CN108018991B - 一种自复位粘弹性消能钢梁 - Google Patents

一种自复位粘弹性消能钢梁 Download PDF

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Abstract

发明提供一种自复位粘弹性消能钢梁。该自复位粘弹性消能钢梁中，工字钢梁通过梁端连接垫板、粘弹性消能体和自复位系统与框架柱连接。既具有稳定的复位性能和承载能力，同时兼具良好的耗能能力的自复位粘弹性消能钢梁结构。通过梁上下翼缘端部的节点设计，始终保持框架柱间距不变，并将框架对荷载作用下的位移反应集中在内外套管之间的相对位移上，有效避免了自复位框架通过节点耗能带来的变形扩展问题。复位系统有效控制结构的残余变形。特别适用于对受力性能和复位效果要求较高的大跨度钢框架结构体系。

Description

一种自复位粘弹性消能钢梁
技术领域
本发明涉及一种新型钢梁，尤其涉及一种自复位消能钢梁，属于结构工程技术领域。
背景技术
传统的钢框架结构主要依靠梁、柱等结构构件的塑性变形来耗散地震能量，震后结构将产生较大的塑性残余变形，使得结构难以修复甚至只能拆除重建，从而造成巨大的经济损失。自复位结构是一种旨在减少或消除结构“残余变形”的新型结构形式，典型的自复位结构体系主要由自复位系统和耗能系统两部分组成。自复位系统包括梁、柱节点，预应力钢绞线及形状记忆合金等复位元件。耗能系统由耗能元件或耗能装置构成，如耗能钢筋、角钢、阻尼器等，主要用于消耗地震能量，易于替换，从而减少结构修复时间。
目前，虽然关于自复位钢框架体系的研究取得了不少成果，但主要还是通过自复位后张预应力节点绕梁上、下翼缘的转动来实现结构的复位与耗能，由于节点的绕动，梁柱接触面交替开合，引起框架楼板等构件的扩展变形协调。一方面，通过特殊的楼板体系设计以协调框架扩展变形，如近些年提出的集合梁体系和可滑移组合楼板体系等。另一方面，提出了不产生扩展变形的新型自复位钢框架体系，如自复位钢桁架梁的提出等。自复位钢桁架梁在水平加载过程中虽然具有很好的复位性能和耗能能力，但试验结果表明，对大跨度的自复位钢桁架梁施加水平和竖向荷载共同作用时，自复位钢桁架杆件变形较大，将影响钢桁架梁的受力性能和复位效果。
发明内容
本发明的目的是解决框架楼板等构件的扩展变形协调问题，同时提供一种既具有稳定的复位性能和承载能力，又兼具良好的耗能能力的自复位粘弹性消能钢梁结构，特别适用于对受力性能和复位效果要求较高的大跨度钢框架结构体系。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种自复位粘弹性消能钢梁，包括工字钢梁、梁端连接垫板和粘弹性消能体。所述工字钢梁通过梁端连接垫板、粘弹性消能体和自复位系统与框架柱连接。
所述梁端连接垫板的一侧与框架柱通过高强螺栓连接，另一侧焊接有连接件Ⅰ和连接件Ⅱ。
所述粘弹性消能体包括两块焊接在梁端连接垫板上的抗剪连接板。所述抗剪连接板的内侧附着粘弹性材料。所述抗剪连接板上，开有若干长槽孔。
所述工字钢梁具有坡口Ⅰ和坡口Ⅱ。所述坡口Ⅰ是切除端部下翼缘及端部腹板靠近下翼缘的部分所形成。所述坡口Ⅱ是切除端部上翼缘及端部腹板靠近上翼缘的部分所形成。所述坡口Ⅱ处焊接有连接件Ⅲ。所述工字钢梁的上翼缘通过连接件Ⅲ铰接在连接件Ⅰ上。
所述工字钢梁的腹板插入两块抗剪连接板之间的缝隙中。所述工字钢梁的腹板上具有若干螺栓孔。所述若干抗剪螺栓穿过两块抗剪连接板上的长槽孔和腹板上的螺栓孔。抗剪螺栓的一头旋入螺母。所述螺母未拧紧。
