CN110219369A - 基于钢-sma板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点及组装方法 - Google Patents

基于钢-sma板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点及组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于钢‑SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点及组装方法，本发明翼缘部分采用T形板、SMA骨形连接板、带有U形孔和长圆孔的梁翼缘板的组合连接实现节点传力性能的改善，梁翼缘上布置U形孔和长圆孔实现了梁与SMA骨形连接板的相对滑动，将变形主要集中在SMA骨形连接板上，保证主要部件处于弹性状态，同时通过摩擦提高节点的耗能能力，因此解决了现有节点耗能特性和自复位特性难以同时兼备的困难；而且该组合连接可以有效防止SMA骨形连接板由于超弹性带来的局部屈曲问题。在梁腹板处焊接有矩形端板，并设置SMA碟形弹簧，一方面加强节点的耗能能力，另一方面提高节点转动变形能力，更好地体现出组合连接良好的自复位特性。

Description

基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点及组装方法
技术领域：
本发明属于结构工程领域，具体涉及一种基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点及其组装方法。
背景技术：
钢结构因其具有质轻高强、塑性韧性好、材质均匀、方便施工以及综合经济指标高等一系列优点，广泛应用于居民建筑、工业厂房等地。然而震害调查发现，钢结构建筑在地震作用下容易因过大的塑性变形而产生较大残余变形，从而无法满足震后的正常使用要求。所以为了减小钢结构建筑的残余变形，我们在进行结构抗震设计时，一方面必须充分考虑节点在循环荷载下的强度、刚度、稳定性、延性等力学性能，同时又要保证其在震后具有可恢复的性能。
传统钢结构建筑为了避免结构在地震作用下发生脆性破坏，会对节点域进行加强或者对梁翼缘进行削弱，从而达到将节点塑性区域外移，实现构件先于节点破坏的设计理念，进而减小震后损失。但同时由于塑性变形主要集中在梁端，使得在震后节点容易产生严重的残余变形，不能满足正常使用要求，而且带来修复难度大以及修缮费用高等问题。
所以人们提出自复位节点的设计理念，即该节点不仅需要满足结构的强度、刚度以及延性和耗能的设计要求，还应该保证节点具有一定的自复位能力，这样才能满足在地震作用下结构有较小甚至没有残余变形的性能要求。现如今实现节点的自复位主要采用两种方法，采用后张拉预应力筋(Post-tensioned，简称PT)预拉力机制的PT形节点和在节点处使用具有自复位性能的智能材料。其中PT形节点需严格控制预应力，否则将会影响节点在循环荷载作用下的性能；在工程中应用较多的具有自复位性能的智能材料是形状记忆合金，形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)具有良好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，然而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，但是由于其较弱的耗能特性，可能会增加结构在地震作用下的加速度响应。目前对SMA材料在工程中的应用研究多集中于SMA螺栓等棒材形式的节点，研究发现节点的性能受螺栓的长度、直径和预应力的影响，所以在设计时需综合考虑各项因素，设计较复杂。
