CN111851757B - 带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点 - Google Patents

带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点，包括钢柱钢梁、金属圆棒阻尼器、角钢、腹板连接件、T形连接件及辅助配件。通过钢梁下翼缘与左侧T形连接件、钢梁腹板与腹板连接件之间发生相对的移动，继而产生摩檫力，进行减震；并结合离转动中心较远的金属圆棒消能阻尼器进一步耗散地震能力，达到减震效果。本发明在不过多占用梁的下部空间的同时，增大了节点的转动能力，减少梁端内力；利用板件界面之间的摩擦与阻尼器的金属塑性变形来消耗地震能量，减轻结构地震反应，震后只需更换角钢与金属圆棒消能阻尼器即可恢复结构功能，具有非常好的震后修复性。

Description

带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点
技术领域
本发明属于土木工程结构工程技术领域，具体涉及到一种建筑钢结构梁柱连接节点。
背景技术
1994年的北岭地震及1995年的阪神地震灾后研究表明，传统的钢框架梁柱焊接节点在地震中发生了严重的脆性破坏，给人民生命财产带来巨大损失；从此以后，各国科研工作者开始研究抗震性能良好的钢结构梁柱连接节点。实际工程上采用的主流方法是塑性铰外移法，即通过加强节点承载力或削减节点区域附近的梁截面抗弯承载力，塑性铰首先发生在梁上而不是节点上，从而有效避免节点脆性断裂。这种方法虽然能有效保证强柱弱梁、强节点弱构件这一设计原则，但是承担竖向荷载的框架梁在地震作用下会破坏，震后修复性差。此外依靠削减梁截面的方法实现塑性铰外移的设计方法会削减梁的承载能力，造成材料的浪费。
近年来，随着可恢复功能结构、韧性结构与韧性城市等概念的提出，工程结构的可修复性得到了广泛关注，这不仅仅要求工程结构在地震中具有良好的性能表现，而且要求结构在震后能够快速修复并投入正常使用。面对这一要求，塑性铰外移节点设计方法的合理性需要重新进行考量。
李国强、钟云龙等发明人给出了套管金属圆棒消能阻尼器(中国发明专利申请，《装配式套管金属圆棒消能阻尼器》，中国专利申请号202010067741.7，申请日2020年01月20日)，本申请是在该技术方案的基础上进一步给出应用技术方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点，该节点可广泛应用于各种结构形式的钢结构房屋之中；该带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点综合利用了金属塑性变形与摩擦机理来耗散地震能量，能在不过多影响梁下部空间的同时，增大节点的转动能力，减少梁端内力，保护梁自身不受破坏。地震作用下，此节点为结构预计的损伤部位，震后仅仅修复节点即可恢复结构功能。
为实现上述目的，本发明给出的技术方案为：
一种带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点，包括钢柱(1)、钢梁(2)、金属圆棒阻尼器(3)、角钢(4)、腹板连接件(5)、T形连接件(6)及辅助配件；辅助配件包括梁加劲肋(7)、柱加劲肋(8)、传力板(9)；
