CN108678166A - 一种顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置，包括上下两个摩擦耗能装置，上部摩擦耗能装置中两个开有螺栓孔的内摩擦钢板焊接在一端板上构成一整体，然后将端板通过抗拉螺栓固定在柱上，对应的外摩擦钢板两个，通过抗剪螺栓固定在预制混凝土梁上。节点下端布置两个开有螺栓孔的外摩擦钢板，通过抗剪螺栓固定在预制混凝土梁上，与外摩擦钢板对应的内摩擦钢板有2个，通过抗剪螺栓固定在预制混凝土柱的暗牛腿上。在外摩擦钢板与内摩擦钢板之间设置摩擦片。摩擦型高强螺栓穿过外摩擦钢板、摩擦片、内摩擦钢板、和预制混凝土梁将上下端各部件固定在一起。

Description

一种顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置。

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，结构部分构件提前屈服和破坏，但整体不至于丧失功能，依靠构件屈服 后的塑性变形来耗散大部分的地震能量，从而达到保证主体结构安全的目的。这种传 统的基于承载力的设计方法虽然能在避免建筑出现损伤乃至倒塌造成人员伤亡的破 坏方面有一定的可靠性，但在中等强度地震或强烈地震中，却不能有效地控制地震造 成的经济损失，大多数大地震过后，结构虽然未倒塌，但不可修复或继续使用，只能 推倒重建。

自复位预制混凝土框架是一种通过张拉预应力筋为结构提供侧向刚度和自定心力，并通过安装各种类型的耗能构件来消耗地震能量的结构形式。装配式钢筋混凝土 框架具有生产速度快、质量稳定、节约模板等优点，但传统装配式结构的节点连接可 靠性较差，因此在地震区的应用受到限制。梁柱连接部位作为预制装配式混凝土结构 框架设计中最关键的设计环节，现有的连接形式多借鉴钢框架的节点构造形式，但是 混凝土结构本身不具有钢结构轻质高强的优点，同时考虑到竖向承重是混凝土结构设 计中最重要的因素，所以使用钢结构梁柱节点的连接方式极有可能会造成节点处承重 抗剪能力不足，进而发生剪切破坏。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能够消耗地震作用下的能量，消除或降低预制装配式钢筋混凝土结构在地震作用下的残余变形，避免预制梁柱等主体结构构件出现明显的 塑性变形的顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置，提高了梁柱节点抗剪能 力从而大幅削减工程结构震后的修复费用和难度，还能在设计过程中更加灵活地独立 调控结构的强度、刚度和延性。

技术方案：本发明的顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置，包括预制混凝土柱、位于所述预制混凝土柱一侧的预制混凝土梁、将所述预制混凝土柱和预制 混凝土梁连接为一体的摩擦耗能装置，所述预制混凝土柱上设置有牛腿，所述预制混 凝土梁的下侧设有与牛腿相对应的缺口，所述摩擦耗能装置包括上部摩擦耗能装置和 下部摩擦耗能装置，所述上部摩擦耗能装置包括连接在预制混凝土柱上的端板、连接 在所述端板上的两个开有水平长孔的上部内摩擦钢板、两个带螺栓孔的上部外摩擦钢 板，两个上部内摩擦钢板对称布置在预制混凝土梁顶部两侧，两个上部外摩擦钢板分 别设置在上部内摩擦钢板的外侧，并通过摩擦型高强螺栓将上部内摩擦钢板、上部外 摩擦钢板和预制混凝土梁连成一整体，上部外摩擦钢板直接与预制混凝土梁相对的部 分则通过抗剪螺栓与预制混凝土梁顶部连接。

所述下部摩擦耗能装置包括两个固定在牛腿上的开有水平长孔的下部内摩擦钢板、两个开有螺栓孔的下部外摩擦钢板，两个下部内摩擦钢板对称布置在预制混凝土 梁底部两侧，两个下部外摩擦钢板分别设置在下部内摩擦钢板的外侧，并通过摩擦型 高强螺栓将下部内摩擦钢板、下部外摩擦钢板和预制混凝土梁连成一整体，下部外摩 擦钢板直接与预制混凝土梁相对的部分则通过抗剪螺栓与预制混凝土梁底部连接。所 述预制混凝土柱和预制混凝土梁中设置有贯穿二者的上下两排横向预应力筋，其中位 于下排的横向预应力筋穿过牛腿。

