CN106968348A - 一种自复位钢框架梁柱连接节点 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种自复位钢框架梁柱连接节点，包括钢柱，所述钢柱的两侧分别与第一钢梁和第二钢梁刨平顶紧，所述钢柱与第一钢梁的上翼缘夹角处及下翼缘夹角处分别安装第一耗能装置，所述钢柱与第二钢梁的上翼缘夹角处及下翼缘夹角处分别安装第二耗能装置，所述钢柱与第一钢梁的腹板及第二钢梁的腹板之间分别安装第三耗能装置，所述第一钢梁和第二钢梁的上翼缘之间设有施加预应力的第一复位装置，所述第一钢梁和第二钢梁的下翼缘之间设有施加预应力的第二复位装置。本发明具有良好的复位能力、较大的塑性转动能力、耗能部件易于替换、固定装置不易屈曲、性能稳定。

Description

一种自复位钢框架梁柱连接节点
技术领域
本发明涉及钢框架结构的梁柱连接节点，具体涉及一种可用于实际工程且在震后具有自复位能力的钢框架梁柱节点。
背景技术
地震是一种突发性自然灾害，目前人类仍无法准确预测。地震往往会给人类带来巨大灾难，导致高额财产损失、大量人员伤亡和建筑物损毁等。随着抗震技术的不断发展，传统结构已实现“大震不倒”的抗震设防目标，但传统结构均都通过主要抗侧力构件的塑性变形来耗散地震输入能量，其会导致结构在震后出现过大的塑性变形，致使建筑物的正常使用功能中断。此外，由于结构出现过大的残余变形，给震后修复工作带着巨大技术困难，产生高昂维修费用。因此，开发残余变形小、具有自复位功能、易于修复的新型抗侧力结构尤为必要。
目前，抗弯钢框架仍是钢结构中应用最为广泛的结构类型之一，如能实现梁柱连接节点的复位功能即可实现钢框架结构的震后自复位。因此，国内外许多学者对具有自复位功能的梁柱连接节点进行了探索研究，已有的部分发明是通过设置预应力钢绞线内置于钢梁内部，且锚固于钢梁腹板的加劲肋上，地震作用时钢梁与钢柱之间的接触面张开，通过处于弹性状态的预应力钢绞线的拉伸提供复位力。为增加节点的耗能能力，还会并联一些摩擦耗能装置。此外，也有部分发明直接采用SMA制作连接螺栓，并通过SMA螺栓的拉伸提供复位。但上述发明用于实现复位的钢绞线中存在较大的预应力，往往会导致钢梁中用于锚固钢绞线的加劲肋弯曲变形过大，致使其预应力损失较多。依赖SMA螺栓提供复位的节点，由于SMA螺栓长度有限，节点的其他部件均处于弹性状态致使此类节点的转动能力或变形能力较小。因此，本发明致力于提出一种具有较大转动能力、且震后可复位的新型梁柱连接节点。通过在传统四角钢连接节点的基础上，在距离钢柱外侧表面一定距离处，将沿侧面带凹槽的U型钢板焊接于钢梁翼缘表面，并将形状记忆合金束SMA缠绕在固定装置的凹槽中，为提高形状记忆合金束SMA的耐久性，可将弹簧管套于形状记忆合金束SMA的外侧。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种耗能优良、复位能力好、SMA用量少且可控、性能稳定的新型自复位钢框架梁柱连接节点。该节点由连接钢梁与钢柱的多块角钢提供耗能，由绕缠在固定钢梁翼缘外侧表面的U形钢板的形状记忆合金束SMA实现复位功能。
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：