此外，由于SMA材料虽然具有一定的可恢复性，但是其具有刚度不足等缺点，因此当其用于梁柱节点时，很容易由于所受承载力过大而产生屈曲变形，导致结构承载的不稳定，而与刚度大的材料同时使用，一旦产生形变则SMA材料的恢复力并不足以牵引刚度大的材料恢复原来的形状，导致SMA材料一直难以应用在承重较大的梁柱节点中。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有节点存在的缺陷而提出的一种基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点。该节点解决了现有节点耗能性能和自复位性能难以同时兼备的缺陷，同时也克服了后张拉节点对预应力的要求以及SMA螺栓类节点设计较复杂等问题，该节点在梁柱翼缘连接处提出一种T形钢板和SMA骨形连接板的组合连接方式，T形钢板和梁翼缘实现了对SMA骨形连接板的屈曲约束；钢梁上U形孔和长圆孔的构造设置实现了地震作用下SMA骨形连接板与梁翼缘间的相对运动，并通过给螺栓施加预紧力为SMA骨形连接板和钢梁翼缘提供正应力，以增大摩擦提高耗能能力，因此地震作用下的变形主要集中在SMA骨形连接板上，保证主要部件处于弹性状态，利用SMA材料的超弹性性能即可实现震后节点的自复位。因此节点既具有耗能能力又有自复位能力，从而降低破坏的可能性，减小震后残余变形和损失，而且该节点满足了现场安装方便的要求，同时未对梁翼缘截面有任何削弱，保证了结构的整体刚度和局部刚度。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，包括钢柱、横板7、SMA连接板和钢梁，所述钢柱的钢柱翼缘1上连接有横板7；配合横板7安装有钢梁；钢梁与横板7之间安装有SMA连接板；SMA连接板包括左端连接区9-1和右端连接区9-2；左端连接区9-1和右端连接区9-2之间为中间区9-3；左端连接区9-1通过第一螺栓8-1与横板7相连，右端连接区9-2通过第三螺栓8-3与钢梁相连；横板7一体延伸成形有覆盖中间区9-3的延伸段7-1；整个SMA连接板与钢梁和横板紧贴设置。
进一步，所述中间区9-3收束形成避让区9-4；第二螺栓8-2穿过避让区9-4将横板7和钢梁连接并压紧。
进一步，所述钢梁上成形有长圆螺栓孔13，长圆螺栓孔13与避让区9-4配合设置，第二螺栓8-2穿过避让区9-4与长圆螺栓孔13将横板7和钢梁连接压紧。
进一步，所述钢梁上成形有U形螺栓孔12；第一螺栓8-1依次穿过横板7、左端连接区9-1和U形螺栓孔12，将横板7和SMA连接板固定并将横板7、SMA连接板和钢梁压紧。
进一步，所述SMA连接板为SMA骨形连接板9，所述SMA连接板与钢梁的接触面成形有粗糙层。
进一步，所述粗糙层通过SMA连接板表面刻槽9-5形成。
进一步，所述钢梁端部焊接固定有与钢柱翼缘1配合的端板；端板通过螺栓与工字形钢柱翼缘1相连，螺栓的螺杆上配合设置有SMA碟形弹簧4。
进一步，所述钢柱为工字形钢柱；所述钢梁为工字形钢梁；所述横板7一体延伸成形有与钢柱配合的竖板6，竖板6通过螺栓与钢柱连接；横板7与竖板6形成L形钢板或T形钢板；所述端板为矩形端板5；所述第一螺栓8-1、第二螺栓8-2、第三螺栓8-3和螺栓均为摩擦型高强螺栓；所述工字形钢柱上固定有配合T形钢板的柱加劲肋2；所述横板7为两个，钢梁处于两个横板7之间。
一种基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点的组装方法，包括如下步骤：
步骤一、在工厂标准化生产钢柱、钢梁、横板7、SMA骨形连接板9；钢梁翼缘端部自靠近柱端处起沿梁长度方向依次开设U形螺栓孔12、长圆螺栓孔13和圆形螺栓孔；并且钢梁端部焊接矩形端板5；钢柱腹板处焊接加劲肋2；
步骤二、将钢梁通过矩形端板5和螺栓安装在钢柱的预设位置，并在螺杆上配合安装SMA碟形弹簧4；
步骤三、在钢梁上连接SMA骨形连接板9，然后在SMA骨形连接板上连接横板7；第一螺栓8-1穿过横板7、SMA骨形连接板9的左端连接区9-1和U形螺栓孔12将横板7和SMA骨形连接板9连接在一起，并通过对第一螺栓8-1施加预紧力将横板7、SMA骨形连接板9和钢梁压紧；第二螺栓8-2穿过横板7的延伸段7-1、SMA骨形连接板9的避让区9-4和长圆螺栓孔13，同时通过对第二螺栓8-2施加预紧力将横板7与钢梁连接并将横板7、SMA骨形连接板9和钢梁压紧；第三螺栓8-3穿过SMA骨形连接板9的右端连接区9-2和钢梁将SMA骨形连接板与钢梁连接在一起，通过对第三螺栓8-3施加预紧力将SMA骨形连接板和钢梁压紧，预紧力数值通过设计要求确定。