进一步的，本发明装置中，所述上部摩擦耗能装置中，上部外摩擦钢板与上部内摩擦钢板之间均嵌入上摩擦片，下部摩擦耗能装置中，下部外摩擦钢板与下部内摩擦 钢板之间均嵌入下摩擦片。

进一步的，本发明装置中，所述预制混凝土柱的牛腿和预制混凝土梁的缺口上，在二者的接触部位均设置有通过抗剪栓钉固定的预埋钢板。

进一步的，本发明装置中，所述端板通过抗拉螺栓固定在预制混凝土柱上。

进一步的，本发明装置中，所述下部内摩擦钢板通过抗剪螺栓固定在牛腿上。

进一步的，本发明装置中，所述横向预应力筋布置在预制混凝土柱和预制混凝土梁上预留的横向穿筋孔中。

本发明通过将一种新型带有暗牛腿的预制混凝土梁柱节点与摩擦耗能构件组合在一起，以共同抵抗地震作用，消耗地震能量。结构包含预制混凝土柱，预制混凝土 梁，上部摩擦耗能装置，下部摩擦耗能装置，梁柱端部预埋钢板。预制混凝土柱和预 制混凝土梁连接所形成的暗牛腿用来确保结构在施工及使用过程中结构的有效承重， 有效提高地震作用下梁柱节点处的抗剪能力。在钢筋混凝土梁柱连接处布置暗牛腿作 为竖向传力构件可以有效避免节点连接处出现剪切破坏。节点转动过程中柱端预埋钢 板不与柱分离，是在柱端预埋钢板上焊接抗剪栓钉。内外摩擦装置产生相对滑动耗散 地震能量，贯穿于预制混凝土柱和预制混凝土梁的预应力筋提供自定心力使梁柱恢复 到变形前位置。节点转动过程中梁端预埋钢板不与梁分离，是在梁端预埋钢板上焊接 抗剪栓钉。

本发明中，预制混凝土柱上设置的牛腿和预制梁的缺口处有足够的强度，确保结构在施工及使用过程中结构的有效承重，有效提高地震作用下梁柱节点处的抗剪能力。 内外摩擦钢板装置产生相对滑动耗散能量，自复位框架梁柱节点产生相对滑动需要一 定的转动空间，所以加宽内摩擦板长孔宽度以保证节点转动不受限制。

在工厂预制带有暗牛腿的预制混凝土柱和带有缺口的预制混凝土梁，并在相应位置留有预应力筋孔洞，梁、柱构件在现场吊装就位后，将预应力筋穿过梁柱中预留的 孔洞，然后进行张拉。后张的无粘结预应力筋既可以在安装阶段用于装置连接，也可 以在使用阶段承受拉力和弯矩作用。为了提高节点装置在使用过程中的耗能能力，在 梁柱节点的上下部位均设置一对摩擦耗能装置。该耗能件以组合钢件构成耗能装置， 由外摩擦钢板、摩擦片、内摩擦钢板、柱端预埋钢板、梁端预埋钢板、抗剪螺栓、抗 拉螺栓、摩擦型高强螺栓组成。上部摩擦装置中两个开有水平长孔的上部内摩擦钢板 焊接在一端板上构成一整体，在端板上开有螺栓孔洞用来穿入抗拉螺栓将上部内摩擦 钢板和预制混凝土柱连为一整体。两个开有螺栓孔的上部外摩擦钢板通过抗剪螺栓与 预制混凝土梁的上端连为一整体，在上部内摩擦钢板与上部外摩擦钢板之间嵌入上摩 擦片，并用紧固螺栓将三者(上部内摩擦钢板、上部外摩擦钢板和上摩擦片)连成一 整体而构成上部摩擦耗能装置。下部摩擦装置中两个开有水平长孔的下部内摩擦钢板 直接通过抗剪螺栓固定在牛腿上和带有牛腿的预制混凝土柱连为一整体。两个开有螺 栓孔的下部外摩擦钢板通过抗剪螺栓与预制混凝土梁的下端连为一整体，在下部内摩 擦钢板与下部外摩擦钢板之间嵌入下摩擦片，并用摩擦型高强螺栓将三者(下部内摩 擦钢板、下部外摩擦钢板和下摩擦片)连成一整体而构成下部摩擦耗能装置。在柱端 预埋钢板上和梁端预埋钢板上焊接一定数量的抗剪栓钉。

