CN111519967A - 一种无损伤sma自复位钢框架节点 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无损伤SMA自复位钢框架节点，主要包括钢柱、钢梁、剪力板、角钢和SMA屈曲约束阻尼器；本发明与传统钢结构中使用的节点相比，节点的转动能力取决于SMA芯棒的变形能力而不是钢材的变形能力。而与钢材相比，SMA具有更好的变形能力，所以该节点具有更好的延性。本发明利用SMA材料本身具有的超弹性实现节点的自复位。当地震来临，节点发生转动时，地震荷载产生的弯矩由SMA屈曲约束阻尼器和剪力板共同承担。防止地震荷载产生的弯矩由梁柱本身来承载，实现重要构件的无损伤。与传统节点相比，减小了地震所造成的损失。

Description

一种无损伤SMA自复位钢框架节点
技术领域
本发明涉及一种无损伤SMA自复位钢框架节点，本发明属于土木工程的钢结构技术领域。
背景技术
在美国的北岭地震和日本的阪神地震中，钢框架结构发生的震害引起了学者们的注意。即使受损结构没有倒塌，但是过大的残余变形也会造成无法修复，只能拆除重建，造成了巨大的经济损失。自复位结构日益受到了地震工程界的广泛关注。自复位结构系指在地震作用下展示非线性行为进行耗能，且在震后不依赖外界力量而能够自发地完全回复到初始位置的结构。和传统结构相比，自复位结构的最显著特征是震后的残余变形极小甚至为零。这一特征最大化的提升了结构主体在震后继续使用的可能性。
为了实现节点的自复位常常采用预应力技术。通过施加在钢筋或钢绞线上的预应力实现自复位。但是这种节点还存在一些问题，如：预应力筋的张拉程度不易控制、预应力的应力损失和松弛问题、施工较为复杂等。为了解决这一问题，本发明提出的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，既可以避免使用预应力技术带来的各种缺点，又可以实现节点的自复位，重要构件的无损伤，SMA指形状记忆合金。
发明内容
当钢结构建筑受到地震荷载时，钢结构节点处往往会因为过大的残余变形而导致永久的损害。为了实现节点的无损伤、自复位能力，避免梁柱等重要构件的破坏，降低地震后的维修成本，同时使节点具有良好的延性和耗能能力，本发明提出了一种新型的钢结构节点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种无损伤SMA自复位钢框架节点，主要包括钢柱(1)、钢梁(2)、剪力板(3)、角钢(6)和SMA屈曲约束阻尼器(10)；剪力板(3)与钢柱(1)的翼缘焊接连接；剪力板(3)通过高强螺栓与钢梁(2)的腹板连接；在钢梁(2)上下两侧各对称安装两个SMA屈曲约束阻尼器(10)，当梁柱之间发生转角，一侧的SMA屈曲约束阻尼器(10)受拉，另一侧SMA屈曲约束阻尼器(10)则受压；SMA屈曲约束阻尼器(10)通过SMA芯棒(14)两侧螺纹连接至角钢(6)和连接板(9)。
进一步地，钢梁(2)的上下翼缘处均开有螺栓孔，角钢(6)通过螺栓连接至钢梁(2)的翼缘处。
进一步地，钢梁(2)靠近柱(1)的一端留有20mm缝隙，防止转动时梁(2)直接碰撞柱(1)翼缘，造成损伤。
进一步地，角钢(6)上焊有加劲板(7)，避免角钢(6)受弯发生塑性变形。钢柱(1)和钢梁(2)的腹板两侧上均焊有第一加劲肋(11)、第二加劲肋(12)，防止钢梁(2)的腹板局部受力过大而产生局部屈曲。
进一步地，耳板(8)通过焊接与钢柱(1)翼缘连接。
进一步地，耳板(8)与连接板(9)螺栓连接。
进一步地，连接板(9)一侧加工有内螺纹。
进一步地，剪力板上加工有螺栓孔(5)作为节点的转动中心。螺栓孔(5)上下两侧对称加工有槽孔(4)，使穿过槽孔(4)的高强螺栓抵抗垂直方向剪力的同时允许梁柱之间发生转动。剪力板(3)通过穿过槽孔(4)和螺栓孔(5)的高强螺栓与钢梁(2)腹板连接。使用高强螺栓，不仅可以增强节点的抗剪能力，而且利用高强螺栓预紧力带来的摩擦力来实现节点转动时额外的耗能。
