CN105256897A - 基于形状记忆合金螺杆的高能耗自回复梁柱节点及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆合金螺杆的高能耗自回复梁柱节点，由梁端组件、柱端组件、耗能元件、自回复元件和抗剪元件组成。耗能元件采用低强度高能耗角钢，角钢两肢分别与柱翼缘和梁翼缘通过高强螺栓连接；自回复元件采用具有超弹性性能的形状记忆合金螺杆，螺杆一端与柱连接，另一端与梁连接；抗剪元件采用开有长螺栓孔的双面抗剪板。形状记忆合金螺杆需要施加初始预应变以保证螺杆在工作过程中始终处于受拉状态。本发明还提出了对所述形状记忆合金螺杆热处理和训练的方法、以及对形状记忆合金螺杆施加初始预应变的方法。本发明的优点包括：可以施加较大的螺杆初始预应变；具有较大的初始刚度和优秀的自回复能力；具有较好的滞回耗能能力。

Description

基于形状记忆合金螺杆的高能耗自回复梁柱节点及方法

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，涉及一种抗震梁柱节点，尤其是能够在震时耗能，震后自复位的智能梁柱节点。

背景技术

形状记忆合金(SMA)，作为一种新型智能金属材料，不仅具有独特的形状记忆效应和超弹性性能，还具有优越的抗疲劳性能、抗磨损性能、耐腐蚀性、滞回耗能特性以及高阻尼特性，因而被广泛应用于工程领域。近年来，随着对材料性能进一步的了解以及工业化生产能力的提高，形状记忆合金材料日益受到人们的重视，并逐渐被引入到建筑结构领域。许多学者提出将形状记忆材料做成螺杆的形式引入梁柱节点中实现节点的自复位。基于上述思想，部分国内外学者开展了相关节点的研究工作，并对这种类型节点的力学性能进行研究。研究结果表明，该类型节点具有较高的强度和良好的延性，可以有效减小节点卸载后的残余变形。不足之处在于：(1)形状记忆合金材料弹性模量小，由它连接的节点初始刚度小；(2)棒材在循环荷载作用下会产生一定量的残余变形，这导致加载后期形状记忆合金螺杆完全松动，无法满足小变形下节点刚度和回复力要求；(3)形状记忆合金材料自身滞回耗能能力有限，同时该类型节点其余组件地震时均保持在弹性范围，这导致形状记忆合金节点滞回耗能能力差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有形状记忆合金梁柱节点初始刚度小、滞回耗能能力差、形状记忆合金螺杆易松动、残余变形大的不足。提供一种基于高预应变形状记忆合金螺杆的高能耗自回复梁柱节点，该节点具有良好的自回复特性和滞回耗能能力。

另外，本发明提出了对所述的形状记忆合金螺杆热处理和训练的方法。

进一步，本发明还提出了对所述的形状记忆合金螺杆施加初始预应变的方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于高预应变形状记忆合金螺杆的高能耗自回复梁柱节点，包括梁端组件、柱端组件、耗能元件、自回复元件和抗剪元件，耗能元件采用低强度高能耗角钢，角钢两肢分别与柱翼缘和梁翼缘通过高强螺栓连接；自回复元件采用具有超弹性性能的形状记忆合金螺杆，该螺杆一端穿过柱翼缘与柱连接，另一端穿过右端板与梁连接；抗剪元件采用开有长圆孔与梁腹板等强的双面抗剪板，抗剪板与柱翼缘通过单侧角焊缝连接，与梁腹板通过抗剪螺栓连接，该抗剪螺栓无需施加预紧力。柱在与梁翼缘等高的位置设置与梁翼缘等厚的节点域加劲肋，在梁翼缘外满足螺杆安装最小构造距离的位置再设一道柱翼缘加劲肋，在柱翼缘与梁翼缘接触的部位设置一道水平垫板，该垫板上边缘超出梁端上侧，下边缘高于梁上翼缘内侧，上下侧对称布置。梁在翼缘外侧设置三道与梁轴线平行的加劲肋，该加劲肋右端与右端板焊接，左端与左端板焊接，并且左端板与梁端面平齐，梁端面与柱翼缘之间通过垫板接触，上下侧对称布置。

所采用的耗能元件必须具有低强度高能耗的特性，保证节点具有足够的耗能能力，并且在卸载过程中具有较小的自回复阻力。

所采用的形状记忆合金螺杆具有优秀的超弹性性能。具体表现为残余变形小，马氏体相变应力高、逆相变应力较高，保证节点在卸载过程中具有较大的回复力。

所采用的形状记忆合金螺杆必须施加初始预应变，保证节点卸载后形状记忆合金螺杆具有较大的回复力而没有完全松动。同时，初始预应变必须满足形状记忆合金螺杆力学特性稳定性的要求，防止预应变引发螺杆力学性能退化。建议形状记忆合金螺杆施加1.0％～2.0％的初始预应变。