所述复位系统包括预应力钢绞线、内套管、外套管、锚固板、连接板和锚具。
所述外套管焊接在工字钢梁的下翼缘的下方。所述内套管的穿入外套管中。所述外套管短于内套管。所述内套管两端设置有锚固板。所述锚固板的直径不小于外套管截面外径。所述预应力钢绞线设置于内套管内，每根预应力钢绞线两端穿过锚固板的锚固孔并通过锚具与锚固板连接。所述锚固板上设有与连接板形状相匹配的通孔。所述连接板一端与内套管焊接，另一端穿过锚固板上的通孔并且位于锚固板外部。所述连接板位于锚固板外部的一端与连接件Ⅱ通过销子铰接。
进一步，所述框架柱选用H型钢，其翼缘与梁端连接垫板采用高强螺栓连接。
进一步，所述内套管两端各开设有4个凹槽。所述连接板远离梁端连接垫板一端焊接十字连接板呈十字状。所述连接板十字状端插入所述凹槽并与内套管焊接连接。
进一步，所述内套管和外套管之间存在间隙。所述连接板十字状端的长和高与外套管的内径相等，从而保证内套管和外套管的相对位置和相对运动时的方向。
本发明还公开一种自复位粘弹性消能钢梁，包括工字钢梁、梁端连接垫板和粘弹性消能体。所述工字钢梁通过梁端连接垫板、粘弹性消能体和自复位系统与框架柱连接。
所述梁端连接垫板的一侧与框架柱通过高强螺栓连接，另一侧焊接有连接件Ⅰ和连接件Ⅱ。
所述粘弹性消能体包括两块焊接在梁端连接垫板上的抗剪连接板。所述抗剪连接板的内侧附着粘弹性材料。所述抗剪连接板上，开有若干长槽孔。
所述工字钢梁具有坡口Ⅰ和坡口Ⅱ。所述坡口Ⅰ是切除端部下翼缘及端部腹板靠近下翼缘的部分所形成。所述坡口Ⅱ是切除端部上翼缘及端部腹板靠近上翼缘的部分所形成。所述坡口Ⅱ处焊接有连接件Ⅲ。所述工字钢梁的上翼缘通过连接件Ⅲ铰接在连接件Ⅰ上。
所述工字钢梁的腹板插入两块抗剪连接板之间的缝隙中。所述工字钢梁的腹板上具有若干螺栓孔，若干抗剪螺栓穿过两块抗剪连接板上的长槽孔和腹板上的螺栓孔。抗剪螺栓的一头旋入螺母。所述螺母未拧紧。
所述复位系统包括预应力钢绞线、方管内套管、槽钢、锚固板、连接板和锚具。
所述槽钢焊接在工字钢梁的下翼缘的下方。所述方管内套管穿入槽钢的凹槽形中。
所述槽钢短于方管内套管。所述方管内套管两端设置有锚固板。所述锚固板的长不小于槽钢的腰宽。所述锚固板的宽不小于槽钢的腿长。所述预应力钢绞线设置于方管内套管内，每根预应力钢绞线两端穿过锚固板的锚固孔并通过锚具与锚固板连接。所述锚固板上设有与连接板形状相匹配的通孔。所述连接板一端与方管内套管焊接，另一端穿过锚固板上的通孔并且位于锚固板外部。所述连接板位于锚固板外部的一端与连接件Ⅱ通过销子铰接。
进一步，所述框架柱选用H型钢，其翼缘与梁端连接垫板采用高强螺栓连接。
进一步，所述方管内套管端部开设有4个凹槽。所述连接板远离梁端连接垫板的一端焊接十字连接板呈十字状。所述连接板十字状端插入所述凹槽并与方管内套管焊接连接。
进一步，所述方管内套管和槽钢之间存在间隙。所述连接板十字状端的尺寸与槽钢的高度与腿厚之差及腿宽与腰厚之差相匹配，从而保证方管内套管和槽钢的相对位置和相对运动时的方向。
本发明的技术效果是毋庸置疑的:
1、本发明提出的自复位粘弹性消能钢梁充分发挥工字钢的抗弯刚度，通过梁上下翼缘端部的节点设计，始终保持框架柱间距不变，并将框架对荷载作用下的位移反应集中在内外套管之间的相对位移上，有效避免了自复位框架通过节点耗能带来的变形扩展问题；
2、本发明提出的自复位粘弹性消能钢梁充分发挥了粘弹性材料稳定的滞回特性，通过抗剪连接钢板与工字钢腹板之间的相对运动，使粘弹性材料层产生往复剪切变形，从而吸收和耗散大部分能量，将结构的震害集中在可更换的粘弹性材料，有效控制了结构震后的修复成本；