进一步，所述钢柱为工字形钢柱；所述钢梁为工字形钢梁。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用SMA材料的超弹性性能以及SMA骨形连接板与梁翼缘之间的相对运动解决了现有节点自复位和耗能能力难以同时兼顾的缺点，实现了耗能能力和自复位的有机平衡。因此在地震作用下，节点的变形表现为T形钢板的弹性变形、钢梁的弹性变形与刚体位移以及SMA骨形连接板的轴向变形，使得无论在震中还是震后，结构的变形都得到控制；同时SMA骨形连接板与梁翼缘之间摩擦耗能提高耗能能力。
2、本发明使用形状记忆合金，不仅改善了地震作用下节点的脆性破坏问题，而且提高了结构在地震作用下自复位能力，改善了出现较大残余变形的问题，能够实现震后变形可恢复，减少了震后修复的时间和成本。
3、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。
4、本发明提出的节点关于中性轴完全对称，所以节点在正负弯矩作用下的性能一致，以承受正弯矩为例，在正弯矩作用下，连接梁下翼缘的SMA骨形连接板、T形钢板承受拉力作用，矩形端板上的拉力本应由螺栓承担，但是为了减小螺栓所受拉力，加入了SMA碟形弹簧，从而将轴向力转移到SMA碟形弹簧上，同时也减小了翼缘上摩擦型高强螺栓所受剪力。T形钢板的存在不仅和SMA构件一起发挥了耗能作用，同时也防止了SMA骨形连接板发生局部屈曲。节点的剪力主要由摩擦型高强螺栓承担，端板面与柱翼缘面之间的摩擦力也承担了一小部分的剪力。因此节点的变形主要集中在SMA骨形连接板和SMA碟形弹簧上，所以节点构件在荷载卸除后能够自复位或者通过简单的加热恢复原状。
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为节点拆解示意图；
图4为本发明正视图；
图5为本发明侧视图；
图6为本发明俯视图；
图7为带有螺栓孔的工字形钢梁示意图；
图8为带槽的SMA骨形连接板示意图。
其中，各部件的编号为：1、工字形钢柱翼缘；2、柱加劲肋；3、工字形钢柱的腹板；4、SMA碟形弹簧；5、矩形端板；6、竖板；7、横板；7-1延伸段；8-1、第一螺栓；8-2、第二螺栓；8-3、第三螺栓；9、SMA骨形连接板；9-1、左端连接区；9-2、右端连接区；9-3、中间区；9-4、避让区；9-5、槽；10、工字形钢梁翼缘；11、工字形钢梁腹板；12、U形螺栓孔；13、长圆螺栓孔。
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。
本发明提供一种基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，包括：1、工字形钢柱2、工字形钢梁3、T形钢板4、SMA骨形连接板5、SMA碟形弹簧6、矩形端板7、柱加劲肋；摩擦型高强螺栓。
本自复位节点，包括结构中所选的梁柱连接节点区域，其中包括带有加劲肋的工字形钢柱、工字形钢梁、T形钢板、SMA骨形连接板、SMA碟形弹簧、矩形端板以及摩擦型高强螺栓。所述柱加劲肋的三面角焊在所述工字形钢柱上，所述矩形端板双面角焊在所述工字形钢梁腹板的横截面中部，其宽度与梁翼缘宽度相等，长度根据T形钢板翼缘(即竖板)宽度和安装间隙进行调整。
工字形钢梁的翼缘与所述工字形钢柱的翼缘通过T形钢板和SMA骨形连接板的叠合利用摩擦型高强螺栓连接，T形钢板的翼缘与钢柱的翼缘连接，T形钢板的腹板叠合SMA骨形连接板与钢梁的翼缘连接；T形钢板位于SMA连接板的外侧，SMA连接板位于梁翼缘的外侧。所述钢梁的腹板通过焊接的矩形端板利用高强螺栓与柱翼缘连接，并在高强螺栓上配置所述的SMA碟形弹簧，用高强螺栓固定时对所述SMA碟形弹簧施加预紧力，并将柱翼缘与矩形端板夹紧。所述SMA连接板和所述T形钢板承受拉压作用，矩形端板与柱翼缘之间的摩擦和高强螺栓承受剪力作用，其中T形钢板和SMA碟形弹簧在循环荷载下可提供耗能能力，SMA矩形连接板和碟形弹簧在震中发挥超弹性特性，卸载后发挥自复位特性，所以在震后修复时，只需更换破坏掉的T形钢板即可。
