CN109057018A - 基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点及钢结构建筑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点及钢结构建筑，它解决了现有技术中节点名义屈服后刚度较大、震后易失去初始刚度的问题，在地震荷载作用下具有良好的耗能性能和自复位能力，低温下及经历过大变形后不会失去初始刚度，震后结构钢柱及柱脚节点均不会损坏；其技术方案为：包括混凝土基础，混凝土基础上部固定底板，底板通过抗剪连接板连接与其垂直的支柱，支柱两侧对称安装锚固板，锚固板与底板之间通过铰支座连接形状记忆合金棒，地震作用时形状记忆合金棒在提供转动刚度的同时为节点提供耗能性能及自复位性能；形状记忆合金棒的周向包覆有套筒，套筒可约束形状记忆合金棒受压屈曲，以提高形状记忆合金棒受压时的延性与承载力。

Description

基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点及钢结构建筑

技术领域

本发明涉及建筑钢结构领域，尤其涉及一种基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点及钢结构建筑。

背景技术

柱脚主要是用于把钢结构柱子固定在基础上，同时在支撑柱子的同时把柱子承受的力导向基础释放掉。柱脚可以分为铰接柱脚和刚接柱脚两种，前者只能传递剪力和轴力，后者可以传递剪力、轴力和弯矩。因此，刚接柱脚会在受到侧向力的同时底部承受较大的弯矩，会对柱底产生较大影响。铰接柱脚主要承受剪力和轴力，同时会通过转动来释放掉弯矩。

近些年以来，可恢复的建筑结构受到人们的关注。可恢复的建筑结构主要是通过预应力筋或形状记忆合金等恢复元件通过增加一部分耗能元件来组成。因此自复位节点开始出现并迅速发展。自复位柱脚可以在面对地震时，可以进行摇摆，来减轻结构的破坏，通过耗能元件耗能，最后在地震结束后，可以通过自复位元件将柱脚拉回到初始位置，形成自复位结构。

通过张拉预应力筋的方式来实现自复位结构，因为预应力筋本身不能作为耗能元件耗能，需要与其他耗能元件联结使用，同时在使用时要进行预应力筋的张拉，因此结构构造会很复杂同时也大大增加施工难度。通过形状记忆合金形成的自复位结构能够通过其自身的材料特性，基于其自身马氏体-奥氏体相变特性，在外力消除后，材料可以消除残余应变，恢复到初始位置。同时形状记忆合金的最大变形可以达到8％-10％，能够满足变形的要求。

超弹性形状记忆合金主要以丝材和棒材为主，其中丝材只能承受拉力而无法承受压力。棒材不仅可以承受轴向拉力，同时可以承受压力，提供刚度，对节点有更好的运用。

授权公告号CN206091073U的专利中，公开了一种外张拉式耗能自复位矩形钢管混凝土框架柱脚节点，这种柱脚节点是通过预应力筋提供回复力，然后再通过四周的防屈曲钢板进行耗能，因此构造复杂，同时预应力筋的张拉，预应力大小控制较困难同时预应力筋也会出现松弛的现象，当支柱摇动时，易受弯变形。

授权公告号CN 207063676 U的专利中，公开了一种摇摆式柱脚，这种柱脚的优点就是能够适应不同的倾斜角度的要求，缺点就是当地震结束时，只能通过重力恢复，没有其他外物提供恢复力，难以恢复到初始位置，同时吊装时对中困难。

授权公众号CN 207296559 U的专利中，公开了一种自复位柱脚，这种柱脚的优点主要是两侧的超弹性记忆合金棒可以提供两侧的拉力恢复，但其柱脚缺少抗剪键，难以承受侧向力，同时两侧超弹性记忆合金棒在受到压力作用时容易屈曲受损破坏。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，其在地震荷载作用下具有良好的耗能性能和自复位能力，允许变形范围大，往复荷载行为对称，低温下及经历过大变形后不会失去初始刚度，震后结构钢柱及柱脚节点均不会损坏，且构造简单，生产安装简便，经济效益较高。

本发明采用下述技术方案：

一种基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，包括混凝土基础，混凝土基础上部固定底板，底板通过抗剪连接板连接与其垂直的支柱，支柱两侧对称安装锚固板，锚固板与底板之间通过铰支座连接形状记忆合金棒，地震作用时形状记忆合金棒在提供转动刚度的同时为节点提供耗能性能及自复位性能；