3、本发明提出的自复位粘弹性消能钢梁采用内外套管、锚固板和预应力钢绞线所组成的复位系统，有效控制结构的残余变形。特别适用于对受力性能和复位效果要求较高的大跨度钢框架结构体系。
附图说明
图1为自复位粘弹性消能钢梁的结构构造示意图；
图2为图1的A-A剖面图；
图3为自复位系统部分部件的立体三维示意图；
图4为自复位系统装配示意图；
图5为另一种实施方式的自复位系统剖面示意图；
图6为工字钢梁上翼缘与连接件铰接点俯视图；
图7为连接件Ⅰ和连接件Ⅲ结构示意图。
图中：工字钢梁1、上翼缘101、腹板102、螺栓孔1021、下翼缘103、坡口Ⅰ104、坡口Ⅱ105、梁端连接垫板2、销子201、连接件Ⅰ202、销孔Ⅲ2021、高强螺栓203、连接件Ⅱ204、销孔Ⅰ2041、金属销205、连接件Ⅲ206、销孔Ⅵ2061、粘弹性消能体3、抗剪连接板301、长槽孔3011、粘弹性材料302、抗剪螺栓303、螺母3031、框架柱4、自复位系统5、预应力钢绞线501、内套管502、凹槽5021、外套管503、锚固板504、通孔5041、锚固孔5042、连接板505、销孔Ⅱ5051、端连接板5052、锚具506、方管内套管507、槽钢508。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，自复位粘弹性消能钢梁，包括工字钢梁1、梁端连接垫板2、粘弹性消能体3、H型钢框架柱4和自复位系统5。
所述梁端连接垫板2的一侧与H型钢框架柱4的翼缘通过高强螺栓203连接，另一侧焊接有连接件Ⅰ202和连接件Ⅱ204。
参见图1和图2，所述粘弹性消能体3包括两块焊接在梁端连接垫板2上的抗剪连接板301。所述抗剪连接板301的内侧附着粘弹性材料302。所述抗剪连接板301上，开有若干长槽孔3011。
所述工字钢梁1具有坡口104和坡口105。所述坡口104是切除端部下翼缘及端部腹板靠近下翼缘的部分所形成。所述坡口105是切除端部上翼缘及端部腹板靠近上翼缘的部分所形成。参见图6与图7，所述连接件Ⅲ206焊接在坡口105处。所述连接件Ⅰ202为凹字形，连接件Ⅲ206为凸字形。所述连接件Ⅰ202上具有销孔Ⅲ2021，连接件Ⅲ206上具有销孔Ⅵ2061。所述连接件Ⅰ202与连接件Ⅲ206插装配合后，金属销205穿过销孔Ⅲ2021和销孔Ⅵ2061，将工字钢梁1上翼缘铰接在梁端连接垫板2上。
参见图1，图中垂直纸面方向为左右方向，H型钢框架柱竖向为上下方向。强震作用下，工字钢梁1可以绕上翼缘铰接点上下转动。
所述工字钢梁1的腹板102插入两块抗剪连接板301之间的缝隙中。所述工字钢梁1的腹板102上具有若干螺栓孔1021。所述若干抗剪螺栓303穿过两块抗剪连接板301上的长槽孔3011和腹板上的螺栓孔1021。抗剪螺栓303的一头旋入螺母3031。所述螺母未拧紧，与抗剪连接板301之间存在间隙。强震作用下，抗剪螺栓303可沿长槽孔3011滑动，从而保证梁端铰能转动。
参见图1和图4，所述复位系统5包括预应力钢绞线501、内套管502、外套管503、锚固板504、连接板505和锚具506。
所述外套管503焊接在工字钢梁1的下翼缘103的下方。所述内套管502的穿入外套管503中。所述外套管503短于内套管502。所述内套管502和外套管503之间存在间隙。所述内套管502两端设置有锚固板504。所述锚固板504的直径不小于外套管503截面外径。所述预应力钢绞线501设置于内套管502内，每根预应力钢绞线501两端穿过锚固板504的锚固孔5042并通过锚具506与锚固板504连接,从而将内外套管预压在一起。