一种自复位钢框架梁柱连接节点，该梁柱连接节点包括钢柱，所述钢柱的两侧分别与第一钢梁和第二钢梁刨平顶紧，所述钢柱与第一钢梁的上翼缘夹角处及下翼缘夹角处分别安装第一耗能装置，所述钢柱与第二钢梁的上翼缘夹角处及下翼缘夹角处分别安装第二耗能装置，所述钢柱与第一钢梁的腹板及第二钢梁的腹板之间分别安装第三耗能装置，所述第一钢梁和第二钢梁的上翼缘之间设有施加预应力的第一复位装置，所述第一钢梁和第二钢梁的下翼缘之间设有施加预应力的第二复位装置，所述第一复位装置和第二复位装置对第一钢梁和第二钢梁的上翼缘及下翼缘构成组合预应力达到初始预设状态。
进一步的，所述第一耗能装置由第一翼缘角钢和第二翼缘角钢组成，所述第一翼缘角钢通过高强螺栓安装在钢柱与第一钢梁的上翼缘夹角处，所述第二翼缘角钢通过高强螺栓安装在钢柱与第一钢梁的下翼缘夹角处，所述第二耗能装置由第三翼缘角钢和第四翼缘角钢组成，所述第三翼缘角钢通过高强螺栓安装在钢柱与第二钢梁的上翼缘夹角处，所述第四翼缘角钢通过高强螺栓安装在钢柱与第二钢梁的下翼缘夹角处，所述第三耗能装置由第一腹板角钢、第二腹板角钢、第三腹板角钢和第四腹板角钢组成，所述第一腹板角钢和第二腹板角钢通过高强螺栓分别安装在钢柱与第一钢梁的两侧腹板之间，所述第三腹板角钢和第四腹板角钢通过高强螺栓分别安装在钢柱与第二钢梁的两侧腹板之间。
进一步的，所述第一复位装置包括带凹槽的第一U形钢板和第二U形钢板，所述第一U形钢板和第二U形钢板分别安装在第一钢梁和第二钢梁的上翼缘，在所述第一U形钢板和第二U形钢板之间通过相应的凹槽缠绕有第一形状记忆合金束，所述第一形状记忆合金束对第一U形钢板和第二U形钢板直接施加预应力，所述第二复位装置包括带凹槽的第三U形钢板和第四U形钢板，所述第三U形钢板和第四U形钢板分别安装在第一钢梁和第二钢梁的下翼缘，在所述第三U形钢板和第四U形钢板之间通过相应的凹槽缠绕有第二形状记忆合金束，所述第二形状记忆合金束对第三U形钢板和第四U形钢板直接施加预应力。
进一步的，所述第一形状记忆合金束穿过第一翼缘角钢、第三翼缘角钢和钢柱预留的孔洞，所述第二形状记忆合金束穿过第二翼缘角钢、第四翼缘角钢和钢柱预留的孔洞。
进一步的，所述第一U形钢板和第三U形钢板通过焊接方式分别固定在第一钢梁的上翼缘和下翼缘，所述第二U形钢板和第四U形钢板通过焊接方式分别固定在第二钢梁的上翼缘和下翼缘。
进一步的，所述第一形状记忆合金束和第二形状记忆合金束的长度由钢柱与第一钢梁及第二钢梁的连接节点的最大转角确定，所述第一形状记忆合金束和第二形状记忆合金束的用量由钢柱与第一钢梁及第二钢梁的连接节点的滞回特征确定。
进一步的，所述第一U形钢板、第二U形钢板、第三U形钢板和第四U形钢板上的凹槽沿自身U形侧面设置。
进一步的，所述第一U形钢板、第二U形钢板、第三U形钢板和第四U形钢板上设有保护套。
进一步的，所述第一形状记忆合金束和第二形状记忆合金束上套接有弹簧管。
本发明的有益效果是:
