CN108035440A - 一种带楔形装置的装配式自复位钢框架节点 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，包括H型钢柱、H型钢梁、预应力钢绞线和楔形装置；H型钢梁梁端焊接一块端板，H型钢梁梁端通过穿芯螺栓与H型钢柱连接；在H型钢柱外侧于各个穿芯螺栓处安装楔形装置；在H型钢梁和H型钢柱之间设置预应力钢绞线。本发明的节点通过螺栓屈服耗能，通过预应力钢绞线实现自复位，通过楔形装置防止节点空转。相对于传统节点，本发明节点在地震中只有螺栓屈服，而主体结构均保持弹性状态。地震后，由预应力钢绞线提供自复位能力，仅需替换螺栓即可重新使用。

Description

一种带楔形装置的装配式自复位钢框架节点
技术领域
本发明属于建筑结构防震减灾技术领域，涉及一种自复位梁柱节点形式，具体涉及一种带楔形装置的装配式自复位钢框架节点。
背景技术
自复位结构是一种以减少建筑结构震后残余变形为目标的新型结构形式，该体系既能有效控制结构最大变形，又能减少甚至消除结构的残余变形，使建筑结构能在震后快速恢复使用功能，实现“中震可修”的抗震设防目标。
现有自复位节点多采用角钢、耗能钢筋、摩擦阻尼器等耗能。在卸载过程中，耗能装置会从受拉状态变为受压状态，对节点自复位产生不利影响，需要对钢绞线预应力提出更高的要求，同时也会一定程度上削弱节点的耗能能力。此外，现有自复位框架节点的钢绞线多沿梁长方向通长布置，该类节点存在施工难度大、加工成本高的缺点。部分自复位框架节点钢绞线虽然不是通长布置，但由于自身构造原因，只能应用于边跨。因此，有待进一步研究和开发施工简单、加工成本较低、性能更好的自复位钢框架节点。
发明内容
针对现有技术的缺陷和不足，本发明提出一种带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，使建筑结构能在震后快速恢复使用功能，避免耗能装置产生的不利影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
本发明公开一种楔形装置，包括第一楔块、第二楔块、弹簧和反力板；所述的反力板为L形板件，所述的弹簧一端固定在反力板的短肢上，弹簧另一端固定在第一楔块上；所述的第一楔块和第二楔块的楔形面相匹配；
所述的第一楔块上设有U型槽，所述的第二楔块上设有第一通孔，所述的第一楔块可沿着反力板的长肢和第二楔块的楔形面移动。
本发明还公开一种带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，包括H型钢柱、H型钢梁、预应力钢绞线和楔形装置；
所述的H型钢柱上设有穿芯螺栓，所述的穿芯螺栓贯通H型钢柱的翼缘板；所述的H型钢柱两侧的翼缘板上通过穿芯螺栓固定有端板，所述的H型钢梁的端部垂直固定在一端板上，所述的楔形装置设于另一端板上；
所述的楔形装置包括第一楔块、第二楔块、弹簧和反力板；所述的反力板为L形板件，反力板的长肢固定在端板上，反力板的长肢上设有第一通孔；
所述的弹簧一端固定在反力板的短肢上，弹簧另一端固定在第一楔块上；所述的第一楔块和第二楔块的楔形面相匹配；
所述的第一楔块上设有U型槽，所述的第二楔块上设有第二通孔，第一楔形块和第二楔块分别通过U型槽和第二通孔连接在穿芯螺栓上；所述的第一楔块可沿着反力板的长肢和第二楔块的楔形面移动；
所述的预应力钢绞线设于H型钢梁和H型钢柱之间。
进一步的，所述的H型钢梁上设有锚固板，所述的锚固板位于H型钢梁腹板的两侧，锚固板与H型钢梁翼缘板和腹板均垂直连接，所述的预应力钢绞线一端固定在端板上，预应力钢绞线另一端固定在锚固板上。
进一步的，所述的锚固板上设有多个第一加劲肋，所述的第一加劲肋平行于H型钢梁的翼缘板。
进一步的，所述的预应力钢绞线在H型钢梁上平行对称布置。
进一步的，所述的H型钢柱的翼缘板之间设有第二加劲肋，所述的第二加劲肋与H型钢柱翼缘板和H型钢柱腹板均垂直连接，第二加劲肋位于端板上下边缘所在平面上。