钢柱(1)为钢结构；钢柱(1)的内部设置加劲肋(8)，加劲肋(8)包括上侧加劲肋(81)、下侧加劲肋(82)；
钢梁(2)上翼缘通过角钢(4)与钢柱(1)右侧翼缘螺栓连接，节点之间固定连接不可滑动；上侧加劲肋(81)的下表面与角钢(4)水平板下表面齐平；钢梁(2)腹板通过腹板连接件(5)连接至钢柱(1)的翼缘上，节点之间滑动连接螺栓孔略大于螺栓外径；
水平方向，金属圆棒消能阻尼器(3)左侧通过左侧T形连接件(61)连接至钢柱(1)右侧翼缘上，金属圆棒消能阻尼器(3)右侧与右侧T形连接件(62)连接；竖向上，金属圆棒消能阻尼器安装于传力板(9)与钢梁(2)下翼缘的中间；
金属圆棒消能阻尼器(3)为圆形钢管结构，金属圆棒消能阻尼器(3)包括金属圆棒芯杆(31)、金属套管(32)、两块填充护瓣(34)、阻尼器螺栓(33)；所述金属圆棒芯杆(31)为圆形钢棒，包括端部螺纹区(3101)、端部扩大区(3102)、中间消能区(3103)和中部凸肋(3105)；金属套管(32)为一圆形钢管，其内径与金属圆棒芯杆(31)端部扩大区相同，外径根据稳定要求确定，并在中部开有若干带螺纹的孔洞(3201)；所述阻尼器螺栓(33)拧入螺纹孔洞(3201)，并顶紧填充护瓣(34)外表面，实现各个组件之间位置的相对固定；所述填充护瓣(34)为一弧形的钢板，其内表面半径略大于所述金属圆棒芯杆(31)的中间消能区(3103)的外径，圆心角略小于180度，在填充护瓣(34)中部挖有凹槽(3401)。填充护瓣(34)填充了中间消能区(3103)与金属套管(32)之间的空间，约束了金属圆棒芯杆(31)的侧向变形。
金属圆棒芯杆(31)由低屈服点钢材制成，并切削成具有中间消能区(3103)与凸肋(3105)的形状，中间消能区(3103)受到力的作用会首先屈服，利用外部金属套管(32)约束金属圆棒芯杆(31)，以防止金属圆棒芯杆(31)受压时可能出现的失稳问题。
T形连接件(6)是由两块板件焊接连接而成的连接件，包括左侧T形连接件(61)、右侧T形连接件(62)；左侧T形连接件(61)通过焊接与钢柱(1)相连接，竖向上与钢柱(1)内部下侧加劲肋(82)下表面齐平，带孔板(603)呈水平状态；右侧T形连接件(62)与钢梁(2)下翼缘通过焊接相连接，带孔板(603)呈铅锤状态；
所述传力板(9)安装在钢梁(2)腹板上。
工作原理：
本发明在钢结构梁柱连接节点中引入金属圆棒消能阻尼器，并通过合理的构造使得节点的塑性变形主要集中在可更换的角钢(4)与金属圆棒阻尼器(3)上，该节点的主要工作原理是：
震动发生时，梁柱节点具有转动能力；即当梁柱节点发生转动时，钢梁(2)下翼缘与左侧T形连接件(61)、钢梁(2)腹板与腹板连接件(5)之间发生相对的移动，继而产生摩檫力；在地震作用下，梁柱节点的往复转动产生的摩檫力可以耗散地震能量，增加结构阻尼；
角钢(4)直接承担钢梁(2)上翼缘的拉力，通过角钢(4)以及钢梁(2)腹板，将梁柱节点的转动中心移动至角钢(4)附近，角钢(4)在地震作用下将以受拉弯与压弯作用，形成转动铰消能减震；相同转角下，离转动中心越远，位移越大；因此，位于钢梁(2)下翼缘的金属圆棒阻尼器(3)，由于离转动中心较远，变形较大，通过轴向的拉压塑性变形进一步耗散能量，是本钢结构梁柱节点的主要耗能部件。
