CN110777960A - 一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构及方法 - Google Patents

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赵嘉华
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Abstract

本发明公开了一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构及连接方法，通过在预制柱内预埋第一连接件，在预制梁内的预埋第二连接件，将预制柱两侧分别通过一个第一连接件与预制梁上的第二连接件固定连接，形成摩擦耗能装置，然后将预制柱两侧的第二连接件通过记忆合金棒固定连接，预制梁节点如果遇到突发荷载时，预制柱两侧第一连接件和第二连接件组成的摩擦耗能装置相对滑动摩擦而消耗大量能量，卸载后，记忆合金棒带动预制柱两侧第一连接件和第二连接件组成的摩擦耗能装置恢复至原始状态而不留残余变形，本节点的连接配件制造简单，方便工厂式量化生产，施工方便，能迅速完成预制装配建筑中梁和柱的连接，缩短工期，降低时间成本，节约工程造价。

Description

一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构及方法
技术领域
本发明设计土木工程中连接结构工程领域，具体涉及一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构及方法。
背景技术
装配式建筑产业整体不断完善并已经得到广泛的应用，但目前在实际装配式混凝土结构与现浇混凝土结构相比，存在整体性差、抗震性能差等系列问题。
装配式混凝土结构中最为重要的就是梁柱节点的处理，在地震作用下，节点的破坏可能导致整个结构的连续倒塌。目前，已有的装配式梁柱节点连接形式可分为两大类：一类是预制混凝土柱与预制混凝土梁的后浇法连接，该方法先以节点处梁柱纵筋的交叉配合，在构件吊装就位后再浇筑混凝土，从而达到连接目的；第二类是钢管混凝土柱与预制混凝土梁的连接，主要包括以加强环式节点、环梁节点、钢筋环绕式节点等为代表的非穿心节点和以牛腿穿心节点、钢筋贯穿式节点、十字板式节点等为代表的穿心式节点。
上述前两类节点构造复杂，浇筑困难，且存在柱的局部破坏使得承载力降低的缺点。除此之外，上述节点类型均存在自复位能力差，在地震作用后均会产生较大残余变形，影响结构的继续使用，或修复造价昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构及方法，以克服现有连接节点构造复杂、浇筑困难和柱的局部破坏使得承载力降低的缺点，能够有效提高节点的耗能效果和结构的抗震性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，包括记忆合金棒、一端预埋于预制柱内的第一连接件和一端预埋于预制梁内的第二连接件，第二连接件另一端设有沿第二连接件长度方向设置的凹槽，且第二连接件上开设有螺栓孔，第一连接件上设有摩擦限位孔，预制柱两端分别设有一个第一连接件，预制柱两侧分别通过一个第一连接件与预制梁上的第二连接件固定连接，第一连接件的另一端置于第二连接件的凹槽内，第一连接件与第二连接件通过螺栓组紧固连接，预制柱两侧的第二连接件通过记忆合金棒固定连接。
进一步的，第一连接件与第二连接件的凹槽内壁之间设有摩擦层。
进一步的，第二连接件的另一端外壁设有锚板，记忆合金棒两端分别与两个第二连接件上的锚板固定连接。