所述钢梁的上下翼缘均开有U形螺栓孔和长圆螺栓孔，约束钢梁沿梁宽方向位移的同时降低了对钢梁梁长方向的约束，保证钢梁在荷载作用下处于弹性阶段。
根据受力特性所述SMA连接板做成狗骨形式。采用简化截面法，可以显式地控制SMA板的宽厚比，防止板的早期局部屈曲。同时减小的截面也会削弱板的阻力，这会促进SMA板中非弹性作用的集中。
所述工字形钢板、所述工字形钢梁、所述T形钢板、SMA连接板和矩形端板上的螺栓以及SMA碟形弹簧的数量可根据具体的结构需要做出调整，因此本发明只做出其中一种情况的示意图。
基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点的组装方法如下：
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，对工字形钢柱、工字形钢梁、T形钢板、SMA骨形连接板和矩形端板上高强螺栓的连接位置进行开孔，并将加劲肋角焊在钢柱的相应位置，将矩形端板角焊在钢梁腹板的相应位置。
2.将T形钢板的翼缘通过高强螺栓连接到柱翼缘的相应位置。连接安装完成后，运输去现场完成各构件之间的连接。
3.在矩形端板与柱翼缘处，用配置有SMA碟形弹簧的高强螺栓来进行连接。
4.在梁的翼缘处，高强螺栓由外侧到内侧依次穿过T形钢板的腹板、SMA骨形连接板和钢梁的翼缘。T形钢板位于SMA骨形连接板的外侧，SMA骨形连接板位于钢梁翼缘的外侧。
与传统结构相比，本结构有如下创新：(1)SMA骨形连接板在节点连接中的应用具有创新性，一方面使节点具有自复位能力，另一方面避免了后张法中需严格控制预应力和SMA螺栓节点设计较复杂的问题；同时在节点构造中利用SMA碟形弹簧和钢梁之间的摩擦进行耗能，实现了耗能和自复位性能的有机平衡。(2)在循环荷载作用下，T形钢板和SMA骨形连接板承受拉压作用，矩形端板间的摩擦和螺栓承受剪力作用，其中碟形弹簧的设置提高了节点的转动能力，从而提高节点的延性，进一步凸显卸载后SMA材料的自复位特性，从而提高其循环性能。(3)该结构可将大部分塑性变形集中在SMA骨形连接板和SMA碟形弹簧上，保证结构的主要部件在地震作用下处于弹性变形，实现了震后损伤控制；而SMA构件发生的变形在震后可自主恢复，因此震后残余变形将有效减少，若要修复，则只需替换结构中发生破坏的少量部件，从而减少修复时间，降低地震带来的损失以及修复难度和成本。(4)T形钢板与SMA骨形连接板的组合使用不仅保证了节点的耗能性能和可恢复性，而且还能有效地防止SMA材料由于超弹性带来的局部屈曲问题。(5)方便施工，可灵活应用于装配式结构中，加快施工进度的同时结构的整体刚度也可得到保证。
本发明的节点使用了形状记忆合金和钢材的组合、板构件和T形构件组合，有良好的耗能能力和自复位能力，且耗能能力和自复位能力可调，震后修复工作量低，综合经济效益高。
上述仅仅为本发明的一个具体实施例，对其进行的简单改进和替换均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，包括钢柱、横板(7)、SMA连接板和钢梁，其特征在于，所述钢柱的钢柱翼缘(1)上连接有横板(7)；配合横板(7)安装有钢梁；钢梁与横板(7)之间安装有SMA连接板；SMA连接板包括左端连接区(9-1)和右端连接区(9-2)；左端连接区(9-1)和右端连接区(9-2)之间为中间区(9-3)；左端连接区(9-1)通过第一螺栓(8-1)与横板(7)相连，右端连接区(9-2)通过第三螺栓(8-3)与钢梁相连；横板(7)一体延伸成形有覆盖中间区(9-3)的延伸段(7-1)；整个SMA连接板与钢梁和横板紧贴设置。
2.如权利要求1所述的基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，其特征在于，所述中间区(9-3)收束形成避让区(9-4)；第二螺栓(8-2)穿过避让区(9-4)将横板(7)和钢梁连接并压紧。
