CN107724530A - 适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰及设计方法 - Google Patents
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Abstract
适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰及设计方法，圆弧形封板的左侧与左侧弦杆连接，圆弧形封板的右侧粘贴有衬板，衬板上的中部安装有左侧连接板，左侧连接板上开设有限位孔及转动孔；右侧单元有一圆管型封板，圆管型封板右侧与右侧弦杆连接，圆管型封板的左侧粘贴有摩擦材料，圆管型封板的中部安装有两块右侧连接板，右侧连接板上开设有限位孔及转动孔。设计方法为：(1)为保证梁在正常使用情况下，保持连续性，摩擦材料的外表面与梁的翼缘相切；(2)为保证大震作用下，限位销优先被剪断，设置限位销的面积之和小于转动销的面积，其设计参数由所列公式确定。
Description
技术领域
本发明涉及钢结构梁中塑性铰，尤其涉及摩擦塑性铰技术。
背景技术
塑性铰是指在荷载作用下，结构中的若干截面处弯矩达到塑性极限弯矩时，该截面发生一定转动，类似“铰”的效果，致使结构产生内力重分布。钢结构建筑在地震作用下，往往会在梁柱节点处形成塑性铰以耗散输入到结构中的大部分能量，保护柱与节点基本处于线弹性工作节点，使结构实现中震可修、大震不倒的目标。这要求结构具有可行的能量耗散机构，包括建立理想的塑性铰出现次序，以及给予各个构件适当的强度，以保证结构的塑性铰只在选定位置出现等。
为避免钢结构梁柱节点在地震作用下发生脆性破坏，常用的处理方法是通过一定的构造措施将塑性铰外移，其方法有三种：一是将节点局部加强，统称加强型节点，如扩大翼缘型、翼缘加盖板型和翼缘加腋型等，但这种做法在一定程度上降低了节点的延性性能，而且势必要求柱的截面尺寸加大，增加工程造价；二是将梁端翼缘或腹板局部削弱，统称削弱型节点，如“狗骨”型、腹板开洞型、开长槽型以及焊接孔扩大型，这种方法虽可满足延性要求，却会降低结构的承载能力；三是将加强型节点和削弱型节点联合运用，即梁端翼缘局部加强，而加强区外采用翼缘“狗骨”削弱，节约钢材的同时保证了结构的承载力。
国内关于钢结构塑性铰的构造做法虽可有效实现塑性铰外移并达到保护梁柱节点的目的，但仍存在以下缺陷：(1)塑性铰极有可能发生完全破坏，结构的耗能以震后不可修复为代价；(2)难以实现结构耗能的精准控制，只能粗略地控制塑性铰的出现位置；(3)塑性铰的形成机制极大程度上依赖于钢材材性及节点构造细节，而某些构造方法实现难度较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰及设计方法。
本发明是适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰及设计方法，适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰，由左侧单元、右侧单元及连接单元三部分组成，左侧单元有一圆弧形封板5，圆弧形封板5的左侧与左侧弦杆10连接，圆弧形封板5的右侧粘贴有衬板1，衬板1上的中部安装有左侧连接板7，左侧连接板7上开设有限位孔3及转动孔4；右侧单元有一圆管型封板6，圆管型封板6的右侧与右侧弦杆11连接，圆管型封板6的左侧粘贴有摩擦材料2，圆管型封板6的中部安装有两块右侧连接板8、9，右侧连接板8、9上开设有限位孔3及转动孔4；连接件单元有四个小直径的限位销3和一个大直径的转动销(4)。
适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰的设计方法，
(1)为保证梁在正常使用情况下，保持连续性，摩擦材料(2)的外表面与梁的翼缘相切；
(2)为保证大震作用下，限位销优先被剪断，设置限位销3的面积之和小于转动销4的面积,其设计参数由下列公式确定：
