CN105672476A - 一种形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，该节点由柱、牛腿、梁、腹板螺栓、腹板拼接板、形状记忆合金丝、翼缘拼接板、双螺母螺栓组成，所述柱沿梁方向伸出牛腿，牛腿的腹板与梁的腹板采用采用高强度螺栓拼接，牛腿的翼缘与梁的翼缘拼接，拼接时采用双螺母螺栓，形状记忆合金丝缠绕于双螺母螺栓之间。本发明的形状记忆合金复合翼缘摩擦钢结构梁柱拼接节点，小震时，由摩擦阻尼提供耗能能力，大震时，由摩擦阻尼和超弹性阻尼共同提供耗能能力，震后节点能够恢复初始状态，具有构造简单、实用性强、受力明确、高耗能、自复位等优点。

Description

一种形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点
技术领域
本发明属于建筑工程技术领域，涉及一种形状记忆合金复合翼缘摩擦的梁柱拼接节点，尤其适用于对抗震自复位性能有较高要求的钢框架结构。
背景技术
钢结构具有轻质高强、抗震性能好、建设周期短等优点，被广泛应用于各类建筑结构中，是目前应用最为广泛的结构形式之一。我国是个地震多发的国家，对于建筑结构的抗震性能要求较高，尤其是高层和超高层建筑的抗震问题更为突出。因此，钢结构体系的抗震性能研究具有十分重要的社会和经济意义。
随着建筑结构抗震理论与技术研究的深入，如何设计出地震中不发生破坏或是仅发生可以迅速修复破坏的结构，逐渐成为当前工程抗震的重要方向之一。这种可恢复结构体系主要包括可更换结构构件、摇摆结构和自复位结构等。可自复位的球入式带翼摇摆隔震墩柱(CN104278620A)，自复位梁-格栅式摩擦墙结构体系(CN203583708U)、带可更换连梁的自复位剪力墙(CN203626080U)等公开专利就对可恢复结构体系进行了创新设计。与此同时，作为建筑结构体系中最为关键的构件节点也成为创新开发的热点之一，已公开的一些专利中如：一种具有自复位功能的带角钢装配式混凝土框架组合节点(CN204385908U)、一种具有自复位功能的装配式混凝土框架组合节点(CN204385909U)、一种自复位框架梁柱节点(CN203096950U)等。
形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy，SMA）是一种重要的智能材料，具有抗疲劳性好、阻尼能力强、可恢复变形大及性能稳定等优点。目前，在土木工程领域已较多地应用于消能减振结构体系中的阻尼器中。在自复位节点方面也有了一些新型设计，如采用形状记忆合金螺栓的钢管柱-H形梁节点(CN103216010B)、一种采用形状记忆合金螺栓的自复位钢连梁(CN105113641B)、基于形状记忆合金环簧组的自复位钢结构梁柱抗震节点(CN105239674A)等。这些节点中，所用的形状记忆合金主要是螺杆、螺栓等形式，但形状记忆合金螺栓由于其机械敏感性，避免其端部螺纹部分的断裂问题是阻碍其安全应用的一大难题；另外，目前的形状记忆合金制作和加工水平下，成本相同时，较大直径的棒或杆的形式的形状记忆合金性能较丝材差；同时，单纯地利用形状记忆合金材料来耗散地震能量，将对形状记忆合金材料提出过高的要求，这些都将很大程度上影响形状记忆合金在自复位节点中发挥应有的作用。
因此，开发一种利用性能更加稳定的形状记忆合金丝材来进行节点复位的高耗能节点，将有一定的现实意义。
发明内容
本发明的目的是利用性能更加稳定的形状记忆合金丝材设计一种高耗能的自复位钢结构梁柱节点。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，该节点包括柱、牛腿和梁，所述柱沿梁方向连接并伸出牛腿，所述牛腿的腹板与梁的腹板之间通过腹板拼接板及腹板螺栓拼接在一起，所述牛腿的翼缘与梁的翼缘之间通过翼缘拼接板及双螺母螺栓拼接在一起，所述双螺母螺栓与翼缘拼接板之间缠绕有形状记忆合金丝，并且所述双螺母螺栓对形状记忆合金丝施加适当的预应力。
进一步的，所述牛腿与梁的腹板及翼缘之间的拼接处留有间隙，所述翼缘拼接板上与梁的翼缘连接部分的螺栓孔为带有行程的长圆孔，用于与双螺母螺栓配合，并且所述翼缘拼接板与梁的翼缘的接触面为摩擦处理面，用于为梁的翼缘与翼缘拼接板相对滑动时提供摩擦阻尼。
