CN107190875B - 一种易复位可更换抗弯耗能连接装置 - Google Patents

Abstract

一种易复位可更换抗弯耗能连接装置。本发明公开了一种新型构造的梁端连接装置，该连接装置应用于建筑结构、桥梁结构中的框架梁或连梁梁端部分，在梁端产生一定程度弯矩时被激活，其中的阻尼器显著提高结构阻尼水平。在结构承受一般动力荷载的情况下，新型构造的梁端连接装置提供阻尼，有助于控制层间位移、速度与加速度。在结构承受高强度动力荷载的情况下，该连接装置具有一定自适配性，在层间位移角超过预设的临界值后，该连接装置能将地震损伤集中于其可更换的强度削弱段，通过翼缘屈曲变形提供延性耗能，并且保证结构整体稳定性；另外，该连接装置为可更换连接装置，并且自带转动回位钮，易于修复震后残余位移，更换较为方便，有效降低地震后造成的各种损失。

Description

一种易复位可更换抗弯耗能连接装置

技术领域

本发明涉及建筑工程、桥梁工程领域，特别是涉及带有框架梁和连梁的结构体系，本发明属于震后低损伤、可更换、多材料复合型梁端连接装置，同时也属于结构振动控制装置、结构抗震装置的一种。属于结构工程技术领域。

背景技术

在地震灾害中，建筑结构的优劣对地震造成的损害有重要影响，因此较好的建筑结构抗震设计一直以来都是结构工程师们追求的目标。框架结构体系是目前主流的结构体系，因为其室内空间利用率高、装配化程度较高等优势，在工程实践中具有广阔的发展和应用前景。

由于钢结构建筑一般刚度和阻尼较小，当结构较高或高宽比较大时，在地震和强风作用下会产生较大的平动加速度和扭转加速度，结构的性能目标有时很难用常规的设计方法来经济合理地满足。另一方面，强烈地震时结构主体仍会进入弹塑性，产生结构构件的损伤与破坏。为了提供额外的刚度和阻尼，在高层建筑中加入粘滞或者粘弹性阻尼器是常用方法之一，例如近20年来在高层钢结构中被广为应用的粘弹性阻尼器支撑。但是由于此类阻尼器的工作机制多为推压，而在地震中高层结构主要发生弯、扭变形，导致每个阻尼器端部的位移变化并不显著，限制了阻尼效果。在这样的背景下，新一代可以提供地震耗能、快速修复，灾害损失较小的钢结构体系蓬勃发展。

结构抗震领域近年来备受关注的一大新趋势是震后功能可恢复。地震后结构功能迅速恢复能力已成为钢结构设计中的重要参考因素，而使用可更换构件是实现高层建筑结构震后功能恢复的有效途径。同时，可更换结构构件与我国装配化建筑的要求契合度很高，有着很好的运用前景。顺应震后功能可恢复的趋势，结构工程领域的学者研发出了诸多可更换耗能构件。

可更换耗能构件抗震特性一般分为三个阶段：(1) 无损伤阶段，即可更换构件和主结构均处于弹性工作状态；(2) 可更换构件损伤控制阶段，即可更换构件集中发展塑性变形，而主结构保持弹性或仅有轻微塑性发展，震后可更换构件可以方便更换；(3) 损伤超越阶段，即损伤扩展到主结构，依赖主结构的承载能力和变形能力阻止结构的整体倒塌。如果可更换构件的损伤控制阶段可以比较稳定和持久，它们可将地震损伤集中，以确保结构体系的其他部分在地震灾害中保持在弹性阶段，从而显著的提高结构抗震特性。