根据叠加原理，结构体系受到水平荷载F1、F2和竖向均布荷载q作用；
当只作用水平荷载时，抗扭弹簧转动刚度为：
由柱AC的弯矩平衡方程和几何边界条件可得：
此时梁AB在水平荷载作用下的端部旋转角度为θ2；
式中，m1、m2为抗扭弹簧转动刚度；iABiCD为梁的线刚度；iACiCI为柱的线刚度；θ1θ2为柱端转角；E为弹性模量；IAC为柱的截面惯性矩；V为柱端剪力；h1为柱的高度。
当结构体系只作用竖向均布荷载时，梁端弯矩MAB＝iAB·θ',则θAB＝θ1+θ'为梁AC的旋转角，忽略AE段角度变化；
当旋转角度大于塑性铰E发生旋转的极限角度[θ]，摩擦塑性铰发生塑性形变，限位销3被剪短，构造绕旋转销4旋转，承压摩擦接触面间发生相对滑动；
当摩擦塑性铰的构造旋转角度为θ,且θ≥[θ]，其耗能为：
转动弧长
接触摩擦力Ff＝N·μ，其中N为承压型摩擦材料所受接触面间压力；μ为摩擦材料的摩擦系数；
摩擦耗能：
同理，对于梁CD,θCD＝θ2+θ',摩擦耗能：
式中，MAB为梁端弯矩；θ为塑性铰转角；θCDθ2θ'为梁端作用转角；r为塑性铰构造旋转半径；dθ为旋转角度的积分变量；Mf为摩擦耗能量。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：本发明内含左侧单元、右侧单元及连接单元三部分在结构梁或桁架指定部位。与传统的塑性铰相比，本发明的塑性铰有以下区别：
(1)可承受一定的弯矩；(2)塑性铰截面处的材料并未进入塑性阶段；(3)可发生两个方向的转动；地震作用下，本发明可实现精准耗能，摩擦塑性铰区域会优先于其它梁柱构件的破坏而发生转动，通过相互摩擦耗能，以减小地震荷载对其它区域的影响，安全可靠；本发明结构简单、造价低廉，震后无需修复或只需简单更换部分组件，就可实现结构的快速修复，非常适用于高烈度设防地区工业厂房、大型商场中。
本发明可根据实际结构的受力特点和耗能需求，通过改变摩擦材料5的摩擦系数和厚度等参数，灵活调整塑性铰的刚度和耗能能力等参数，进而广泛地运用于各类钢结构建筑。
附图说明
图1是整体示意图，图2～图3为左侧部分构造详图，图4是右侧部分构造详图，图5是图4的B-B向剖视图，图6～图8是结构体系部分梁和柱的受力变形状态图，图9是本发明的摩擦塑性铰的滑动耗能图，图10和图11是结构体系在无荷载作用和受水平荷载作用下的运动状态图。附图标记及对应名称为：衬板1，摩擦材料2，限位销3，转动销4，圆弧形封板5，圆管形封板6，左侧连接板7，右侧连接板8、9，左侧弦杆10，右侧弦杆11。
具体实施方式
如图1所示，本发明是基于摩擦摆隔震支座的耗能原理，结合汽车刹车装置的构造方式而设计的。该机构由左侧单元、右侧单元及连接单元三部分组成。左侧单元有一圆弧形封板5，左侧与弦杆10焊接，右侧粘贴有衬板1，衬板中部焊有左侧连接板7，左侧连接板7上有限位孔3及转动孔4。右侧单元有一圆管型封板6，右侧与弦杆11焊接，左侧粘贴有摩擦材料2，封板中部焊有两块右侧连接板8、9，右侧连接板8、9上有限位孔3及转动孔4。连接件单元有四个小直径的限位销3和一个大直径的转动销4。
如图1～图5所示，本发明是适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰及设计方法，适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰，由左侧单元、右侧单元及连接单元三部分组成，左侧单元有一圆弧形封板5，圆弧形封板5的左侧与左侧弦杆10连接，圆弧形封板5的右侧粘贴有衬板1，衬板1上的中部安装有左侧连接板7，左侧连接板7上开设有限位孔3及转动孔4；右侧单元有一圆管型封板6，圆管型封板6的右侧与右侧弦杆11连接，圆管型封板6的左侧粘贴有摩擦材料2，圆管型封板6的中部安装有两块右侧连接板8、9，右侧连接板8、9上开设有限位孔3及转动孔4；连接件单元有四个小直径的限位销3和一个大直径的转动销4。
适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰的设计方法，
