CN112096158B - 一种装配式自复位梁柱节点及其施工方法 - Google Patents

一种装配式自复位梁柱节点及其施工方法 Download PDF

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Abstract

发明提供一种装配式自复位梁柱节点及其施工方法。该节点采用连接件连接梁柱构件，梁翼缘上配合连接件设置相应的坡度，并与连接件组合形成摩擦副。采用SMA螺栓连接并压紧钢梁翼缘和连接件，保证摩擦副在滑动过程中始终保持紧贴。梁翼缘上开设腰形螺栓孔实现两者间的相对滑动，滑动过程中SMA螺栓变形增加使其自复位能力得到激发，同时摩擦副间摩擦力增大，提高了节点的耗能能力。另一方面，采用SMA索连接连接件的外伸翼缘和钢梁上的附加连接板，以实现在更大变形下节点的多组件耗能与自复位能力。因此该节点较好地实现了自复位性能和耗能能力的平衡，解决了现有节点耗能特性和自复位特性难以同时兼备的困难。

Description

一种装配式自复位梁柱节点及其施工方法
技术领域
本发明涉及结构工程领域，特别涉及一种装配式自复位梁柱节点。
背景技术
钢材具有良好的延性，可循环使用，利于节能减排，符合可持续发展的要求，因此钢结构建筑在工业建筑和民用建筑中得到越来越广泛的应用。民用建筑中，钢结构广泛应用于候机室、大型体育场馆及各种民用住宅；工业建筑中，钢结构广泛应用于各类工业厂房、高压输电塔及高耸结构等。伴随着我国钢铁产量常年位居世界前列以及施工工艺的进步，可以预期在未来数十年发展过程中，钢结构建筑将会成为更多类型建筑的首选结构形式。
传统钢框架设计理论中，为了在相对经济的范围内使建筑在地震动下实现不倒塌的目标，国内外现行的抗震设计规范允许所有结构构件、节点在预期地震作用下进入非线性阶段并耗散塑性能以平衡地震的能量输入。然而近年来的震害调查表明，传统的钢结构建筑在地震作用下虽然满足“大震不倒”的设计要求，但最终产生的过大塑性变形将造成巨大的修复代价，因此反映结构体系抵抗震害能力及震后恢复能力的“可恢复性”成为抗震性能研究的关键问题之一。
节点作为结构的重要组成部分，其性能的好坏对结构的性能起关键作用，为实现结构的“可恢复性”，研究学者对应提出自复位节点设计概念，即节点在满足强度、刚度以及延性等设计要求时，还应具有一定的自复位能力，防止震后节点残余变形过大影响正常使用。基于这种概念，自回复梁柱节点应运而生。
现有技术中，利用PT（Post-tensioned, 后张拉预应力）使结构实现自复位的节点需严格控制预应力，在大预应力下张拉预应力筋存在节点和装配难度，同时也存在预应力筋应力松弛和“脆断”现象。另一方面，利用SMA（Shape Memory Alloy，形状记忆合金）的材料特性实现自复位的节点耗能特性较弱，虽然震后残余变形可忽略不计，由于其较弱的耗能特性，可能会增加结构在地震作用下的加速度响应。
因此，亟需开发一种自复位节点实现自复位性能和耗能能力的平衡。
发明内容
本发明的目的是提供一种装配式自复位梁柱节点及其施工方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种装配式自复位梁柱节点，包括柱、工字形钢梁、连接件、SMA索和SMA螺栓。
所述连接件包括竖板，以及布置在竖板一侧板面上的L形板件。所述L形板件的长肢为楔形板，短肢为外伸翼缘。所述楔形板的板面包括平直面与楔形面。所述平直面与楔形面之间成楔角。所述外伸翼缘为平直板。所述外伸翼缘与竖板平行布置。所述外伸翼缘设置在楔形板的平直面一侧。所述L形板件沿轴线开设有供梁腹板容置的插槽。所述楔形板、竖板和外伸翼缘上均开设有圆形螺栓孔。