进一步的，所述的H型钢柱的翼缘板之间设有第三加劲肋，所述的第三加劲肋与H型钢柱的翼缘板和腹板均垂直连接，第三加劲肋位于H型钢梁的上下翼缘板所在平面上。
进一步的，所述的H型钢梁的翼缘板外侧设置有第四加劲肋，所述的第四加劲肋与H型钢梁的翼缘板和端板均垂直连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在受到地震作用时，本发明的节点梁端绕端板边缘转动，螺栓受拉伸长并屈服；在卸载过程中，螺栓会产生一定的残余变形，螺栓与端板之间产生一定空隙。通过弹簧推力使第一楔块移动填补残余变形引起的空隙，从而避免节点空转。相对于传统节点，该节点在地震中只有螺栓屈服，而主体结构均保持弹性状态。地震后，由预应力钢绞线提供自复位能力，仅需替换螺栓即可重新使用。
(2)本发明的节点通过穿芯螺栓屈服耗能，通过预应力钢绞线实现自复位，通过楔形装置防止节点空转。在卸载过程中，穿芯螺栓始终保持受拉状态或轴向不受力的状态，不会进入受压状态，对节点自复位性能影响较小，对预应力钢绞线的要求相对较低；同时提高了节点的耗能性能。
(3)本发明楔形装置在地震中，由于楔形块摩擦力的作用，无论第二楔块对第一楔块压力多大，第一楔块都不会往弹簧方向移动。
(4)本发明的钢柱另一侧翼缘板上的端板可以焊接另一根梁，从而使节点可以在中跨布置而不仅仅局限于边跨。
(5)采用本发明的带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，预应力钢绞线布置长度较短，利于现场施工，同时节约了成本。既能应用于跨中亦能应用于边跨节点。
(6)本发明的在工厂预制，现场无焊接工作，可以显著缩短施工周期和劳动力成本，实现装配式施工，符合建筑行业发展趋势。
附图说明
图1为本发明楔形装置示意图。
图2为本发明节点整体示意图。
图3为本发明节点其他角度的整体示意图。
图4为本发明节点的荷载-位移曲线图。
图5为2％层间位移角时H型钢柱应力云图；
图6为2％层间位移角时H型钢梁应力云图。
图7为2％层间位移角时预应力钢绞线应力云图。
图8为2％层间位移角时穿芯螺栓应力云图。
图9为有限元模拟加载前(a)和加载后(b)第一楔块位置对比图。
附图中各标号的含义：1-H型钢柱，2-H型钢梁，3-预应力钢绞线，5-穿芯螺栓，6-锚固板，7-第一加劲肋，8-端板，9-第二加劲肋，10-第三加劲肋，11-第四加劲肋；
(1-1)-H型钢柱翼缘板，(1-2)-H型钢柱腹板；
(2-1)-H型钢梁翼缘板，(2-2)-H型钢梁腹板；
(4-1)-第一楔块，(4-2)-第二楔块，(4-3)-弹簧，(4-4)-反力板；
(4-1-1)-U型槽，(4-2-1)-第二通孔，(4-4-1)-第一通孔。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例给出一种楔形装置，包括第一楔块4-1、第二楔块4-2、弹簧4-3和反力板4-4；反力板4-4为L形板件，弹簧4-3一端焊接在反力板4-4的短肢上，弹簧另一端焊接在第一楔块4-1上；第一楔块4-1和第二楔块4-2的楔形面相匹配；
第一楔块4-1上设有U型槽4-1-1，第二楔块4-2上设有第一通孔4-2-1，第一楔块4-1可沿着反力板的长肢和第二楔块的楔形面移动。
实施例2
如图1至图3所示，本实施例给出一种带实施例1所述的的楔形装置的装配式自复位钢框架节点，包括H型钢柱1、H型钢梁2、预应力钢绞线3和楔形装置；H型钢柱1上设有穿芯螺栓5，穿芯螺栓5贯通H型钢柱的翼缘板1-1；H型钢柱两侧的翼缘板1-1上通过穿芯螺栓固定有端板8，H型钢梁2的端部垂直焊接在一端板上，楔形装置设于另一端板上，方便更换。
本实施例中的H型钢柱翼缘板和端板，均在穿芯螺栓和钢绞线位置预先钻孔，端板和H型钢梁在工厂焊接连接。
楔形装置包括第一楔块4-1、第二楔块4-2、弹簧4-3和反力板4-4，反力板4-4为L形板件，反力板4-4的长肢焊接在端板8上，反力板4-4的长肢上设有第一通孔4-4-1；弹簧4-3一端焊接在反力板4-4的短肢上，另一端焊接在第一楔块4-1上；第一楔块4-1和第二楔块4-2的楔形面相匹配；