进一步的，所述双螺母螺栓由外螺母、内螺母和螺杆组成，所述螺杆两端安装有外螺母，在外螺母与翼缘拼接板之间的螺杆位置处设有内螺母，内螺母用于给形状记忆合金丝施加预应力，外螺母用于限位形状记忆合金丝的上下移动。
进一步的，所述形状记忆合金丝缠绕设置于内螺母与外螺母之间的螺杆上。
进一步的，所述形状记忆合金丝采用NiTi形状记忆合金。
进一步的，所述外螺母为螺帽结构。
进一步的，所述柱为工字形截面或箱型截面，并且所述柱与牛腿之间为焊接连接。
进一步的，所述牛腿端部加腋设置，用于确保梁和柱节点的塑性机制发生在牛腿与梁的拼接位置，所述柱中部与牛腿的翼缘对应连接处设置有加劲肋，用于传递弯矩产生的集中力。
本发明的有益效果是:
本发明由于利用了形状记忆合金丝材作为复位材料，相较于利用棒材的形状记忆合金螺栓和螺杆更具有实用性；小震时，由摩擦阻尼提供耗能能力，大震时，由摩擦阻尼和超弹性阻尼共同提供耗能能力，在地震发生时，有效地耗散了地震能量，保护了主体结构；利用形状记忆合金丝的超弹性，使得震后节点能够恢复初始状态。本发明的形状记忆合金复合翼缘摩擦钢结构梁柱拼接节点具有实用性强、受力明确、高耗能、自复位等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明图1中的俯视图；
图3是本发明图1中B-B剖面结构示意图;
图4是本发明的翼缘拼接剖面示意详图。
图中标号说明：1.柱，2.牛腿，3.梁，4.腹板螺栓，5.腹板拼接板，6.形状记忆合金丝，7.翼缘拼接板，8.双螺母螺栓，81.外螺母，82.内螺母，83.螺杆。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1至图4所示，一种形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，该节点包括柱1、牛腿2和梁3，所述柱1沿梁3方向连接并伸出牛腿2，所述牛腿2的腹板与梁3的腹板之间通过腹板拼接板5及腹板螺栓4拼接在一起，所述牛腿2的翼缘与梁3的翼缘之间通过翼缘拼接板7及双螺母螺栓8拼接在一起，所述双螺母螺栓8与翼缘拼接板7之间缠绕有形状记忆合金丝6，并且所述双螺母螺栓8对形状记忆合金丝6施加适当的预应力。
所述牛腿2与梁3的腹板及翼缘之间的拼接处留有间隙，所述翼缘拼接板7上与梁3的翼缘连接部分的螺栓孔为带有行程的长圆孔，其短向尺寸比配合的螺栓直径大1-2mm，长向尺寸根据计算确定，梁3上的螺栓孔为正常圆形孔，孔洞直径比配合的螺栓直径大1-2mm，用于与双螺母螺栓8配合，并且所述翼缘拼接板7与梁3的翼缘的接触面为摩擦处理面，用于为梁3的翼缘与翼缘拼接板7相对滑动时提供摩擦阻尼。
所述双螺母螺栓8由外螺母81、内螺母82和螺杆83组成，所述螺杆83两端安装有外螺母81，在外螺母81与翼缘拼接板7之间的螺杆83位置处设有内螺母82，内螺母82用于给形状记忆合金丝6施加预应力，外螺母81用于限位形状记忆合金丝6的上下移动。
所述形状记忆合金丝6缠绕设置于内螺母82与外螺母(81)之间的螺杆83上。
所述形状记忆合金丝6采用NiTi形状记忆合金。
所述外螺母81为螺帽结构。
所述柱1为工字形截面或箱型截面，并且所述柱1与牛腿2之间为焊接连接。
所述牛腿2端部加腋设置，用于确保梁3和柱1节点的塑性机制发生在牛腿2与梁3的拼接位置，所述柱1中部与牛腿2的翼缘对应连接处设置有加劲肋，用于传递弯矩产生的集中力。
以下结合技术方案和附图详述本发明的实施步骤：
步骤（1）对结构进行分析，计算拼接节点所需螺栓直径与个数、拼接板厚度、长圆孔尺寸、形状记忆合金丝直径与圈数等参数；
步骤（2）在工厂内或施工现场加工柱1及其牛腿2，并按正常施工顺序进行定位安装。
步骤（3）预先加工好双螺杆螺母8，其中一端的两个螺母可预先加工成固定的螺帽；预先加工好梁3，并在其端部开设螺孔；预先加工好拼接板，对翼缘拼接板7与梁3拼接一侧开设长圆孔；对梁3翼缘与翼缘拼接板7的接触面进行摩擦处理。
步骤（4）将梁3起吊至安装位置，在牛腿1和梁2腹板左右两侧放置腹板拼接板5，并插入腹板螺栓4，随后拧紧螺母，完成腹板拼接。