进一步的，记忆合金棒的一端设有连接螺纹，记忆合金棒的一端通过螺母与锚板固定连接，锚板上设有通孔，记忆合金棒的一端穿过锚板的通孔通过螺母紧固。
进一步的，摩擦限位孔的宽度大于螺栓组直径，固定连接初始位置时，螺栓组位于摩擦限位孔中间位置。
进一步的，螺栓孔轴线垂直于第二连接件上凹槽所在平面，所述预制柱采用预制混凝土柱，所述预制梁采用预制混凝土梁。
进一步的，第一连接件与第二连接件之间至少设有四个平行预制柱长度方向的记忆合金棒。
进一步的，第一连接件预埋于预制柱内的一端与第二连接件预埋于预制梁内的一端均设有安装孔，安装孔内设有锚固栓棒。
一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构连接方法，包括以下步骤：
步骤1)、将第一连接件的一端预埋到预制柱中，将第二连接件的一端预埋到预制梁中；
步骤2)、将第一连接件的另一端置于第二连接件的凹槽内，在第一连接件与第二连接件凹槽内部之间设置摩擦层，然后通过螺栓组将第一连接件和第二连接件预紧固定，其中第一连接件上的摩擦限位孔的宽度大于螺栓组直径，螺栓组位于摩擦限位孔中间位置；
步骤3)、最后通过记忆合金棒将预制柱两侧的第二连接件固定连接，即可完成自复位摩擦连接节点结构的连接。
进一步的，步骤2)中，通过螺栓组将第一连接件和第二连接件预紧固定中，螺栓组施加的压力Fn：
Fn＝Fm/(nμ)
Fm为第一连接件和第二连接件相对运动的启动力，
Fm≤1/9fyAs
fy为记忆合金棒最大恢复应力，fyAs为记忆合金棒最大的恢复力，其中n为螺栓组个数，μ为摩擦层与第一连接件和第二连接件之间的摩擦系数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，通过在预制柱内预埋第一连接件，在预制梁内的预埋第二连接件，第二连接件另一端设有沿第二连接件长度方向设置的凹槽，且第二连接件上开设有螺栓孔，第一连接件上设有摩擦限位孔，然后将预制柱两侧分别通过一个第一连接件与预制梁上的第二连接件固定连接，形成摩擦耗能装置，然后将预制柱两侧的第二连接件通过记忆合金棒固定连接，预制梁节点如果遇到突发荷载时，预制柱两侧第一连接件和第二连接件组成的摩擦耗能装置相对滑动摩擦而消耗大量能量，同时预制柱两端第二连接件上的记忆合金棒拉力产生变形进行耗能，卸载后，记忆合金棒会拉动两边的预制梁恢复至起始状态，第一连接件和第二连接件产生相对滑动而消耗大量能量，最后记忆合金棒带动预制柱两侧第一连接件和第二连接件组成的摩擦耗能装置恢复至原始状态而不留残余变形，本连接节点在风荷载、城市地铁震动荷载、桥梁上车辆荷载或小震作用下，亦可发挥作用，可迅速进入工作阶段，进行耗能，减小乃至消除建筑结构的受力后的残余变形。本节点的连接配件制造简单，方便工厂式量化生产，施工方便，能迅速完成预制装配建筑中梁和柱的连接，缩短工期，降低时间成本，节约工程造价。
进一步的，通过螺栓组将第一连接件和第二连接件预紧固定中，对螺栓组施加的压力计算，第一连接件上的摩擦限位孔的宽度大于螺栓组直径，能够确保在受载荷时第一连接件与第二连接件能够相对滑动且配合记忆合金棒恢复，在遭受大的载荷时，记忆合金棒达到最大应力载荷变形，第一连接件与第二连接件刚性接触，能够防止记忆合金棒失效，确保了装置结构的稳定，可恢复性强。
附图说明
图1是本发明节点结构连接俯视图；
图2是本发明节点结构连接正视图；
图3是预制柱中第一连接件正视图；
图4是预制柱中第一连接件俯视图；
图5是预制梁中第二连接件正视图；
图6是预制梁中第二连接件俯视图；
图7是是SMA棒的拉伸试验结果。