本发明的自复位钢框架梁柱节点，不仅耗能优良、复位能力好、形状记忆合金束（SMA）用量可控，而且因为形状记忆合金束（SMA）绕缠在钢梁上、下翼缘外侧表面的U形钢板上，U形钢板面内刚度大且不会发生轴向变形，从而保证节点力学性能稳定；因连接节点的梁柱接触面可张开，节点产生转角，利用顶底翼缘角钢及腹板双角钢的耗能，避免了钢梁、钢柱等主要部件的破坏，且震后破坏易于更换；通常梁柱四角钢节点的弯矩-转角滞回曲线严重捏缩，可设置较少用量的形状记忆合金束（SMA）即可实现节点的自复位功能，降低了用于实现复位的形状记忆合金束（SMA）用量；此外，传统梁柱四角钢连接的转动变形能力大，形状记忆合金束（SMA）的长度可根据节点最大容许转角确定；因此，本发明是一种具有复位功能、SMA束用量较少、节点转动能力较大的延性梁柱连接节点，可用于地震设防区的抗弯钢框架结构中，具有广泛的工程应用前景。
附图说明
图1是本发明的自复位钢框架梁柱连接节点的三维结构图；
图2是本发明的自复位钢框架梁柱连接节点的各组成部件三维结构图；
图3是本发明的自复位钢框架梁柱连接节点的梁柱接触面脱开时的示意图。
图中标号说明：1、钢柱，2、第一钢梁，3、第二钢梁，4、第三U形钢板，5、第四U形钢板，6、第一U形钢板，7、第二U形钢板，8、第一形状记忆合金束，9、第二形状记忆合金束，10-37、高强螺栓，38、第三腹板角钢，39、第四腹板角钢，40、第一腹板角钢，41、第二腹板角钢，42、第三翼缘角钢，43、第四翼缘角钢，44、第一翼缘角钢，45、第二翼缘角钢，46、角焊缝。
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3所示，一种自复位钢框架梁柱连接节点，该梁柱连接节点包括钢柱1，所述钢柱1的两侧分别与第一钢梁2和第二钢梁3刨平顶紧，所述钢柱1与第一钢梁2的上翼缘夹角处及下翼缘夹角处分别固接有第一耗能装置，所述钢柱1与第二钢梁3的上翼缘夹角处及下翼缘夹角处分别固接有第二耗能装置，所述钢柱1与第一钢梁2的腹板及第二钢梁3的腹板之间分别固接有第三耗能装置，所述第一钢梁2和第二钢梁3的上翼缘之间设有施加预应力的第一复位装置，所述第一钢梁2和第二钢梁3的下翼缘之间设有施加预应力的第二复位装置，所述第一复位装置和第二复位装置对第一钢梁2和第二钢梁3的上翼缘及下翼缘构成组合预应力达到初始预设状态。
所述第一耗能装置由第一翼缘角钢44和第二翼缘角钢45组成，所述第一翼缘角钢44通过高强螺栓固定在钢柱1与第一钢梁2的上翼缘夹角处，所述第二翼缘角钢45通过高强螺栓固定在钢柱1与第一钢梁2的下翼缘夹角处，所述第二耗能装置由第三翼缘角钢42和第四翼缘角钢43组成，所述第三翼缘角钢42通过高强螺栓固定在钢柱1与第二钢梁3的上翼缘夹角处，所述第四翼缘角钢43通过高强螺栓固定在钢柱1与第二钢梁3的下翼缘夹角处，所述第三耗能装置由第一腹板角钢40、第二腹板角钢41、第三腹板角钢38和第四腹板角钢39组成，所述第一腹板角钢40和第二腹板角钢41通过高强螺栓分别固定在钢柱1与第一钢梁2的两侧腹板之间，所述第三腹板角钢38和第四腹板角钢39通过高强螺栓分别固接在钢柱1与第二钢梁3的两侧腹板之间。
所述第一复位装置包括带凹槽的第一U形钢板6和第二U形钢板7，所述第一U形钢板6和第二U形钢板7分别固接在第一钢梁2和第二钢梁3的上翼缘，在所述第一U形钢板6和第二U形钢板7之间通过相应的凹槽缠绕有第一形状记忆合金束8，所述第一形状记忆合金束8对第一U形钢板6和第二U形钢板7直接施加预应力，所述第二复位装置包括带凹槽的第三U形钢板4和第四U形钢板5，所述第三U形钢板4和第四U形钢板5分别固接在第一钢梁2和第二钢梁3的下翼缘，在所述第三U形钢板4和第四U形钢板5之间通过相应的凹槽缠绕有第二形状记忆合金束9，所述第二形状记忆合金束9对第三U形钢板4和第四U形钢板5直接施加预应力。