进一步地，SMA屈曲约束阻尼器(10)由屈曲约束套板(13)、SMA芯棒(14)和无粘结材料(16)组成。屈曲约束套板(13)为两块，且每块屈曲约束套板(13)上加工有螺栓孔，两块屈曲约束套板(13)通过螺栓连接。由于SMA材料的特殊性质，焊接产生的高温会影响材料的力学性能，在SMA芯棒(14)两端加工有外螺纹。因为加工外螺纹相当于对截面进行了削弱，所以SMA芯棒(14)中间部分需要加工出一段较小截面尺寸的工作段，以保证当SMA屈曲约束阻尼器(10)受力时，工作段发生变形，而不是外螺纹处率先破坏。屈曲约束套板(13)与SMA芯棒(14)之间留有间隙，中间填充有无粘结材料(16)，无粘结材料(16)为PVC薄板等，减少SMA芯棒(14)和屈曲约束套板(13)之间的摩擦力。屈曲约束套板(13)两端各留出长度为Δmax/2的变形空间(15)，Δmax为SMA芯棒(14)设计时所允许的最大变形量，当SMA屈曲约束阻尼器(10)受压时，保证SMA芯棒(14)有足够地空间产生轴向压缩变形。当阻尼器受压时，屈曲约束套板(13)会阻止SMA芯棒(14)产生屈曲，有效防止承载力因为屈曲而降低，让SMA芯棒(14)既可受拉又可受压，充分利用了材料。当节点受到地震荷载，梁柱之间发生相对转动时，剪力板(3)上的螺栓孔(5)成为节点的转动中心。SMA材料具有超弹性，即产生较大变形后可以恢复到原状，没有或只有微小的残余应变。SMA屈曲约束阻尼器(10)中的SMA芯棒(14)发生变形从而产生抵抗弯矩并耗能，而当地震荷载结束之后，SMA芯棒(14)由于材料自身的超弹性将恢复原状，从而实现了节点的自复位。同时，SMA材料具有良好的变形能力，可恢复的应变值可达到8％，使节点具有良好的延性。节点绝大部分的弯矩由SMA屈曲约束阻尼器(10)的反力和剪力板(3)处的摩擦力抵抗，使得在转动过程中钢梁(2)和钢柱(1)均处于弹性阶段，不产生塑性破坏。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1.本发明与传统钢结构中使用的节点相比，节点的转动能力取决于SMA芯棒(14)的变形能力而不是钢材的变形能力。而与钢材相比，SMA具有更好的变形能力，所以该节点具有更好的延性。
2.本发明利用SMA材料本身具有的超弹性实现节点的自复位。当地震来临，节点发生转动时，地震荷载产生的弯矩由SMA屈曲约束阻尼器(10)和剪力板(3)共同承担。防止地震荷载产生的弯矩由梁柱本身来承载，实现重要构件的无损伤。与传统节点相比，减小了地震所造成的损失。
3.本发明在钢梁(2)上下两侧对称布置SMA屈曲约束阻尼器(10)，克服了SMA屈曲约束阻尼器(10)拉压力学性能不一致的缺点，使节点具有对称的力学行为。
4.本发明在SMA芯棒(14)外面安装屈曲约束套板(13)，组成SMA屈曲约束阻尼器(10)，可以避免SMA芯棒(14)在受压时由于屈曲而过快丧失承载力。SMA屈曲约束阻尼器(10)既可受压又可受拉，充分发挥利用了SMA材料的性能。
5.本发明利用剪力板(3)和该处的高强螺栓为节点提供了充足的抗剪能力，保证节点的安全，由高强螺栓预紧力引起的钢梁(2)腹板和剪力板(3)之间的摩擦力为节点提供了额外的耗能能力。
6.本发明剪力板(3)处开有螺栓孔(5)和槽孔(4)，当节点绕螺栓孔(5)转动时，槽孔(4)处的高强螺栓将沿槽孔(4)滑动，抗剪的同时允许节点发生转动。
7.本发明无需施加预应力，焊接部分少，与预应力自复位节点相比，施工安装较为简便。
8.本发明中主要受力构件SMA屈曲约束阻尼器(10)两端均为螺栓连接，便于震后的维修和更换。
9.该发明节点用于钢框架结构中。梁的上下两侧对称布置SMA屈曲约束阻尼器。SMA屈曲约束阻尼器能充分发挥SMA的性能，使SMA既可以受拉也可以受压。剪力板通过高强螺栓与梁腹板连接，剪力板上开有螺栓孔和槽孔，穿过槽孔的高强螺栓在抗剪的同时可以允许梁绕剪力板上的螺栓孔转动。当梁柱之间发生相对转角，弯矩由SMA屈曲约束阻尼器的反力和剪力板处的摩擦力共同承担，避免梁和柱受力过大产生塑性变形，造成难以修复的损害。剪力板和高强螺栓为节点提供了充足的抗剪能力，保证节点的安全。本身具有耗能能力的SMA实现节点的自复位性能。高强螺栓的预紧力使得节点转动时剪力板与梁腹板之间产生摩擦力，为节点提供额外的耗能能力。对称布置的SMA屈曲约束阻尼器，可以实现节点对称的力学行为，克服了SMA屈曲约束阻尼器拉压力学性能不一致的缺点，避免因节点力学行为不对称给结构设计方面带来的不便。
附图说明
图1无损伤SMA自复位钢框架节点构造示意图。
图2SMA屈曲约束阻尼器示意图。
图3SMA屈曲约束阻尼器内部示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1-2所示，一种无损伤SMA自复位钢框架节点，该节点的实现方式如下：钢梁、钢柱、梁柱腹板上的加劲肋、钢梁上下翼缘螺栓孔、角钢、角钢上的加劲肋以及螺栓孔、剪力板、剪力板上的螺栓孔和槽孔、连接板、耳板、屈曲约束套板、SMA芯棒的工作段和两端外螺纹等均在工厂预制而成，而后运输至施工现场。首先将剪力板(3)、上下两侧耳板(8)焊接至柱翼缘。之后用高强螺栓，通过剪力板(3)将钢梁(2)、钢柱(1)连接在一起，并完成高强螺栓的初拧和终拧，使预紧力达到设计值。将角钢(6)螺栓连接至钢梁(2)翼缘。将连接板(9)螺栓连接至耳板(8)。