参见图1、图3和图4，所述锚固板504上设有与连接板505形状相匹配的通孔5041。所述连接板505一端与内套管502焊接，另一端穿过锚固板504上的通孔5041并且位于锚固板504外部。所述内套管502端部开设有4个凹槽5021。所述连接板505远离梁端连接垫板2的一端焊接十字连接板5052呈十字状。所述连接板505十字状端插入所述凹槽5021并与内套管502焊接连接。所述连接板505十字状端的尺寸与外套管503的内径相匹配，从而保证内套管502和外套管503的相对位置和相对运动时的方向。所述连接板505位于锚固板504外部的一端与连接件Ⅱ204通过销子201铰接。
强震作用下，始终保持框架柱间距不变，并将框架对荷载作用下的位移反应集中在内外套管之间的相对位移上，有效避免了自复位框架通过节点耗能带来的变形扩展问题，使得楼板系统与自复位粘弹性消能钢梁之间无需为变形协调而采用特殊处理。加载阶段，抗剪连接钢板与工字钢腹板之间产生相对运动，使粘弹性材料层产生往复剪切变形，从而吸收和耗散大部分能量。此过程中，预应力钢绞线储存弹性变形能。当卸载时预应力钢绞线释放所储存弹性变形能参与复位。
实施例2：
自复位粘弹性消能钢梁，包括工字钢梁1、梁端连接垫板2、粘弹性消能体3、H型钢框架柱4和自复位系统5。
所述梁端连接垫板2的一侧与H型钢框架柱4的翼缘通过高强螺栓203连接，另一侧焊接有连接件Ⅰ202和连接件Ⅱ204。
所述粘弹性消能体3包括两块焊接在梁端连接垫板2上的抗剪连接板301。所述抗剪连接板301的内侧附着粘弹性材料302。所述抗剪连接板301上，开有若干长槽孔3011。
所述工字钢梁1具有坡口104和坡口105。所述坡口104是切除端部下翼缘及端部腹板靠近下翼缘的部分所形成。所述坡口105是切除端部上翼缘及端部腹板靠近上翼缘的部分所形成。参见图6与图7，所述连接件Ⅲ206焊接在坡口105处。所述连接件Ⅰ202为凹字形，连接件Ⅲ206为凸字形。所述连接件Ⅰ202上具有销孔Ⅲ2021，连接件Ⅲ206上具有销孔Ⅵ2061。所述连接件Ⅰ202与连接件Ⅲ206插装配合后，金属销205穿过销孔Ⅲ2021和销孔Ⅵ2061，将工字钢梁1上翼缘铰接在梁端连接垫板2上。
所述工字钢梁1的腹板102插入两块抗剪连接板301之间的缝隙中。所述工字钢梁1的腹板102上具有若干螺栓孔1021。所述若干抗剪螺栓303穿过两块抗剪连接板301上的长槽孔3011和腹板上的螺栓孔1021。抗剪螺栓303的一头旋入螺母3031。
所述复位系统5包括预应力钢绞线501、方管内套管507、槽钢508、锚固板504、连接板505和锚具506。
参见图5，所述槽钢508的腿端焊接在工字钢梁1的下翼缘103的下方。所述方管内套管507穿入槽钢508的凹槽形内。所述方管内套管507和槽钢508之间存在间隙。
所述槽钢508短于方管内套管507。所述方管内套管两端设置有锚固板504。所述锚固板504的长不小于槽钢508的腰宽。所述锚固板504的宽不小于槽钢508的腿长。所述预应力钢绞线501设置于方管内套管507内，每根预应力钢绞线501两端穿过锚固板504的锚固孔5042并通过锚具506与锚固板504连接,从而将方管内套管507与槽钢508预压在一起。所述内套管507端部开设有4个凹槽5071。所述连接板505远离梁端连接垫板2的一端焊接十字连接板5052呈十字状。