所采用的抗剪元件只起节点抗剪作用，不得阻碍节点在卸载过程中自回复。

所述形状记忆合金螺杆使用前必须经过合理热处理和训练。螺杆直径小于等于16mm时，建议采用400℃保温15～30min然后水淬的热处理工艺；螺杆直径大于等于20mm时，建议采用450℃保温30～45min然后水淬的热处理工艺；形状记忆合金螺杆使用前建议进行3～10圈5％～6％的大应变循环训练。

上述热处理参数是本发明中大量实验数据的结果。实验表明热处理时间和温度随棒材直径是逐渐变化的(量变过程)，没有绝对的分界点，具体参数需要参考上述数据根据具体情况加以调整；同样的，当螺杆直径大于16mm小于20mm时，可参考上述数据根据具体情况加以调整。对于特殊直径形状记忆合金螺杆，建议进行专门的热处理和训练试验。

所述螺杆抗扭刚度小，无法按照普通方式直接施加初始预应变。该螺杆可以通过以下两种方式施加初始预应变：反扭矩法和螺栓推进法。

所述的反扭矩法，所述形状记忆合金螺杆两端分别沿螺杆轴线开两相互平行的扁势面，通过在螺杆同侧端部扁势面上施加与拧紧螺母相平衡的反扭矩，避免形状记忆合金螺杆工作段受扭,进而可以拧紧螺母给螺杆施加预应变。该方法更多的适用于大直径形状记忆合金螺杆。

所述的螺栓推进法，所述推进螺栓中空，即沿其轴线开内圆孔，螺杆部分外表面开细螺纹与节点右端板连接，形状记忆合金螺杆穿过内圆孔与节点连接，通过反向转动推进螺栓强迫形状记忆合金螺杆伸长来施加螺杆预应变。该方法更多的适用于小直径形状记忆合金螺杆。

所述节点将全部塑性变形集中在耗能元件与自回复元件上，变形过程中节点其余组件保持在弹性范围内。

形状记忆合金螺杆施加初始预应变有两种方式：反扭矩法和螺栓推进法。(1)反扭矩法:形状记忆合金螺杆螺纹段的端部沿螺杆轴线开两相互平行的扁势面，右端板上开有螺杆孔，形状记忆合金螺杆穿过螺杆孔在端部套有一个垫片和两个螺母。(2)螺栓推进法：推进螺栓是中空的，其内部沿轴线开有内圆孔以满足形状记忆合金螺杆恰好穿过，螺杆部分的外表面同样加工有外螺纹，右端板上的圆螺杆孔也开有与推进螺栓外螺纹对应的内螺纹，形状记忆合金螺杆穿过推进螺栓在端部套有两个螺母。

地震作用下，螺杆阻止节点转动并强迫梁柱间缝隙闭合，使节点产生抵抗弯矩和自回复力，角钢随着节点张开闭合而产生往复的塑性变形并耗散地震能量，抗剪板约束梁柱之间竖向相对位移，为节点提供剪切抗力，梁端组件和柱端组件始终保持在弹性范围内。地震结束后，梁端组件和柱端组件回到初始状态，由于施加较大的初始预应变，形状记忆合金螺杆即使有一定量的残余变形也可以保证螺杆卸载后仍然处于受拉状态，所以该节点可以做到卸载后完全自回复而无残余变形。

由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明将高能耗角钢引入自回复节点中，使节点在满足自回复要求的前提下具有更好的滞回耗能能力，调整角钢尺寸可以调整节点的滞回耗能能力；

2、本发明提出将形状记忆合金螺杆超弹性性能与螺杆预应变相结合，以提高节点的初始刚度和自回复能力，调整螺杆尺寸、数量以及初始预应变大小可以调整节点的初始刚度和自回复能力；

