杆布置于连梁的高度范围内，组合拉杆贯穿钢连梁的全长，两端锚固于钢连梁所连接的主结构构件上，钢连梁的端板与主结构构件的端板之间无直接的焊接或螺栓连接。
进一步地，所述组合拉杆由形状记忆合金段和钢材段组合而成。
进一步地，在设计地震荷载的作用下，组合拉杆中的形状记忆合金段将发生超弹性变形，组合拉杆的钢材段将处于弹性状态，钢连梁除端部局部接触部位外整体处于弹性状态，钢连梁与其所连接的主结构构件之间将出现间隙，在荷载消失后，钢连梁与其所连接的主结构构件之间的间隙将消除，整个连梁体系复位到初始状态，无全局残余变形。
进一步地，所述组合拉杆的两端为钢材段。
进一步地，所述组合拉杆两端的钢材段设计成螺纹形式，采用螺栓紧固的方式施加预应力。
进一步地，所述组合拉杆的两端锚固于位于主结构构件上的锚固板上，锚固板的位置可根据组合拉杆的长度来确定，当组合拉杆的长度较小时，也可直接锚固于主结构构件的端板上。
进一步地，在主结构构件的端板上位于连梁顶端和低端的位置分别焊有限位键，以防止连梁竖向滑移。
进一步地，所述钢连梁的截面选择需要保证钢连梁在组合拉杆中的形状记忆合金达到最大可恢复应力时，除端部局部接触应力集中部位外整体处于弹性状态。
进一步地，所述组合拉杆的长度以及形状记忆合金段的长度的选择需要保证在设计要求的连梁转角变形下形状记忆合金段的应变处于可恢复的范围内，所述形状记忆合金段的截面与钢材段的截面选择需要保证在设计荷载下形状记忆合金段的应力处于可恢复的范围内、钢材段的应力处于弹性范围内。
本发明的有益效果是：在设计地震荷载下，组合拉杆中的形状记忆合金段将发生超弹性变形，组合拉杆的钢材段将处于弹性状态，钢连梁除端部局部接触应力集中部位外整体处于弹性状态；在荷载消失后，整个连梁体系将恢复到初始状态，无全局残余变形，无需维修。同时，通过改变形状记忆合金段和钢材段的长度比和截面积比可调节组合拉杆的内力与伸长量关系，从而在不同的钢连梁长度与转角变形要求下，都能确保形状记忆合金段达到或接近最大的可恢复应力，使其性能得到充分利用。
附图说明
图1为本发明中采用组合拉杆的自复位钢连梁体系的示意图；
图2为本发明中采用组合拉杆的自复位钢连梁体系达到设计转角时的变形示意图；
图中，钢连梁1、主结构构件2、形状记忆合金段3、钢材段4、主结构构件端板5、主结构构件锚固板6、钢连梁端板7、限位键8、锚固装置9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一下详细说明。
如图1所示，本发明一种采用组合拉杆的自复位钢连梁体系，由钢连梁1与组合拉杆组成，所述钢连梁1介于所需连接的主结构构件2之间，所述组合拉杆布置于钢连梁1的高度范围内，组合拉杆贯穿钢连梁1的全长，两端锚固于钢连梁1所连接的主结构构件2上，钢连梁端板7与主结构构件端板5之间无直接的焊接或螺栓连接。
所述组合拉杆由形状记忆合金段3和钢材段4组合而成。
在设计地震荷载的作用下，组合拉杆中的形状记忆合金段3将发生超弹性变形，组合拉杆的钢材段4将处于弹性状态，钢连梁1除端部局部接触部位外整体处于弹性状态，钢连梁1与其所连接的主结构构件2之间将出现间隙，在荷载消失后，钢连梁1与其所连接的主结构构件2之间的间隙将消除，整个连梁体系复位到初始状态，无全局残余变形。
优选地，所述组合拉杆的两端为钢材段4，中间为形状记忆合金段3。优选地，所述组合拉杆两端的钢材段4设计成螺纹形式，采用螺栓紧固的方式施加预应力。
所述组合拉杆的两端锚固于主结构构件锚固板6上，锚固板6的位置可根据组合拉杆的长度来确定，当组合拉杆的长度较小时，也可直接锚固于主结构构件端板5上。
