CN108842911A - 装配式自复位预应力混凝土框架sma耗能节点 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点，其特征在于：包括预制钢筋混凝土柱、预制钢筋混凝土梁、柱端预埋钢板、SMA绞线、高强螺栓、无粘结预应力钢绞线、梁端加强钢板、第一预应力钢绞线孔道、第二预应力钢绞线孔道；所述柱端预埋钢板上焊有端板锚固钢筋、抗剪支座和SMA绞线固定环；梁端加强钢板通过高强螺栓固定于预制钢筋混凝土梁两侧，SMA绞线一端固定于柱端预埋钢板的SMA绞线固定环上，另一端固定于高强螺栓端部，节点的耗能构件采用具有超弹性特性的SMA绞线，震后SMA绞线视损伤情况可进行修复或更换，本发明使得预制装配式混凝土框架结构在高强度地震下，具有优异的抗震性能和自复位能力。

Description

装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点
技术领域
本发明涉及结构工程抗震与减震技术领域，具体地说是一种装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点。
背景技术
我国的装配式结构主要采用装配整体式，即“等同现浇”的理论模式。装配整体式结构的抗震性能接近现浇结构，但节点仍需要现浇，装配程度不高。通过预应力钢绞线将预制构件拼接而成的后张预应力装配式结构，不仅能够方便施工，而且使用阶段能够承受梁端弯矩，震后的结构在预应力钢绞线的作用下能够使残余变形大大减小，大幅降低震后结构的修复费用和间接损失。单纯的预应力拼接装配式结构的耗能能力不足，因此增加耗能装置来提高结构的耗能能力。
传统的工程结构抗震体系是通过增强结构本身的性能来“抵抗”地震作用，即通过增强结构构件的抗力、增加延性等措施储存和耗散地震能量，但是这种方法存在着安全性难以保证、适应能力差、经济性欠佳的局限性。消能减震技术为结构抗震提供了一条合理有效的途径。在减震技术当中，被动耗能装置因其构造简单、造价低以及易于维护等优点，成为目前发展成熟且应用较为广泛的振动控制技术。被动耗能阻尼器相对比较成熟，但目前开发应用的被动耗能装置仍然存在许多普遍的问题，如粘弹性阻尼器易老化，粘滞阻尼器较难维护，摩擦阻尼器在长期使用时的可靠性，软钢阻尼器的塑性残余变形等。
形状记忆合金(SMA)是一种兼有感知和驱动能力的新型功能材料，是应用较为广泛的智能材料之一，具有形状记忆效应和超弹性的优良品质，利用此特性被广泛应用于智能装置的开发，使用形式有丝材、棒材、弹簧等。利用形状记忆合金的超弹性特性制作的被动耗能器可以克服常见阻尼器易老化、难维护、有塑性残余变形等缺点。这类阻尼器与其他阻尼器相比，具有良好的耐久性和耐腐蚀性，使用周期长，变形大且可恢复。
发明内容
为了解决传统装配式自复位预应力结构耗能能力差的缺点，本发明提供了一种施工方便、耗能效果显著的装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点，使得装配式结构在高强度地震下具有优异的抗震性能和自复位能力。
