CN107386438B - 翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁‑边柱节点，包括钢柱、位于钢柱一侧的钢梁、横穿过钢柱的形状记忆合金杆、位于钢梁翼缘内侧的L型支架、位于钢梁腹板中间位置的剪切板、位于钢梁翼缘外侧的摩擦耗能器；摩擦耗能器包括设置在钢梁翼缘外侧的钢板、填充于钢板和钢梁翼缘之间的耗能摩擦片、以及穿过钢梁翼缘并将所述钢板、耗能摩擦片、L型支架连接在一起的高强螺栓。本发明可以显著提升节点的稳定耗能能力，同时利用形状记忆合金的超弹性，以实现节点的自复位性能；通过合理设计节点构造，以提高节点处楼板布置的便利性和构件的可更换性，并加强钢梁翼缘抵抗局部屈曲变形的能力。

Description

翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点
技术领域
本发明属于土木工程领域，涉及一种翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点。
背景技术
地震给人类带来极其严重的灾难。传统的抗震设计采用的是延性设计方法，即在地震作用下，通过结构部分构件的提前屈服和破坏，但整体不丧失功能，依靠构件的塑性变形来耗散大部分的地震能量，从而达到主体结构安全的目的。
梁柱节点作为框架结构中重要的组成部分，对结构的可恢复功能具有很大的影响。随着基于性能抗震设计理念的发展，通过控制结构的震后残余变形，提高结构的可恢复性的功能需求，已逐渐被国内外学者所关注。目前，自复位梁柱节点主要通过在梁柱节点中引入后张预应力技术或形状记忆合金材料，将梁、柱构件装配成整体，为结构提供可恢复功能。相比后张预应力技术中用到的预应力筋和钢绞线，形状记忆合金具有优越的超弹性、耗能能力以及更大的变形能力。形状记忆合金杆自复位梁柱节点利用形状记忆合金杆提供的回复力，使结构在震后恢复到初始状态；同时，节点中设置耗能构件，以耗散地震对结构输入的能量；因此，主要结构构件在地震中发生弹性变形，而耗能构件和形状记忆合金杆发生非弹性变形；
然而，在现有的形状记忆合金杆自复位梁柱节点中，形状记忆合金杆常被设置于梁上下翼缘外侧，这对节点处的楼板布置造成不便，同时有可能使梁受压翼缘侧形状记忆合金杆受压屈曲，从而使节点性能退化；另外，耗能构件的选择和设置，对节点的耗能贡献以及节点性能的稳定性具有很大的影响。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提升节点的稳定耗能能力和自复位性能，克服因形状记忆合金杆布置在梁翼缘外侧造成的楼板布置不便，以及梁翼缘局部屈曲变形的不足；提供一种有效增强节点耗能能力和自复位性能，提高构件可更换性的翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点。
技术方案：本发明的翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，包括钢柱、位于钢柱一侧的钢梁、横穿过钢柱的形状记忆合金杆、位于钢梁翼缘内侧的L型支架、位于钢梁翼缘外侧的摩擦耗能器；摩擦耗能器包括设置在钢梁翼缘外侧的钢板、填充于钢板和钢梁翼缘之间的耗能摩擦片、穿过钢梁翼缘将钢板、耗能摩擦片、L型支架连接在一起的高强螺栓，形状记忆合金杆的一端与L型支架连接，另一端在穿过钢柱后与之连接。
本发明的一种优选方案中，形状记忆合金杆通过设置在其端部的张拉螺母和固定螺母分别与L型支架和钢柱连接，调节L型支架通过调节两侧的张拉螺母和固定螺母实现与形状记忆合金杆的连接，并通过调节张拉螺母和固定螺母，对形状记忆合金杆施加初始预应变。