发明内容

本发明涉及一种新的梁端连接装置，该连接装置应用于框架梁和连梁的梁端部分，在梁端产生弯矩荷载时被激活，其中的阻尼器在系统无损伤阶段显著提高阻尼水平。在结构处于动态负载的情况下，新的构造的梁端连接装置提供阻尼，有助于控制层间位移、速度与加速度。在结构处于高强度动态负载的情况下，该连接装置具有一定自适配性，在层间位移角超过预设的临界值后，该连接装置能将地震损伤集中于其可更换的强度削弱段，通过翼缘屈曲变形提供延性耗能，并且一旦进入了损伤超越阶段，该连接装置可以保证结构整体稳定性；另外，该连接装置为可更换连接装置，并且自带转动回位钮，易于修复震后残余位移，更换较为方便，有效降低地震造成的各种损失。

本发明所要解决的问题通过以下技术方案实现。

一种易复位可更换抗弯耗能连接装置，由粘弹性段3和强度削弱段4组成，其中：

粘弹性段3由圆角五边形耗能材料片301、圆角五边形薄钢板302、矩形薄钢板303、固定短臂304、转动长臂305、销轴36、连接端板307、连接螺栓308和铅芯309构成，圆角五边形薄钢板302的长直边连接钢柱端端板101，矩形薄钢板303与连接端板307相连接；圆角五边形薄钢板302与矩形薄钢板303由圆角五边形耗能材料片301相连接，形成一个组板；若干个隔开、平行放置的组板通过交指型设置，形成复合弹性耗能体31；销轴36为圆形，套入转动长臂305上开的带槽大圆孔361中；销轴36顶端设置有六边形回位钮362；所述复合弹性耗能体31、固定短臂304、转动长臂305和销轴36同心布置；销轴36上下两侧、带槽大圆孔361的槽中设置有扇形止动键363，在较大的荷载下将粘弹性段3锁死，以提供被动自适配能力。

在扇形止动键363锁死后，更大的力传导到强度削弱段4。强度削弱段4由强度削弱梁401、L形钢连接装置件402和连接螺栓403组成，强度削弱梁401通过L形钢连接件402和连接螺栓403与粘弹性段3相连，便于更换；

所述易复位可更换抗弯耗能连接装置一端与柱或其他竖向结构部件通过钢柱端端板101使用螺栓102连接，另一端与梁通过梁端端板201使用螺栓202连接。

本发明中，强度削弱梁401通过梁端端板201和螺栓202与梁11相连。

本发明中，复合弹性耗能体31中可加入铅芯309，以提高耗能能力与弹性刚度。

本发明中，所述强度削弱梁401的抗弯强度小于所连接的梁，且延性较好，包括但不限于削弱翼缘式梁段。

本发明中，圆角五边形耗能材料片(例如橡胶片)301、圆角五边形薄钢板302、矩形薄钢板303的形状为一种优选形状，也可采用其它形状代替。

本发明中，铅芯309作为刚度调节装置，可视实际使用情况确定添加与否。

本发明中，销轴36上下两侧、大圆孔361的槽中设置的扇形止动键363形式为一种优选构造，也可采用任何具有限位或止动装置的构造。

本发明中，L形钢连接件402、连接装置螺栓403为一种强度削弱梁401的连接形式，也可选用其它构造将强度削弱段4可靠连接于粘弹性段3。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）该连接装置具有一定的适配特性，适应不同地震水准。在风振和小震作用下，该连接装置可以提高结构的阻尼比，达到降低结构振动响应的目的。在中震和大震作用下，该连接装置率先发生延性屈服，耗散地震能量。

