CN107859196B - 一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点 - Google Patents
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Abstract
本发明一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，包括节点消能和复位功能连接板、自复位弹簧、消能软钢、高强锚栓、装配式预留孔道、预应力筋和节点核心区。利用装配式预留孔道将节点消能和复位功能连接板通过高强锚栓和预应力筋与节点核心区，以及其他预制装配式构件实现装配式连接，消能和复位功能连接板翼缘板边缘根据复位需要设置有不同数量但具有相同拉压刚度的预压自复位弹簧，消能软钢通过高强螺栓与节点和复位功能连接板实现装配式连接。本发明可作为单独系统替代传统装配式梁、柱、墩的塑性铰区等优点，可在结构微小振(震)动时实现自复位，并在发生振(震)后损伤时有效地实现可置换(恢复)功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于装配式结构的具有可置换、自复位和消能减振(震)功能的装配式消能减振节点，属于工程振动控制领域。
背景技术
近年来随着社会经济的发展，城市化水平和人民生活水平的提高，人们对建筑、桥梁结构在多灾害作用下的安全，施工和使用期间的环境污染与能源消耗，以及经济性和耐久性等的要求越来越高。装配式结构和可恢复结构具有施工便捷，施工周期短，能耗低，便修复(置换)等优点，因此装配式结构、可恢复功能结构越来越受到国内外工程师的青睐。鉴于抗震性能和可恢复功能的要求，装配式节点一直以来是装配式结构和可恢复结构的研究重点和难点。目前，装配式节点的抗震性能研究仍不完善，其抗震性能受构造和工艺的影响显著，抗震性能研究成果仍不理想，同时由于传统装配式节点在多灾害作用下的破坏严重，可恢复性差，导致装配式结构未能充分发挥自身的优点。因此，具有优异抗震性能和具有可恢复功能(可置换功能和自复位功能)的装配式节点成为国内外学者的研究热点。
属于装配式结构整体抗震性能关键构件的装配式节点目前主要存在以下不足：首先现阶段的研究结果显示，为了达到较好的整体抗震性能，装配式节点仍多采用“湿接”的方式，部分节点仍需设置模板进行现场施工和现场养护，未能充分发挥装配式结构施工简单、迅速的优势，同时传统的装配式节点亦未能有效解决装配式结构的整体抗震性能不佳的问题；其次，为了提高传统的装配式节点与装配式构件(预制柱、预制梁、预制板等)的连接，一般将装配式节点做的较大、较强。地震等灾害作用下，相对而言，除节点外的其他装配式构件较弱，非塑性铰区装配式构件在小震作用下的损伤就较为严重，可恢复功能(自复位功能和可置换功能)差，而由于装配式节点区域的影响，装配式构件的塑性铰区域和位置会发生变化，梁-柱等构件塑性铰区的变化会影响装配式结构的整体抗震性能；此外，由于传统装配式节点仍较广泛采用“湿接”的方式，当装配式节点与装配式构件连接区域发生破坏，装配式结构的可恢复性会显著降低，同时会显著增加修复的造价。因此，开发具有一定自复位功能，具有良好消能减振效果，并具有可置换功能的装配式节点具有重大的工程意义。
发明内容
为了解决传统装配式节点消能减振能力差，不具有自复位功能，可置换功能差，会较显著改变结构动力耗能塑性铰区等问题，本发明提出了一种设置有消能软钢，能够代替梁-柱塑性铰区，并设置有自复位弹簧，利用高强锚栓或预应力钢绞线连接的一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点。本发明节点具有一定的自复位功能，具有优良的消能减振能力，同时方便拆卸和更换，具有可置换(恢复) 功能等特点，在地震或强风作用下，位于塑性铰区的消能软钢可以发挥消能减振作用，预应力筋和自复位弹簧可以在静力平衡位置附近发挥复位功能，同时当消能软钢发挥耗能作用后或者节点发生不可修复损伤后，高强螺栓或预应力筋可以方便拆卸和替换，进一步完善了可置换(恢复)功能，而装配式构造(高强螺栓或预应力筋连接方式) 可以实现节点的工厂预制和装配式功能。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，包括节点消能和复位功能连接板1、自复位弹簧2、消能软钢3、高强锚栓4、装配式预留孔道5、预应力筋6和节点核心区7；利用装配式预留孔道 5将节点消能和复位功能连接板1与节点核心区7，以及梁、柱、墩预制装配式构件实现装配式连接，
节点消能和复位功能连接板1的翼缘板边缘处根据复位设计要求并列设置有不同数量但具有相同拉压刚度的预压自复位弹簧2，消能软钢3通过高强锚栓4与节点消能和复位功能连接板1实现装配式连接。
节点消能和复位功能连接板1上设有多个装配式预留孔道5，预应力筋6设置在装配式预留孔道5中；节点消能和复位功能连接板1 与节点核心区7之间通过高强锚栓4和预应力筋6进行连接。
