CN110344432A - 一种拼装式损伤可控的钢柱脚 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑工程抗震技术领域，提供了一种拼装式损伤可控的钢柱脚，包括钢基础、锚栓、钢柱底板、消能器和钢柱。在保证外露式钢柱脚承载能力和刚度的前提下，通过设置消能器的方式，提出一种拼装式损伤可控、消能器可迅速更换的外露式钢柱脚。本发明的钢柱脚耗能能力较强，损伤可控，可将损伤控制在消能器等易于修复更换的外露部位，提高柱脚震后修复能力。震后，可以迅速更换消能器，以实现局部快速修复。该柱脚易于施工，地震中耗能能力强，损伤可控，并且具备可快速修复的能力。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程抗震技术领域，具体涉及一种拼装式损伤可控的钢柱脚。
背景技术
柱脚是连接上部结构与基础间的重要节点，其抗震能力严重影响整体建筑结构性能。国内外的震害调查表明，连接节点的承载力和变形能力不足是钢结构遭受震害的主要原因之一。钢柱脚主要有外露式和埋入式两种。由于外露式柱脚具有安装方便、造价低等优点，被广泛应用于中低层建筑中。
然而，已有的统计数据表明，按照现行规范设计外露式钢柱脚，地震荷载下柱脚的变形和耗能主要集中在锚栓，滞回曲线具有明显的捏拢效应，耗能能力差，且地震作用下柱脚损伤严重，无法快速更换修复，柱脚的破坏将降低柱子的转动刚度，从而导致建筑物层间位移过大、发生损伤甚至倒塌，造成巨大的经济损失。
对于现有技术的普通外露式钢柱脚，总结有以下不足。
(1)耗能能力差。大量的地震灾害实例和试验结果表明，外露式钢柱脚的破坏主要集中在锚栓。锚栓破坏时会发生较大变形，柱脚的耗能主要由锚栓提供，柱脚滞回曲线不饱满，具有明显的捏缩特性，不利于耗散地震能量；
(2)柱脚损伤严重，无法快速修复。按现有的设计方法，外露式柱脚的破坏主要集中于锚栓。由于锚栓容易发生较大塑性变形甚至断裂，震后很难在现场进行快速修复，不利于灾后重建工作的顺利进行。多次地震灾害表明，柱脚在地震破坏后，由于锚栓已经完全被拉断，整个柱脚发生了不可修复的破坏，造成了巨大的经济损失。
(3)无法满足基于“韧性”防灾需求。现有的外露式钢柱脚设计只以生命安全为抗震设计目标是远远不够的，柱脚震后的功能可恢复性同等重要。现有的外露式钢柱脚无法满足“韧性”防灾与“可恢复功能结构”的抗震需求。
针对外露式柱脚锚栓的破坏特点及不可恢复性，采用布置消能器的方式提高外露式柱脚耗能能力，将柱脚的变形和损伤控制在目标区域、进而使柱脚具备震后快速修复的性能，是目前柱脚设计方法研究的重点和目标。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一震损可控的钢柱脚。其基本原理是在保证外露式钢柱脚承载能力和刚度的前提下，通过设置消能器的方式，提出一种拼装式损伤可控、消能器可迅速更换的外露式钢柱脚设计方案。
本发明的技术方案：
一种拼装式损伤可控的钢柱脚，包括钢柱1、钢基础6和消能器；
钢基础6作为钢柱脚的基础，位于最下方；
钢柱1主要由两块钢柱翼缘、一块中间钢柱腹板和一块钢柱底板2组成，两块钢柱翼缘和一块中间钢柱腹板构成“工”字型结构，两块钢柱翼缘相互平行，钢柱腹板与钢柱翼缘垂直连接，钢柱底板2与两块钢柱翼缘一端固定为一体结构；钢柱1通过其底部的钢柱底板2与锚栓3配合，垂直固定在钢基础6上；
第一种消能器，为剪切型消能器4：其为开有孔道的方形板，孔道为长条形且与钢柱1垂直；该剪切型消能器4一端通过固定板垂直固定在钢柱翼缘表面，另一端通过固定在钢基础6上表面的固定板固定；剪切型消能器4中心对称分布于钢柱翼缘两侧。