（2）该连接装置采用抗弯耗能的可更换连接装置，保证屈服后结构整体稳定，在震后可以方便地拆卸和更换；

（3）该连接装置具有回位钮，可在产生塑性变形后通过转动回位钮将该连接装置回位，减小结构总体残余变形，便于该连接装置的更换。

附图说明

现在将参照附图仅通过实例来详细描述本发明，在附图中相同参考标号表示相同部件，其中：

图1显示为典型框架结构建筑物侧视图；

图2显示为框架结构建筑物侧视图，其中所公开的本发明的一个实施例连接装置在梁的一端；

图3显示为本发明轴测示意图；

图4显示为本发明平面图；

图5显示为本发明立面图；

图6显示为本发明粘弹性段变形示意图；

图7显示为本发明销轴以及回位钮细节以及其转角示意图；

图中标号：101为连接柱端板、102为连接柱螺栓、201为连接梁端板、202为连接梁螺栓、3为粘弹性段、31为复合弹性耗能体、301为圆角五边形耗能材料片、302为圆角五边形薄钢板、303为矩形薄钢板、304为固定短臂、305为转动长臂、36为销轴、361为带槽大圆孔、362为六边形回位钮、363为扇形止动键、307为连接端板、308为连接螺栓、309为铅芯、4为强度削弱段、401为强度削弱梁、402为L形钢连接件、403为连接螺栓、11为梁、12为第一柱、13为第二柱、15为易复位可更换抗弯耗能连接装置。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例１：现在参照图1，其中示意了用于建筑结构中的框架结构的现有技术的实例，即，钢框架结构，或者高层结构中钢框架混凝土核心筒的框架部分，或者其他结构的框架部分。当建筑遭受强风或地震载荷时，梁11与第一柱12和第二柱13发生变形，未能提供有意义的阻尼。

在图2中，本文中描述的发明的一个实施例，该实施例中的易复位可更换抗弯耗能连接装置部分取代了图1中梁11的末端部分，由于易复位可更换抗弯耗能连接装置15仅仅取代了梁11的一段，不会浪费建筑内部其他空间。在这种情况下，当建筑结构遭受强风或地震载荷时，本发明发生变形并对该系统提供附加阻尼。

如图3、图4、图5所示，将圆角五边形耗能材料片301、圆角五边形薄钢板302和矩形薄钢板303连接，形成组板，多个隔开、平行的组板通过交指型设置，形成复合弹性耗能体31。固定短臂304上连有销轴36，销轴36上有六边形回位钮362和扇形止动键363、转动长臂305上开有带槽大圆孔361，套入销轴36中。复合弹性耗能体31和转动长臂305与连接装置钢柱端板101相连，通过连接装置钢柱螺栓102与结构主体框架柱相连见图2。复合弹性耗能体31与固定短臂304连接于连接端板307上，通过连接螺栓308和L形钢连接件402与强度削弱梁401相连。复合弹性耗能体31中可加入铅芯309，以提高耗能能力与弹性刚度；销轴36为圆形，套入转动长臂305上开的带槽大圆孔361中。销轴顶端包括六边形回位钮362。同时，在销轴36上下两侧、带槽大圆孔361的槽中设置扇形止动键363，提供被动自适配能力；复合弹性耗能体31、固定短臂304、转动长臂305、销轴36均交于同心。强度削弱段4由强度削弱梁401、L形钢连接装置件402、连接装置螺栓403构成：强度削弱梁401的抗弯强度小于所连接装置框架梁，且延性较好，包括但不限于削弱翼缘式梁段；强度削弱梁401通过L形钢连接装置件402与连接装置螺栓403与粘弹性段3相连，便于更换；强度削弱梁401通过梁端端板201和螺栓202与所连接装置的梁11相连。

圆角五边形耗能材料片(例如橡胶片)301、圆角五边形薄钢板302、矩形薄钢板303的形状为一种优选形状，也可采用其它形状代替。

铅芯309作为刚度调节装置，可视实际使用情况确定添加与否。

销轴36上下两侧、大圆孔361的槽中设置的扇形止动键363形式为一种优选构造，也可采用任何具有限位或止动装置的构造。

强度削弱梁401的形式有多种，可选用任何强度小于所连接装置梁，延性性能较好的构造。

L形钢连接装置件402、连接装置螺栓403为一种强度削弱梁401的连接装置形式，也可选用其它构造将强度削弱段4可靠连接装置于粘弹性段3。

图6公开了一种经历横向变形的局部框架结构，本发明的易复位可更换抗弯耗能连接装置15承担主要变形。

图7公开了一种销轴36与六边形回位钮362在工作中的转角示意图。在侧向力作用下，销轴会产生如图7所示的转角，当止动键接触到开槽的末端时，粘弹性段锁死，直到外界力反向加载为止。

