CN108867865A - 一种自损耗能的可修复塑性铰 - Google Patents

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Abstract

一种自损耗能的可修复塑性铰，包括固定单元、转动单元及连接耗能单元。固定单元的型钢梁的右梁端与结构的柱焊接连接，双连接板分别与型钢梁的左梁端两侧焊接连接；转动单元的型钢梁右梁端与单连接板槽口部位焊接连接；连接耗能单元的单连接板和双连接板通过各螺栓孔进行螺栓连接，固定耗能钢片的两端分别与型钢梁和型钢梁的上下翼缘通过螺栓连接。单连接板位置设置在双连接板中间，通过螺栓加载连接。固定耗能片分别通过高强螺栓连接在型钢梁的上下翼缘板上，且固定耗能片形状为“狗骨”形，以保证其弹塑性变至破坏的过程发生在中间部位。该构造在震后只需要更换固定耗能片和构造复位，可实现部分部件的自损耗能和震后快速修复。

Description

一种自损耗能的可修复塑性铰
技术领域
本发明涉及钢结构梁中塑性铰，尤其涉及一种自损耗能的可修复新型“塑性铰”构造，属于土木工程中钢结构梁柱节点抗震技术领域。
背景技术
近年来，基于无损结构抗震设计设想开始被学者提起，对于结构工程学科的研究带来了一个新的研究思想。在基于结构无损的抗震设计中，通过特殊的耗能装置代替塑性铰作用，设想了建筑的抗震要求，而且可以用不同的方法和手段去实现这些抗震要求，这样可以使新材料、新结构体系、新的设计方法等更容易得到广泛应用。
塑性铰是指在荷载作用下，结构中的若干截面处弯矩达到塑性极限弯矩时，该截面发生一定转动，类似“铰”的效果，致使结构产生内力重分布。钢结构建筑在地震作用下，往往会在梁柱节点处形成塑性铰以耗散输入到结构中的大部分能量，保护梁柱节点基本处于线弹性工作状态，使结构实现中震可修、大震不倒的目标。这要求结构具有可行的能量耗散机构，包括建立理想的塑性铰出现次序，以及给予各个构件适当的强度，以保证结构的塑性铰只在选定位置出现等。
为避免钢结构梁柱节点在地震作用下发生脆性破坏，常用的处理方法是通过一定的构造措施将塑性铰外移，其方法有三种：一是将节点局部加强，统称加强型节点，如扩大翼缘型、翼缘加盖板型和翼缘加腋型等，但这种做法在一定程度上降低了节点的延性性能，而且势必要求柱的截面尺寸加大，增加工程造价；二是将梁端翼缘或腹板局部削弱，统称削弱型节点，如“狗骨”型、腹板开洞型、开长槽型以及焊接孔扩大型，这种方法虽可满足延性要求，却会降低结构的承载能力；三是将加强型节点和削弱型节点联合运用，即梁端翼缘局部加强，而加强区外采用翼缘“狗骨”削弱，节约钢材的同时保证了结构的承载力。
国内关于钢结构塑性铰的构造做法虽可有效实现塑性铰外移并达到保护梁柱节点的目的，但仍存在以下缺陷：(1)塑性铰极有可能发生完全破坏，结构的耗能以震后不可修复为代价；(2)难以实现结构耗能的精准控制，只能粗略地控制塑性铰的出现位置；(3)塑性铰的形成机制极大程度上依赖于钢材材性及节点构造细节，而某些构造方法实现难度较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种广泛适用于钢桁架结构及钢框架结构使强震下梁柱节点指定部位自损耗能的可修复新型“塑性铰”。
本发明是一种自损耗能的可修复塑性铰，包括固定单元、转动单元、连接耗能单元三部分，固定单元由型钢梁1-2、高强连接螺栓2、双连接板4、钢梁连接螺栓孔8、双连接板旋转螺栓孔11、双连接板固定螺栓孔12组成；转动单元由型钢梁1-1、单连接板3、钢梁连接螺栓孔8、椭圆螺栓孔9、单连接板旋转螺栓孔10组成；连接耗能单元由高强连接螺栓2、单连接板3、双连接板4、固定加载螺栓5、旋转加载螺栓6、固定耗能钢片7组成；所述的各单元中，固定单元的型钢梁1-2的右梁端与结构的柱焊接连接，双连接板分别与型钢梁1-2的左梁端两侧焊接连接；转动单元的型钢梁1-1右梁端与单连接板3槽口部位焊接连接；连接耗能单元的单连接板3和双连接板4通过各螺栓孔进行螺栓连接，固定耗能钢片7的两端分别与型钢梁1-1和型钢梁1-2的上下翼缘通过螺栓连接。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
