CN111877548B - 一种支撑型阻尼器与既有rc框架结构的非约束连接节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑结构抗震和消能减震技术领域，具体涉及一种支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点。包括支撑型阻尼器、非约束节点板、端板、抗剪板、拉杆；梁自近柱端到远柱端依次分为抗拉功能区、抗剪功能区和梁端预期塑性铰区；其中抗拉功能区的侧面设有拉杆；抗剪功能区的上表面和下表面固定有抗剪板；梁端预期塑性铰区为抗剪功能区后的非功能区域。本发明能有效解决非约束节点板与既有混凝土框架梁采取后锚固连接而造成梁因受力复杂而容易发生破坏的问题，适用于既有建筑抗震加固。

Description

一种支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点

技术领域

本发明涉及建筑结构抗震和消能减震技术领域，具体涉及一种支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点。

背景技术

随着现代经济的飞速发展和生活水平的不断提高，人们对建筑的数量、质量和使用功能提出了越来越多的要求，科学技术的进步也促使各种新型结构、新型材料以及新的施工工艺不断出现。人们在满足建筑物数量的同时，对建筑物的造型、安全性、适用性和耐久性也提出了越来越高的要求。根据有关统计表明，我国的建筑业已经开始从大规模的新建时期迈向现代化的加固和改造时期。

对于我国面大量广的既有RC框架结构，如果采取全部拆旧重建的方法，势必带来社会物质与文化资源的巨大浪费。因此，对既有建筑采用加固改造的方式更为合理。既有建筑抗震加固的方式多种多样，其中，针对抗侧力结构体系进行研究是最为行之有效的一种手段。工程实践和研究表明：支撑框架结构具有抗侧刚度大而侧向位移小的特点，且造价经济合理。安置在框架中的支撑型阻尼器可为结构提供较大的抗侧刚度，消耗地震输入的能量，可将损伤主要集中在支撑型阻尼器上，从而保护主体结构。而且支撑型阻尼器是相对容易检测、修复或者替换的，这就避免了框架结构通过梁、柱构件耗散能量而造成损伤难修复的缺点。支撑型阻尼器可明显提高结构的抗震能力和震后可修复性，所以支撑型阻尼器在既有建筑的抗震加固中得到广泛地应用。

在实际工程应用中，支撑型阻尼器与既有的RC框架结构在进行连接时仍存在一些问题：(1)节点板与既有RC框架结构通常采用后锚固连接，需对原有框架梁混凝土进行钻孔、清孔等处理，易破坏原有钢筋，工序较为繁琐、施工较为困难。增设锚栓的尺寸、位置、数量极易受到梁原有配筋的影响，在设计上有一定难度，会对锚固性能造成影响。且会造成锚固区域的梁与锚栓一起承受拉力和剪力，受力状态较为复杂，使得梁容易发生脆性破坏，影响结构的稳定性。(2)当框架结构在水平荷载作用下发生侧向位移时，梁柱节点域附近梁柱张开、闭合会使节点板受到拉力和压力作用，即产生开合效应。在大位移下，节点板会发生局部失稳，限制了支撑型阻尼器抗震性能的充分发挥，影响结构的继续承载能力；(3)若将支撑型阻尼器仅与梁相连，会使得非约束节点板与柱之间的间隙处处于非常不利的受力状态，梁端损伤易集中于这一区域，产生塑性铰区。从而使得梁端预期塑性铰区易与连接区域位置重叠，会对支撑型阻尼器的连接节点的受力性能产生不利的影响。同时，梁端受力复杂，容易发生剪切屈服和断裂。针对上述三个关键问题，不少专家学者展开了研究，并取得的一些相关成果。

赵俊贤为解决结构大变形下支撑框架节点存在的显著开合效应，提出了一种基于滑移连接的防屈曲支撑钢框架节点，该滑移连接节点板通过释放节点板与梁柱之间的切向约束和开合效应来降低节点板的塑性损伤。Fahnestock提出了在梁端腹板处采用柔性连接，减小梁端弯矩节点区域的传递效应，节点板与梁柱之间仍可采用焊缝连接，可基本消除开合效应。Berman提出将节点板与柱偏移一段距离且只与梁相连接的方式，而梁柱则采用传统的刚性连接。曲哲提出了一种非约束节点板的连接方法，通过锚固后拉钢棒和嵌入钢板两种不同的连接方式将非约束节点板与梁相连，还通过改变梁端纵筋的方式调整梁的抗弯强度，使得预期塑性铰区外移，与连接区域分离，提高节点区的可靠性。