第二种消能器，为拉压型消能器7：为两侧中部开有凹槽的方形板，其中心对称分布于钢柱翼缘两侧。在拉压型消能器7的中间段部分进行了削弱，将拉压型消能器7的变形耗能控制在削弱部分，同时在拉压型消能器7的焊接处布置有加劲肋，防止拉压型消能器7在焊接处发生破坏。
第三种消能器，为隅撑型消能器8：其为开有孔道的梯形板，通过固定板和高强螺栓5配合，两腰分别固定在钢基础6的上表面和钢柱翼缘的外表面；隅撑型消能器8中心对称分布于钢柱翼缘两侧。在隅撑型消能器8上进行了开孔削弱，将隅撑型消能器8的变形耗能控制在削弱部分。
所述的消能器根据受力变形特点，其屈服强度小于或等于钢柱1、钢基础6及锚栓3的屈服强度，保证在小震作用下消能器优先变形耗能中，将柱脚损伤控制在消能器。
所述的高强螺栓5保证消能器与钢柱1及钢基础6的连接为固结形式，使消能器4参与到变形耗能中去。
所述的锚栓3的锚固长度不小于25d，所述d为锚栓3的直径，保证锚栓3具有足够的锚固长度和变形能力。为保证受力均匀，所述的锚栓3中心对称分布于钢柱腹板两侧。
所述的钢柱1设于钢基础中心。
所述的钢柱1、钢基础6及消能器提前预制。
本发明的工作原理如下：一种拼装式损伤可控的钢柱脚，通过钢柱将结构上方的水平荷载和竖直荷载传递到钢基础。小震或中震作用下，钢柱脚以转动变形为主，钢柱底板沿着钢柱翼缘一侧转动，锚栓产生变形伸长，可参与到地震耗能中；同时，钢柱翼缘另一侧由于柱脚转动发生抬升，带动消能器产生变形，使消能器参与到地震耗能中。消能器的变形受力以剪切变形为主。
由于消能器受力变形，通过设置消能器可著提高柱脚的耗能能力。在大震作用下，锚栓容易发生突然断裂，但消能器依然可以继续受力变形，从而避免建筑物直接发生倒塌。
本发明的有益效果：本发明耗能能力较强，损伤可控，可将损伤控制在消能器等易于修复更换的外露部位，提高柱脚震后修复能力。震后，可以迅速更换消能器，以实现局部快速修复。该柱脚易于施工，地震中耗能能力强，损伤可控，并且具备可快速修复的能力。
附图说明
图1是震损可控的剪切型钢柱脚的示意图；
图2是震损可控的剪切型钢柱脚的主视图；
图3是震损可控的剪切型钢柱脚消能器示意图；
图4是利用有限元模拟分析得到的震损可控的剪切型钢柱脚在恒定轴力、往复水平作用力下得到的柱脚受弯承载力-底板转角的滞回曲线；
图5是震损可控的拉压型钢柱脚的示意图；
图6是震损可控的拉压型钢柱脚的主视图；
图7是震损可控的拉压型钢柱脚消能器示意图；
图8是利用有限元模拟分析得到的震损可控的拉压型钢柱脚在恒定轴力、往复水平作用力下得到的柱脚受弯承载力-底板转角的滞回曲线；
图9是震损可控的隅撑型钢柱脚的示意图；
图10是震损可控的隅撑型钢柱脚的主视图；
图11是震损可控的隅撑型钢柱脚消能器示意图；
图12是利用有限元模拟分析得到的震损可控的隅撑型钢柱脚在恒定轴力、往复水平作用力下得到的柱脚受弯承载力-底板转角的滞回曲线。
图中：1钢柱；2钢柱底板；3锚栓；4剪切型消能器；5高强螺栓；6钢基础；7拉压型消能器；8隅撑型消能器。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
一种拼装式损伤可控的剪切型钢柱脚，包括钢基础6、锚栓3、剪切型消能器4和钢柱1，钢基础6和钢柱1底板设有开孔，锚栓3穿过钢基础6和钢柱底板2的开孔并将钢基础6和钢柱1相连接。钢基础6及钢柱1翼缘根据剪切型消能器4尺寸同样设有开孔，剪切型消能器4与钢基础6及钢柱1翼缘通过高强螺栓5相连接；所述锚栓3的锚固长度不小于25d，所述d为锚栓的直径，保证锚栓3具有足够的锚固长度和变形能力，所述剪切型消能器4的屈服强度小于或等于钢柱1、钢基础6及锚栓3的屈服强度，可以保证在小震作用下剪切型消能器4优先变形耗能中，将柱脚损伤控制在剪切型消能器4部分，所述剪切型消能器4与钢柱1及钢基础6连接时具有足够的高强螺栓5，保证剪切型消能器4与钢柱1及钢基础6的连接为固结形式，使剪切型消能器4参与到变形耗能中去，所述剪切型消能器4由连接钢板和消能器焊接而成。消能器中间设有条形开孔，开孔形式为长条形，开孔方向垂直于钢柱，消能器通过与钢板焊接连接在钢柱和基础梁上。