3、本发明提出两种特殊的施加螺杆预应变的方法以回避螺杆抗扭刚度小的特点，其中反扭矩法适用于大直径形状记忆合金螺杆；螺栓推进法适用于小直径形状记忆合金螺杆；

4、本发明所用螺杆长度可以根据抗震性能目标调整，同时本发明引入抗剪板抵抗节点剪力，因此本发明可以很容易地扩展到梁柱尺寸比较大的节点中。

附图说明

图1是本发明实施例的节点侧面示意图；

图2是本发明实施例的节点1-1剖面示意图；

图3是本发明实施例的节点2-2剖面示意图；

图4是本发明实施例中采用反扭矩法施加螺杆初始预应变构造详图；

图5是本发明实施例中采用螺栓推进法施加螺杆初始预应变构造详图；

其中：1、钢梁；2、钢柱；3、形状记忆合金螺杆；4、角钢；5、抗剪板；6、梁翼缘加劲肋；7、左端板；8、右端板；9、抗剪板长圆孔；10、抗剪螺栓；11、高强螺栓；12、柱翼缘加劲肋；13、节点域加劲肋；14、垫板；15、柱翼缘螺杆孔；16、柱翼缘螺栓孔；17、右端板螺杆孔；18、梁翼缘螺栓孔；19、角钢螺栓孔；20、梁腹板螺栓孔；21、梁翼缘；22、梁腹板；23柱翼缘；24、柱腹板；25、螺栓垫片；26、螺母；27、细螺纹；28、扁势面；29、螺杆工作段；30、螺杆圆弧过渡段；31、推进螺栓；32、右端板螺杆孔内螺纹；33、推进螺栓外螺纹；34、推进螺栓内圆孔。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提出一种具有较高滞回耗能性能的自回复梁柱节点，该节点通过形状记忆合金螺杆的超弹性和角钢的塑性实现节点滞回耗能，通过形状记忆合金超弹性和螺杆初始预应变实现节点自回复，克服了一般形状记忆合金节点滞回耗能差、卸载后残余变形大的不足。同时，本发明还提出了两种独特的施加螺杆初始预应变的方法，解决了因形状记忆合金螺杆扭转刚度小而无法预应变的难题。

如图1至图3所示，本节点主要由梁端组件、柱端组件、耗能元件、自回复元件和抗剪元件组成。耗能元件采用低强度高能耗角钢4，角钢两肢分别与柱翼缘23和梁翼缘21通过高强螺栓11连接；自回复元件采用具有优秀超弹性性能的形状记忆合金螺杆3，螺杆一端穿过柱翼缘23与柱2连接，另一端穿过右端板8与梁1连接；抗剪元件采用与梁腹板等强的双面抗剪板5，抗剪板5与柱翼缘23通过单侧角焊缝连接，与梁腹板22通过抗剪螺栓10连接，该螺栓孔为水平长圆孔9。为了保证梁端组件和柱端组件变形过程中始终处于弹性范围内，柱2在与梁翼缘21等高的位置设置与梁翼缘等厚的节点域加劲肋13，在梁翼缘21外满足螺杆安装最小构造距离(约4倍螺杆孔直径)的位置再设一道柱翼缘加劲肋11，在柱翼缘23与梁翼缘21接触的部位设置一道水平垫板14，该垫板上边缘超出梁端上侧，下边缘高于梁上翼缘内侧，上下侧对称布置。梁1在翼缘21外侧设置三道与梁轴线平行的加劲肋6，该加劲肋右端与右端板8焊接，左端与左端板7焊接，并且左端板与梁端面平齐，梁端面与柱翼缘之间通过垫板14接触，上下侧对称布置。

图4所示构造是本发明中所采用的反扭矩法施加螺杆初始预应变构造详图。形状记忆合金螺杆3分为三段，分别是工作段29、圆弧过渡段30和螺纹段27，螺纹段27的端部沿螺杆轴线开两相互平行的扁势面28。右端板8上开有螺杆孔17，形状记忆合金螺杆3穿过螺杆孔17在端部套有一个垫片25和两个螺母26。

图5所示构造是本发明中所采用的螺栓推进法施加螺杆初始预应变构造详图。形状记忆合金螺杆3分为三段，分别是工作段29、圆弧过渡段30和螺纹段27。推进螺栓和普通螺栓的区别在于，推进螺栓31是中空结构，内部沿轴线开有内圆孔34以满足形状记忆合金螺杆3恰好穿过，螺杆部分的外表面加工有外螺纹33。同时，右端板8上的圆螺杆孔也开有与推进螺栓外螺纹33对应的内螺纹32，形状记忆合金螺杆3穿过推进螺栓31在端部套有两个螺母26。