所述工字形钢梁包括梁腹板、上翼缘和下翼缘。所述上翼缘和下翼缘与柱接合位置处分别设置有一个连接件。每个连接件的竖板均通过摩擦型高强螺栓与柱的侧壁固定连接。所述梁腹板嵌插在插槽中。所述楔形板的楔形面顶抵在上翼缘的下表面或下翼缘的上表面。所述上翼缘和下翼缘与楔形板的结合面设置有坡度。所述上翼缘和下翼缘上设置有腰形螺栓孔。所述SMA螺栓依次穿过上翼缘或下翼缘的腰形螺栓孔与对应楔形板的圆形螺栓孔后旋入钢垫块。所述上翼缘的下表面和下翼缘的上表面还设置有附加连接板。所述SMA索的两端分别锚固在附加连接板和对应外伸翼缘上。
进一步，所述柱为工字形钢柱。所述柱的腹板处焊接加劲肋。
进一步，所述SMA螺栓的头部与工字形钢梁的接触面涂刷有特氟龙材料层。
本发明还公开一种关于上述装配式自复位梁柱节点的施工方法，包括以下步骤：
1)在工厂标准化生产柱、工字形钢梁、连接件、SMA索和SMA螺栓。在工字形钢梁翼缘的端部开设腰形螺栓孔。在工字形钢梁上翼缘的下表面和下翼缘的上表面焊接附加连接板。
2)使SMA螺栓的螺杆依次穿过工字形钢梁翼缘的腰形螺栓孔与对应楔形板的圆形螺栓孔后旋入钢垫块，将工字形钢梁和连接件连接压紧。
3)使用SMA索将外伸翼缘与钢梁附加连接板连接。所述工字形钢梁、连接件、SMA索和SMA螺栓共同组成为组合部件。
4)将步骤3)安装好的组合部件通过摩擦型高强螺栓安装在柱侧壁的预设位置。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.利用SMA材料的超弹性性能以及连接件与钢梁间的摩擦解决了现有节点自复位性能和耗能能力难以同时兼顾的缺点，实现了耗能能力和自复位的有机平衡。因此在地震作用下，节点的变形表现为连接件的弹性变形、钢梁的刚体位移以及SMA螺栓和SMA索的轴向变形，使得无论在震中还是震后，结构的变形都得到控制；
B.在梁翼缘上设置与连接件对应的坡面，使得连接件与梁翼缘坡面形成摩擦副；在梁翼缘上设置腰形螺栓孔实现两者间的相对滑动。因此随着荷载不断增大，SMA螺栓变形增加使其自复位能力得到激发，同时摩擦副间的摩擦力不断增加，从而提高节点的耗能能力，较好地实现基于性能的抗震设计要求；
C.使用形状记忆合金，不仅改善了地震作用下节点的脆性破坏问题，而且提高了结构在地震作用下自复位能力，改善了出现较大残余变形的问题，能够实现震后变形可恢复，减少了震后修复的时间和成本；
D.安装简单方便，且无需对梁或柱进行削弱留出安装空间，使得结构的整体刚度得到了保证。
附图说明
图1为梁柱节点结构示意图；
图2为连接件接合示意图；
图3为连接件结构示意图；
图4为插槽示意图；
图5为工字形钢梁示意图；
图6为SMA索构造示意图。
图中：柱1、加劲肋101、工字形钢梁2、梁腹板201、上翼缘202、下翼缘203、附加连接板204、特氟龙材料层205、连接件5、楔形板501、竖板502、外伸翼缘503、插槽504、SMA索10、SMA螺栓11、摩擦型高强螺栓12、钢垫块13。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1和图2，本实施例公开一种装配式自复位梁柱节点，包括柱1、工字形钢梁2、连接件5、SMA索10和SMA螺栓11。
所述柱1为工字形钢柱。所述柱1的腹板处焊接加劲肋101。
参见图3和图4，所述连接件5包括竖板502，以及布置在竖板502一侧板面上的L形板件。所述L形板件的长肢为楔形板501，短肢为外伸翼缘503。所述楔形板501的板面包括平直面与楔形面。所述平直面与楔形面之间成楔角。所述外伸翼缘503为平直板。所述外伸翼缘503与竖板502平行布置。所述外伸翼缘503设置在楔形板501的平直面一侧。所述L形板件沿轴线开设有供梁腹板201容置的插槽504。所述楔形板501、竖板502和外伸翼缘503上均开设有圆形螺栓孔。
图6为SMA索构造示意图。SMA（Shape Memory Alloy，形状记忆合金）具有良好的形状记忆效应和超弹性性能。前者指材料在荷载作用下发生变形卸载后通过加热恢复原有的形状。后者指材料在荷载作用下发生变形卸载后可以自主恢复原有的形状。