但是，赵俊贤提出的基于滑移连接的防屈曲支撑钢框架节点未能将节点区进行功能分区，节点区既作为节点板与梁的连接区域又是梁预期塑性铰区，两者会因相互作用影响结构的抗震性能。Fahnestock提出的柔性连接方式抗侧刚度较低且仅适用于新建钢结构。Berman提出的连接方式节点板只与梁相连导致支撑轴力完全由梁承担，易引起梁端剪切屈服和断裂；支撑与梁连接边存在较大偏心。曲哲提出的非约束节点板连接方式，通过改变配筋来调整级差，只适用于新建建筑，在梁端设计过多的纵筋会造成配筋过密，增设的预应力钢棒贯穿梁高易与梁内已有钢筋发生碰撞，设计较为困难，施工作业较为复杂，且钢筋容易锈蚀。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术对于采用支撑型阻尼器对既有RC框架结构进行加固时存在问题的研究，还存在以下问题：(1)未能将节点区进行功能分区，节点区既作为节点板与梁的连接区域又是梁预期塑性铰区，两者会因相互作用影响结构的抗震性能；(2)节点板只与梁相连导致支撑轴力完全由梁承担，易引起梁端剪切屈服和断裂；支撑与梁连接边存在较大偏心；(3)不适用旧建筑，在梁端设计过多的纵筋会造成配筋过密，增设的预应力钢棒贯穿梁高易与梁内已有钢筋发生碰撞，设计较为困难，施工作业较为复杂，且钢筋容易锈蚀。

为解决上述问题，本发明提供了一种支撑型阻尼器与既有钢筋混凝土(RC)框架结构的非约束节点连接方式，适用于既有建筑抗震加固。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点，包括支撑型阻尼器、非约束节点板、端板、抗剪板、拉杆；

其中，非约束节点板一端通过端板与梁相连，一端与支撑型阻尼器相连；

在梁端节点处，除受到弯矩作用外，还受到来自支撑较大的轴力作用，是受力的关键部位，为此，需要将梁端预期塑性铰区及与支撑连接节点区的双重功能进行分区，避免塑性铰区在梁端截面产生从而形成的短梁短柱效应。如图5所示，梁自近柱端到远柱端依次分为抗拉功能区、抗剪功能区和梁端预期塑性铰区，可有效控制梁端区域的损伤，以保障该部位的结构性能；其中抗拉功能区的侧面设有拉杆，如图2所示，拉杆端部与非约束节点板固定连接，当与梁上方的支撑型阻尼器连接时，需贯穿楼板再通过梁侧与上方非约束节点板固定连接；拉杆避免了与既有框架梁混凝土采取后锚固方式进行的抗拉，可有效控制梁端区域的损伤，以保障该部位的结构性能；如图3所示，抗剪功能区的上表面和下表面固定有抗剪板，如图3和图4所示，其固定方式为通过植筋固定或通过结构胶固定，基本处于纯剪状态，不承受拉力，降低了后锚固的设计难度；同时抗剪板还可起到调整抗弯承载能力级差及外包加固作用；梁端预期塑性铰区为抗剪功能区后的非功能区域，即不经处理的梁本体部分。由于混凝土梁具有局部抗拉性能差的特点，采用后锚固连接时，连接节点受力状态较为复杂，在设计上有一定难度。本发明为解决后锚固连接造成的连接区域受力复杂问题，通过在梁侧增设拉杆和抗剪板将连接节点处的抗拉和抗剪功能进行分离设计。

进一步的，如图6所示，抗拉功能区经FRP加固，在端板的上表面设有板抗弯加固区，梁侧面设有1-2段梁抗剪加固区，梁的下表面设有梁抗弯加固区域；在上述区域粘贴或缠绕FRP进行加固。本发明采用轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、耐久性好、适用面广、易于加工设计的FRP进行加固，实现了节点区梁端和非节点区梁端的受弯和受剪承载能力级差，促使梁端塑性铰区外移，降低该因素对支撑耗能效率的影响。