所述形状记忆合金棒的周向包覆有套筒，套筒可约束形状记忆合金棒受压屈曲，以提高形状记忆合金棒受压时的延性与承载力。

进一步的，所述支柱两侧分别具有至少两个形状记忆合金棒，形状记忆合金棒分为中部的削弱段、两端的锚固段及削弱段与锚固段之间的过渡段。

进一步的，所述削弱段和锚固段截面形状为圆形，锚固段周向设置螺纹，且锚固段截面积大于削弱段截面积。

进一步的，所述套筒为内部具有中空腔的圆柱体结构，套筒的中空腔与形状记忆合金棒削弱段外壁之间留有1-2mm的间隙，所述间隙内填充无粘结材料。

进一步的，所述套筒的长度应小于形状记忆合金棒削弱段的长度。

进一步的，所述抗剪连接板开设多个螺栓孔，抗剪连接板一端与底板(混凝土预埋钢板)焊接，另一端与支柱通过螺栓连接。

进一步的，所述支柱包括呈H型的腹板和固定于腹板两侧的锚固板，锚固板上部与腹板侧面连接加劲板，避免锚固板弯曲破坏；所述腹板内侧固定多个加筋肋。

进一步的，所述腹板与混凝土基础的连接端为弧形。

进一步的，所述铰支座包括固定板和U型耳板，U型耳板通过轴销与固定板铰接；铰支座保证支柱转动时形状记忆合金棒不会受到弯矩作用。

进一步的，所述U型耳板与形状记忆合金棒的连接端开设通孔，形状记忆合金棒穿过所述通孔并通过螺母在通孔上下两侧进行固定。

本发明还提供了一种钢结构建筑，其包括上述基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明在正常使用状态下，具有较好的承载力，可以传递钢柱的轴向压力，抵抗侧向剪力；在地震发生时，抗剪连接板正中的螺栓孔转动，使位于转动中心两侧的形状记忆合金棒分别处于受拉和受压状态并消耗地震能量；

(2)本发明若处于适用环境温度中，由于形状记忆合金自身特性，在地震作用卸除后，形状记忆合金棒回复于原位，节点无残余变形，且由于形状记忆合金棒相对于转动中心两侧布置，节点往复运动时的滞回行为是一组受压的滞回行为加另外一组受拉的滞回行为，最终得到的滞回行为是对称的；若处于低温环境中，形状记忆合金的性能退化为普通金属的性能，该节点将在地震作用下表现出屈曲约束节点的行为而不会失去初始刚度；若节点经历超出设计允许范围的变形，即便形状记忆合金棒产生残余变形，在节点再次经历小于残余变形的变形时仍可表现为屈曲约束节点的特性，而不会失去初始刚度。

(3)本发明可以是钢棒与形状记忆合金棒共同构成，通过钢棒和形状记忆合金棒的构成数量的不同，来满足结构的不同的能量耗散能力；同时，该节点还具有形状记忆合金自复位节点的一般优点，包括耗能和自复位能力好，构造和施工工艺简单，允许变形范围大，震后节点无需修复，耐久性和抗疲劳性能好，综合经济效益高等。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明向右转动状态示意图；

图4为本发明向左转动状态示意图；

图5为本发明的形状记忆合金棒结构示意图；

图6为本发明的套筒结构示意图；

图7为本发明的支柱结构示意图；

图8为本发明的抗剪连接板结构示意图；

图9为本发明的铰支座结构示意图；

图10为本发明的另一种实施方式主视图；

图11为本发明套筒的结构示意图；

其中，1、锚固板，2、加劲板，3、支柱，4、加筋肋，5、形状记忆合金棒，501、削弱段，502、锚固段，503、过渡段，6、套筒，7、抗剪连接板，8、锚栓，9、第一铰支座，10、混凝土基础，11、U型耳板，12、轴销，13、固定板，14、底板，15、长槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在节点名义屈服后刚度较大、节点域柱脚截面扩大、震后易失去初始刚度的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点及钢结构建筑。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图11所示，一种基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，包括混凝土基础10、支柱3、底板14、铰支座9、形状记忆合金棒5和套筒6，底板14通过锚栓8固定于混凝土基础10上部，所述支柱3垂直安装于底板14上部。

所述底板14由钢板制成，在其上部焊接抗剪连接板7，所述抗剪连接板7开设多个螺栓孔，支柱3底端通过高强螺栓与抗剪连接板7相连。

优选地，抗剪连接板7上设有三个螺栓孔，其中，抗剪连接板7中心位置设置一个螺栓孔，其余两个螺栓孔关于中心螺栓孔对称。

所述螺栓孔为长圆孔，长圆孔方向沿支柱3高度方向。

所述支柱3包括腹板、锚固板1、加筋肋4和加劲板2，所述腹板呈H型，其两侧分别固定一个水平设置的锚固板1，锚固板1与腹板侧面通过加劲板2相连；腹板内侧设有若干加筋肋4。