参见图5，所述工字形钢梁2包括梁腹板201、上翼缘202和下翼缘203。所述上翼缘202和下翼缘203与柱1接合位置处分别设置有一个连接件5。每个连接件5的竖板502均通过摩擦型高强螺栓12与柱1的侧壁固定连接。所述梁腹板201嵌插在插槽504中。所述楔形板501的楔形面顶抵在上翼缘202的下表面或下翼缘203的上表面。所述上翼缘202和下翼缘203与楔形板501的结合面处设置有与楔角对应的坡度，以保证钢梁翼缘与楔形板501始终紧贴设置。钢梁翼缘的坡度面与楔形板501形成摩擦副。
所述上翼缘202和下翼缘203上设置有腰形螺栓孔。所述SMA螺栓11依次穿过上翼缘202或下翼缘203的腰形螺栓孔与对应楔形板501的圆形螺栓孔后旋入钢垫块13。腰形螺栓孔的设置使得连接件5和工字形钢梁2之间可以发生相对运动，随着连接件和工字形钢梁2翼缘的相对滑动，SMA螺栓11变形增加使其自复位能力得到激发，同时摩擦副间的摩擦力也增大，节点的耗能能力也不断提高。钢垫块13的设置保证了SMA螺栓11具有足够的长度。为避免SMA螺栓自复位性能受剪切作用的影响，所述SMA螺栓11的头部与工字形钢梁2的接触面涂刷有特氟龙材料层205。
所述上翼缘202的下表面和下翼缘203的上表面还设置有附加连接板204。SMA索10提高了节点的自复位能力。
本实施例节点具有良好的耗能能力和自复位能力，且耗能能力和自复位能力可调，震后修复工作量低，综合经济效益高。地震工况下， SMA螺栓11和SMA索10承受轴向拉力作用。节点可将大部分塑性变形集中在SMA螺栓11和SMA索10上，保证节点的主要部件在地震作用下处于弹性阶段。震后残余变形将有效减少，若要修复，则只需替换结构中发生破坏的少量部件，从而减少修复时间，降低地震带来的损失以及修复难度和成本。
值得说明的是，基于超弹性SMA材料、节点及构件层面的滞回性能试验研究结果表明，本实施例具有优良的应用前景。本实施例节点的旋转中心位于连接件5与钢梁翼缘的连接处，因此外伸翼缘503与工字形钢梁2之间的连接仅承受轴向拉力，符合SMA索10的受力特点。节点中变形主要集中在SMA螺栓11和SMA索10上，同时不断增大的摩擦力提高节点的耗能能力。本实施例提供的节点既具有耗能能力又有自复位能力，从而降低破坏的可能性，减小震后残余变形和损失，而且该节点满足了现场安装方便的要求，同时未对梁翼缘截面有任何削弱，保证了节点的整体刚度和局部刚度。节点解决了现有节点耗能性能和自复位性能难以同时兼备的缺陷。SMA螺栓11在节点连接中的应用使节点具有自复位能力，避免了后张法中需严格控制预应力以及SMA螺栓自复位性能受剪切影响较大等问题。同时在节点构造中利用连接件和钢梁之间的摩擦进行耗能，实现了耗能和自复位性能的有机平衡。
实施例2：
本实施例公开一种关于实施例1所述装配式自复位梁柱节点的施工方法，包括以下步骤：
1)在工厂标准化生产柱1、工字形钢梁2、连接件5、SMA索10和SMA螺栓11。在工字形钢梁2翼缘的端部开设腰形螺栓孔。在工字形钢梁2上翼缘202的下表面和下翼缘203的上表面焊接附加连接板204。
2)使SMA螺栓11的螺杆依次穿过工字形钢梁2翼缘的腰形螺栓孔与对应楔形板501的圆形螺栓孔后旋入钢垫块13，将工字形钢梁2和连接件5连接压紧。
3)使用SMA索10将外伸翼缘503与钢梁附加连接板204连接。所述工字形钢梁2、连接件5、SMA索10和SMA螺栓11共同组成为组合部件。
4)将步骤3)安装好的组合部件通过摩擦型高强螺栓12安装在柱1侧壁的预设位置。
本实施例中，采用SMA螺栓连接并压紧钢梁翼缘和连接件，保证摩擦副在滑动过程中始终保持紧贴。梁翼缘上开设腰形螺栓孔实现两者间的相对滑动，滑动过程中SMA螺栓变形增加使其自复位能力得到激发，同时摩擦副间摩擦力增大，提高了节点的耗能能力。另一方面，采用SMA索连接连接件的外伸翼缘和钢梁上的附加连接板，以实现在更大变形下节点的多组件耗能与自复位能力。实现了自复位性能和耗能能力的平衡，解决了现有节点耗能特性和自复位特性难以同时兼备的困难。