上述技术方案带来的有益效果是：一方面，此节点可以平衡建筑使用与结构需求之间的关系，金属圆棒消能阻尼器体积狭小，不会过多影响楼层净高；设置于梁上翼缘的角钢可完全隐藏在楼板混凝土之中，丝毫不影响建筑使用。另一方面，金属圆棒消能阻尼器的存在可有效提高节点的耗能能力，节点螺栓连接的可滑移设计不但增大了节点的转动能力，而且可有效利用板件之间的摩擦来耗散地震能量。地震作用下，预计只有角钢与金属圆棒消能阻尼器发生破坏，而结构竖向承重体系将保持完整，震后仅仅需要更换角钢与金属圆棒消能阻尼器即可恢复结构功能。
附图说明
图1是本发明钢结构梁柱连接节点正视图示意图；
图2是本发明钢结构梁柱连接节点在A-A处剖视图示意图；
图3是本发明钢结构梁柱连接节点在B-B处剖视图示意图；
图4是本发明的T形连接件示意图；
图5是本发明的钢梁示意图；
图6是本发明的金属圆棒消能阻尼器外观构造示意图；
图7是本发明的金属套管的正视图(a)与俯视图(b)；
图8是本发明的填充护瓣的正视图；
图9是本发明的金属圆棒芯杆正视图；
图10装配式套管金属圆棒消能阻尼器俯视图；
图11是图10的轴向剖图；
图12是图11在B-B处的剖面图；
数字标记：
钢柱(1)、角钢(4)、腹板连接件(5)、梁加劲肋(7)、柱加劲肋(8)、传力板(9)、第一垫板(10)、第二垫板(11)；
钢梁(2)：下翼缘椭圆孔(201)、腹板椭圆孔(202)、上翼缘圆孔(203)；
金属圆棒消能阻尼器(3)：金属圆棒芯杆(31)、金属套管(32)、两块填充护瓣(34)、阻尼器螺栓(33)；金属圆棒芯杆(31)：端部螺纹区(3102)、端部扩大区(3103)、中间消能区(3104)、圆弧过渡区(3105)、螺纹孔(3201)、凹槽(3401)。
T形连接件(6)：圆孔(601)、切角(602)、带孔板(603)与肋板(604)。
具体实施方式
以下结合实施例与附图对本发明技术方案做进一步介绍，需要做特别说明的是，本发明的关键技术在于在钢结构梁柱连接节点中安装金属圆棒消能阻尼器，其他构件及配件并非本发明的限定要求，因此对除金属圆棒阻尼器以外部分做出的任何非原理层面上的更改均应在本发明的保护范围内。
带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点包括钢柱(1)、钢梁(2)、金属圆棒阻尼器(3)、角钢(4)、腹板连接件(5)、T形连接件(6)及辅助配件；辅助配件包括梁加劲肋(7)、柱加劲肋(8)、传力板(9)、第一垫板(10)、第二垫板(11)、螺栓、螺母；
钢柱(1)为钢结构；钢柱(1)的内部焊有两道横向加劲肋(8)，加劲肋(8)包括上侧加劲肋(81)、下侧加劲肋(82)，均用于保证传力直接；
钢梁(2)上翼缘通过角钢(4)与钢柱(1)右侧翼缘螺栓连接；构造钢柱(1)内部上侧加劲肋(81)的下表面与角钢(4)水平板下表面齐平；钢梁(2)中下翼缘、腹板、上翼缘分别开设下翼缘椭圆孔(201)、腹板椭圆孔(202)、上翼缘圆孔(203)；钢梁(2)上翼缘与角钢(4)通过上翼缘圆孔(203)进行螺栓连接；钢梁(2)腹板通过腹板连接件(5)连接至钢柱(1)的翼缘上，钢梁(2)腹板与腹板连接件(5)通过腹板椭圆孔(202)进行螺栓连接；所述腹板连接件(5)的相对侧，设置有第一垫板(10)，保证结构力的传导；钢梁(2)下翼缘通过左侧T形连接件(61)与钢柱(1)右侧翼缘连接，钢梁(2)下翼缘与左侧T形连接件(61)通过下翼缘椭圆孔(201)进行螺栓连接，并配有第二垫板(11)；上翼缘圆孔(203)螺栓连接均为不可滑动的连接，而下翼缘椭圆孔(201)、腹板椭圆孔(202)的螺栓连接为滑动的连接(螺栓孔略大于螺栓外径)；钢梁(2)上设置有横向梁加劲肋(7)与传力板(9)，用于保证传力直接；