优选地，所述支柱3为钢柱。

优选地，腹板内侧设有两个加筋肋4，其中一个加筋肋4与锚固板1位置对应，另一加筋肋4与加劲板2顶部位置对应。

所述腹板靠近下端位置设有与抗剪连接板7上螺栓孔相对应的长圆孔，腹板底端为弧形结构。

抗剪连接板7传递支柱3与混凝土基础10间剪力，提供支柱3以二分之一腹板高度，即抗剪连接板7中间的螺栓孔转动，使位于转动中心两侧的形状记忆合金棒5分别处于受拉和受压状态并消耗地震能量。

所述锚固板1可以为块状、角钢形、板形等多种形式。

所述底板14的上部关于支柱3对称位置安装多个铰支座9，锚固板1底部同样设置多个铰支座9，锚固板1与底板14之间的铰支座9通过形状记忆合金棒5相连。

形状记忆合金棒5在提供转动刚度的同时，基于其自身马氏体-奥氏体相变特性在地震作用下为节点提供耗能性能及自复位性能，并且因铰支座9连接，超弹性形状记忆合金棒5不会在支柱转动时受到弯矩的作用。

优选地，支柱3两侧分别固定两个铰支座9，支柱3同一侧的两个铰支座9与支柱3的间距相等。

所述铰支座9包括固定板13和U型耳板11，U型耳板11卡在固定板13两侧且通过轴销12与固定板13铰接；铰支座9保证支柱3转动时形状记忆合金棒5不会受到弯矩作用。

锚固板1底部的铰支座9与底板14上方的铰支座9对称安装，二者的U型耳板11相对设置。

所述U型耳板11与形状记忆合金棒5的连接端开设通孔，形状记忆合金棒5穿过所述通孔，且U型耳板11的上侧、下侧均通过螺母将形状记忆合金棒5端部固定。

所述形状记忆合金棒5分为中部的削弱段501、两端的锚固段502及削弱段501与锚固段502之间的过渡段503；削弱段501截面形状可以为圆形、矩形等。

优选地，所述削弱段501和锚固段502截面形状为圆形。

锚固段502周向设置螺纹，且锚固段502截面积大于削弱段501截面积。

所述形状记忆合金棒5均采用镍-钛合金材质制成。

形状记忆合金棒5的削弱段外侧套设有套筒6，套筒6可约束形状记忆合金棒5受压屈曲，从而有效提高形状记忆合金棒5受压时的延性与承载力；使本申请在耗散地震能量的基础上实现震后自复位。

所述套筒6为内部具有中空腔的圆柱体结构，套筒6的中空腔与形状记忆合金棒5削弱段外壁之间留有2mm间隙。

由套筒6约束的形状记忆合金棒5受压时，其截面面积会膨胀，较大压缩变形下会出现多波屈曲，此时需要在套筒6与形状记忆合金棒5之间填充无粘结材料，以避免形状记忆合金棒5与套筒6之间的直接接触，从而减小摩擦，尽可能的保证屈曲约束形状记忆合金棒在受拉与受压时有相近的力学性能。

所述无粘结材料可以为环氧树脂、橡胶层、锂基脂、软玻璃等。

优选地，套筒6中空腔与形状记忆合金棒5削弱段外壁之间的间隙内填充锂基脂。

所述套筒6可选用两块开有长槽15的钢板拼接而成，如图11所示；中空腔由两块钢板的长槽15共同形成，所述长槽15的横截面为圆弧形。

同时，套筒6的长度不能大于削弱段501的长度减去设计受压变形的最大位移；实际运用时将超弹性记忆合金棒削弱段501居中放置在其中一个长槽15里，合上另一块钢板，将超弹性记忆合金棒放置在中空腔内，两边通过螺栓拧紧形成中空套筒。

本申请在正常使用状态下，可具有较好的承载力；在地震发生时，使支柱3端绕二分之一腹板高度，即抗剪连接板7正中的螺栓孔转动，使位于转动中心两侧的形状记忆合金棒5分别处于受拉和受压状态并消耗地震能量。