本发明采用的技术方案为：一种装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点，包括预制钢筋混凝土柱、预制钢筋混凝土梁、柱端预埋钢板、SMA绞线、高强螺栓、无粘结预应力钢绞线、梁端加强钢板、第一预应力钢绞线孔道、第二预应力钢绞线孔道；所述柱端预埋钢板上焊有端板锚固钢筋、抗剪支座和SMA绞线固定环；所述预制钢筋混凝土梁内沿长度方向设有2个第一预应力钢绞线孔道，所述预制钢筋混凝土柱内沿宽度方向设有2个第二预应力钢绞线孔道，所述第一预应力钢绞线孔道与所述第二预应力钢绞线孔道横截面尺寸相同且同轴对应，所述2根无粘结预应力钢绞线分别穿过第一预应力钢绞线孔道和第二预应力钢绞线孔道将预制钢筋混凝土柱和预制钢筋混凝土梁连接起来；所述柱端预埋钢板位于预制钢筋混凝土梁和预制钢筋混凝土梁之间，并且所述柱端预埋钢板固定安装在预制钢筋混凝土梁上；所述预制钢筋混凝土梁的左端面紧贴所述柱端预埋钢板；所述端板锚固钢筋锚于预制钢筋混凝土柱内；所述抗剪支座位于预制钢筋混凝土梁下方并且紧贴与预制钢筋混凝土梁下表面；所述梁端加强钢板为2个，分别对称设置于预制钢筋混凝土梁左端前后两侧且与柱端预埋钢板的相接触；所述高强螺栓穿过梁端加强钢板和预制钢筋混凝土梁，通过螺帽将梁端加强钢板和预制钢筋混凝土梁固定在一起；所述SMA绞线固定环位于柱端预埋钢板靠近预制钢筋混凝土梁的一侧；所述SMA绞线固定环为4个，并且对称设置在预制钢筋混凝土梁的前后两侧，呈上下对称和左右对称，并且与4个高强螺栓相对应；所述SMA绞线一端固定在SMA绞线固定环上，另一端固定在高强螺栓上。
优选的，所述SMA绞线固定环和高强螺栓位于同一水平高度，所述SMA绞线平行于所述预制混凝土梁的长度方向。
优选的，所述高强螺栓的长度不超过预制钢筋混凝土柱的宽度。
优选的，所述高强螺栓为双头螺栓。
优选的，所述柱端预埋钢板上设有第三预应力钢绞线孔道。
本发明主要通过SMA绞线耗能，在地震作用下，预制钢筋混凝土柱和预制钢筋混凝土梁构件的相对转动带动SMA绞线拉伸变形，在构件自复位时，SMA绞线凭借超弹性特性恢复变形，地震后，SMA绞线可根据损伤情况进行更换。梁端加强钢板可以提高预制钢筋混凝土梁端部的局部受压能力，减少在强震作用下梁端混凝土的受压破坏，地震后，如果梁端加强钢板受损伤，可以根据损伤程度进行修复或更换。预制钢筋混凝土梁，在地震作用较小，预制钢筋混凝土柱和预制钢筋混凝土梁接触面没有张开时，梁端剪力由柱端预埋钢板上的抗剪支座和预制钢筋混凝土柱与预制钢筋混凝土梁接触面间的摩擦力共同承担；在强震作用下，预制钢筋混凝土柱和预制钢筋混凝土梁接触面张开时，预制钢筋混凝土梁端部剪力由柱端预埋钢板上的抗剪支座承担。
本发明，重点解决装配式框架节点的耗能问题，并通过预应力钢绞线使得结构具有自复位功能，在保证装配式结构抗震性能的前提下，能够有效地消除或减少结构的残余变形，并为结构的震后修复提供便利。
有益效果：采用本发明结构后，装配式自复位预应力混凝土框架结构在地震作用下的耗能能力有了显著的提升，从而获得以下优异性能：1、所有构件可以在工厂预制，不需要现场湿作业，减少人工成本和环境污染，加快施工进度；2、焊接在柱端预埋钢板上的抗剪支座能够承担梁端剪力，在强震作用下，避免预制钢筋混凝土柱和预制钢筋混凝土梁拼接面处的预应力钢绞线受剪切破坏，并且能够在施工阶段拼接构件时提供临时支撑，方便吊装；3、采用无粘结预应力钢绞线，具有自复位能力，大大减少了结构的残余变形，并且预制钢筋混凝土柱和预制钢筋混凝土梁构件基本保持弹性状态，耗能构件SMA绞线安装方便且易更换，为震后修复提供便利；4、预制钢筋混凝土梁端部两侧的加强钢板能够提高梁端混凝土的局部受压能力，梁端加强钢板通过螺栓固定在梁的侧面，方便更换；5、根据结构实际要求，可以对SMA绞线施加预应力以得到所需的恢复力，改变装置初始刚度，使得耗能能力可以调整，便于应用；6、采用了预应力技术，节点的初始刚度大。
附图说明
图1为本发明装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点的结构示意图。