进一步的，FRP加固的加固步骤如下：对梁进行加固时，首先将梁底粘结区域进行表面处理，去除混凝土表面的薄弱层，露出坚实的混凝土层并打磨平整，以保证混凝土与FRP粘结可靠，然后再粘贴FRP板或片材，根据具体情况确定所需FRP的面积与层数，以确保达到不同的加固强度；当对梁进行抗剪加固时，在梁两侧面粘结FRP，在梁侧和受拉面U形粘结FRP以及沿整体梁截面封闭缠绕FRP，既可间隔缠绕，也可以连续满贴，本实施例采用沿梁侧间隔缠绕的方式进行加固；当对端板进行抗弯加固时，采用FRP条带和纤维布粘贴于受拉面。

进一步的，端板分别设置于梁的上表面和/或下表面；端板上设有若干通孔，非约束节点板的水平端通过螺栓和端板的通孔与梁固定连接，与对应的柱11之间具有间隙；非约束节点板与梁之间呈角度设置，其倾斜端与支撑型阻尼器连接。自此，形成非约束节点板，可有效避免梁柱开合效应对节点板的影响。在地震作用发生时，可避免结构因过大的层间位移而导致节点板失效。能够确保节点板不会先于支撑型阻尼器断裂，不会造成因连接失效而导致支撑型阻尼器提前退出工作。采用螺栓相连的方式，安装时易于组装，更换时易于拆卸，减少了采用焊接连接时的工作量和难度。

进一步的，与梁底面相连的非约束节点板侧面设有加劲肋，保证节点板的局部稳定并确保集中力的有效传递，提高了梁的稳定性和抗扭性能。

进一步的，如图7所示，当梁的跨度较小时，可采用单斜支撑的形式布设支撑型阻尼器。

进一步的，如图8所示，当梁的跨度较大，可采用人字形+V形支撑形式布设支撑型阻尼器；进一步的当在梁跨中布置时，可不需进行承载能力级差调整，不需进行FRP加固，即梁端部采用FRP加固端、梁跨中采用非FRP加固端，即梁跨中的抗拉功能区不采用FRP加固。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过在梁侧增设拉杆和抗剪板传递节点区的拉力与剪力，实现了抗拉与抗剪的功能分离设计，同时，在施工做法上，拉杆贯穿楼板通过梁侧与非约束节点板相连，能有效解决非约束节点板与既有混凝土框架梁采取后锚固连接而造成梁因受力复杂而容易发生破坏的问题，且拉杆通过螺栓将上下层端板进行连接，抗剪板通过植筋或结构胶与梁进行连接，设计灵活，施工简单，易于更换，避免了后锚固的连接难点，不需对原有梁进行开孔、清理的后锚固处理，设计简单，施工方便。

(2)本发明中通过非约束节点板与梁相连，与柱留有一定的间隙，避免了开合效应对节点板的影响。

(3)本发明通过对混凝土的梁端区域进行FRP加固，实现梁端的承载能力调整，可通过对FRP加固的面积与层数的灵活设计，实现抗弯/抗剪承载力级差，能够对梁端节点区进行损伤控制，促使梁端预期塑性铰区外移，使得节点板连接区域与预期塑性铰区功能分区、相互独立。抗剪板外包加固可以增强梁的强度，也能使梁端预期塑性铰区外移；同时，增设的抗剪板也提高了节点区的强度，能够调整级差，降低了因梁端产生塑性铰区而对支撑耗能效率的影响。

(4)本发明中通过在梁侧采用FRP加固的方式，适用于既有建筑抗震加固。能避免对框架梁混凝土进行后锚固处理，施工简单。可通过改变FRP的面积和层数对级差进行灵活调整，可充分发挥FRP材料的特性，增加结构的安全性和使用寿命。且增设的抗剪板既能减轻底板与框架梁混凝土的之间的摩擦作用，又能增强梁的强度，实现调整级差的功能。

(5)本发明所提出的节点通过刚性连接，能够满足结构所需的抗侧刚度，可适用于既有建筑抗震加固。

(6)本发明所提出的连接方式，支撑型阻尼器以梁为对称轴进行布置，实现上下层支撑采用同一个抗拉连接节点，上下层节点端板通过梁侧贯穿楼板的拉杆连接，实现节点区的拉力传递，避免了与既有框架梁混凝土采用后锚固方式进行抗拉。同时，增设抗剪板传递剪力，使得抗拉、抗剪功能分离。使得梁尽量不传递支撑轴力，有效减小了支撑型阻尼器对梁的影响，提高结构的稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为拉杆处的结构示意图；