图中，1、预制柱；2、预制梁；3、第一连接件；4、第二连接件；5、锚固栓棒；6、SMA棒；7、螺母；8、螺栓组；9、摩擦层；10、锚板；11、摩擦限位孔；12、螺栓通孔。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图来详细解释本发明的实施方式。同时此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1至图2，一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，包括记忆合金棒6、一端预埋于预制柱1内的第一连接件3和一端预埋于预制梁2内的第二连接件4，第二连接件4另一端设有沿第二连接件4长度方向设置的凹槽，且第二连接件4上开设有螺栓孔12，第一连接件3的另一端置于第二连接件4的凹槽内，第一连接件3上设有摩擦限位孔11，第一连接件3与第二连接件4通过螺栓组8紧固连接，第一连接件3与第二连接件4的凹槽内壁之间设有摩擦层9；第二连接件4的另一端外壁设有锚板10，预制柱1左右两端分别设有一个第一连接件3，预制柱1左右两侧分别通过一个第一连接件3与预制梁2上的第二连接件4固定连接，预制柱1两侧的第二连接件4通过记忆合金棒(SMA棒)6固定连接，记忆合金棒(SMA棒)6两端分别与两个第二连接件4上的锚板10固定连接。
摩擦限位孔11的宽度大于螺栓组8直径，具体指摩擦限位孔11在第一连接件3相对第二连接件4运动方向上的宽度大于螺栓组8直径，固定连接初始位置时，螺栓组8位于摩擦限位孔11中间位置，通过紧固螺栓组8，使第二连接件4的凹槽内壁与第一连接件3两侧产生摩擦，从而实现第二连接件4与第一连接件3的摩擦紧固连接。
如图1、图2所示，螺栓孔12轴线垂直于第二连接件4上凹槽所在平面。所述预制柱采用预制混凝土柱，所述预制梁采用预制混凝土梁；
第一连接件3的另一端阵列有九个摩擦限位孔11，用于与第二连接件4连接；第二连接件4的另一端整列有九个螺栓通孔12，第二连接件4的上的螺栓通孔12与第一连接件3上的摩擦限位孔11相对应；第二连接件4的一端预埋于预制梁中，锚板10垂直于第二连接件4的长度方向固定于第二连接件4的另一端外壁；锚板10与第二连接件4焊接或者一体成型。
记忆合金棒6的两端均设有连接螺纹，锚板10上设有通孔，记忆合金棒6的端部穿过锚板10的通孔通过螺母7紧固。
第一连接件3与第二连接件4之间至少设有四个平行预制柱长度方向的记忆合金棒6；第一连接件3预埋于预制柱1内的一端与第二连接件4预埋于预制梁2内的一端均设有安装孔，安装孔内设有锚固栓棒5，通过锚固栓棒5提高第一连接件或第二连接件在预制柱1或预制梁2内的稳定性。
预制柱1两侧的第二连接件4上的锚板10上对应通孔所在直线如果穿过预制柱1，则在预制柱1相应位置开设记忆合金棒通孔，便于记忆合金棒6两端连接预制柱1两侧的第二连接件4。
本发明提供的梁铰式装配式自复位摩擦节点的制作方法及耗能原理：
(1)装配式节点的尺寸设计：根基建筑结构所需耗能能力和恢复力，本发明按照提供500kN的恢复力对梁铰式自复位装配式节点进行尺寸设计，该节点主体外围长度为800mm，宽度为400mm，高度为600mm，选用记忆合金棒6的直径为12mm，记忆合金棒6的长度为2000mm(其中，记忆合金棒6的长度取b1+1200mm，其中b1为柱宽，本发明按照柱宽b1＝800mm设计)。钢材选用65Mn钢(材料性能应满足GB/T 1222-2007)，摩擦层选用压制式无石棉摩擦板TRH3025(还可选用加铅橡胶粘弹性材料等)裁制而成，摩擦层厚度t为5mm。
(2)记忆合金(SMA)棒6的加工处理：如图7所示，根据公式(1)对SMA棒6两端挑丝长度进行计算，螺纹间距及螺纹深度严格按照GB/T15756上相关规定尺寸(根据母材直径进行尺寸选取)进行制作，并取相应尺寸精制六角螺母3(按GB/T 6170标准)，用于锚固SMA棒6，螺母长度ln宜选取lt—20mm，其中根据公式(1)计算。如图4所示，本案例中记忆合金棒4长度为2000mm，两端各套丝长度为60mm，螺母3规格选用M6，长度为40mm。