水平方向，金属圆棒消能阻尼器(3)左侧通过T形连接件(6)连接至钢柱(1)右侧翼缘上，右侧与右侧T形连接件连接；竖向上，金属圆棒消能阻尼器安装于传力板(9)与钢梁(2)下翼缘的中间；
金属圆棒消能阻尼器(3)为圆形钢管结构，金属圆棒消能阻尼器(3)包括金属圆棒芯杆(31)、金属套管(32)、两块填充护瓣(34)、阻尼器螺栓(33)；所述金属圆棒芯杆(31)为圆形钢棒，包括端部螺纹区(3101)、端部扩大区(3102)、中间消能区(3103)与中部凸肋(3105)；金属套管(32)为一圆形钢管，其内径与金属圆棒芯杆(31)端部扩大区相同，外径根据稳定要求确定，并在中部开有若干带螺纹的孔洞(3201)；所述阻尼器螺栓(33)拧入螺纹孔洞(3201)，并顶紧填充护瓣(34)外表面，实现各个组件之间位置的相对固定；所述填充护瓣(34)为一弧形的钢板，其内表面半径略大于所述金属圆棒芯杆(31)的中间消能区(3103)的外径，圆心角略小于180度，在填充护瓣(34)中部挖有凹槽(3401)。填充护瓣(34)填充了中间消能区(3103)与金属套管(32)之间的空间，约束了金属圆棒芯杆(31)的侧向变形。
金属圆棒芯杆(31)由低屈服点钢材制成，并切削成具有中间消能区(3103)与凸肋(3105)的形状，中间消能区(3103)受到力的作用会首先屈服，利用外部金属套管(32)约束金属圆棒芯杆(31)，以防止金属圆棒芯杆(31)受压时可能出现的失稳问题。
如图4所示，T形连接件(6)是由两块板件焊接连接而成的连接件，包括左侧T形连接件(61)、右侧T形连接件(62)；每个T形连接件又包括圆孔(601)、切角(602)、带孔板(603)与肋板(604)。所述带孔板(603)根据具体按照需求开有若干圆孔(601)；所述肋板根据传力特点切去一角，形成切角(602)；左侧T形连接件(61)通过焊接与钢柱(1)相连接，竖向上与钢柱(1)内部下侧加劲肋(82)下表面齐平，带孔板(603)呈水平状态；右侧T形连接件(62)与钢梁(2)下翼缘通过焊接相连接，带孔板(603)呈铅锤状态；
所述传力板(9)安装在钢梁(2)腹板上。
工作原理：
本发明在钢结构梁柱连接节点中引入金属圆棒消能阻尼器，并通过合理的构造使得节点的塑性变形主要集中在可更换的角钢(4)与金属圆棒阻尼器(3)上，该节点的主要工作原理是：
钢梁(2)上的下翼缘椭圆孔(201)、腹板椭圆孔(202)为梁柱节点提供了转动的空间，使得振动发生时，梁柱节点具有转动能力；即当梁柱节点发生转动时，钢梁(2)下翼缘与左侧T形连接件(61)、钢梁(2)腹板与腹板连接件(5)之间发生相对的移动，继而产生摩檫力；在地震作用下，梁柱节点的往复转动产生的摩檫力可以耗散地震能量，增加结构阻尼；此摩擦力大小由螺栓连接的预紧力控制，该摩擦力应尽可能大，用以增加耗能能力。