本发明的一种优选方案中，L型支架与钢梁翼缘内侧焊接，并在L型支架两侧分别设置一道与钢梁轴线平行的加劲肋，加劲肋同时与L型支架和梁翼缘焊接。
本发明的一种优选方案中，耗能摩擦片采用非石棉材料。
本发明的一种优选方案中，钢柱内设置有与钢梁翼缘在同一水平高度处的柱翼缘加劲肋，并在钢柱翼缘和钢梁翼缘交接处设置垫块，所述垫块与钢柱翼缘外侧焊接，且垫块不与L型支架连接。
本发明的一种优选方案中，钢梁腹板中间设置有剪切板，所述剪切板一侧与钢柱翼缘焊接，另一侧通过抗剪螺栓与钢梁腹板连接，在钢梁腹板相应位置处开设有长条形槽口，所述抗剪螺栓安装在长条形槽口中。
本发明的一种优选方案中，钢梁为工字型钢梁。
本发明通过合理地设计节点构造，在保证主要结构构件处于弹性状态的基础上，以解决楼板布置不便、梁翼缘局部屈曲变形的困难，提高节点构件的可更换性，同时也提升节点的稳定耗能能力和自复位性能。本发明适用于提高工程结构耗能能力，实现自复位性能的钢框架结构。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本技术方案中形状记忆合金杆位于上下钢梁翼缘内侧，一方面有效地解决了梁柱节点处楼板布置的不便，另一方面有利于形状记忆合金杆和L型支架的安装、拆卸和更换。同时，在上下钢梁翼缘外侧均设置摩擦耗能器，既体现了构件布置的对称性，有利于结构合理受力，又显著地提高了节点的稳定耗能能力。其次，摩擦耗能器体现了钢梁翼缘加强板的作用，防止梁端翼缘发生局部屈曲变形。
(2)本技术方案能够有效控制钢框架梁柱节点的残余变形。当结构承受强烈地震作用时，梁柱将产生较大的相对转动，致使节点处梁柱屈服，产生无法自动恢复的累积塑性变形。当形状记忆合金杆布置在梁上下翼缘内侧时，梁柱节点转动过程中，形状记忆合金杆始终处于受拉状态，不会发生受压屈曲的情况；可以充分利用形状记忆合金杆优越的超弹性，为梁柱节点提供较大且稳定的回复力，大幅减小结构的残余变形，从而降低结构震后修复的成本和难度。
(3)本技术方案能够有效地减小地震时主要构件的非弹性变形。对于传统的钢框架梁柱节点，其梁柱节点通常为刚接，当结构在地震作用下发生侧向变形时，不可避免地在梁柱节点处产生塑性铰，使得结构震后的维修费用和难度均较高。本技术方案的梁柱节点均采用半刚性连接，节点弯矩主要由形状记忆合金杆和摩擦耗能器承担。地震时，摩擦耗能器和形状记忆合金杆吸收绝大部分的地震能量，而主要构件不发生明显的非弹性变形，这样可有效减小结构震后修复的成本，且只需形状记忆合金杆克服摩擦耗能器的塑性变形便能使节点完全自复位。
(4)本技术方案能够显著提高钢框架梁柱节点的耗能能力。非石棉材料具有性能稳定，摩擦噪声小等优点，在梁翼缘和钢板之间填充一定的厚度的非石棉摩擦片，通过高强螺栓将三者组合成摩擦耗能器。地震中，摩擦耗能器作为节点耗能的最大贡献者，消耗绝大部分地震能量，从而增强节点的耗能能力。由于在梁上下翼缘外侧均设有摩擦耗能器，极大地提高了钢框架梁柱节点的耗能能力。
(5)本技术方案构造简单，制作方便，非常适合工业化的生产和制造。由于其加工工艺与传统的自定心钢框架梁柱节点类似，厂家无需作较大的调整便能进行工业化生产，从而降低了制造的难度和成本，具有较高的价格竞争力。
附图说明
图1为本发明的钢框架梁-边柱节点示意图；
图2为本发明的钢框架梁-边柱节点左侧视图；
图3为本发明的钢框架梁-边柱节点右侧视图；
图4为本发明的钢框架梁-边柱节点俯视图；
图5为本发明的A-A剖面节点示意图；
图6为本发明的B-B剖面节点示意图；
图7为本发明的C-C剖面节点示意图；
图8为本发明的D-D剖面节点示意图；
