CN109680819A - 一种适用于模块化建筑的自复位节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于模块化建筑的自复位节点。该节点包括每个模块化单元内部的梁梁拼接节点域以及连接模块化单元的节点域；模块化单元内部的拼接梁翼缘通过矩形连接钢板和SMA矩形连接板利用高强螺栓连接，拼接梁的腹板以及水平放置的模块化单元中相邻的槽钢梁的腹板之间通过带长圆螺栓孔的连接板利用高强螺栓进行连接。SMA板和钢板的组合解决了现有节点良好的耗能性和可恢复特性同时兼备的困难，T形连接件的使用避免了安装过程中对梁柱进行削弱的弊端，使得结构在地震中按所预期的模式进行受力，结构在震中的损伤得到了控制，并且显著改善了结构震中以及震后的力学性能，减少了震后修复成本。

Description

一种适用于模块化建筑的自复位节点

技术领域：

本发明属于结构工程领域，具体涉及一种适用于模块化建筑的自复位节点。

背景技术：

模块化钢结构由于其施工速度快和质量好的优势，越来越多地应用于具有重复单元的中高层建筑中。但很容易发现，目前模块化钢结构建筑的应用主要局限于非地震区域，这是由于模块化单元之间的抗震特性并不能简单地通过单个模块化单元的抗震特性叠加，其性能与结构的连接有很大的关系。模块化单元之间的连接以及每个模块化单元内部的梁柱连接会极大地影响模块化钢结构在地震作用下的整体稳定性和鲁棒性，所以为了使模块化建筑适用于地震区域，我们在进行模块化钢结构的抗震设计时，就必须在充分考虑节点可装配性的同时，又要保证其在循环荷载下的强度、刚度、延性以及震后的力学性能等。

传统的模块化单元之间的节点连接为了方便现场施工，会对柱或者梁截面进行一定的削弱，预留出施工空间，但同时也削弱了结构的整体刚度和性能，使得构件容易发生局部屈曲。所以现有的新型节点为了避免这一点，往往会对梁柱节点中的梁进行加肋处理，但这不可避免的会形成“弱柱强梁”情况，并且节点在震后的结构损伤也得不到控制，模块化单元之间的连接并未发挥很好的抗震作用，震后不仅每个模块化单元内部的梁柱节点的塑性变形过大，而且模块化单元之间也发生较大的层间位移，所以震后拆除工程较大，修复起来耗费过高，并且不太方便，影响修复工期。

所以人们提出结构在地震中不仅要保证人身安全，而且在震后能够实现自复位以达到减少震后修复的目标。现如今能实现自复位的有施加预应力和使用具有自复位性能的智能材料两种方法。形状记忆合金(shape memory alloy，简称SMA)是一种具有自复位性能的智能材料，其具有优越的形状记忆效应和超弹性性能，前者是指材料在受到荷载作用发生变形后卸掉荷载通过加热材料会恢复原有的形状，后者是指材料在受到荷载作用发生变形后卸掉荷载可以自主恢复原有的形状，但是也正是由于其形状记忆效应和超弹性性能，其耗能特性较弱，虽然震后发生的变形可以恢复，但是由于其较差的耗能特性，会使得结构其在地震中发生较大变形，不仅给人不安全感，还会使结构内部其余的非受力构件发生破坏。

发明内容：

为了解决上述技术问题，本发明提出一种适用于模块化建筑的自复位节点。该节点可连接四个模块化单元。其中在每个模块化单元内部，通过带悬臂槽钢梁的柱和槽钢梁的拼接来减小梁柱节点区域所受到的弯矩，从而降低其焊缝处发生脆性破坏的可能性，通过SMA板和钢板的组合来进行梁和梁之间的连接，其中SMA板用来实现自复位特性，钢板用来耗能和防止SMA板发生局部屈曲，实现耗能和自复位的有机平衡，使模块化单元内部节点的塑性变形大部分发生在此梁梁节点上，减小震后残余变形，降低修复工程的损失、缩短修复时间；而在四个模块化单元的外部连接处，通过带剪力腱的T形连接件来进行上方单元柱和下方单元柱的连接，其中通过剪力腱和螺栓进行抗剪，在满足现场安装方便这个目标的同时，并未对梁柱截面有任何削弱，保证了结构的整体和局部刚度。