(1)为保证梁在正常使用情况下，保持连续性，摩擦材料2的外表面与梁的翼缘相切；
(2)为保证大震作用下，限位销优先被剪断，设置限位销3的面积之和小于转动销4的面积,其设计参数由下列公式确定：
根据叠加原理，结构体系受到水平荷载F1、F2和竖向均布荷载q作用；
当只作用水平荷载时，抗扭弹簧转动刚度为：
由柱AC的弯矩平衡方程和几何边界条件可得：
此时梁AB在水平荷载作用下的端部旋转角度为θ2；
式中，m1、m2为抗扭弹簧转动刚度；iABiCD为梁的线刚度；iACiCI为柱的线刚度；θ1θ2为柱端转角；E为弹性模量；IAC为柱的截面惯性矩；V为柱端剪力；h1为柱的高度。
当结构体系只作用竖向均布荷载时，梁端弯矩MAB＝iAB·θ',则θAB＝θ1+θ'为梁AC的旋转角，忽略AE段角度变化；
当旋转角度大于塑性铰E发生旋转的极限角度[θ]，摩擦塑性铰发生塑性形变，限位销3被剪短，构造绕旋转销4旋转，承压摩擦接触面间发生相对滑动；
当摩擦塑性铰的构造旋转角度为θ,且θ≥[θ]，其耗能为：
转动弧长
接触摩擦力Ff＝N·μ，其中N为承压型摩擦材料所受接触面间压力；μ为摩擦材料的摩擦系数；
摩擦耗能：
同理，对于梁CD,θCD＝θ2+θ',摩擦耗能：
式中，MAB为梁端弯矩；θ为塑性铰转角；θCDθ2θ'为梁端作用转角；r为塑性铰构造旋转半径；dθ为旋转角度的积分变量；Mf为摩擦耗能量。
为保证大震作用下，限位销优先被剪断，设置限位销3的面积之和小于转动销4的面积。
如图1、图2、图3、图5、图9所示，左侧单元有一圆弧形封板5，圆弧形封板5的左侧与左侧弦杆10焊接，衬板1上的中部焊接有左侧连接板7，圆管型封板6的右侧与右侧弦杆11焊接，圆管型封板6的中部焊接有两块右侧连接板8、9。
如图1、图2、图3、图5、图9所示，圆弧形封板5安装在左侧弦杆10上并能随左侧弦杆10进行转动，圆管型封板6安装在右侧弦杆11上并能随右侧弦杆11进行转动；圆管型封板6中间处有一条形开口，条形开口宽度与转动连接板7的厚度相当；条形开口左右分别焊有右侧连接板8、9；左侧连接板7与右侧连接板8、9通过限位销3与转动销4连接；圆弧形封板5及左侧连接板7的圆心与圆管型封板6及右侧连接板8、9的圆心重合。
本发明的工作过程如下：
根据摩擦塑性铰构造工作原理，其应用于结构体系中，如图4在无荷载作用下的塑性铰分布，以ABCD结构在E、F、G、H处布置塑性铰为例，如图6～图7所示。当结构体系在水平荷载和竖向均布荷载作用下，摩擦塑性铰构造随着柱的变形由弹性变形转变为塑性变形发生转角至摩擦耗能。由结构力学原理，假定梁AB和柱AC的受力变形如图6和图7所示，对于柱AC而言，梁AB相当于在柱AC两端装置转动抗扭弹簧，如图7所示。根据叠加原理，结构体系受到水平荷载F1、F2和竖向均布荷载q作用。
当只作用水平荷载时，抗扭弹簧转动刚度为：
由柱AC的弯矩平衡方程和几何边界条件可得：
此时梁AB在水平荷载作用下的端部旋转角度为θ2。
式中，m1、m2为抗扭弹簧转动刚度；iABiCD为梁的线刚度；iACiCI为柱的线刚度；θ1θ2为柱端转角；E为弹性模量；IAC为柱的截面惯性矩；V为柱端剪力；h1为柱的高度。
当结构体系只作用竖向均布荷载时，梁端弯矩MAB＝iAB·θ',则θAB＝θ1+θ'为梁AC的旋转角(忽略AE段角度变化)。
当旋转角度大于塑性铰E发生旋转的极限角度[θ]，新型“摩擦塑性铰”发生塑性形变，限位销3被剪短，构造绕旋转销4旋转，承压摩擦接触面间发生相对滑动，如图8所示。
当新型“摩擦塑性铰”构造旋转角度为θ,且θ≥[θ]，其耗能为：
转动弧长
接触摩擦力Ff＝N·μ，其中N为承压型摩擦材料所受接触面间压力；μ为摩擦材料的摩擦系数。
摩擦耗能：
同理，对于梁CD,θCD＝θ2+θ',摩擦耗能：
式中，MAB为梁端弯矩；θ为塑性铰转角；θCDθ2θ'为梁端作用转角；r为塑性铰构造旋转半径；dθ为旋转角度的积分变量；Mf为摩擦耗能量。