步骤（5）在牛腿1和梁2翼缘的上下两侧放置翼缘拼接板7，并插入双螺母螺栓8，而后拧紧内螺母82并施加预应力；在双螺母螺栓8的螺杆上缠绕形状记忆合金丝，并根据需要考虑施加预应力
本发明原理
正常使用时，腹板螺栓4连接承担梁3传递而来竖向荷载的剪力，双螺母螺栓8连接承担竖向荷载引起的梁端弯矩。
地震荷载较小时，腹板螺栓4仍承担剪力；梁3上、下翼缘发生滑动，其与翼缘拼接板7的接触面提供摩擦阻尼耗能；形状记忆合金丝6处于奥氏体状态，未发生相变，承担梁端弯矩，并提供刚度；地震结束时，利用形状记忆合金丝6使节点复位。
地震荷载较大时，腹板螺栓4承担剪力；梁上、下翼缘发生滑动，其与翼缘拼接板7的接触面提供摩擦阻尼耗能；翼缘滑动带动双螺母螺栓8滑动，从而拉伸形状记忆合金丝6发生马氏体相变，产生相变内耗，提供超弹性阻尼，节点形成塑性铰机制；地震结束时，利用形状记忆合金丝6的超弹性使节点复位。
在此过程中，腹板螺栓4始终承担剪力，翼缘拼接板7和梁翼缘的接触面提供摩擦阻尼，形状记忆合金丝6在较大地震荷载时提供超弹性阻尼，同时，形状记忆合金丝6提供节点复位能力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，该节点包括柱(1)、牛腿(2)和梁(3)，其特征在于，所述柱(1)沿梁(3)方向连接并伸出牛腿(2)，所述牛腿(2)的腹板与梁(3)的腹板之间通过腹板拼接板(5)及腹板螺栓(4)拼接在一起，所述牛腿(2)的翼缘与梁(3)的翼缘之间通过翼缘拼接板(7)及双螺母螺栓(8)拼接在一起，所述双螺母螺栓(8)与翼缘拼接板(7)之间缠绕有形状记忆合金丝(6)，并且所述双螺母螺栓(8)对形状记忆合金丝（6）施加适当的预应力。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，其特征在于，所述牛腿(2)与梁(3)的腹板及翼缘之间的拼接处留有间隙，所述翼缘拼接板(7)上与梁(3)的翼缘连接部分的螺栓孔为带有行程的长圆孔，用于与双螺母螺栓(8)配合，并且所述翼缘拼接板(7)与梁(3)的翼缘的接触面为摩擦处理面，用于为梁（3）的翼缘与翼缘拼接板(7)相对滑动时提供摩擦阻尼。
3.根据权利要求2所述的形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，其特征在于，所述双螺母螺栓(8)由外螺母(81)、内螺母(82)和螺杆(83)组成，所述螺杆(83)两端安装有外螺母(81)，在外螺母(81)与翼缘拼接板(7)之间的螺杆(83)位置处设有内螺母(82)，内螺母(82)用于给形状记忆合金丝（6）施加预应力，外螺母(81)用于限位形状记忆合金丝（6）的上下移动。
4.根据权利要求3所述的形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，其特征在于，所述形状记忆合金丝(6)缠绕设置于内螺母(82)与外螺母(81)之间的螺杆(83)上。
5.根据权利要求4所述的形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，其特征在于，所述形状记忆合金丝(6)采用NiTi形状记忆合金。
6.根据权利要求3或4所述的形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，其特征在于，所述外螺母(81)为螺帽结构。
7.根据权利要求1所述的形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，其特征在于，所述柱（1）为工字形截面或箱型截面，并且所述柱（1）与牛腿（2）之间为焊接连接。
8.根据权利要求7所述的形状记忆合金复合翼缘摩擦的钢结构梁柱拼接节点，其特征在于，所述牛腿（2）端部加腋设置，用于确保梁（3）和柱（1）节点的塑性机制发生在牛腿（2）与梁（3）的拼接位置，所述柱（1）中部与牛腿（2）的翼缘对应连接处设置有加劲肋，用于传递弯矩产生的集中力。
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