本发明装置主要用于提高装配式混凝土框架结构在地震作用下的耗能能力，有效消除或降低结构在地震作用下的残余变形，并且提高节点的抗剪能力和结构的组装效 率。

本发明针对现有常规自复位预制钢筋混凝土框架节点连接方法中出现的不足，可以采用暗牛腿的干式节点形式连接，其受力比较明确，传力途径清晰，不但可以保证 其震后残余位移小，强度和刚度降低少，而且通过暗牛腿避免了梁柱连接部位发生剪 切破坏，便于修复和快速重新投入使用，可以大幅度减少地震造成的经济损失。另一 方面，在吊装阶段，牛腿可以用来搁置预制梁，进而提高结构的装配效率，提高施工 安全等级。而且，暗牛腿不会影响到框架中楼板和填充墙等非结构构件的布置以及结 构的使用功能。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

现有的自复位预制混凝土梁柱节点形式多借助于钢结构节点形式，但混凝土结构不具有钢结构轻质高强特性，在结构跨度过大或梁上承重过大时节点处可能会抗剪能 力和承重能力不足。采用本技术方案的自复位预制混凝土梁柱节点形式，梁与柱间的 剪力通过在梁柱接触面钢绞线预压产生的较高摩擦力和牛腿传递，通过对牛腿进行合 理的设计可以有效避免节点处发生剪切破坏。即使在地震作用下，预应力筋被拉断以 及摩擦耗能装置完全损坏，牛腿相当于给预制预应力混凝土框架增加了一道防线，预 制梁也不会从预制混凝土柱上脱落造成人员的伤亡。

本申请的自复位预制混凝土梁柱节点在梁柱端部有专门防止局部破坏的预埋钢板可以有效避免结构变形过程中局部被压坏(比如预制梁、柱的端部被压坏)。目前 类似的结构中所采用的屈服部件耗能的形式虽然可以取的较好耗能效果，但其耗能能 力的大小不易量化，故不利于机构设计，而本研究采取的耗能装置中摩擦力的大小是 由控制预紧螺栓预紧力与摩擦材料的摩擦系数决定的，其操作容易且可控，其耗能能 力容易量化表示，故节点的耗能能力相对于现有的角钢屈服等耗能形式具有更好的可 控性，更加方便结构设计。

由于本节点梁柱预埋钢板在节点装配后紧贴在一起，相当于给节点预先指定了转动点，在地震过程中梁柱的运动形式为绕该转动点的刚体转动，在地震过程中有效降 低甚至消除了梁柱自身的变形。所以，震后梁柱等主要结构构件基本都保持在弹性阶 段，从而便于构件的重复利用，重新装配。所有摩擦耗能装置都是采取螺栓连接的方 式，故摩擦耗能装置的更换比较方便。

贯穿于梁柱的预应力筋可以为节点提供一自定心力使结构在地震作用下产生的变形恢复到原来位置，所以该节点可以明显减小或消除震后结构的残余变形。并且可 以根据需要改变预应力筋预先施加力的大小，预应力筋截面面积及其相对于截面中心 轴的距离来控制节点的自复位能力。

几乎所有构件都可以根据需要在非施工现场加工完成，然后根据需要运输到施工现场进行组装，组装全过程为干式操作。从构件加工到连接件的制作都可以在工厂完 成，这相对于一般的现浇节点和湿式连接可以有效控制人工成本和工程进度以及工程 质量。