图9为本发明的摩擦耗能器侧视图；
图中有：钢梁1、钢柱2、形状记忆合金杆3、剪切板4、腹板抗剪螺栓5、L型支架6、柱翼缘加劲肋7、梁翼缘加劲肋8、垫板9、高强螺栓11、固定螺母12、张拉螺母13、耗能摩擦片14、钢板15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明的翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，包括钢柱2、位于所述钢柱2一侧的钢梁1、横穿过钢柱2的形状记忆合金杆3、位于钢梁1翼缘内侧的L型支架6、位于钢梁1腹板中间位置的剪切板4、位于钢梁1翼缘外侧的摩擦耗能器；摩擦耗能器包括设置在钢梁1翼缘外侧的钢板15、填充于钢板15和钢梁1翼缘之间的耗能摩擦片14、穿过钢梁1翼缘将钢板15、耗能摩擦片14、L型支架6连接在一起的高强螺栓11，形状记忆合金杆3的一端与L型支架6连接，另一端在穿过钢柱2后与之连接。
如图1所示，形状记忆合金杆3一端锚固在钢柱2翼缘外侧，另一端与L型支架6连接，通过调节L型支架6两侧的张拉螺母13和固定螺母12，对形状记忆合金杆3施加初始预应变；形状记忆合金杆3的组成成分镍钛Ni-Ti比重应近似相同，且其相变温度Af应低于常温，以保证形状记忆合金杆3处于奥氏体状态，从而实现材料的超弹性性能。
如图1、3-6所示，L型支架6与钢梁1翼缘内侧焊接，并在L型支架6两侧分别设置一道与钢梁1轴线平行的加劲肋8，加劲肋8与L型支架6和梁1翼缘焊接。
如图1、2所示，钢柱2内设置有与钢梁1翼缘在同一水平高度处的柱翼缘加劲肋7，并在钢柱2翼缘和钢梁1翼缘交接处设置垫块9，所述垫块9与钢柱2翼缘外侧焊接，且垫块9不与L型支架6连接。
如图1、3-7所示，剪切板4一侧与钢柱2翼缘焊接，另一侧通过抗剪螺栓5与钢梁1腹板连接，且钢梁1腹板相应位置处开设有长条形槽口，以适应抗剪螺栓5在节点转动过程中的滑移。
综合上述技术方案和附图详述本发明的实施步骤：
步骤(1)对节点进行分析，计算节点所需腹板抗剪螺栓5型号和个数、高强螺栓11型号和个数、形状记忆合金杆3直径和数量等参数；
步骤(2)在工厂内加工生产钢柱2、钢梁1；钢柱2设计位置焊接剪切板4、柱翼缘加劲肋7，并在钢柱2翼缘设计位置开设孔洞，以便形状记忆合金杆3穿过和锚固；
步骤(3)在钢梁1翼缘设计位置处开设高强螺栓11的安装孔，将L型支架6与钢梁1翼缘内侧进行焊接，并在L型支架6两侧分别焊接加劲板8；钢梁1腹板在设计位置开设长条形螺栓孔，内侧进行摩擦处理；
步骤(4)对形状记忆合金杆3进行热处理和训练，使其具有稳定的力学性能；然后利用普通车削技术，将形状记忆合金杆3加工成标准设计试件，并在两端锚固段车螺纹；
步骤(5)将钢梁1起吊到安装位置，将钢梁1腹板插入焊接在钢柱2翼缘前后侧的剪切板4之间，安装腹板抗剪螺栓5。
步骤(6)将钢板15和耗能摩擦片14贴在一起，然后通过高强螺栓11，对高强螺栓11施加设计预紧力，将钢板15和耗能摩擦片14，以及钢梁1翼缘外侧连接在一起。
步骤(7)将形状记忆合金杆3穿过钢柱2翼缘孔，一端与钢柱2翼缘连接，另一端安装到L型支架6，安装固定螺母12，再调节张拉螺母13和固定螺母12，使形状记忆合金杆3张拉到设计初始状态。
本技术方案中翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，在风荷载或多遇地震作用下，节点转动位移较小，形状记忆合金杆3发生较小的拉伸变形；钢梁1翼缘外侧耗能摩擦器中高强螺栓11出现滑动，使得非石棉摩擦片14与钢梁1翼缘外侧发生摩擦耗能，是节点耗散地震能量的主要贡献部分；在中震或大震作用下，钢梁1和钢柱2的相对转动位移较大，形状记忆合金杆3发生较大的拉伸变形，于是形状记忆合金杆3进入相变阶段，甚至达到应变强化段，与摩擦耗能器共同耗散地震能量；而利用形状记忆合金杆3提供较大的回复力，节点能实现自复位功能。