为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：

一种适用于模块化建筑的自复位节点，包括上方单元柱和T形板，T形板包括竖向设置的T形板翼缘1和横向设置的T形板x方向腹板21；上方单元柱下方安装有下方单元柱，上方单元柱和下方单元柱之间插入有T形板x方向腹板21，且上方单元柱和下方单元柱均与T形板翼缘1固定连接，T形板x方向腹板21横向凸起成形有T形板y方向腹板19；配合上方单元柱和下方单元柱x向的侧面，T形板翼缘1上分别固定有U形的悬臂端梁，T形板y方向腹板19上下面分别固定有U形的悬臂端梁；悬臂端梁均拼接连接有拼接梁。

进一步的改进，所述悬臂端梁与拼接梁通过矩形连接钢板12和SMA矩形连接板8连接，矩形连接钢板12和SMA矩形连接板8通过螺栓分别与悬臂端梁和拼接梁固定。

进一步的改进，所述螺栓为高强度螺栓。

进一步的改进，所述悬臂端梁和拼接梁的腹板通过带长圆螺栓孔的连接板9固定，带长圆螺栓孔的连接板9上成形有横向设置的长圆螺栓孔10，长圆螺栓孔10插入有分别与悬臂端梁和拼接梁的腹板固定的螺栓。

进一步的改进，所述SMA矩形连接板8紧贴悬臂端梁和拼接梁固定，SMA矩形连接板8外表面固定矩形连接钢板12。

进一步的改进，所述T形板翼缘1通过螺栓固定有分别处于上方单元柱x轴向两侧的上方A单元x轴方向悬臂端梁2、上方B单元x轴方向悬臂端梁7和分别处于下方单元柱x轴向两侧的下方C单元x轴方向悬臂端梁15和下方D单元x轴方向悬臂端梁；T形板y方向腹板19的上表面分别固定有开口背向设置的上方A单元y轴方向悬臂端梁4和上方B单元y轴方向悬臂端梁5；T形板y方向腹板19的下表面分别固定有开口背向设置的下方C单元y方向拼接梁20和下方D单元y方向拼接梁20。

进一步的改进，所述T形板x方向腹板21上固定有分别与上方单元柱和下方单元柱的腔体配合设置的剪力腱。

进一步的改进，所述上方单元柱包括上方A单元柱3和上方B单元柱6；所述下方单元柱包括下方C单元柱16和下方D单元柱17；所述T形板x方向腹板21固定有分别嵌入上方A单元柱3、上方B单元柱6、下方C单元柱16和下方D单元柱17的剪力腱。

进一步的改进，所述拼接梁包括上方拼接梁和下方拼接梁；相对的上方拼接梁和下方拼接梁之间成形有间隙26。上方拼接梁和下方拼接梁分别连接上方房间的底板和下方房间的天花板。

进一步的改进，所述悬臂端梁和拼接梁均为槽钢梁。

与传统和现有的节点相比，本结构有如下创新：(1)SMA和钢板的组合在模块化建筑中的应用具有创新性，使节点具有自复位能力的同时也保证了其耗能特性，同时还弥补了SMA板由于超弹性性能而易发生局部屈曲的不足；解决了一直以来弹性变形和耗能特性无法兼得的困局。在循环荷载作用下，SMA矩形连接板和矩形连接钢板承受拉压作用，带长圆螺栓孔的连接板和螺栓承受剪力作用，其中长圆螺栓孔增加了节点的转动能力，提高了节点的延性，从而使钢板能更好的发挥耗能特性，在卸载后也更能凸显SMA矩形连接板的自复位特性，从而提高其循环性能。(2)带剪力腱的T形连接件，不仅利用了螺栓来进行抗剪，还利用了剪力腱实现了柱的定位以及附加的抗剪作用；带剪力腱的T形连接件在腹板每侧设置两个剪力腱，在模块化装配过程中，模块化单元柱将插入相应的剪力腱上，一旦水平相邻的模块化单元柱插入到位，模块将自然地水平连接在一起，便有了紧固效果，避免了直接在模块化单元柱上使用螺栓来进行连接，增加了该节点的整体抗震性能。(3)该结构实现了震后损伤控制，使大部分塑性变形集中在模块化单元内部的梁梁拼接节点处的SMA矩形连接板和矩形连接钢板上，保证其余部件比如柱和梁的弹性变形，而SMA矩形连接板发生的变形在震后可恢复，所以此节点减少了震后的残余变形，修复时只需替换破坏的少量部件即可，加快了修复工程、降低了震后修复成本。(4)便于安装，在每个模块化单元之间的连接中，无需削弱梁柱给安装留出空间，减少了工厂的加工时间，并且保证了结构的整体刚度。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明安装简单方便，且无需对梁或柱进行削弱留出安装空间，使得结构的整体刚度得到了保证。