节点刚度主要由初始预应力大小和通过螺栓对摩擦板施加预紧力的大小及其相对转动点的力臂决定，而预应力筋的初始预应力和对摩擦板施加预紧力容易控制，所 以该节点可以根据工程要求在设计和施工中有效控制节点刚度。摩擦耗能装置安装在 梁的顶部和底部而非中心轴部位，同时预应力筋布置在梁中心线的两侧而非中心轴， 这种摩擦耗能装置和预应力筋的布置方法可以增大摩擦力和预应力的力臂，显著改善 目前这种半刚性节点形式结构刚度不足的问题。

附图说明

图1为本发明装置的构造示意图；

图2为采用本发明节点装置的框架示意图；

图3为预制混凝土柱及其预埋件的剖面图；

图4为预制混凝土梁及其预埋件的剖面图；

图5为图2的A-A剖面；

图6为图1、2的B-B剖面；

图7为图2的C-C剖面；

图8为图2的D-D剖面；

图9为上部内摩擦钢板开孔及连接示意图；

图10为下部内摩擦钢板开孔及连接示意图；

图11为外摩擦钢板开孔及连接示意图；

图12为摩擦片及开孔示意图。

图中有：预制混凝土柱1；预制混凝土梁2；上部外摩擦钢板3；上部内摩擦钢板 4；下部内摩擦钢板5；上摩擦片6；抗剪螺栓7；抗拉螺栓8；预埋钢板9；无粘结预 应力钢筋10；预应力筋锚具11；垫板12；抗剪栓钉13；摩擦型高强螺栓14；下部外 摩擦钢板15；下摩擦片16。

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，本发明的顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置中，主体构件包括预制混凝土柱1，预制混凝土梁2，连接构件包括节点上、下部摩擦耗能装 置和防止局部压坏的梁柱端部预埋钢板9。在地震作用下，自复位预制混凝土梁柱节 点中的预应力筋10可提供自复位力消除节点残余变形，而布置于梁柱节点处的摩擦 耗能装置可以消耗大量的地震能量，避免预制梁柱等主体结构构件出现明显的塑性变 形，地震力则由预制混凝土梁柱和摩擦耗能装置共同承担。以下各个部分的构造详细 介绍：

(1)如图1所示，自复位预制混凝土框架包含预制混凝土柱1，预制混凝土梁2， 作为节点的主体部件，通过上部摩擦耗能装置和下部摩擦耗能装置以及预应力筋等连 接构件组装为一体后，可以有效利用牛腿提高节点的抗剪承载力和梁柱构件在施工现 场的组装效率。

(2)梁柱预埋钢件主要包括柱端预埋钢板和梁端预埋钢板9、抗剪栓钉13，柱 端预埋钢板和梁端预埋钢板9用于提高钢筋混凝土的局部抗压能力，抗剪栓钉13焊 接在预埋钢板上，用于提高钢板和预制混凝土梁柱构件的共同工作性能。上述预埋钢 件均在工厂和预制混凝土柱1、预制混凝土梁2一起预制。

(3)上部摩擦耗能装置中两个开有水平长孔的上部内摩擦钢板4焊接在一端板 上构成一整体，在端板上开有螺栓孔洞用来穿过抗拉螺栓8将上部内摩擦钢板4和预 制混凝土柱1连为一整体。两个开有螺栓孔的上部外摩擦钢板3通过抗剪螺栓7与预 制混凝土梁2的上端连为一整体，在上部内摩擦钢板4与上部外摩擦钢板3之间嵌入 上摩擦片6，并用摩擦型高强螺栓14将三者(上部内摩擦钢板4、上部外摩擦钢板3 和上摩擦片6连成一整体而构成上部摩擦耗能装置。下部摩擦装置中两个开有水平长 孔的下部内摩擦钢板5直接通过抗剪螺栓7固定在预制混凝土柱1的牛腿上和预制混 凝土柱1连为一整体。两个开有螺栓孔的下部外摩擦钢板15通过抗剪螺栓7与预制 混凝土梁2的下端连为一整体，在下部内摩擦钢板5与下部外摩擦钢板15之间嵌入 下摩擦片16，并用摩擦型高强螺栓14将三者(下部内摩擦钢板5、下部外摩擦钢板 15和下摩擦片16)连成一整体而构成下部摩擦耗能装置。