一种拼装式损伤可控的剪切型钢柱脚的施工方法，包括如下步骤：
A.将钢柱底板2和钢柱1焊接为整体；
B.根据锚栓3和剪切型消能器4的开孔连接位置，在钢柱1和钢基础6的对应位置开孔；
C.锚栓3穿过钢柱底板2和钢基础6的开孔，将钢柱1和钢基础6连接为整体；
D.将剪切型消能器4通过高强螺栓5与钢柱1、钢基础6连接。
该剪切型钢柱脚可通过钢柱1将结构上方的水平荷载和竖直荷载传递到钢基础6。小震或中震作用下，剪切型钢柱脚以转动变形为主，钢柱1底板沿着钢柱1翼缘一侧转动，锚栓3产生变形伸长，可参与到地震耗能中；同时，钢柱1翼缘另一侧由于柱脚转动发生抬升，带动剪切型消能器4产生变形，使剪切型消能器4参与到地震耗能。所述剪切型消能器4变形受力以剪切变形为主。
由于剪切型消能器4的受力变形，通过设置剪切型消能器4可著提高柱脚的耗能能力。在大震作用下，锚栓3容易发生突然断裂，但剪切型消能器4依然可以继续受力变形，从而避免建筑物直接发生倒塌。
实施例2
一种拼装式损伤可控的拉压型钢柱脚，包括钢基础6、锚栓3、拉压型消能器7和钢柱1，钢基础6和钢柱1底板设有开孔，锚栓3穿过钢基础6和钢柱底板2的开孔并将钢基础6和钢柱1相连接。钢基础6及钢柱1翼缘根据拉压型消能器7尺寸同样设有开孔，拉压型消能器7与钢基础6及钢柱1翼缘通过高强螺栓5相连接；所述锚栓3的锚固长度不小于25d，所述d为锚栓的直径，保证锚栓3具有足够的锚固长度和变形能力，所述拉压型消能器7的屈服强度小于或等于钢柱1、钢基础6及锚栓3的屈服强度，可以保证在小震作用下拉压型消能器7优先变形耗能中，将柱脚损伤控制在拉压型消能器7部分，所述拉压型消能器7与钢柱1及钢基础6连接时具有足够的高强螺栓5，保证拉压型消能器7与钢柱1及钢基础6的连接为固结形式，使拉压型消能器7参与到变形耗能中去，所述拉压型消能器7由连接钢板和消能器焊接而成。在消能器的中间段部分进行了削弱，将消能器的变形耗能控制在削弱部分，同时在消能器和连接钢板焊接处布置有加劲肋，防止消能器在焊接处发生破坏。
一种拼装式损伤可控的拉压型钢柱脚的施工方法，包括如下步骤：
A.将钢柱底板和钢柱焊接为整体；
B.根据锚栓和拉压型消能器的开孔连接位置，在钢柱和钢基础的对应位置开孔；
C.锚栓穿过钢柱底板和钢基础的开孔，将钢柱和钢基础连接为整体；
D.将拉压型消能器通过高强螺栓与钢柱、钢基础连接。
该拉压型钢柱脚可通过钢柱1将结构上方的水平荷载和竖直荷载传递到钢基础6。小震或中震作用下，拉压型钢柱脚以转动变形为主，钢柱1底板沿着钢柱1翼缘一侧转动，锚栓3产生变形伸长，可参与到地震耗能中；同时，钢柱1翼缘另一侧由于柱脚转动发生抬升，带动拉压型消能器7产生变形，使拉压型消能器7参与到地震耗能。所述拉压型消能器7变形受力以拉压变形为主。
由于拉压型消能器7的受力变形，通过设置拉压型消能器7可著提高柱脚的耗能能力。在大震作用下，锚栓3容易发生突然断裂，但拉压型消能器7依然可以继续受力变形，从而避免建筑物直接发生倒塌。
实施例3