3.如权利要求2所述的基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，其特征在于，所述钢梁上成形有长圆螺栓孔(13)，长圆螺栓孔(13)与避让区(9-4)配合设置，第二螺栓(8-2)穿过避让区(9-4)与长圆螺栓孔(13)将横板(7)和钢梁连接压紧。
4.如权利要求1所述的基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，其特征在于，所述钢梁上成形有U形螺栓孔(12)；第一螺栓(8-1)依次穿过横板(7)、左端连接区(9-1)和U形螺栓孔(12)将横板(7)和SMA连接板固定并将横板(7)、SMA连接板和钢梁压紧。
5.如权利要求1所述的基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，其特征在于，所述SMA连接板为SMA骨形连接板(9)，所述SMA连接板与钢梁的接触面成形有粗糙层。
6.如权利要求5所述的基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，其特征在于，所述粗糙层通过SMA连接板表面刻槽(9-5)形成。
7.如权利要求1所述的基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，其特征在于，所述钢梁端部焊接固定有与钢柱翼缘(1)配合的端板；端板通过螺栓与工字形钢柱翼缘(1)相连，螺栓的螺杆上配合设置有SMA碟形弹簧(4)。
8.如权利要求7所述的基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点，其特征在于，所述钢柱为工字形钢柱；所述钢梁为工字形钢梁；所述横板(7)一体延伸成形有与钢柱配合的竖板(6)，竖板(6)通过螺栓与钢柱连接；横板(7)与竖板(6)形成L形钢板或T形钢板；所述端板为矩形端板(5)；所述第一螺栓(8-1)、第二螺栓(8-2)、第三螺栓(8-3)和螺栓均为摩擦型高强螺栓；所述工字形钢柱上固定有配合T形钢板的柱加劲肋(2)；所述横板(7)为两个，钢梁处于两个横板(7)之间。
9.一种基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点的组装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在工厂标准化生产钢柱、钢梁、横板(7)、SMA骨形连接板(9)；钢梁翼缘端部自靠近柱端处起沿梁长度方向依次开设U形螺栓孔(12)、长圆螺栓孔(13)和圆形螺栓孔；并且钢梁端部焊接矩形端板(5)；钢柱腹板处焊接加劲肋(2)；
步骤二、将钢梁通过矩形端板(5)和螺栓安装在钢柱的预设位置，并在螺杆上配合安装SMA碟形弹簧(4)；
步骤三、在钢梁上连接SMA骨形连接板(9)，然后在SMA骨形连接板上连接横板(7)；第一螺栓(8-1)穿过横板(7)、SMA骨形连接板(9)的左端连接区(9-1)和U形螺栓孔(12)将横板(7)和SMA骨形连接板(9)连接在一起，并通过对第一螺栓(8-1)施加预紧力将横板(7)、SMA骨形连接板(9)和钢梁压紧；第二螺栓(8-2)穿过横板(7)的延伸段(7-1)、SMA骨形连接板(9)的避让区(9-4)和长圆螺栓孔(13)，同时通过对第二螺栓(8-2)施加预紧力将横板(7)与钢梁连接并将横板(7)、SMA骨形连接板(9)和钢梁压紧；第三螺栓(8-3)穿过SMA骨形连接板(9)的右端连接区(9-2)和钢梁将SMA骨形连接板与钢梁连接在一起，通过对第三螺栓(8-3)施加预紧力将SMA骨形连接板和钢梁压紧。
10.如权利要求9所述的基于钢-SMA板组元件的屈曲约束梁柱自复位节点的组装方法，其特征在于，所述钢柱为工字形钢柱；所述钢梁为工字形钢梁。
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