本发明工作时，当发生小震及中震时，“塑性铰”区域可看作刚性节点。而发生大震时，由于限位销3被剪断，左侧部分(衬板1、圆弧形封板5、左侧连接板7)和右侧部分(摩擦材料2、圆管型封板6、右侧连接板8、9)以转动销4为轴，发生相对转动，衬板1与摩擦材料2发生摩擦并耗能，结构体系状态如图9和图10所示。震后无需修复，或只需更换摩擦材料或及衬板。
Claims (4)
1.适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰，由左侧单元、右侧单元及连接单元三部分组成，其特征在于左侧单元有一圆弧形封板(5)，圆弧形封板(5)的左侧与左侧弦杆(10)连接，圆弧形封板(5)的右侧粘贴有衬板(1)，衬板(1)上的中部安装有左侧连接板(7)，左侧连接板(7)上开设有限位孔(3)及转动孔(4)；右侧单元有一圆管型封板(6)，圆管型封板(6)的右侧与右侧弦杆(11)连接，圆管型封板(6)的左侧粘贴有摩擦材料(2)，圆管型封板(6)的中部安装有两块右侧连接板(8、9)，右侧连接板(8、9)上开设有限位孔(3)及转动孔(4)；连接件单元有四个小直径的限位销(3)和一个大直径的转动销(4)。
2.根据权利要求1所述的适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰，其特征在于左侧单元有一圆弧形封板(5)，圆弧形封板(5)的左侧与左侧弦杆(10)焊接，衬板(1)上的中部焊接有左侧连接板(7)，圆管型封板(6)的右侧与右侧弦杆(11)焊接，圆管型封板(6)的中部焊接有两块右侧连接板(8、9)。
3.根据权利要求1所述的适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰，其特征在于圆弧形封板(5)安装在左侧弦杆(10)上并能随左侧弦杆(10)进行转动，圆管型封板(6)安装在右侧弦杆(11)上并能随右侧弦杆(11)进行转动；圆管型封板(6)中间处有一条形开口，条形开口宽度与转动连接板(7)的厚度相当；条形开口左右分别焊有右侧连接板(8、9)；左侧连接板(7)与右侧连接板(8、9)通过限位销(3)与转动销(4)连接；圆弧形封板(5)及左侧连接板(7)的圆心与圆管型封板(6)及右侧连接板(8、9)的圆心重合。
4.权利要求1所述的适用于桁架结构及框架结构的摩擦塑性铰的设计方法，其特征在于：
(1)为保证梁在正常使用情况下，保持连续性，摩擦材料(2)的外表面与梁的翼缘相切；
(2)为保证大震作用下，限位销优先被剪断，设置限位销3的面积之和小于转动销4的面积,其设计参数由下列公式确定：
根据叠加原理，结构体系受到水平荷载F1、F2和竖向均布荷载q作用；
当只作用水平荷载时，抗扭弹簧转动刚度为：
由柱AC的弯矩平衡方程和几何边界条件可得：
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此时梁AB在水平荷载作用下的端部旋转角度为θ2；
式中，m1、m2为抗扭弹簧转动刚度；iABiCD为梁的线刚度；iACiCI为柱的线刚度；θ1θ2为柱端转角；E为弹性模量；IAC为柱的截面惯性矩；V为柱端剪力；h1为柱的高度；
当结构体系只作用竖向均布荷载时，梁端弯矩MAB＝iAB·θ',则θAB＝θ1+θ'为梁AC的旋转角，忽略AE段角度变化；
当旋转角度大于塑性铰E发生旋转的极限角度[θ]，摩擦塑性铰发生塑性形变，限位销3被剪短，构造绕旋转销4旋转，承压摩擦接触面间发生相对滑动；
当摩擦塑性铰的构造旋转角度为θ,且θ≥[θ]，其耗能为：
转动弧长
接触摩擦力Ff＝N·μ，其中N为承压型摩擦材料所受接触面间压力；μ为摩擦材料的摩擦系数；
摩擦耗能：
同理，对于梁CD,θCD＝θ2+θ',摩擦耗能：
式中，MAB为梁端弯矩；θ为塑性铰转角；θCDθ2θ'为梁端作用转角；r为塑性铰构造旋转半径；dθ为旋转角度的积分变量；Mf为摩擦耗能量。
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