需要说明的是，上述两种施加初始预应变的构造形式可以在螺杆的两端均设置，也可以仅在螺杆的一端设置，具体情况取决于螺杆所需施加初始预应变的大小。

如图1至图3所示，为了固定形状记忆合金螺杆3，梁翼缘外侧设置右端板8，并与梁翼缘21焊接，翼缘加劲肋6一方面是防止右端板8发生平面外变形，另一方面是防止与垫板14接触的梁翼缘21受压发生平面外屈曲，左端板7主要是为了减小加劲肋6与垫板14接触时引起的应力集中，其中钢梁1、梁翼缘加劲肋6、左端板7、右端板8组合起来便形成梁端组件。为了保证节点有足够的刚度，钢柱2在与梁翼缘21等高的位置设置节点域加劲肋13，柱翼缘加劲肋11主要用来阻止柱翼缘23发生平面外变形，其中钢柱2、柱翼缘加劲肋11、节点域加劲肋13组合起来便形成柱端组件。梁端组件和柱端组件通过自回复元件、耗能元件和抗剪元件相连接。其中耗能元件采用低强度高能耗角钢4，例如采用屈服强度低于300Mpa的软钢、Q235钢或铝板做成的类似元件；自回复元件采用具有优秀超弹性性能的形状记忆合金螺杆3，为了确保节点震后自回复能力，形状记忆合金螺杆应该进行适当的训练以满足加载至6％应变卸载后残余应变小于0.15％；抗剪元件采用开有长圆孔与梁腹板等强的双面抗剪板5，且抗剪螺栓10无需施加预紧力，以减小抗剪板对节点自回复的阻碍作用；为了保证节点具有较大的初始刚度，梁端组件和柱端组件之间设有垫板14，确保加载初期梁翼缘21的力可以直接传递给柱腹板24。

本节点共有三种类型螺栓，第一种为形状记忆合金螺杆3，要求施加预应变1％-2％；第二种为角钢高强螺栓，按照规范要求施加预紧力；第三种为抗剪螺栓10，要求不施加预紧力。需要说明的是，具体实施例选择哪种施加螺杆初始预应变的构造形式取决于形状记忆合金螺杆的直径。当螺杆直径较大时，根据已有实验工作段直径大于等于14mm，建议采用反扭矩法，先将螺杆3穿过右端板螺栓孔17，然后套上垫片25，用手扭上两个螺母26，施加预应变时，一个扳手卡在螺杆端部扁势面28上施加反向扭矩，另一个扳手用来拧紧螺母26，避免螺杆工作段29扭转过大而无法施加预应变；当螺杆直径较小时，根据已有实验工作段直径小于等于10mm，建议采用螺栓推进法，先将推进螺栓31拧紧在开有内螺纹32的右端板8上，然后将形状记忆合金螺杆3穿过推进螺栓内圆孔34，用手扭上两个螺母26，施加预应变时，一个扳手卡在内侧螺母21上防止螺母松动，另一个扳手反向扭动推进螺栓31，推进螺栓31在向外退的同时强迫形状记忆合金螺杆3伸长，从而达到施加预应变的目的；当螺杆工作段直径在10-16mm之间，两种方法都可以，可根据具体情况选择。

地震作用下，节点分别以梁端上侧边缘和下侧边缘为转动中心往复转动。当梁端向下加载时，梁上侧的形状记忆合金螺杆3和角钢4阻止钢梁1绕梁端下侧边缘线转动，使整个节点产生抵抗弯矩。当向平衡位置卸载时，梁上侧形状记忆合金螺杆3因为初始预应变和超弹性性能强迫梁柱之间的间隙闭合，使整个节点产生自回复力。整个过程中，形状记忆合金螺杆3始终处于受拉状态，即使有残余变形出现，仅仅表现为螺杆预应变水平降低，但螺杆仍然处于伸长状态，保证节点具有充足的自回复力。另外，形状记忆合金螺杆3在地震作用下往复伸长与缩短，材料因为自身子循环滞回特性可以消耗一定的地震能量。角钢4随着节点间隙张开闭合而产生往复塑性变形，形成饱满的滞回曲线，进一步提高自回复节点滞回耗能性能。抗剪板5上开水平长圆孔9仅仅约束梁端与柱端的竖向相对位移，解决节点的抗剪问题，对梁柱的相对转动不起任何妨碍作用，以方便节点在卸载过程中自复位。

本发明的节点具有震时高能耗，震后残余变形小的优点，特别适用于对结构震后残余变形有严格要求的结构。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于形状记忆合金螺杆的高能耗自回复梁柱节点，其特征在于：包括梁端组件、柱端组件、耗能元件、自回复元件和抗剪元件，耗能元件采用低强度高能耗角钢；自回复元件采用具有超弹性性能的形状记忆合金螺杆；抗剪元件采用对节点自回复无阻碍作用的抗剪板；形状记忆合金螺杆需要施加初始预应变以保证螺杆在工作过程中始终处于受拉状态；