所述的一种广泛适用于钢桁架结构及钢框架结构使强震下梁柱节点指定部位自损耗能的可修复的新型“塑性铰”的构造设计，内含固定单元、转动单元及连接耗能单元三部分并布置在结构梁端区域或桁架指定部位。与传统“塑性铰”相比，本设计的新型“塑性铰”有以下区别：(1)允许其旋转变形，故变形能力大；(2)塑性铰截面处的主要连接材料并未进入塑性阶段；(3)可发生特定方向的转动；地震作用下，本发明可实现精准耗能，新型“塑性铰”区域会优先于其它梁柱构件的破坏而发生转动，通过上下耗能钢板的弹塑性变形而破坏耗能，来减小强震荷载对其它区域的作用，保证其它梁柱构件强震下处于弹性变形范围内，安全可靠；(4)本发明结构简单、造价低廉，震后只需简单更换部分组件，就可实现结构的快速修复，非常适用于高烈度设防地区工业厂房、大型商场及住宅建筑中。
本发明可根据实际结构的受力特点和耗能需求，通过改变上下固定耗能钢片(7)最窄位置的宽度和厚度、调节限位螺栓的大小和强度及连接板之间摩擦面的摩擦系数等参数，灵活调整“塑性铰”的刚度和耗能能力等参数，进而广泛地运用于各类钢结构建筑。
附图说明
图1是构造正视图，图2是构造俯视图，图3是旋转单元结构示意图，图4是固定单元结构示意图，图5是单连接板结构示意图，图6是双连接板结构示意图，图7是双连接板4-2构件示意图，图8是固定耗能钢板结构示意图，图9是构造整体结构示意图，图10～图11是结构体系部分梁的受力变形状态图，图12是结构体系柱的受力变形状态图，图13是新型“塑性铰”滑动耗能图，图14是结构体系在无荷载作用的状态图，图15是结构体系在受水平荷载作用下的运动状态图。
附图标记及对应名称为：型钢梁1，高强连接螺栓2，单连接板3，双连接板4，固定加载螺栓5，旋转加载螺栓6，固定耗能钢片7，钢梁连接螺栓孔8，椭圆螺栓孔9，单连接板旋转螺栓孔10，双连接板旋转螺栓孔11，双连接板固定螺栓孔12，耗能钢片螺栓孔13。
具体实施方式
本发明是一种自损耗能的可修复塑性铰，包括固定单元、转动单元、连接耗能单元三部分，固定单元由型钢梁1-2、高强连接螺栓2、双连接板4、钢梁连接螺栓孔8、双连接板旋转螺栓孔11、双连接板固定螺栓孔12组成；转动单元由型钢梁1-1、单连接板3、钢梁连接螺栓孔8、椭圆螺栓孔9、单连接板旋转螺栓孔10组成；连接耗能单元由高强连接螺栓2、单连接板3、双连接板4、固定加载螺栓5、旋转加载螺栓6、固定耗能钢片7组成；所述的各单元中，固定单元的型钢梁1-2的右梁端与结构的柱焊接连接，双连接板分别与型钢梁1-2的左梁端两侧焊接连接；转动单元的型钢梁1-1右梁端与单连接板3槽口部位焊接连接；连接耗能单元的单连接板3和双连接板4通过各螺栓孔进行螺栓连接，固定耗能钢片7的两端分别与型钢梁1-1和型钢梁1-2的上下翼缘通过螺栓连接。
以上所述的自损耗能的可修复塑性铰，所述的单连接板3在与型钢梁1-1连接端开有钢梁腹板厚度的槽口，使梁腹板与其进行居中焊接连接，布置有圆弧板中心处的一个单连接板旋转螺栓孔10和轴线方向布置的四个椭圆螺栓孔9，型钢梁1-1的单连接板端上下翼缘各布置至少四个钢梁连接螺栓孔8且均匀布置在腹板两侧以连接两个固定耗能钢片7。
以上所述的自损耗能的可修复塑性铰，所述的双连接板4是由两块相同结构的连接板组成，分别焊接于梁腹板两侧，每一块连接板与型钢梁1-2腹板焊接处有一个厚度变化，焊接处的厚度大于与单连接板3连接部位，单连接板3布置于双连接板4中间。
以上所述的自损耗能的可修复塑性铰，所述的型钢梁1-2与双连接板4连接端的上下翼缘各布置至少四个钢梁连接螺栓孔8且均匀布置在型钢梁1-2端腹板两侧，其右端与结构柱连接。