fuAs＝σt×πds×lt (1)
其中fu为SMA棒的极限抗拉强度，As为所有SMA棒的截面面积，σt为SMA棒螺纹的许用挤压应力，ds为SMA棒的公称直径，lt为最小套丝长度。
(3)如图3至图6，本发明所述节点配件制作过程如下。
如图3和图4，第一连接件制备：在1000mm×600mm方形钢板的预定位置上开三个安装孔和九个摩擦限位孔11安装孔为锚固栓棒孔，安装孔直径为d1+2mm(其中d1为锚固栓棒的直径)，摩擦限位孔11的宽度d3应大于螺栓孔8的直径1mm，摩擦限位孔11的长度l设定为摩擦层9转动耗能时最外排(竖直方向)螺栓的最大滑动距离，摩擦限位孔11长度最小取值为2bx，bx为记忆合金棒6达到其最大可恢复应变时的变形伸长量，具体计算公式按式(2)计算，连接件3制做完成。
bx＝lsεs (2)
其中ls为SMA棒的有效工作长度，εs为SMA棒的最大可恢复应变。
如图5和图6所示，第二连接件制备：在两个1000mm×600mm钢板上的指定位置上分别开九个螺栓通孔12(圆孔)，螺栓通孔12直径为d2+2mm(其中d2为挤压螺栓杆的直径)；在400mm×600mm钢板的指定位置上开三个安装孔，安装孔尺寸d为d1+2mm(其中d1为锚固栓棒的直径)。
(4)如图1和图2所示，本发明所述装配式节点组装过程如下。
a.配件的预埋工作：首先，将第一连接件3预埋到预制柱中，第二连接件4预埋到预制梁中，并且使用锚固栓棒5对连接件在梁柱中进行定位固定，用PVC管预留SMA棒6的孔洞。
b.组装摩擦耗能装置，完成装配式节点的安装：在第一连接件3开孔方向的两个侧表面贴设摩擦层9，此处将摩擦层贴设到第一连接件3上只为在安装过程中摩擦层9不会脱离连接件3，装配式节点工作时，第一连接件3、摩擦层9、第二连接件4三者之间能够相对滑动；也可以根据情况将摩擦层9贴设与第二连接件4的凹槽内表面，摩擦层采用压制式无石棉摩擦板TRH3025裁制而成，摩擦板厚度t为5mm，共四层。贴设完成后，进行装配式节点的安装，将左右两根记忆合金棒6插入预制柱上的圆孔，两端分别与两侧的第二连接件4上的锚板10固定连接，第二连接件3对准第二连接件4的凹槽结构中间部分，将第一连接件3插入第二连接件4的凹槽中，以第一连接件3的九个螺栓通孔分别对应处于第二连接件4的摩擦限位孔11中央为准，然后通过螺栓组8将第二连接件4进行施压固定，形成以第一连接件3和第二连接件4为主的摩擦耗能装置，螺栓组8施加的压力即第二连接件4的凹槽结构与第一连接件3之间的压力Fn根据该装配式节点中所需耗能装置发挥作用的启动力Fm而定，Fm即为第一连接件3和第二连接件4相对运动的启动力；按公式(3)计算；其中摩擦耗能装置的启动力Fm不大于1/9fyAs，fy为记忆合金最大恢复应力，fyAs为记忆合金棒最大的恢复力，可根据使用状态进行计算选取，本发明中摩擦耗能装置启动力为100kN，螺栓施加的压力Fn为10kN：
Fn＝Fm/(nμ) (3)
其中n为螺栓组个数，μ为摩擦层与第一连接件和第二连接件之间的摩擦系数。
挤压螺栓组固定完成后，用螺母7将记忆合金棒6两端分别固定在预制柱两边的第二连接件4的锚板10上，完成自复位装配式节点的组装。
(5)本发明所提供新型装配式自复位摩擦耗能节点的工作过程。
本发明的工作过程如下所示：