(4)水平对称布置的无粘结预应力筋10对框架梁产生压力并承受弯矩，梁端的 剪力主要由梁柱接触面在无粘结预应力筋10预压产生的较高摩擦力和梁柱形成的暗 牛腿承担。当地震作用达到一定程度时，梁柱的接触面张开，并通过摩擦耗能装置的 变形耗能，从而避免了带有暗牛腿的预制混凝土柱1和预制混凝土梁2等主体构件的 损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原来位置(自复位)。

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 (6)

1.一种顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置，其特征在于，该节点装置包括预制混凝土柱(1)、位于所述预制混凝土柱(1)一侧的预制混凝土梁(2)、将所述预制混凝土柱(1)和预制混凝土梁(2)连接为一体的摩擦耗能装置，所述预制混凝土柱(1)上设置有牛腿，所述预制混凝土梁(2)的下侧设有与牛腿相对应的缺口，所述摩擦耗能装置包括上部摩擦耗能装置和下部摩擦耗能装置，所述上部摩擦耗能装置包括连接在预制混凝土柱(1)上的端板、连接在所述端板上的两个开有水平长孔的上部内摩擦钢板(4)、两个带螺栓孔的上部外摩擦钢板(3)，两个上部内摩擦钢板(4)对称布置在预制混凝土梁(2)顶部两侧，两个上部外摩擦钢板(3)分别设置在上部内摩擦钢板(4)的外侧，并通过摩擦型高强螺栓(14)将上部内摩擦钢板(4)、上部外摩擦钢板(3)和预制混凝土梁(2)连成一整体，上部外摩擦钢板(3)直接与预制混凝土梁(2)相对的部分则通过抗剪螺栓(7)与预制混凝土梁(2)顶部连接；

所述下部摩擦耗能装置包括两个固定在牛腿上的开有水平长孔的下部内摩擦钢板(5)、两个开有螺栓孔的下部外摩擦钢板(15)，两个下部内摩擦钢板(5)对称布置在预制混凝土梁(2)底部两侧，两个下部外摩擦钢板(15)分别设置在下部内摩擦钢板(5)的外侧，并通过摩擦型高强螺栓(14)将下部内摩擦钢板(5)、下部外摩擦钢板(15)和预制混凝土梁(2)连成一整体，下部外摩擦钢板(15)直接与预制混凝土梁(2)相对的部分则通过抗剪螺栓(7)与预制混凝土梁(2)底部连接；

所述预制混凝土柱(1)和预制混凝土梁(2)中设置有贯穿二者的上下两排横向预应力筋，其中位于下排的横向预应力筋穿过牛腿。

2.根据权利要求1所述的顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置，其特征在于，所述上部摩擦耗能装置中，上部外摩擦钢板(3)与上部内摩擦钢板(4)之间均嵌入上摩擦片(6)，下部摩擦耗能装置中，下部外摩擦钢板(15)与下部内摩擦钢板(5)之间均嵌入下摩擦片(16)。

3.根据权利要求1所述的顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置，其特征在于，所述预制混凝土柱(1)的牛腿和预制混凝土梁(2)的缺口上，在二者的接触部位均设置有通过抗剪栓钉(13)固定的预埋钢板(9)。

4.根据权利要求1、2或3所述的顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置，其特征在于，所述端板通过抗拉螺栓(8)固定在预制混凝土柱(1)上。

5.根据权利要求1、2或3所述的顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置，其特征在于，所述下部内摩擦钢板(5)通过抗剪螺栓(7)固定在牛腿上。

6.根据权利要求1、2或3所述的顶底摩擦耗能的自复位预制混凝土梁柱节点装置，其特征在于，所述横向预应力筋布置在预制混凝土柱(1)和预制混凝土梁(2)上预留的横向穿筋孔中。