以上所述的自损耗能的可修复塑性铰，所述的固定耗能钢片7分别布置在梁的上下翼缘，两端各均匀设置至少四个螺栓孔，采用高强螺栓与梁翼缘连接，固定耗能钢片7长度方向的两侧居中位置设置有弧形变截面削弱区间。
以上所述的自损耗能的可修复塑性铰，所述的单连接板3设置有四个椭圆螺栓孔9和一个旋转加载螺栓孔10；每个双连接板4各设置四个双连接板固定螺栓孔12和一个双连接板旋转螺栓孔11且均与单连接板3各螺栓孔相对应。
如图1～图9所示，本发明是一种自损耗能的可修复塑性铰，该机构内含固定单元、转动单元及连接耗能单元。固定单元的型钢梁1-2的右梁端与结构的柱焊接连接，双连接板分别与型钢梁1-2的左梁端两侧焊接连接；转动单元的型钢梁1-1右梁端与单连接板3槽口部位焊接连接；连接耗能单元的单连接板3和双连接板4通过各螺栓孔进行螺栓连接，固定耗能钢片7的两端分别与型钢梁1-1和型钢梁1-2的上下翼缘通过螺栓连接。
该构造各部件具体实施方式为：单连接板3在与型钢梁1-1连接端开有钢梁腹板厚度的槽口，使梁腹板与其进行居中焊接连接，布置有圆弧板中心处的一个单连接板旋转螺栓孔10和轴线方向布置的四个椭圆螺栓孔9，椭圆螺栓孔9兼具连接功能和单双连接板之间的加载功能，型钢梁1-1的单连接板端上下翼缘各布置至少四个钢梁连接螺栓孔8且均匀布置在腹板两侧以连接两个固定耗能钢片7。双连接板4是由两块相同结构的连接板组成，分别焊接于梁腹板两侧，每一块连接板与型钢梁1-2腹板焊接处有一个厚度变化，焊接处的厚度大于与单连接板3连接部位，以保证双连接板4的两块板之间空间和型钢梁1-2腹板厚之和满足单连接板3居中连接的容纳空间。单连接板3在大震作用时，随着梁节点的转动和固定耗能钢片7的弹塑性变形耗能，单连接板3因设置有椭圆螺栓孔9可绕旋转加载螺栓6发生一定角度转动而不破坏连接板和固定加载螺栓5，连接板接触面可做喷砂等处理在固定加载螺栓5和旋转加载螺栓6的作用下发生相对转动而产生后期摩擦耗能效果。固定耗能钢片7分别布置在梁的上下翼缘，两端各均匀设置至少四个螺栓孔，采用高强螺栓与梁翼缘连接，固定耗能钢片7长度方向的两侧居中设置弧形变截面削弱区间，以保证大震下该构造在削弱区间优先发生钢片的弹塑性变化，实现固定耗能钢片7在梁转动时发生弹塑性变形至最终破坏的耗能过程，破坏只发生在此部件且实现震后快速修复。
本发明的工作过程如下：
根据新型塑性铰构造工作原理，其应用于结构体系中把“塑性铰”与柱连接相应段型钢梁作为刚域，在无荷载作用下的塑性铰分布，以ABCD结构在E、F、G、H处布置的塑性铰作用为例，如图14所示。当结构体系在水平荷载和竖向均布荷载作用下，新型“塑性铰”构造随着柱的变形由弹性变形转变为塑性变形发生转角，固定耗能钢片7优先发生弹塑性变形耗能至破坏，最后为大转动摩擦耗能，如图15。由结构力学原理，假定梁AB和柱AC的受力变形如图10和图12所示，对于柱AC而言，梁AB相当于在柱AC两端装置转动抗扭弹簧，如图12所示。根据叠加原理，结构体系受到水平荷载F1、F2和竖向均布荷载q作用。
当只作用水平荷载时，抗扭弹簧转动刚度为：由柱AC的弯矩平衡方程和几何边界条件可得：
此时梁AB在水平荷载作用下的端部旋转角度为θ2。
式中，m1、m2为抗扭弹簧转动刚度；iABiCD为梁的线刚度；iACiCI为柱的线刚度；θ1θ2为柱端转角；E为弹性模量；IAC为柱的截面惯性矩；V为柱端剪力；h1为柱的高度。
当结构体系只作用竖向均布荷载时，梁端弯矩MAB＝iAB·θ′，则θAB＝θ1+θ′为梁AC的旋转角(忽略AE段角度变化)，如图11。
当旋转角度大于塑性铰E发生旋转的极限角度[θ]，第一阶段耗能，新型“塑性铰”发生塑性形变，固定耗能钢片(7)发生材料自身弹塑性变形至断裂破坏耗散能量；第二阶段耗能，构造绕加载转动螺栓(6)旋转，承压摩擦接触面间发生相对滑动，如图13所示。
当新型“塑性铰”构造旋转角度为θ，且θ≥[θ]，其耗能为：
对于旋转加载螺栓通过扭矩拧紧法用扭矩扳手显示的扭矩值来控制连接板之间的预紧力。