图2为本发明装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点的正视图。
图3为本发明中的柱端预埋钢板结构示意图。
图4为本发明中的梁端加强钢板结构示意图。
图中：1-预制钢筋混凝土柱、2-预制钢筋混凝土梁、3-柱端预埋钢板、4-SMA绞线、5-高强螺栓、6-SMA绞线固定环、7-无粘结预应力钢绞线、8-梁端加强钢板、81-螺栓口、91-第一预应力钢绞线孔道、92-第二预应力钢绞线孔道、93-第三预应力钢绞线孔道、10-抗剪支座、11-端板锚固钢筋。
下面结合附图对本发明做进一步阐述。
具体实施方式
实施例1
如图1-图4所示，本发明的装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点，包括预制钢筋混凝土柱1、预制钢筋混凝土梁2、柱端预埋钢板3、SMA绞线4、高强螺栓5、无粘结预应力钢绞线7、梁端加强钢板8、第一预应力钢绞线孔道91、第二预应力钢绞线孔道92；所述柱端预埋钢板3上焊有端板锚固钢筋11、抗剪支座10和SMA绞线固定环6；所述预制钢筋混凝土梁2内沿长度方向设有2个第一预应力钢绞线孔道91，所述预制钢筋混凝土柱1内沿宽度方向设有2个第二预应力钢绞线孔道92，所述第一预应力钢绞线孔道91与所述第二预应力钢绞线孔道92横截面尺寸相同且位置对应，所述2根无粘结预应力钢绞线7分别穿过第一预应力钢绞线孔道91和第二预应力钢绞线孔道92将预制钢筋混凝土柱1和预制钢筋混凝土梁2连接起来施加预应力，将预制钢筋混凝土柱和预制钢筋混凝土梁构件拼接起来并产生预压力。所述预制钢筋混凝土柱1在与预制钢筋混凝土梁2对接的位置处设置有柱端预埋钢板3，同样柱端预埋钢板3上设有第三预应力钢绞线孔道93，柱端预埋钢板3在锚于预制钢筋混凝土柱1内一侧焊有端板锚固钢筋11，在与预制钢筋混凝土梁2接触的一侧焊有SMA绞线固定环6，在下端焊有抗剪支座10，抗剪支座10与预制钢筋混凝土梁2相接触来承担预制钢筋混凝土梁端部剪力。所述梁端加强钢板8为2个，分别对称设置于预制钢筋混凝土梁2端部两侧且与柱端预埋钢板3的两侧相接触，梁端加强钢板8上留有螺栓口81，所述高强螺栓5穿过梁端加强钢板8和预制钢筋混凝土梁2，将2个梁端加强钢板8固定于预制钢筋混凝土梁2的两侧；所述SMA绞线4一端缠绕固定于柱端预埋钢板3的SMA绞线固定环6上，另一端缠绕固定于预埋高强螺栓5的端部，SMA绞线4平行于预制钢筋混凝土梁2的长度方向。
如图1-图2所示，柱端预埋钢板3承担由预制钢筋混凝土梁2通过抗剪支座10传来的剪力和由SMA绞线4通过SMA绞线固定环6传来的拉力，以及预制钢筋混凝土梁2在预应力作用下对其施加的压力。预制钢筋混凝土柱1吊装就位后，抗剪支座10可以作为预制钢筋混凝土梁2的临时安装底座，全部吊装就位后，穿入无粘结预应力钢绞线7并施加预应力，最后布设SMA绞线4。
在本发明中，自复位功能主要通过预制钢筋混凝土柱1和预制钢筋混凝土梁2内的无粘结预应力钢绞线7实现。梁端剪力由柱端预埋钢板3上的抗剪支座10承担，梁端的弯矩和轴力由无粘结预应力钢绞线7承担。在地震作用达到一定程度时，预制钢筋混凝土柱1和预制钢筋混凝土梁2的接触面张开，地震作用后，预制钢筋混凝土柱1和预制钢筋混凝土梁2构件在无粘结预应力钢绞线7作用下复位到原始位置。