角钢(4)连接了柱(1)翼缘与钢梁(2)上翼缘，直接承担钢梁(2)上翼缘的拉力，通过角钢(4)以及钢梁(2)腹板，将梁柱节点的转动中心移动至角钢(4)附近，形成转动铰消能减震；相同转角下，离转动中心越远，位移越大，因此，角钢(4)在地震作用下将以受拉弯与压弯作用，达到减震效果；而位于钢梁(2)下翼缘的金属圆棒阻尼器(3)，由于离转动中心较远，变形较大，是本钢结构梁柱节点的主要耗能部件，通过轴向的拉压塑性变形进一步耗散能量。
对技术方案的进一步的设定：
腹板连接件(5)上的螺栓孔为比螺栓大直径1～2mm圆形孔洞；
钢梁(2)下翼缘上侧配有第二垫板(11)，其上的圆孔比螺栓直径大1-2mm。
以下进一步公开带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点的施工方法：
步骤s1，制作与装配金属圆棒消能阻尼器(3)：
步骤s1.1，在工厂生产零部件：
制作金属圆棒芯杆：本实施例中金属圆棒芯杆(31)优选为低屈服点钢材，选用圆形钢棒为胚料，然后在车床切削而成，此金属圆棒芯杆不应存在焊接施工的情况。
制作填充护瓣：本实施例中填充护瓣首选的制作方案为，由尺寸最接近设计要求的圆钢管先进行切削加工后一剖二得到。；本实施例填充护瓣采用钢材，但采用任何其他形式材料替换均在本专利的保护范围；
制作金属套管：采用金属钢管为胚料，在中部成孔攻丝即可；
步骤s1.2，装配金属圆棒消能阻尼器(3)：
将所述两片金属护瓣(34)包裹柱金属圆棒芯杆(31)，注意凸肋(3105)于凹槽(3401)的配合；然后将此配合体穿入金属套管(32)中，保证凸肋(3105)、凹槽(3401)与螺纹孔(3201)三者的中心大致位于同一平面内；最后阻尼器螺栓(33)拧入螺纹孔(3201)并顶紧填充护瓣(3401)外表面，至此金属圆棒芯杆(31)、填充护瓣(34)与金属套管(32)的相对位置完全固定下来，装配式的套管金属圆棒消能阻尼器装配完成。
步骤s2，在工厂预制钢柱(1)与钢梁(2)；
在工厂预制钢柱(1)与钢梁(2)，同时在工厂内完成腹板连接件(5)、T形连接件(6)、加劲肋、传力板(9)等结构的制作与焊接工序。
步骤s3，将金属圆棒消能阻尼器(3)、钢柱(1)与钢梁(2)运输至现场；
步骤s4，施工现场钢柱(1)吊装安装；
步骤s5，钢梁(2)吊装至设计高度，首先连接腹板连接件(5)与钢梁(2)腹板，而后连接钢梁上翼缘角钢(4)，最后连接钢梁下翼缘与预先焊接在柱翼缘上的T形连接件(6)。
步骤s6，图1所示，金属圆棒消能阻尼器(3)的安装；
s6.1)如图1所示，金属圆棒消能阻尼器(3)左右两端均采用了双侧螺母对拧的连接方式，首先左右两端均预先拧入一颗螺母，将螺母拧到最底部，使得螺纹(3101)露出足够的长度；
s6.2)以图1为例子，将金属圆棒消能阻尼器从右侧往左伸入钢柱(1)翼缘预留的圆孔，当金属圆棒消能阻尼器(3)完全进入到钢柱(1)翼缘与加劲肋(7)之间时，将金属圆棒消能阻尼器向右移动以穿过加劲肋(7)上预留的圆孔；
s6.3)拧入金属圆棒消能阻尼器(3)左右两端余下的两颗螺母并拧紧，使得金属圆棒消能阻尼器中形成一定的预拉力，最后再反向拧动在步骤(s6.1)中预先拧入的螺母使其分别顶紧钢柱(1)翼缘与加劲肋(7)，安装完成。

Claims (2)

1.一种带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点，其特征在于，包括钢柱(1)、钢梁(2)、金属圆棒阻尼器(3)、角钢(4)、腹板连接件(5)、T形连接件(6)及辅助配件；辅助配件包括梁加劲肋(7)、柱加劲肋(8)、传力板(9)；