其中，所述角钢两肢分别与柱翼缘和梁翼缘通过高强螺栓连接；所述螺杆一端穿过柱翼缘与柱连接，另一端穿过右端板与梁连接；所述抗剪板为开有长圆孔且与梁腹板等强的双面抗剪板，抗剪板与柱翼缘通过单侧角焊缝连接，与梁腹板通过抗剪螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的高能耗自回复梁柱节点，其特征在于：所述节点将全部塑性变形集中在耗能元件与自回复元件上，变形过程中节点其余组件保持在弹性范围内。

3.根据权利要求1所述的高能耗自回复梁柱节点，其特征在于：所述的抗剪元件只起节点抗剪作用，不得阻碍节点在卸载过程中自回复；

优选的，所述抗剪元件采用开有长螺栓孔与梁腹板等强的双面抗剪板，并且抗剪螺栓无需施加预紧力。

4.根据权利要求1所述的高能耗自回复梁柱节点，其特征在于：所述柱在与梁翼缘等高的位置设置与梁翼缘等厚的节点域加劲肋，在梁翼缘外满足螺杆安装最小构造距离的位置再设一道柱翼缘加劲肋，在柱翼缘与梁翼缘接触的部位设置一道水平垫板，该垫板上边缘超出梁端上侧，下边缘高于梁上翼缘内侧，上下侧对称布置。

5.根据权利要求1所述的高能耗自回复梁柱节点，其特征在于：所述梁在翼缘外侧设置三道与梁轴线平行的加劲肋，该加劲肋右端与右端板焊接连接，左端与左端板焊接连接，并且左端板与梁端面平齐，梁端面与柱翼缘之间通过垫板接触，上下侧对称布置。

6.根据权利要求1所述的高能耗自回复梁柱节点，其特征在于：所采用的耗能元件具有低强度高能耗的特性，保证节点具有足够的耗能能力，并且在卸载过程中具有较小的自回复阻力；

优选的，采用屈服强度低于300Mpa的软钢、Q235钢或铝板做成的类似元件。

7.根据权利要求1所述的高能耗自回复梁柱节点，其特征在于：所采用的形状记忆合金螺杆具有优秀的超弹性性能，具体表现为残余变形小，马氏体相变应力高，逆相变应力较高，保证节点在卸载过程中具有较大的回复力；

优选的，所述形状记忆合金螺杆经过合理热处理和机械训练以满足加载至6％应变卸载后残余应变小于0.15％。

8.根据权利要求1所述的高能耗自回复梁柱节点，其特征在于：所述形状记忆合金螺杆需要施加初始预应变，保证节点卸载后形状记忆合金螺杆具有回复力而没有完全松动；同时，所述初始预应变应满足形状记忆合金螺杆力学稳定性的要求，防止预应变引发螺杆力学性能退化；

优选的，所述形状记忆合金螺杆施加1.0％～2.0％的初始预应变。

9.对权利要求7所述的形状记忆合金螺杆热处理和训练的方法，其特征在于：当螺杆直径小于等于16mm时，采用400℃保温15～30min然后水淬的热处理工艺；当螺杆直径大于等于20mm时，采用450℃保温30～45min然后水淬的热处理工艺；同时，形状记忆合金螺杆使用前应进行3～10圈5％～6％的大应变循环以稳定形状记忆合金螺栓的力学性能。

10.对权利要求1所述的形状记忆合金螺杆施加初始预应变的方法，其特征在于：所述形状记忆合金螺杆两端分别沿螺杆轴线开两相互平行的扁势面，通过在螺杆同侧端部扁势面上施加与拧紧螺母相平衡的反扭矩，避免形状记忆合金螺杆工作段受扭,进而可以拧紧螺母给螺杆施加预应变；

优选的，该方法适用于工作段直径大于等于14mm的形状记忆合金螺杆。

11.对权利要求1所述的形状记忆合金螺杆施加初始预应变的方法，其特征在于：将形状记忆合金螺杆穿过推进螺栓的内圆孔与节点连接，通过反向转动推进螺栓强迫形状记忆合金螺杆伸长来施加螺杆预应变；

所述推进螺栓是中空结构，内部沿轴线开有内圆孔以满足形状记忆合金螺杆穿过，螺杆部分的外表面加工有外螺纹，右端板上的圆螺杆孔开有与推进螺栓外螺纹对应的内螺纹以相互连接；

优选的，该方法适用于工作段直径小于等于10mm的形状记忆合金螺杆。