所述连接板505十字状端插入所述凹槽5071并与内套管507焊接连接。所述锚固板504上设有与连接板505形状相匹配的通孔5041。所述内套管507和槽钢508之间存在间隙。所述连接板505十字状端的尺寸与槽钢508的高度与腿厚之差及腿宽与腰厚之差相匹配，从而保证方管内套管507和槽钢508的相对位置和相对运动时的方向。所述连接板505一端与内套管507焊接，另一端穿过锚固板504上的通孔5041并且位于锚固板504外部。所述连接板505位于锚固板504外部的一端与连接件Ⅱ204通过销子201铰接。

Claims (7)

1.一种自复位粘弹性消能钢梁，其特征在于:包括工字钢梁(1)、梁端连接垫板(2)和粘弹性消能体(3)；
所述工字钢梁(1)通过梁端连接垫板(2)、粘弹性消能体(3)和自复位系统(5)与框架柱(4)连接；
所述梁端连接垫板(2)的一侧与框架柱(4)通过高强螺栓(203)连接，另一侧焊接有连接件Ⅰ(202)和连接件Ⅱ(204)；
所述粘弹性消能体(3)包括两块焊接在梁端连接垫板(2)上的抗剪连接板(301)；所述抗剪连接板(301)的内侧附着粘弹性材料(302)；所述抗剪连接板(301)上，开有若干长槽孔(3011)；
所述工字钢梁(1)具有坡口Ⅰ(104)和坡口Ⅱ(105)；所述坡口Ⅰ(104)是切除端部下翼缘及端部腹板靠近下翼缘的部分所形成；所述坡口Ⅱ(105)是切除端部上翼缘及端部腹板靠近上翼缘的部分所形成；所述坡口Ⅱ(105)处焊接有连接件Ⅲ(206)；所述工字钢梁(1)的上翼缘通过连接件Ⅲ(206)铰接在连接件Ⅰ(202)上；
所述工字钢梁(1)的腹板(102)插入两块抗剪连接板(301)之间的缝隙中；所述工字钢梁(1)的腹板(102)上具有若干螺栓孔(1021)；若干抗剪螺栓(303)穿过两块抗剪连接板(301)上的长槽孔(3011)和腹板上的螺栓孔(1021)；抗剪螺栓(303)的一头旋入螺母(3031)；所述螺母(3031)未拧紧；
所述复位系统(5)包括预应力钢绞线(501)、内套管(502)、外套管(503)、锚固板(504)、连接板(505)和锚具(506)；
所述外套管(503)焊接在工字钢梁(1)的下翼缘(103)的下方；所述内套管(502)的穿入外套管(503)中；所述外套管(503)短于内套管(502)；所述内套管(502)两端设置有锚固板(504)；所述锚固板(504)的直径不小于外套管(503)截面外径；所述预应力钢绞线(501)设置于内套管(502)内，每根预应力钢绞线(501)两端穿过锚固板(504)的锚固孔(5042)并通过锚具(506)与锚固板(504)连接；所述锚固板(504)上设有与连接板(505)形状相匹配的通孔(5041)；所述连接板(505)一端与内套管(502)焊接，另一端穿过锚固板(504)上的通孔(5041)并且位于锚固板(504)外部；所述连接板(505)位于锚固板(504)外部的一端与连接件Ⅱ(204)通过销子(201)铰接。
2.一种自复位粘弹性消能钢梁，其特征在于:包括工字钢梁(1)、梁端连接垫板(2)和粘弹性消能体(3)；
所述工字钢梁(1)通过梁端连接垫板(2)、粘弹性消能体(3)和自复位系统(5)与框架柱(4)连接；
所述梁端连接垫板(2)的一侧与框架柱(4)通过高强螺栓(203)连接，另一侧焊接有连接件Ⅰ(202)和连接件Ⅱ(204)；
所述粘弹性消能体(3)包括两块焊接在梁端连接垫板(2)上的抗剪连接板(301)；所述抗剪连接板(301)的内侧附着粘弹性材料(302)；所述抗剪连接板(301)上，开有若干长槽孔(3011)；