所述第一形状记忆合金束8穿过第一翼缘角钢44、第三翼缘角钢42和钢柱1预留的孔洞，所述第二形状记忆合金束9穿过第二翼缘角钢45、第四翼缘角钢43和钢柱1预留的孔洞。
所述第一U形钢板6和第三U形钢板4通过焊接方式分别固定在第一钢梁2的上翼缘和下翼缘，所述第二U形钢板7和第四U形钢板5通过焊接方式分别固定在第二钢梁3的上翼缘和下翼缘。
所述第一形状记忆合金束8和第二形状记忆合金束9的长度由钢柱1与第一钢梁2及第二钢梁3的连接节点的最大转角确定，所述第一形状记忆合金束8和第二形状记忆合金束9的用量由钢柱1与第一钢梁2及第二钢梁3的连接节点的滞回特征确定。
所述第一U形钢板6、第二U形钢板7、第三U形钢板4和第四U形钢板5上的凹槽沿自身U形侧面设置。
所述第一U形钢板6、第二U形钢板7、第三U形钢板4和第四U形钢板5上设有保护套。
所述第一形状记忆合金束8和第二形状记忆合金束9上套接有弹簧管。
本发明原理
参照图1所示，正常使用状态下，由第三腹板角钢38，第四腹板角钢39，第一腹板角钢40，第二腹板角钢41，第三翼缘角钢42，第四翼缘角钢43，第一翼缘角钢44和第二翼缘角钢45构成的连接角钢提供抗弯承载力和转动刚度。
参照图3所示，遭受地震作用时，第一钢梁2上翼缘与钢柱1的接触面张开，第二钢梁3下翼缘与钢柱1的接触面张开，第三腹板角钢38，第四腹板角钢39，第一腹板角钢40，第二腹板角钢41，第三翼缘角钢42，第四翼缘角钢43，第一翼缘角钢44和第二翼缘角钢45开始变形并且耗能，第一形状记忆合金束8和第二形状记忆合金束9伸长；在地震过后，本发明的梁柱连接节点在第一形状记忆合金束8和第二形状记忆合金束9恢复力的作用下，恢复到初始位置，实现复位功能；仅安装第三腹板角钢38，第四腹板角钢39，第一腹板角钢40，第二腹板角钢41，第三翼缘角钢42，第四翼缘角钢43，第一翼缘角钢44和第二翼缘角钢45的梁柱连接节点在往复荷载作用下，节点反复张开、闭合，通过上述各个连接角钢的塑性变形产生耗能，同时形成的弯矩—转角滞回曲线的一、三象限较为饱满，二、四象限较为捏缩；当在四个U形钢板上绕缠形状记忆合金束后，由于形状记忆合金束始终处于受拉状态，利用形状记忆合金束的超弹性能产生恢复力，可形成在一、三象限具有明显旗帜形特征的滞回曲线；通过优化各个连接角钢截面和形状记忆合金束用量，在满足连接节点应有的抗弯承载力的前提下，获得形状记忆合金束用量最少、卸载后残余变形几乎为零，梁柱连接节点滞回曲线具有理想的旗帜型滞回特征，既节约了形状记忆合金束的用量，又实现了良好的复位功能。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
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 (9)