一种拼装式损伤可控的隅撑型钢柱脚，包括钢基础6、锚栓3、隅撑型消能器8和钢柱1，钢基础6和钢柱1底板设有开孔，锚栓3穿过钢基础6和钢柱底板2的开孔并将钢基础6和钢柱1相连接。钢基础6及钢柱1翼缘根据隅撑型消能器8尺寸同样设有开孔，隅撑型消能器8与钢基础6及钢柱1翼缘通过高强螺栓5相连接；所述锚栓3的锚固长度不小于25d，所述d为锚栓的直径，保证锚栓3具有足够的锚固长度和变形能力，所述隅撑型消能器8的屈服强度小于或等于钢柱1、钢基础6及锚栓3的屈服强度，可以保证在小震作用下隅撑型消能器8优先变形耗能中，将柱脚损伤控制在隅撑型消能器8部分，所述隅撑型消能器8与钢柱1及钢基础6连接时具有足够的高强螺栓5，保证隅撑型消能器8与钢柱1及钢基础6的连接为固结形式，使隅撑型消能器8参与到变形耗能中去，所述隅撑型消能器8由连接钢板和消能器焊接而成。消能器的中间段部分进行了开孔削弱，将消能器的变形耗能控制在削弱部分。
一种拼装式损伤可控的隅撑型钢柱脚的施工方法，包括如下步骤：
A.将钢柱底板和钢柱焊接为整体；
B.根据锚栓和隅撑型消能器的开孔连接位置，在钢柱和钢基础的对应位置开孔；
C.锚栓穿过钢柱底板和钢基础的开孔，将钢柱和钢基础连接为整体；
D.将隅撑型消能器通过高强螺栓与钢柱、钢基础连接。
该隅撑型钢柱脚可通过钢柱1将结构上方的水平荷载和竖直荷载传递到钢基础6。小震或中震作用下，隅撑型钢柱脚以转动变形为主，钢柱1底板沿着钢柱1翼缘一侧转动，锚栓3产生变形伸长，可参与到地震耗能中；同时，钢柱1翼缘另一侧由于柱脚转动发生抬升，带动隅撑型消能器8产生变形，使隅撑型消能器8参与到地震耗能。所述隅撑型消能器8变形受力以拉压变形为主。
由于隅撑型消能器8的受力变形，通过设置隅撑型消能器8可著提高柱脚的耗能能力。在大震作用下，锚栓3容易发生突然断裂，但隅撑型消能器8依然可以继续受力变形，从而避免建筑物直接发生倒塌。
Claims (8)
1.一种拼装式损伤可控的钢柱脚，其特征在于，该钢柱脚包括钢柱(1)、钢基础(6)和消能器；
钢基础(6)作为钢柱脚的基础，位于最下方；
钢柱(1)主要由两块钢柱翼缘、一块中间钢柱腹板和一块钢柱底板(2)组成，两块钢柱翼缘和一块中间钢柱腹板构成“工”字型结构，两块钢柱翼缘相互平行，钢柱腹板与钢柱翼缘垂直连接，钢柱底板(2)与两块钢柱翼缘一端固定为一体结构；钢柱(1)通过其底部的钢柱底板(2)与锚栓(3)配合，垂直固定在钢基础(6)上；
第一种消能器，为剪切型消能器(4)：其为开有孔道的方形板，孔道为长条形且与钢柱(1)垂直；该剪切型消能器(4)一端通过固定板垂直固定在钢柱翼缘表面，另一端通过固定在钢基础(6)上表面的固定板固定；剪切型消能器(4)中心对称分布于钢柱翼缘两侧；
第二种消能器，为拉压型消能器(7)：为两侧中部开有凹槽的方形板，其中心对称分布于钢柱翼缘两侧；
第三种消能器，为隅撑型消能器(8)：其为开有孔道的梯形板，通过固定板和高强螺栓(5)配合，两腰分别固定在钢基础(6)的上表面和钢柱翼缘的外表面；隅撑型消能器(8)中心对称分布于钢柱翼缘两侧。
2.根据权利要求1所述的钢柱脚，其特征在于，所述的消能器根据受力变形特点，其屈服强度小于或等于钢柱(1)、钢基础(6)及锚栓(3)的屈服强度，保证在小震作用下消能器优先变形耗能中，将柱脚损伤控制在消能器。
3.根据权利要求1或2所述的钢柱脚，其特征在于，所述的锚栓(3)的锚固长度不小于25d，所述d为锚栓(3)的直径，保证锚栓(3)具有足够的锚固长度和变形能力；为保证受力均匀，所述的锚栓(3)中心对称分布于钢柱腹板两侧。
4.根据权利要求1或2所述的钢柱脚，其特征在于，所述的钢柱(1)设于钢基础中心。
5.根据权利要求3所述的钢柱脚，其特征在于，所述的钢柱(1)设于钢基础中心。
6.根据权利要求1、2或5所述的钢柱脚，其特征在于，所述的钢柱(1)、钢基础(6)及消能器提前预制。
7.根据权利要求3所述的钢柱脚，其特征在于，所述的钢柱(1)、钢基础(6)及消能器提前预制。
8.根据权利要求4所述的钢柱脚，其特征在于，所述的钢柱(1)、钢基础(6)及消能器提前预制。
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