在风或地震或风和地震的作用下，节点消能和复位功能连接板1 两端的翼缘板会发生相对变形。当发生小变形时即变形初期，自复位弹簧2和预应力筋6使消能和复位功能连接板1复位，以达到一定的自复位功能；当发生大变形时即变形中期，消能软钢3发生塑性变形耗能，以达到消能减振功能；而高强锚栓4和预应力筋6能实现节点的可置换装配。
节点消能和复位功能连接板1的抗弯刚度、抗拉压刚度和抗剪刚度与预制装配连接的梁、柱或墩预制装配式构件的塑性铰区的抗弯刚度、抗压刚度和抗剪刚度保持一致，消能和复位功能连接板1为预留锚孔的高强锻造或焊接型钢(抗拉强度大于420MPa)，消能和复位功能连接板1的横截面尺寸为与预制装配连接的梁或柱的尺寸0.9～1.1 之间，长度尺寸与预制装配连接的梁-柱塑性铰区尺寸，以提供梁-柱塑性铰区的消能能力，同时避免非塑性铰区预制装配式梁-柱构件的损坏。
所述的消能软钢3的抗变形能力为节点消能和复位功能连接板1 抗变形能力的1/5～1/10，消能软钢3的数量根据消能减振能力的需求和工程所在抗震设防烈度或最大风载等级进行调整；消能软钢3根据节点消能和复位功能连接板1的消能减振需求确定为单向设置或双向设置。
消能软钢3的材料选为低屈服铝合金或低屈服铅合金等。
所述的节点核心区7为预制混凝土构件或钢构件；当为混凝土构件，配筋和截面尺寸与传统装配式节点的设计原则一致；若为钢构件根据装配式节点的设计参数按刚度等效原则进行设计。节点核心区7 单独与装配式梁、柱或墩预制装配式构件相连，或者同时与装配式梁和柱构件相连，并在对应连接位置预留装配式预留孔道5，预应力筋 6采用后张法施工。
节点消能和复位功能连接板1、自复位弹簧2和消能软钢3组成的系统能代替装配式梁、柱、墩构件的塑性铰区，单独作为非装配式构件的塑性铰区使用，即不设置节点核心区7。
所述的节点核心区7、消能软钢3或节点消能和复位功能连接板 1发生显著损坏时即出现屈服或屈曲，利用高强锚栓4和千斤顶+预应力筋6实现可置换功能。
本发明通过在装配式建筑结构梁-柱节点、柱-台节点，或装配式桥梁结构的墩-台节点、墩-梁节点设置具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，通过预压自复位弹簧和后张法预应力筋实现装配式结构节点区域在小震(振)条件下的自复位功能，通过消能软钢实现在大震(振)条件下良好的消能减振能力，通过装配式构造(高强锚栓连接和后张法预应力连接)实现震(振)后损伤破坏时具有可置换功能，以避免传统装配式结构节点区消能减振能力不足，容易造成装配式构件破坏模式变化，可置换能力及自复位能力不强等缺点，显著提高装配式结构的整体抗震(振)性能，施工便易性和震(振)后可恢复能力。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明将自复位弹簧、消能软钢、装配式构造三者有机的结合在了一起，既能够在风荷载和小震作用下提供结构的刚度要求和自复位功能，也能在大震时提高节点的消能减震能力，同时合理的利用装配式构造显著改善了装配式结构传统连接节点的实施和恢复便易性；
2)本发明将结构抗震设计“三级设防标准”的理念引入了装配式节点的设计和实施中，实现了装配式节点小震(振)时的自复位，中震(振)时的消能减振(震)和大震(振)时的可置换，将传统装配式节点仅在连接构造处的硬抗转换为具有多阶段抵抗能力的软抗，显著提高了装配式结构的抗震(振)性能；
3)本发明构造简单、方便拆卸和安装，且消能与自复位功能连接板、自复位弹簧和消能软钢单独组成一个整体可作为单独系统替代传统装配式梁、柱、墩的塑性铰区，避免了传统装配式梁、柱、墩构件塑性铰区的严重损伤和修复难等问题，结合其装配式功能，可以在发生严重损伤后有效地实现装配式结构的可置换(恢复)功能。
附图说明
图1为本发明的具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点正立面示意图；
图2为本发明的具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点的消能和复位功能连接板和复位弹簧示意图；
图3为本发明的具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点的消能软钢示意图；
图4为本发明的具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点的节点核心区示意图；
图中：1—节点消能与复位功能连接板；2—自复位弹簧；3—消能软钢；4—高强锚栓；5—装配式预留孔道；6—预应力筋；7—节点核心区。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
如图1～图4所示，为本发明的一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，其主要包括消能和复位功能连接板1、自复位弹簧2、消能软钢3、高强锚栓4、装配式预留孔道5、预应力筋6、节点核心区7。本节点用于建筑装配式框架结构中的装配式梁构件。