1.一种自复位钢框架梁柱连接节点，其特征在于，该梁柱连接节点包括钢柱，所述钢柱的两侧分别与第一钢梁和第二钢梁刨平顶紧，所述钢柱与第一钢梁的上翼缘夹角处及下翼缘夹角处分别安装第一耗能装置，所述钢柱与第二钢梁的上翼缘夹角处及下翼缘夹角处分别安装第二耗能装置，所述钢柱与第一钢梁的腹板及第二钢梁的腹板之间分别安装第三耗能装置，所述第一钢梁和第二钢梁的上翼缘之间设有施加预应力的第一复位装置，所述第一钢梁和第二钢梁的下翼缘之间设有施加预应力的第二复位装置，所述第一复位装置和第二复位装置对第一钢梁和第二钢梁的上翼缘及下翼缘构成组合预应力达到初始预设状态。
2.根据权利要求1所述的自复位钢框架梁柱连接节点，其特征在于，所述第一耗能装置由第一翼缘角钢和第二翼缘角钢组成，所述第一翼缘角钢通过高强螺栓安装在钢柱与第一钢梁的上翼缘夹角处，所述第二翼缘角钢通过高强螺栓安装在钢柱与第一钢梁的下翼缘夹角处，所述第二耗能装置由第三翼缘角钢和第四翼缘角钢组成，所述第三翼缘角钢通过高强螺栓安装在钢柱与第二钢梁的上翼缘夹角处，所述第四翼缘角钢通过高强螺栓安装在钢柱与第二钢梁的下翼缘夹角处，所述第三耗能装置由第一腹板角钢、第二腹板角钢、第三腹板角钢和第四腹板角钢组成，所述第一腹板角钢和第二腹板角钢通过高强螺栓分别安装在钢柱与第一钢梁的两侧腹板之间，所述第三腹板角钢和第四腹板角钢通过高强螺栓分别安装在钢柱与第二钢梁的两侧腹板之间。
3.根据权利要求1或2所述的自复位钢框架梁柱连接节点，其特征在于，所述第一复位装置包括带凹槽的第一U形钢板和第二U形钢板，所述第一U形钢板和第二U形钢板分别固定在第一钢梁和第二钢梁的上翼缘，在所述第一U形钢板和第二U形钢板之间通过相应的凹槽缠绕有第一形状记忆合金束，所述第一形状记忆合金束对第一U形钢板和第二U形钢板直接施加预应力，所述第二复位装置包括带凹槽的第三U形钢板和第四U形钢板，所述第三U形钢板和第四U形钢板分别固接在第一钢梁和第二钢梁的下翼缘，在所述第三U形钢板和第四U形钢板之间通过相应的凹槽缠绕有第二形状记忆合金束，所述第二形状记忆合金束对第三U形钢板和第四U形钢板直接施加预应力。
4.根据权利要求3所述的自复位钢框架梁柱连接节点，其特征在于，所述第一形状记忆合金束穿过第一翼缘角钢、第三翼缘角钢和钢柱预留的孔洞，所述第二形状记忆合金束穿过第二翼缘角钢、第四翼缘角钢和钢柱预留的孔洞。
5.根据权利要求3所述的自复位钢框架梁柱连接节点，其特征在于，所述第一U形钢板和第三U形钢板通过焊接方式分别固定在第一钢梁的上翼缘和下翼缘，所述第二U形钢板和第四U形钢板通过焊接方式分别固定在第二钢梁的上翼缘和下翼缘。
6.根据权利要求3所述的自复位钢框架梁柱连接节点，其特征在于，所述第一形状记忆合金束和第二形状记忆合金束的长度由钢柱与第一钢梁及第二钢梁的连接节点的最大转角确定，所述第一形状记忆合金束和第二形状记忆合金束的用量由钢柱与第一钢梁及第二钢梁的连接节点的滞回特征确定。
7.根据权利要求3所述的自复位钢框架梁柱连接节点，其特征在于，所述第一U形钢板、第二U形钢板、第三U形钢板和第四U形钢板上的凹槽沿自身U形侧面设置。
8.根据权利要求3所述的自复位钢框架梁柱连接节点，其特征在于，所述第一U形钢板、第二U形钢板、第三U形钢板和第四U形钢板上设有保护套。
9.根据权利要求3所述的自复位钢框架梁柱连接节点，其特征在于，所述第一形状记忆合金束和第二形状记忆合金束上套接有弹簧管。
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