钢柱(1)为钢结构；钢柱(1)的内部设置加劲肋(8)，加劲肋(8)包括上侧加劲肋(81)、下侧加劲肋(82)；
钢梁(2)上翼缘通过角钢(4)与钢柱(1)右侧翼缘螺栓连接，节点之间固定连接不可滑动；竖向上，上侧加劲肋(81)的下表面与角钢(4)水平板下表面齐平；钢梁(2)腹板通过腹板连接件(5)连接至钢柱(1)的翼缘上，节点之间滑动连接螺栓孔略大于螺栓外径；
水平方向，金属圆棒消能阻尼器(3)左侧通过左侧T形连接件(61)连接至钢柱(1)右侧翼缘上，金属圆棒消能阻尼器(3)右侧与右侧T形连接件(62)连接；竖向上，金属圆棒消能阻尼器安装于传力板(9)与钢梁(2)下翼缘的中间；
金属圆棒消能阻尼器(3)为圆形钢管结构，金属圆棒消能阻尼器(3)包括金属圆棒芯杆(31)、金属套管(32)、两块填充护瓣(34)、阻尼器螺栓(33)；所述金属圆棒芯杆(31)为圆形钢棒，包括端部螺纹区(3101)、端部扩大区(3102)、中间消能区(3103)与中部凸肋(3105)；金属套管(32)为一圆形钢管，其内径与金属圆棒芯杆(31)端部扩大区相同，外径根据稳定要求确定，并在中部开有若干带螺纹的孔洞(3201)；所述阻尼器螺栓(33)拧入螺纹孔洞(3201)，并顶紧填充护瓣(34)外表面，实现各个组件之间位置的相对固定；所述填充护瓣(34)为一弧形的钢板，其内表面半径略大于所述金属圆棒芯杆(31)的中间消能区(3103)的外径，圆心角略小于180度，在填充护瓣(34)中部挖有凹槽(3401)；填充护瓣(34)填充了中间消能区(3103)与金属套管(32)之间的空间，约束了金属圆棒芯杆(31)的侧向变形；
金属圆棒芯杆(31)由低屈服点钢材制成，并切削成具有中间消能区(3103)与凸肋(3105)的形状，中间消能区(3103)受到力的作用会首先屈服，利用外部金属套管(32)约束金属圆棒芯杆(31)，以防止金属圆棒芯杆(31)受压时可能出现的失稳问题；
T形连接件(6)是由两块板件焊接连接而成的连接件，包括左侧T形连接件(61)、右侧T形连接件(62)；左侧T形连接件(61)通过焊接与钢柱(1)相连接，竖向上与钢柱(1)内部下侧加劲肋(82)下表面齐平，带孔板(603)呈水平状态；右侧T形连接件(62)与钢梁(2)下翼缘通过焊接相连接，带孔板(603)呈铅锤状态；
所述传力板(9)安装在钢梁(2)腹板上。
2.如权利要求1所述的带金属圆棒消能阻尼器的钢结构梁柱连接节点，其特征在于，其工作原理如下：
震动发生时，梁柱节点具有转动能力；即当梁柱节点发生转动时，钢梁(2)下翼缘与左侧T形连接件(61)、钢梁(2)腹板与腹板连接件(5)之间发生相对的移动，继而产生摩檫力；在地震作用下，梁柱节点的往复转动产生的摩檫力可以耗散地震能量，增加结构阻尼；
角钢(4)直接承担钢梁(2)上翼缘的拉力，通过角钢(4)以及钢梁(2)腹板，将梁柱节点的转动中心移动至角钢(4)附近，角钢(4)在地震作用下将以受拉弯与压弯作用，形成转动铰消能减震；相同转角下，离转动中心越远，位移越大；位于钢梁(2)下翼缘的金属圆棒阻尼器(3)，由于离转动中心较远，变形较大，通过轴向的拉压塑性变形进一步耗散能量，是本钢结构梁柱连接节点的主 要耗能部件。
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