作为耗能构件的SMA绞线4布置在预制钢筋混凝土梁2两侧靠近上端和下端的位置，SMA绞线4一端缠绕固定在柱端预埋钢板3的SMA绞线固定环6上，另一端缠绕固定在高强螺栓5的端部。可以根据实际需求对SMA绞线4施加预应力以改变初始的恢复力，从而调整其耗能能力。当预制钢筋混凝土柱1和预制钢筋混凝土梁2节点在强震作用下发生相对转动时，预制钢筋混凝土柱1和预制钢筋混凝土梁2构件的相对转动会带动SMA绞线4拉伸变形，从而耗散地震能量。地震作用后，随着无粘结预应力钢绞线7带动预制钢筋混凝土柱1和预制钢筋混凝土梁2构件复位，SMA绞线4凭借着其超弹性特性也恢复变形。
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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点，其特征在于：包括预制钢筋混凝土柱(1)、预制钢筋混凝土梁(2)、柱端预埋钢板(3)、SMA绞线(4)、高强螺栓(5)、无粘结预应力钢绞线(7)、梁端加强钢板(8)、第一预应力钢绞线孔道(91)、第二预应力钢绞线孔道(92)；所述柱端预埋钢板(3)上焊有端板锚固钢筋(11)、抗剪支座(10)和SMA绞线固定环(6)；所述预制钢筋混凝土梁(2)内沿长度方向设有2个第一预应力钢绞线孔道(91)，所述预制钢筋混凝土柱(1)内沿宽度方向设有2个第二预应力钢绞线孔道(92)，所述第一预应力钢绞线孔道(91)与所述第二预应力钢绞线孔道(92)横截面尺寸相同且同轴对应，所述2根无粘结预应力钢绞线(7)分别穿过第一预应力钢绞线孔道(91)和第二预应力钢绞线孔道(92)将预制钢筋混凝土柱(1)和预制钢筋混凝土梁(2)连接起来；所述柱端预埋钢板(3)位于预制钢筋混凝土梁(2)和预制钢筋混凝土梁(2)之间，并且所述柱端预埋钢板(3)固定安装在预制钢筋混凝土梁(2)上；所述预制钢筋混凝土梁(2)的左端面紧贴所述柱端预埋钢板(3)；所述端板锚固钢筋(11)锚于预制钢筋混凝土柱(1)内；所述抗剪支座(10)位于预制钢筋混凝土梁(2)下方并且紧贴与预制钢筋混凝土梁(2)下表面；所述梁端加强钢板(8)为2个，分别对称设置于预制钢筋混凝土梁(2)左端前后两侧且与柱端预埋钢板(3)的相接触；所述高强螺栓(5)穿过梁端加强钢板(8)和预制钢筋混凝土梁(2)，通过螺帽将梁端加强钢板(8)和预制钢筋混凝土梁(2)固定在一起；所述SMA绞线固定环(6)位于柱端预埋钢板(3)靠近预制钢筋混凝土梁(2)的一侧；所述SMA绞线固定环(6)为4个，并且对称设置在预制钢筋混凝土梁(2)的前后两侧，呈上下对称和左右对称，并且与4个高强螺栓(5)相对应；所述SMA绞线(4)一端固定在SMA绞线固定环(6)上，另一端固定在高强螺栓(5)上。
2.根据权利要求1所述的装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点，其特征在于：所述SMA绞线固定环(6)和高强螺栓(5)位于同一水平高度，所述SMA绞线(4)平行于所述预制混凝土梁(2)的长度方向。
3.根据权利要求1所述的装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点，其特征在于：所述高强螺栓(5)的长度不超过预制钢筋混凝土柱(1)的宽度。
4.根据权利要求1所述的装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点，其特征在于：所述高强螺栓(5)为双头螺栓。
5.根据权利要求1所述的装配式自复位预应力混凝土框架SMA耗能节点，其特征在于：所述柱端预埋钢板(3)上设有第三预应力钢绞线孔道(93)。
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