2、本发明能够对震后损伤进行控制，使得大部分塑性变形发生在特定的区域，使结构的梁柱变形处在弹性阶段，震后几乎没有残余变形。

3、本发明能够实现震后变形可恢复，减少了震后修复的时间和成本。

4、本发明利用了钢板耗能和SMA自复位的特性，实现了耗能和自复位的有机平衡，使得无论是在震中还是在震后，结构的变形都不会导致重大的破坏。

5、本发明使用悬臂梁的拼接，减小了梁柱连接处的弯矩，更好地实现了“强柱弱梁”的准则。

附图说明：

图1为本发明在结构中的位置示意图图2为本发明细节示意图

图3为本发明正视图

图4为本发明侧视图

图5为本发明俯视图

图6为带剪力腱的T形连接件的示意图

图7为带剪力腱的T形连接件的俯视图

图8为结构安装示意图

其中，各部件的编号为：1、T形板翼缘；2、上方A单元x轴方向悬臂端梁；3、上方A单元柱；4、上方A单元y轴方向悬臂端梁；5、上方B单元y轴方向悬臂端梁；6、上方B单元柱；7、上方B单元x轴方向悬臂端梁；8、SMA矩形连接板；9、带长圆螺栓孔的连接板；10、长圆螺栓孔；11、高强螺栓；12、矩形连接钢板；13、上方A单元y轴方向拼接梁；14、上方B单元y轴方向拼接梁；15、下方C单元x轴方向悬臂端梁；16、下方C单元柱；17、下方D单元柱；18、下方C单元y轴方向悬臂端梁；19、T形板y方向腹板；20、下方C单元y方向拼接梁；21、T形板x方向腹板；22、嵌入A单元的剪力腱；23、嵌入B单元的剪力腱；24、剪力腱的安装空隙；25、嵌入C单元的剪力腱；26、间隙；A B分别为上方的两个模块化单元，C、D分别为下方的两个模块化单元。

具体实施方式：

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施案例进行详细描述(步骤如图8所示)。

本发明提供一种适用于模块化建筑的自复位节点，包括，箱型柱(即单元柱)、槽钢梁、带剪力腱的T形连接件、矩形连接钢板、SMA矩形连接板、带长圆螺栓孔的连接钢板、高强螺栓，其中：

1、上述构件工厂标准化生产后，在工厂流水线上进行预定位，对槽钢梁、带剪力腱的T形连接件上以及各个连接板的高强螺栓的连接位置进行开孔，并将悬臂端槽钢梁角焊在箱型柱的相应位置。

2、将上方模块化单元内部(A和B单元)相互拼接的槽钢梁的上翼缘通过矩形连接钢板和SMA矩形连接板利用高强螺栓连接，将下方模块化单元(C和D单元)的相互拼接槽钢梁的下翼缘通过矩形连接钢板和SMA矩形连接板利用高强螺栓连接。