所述工字钢梁(1)具有坡口Ⅰ(104)和坡口Ⅱ(105)；所述坡口Ⅰ(104)是切除端部下翼缘及端部腹板靠近下翼缘的部分所形成；所述坡口Ⅱ(105)是切除端部上翼缘及端部腹板靠近上翼缘的部分所形成；所述坡口Ⅱ(105)处焊接有连接件Ⅲ(206)；所述工字钢梁(1)的上翼缘通过连接件Ⅲ(206)铰接在连接件Ⅰ(202)上；
所述工字钢梁(1)的腹板(102)插入两块抗剪连接板(301)之间的缝隙中；所述工字钢梁(1)的腹板(102)上具有若干螺栓孔(1021)，若干抗剪螺栓(303)穿过两块抗剪连接板(301)上的长槽孔(3011)和腹板上的螺栓孔(1021)；抗剪螺栓(303)的一头旋入螺母(3031)；所述螺母(3031)未拧紧；
所述复位系统(5)包括预应力钢绞线(501)、方管内套管(507)、槽钢(508)、锚固板(504)、连接板(505)和锚具(506)；
所述槽钢(508)焊接在工字钢梁(1)的下翼缘(103)的下方；所述方管内套管(507)穿入槽钢(508)的凹槽形中；
所述槽钢(508)短于方管内套管(507)；所述方管内套管(507)两端设置有锚固板(504)；所述锚固板(504)的长不小于槽钢(508)的腰宽；所述锚固板(504)的宽不小于槽钢(508)的腿长；所述预应力钢绞线(501)设置于方管内套管(507)内，每根预应力钢绞线(501)两端穿过锚固板(504)的锚固孔(5042)并通过锚具(506)与锚固板(504)连接；所述锚固板(504)上设有与连接板(505)形状相匹配的通孔(5041)；所述连接板(505)一端与方管内套管(507)焊接，另一端穿过锚固板(504)上的通孔(5041)并且位于锚固板(504)外部；所述连接板(505)位于锚固板(504)外部的一端与连接件Ⅱ(204)通过销子(201)铰接。
3.根据权利要求1或2所述的自复位粘弹性消能钢梁，其特征在于：所述框架柱(4)选用H型钢，其翼缘与梁端连接垫板(2)采用高强螺栓(203)连接。
4.根据权利要求1所述的自复位粘弹性消能钢梁，其特征在于：所述内套管(502)端部开设有4个凹槽(5021)；所述连接板(505)远离梁端连接垫板(2)的一端焊接十字连接板(5052)呈十字状；所述连接板(505)十字状端插入所述凹槽(5021)并与内套管(502)焊接连接。
5.根据权利要求2所述的自复位粘弹性消能钢梁，其特征在于：所述方管内套管(507)端部开设有4个凹槽(5021)；所述连接板(505)远离梁端连接垫板(2)的一端焊接十字连接板(5052)呈十字状；所述连接板(505)十字状端插入所述凹槽(5021)并与方管内套管(507)焊接连接。
6.根据权利要求4所述的自复位粘弹性消能钢梁，其特征在于：所述内套管(502)和外套管(503)之间存在间隙；所述连接板(505)十字状端的尺寸与外套管(503)的内径相匹配，从而保证内套管(502)和外套管(503)的相对位置和相对运动时的方向。
7.根据权利要求5所述的自复位粘弹性消能钢梁，其特征在于：所述方管内套管(507)和槽钢(508)之间存在间隙；所述连接板(505)十字状端的尺寸与槽钢(508)的高度与腿厚之差及腿宽与腰厚之差相匹配，从而保证方管内套管(507)和槽钢(508)的相对位置和相对运动时的方向。
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