图3为抗剪板通过植筋连接图；

图4为抗剪板通过结构胶连接图；

图5为梁的功能分区示意图；

图6为FRP加固区域示意图；

图7为单斜支撑布设形式示意图；

图8为人字形+V形布设形式示意图。

图中，支撑型阻尼器1、非约束节点板2、端板3、抗剪板4、植筋41、结构胶42、拉杆5、加劲肋6、螺栓7、梁10、抗拉功能区101、板抗弯加固区1011、梁抗剪加固区1012、梁抗弯加固区域1013、抗剪功能区102、梁端预期塑性铰区103、柱11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，一种支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点，包括支撑型阻尼器1、非约束节点板2、端板3、抗剪板4、拉杆5；

其中，非约束节点板2一端通过端板3与梁10相连，一端与支撑型阻尼器1相连；

在梁端节点处，除受到弯矩作用外，还受到来自支撑较大的轴力作用，是受力的关键部位，为此，需要将梁端预期塑性铰区及与支撑连接节点区的双重功能进行分区，避免塑性铰区在梁端截面产生从而形成的短梁短柱效应。如图5所示，梁10自近柱端到远柱端依次分为抗拉功能区101、抗剪功能区102和梁端预期塑性铰区103，可有效控制梁端区域的损伤，以保障该部位的结构性能；其中抗拉功能区101的侧面设有拉杆5，如图2所示，拉杆端部与非约束节点板固定连接，当与梁上方的支撑型阻尼器连接时，需贯穿楼板再通过梁侧与上方非约束节点板固定连接；拉杆避免了与既有框架梁混凝土采取后锚固方式进行的抗拉，可有效控制梁端区域的损伤，以保障该部位的结构性能；如图3所示，抗剪功能区102的上表面和下表面固定有抗剪板4，如图3和图4所示，其固定方式为通过植筋41固定或通过结构胶42固定，基本处于纯剪状态，不承受拉力，降低了后锚固的设计难度；同时抗剪板还可起到调整抗弯承载能力级差及外包加固作用；梁端预期塑性铰区103为抗剪功能区后的非功能区域，即不经处理的梁本体部分。由于混凝土梁具有局部抗拉性能差的特点，采用后锚固连接时，连接节点受力状态较为复杂，在设计上有一定难度。本发明为解决后锚固连接造成的连接区域受力复杂问题，通过在梁侧增设拉杆和抗剪板将连接节点处的抗拉和抗剪功能进行分离设计。

如图6所示，抗拉功能区101经FRP加固，在端板的上表面设有板抗弯加固区1011，梁侧面设有1-2段梁抗剪加固区1012，梁的下表面设有梁抗弯加固区域101；在上述区域粘贴或缠绕FRP进行加固。本发明采用轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、耐久性好、适用面广、易于加工设计的FRP进行加固，实现了节点区梁端和非节点区梁端的受弯和受剪承载能力级差，促使梁端塑性铰区外移，降低该因素对支撑耗能效率的影响。

FRP加固的加固步骤如下：对梁进行加固时，首先将梁底粘结区域进行表面处理，去除混凝土表面的薄弱层，露出坚实的混凝土层并打磨平整，以保证混凝土与FRP粘结可靠，然后再粘贴FRP板或片材，根据具体情况确定所需FRP的面积与层数，以确保达到不同的加固强度；当对梁进行抗剪加固时，在梁两侧面粘结FRP，在梁侧和受拉面U形粘结FRP以及沿整体梁截面封闭缠绕FRP，既可间隔缠绕，也可以连续满贴，本实施例采用沿梁侧间隔缠绕的方式进行加固；当对端板进行抗弯加固时，采用FRP条带和纤维布粘贴于受拉面。

端板3分别设置于梁10的上表面和/或下表面；端板3上设有若干通孔，非约束节点板2的水平端通过螺栓7和端板的通孔与梁固定连接，与对应的柱11之间具有间隙；非约束节点板2与梁之间呈角度设置，其倾斜端与支撑型阻尼器1连接。自此，形成非约束节点板，可有效避免梁柱开合效应对节点板的影响。在地震作用发生时，可避免结构因过大的层间位移而导致节点板失效。能够确保节点板不会先于支撑型阻尼器断裂，不会造成因连接失效而导致支撑型阻尼器提前退出工作。采用螺栓相连的方式，安装时易于组装，更换时易于拆卸，减少了采用焊接连接时的工作量和难度。