预制梁节点一般承受负弯矩，此时，预制柱左边的装配式节点产生逆时针方向的转动，右边的装配式节点产生顺时针方向的转动，第一连接件3、第二连接件4与摩擦层9产生相对滑动摩擦而消耗大量能量，同时预制柱两端连接件4上的锚板10拉动SMA棒6，上侧的SMA棒6受到拉力产生变形进行耗能。由于SMA材料具有超弹性的特性，卸载后，SMA棒会带动预制柱左端的连接件4产生顺时针转动，带动预制柱右端的连接件4产生逆时针转动，即拉动两边的预制梁恢复至起始状态，连接件3、连接件4与摩擦层9亦产生相对滑动而消耗大量能量。最后记忆合金棒6带动装配式节点中的摩擦耗能装置恢复至原始状态基本不留残余变形。在此旋转运动过程中摩擦装置会消耗大量能量，记忆合金棒也会耗散部分能量。
同理，预制梁节点如果遇到突发荷载(如爆炸)承受正弯矩，此时，预制柱左边的装配式节点产生顺时针方向的转动，右边的装配式节点产生逆时针方向的转动，连接件3、连接件4与摩擦层9产生相对滑动摩擦而消耗大量能量，同时预制柱两端连接件4上的锚板10拉动下侧的SMA棒6，SMA棒6受到拉力产生变形进行耗能。由于SMA材料具有超弹性的特性，卸载后，SMA棒会带动预制柱左端的连接件4产生逆时针转动，带动预制柱右端的连接件4产生顺时针转动，即拉动两边的预制梁恢复至起始状态，连接件3、连接件4与摩擦层9亦产生相对滑动而消耗大量能量。最后记忆合金棒6带动装配式节点中的摩擦耗能装置恢复至原始状态而不留残余变形。在此旋转运动过程中摩擦装置会消耗大量能量，记忆合金棒也会耗散部分能量。
在这个来回旋转循环耗能过程中，摩擦耗能装置一直工作，耗散大量地震等输入的能量，大大减小建筑结构或桥梁结构受力构件的能量输入，从而达到保护结构的作用。在装配式节点工作受力过程中，SMA棒6始终承受拉力，能有效利用SMA的材料性能，而不用考虑SMA棒6在受压时平面外变形的问题，还可以根据耗能和自复位要求对SMA棒6的长度进行合理范围内(主要考虑装配式节点中连接件尺寸的影响)随心的增长。且由于SMA材料具有超弹性的特性，如图7所示，耗能结束后，装配式节点几乎无残余变形。高层等建筑结构或桥梁结构中正常使用状态，在风荷载、城市地铁震动荷载、桥梁上车辆荷载或小震作用下，亦可发挥作用，可迅速进入工作阶段，进行耗能，减小乃至消除建筑结构的受力后的残余变形。
本发明提供了一种梁铰式装配式自复位摩擦节点，该节点的连接配件制造简单，方便工厂式量化生产，施工方便，能迅速完成预制装配建筑中梁和柱的连接，缩短工期，降低时间成本，节约工程造价。该SMA自复位装配式节点在风荷载、城市地铁等震动荷载或小震等作用下，可通过合理设置摩擦装置的启动力，使连接装置迅速参与耗能，减小乃至消除节点的受力变形，从而延长结构的使用寿命。在中震、大震或罕遇地震作用下，该SMA自复位装配式节点主要由摩擦力进行大量能量耗散，减小地震中建筑结构受力构件的能量耗散吸收，从而达到保护建筑结构的作用。记忆合金棒的超弹性可实现在受力过程中减小梁柱节点之间的残余变形，从而保护在地震作用中关键构件柱的安全性。新型节点利用摩擦耗能装置进行能量耗散，减少了SMA材料的使用，降低了装配式节点的材料成本。本发明提供的SMA自复位装配式节点变形能力强，可满足一般装配式结构的变形需求。还可根据相关结构需求进行小变形、大变形等不同设计，且可实现变形可控等优良特点。
以上所述的实例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，其特征在于，包括记忆合金棒(6)、一端预埋于预制柱(1)内的第一连接件(3)和一端预埋于预制梁(2)内的第二连接件(4)，第二连接件(4)另一端设有沿第二连接件(4)长度方向设置的凹槽，且第二连接件(4)上开设有螺栓孔(12)，第一连接件(3)上设有摩擦限位孔(11)，预制柱(1)左右两端分别设有一个第一连接件(3)，预制柱(1)左右两侧分别通过一个第一连接件(3)与预制梁(2)上的第二连接件(4)固定连接，第一连接件(3)的另一端置于第二连接件(4)的凹槽内，第一连接件(3)与第二连接件(4)通过螺栓组(8)紧固连接，预制柱(1)两侧的第二连接件(4)通过记忆合金棒(6)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，其特征在于，第一连接件(3)与第二连接件(4)的凹槽内壁之间设有摩擦层(9)，预制柱(1)上下两侧均设有一个记忆合金棒(6)。