Claims (2)

1.一种装配式自复位梁柱节点，其特征在于：包括柱（1）、工字形钢梁（2）、连接件（5）、SMA索（10）和SMA螺栓（11）；
所述柱（1）为工字形钢柱；所述柱（1）的腹板处焊接加劲肋（101）；
所述连接件（5）包括竖板（502），以及布置在竖板（502）一侧板面上的L形板件；所述L形板件的长肢为楔形板（501），短肢为外伸翼缘（503）；所述楔形板（501）的板面包括平直面与楔形面；所述平直面与楔形面之间成楔角；所述外伸翼缘（503）为平直板；所述外伸翼缘（503）与竖板（502）平行布置；所述外伸翼缘（503）设置在楔形板（501）的平直面一侧；所述L形板件沿轴线开设有供梁腹板（201）容置的插槽（504）；所述楔形板（501）、竖板（502）和外伸翼缘（503）上均开设有圆形螺栓孔；
所述工字形钢梁（2）包括梁腹板（201）、上翼缘（202）和下翼缘（203）；所述上翼缘（202）和下翼缘（203）与柱（1）接合位置处分别设置有一个连接件（5）；每个连接件（5）的竖板（502）均通过摩擦型高强螺栓（12）与柱（1）的翼缘固定连接；所述梁腹板（201）嵌插在插槽（504）中；所述楔形板（501）的楔形面顶抵在上翼缘（202）的下表面或下翼缘（203）的上表面；所述上翼缘（202）和下翼缘（203）与楔形板（501）的结合面处设置有坡度；所述上翼缘（202）和下翼缘（203）上设置有腰形螺栓孔；所述SMA螺栓（11）依次穿过上翼缘（202）或下翼缘（203）的腰形螺栓孔与对应楔形板（501）的圆形螺栓孔后旋入钢垫块（13）；所述上翼缘（202）的下表面和下翼缘（203）的上表面还设置有附加连接板（204）；所述SMA索（10）的两端分别锚固在附加连接板（204）和对应外伸翼缘（503）上；
所述SMA螺栓（11）的头部与工字形钢梁（2）的接触面涂刷有特氟龙材料层（205）。
2.一种关于权利要求1所述装配式自复位梁柱节点的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在工厂标准化生产柱（1）、工字形钢梁（2）、连接件（5）、SMA索（10）和SMA螺栓（11）；在工字形钢梁（2）翼缘的端部开设腰形螺栓孔；在工字形钢梁（2）上翼缘（202）的下表面和下翼缘（203）的上表面焊接附加连接板（204）；
2)使SMA螺栓（11）的螺杆依次穿过工字形钢梁（2）翼缘的腰形螺栓孔与对应楔形板（501）的圆形螺栓孔后旋入钢垫块（13），将工字形钢梁（2）和连接件（5）连接压紧；
3)使用SMA索（10）将外伸翼缘（503）与钢梁附加连接板（204）连接；所述工字形钢梁（2）、连接件（5）、SMA索（10）和SMA螺栓（11）共同组成为组合部件；
4)将步骤3)安装好的组合部件通过摩擦型高强螺栓（12）安装在柱（1）翼缘的预设位置。
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