第一楔块4-1上设有U型槽4-1-1，第二楔块4-2上设有第一通孔4-2-1，第一楔形块4-1和第二楔块4-2分别通过U型槽4-1-1和第二通孔4-2-1连接在穿芯螺栓5上，第一楔块4-1可沿着反力板的长肢和第二楔块的楔形面移动。在一开始装配的时候，需要将第一楔块往弹簧方向收缩方向推动，使弹簧能产生一定的弹力，加载后第一楔块通过弹簧推力嵌入到空隙中。
在地震作用下，穿芯螺栓先于主要构件发生屈服，从而保证主体结构在地震过程中始终处于弹性状态，避免了主体结构的损坏。
预应力钢绞线3设于H型钢梁2和H型钢柱1之间，预应力钢绞线3在H型钢梁2上通长平行对称布置，在施工过程中，对预应力钢绞线施加一定的应力，在震后由预应力钢绞线提供的自复位力使结构恢复到初始状态。本发明使用的锚具可选用挤压式锚具、夹片式锚具、支承式锚具和锥塞式锚具。
另一个技术方案与实施例2的区别在于：H型钢梁2上设有锚固板6，锚固板6位于H型钢梁腹板2-2的两侧，锚固板与H型钢梁翼缘板2-1和腹板2-2均垂直连接，预应力钢绞线3一端固定在H型钢柱的端板8上，预应力钢绞线另一端固定在锚固板6上。
另一个技术方案与实施例2的区别在于：锚固板6上焊接多个第一加劲肋7，第一加劲肋7平行于H型钢梁的翼缘板2-1，防止其发生局部破坏。
另一个技术方案与实施例2的区别在于：H型钢柱的翼缘板1-1之间设有第二加劲肋9，第二加劲肋9与H型钢柱翼缘板1-1和H型钢柱腹板1-2均垂直连接，位于端板8上下边缘所在平面上。
另一个技术方案与实施例2的区别在于：H型钢柱的翼缘板1-1之间设有第三加劲肋10，第三加劲肋10与H型钢柱的翼缘板1-1和腹板1-2均垂直连接，第三加劲肋10位于H型钢梁2的上下翼缘板2-1所在平面上，防止柱体发生屈服和局部破坏。
另一个技术方案与实施例1的区别在于：H型钢梁的翼缘板2-1外侧设置有第四加劲肋11，第四加劲肋11与H型钢梁的翼缘板2-1和H型钢柱的翼缘板1-1均垂直连接。防止梁的端部发生屈服、变形。
实施例3
(1)模型建立
对本发明节点进行有限元模拟，建立梁柱节点模型，梁长1500mm，柱长2000mm，模型构件尺寸如表1所示：
表1模型构件尺寸
钢材采用理想弹塑性模型，屈服强度取fy＝345MPa，弹性模量E＝206000MPa，泊松比取υ＝0.3，预应力钢绞线的弹性模量EPT＝195000MPa，抗拉强度为1865MPa，穿芯螺栓采用线性强化模型，穿芯螺栓的材料性能如表2所示。
表2穿芯螺栓材性
模拟过程中施加50kN的螺栓荷载(预紧力)。钢绞线预应力通过降温法施加，每根钢绞线施加100kN预应力，具体计算方法为：
式中：Δt为需要施加的温度值；ε为钢绞线对应的应变值；α为钢绞线的线膨胀系数，取1.2×10-5/℃；T0为施加在钢绞线上的预应力值；EPT为钢绞线的弹性模量；APT为钢绞线截面面积。
钢材均选用实体单元(C3D8R)，钢绞线选用杆单元(T3D2)，考虑构件的几何非线性、材料非线性和接触非线性。板间以及螺栓与板接触关系法向定义为硬接触，切向采用库伦摩擦模型，摩擦系数为0.3。H型钢柱脚采用铰接，按位移控制加载方法在柱顶施加位移荷载，取极限位移角为2％。
(2)结果分析
节点的荷载-位移曲线如图4所示，由曲线可知，节点残余变形约0.025mm，节点的残余变形在0.2％层间位移角以内时，认为满足自复位要求，本模型的总高度为2000mm，故残余变形小于等于4mm时，则认为结构具有自复位能力。
图5和图6为2％层间位移角时H型钢柱和H型钢梁的应力云图，在2％层间位移角时，H型钢柱和H型钢梁除了在H型钢梁翼缘外侧第四加劲板局部屈服外，其他位置均保持弹性。
由图7可以看出，在层间位移角达到2％时，预应力钢绞线3仍然保持弹性。
由图8可知，穿芯螺栓5在层间位移角达到2％时，受拉侧均达到屈服状态。
图9a和图9b分别是有限元模拟加载前和加载后后楔形装置图，由图可以看出，加载后第一楔块通过弹簧推力嵌入到空隙中。

Claims (8)