3、每个结构内部连接以及其余构件安装完成后，形成单个模块化单元运输去现场完成单元之间的连接。

4、先下方两个模块化单元放置安装在应有的位置，再将带剪力腱的T形连接件的其中一侧的剪力腱扣入下方模块化单元柱中，然后将上方模块化单元按相应位置放置在带剪力腱的T形连接件的另一侧上，最后按预先打好的螺栓孔用螺栓进行悬臂端槽钢梁翼缘和腹板的连接：剪力腱的T形连接件的翼缘与上方模块化单元和下方模块化单元x轴方向上的悬臂槽钢梁的腹板通过高强螺栓连接，其腹板与上方模块化单元x轴方向上和y轴方向上的悬臂槽钢梁的下翼缘通过高强螺栓连接，与下方模块化单元x轴方向上和y轴方向上的悬臂槽钢梁的上翼缘通过高强螺栓连接。

5、最后完成水平相邻的模块化单元之间腹板的紧固(A和B单元的腹板以及C和D单元的腹板)以及单个模块化单元中槽钢梁腹板的拼接。利用带长圆孔螺栓孔的连接板进行连接，同时A、B单元中相邻的槽钢梁的腹板以及C、D单元中相邻的槽钢梁的腹板也通过此时的螺栓进行紧固。

Claims (10)

1.一种适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，包括上方单元柱和T形板，T形板包括竖向设置的T形板翼缘(1)和横向设置的T形板x方向腹板(21)；上方单元柱下方安装有下方单元柱，上方单元柱和下方单元柱之间插入有T形板x方向腹板(21)，且上方单元柱和下方单元柱均与T形板翼缘(1)固定连接，T形板x方向腹板(21)横向凸起成形有T形板y方向腹板(19)；配合上方单元柱和下方单元柱x向的侧面，T形板翼缘(1)上分别固定有U形的悬臂端梁，T形板y方向腹板(19)上下面分别固定有U形的悬臂端梁；悬臂端梁均拼接连接有拼接梁。

2.如权利要求1所述的适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，所述悬臂端梁与拼接梁通过矩形连接钢板(12)和SMA矩形连接板(8)连接，矩形连接钢板(12)和SMA矩形连接板(8)通过螺栓分别与悬臂端梁和拼接梁固定。

3.如权利要求2所述的适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，所述螺栓为高强度螺栓。

4.如权利要求2所述的适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，所述悬臂端梁和拼接梁的腹板通过带长圆螺栓孔的连接板(9)固定，带长圆螺栓孔的连接板(9)上成形有横向设置的长圆螺栓孔(10)，长圆螺栓孔(10)插入有分别与悬臂端梁和拼接梁的腹板固定的螺栓。

5.如权利要求2所述的适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，所述SMA矩形连接板(8)紧贴悬臂端梁和拼接梁固定，SMA矩形连接板(8)外表面固定矩形连接钢板(12)。

6.如权利要求1所述的适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，所述T形板翼缘(1)通过螺栓固定有分别处于上方单元柱x轴向两侧的上方A单元x轴方向悬臂端梁(2)、上方B单元x轴方向悬臂端梁(7)和分别处于下方单元柱x轴向两侧的下方C单元x轴方向悬臂端梁(15)和下方D单元x轴方向悬臂端梁；T形板y方向腹板(19)的上表面分别固定有开口背向设置的上方A单元y轴方向悬臂端梁(4)和上方B单元y轴方向悬臂端梁(5)；T形板y方向腹板(19)的下表面分别固定有开口背向设置的下方C单元y方向拼接梁(20)和下方D单元y方向拼接梁(20)。

7.如权利要求1所述的适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，所述T形板x方向腹板(21)上固定有分别与上方单元柱和下方单元柱的腔体配合设置的剪力腱。

8.如权利要求7所述的适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，所述上方单元柱包括上方A单元柱(3)和上方B单元柱(6)；所述下方单元柱包括下方C单元柱(16)和下方D单元柱(17)；所述T形板x方向腹板(21)固定有分别嵌入上方A单元柱(3)、上方B单元柱(6)、下方C单元柱(16)和下方D单元柱(17)的剪力腱。

9.如权利要求1所述的适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，所述拼接梁包括上方拼接梁和下方拼接梁；相对的上方拼接梁和下方拼接梁之间成形有间隙(26)。

10.如权利要求1所述的适用于模块化建筑的自复位节点，其特征在于，所述悬臂端梁和拼接梁均为槽钢梁。