在主结构构件2的端板上位于连梁顶端和低端的位置分别焊有限位键8，以防止连梁竖向滑移。
所述钢连梁1的截面选择需要保证钢连梁在组合拉杆中的形状记忆合金达到最大可恢复应力时，除端部局部接触应力集中部位外整体处于弹性状态。
所述组合拉杆的长度以及形状记忆合金段3的长度的选择需要保证在设计要求的连梁转角变形下形状记忆合金段3的应变处于可恢复的范围内，所述形状记忆合金段3的截面与钢材段4的截面选择需要保证在设计荷载下形状记忆合金段3的应力处于可恢复的范围内、钢材段4的应力处于弹性范围内。
1、组合拉杆的选择。如图1所示，所述钢连梁1的长度为e,钢连梁端板7高度为h，所述组合拉杆的长度为l，所述形状记忆合金段3的长度为l1。如图2所示，所述采用组合拉杆的自复位钢连梁体系的设计转角为γd，根据几何关系和力的平衡关系，所述形状记忆合金段3的长度l1和截面积A1可通过下面公式估算：
其中，α为钢材段截面积A2和形状记忆段截面积A1的比值，Es为钢材的弹性模量，ε0和εu分别为形状记忆合金段的初始应变和最大可恢复应变，σ0和σu分别为形状记忆合金段的初始应力和最大可恢复应力，n为组合拉杆的数量，Vn为钢连梁的名义设计剪力，σy为形状记忆合金段的屈服应力。l的取值需大于等于钢连梁长度与两端最小锚固长度之和，l1的值必须小于等于l，否则需要增大l的取值。为确保当形状记忆合金段达到最大可恢复应力时钢材段仍处于弹性状态，要求α的取值满足以下要求：
其中，σsy为钢材段的屈服应力。钢材段的总长度l2和截面积A2可通过以下公式确定：
L2＝L-L1
A2＝αa1
2、钢连梁的截面选择。为保证钢连梁在设计荷载下除端部局部接触应力集中部位外整体处于弹性状态，要求其截面弹性抗剪强度Ve和弹性抗弯强度Me分别小于等于形状记忆合金段达到最大可恢复应力σu时的连梁剪力Vu和连梁弯矩Mu，Vu和Mu可通过以下公式估算：
3、组合拉杆的预应力施加。为保证结构具有一定的初始线性刚度，形状记忆合金段3需要施加一定的预应力，可将组合拉杆两端的钢材段4设计成螺纹形式，然后采用螺栓紧固的方式施加预应力，也可采用专门的锚固装置9。
4、结构的组装。待主结构构件2安装完成后，将钢连梁1吊装至设计位置，搁置于下方的限位键8上，然后将组合拉杆穿过端板和锚固板，采用特制的螺帽将组合拉杆固定于锚固板并紧固到指定的预拉力，在组合拉杆的预拉力的作用下连梁与主结构构件预压结合在一起。

Claims (4)

1.一种采用组合拉杆的自复位钢连梁体系，其特征在于，由钢连梁与组合拉杆组成，所述组合拉杆贯穿钢连梁的全长，两端锚固于钢连梁所连接的主结构构件上；所述组合拉杆由形状记忆合金段和钢材段组合而成；在设计地震荷载的作用下，组合拉杆中的形状记忆合金段将发生超弹性变形，组合拉杆的钢材段将处于弹性状态，钢连梁除端部局部接触部位外整体处于弹性状态，钢连梁与其所连接的主结构构件之间将出现间隙，在荷载消失后，钢连梁与其所连接的主结构构件之间的间隙将消除，整个连梁体系复位到初始状态，无全局残余变形。
2.如权利要求1所述的采用组合拉杆的自复位钢连梁体系，其特征在于，所述组合拉杆的两端为钢材段。
3.如权利要求2所述的采用组合拉杆的自复位钢连梁体系，其特征在于，所述组合拉杆两端的钢材段设计成螺纹形式，采用螺栓紧固的方式施加预应力。
4.如权利要求1-3任一项所述的采用组合拉杆的自复位钢连梁体系，其特征在于，所述组合拉杆的两端锚固于位于主结构构件上的锚固板上，或直接锚固于主结构构件的端板上。
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