3.根据权利要求1所述的一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，其特征在于，第二连接件(4)的另一端外壁设有锚板(10)，记忆合金棒(6)两端分别与两个第二连接件(4)上的锚板(10)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，其特征在于，记忆合金棒(6)的两端均设有连接螺纹，锚板(10)上设有通孔，记忆合金棒(6)的端部穿过锚板(10)的通孔通过螺母(7)紧固。
5.根据权利要求1所述的一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，其特征在于，摩擦限位孔(11)的宽度大于螺栓组(8)直径，固定连接初始位置时，螺栓组(8)位于摩擦限位孔(11)中间位置。
6.根据权利要求1所述的一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，其特征在于，螺栓孔(12)轴线垂直于第二连接件(4)上凹槽所在平面，所述预制柱采用预制混凝土柱，所述预制梁采用预制混凝土梁。
7.根据权利要求1所述的一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，其特征在于，第一连接件(3)与第二连接件(4)之间至少设有四个平行预制柱长度方向的记忆合金棒(6)。
8.根据权利要求1所述的一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构，其特征在于，第一连接件(3)预埋于预制柱(1)内的一端与第二连接件(4)预埋于预制梁(2)内的一端均设有安装孔，安装孔内设有锚固栓棒(5)。
9.一种基于权利要求1所述的连接节点结构的梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、将第一连接件(3)的一端预埋到预制柱(1)中，将第二连接件(4)的一端预埋到预制梁(2)中；
步骤2)、将第一连接件(3)的另一端置于第二连接件(4)的凹槽内，在第一连接件(3)与第二连接件(4)凹槽内部之间设置摩擦层(9)，然后通过螺栓组(8)将第一连接件(3)和第二连接件(4)预紧固定，其中第一连接件(3)上的摩擦限位孔(11)的宽度大于螺栓组(8)直径，螺栓组(8)位于摩擦限位孔(11)中间位置；
步骤3)、最后通过记忆合金棒(6)将预制柱(1)两侧的第二连接件(4)固定连接，即可完成自复位摩擦连接节点结构的连接。
10.根据权利要求9所述的一种梁铰装配式自复位摩擦连接节点结构的连接方法，其特征在于，步骤2)中，通过螺栓组(8)将第一连接件(3)和第二连接件(4)预紧固定中，螺栓组(8)施加的压力Fn：
Fn＝Fm/(nμ)
Fm为第一连接件(3)和第二连接件(4)相对运动的启动力，
Fm≤1/9fyAs
fy为记忆合金棒最大恢复应力，fyAs为记忆合金棒最大的恢复力，其中n为螺栓组个数，μ为摩擦层与第一连接件和第二连接件之间的摩擦系数。
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