拧紧螺栓时的拧紧力矩：M＝KtFd
预紧力：F＝M/Ktd
式中，F为预紧力，M为拧紧力矩，Kt为计算系数，d为加载旋转螺栓直径。
双连接板表面力：P＝F/A
连接板之间的摩擦力为：
式中，A为连接板的作用面积，μ为摩擦系数，dr、dθ分别为连接板半径和转角的积分变量。
摩擦耗能：
同理，对于梁CD，θCD＝θ2+θ’，摩擦耗能：
式中，MAB为梁端弯矩，θ为塑性铰转角，θCDθ2θ′为梁端转角，r为塑性铰构造旋转半径，n为摩擦面的面数，Mf为摩擦耗能量。
本发明工作时，当发生小震及中震时，“塑性铰”区域可看作刚性节点。而发生大震时，由于固定耗能钢片7承担主要地震作用发生弹塑性变形至最小界面处断裂破坏耗能，消耗大部分地震能量。转动单元(型钢梁1-1、单连接板3、钢梁连接螺栓孔8、椭圆螺栓孔9、单连接板旋转螺栓孔10)和固定单元(型钢梁1-2、高强连接螺栓2、双连接板4、钢梁连接螺栓孔8、双连接板旋转螺栓孔11、双连接板固定螺栓孔12)以旋转加载螺栓6为轴和固定加载螺栓5沿椭圆螺栓孔9范围转动，使单连接板3和双连接板4发生后期相对转动摩擦耗能。此时结构为半刚性连接，结构体系状态如图14和图15所示。震后只需更换破坏的固定耗能钢片7及调整构造角度位置。

Claims (6)

1.一种自损耗能的可修复塑性铰，包括固定单元、转动单元、连接耗能单元三部分，其特征在于：固定单元由型钢梁(1-2)、高强连接螺栓(2)、双连接板(4)、钢梁连接螺栓孔(8)、双连接板旋转螺栓孔(11)、双连接板固定螺栓孔(12)组成；转动单元由型钢梁(1-1)、单连接板(3)、钢梁连接螺栓孔(8)、椭圆螺栓孔(9)、单连接板旋转螺栓孔(10)组成；连接耗能单元由高强连接螺栓(2)、单连接板(3)、双连接板(4)、固定加载螺栓(5)、旋转加载螺栓(6)、固定耗能钢片(7)组成；所述的各单元中，固定单元的型钢梁(1-2)的右梁端与结构的柱焊接连接，双连接板分别与型钢梁(1-2)的左梁端两侧焊接连接；转动单元的型钢梁(1-1)右梁端与单连接板(3)槽口部位焊接连接；连接耗能单元的单连接板(3)和双连接板(4)通过各螺栓孔进行螺栓连接，固定耗能钢片(7)的两端分别与型钢梁(1-1)和型钢梁(1-2)的上下翼缘通过螺栓连接。
2.根据权利要求1所述的自损耗能的可修复塑性铰，其特征在于，所述的单连接板(3)在与型钢梁(1-1)连接端开有钢梁腹板厚度的槽口，使梁腹板与其进行居中焊接连接，布置有圆弧板中心处的一个单连接板旋转螺栓孔(10)和轴线方向布置的四个椭圆螺栓孔(9)，型钢梁(1-1)的单连接板端上下翼缘各布置至少四个钢梁连接螺栓孔(8)且均匀布置在腹板两侧以连接两个固定耗能钢片(7)。
3.根据权利要求1所述的自损耗能的可修复塑性铰，其特征在于，所述的双连接板(4)是由两块相同结构的连接板组成，分别焊接于梁腹板两侧，每一块连接板与型钢梁(1-2)腹板焊接处有一个厚度变化，焊接处的厚度大于与单连接板(3)连接部位，单连接板(3)布置于双连接板(4)中间。
4.根据权利要求1所述的自损耗能的可修复塑性铰，其特征在于，所述的型钢梁(1-2)与双连接板(4)连接端的上下翼缘各布置至少四个钢梁连接螺栓孔(8)且均匀布置在型钢梁(1-2)端腹板两侧，其右端与结构柱连接。
5.根据权利要求1所述的自损耗能的可修复塑性铰，其特征在于，所述的固定耗能钢片(7)分别布置在梁的上下翼缘，两端各均匀设置至少四个螺栓孔，采用高强螺栓与梁翼缘连接，固定耗能钢片(7)长度方向的两侧居中位置设置有弧形变截面削弱区间。
6.根据权利要求1所述的自损耗能的可修复塑性铰，其特征在于，所述的单连接板(3)设置有四个椭圆螺栓孔(9)和一个旋转加载螺栓孔(10)；每个双连接板(4)各设置四个双连接板固定螺栓孔(12)和一个双连接板旋转螺栓孔(11)且均与单连接板(3)各螺栓孔相对应。
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