与梁底面相连的非约束节点板侧面设有加劲肋6，保证节点板的局部稳定并确保集中力的有效传递，提高了梁的稳定性和抗扭性能。

实施例2：

如图7所示，当梁的跨度较小时，可采用单斜支撑的形式布设支撑型阻尼器。

其余均与实施例1相同。

实施例3：

如图8所示，当梁的跨度较大，可采用人字形+V形支撑形式布设支撑型阻尼器；进一步的当在梁跨中布置时，可不需进行承载能力级差调整，不需进行FRP加固，即梁端部采用FRP加固端、梁跨中采用非FRP加固端。

其余均与实施例1相同。

本发明所提出的非约束节点连接方式可有效解决开合影响对梁柱及节点板的影响，避免了因节点板断裂失效而导致支撑型阻尼器提前退出工作，能使得支撑型阻尼器充分发挥耗能作用，保护主体结构；通过在梁侧增设拉杆和抗剪板实现抗拉和抗剪功能的分离设计，通过拉杆传递拉力、抗剪板传递剪力，避免了后锚固连接造成的梁与锚栓一块受力，使得梁受力更加合理，提高了梁的稳定性，且不需对与非约束节点板相连的框架梁混凝土进行钻孔、清孔处理，易于更换、施工简单；可通过外贴FRP加固的方式实现抗弯/抗剪承载力级差，对梁端预期塑性铰与支撑连接节点的双重功能进行分区，能够合理的控制节点区的损伤。较新建建筑中通过在梁端增设纵筋的方式对梁的进行承载力级差调整，通过FRP加固进行承载力级差调整具有设计施工简单灵活、材料性能优良的特点：可有效避免了复杂的配筋设计，减少钢筋用量，不需进行后锚固处理；FRP具有轻质、高强，不增加结构重量的特点，能够避免因钢筋锈蚀而对结构性能带来的不利影响，使得结构具有更可靠的安全性能和更长久的使用寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点，其特征在于：包括支撑型阻尼器、非约束节点板、端板、抗剪板、拉杆；

其中，非约束节点板一端通过端板与梁相连，一端与支撑型阻尼器相连；

梁自近柱端到远柱端依次分为抗拉功能区、抗剪功能区和梁端预期塑性铰区；其中抗拉功能区的侧面设有拉杆，拉杆端部与非约束节点板固定连接，其中，拉杆与梁上方的支撑型阻尼器连接时，拉杆端部贯穿楼板再通过梁侧与上方非约束节点板固定连接；抗剪功能区的上表面和下表面固定有抗剪板，其固定方式为通过植筋固定或通过结构胶固定；梁端预期塑性铰区为抗剪功能区后的非功能区域；

抗拉功能区经FRP加固，在端板的上表面设有板抗弯加固区，梁侧面设有1-2段梁抗剪加固区，梁的下表面设有梁抗弯加固区域；在上述区域粘贴或缠绕FRP进行加固。

2.如权利要求1所述的支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点，其特征在于：FRP加固的加固步骤如下：对梁进行加固时，首先将梁底粘结区域进行表面处理，去除混凝土表面的薄弱层，露出坚实的混凝土层并打磨平整，然后再粘贴FRP板或片材，根据具体情况确定所需FRP的面积与层数，以确保达到不同的加固强度；当对梁进行抗剪加固时，在梁两侧面粘结FRP，在梁侧和受拉面U形粘结FRP以及沿整体梁截面封闭缠绕FRP，间隔缠绕或者连续满贴；当对端板进行抗弯加固时，采用FRP条带和纤维布粘贴于受拉面。

3.如权利要求1所述的支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点，其特征在于：端板分别设置于梁的上表面和/或下表面；端板上设有若干通孔，非约束节点板的水平端通过螺栓和端板的通孔与梁固定连接，与对应的柱之间具有间隙；非约束节点板与梁之间呈角度设置，非约束节点板的倾斜端与支撑型阻尼器连接。

4.如权利要求1所述的支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点，其特征在于：与梁底面相连的非约束节点板侧面设有加劲肋。

5.如权利要求1所述的支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点，其特征在于：采用单斜支撑的形式布设支撑型阻尼器。

6.如权利要求1所述的支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点，其特征在于：采用人字形+V形支撑形式布设支撑型阻尼器。

7.如权利要求1所述的支撑型阻尼器与既有RC框架结构的非约束连接节点，其特征在于：采用人字形+V形支撑形式布设支撑型阻尼器，梁跨中的抗拉功能区不采用FRP加固。

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