将作为无粘结材料(16)的PVC薄板包裹至SMA芯棒(14)的工作段，之后再将上下两块屈曲约束套板(13)安装至SMA芯棒(14)外侧，压紧PVC薄板。两块屈曲约束套板(13)之间通过螺栓连接。之后利用SMA芯棒(14)两侧的外螺纹，将SMA屈曲约束阻尼器(10)两端分别与连接板(9)和角钢(6)螺栓连接。

Claims (10)

1.一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：包括钢柱(1)、钢梁(2)、剪力板(3)、角钢(6)和SMA屈曲约束阻尼器(10)；剪力板(3)与钢柱(1)的翼缘焊接连接；剪力板(3)通过高强螺栓与钢梁(2)的腹板连接；在钢梁(2)上下两侧各对称安装两个SMA屈曲约束阻尼器(10)，当梁柱之间发生转角，一侧的SMA屈曲约束阻尼器(10)受拉，另一侧SMA屈曲约束阻尼器(10)则受压；SMA屈曲约束阻尼器(10)通过SMA芯棒(14)两侧螺纹连接至角钢(6)和连接板(9)。
2.根据权利要求1所所述的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：钢梁(2)的上下翼缘处均开有螺栓孔，角钢(6)通过螺栓连接至钢梁(2)的翼缘处。
3.根据权利要求1所所述的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：钢梁(2)靠近柱(1)的一端留有20mm缝隙，防止转动时梁(2)直接碰撞柱(1)翼缘，造成损伤。
4.根据权利要求1所所述的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：角钢(6)上焊有加劲板(7)，避免角钢(6)受弯发生塑性变形。钢柱(1)和钢梁(2)的腹板两侧上均焊有第一加劲肋(11)、第二加劲肋(12)，防止钢梁(2)的腹板局部受力过大而产生局部屈曲。
5.根据权利要求1所所述的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：耳板(8)通过焊接与钢柱(1)翼缘连接。
6.根据权利要求1所所述的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：耳板(8)与连接板(9)螺栓连接。
7.根据权利要求1所所述的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：连接板(9)一侧加工有内螺纹。
8.根据权利要求1所所述的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：剪力板上加工有螺栓孔(5)作为节点的转动中心。螺栓孔(5)上下两侧对称加工有槽孔(4)，使穿过槽孔(4)的高强螺栓抵抗垂直方向剪力的同时允许梁柱之间发生转动。剪力板(3)通过穿过槽孔(4)和螺栓孔(5)的高强螺栓与钢梁(2)腹板连接。使用高强螺栓，不仅可以增强节点的抗剪能力，而且利用高强螺栓预紧力带来的摩擦力来实现节点转动时额外的耗能。
9.根据权利要求1所所述的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：SMA屈曲约束阻尼器(10)由屈曲约束套板(13)、SMA芯棒(14)和无粘结材料(16)组成。屈曲约束套板(13)为两块，且每块屈曲约束套板(13)上加工有螺栓孔，两块屈曲约束套板(13)通过螺栓连接。在SMA芯棒(14)两端加工有外螺纹。屈曲约束套板(13)与SMA芯棒(14)之间留有间隙，中间填充有无粘结材料(16)，无粘结材料(16)为PVC薄板，减少SMA芯棒(14)和屈曲约束套板(13)之间的摩擦力。屈曲约束套板(13)两端各留出长度为Δmax/2的变形空间(15)，Δmax为SMA芯棒(14)设计时所允许的最大变形量，当SMA屈曲约束阻尼器(10)受压时，保证SMA芯棒(14)有足够地空间产生轴向压缩变形。
10.根据权利要求1所所述的一种无损伤SMA自复位钢框架节点，其特征在于：当阻尼器受压时，屈曲约束套板(13)会阻止SMA芯棒(14)产生屈曲。当节点受到地震荷载，剪力板(3)上的螺栓孔(5)成为节点的转动中心。SMA屈曲约束阻尼器(10)中的SMA芯棒(14)发生变形从而产生抵抗弯矩并耗能，而当地震荷载结束之后，SMA芯棒(14)由于材料自身的超弹性将恢复原状，从而实现了节点的自复位。
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