消能和复位功能连接板1为长翼缘I型钢，翼缘板、腹板(箱型截面)通过焊接连接，其横截面尺寸为b400mm×h500mm，采用Q420 钢，翼缘板上下翼缘板分别设置六个与预应力筋相连的预留孔道5及与四对消能软钢3连接的锚栓孔，在消能和复位功能连接板的上下翼缘板通过焊接方式对称设置六个预压自复位弹簧2，其线性刚度为 150000kN/m，并在预留锚栓孔位置设置两对消能软钢3，消能软钢3 采用低屈服铝合金，屈服应力为160MPa。节点核心区7采用C50预制普通钢筋混凝土，并预留六个预应力预留孔道5。利用预应力筋6 采用后张法施工将消能和复位功能连接板1和节点核心区7进行连接，预应力筋6为1×7Φs12.7预应力钢绞线，屈服应力为1670MPa，张拉控制应力为1250MPa。本节点与框架结构柱构件的连接为传统连接方式，不设置复位和消能减振装置。
消能和复位功能连接板1沿与之连接的预制梁长度方向的尺寸l 根据下式确定。
l＝κ×h
其中
h——为消能和复位功能连接板1的横截面高度
κ——为梁构件塑性铰长度系数，取值范围为1.0～1.5
实施例2：
如图1～图4所示，为本发明的一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，其主要包括消能和复位功能连接板1、自复位弹簧2、消能软钢3、高强锚栓4、装配式预留孔道5、预应力筋6。本节点用于装配式桥梁墩柱构件端部。
本节点不设置核心区7，作为装配式桥梁墩柱的端部塑性铰区使用。消能和复位功能连接板1为长翼缘I型钢，锻造而成，其横截面尺寸为b600mm×h600mm，采用Qd420钢，翼缘板上下翼缘板分别设置十二个与预应力筋相连的预留孔道5及与八对消能软钢3连接的锚栓孔，在消能和复位功能连接板的四角通过焊接方式对称设置四个预压自复位弹簧2，其线性刚度为750000kN/m，并在预留锚栓孔位置设置两对消能软钢3，消能软钢3采用低屈服铅合金，屈服应力为 160MPa。并预留十二个预应力孔道5，预应力钢筋6在承台或预制墩柱混凝土浇筑前预先设置，装配定位完成后采用后张法将消能和复位功能连接板1承台或预制墩柱构件进行连接，预应力筋6为1×7Φs15.2 预应力钢绞线，屈服应力为1860MPa，张拉控制应力为1390MPa。
消能和复位功能连接板1沿预制墩柱长度方向的尺寸lp取为下两式计算结果的较小值。
lp＝0.08L1+0.022fyds≥0.044fyds
其中
L1——悬臂墩的高度或塑性铰截面到反弯点的距离
ds——墩柱纵向钢筋直径
fy——墩柱纵向钢筋抗拉强度标准值
b——矩形截面的短边尺寸或圆心截面的直径
以上为本发明的两个典型实施例，但本发明的实施不限于此。
Claims (5)
1.一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，其特征在于：包括节点消能和复位功能连接板(1)、自复位弹簧(2)、消能软钢(3)、高强锚栓(4)、装配式预留孔道(5)、预应力筋(6)和节点核心区(7)；利用装配式预留孔道(5)中的预应力筋将节点消能和复位功能连接板(1)与节点核心区(7)，以及梁、柱、墩预制装配式构件实现装配式连接，
节点消能和复位功能连接板(1)的翼缘板边缘处根据复位设计要求并列设置有不同数量但具有相同拉压刚度的预压自复位弹簧(2)，消能软钢(3)通过高强锚栓(4)与节点消能和复位功能连接板(1)实现装配式连接；
节点消能和复位功能连接板(1)上设有多个装配式预留孔道(5)，预应力筋(6)设置在装配式预留孔道(5)中；节点消能和复位功能连接板(1)与节点核心区(7)之间通过高强锚栓(4)和预应力筋(6)进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，其特征在于：节点消能和复位功能连接板(1)的抗弯刚度、抗拉压刚度和抗剪刚度与预制装配连接的梁、柱或墩预制装配式构件的塑性铰区的抗弯刚度、抗压刚度和抗剪刚度保持一致，节点消能和复位功能连接板(1)为预留锚孔的高强锻造或焊接型钢，节点消能和复位功能连接板(1)的横截面尺寸为与预制装配连接的梁或柱的尺寸0.9～1.1之间。
3.根据权利要求1所述的一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，其特征在于：所述的消能软钢(3)的抗变形能力为节点消能和复位功能连接板(1)抗变形能力的1/5～1/10；消能软钢(3)根据消能和节点消能和复位功能连接板(1)的消能减振需求确定为单向设置或双向设置。
4.根据权利要求1所述的一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，其特征在于：消能软钢(3)的材料选为低屈服铝合金或低屈服铅合金。
5.根据权利要求1所述的一种具有自复位功能的可置换装配式消能减振节点，其特征在于：所述的节点核心区(7)为预制混凝土构件或钢构件；当为混凝土构件，配筋和截面尺寸与传统装配式节点的设计原则一致；节点核心区(7)单独与装配式梁、柱或墩预制装配式构件相连，或者同时与装配式梁和柱构件相连，并在对应连接位置预留有装配式预留孔道(5)，预应力筋(6)采用后张法施工。
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