同时，若结构处于适用环境温度中，由于形状记忆合金自身特性，在地震作用卸除后，形状记忆合金棒回复于原位，节点无残余变形；而若结构处于低温环境中，形状记忆合金的性能退化为普通金属的性能，该节点将在地震作用下表现出屈曲约束节点的行为而不会失去初始刚度。

若节点经历超出设计允许范围的变形，即便形状记忆合金棒5产生残余变形，在节点再次经历小于残余变形的变形时仍可表现为屈曲约束节点的特性，而不会失去初始刚度。同时，该节点还具有形状记忆合金自复位节点的一般优点，包括耗能和自复位能力好，构造和施工工艺简单，允许变形范围大，震后节点无需修复，耐久性和抗疲劳性能好，综合经济效益高等。

本申请的另一种实施方式中，支柱两侧设置分别具有一个形状记忆合金棒和一个钢棒，形状记忆合金棒和钢棒的一端分别与锚固板通过铰支座相连，另一端分别通过铰支座与底板相连。

采用上述形状记忆合金棒和钢板组合的结构，棒组的滞回性能可以在钢棒滞回性能和超弹性形状记忆合金滞回性能之间过渡，可以满足建筑结构所需的不同耗能能力和自复位能力。

其他结构与上述实施方式相同，此处不再赘述。

本申请的又一种实施方式中，如图10所示，支柱底部与底板、混凝土基础通过螺栓连接。

其他结构与上述实施方式相同，此处不再赘述。

本申请的又一种实施方式中，提供一种钢结构建筑，所述钢结构建筑包括上述基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚点。

本申请的钢结构建筑由于具有的该种节点耗能性能好，因此在地震作用发生时，输入主要结构构件的能量较小，可有效保护结构构件；由于形状记忆合金材料优越的超弹性，其在地震作用后残余变形极小从而为震后的建筑修复提供便利；由于形状记忆合金棒组可以由超弹性形状记忆合金棒和钢棒组成，可以满足结构所需的耗能能力和自复位能力，当需要耗能能力增加时，增加钢棒的数量，当需要不需要增加耗能能力时，增加超弹性形状记忆合金的数量，同时本发明使得自复位系统可以在受拉和受压后都可以为结构提供恢复力，更重要的是，该类建筑早超出设计参考强度的地震作用后以及在低温下不会丧失刚度，且该类建筑较现有自复位建筑构造更简单，施工更便捷，可有效保证建筑施工质量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，包括混凝土基础，其特征在于，混凝土基础上部固定底板，底板通过抗剪连接板连接与其垂直的支柱，支柱两侧对称安装锚固板，锚固板与底板之间通过铰支座连接形状记忆合金棒，地震作用时形状记忆合金棒在提供转动刚度的同时为节点提供耗能性能及自复位性能；

所述形状记忆合金棒的周向包覆有套筒，套筒可约束形状记忆合金棒受压屈曲，以提高形状记忆合金棒受压时的延性与承载力。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，其特征在于，所述支柱两侧分别具有至少两个形状记忆合金棒，形状记忆合金棒分为中部的削弱段、两端的锚固段及削弱段与锚固段之间的过渡段；

所述削弱段和锚固段截面形状为圆形，锚固段周向设置螺纹，且锚固段截面积大于削弱段截面积。

3.根据权利要求2所述的基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，其特征在于，所述套筒为内部具有中空腔的圆柱体结构，套筒的中空腔与形状记忆合金棒削弱段外壁之间留有间隙，所述间隙内填充无粘结材料。

4.根据权利要求2所述的基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，其特征在于，所述套筒的长度应小于形状记忆合金棒削弱段的长度。

5.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，其特征在于，所述抗剪连接板开设多个螺栓孔，抗剪连接板一端底板焊接，另一端与支柱通过螺栓连接。

6.根据权利要求1或5所述的基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，其特征在于，所述支柱包括呈H型的腹板和固定于腹板两侧的锚固板，锚固板上部与腹板侧面连接加劲板，腹板内侧固定多个加筋肋。

7.根据权利要求6所述的基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，其特征在于，所述腹板与混凝土基础的连接端为弧形。

8.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，其特征在于，所述铰支座包括固定板和U型耳板，U型耳板通过轴销与固定板铰接；铰支座保证支柱转动时形状记忆合金棒不会受到弯矩作用。

9.根据权利要求8所述的基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点，其特征在于，所述U型耳板与形状记忆合金棒的连接端开设通孔，形状记忆合金棒穿过所述通孔并通过螺母在通孔上下两侧进行固定。

10.一种钢结构建筑，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的基于形状记忆合金棒材的自复位柱脚节点。