本技术方案中的L型支架6和形状记忆合金杆3均布置在钢1翼缘内侧，不仅在受力上充分发挥了形状记忆合金杆3的受拉性能，而且避免了因形状记忆合金杆3和L型支架6布置在钢梁1翼缘外侧造成的楼板布置不便的困难，增强了构件的可更换性；其次，L型支架6的设置加强了形状记忆合金杆3与钢梁1端的锚固作用；同时，L型支架6和钢梁1翼缘摩擦耗能器也间接发挥钢梁1翼缘加强板的作用，加强了钢梁1翼缘防止局部屈曲变形的能力；在钢梁1上下翼缘外侧设置摩擦耗能器，极大地提升了节点的耗能能力。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，其特征在于，该节点包括钢柱(2)、位于所述钢柱(2)一侧的钢梁(1)、横穿过钢柱(2)的形状记忆合金杆(3)、位于钢梁(1)翼缘内侧的L型支架(6)、位于钢梁(1)翼缘外侧的摩擦耗能器；所述摩擦耗能器包括设置在钢梁(1)翼缘外侧的钢板(15)、填充于所述钢板(15)和钢梁(1)翼缘之间的耗能摩擦片(14)、穿过钢梁(1)翼缘将所述钢板(15)、耗能摩擦片(14)、L型支架(6)连接在一起的高强螺栓(11)，所述形状记忆合金杆(3)的一端与L型支架(6)连接，另一端在穿过钢柱(2)后与之连接。
2.根据权利要求1所述的翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，其特征在于，所述形状记忆合金杆(3)通过设置在其端部的张拉螺母(13)和固定螺母(12)分别与L型支架(6)和钢柱(2)连接，并通过调节张拉螺母(13)和固定螺母(12)，对形状记忆合金杆(3)施加初始预应变。
3.根据权利要求1所述的翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，其特征在于，所述L型支架(6)与钢梁(1)翼缘内侧焊接，并在L型支架(6)两侧分别设置一个与钢梁轴线平行的加劲肋(8)，所述加劲肋(8)同时与L型支架(6)和钢梁(1)翼缘焊接。
4.根据权利要求1、2或3所述的翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，其特征在于，所述耗能摩擦片(14)采用非石棉材料。
5.根据权利要求1、2或3所述的翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，其特征在于，所述钢柱(2)内设置有与钢梁(1)翼缘在同一水平高度处的柱翼缘加劲肋(7)，并在钢柱(2)翼缘和钢梁(1)翼缘交接处设置垫块(9)，所述垫块(9)与钢柱(2)翼缘外侧焊接，且垫块(9)不与L型支架(6)连接。
6.根据权利要求1、2或3所述的翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，其特征在于，所述钢梁(1)腹板中间设置有剪切板(4)，所述剪切板(4)一侧与钢柱(2)翼缘焊接，另一侧通过抗剪螺栓(5)与钢梁(1)腹板连接，在钢梁(1)腹板相应位置处开设有长条形槽口，所述抗剪螺栓(5)安装在长条形槽口中。
7.根据权利要求1、2或3所述的翼缘摩擦型形状记忆合金杆自复位钢框架梁-边柱节点，其特征在于，所述钢梁(1)为工字型钢梁。
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