1.一种楔形装置，其特征在于：包括第一楔块(4-1)、第二楔块(4-2)、弹簧(4-3)和反力板(4-4)；所述的反力板(4-4)为L形板件，所述的弹簧(4-3)一端固定在反力板(4-4)的短肢上，弹簧另一端固定在第一楔块(4-1)上；所述的第一楔块(4-1)和第二楔块(4-2)的楔形面相匹配；
所述的第一楔块(4-1)上设有U型槽(4-1-1)，所述的第二楔块(4-2)上设有第一通孔(4-2-1)，所述的第一楔块(4-1)可沿着反力板的长肢和第二楔块的楔形面移动。
2.一种带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，其特征在于：包括H型钢柱(1)、H型钢梁(2)、预应力钢绞线(3)和楔形装置；
所述的H型钢柱(1)上设有穿芯螺栓(5)，所述的穿芯螺栓(5)贯通H型钢柱的翼缘板(1-1)；所述的H型钢柱两侧的翼缘板(1-1)上通过穿芯螺栓固定有端板(8)，所述的H型钢梁(2)的端部垂直固定在一端板上，所述的楔形装置设于另一端板上；
所述的楔形装置包括第一楔块(4-1)、第二楔块(4-2)、弹簧(4-3)和反力板(4-4)；所述的反力板(4-4)为L形板件，反力板(4-4)的长肢固定在端板(8)上，反力板(4-4)的长肢上设有第一通孔(4-4-1)；
所述的弹簧(4-3)一端固定在反力板(4-4)的短肢上，弹簧另一端固定在第一楔块(4-1)上；所述的第一楔块(4-1)和第二楔块(4-2)的楔形面相匹配；
所述的第一楔块(4-1)上设有U型槽(4-1-1)，所述的第二楔块(4-2)上设有第二通孔(4-2-1)，第一楔形块(4-1)和第二楔块(4-2)分别通过U型槽(4-1-1)和第二通孔(4-2-1)连接在穿芯螺栓(5)上；所述的第一楔块(4-1)可沿着反力板的长肢和第二楔块的楔形面移动；
所述的预应力钢绞线(3)设于H型钢梁(2)和H型钢柱(1)之间。
3.如权利要求2所述的带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，其特征在于：所述的H型钢梁(2)上设有锚固板(6)，所述的锚固板(6)位于H型钢梁腹板(2-2)的两侧，锚固板与H型钢梁翼缘板(2-1)和腹板(2-2)均垂直连接，所述的预应力钢绞线(3)一端固定在端板(8)上，预应力钢绞线另一端固定在锚固板(6)上。
4.如权利要求3所述的带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，其特征在于：所述的锚固板(6)上设有多个第一加劲肋(7)，所述的第一加劲肋(7)平行于H型钢梁的翼缘板(2-1)。
5.如权利要求2所述的带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，其特征在于：所述的预应力钢绞线(3)在H型钢梁(2)上平行对称布置。
6.如权利要求2所述的带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，其特征在于：所述的H型钢柱的翼缘板(1-1)之间设有第二加劲肋(9)，所述的第二加劲肋(9)与H型钢柱翼缘板(1-1)和H型钢柱腹板(1-2)均垂直连接，第二加劲肋位于端板(8)上下边缘所在平面上。
7.如权利要求2所述的带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，其特征在于：所述的H型钢柱的翼缘板(1-1)之间设有第三加劲肋(10)，所述的第三加劲肋(10)与H型钢柱的翼缘板(1-1)和腹板(1-2)均垂直连接，第三加劲肋(10)位于H型钢梁(2)的上下翼缘板(2-1)所在平面上。
8.如权利要求2所述的带楔形装置的装配式自复位钢框架节点，其特征在于：所述的H型钢梁的翼缘板(2-1)外侧设置有第四加劲肋(11)，所述的第四加劲肋(11)与H型钢梁的翼缘板(2-1)和端板(8)均垂直连接。
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