本发明的优选实施例利用多个抗侧向荷载结构构件（与其组成无关）之间的沿正交方向的平面内相对变形来提供附加阻尼。

与现有的附加阻尼系统相比，提供了一种比较便宜而高效的阻尼系统。

多个优选实施例进一步提供了一种易复位可更换的抗弯耗能连接装置，该连接装置可以设置于建筑结构的任何可能的部分，不会显著改变建筑结构的构造，可以取代传统的阻尼系统。

虽然本文所描述的本发明的实施例涉及承受风荷载、地震荷载等侧向荷载作用的建筑物，但本发明的其他有利应用（包括但不限于其他结构）也属于本专利的保护范围。

在此结束本发明的当前优选实施例的描述。前述描述是用于解释目的的，不应该被认为是无遗漏的，不能完全限制本发明的形式。在相同的原理下，对前述形式的多种改进和变化都属于本专利的保护范围。例如，虽然连接装置中所使用的材料被描述为钢材和粘弹性材料，但是可以使用足够刚硬的任何材料（例如其他金属和合金、高强度树脂增强复合材料等）都可以替换钢材，也可以使用多种材料（例如天然橡胶、SBR、聚丁二烯、丁基合成橡胶等）作为粘弹性材料。钢板的形状可以选择多种不同的形状，只要满足功能要求即可。延性耗能装置的形式也不应限定，只要能起延性耗能作用的装置皆可作为一种选择。

Claims (4)

1.一种易复位可更换抗弯耗能连接装置，其特征在于由粘弹性段（3）和强度削弱段（4）组成，其中：

粘弹性段（3）由圆角五边形耗能材料片（301）、圆角五边形薄钢板（302）、矩形薄钢板（303）、固定短臂（304）、转动长臂（305）、销轴（36）、连接端板（307）、连接螺栓（308）和铅芯（309）构成，圆角五边形薄钢板（302）的长直边连接钢柱端端板（101），矩形薄钢板（303）与连接端板（307）相连接；圆角五边形薄钢板（302）与矩形薄钢板（303）由圆角五边形耗能材料片（301）相连接，形成一个组板；若干个隔开、平行放置的组板通过交指型设置，形成复合弹性耗能体（31）；销轴（36）为圆形，套入转动长臂（305）上开的带槽大圆孔（361）中；销轴（36）顶端设置有六边形回位钮（362）；所述复合弹性耗能体（31）、固定短臂（304）、转动长臂（305）和销轴（36）同心布置；销轴（36）上下两侧、带槽大圆孔（361）的槽中设置有扇形止动键（363），在较大的荷载下将粘弹性段（3）锁死，以提供被动自适配能力；

在扇形止动键（363）锁死后，更大的力传导到强度削弱段（4），强度削弱段（4）由强度削弱梁（401）、L形钢连接装置件（402）和连接螺栓（403）组成，强度削弱梁（401）通过L形钢连接件（402）和连接螺栓（403）与粘弹性段（3）相连，便于更换；

所述易复位可更换抗弯耗能连接装置一端与柱或其他竖向结构部件通过钢柱端端板（101）使用螺栓（102）连接，另一端与梁通过梁端端板（201）使用螺栓（202）连接。

2.根据权利要求1所述的易复位可更换抗弯耗能连接装置，其特征在于强度削弱梁（401）通过梁端端板（201）和螺栓（202）与梁（11）相连。

3.根据权利要求1所述的易复位可更换抗弯耗能连接装置，其特征在于复合弹性耗能体（31）中加入铅芯（309），以提高耗能能力与弹性刚度。

4.根据权利要求1所述的易复位可更换抗弯耗能连接装置，其特征在于所述强度削弱梁（401）的抗弯强度小于所连接的梁，且延性较好，包括但不限于削弱翼缘式梁段。