CN112376696B - 兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点及其组装方法 - Google Patents

兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点及其组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点及其组装方法，本发明包括位于同一轴线上的两段钢梁，钢梁通过翼缘内、外侧异型叠合阻尼板和腹板两侧的抗剪连接板三部分集成为整体。内、外侧异型叠合阻尼板均由SMA板和削弱型低屈服点钢板叠合组成，固定于SMA板上的协同受力块穿过削弱型低屈服点钢板以加强两者之间的连接。削弱型低屈服点钢板、SMA板先后屈服实现了耗能时序的目标，同时SMA板提供了自复位能力。本发明结构具有构造简单、耗能稳定、自复位效果优良等特点，钢梁受弯时，将传统翼缘受拉、压模式转化为异型叠合阻尼板的受弯形式，避免了传统翼缘受压而导致的失稳及承载力下降等问题。

Description

兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点及其组装方法
技术领域
本发明属于建筑物中的节点构造领域，本发明涉及一种兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点及其组装方法。
背景技术
钢结构具有加工制造污染小、安装使用方便、拆除回收利用率高等优点，在整个生命周期满足绿色建筑要求。可以预见的是，钢结构在未来土木建筑的发展中将发挥重要的作用。
典型钢结构节点通常采用焊接、高强螺栓连接的构造形式。在1994年美国北岭地震中，针对钢结构房屋梁柱连接节点发生脆性断裂的现象，学者通过削弱梁端截面的方式改善了节点的受力性能，但在强震作用下，若削弱处发生严重的屈曲，将会导致节点承载力急剧下降，且震后将存在较大的残余变形，造成震后修复技术复杂、成本高昂的代价。近年来，国内外学者提出了利用钢板对节点进行连接的想法，如本发明第一发明人已授权的公开号为CN 109057026 A的专利文件，采用了SMA-钢板组的形式，该形式虽然避免了梁端截面削弱带来的不足，但由于将弹性模量差别较大的钢板、SMA板分别置于翼缘内、外侧，缺失了两板叠合的有效性，无法实现两板的协同受力变形。同时若钢板、SMA板较薄，在未有效叠合的状态下其通过两板轴力传递弯矩的传力模式易引起面外失稳，进而导致节点承载力下降等问题。另已授权的公开号为CN 109680819 A的专利文件，虽然将钢板与SMA板叠合，但两板在耗能处缺少连接，亦无法实现有效叠合的目标。另一方面，该节点构造复杂，对各构件的连接可靠性要求较高，不利于工程应用。因此，通过对节点连接进行改造，提出受力性能优良、耗能能力稳定的节点具有重要意义。
交错桁架结构是在钢框架结构上演变而来的可用于高层钢结构建筑的一种结构方案，其基本结构组成是柱子、平面钢桁架和楼面板。柱子沿房屋周边布置，中间无柱，且桁架在相邻柱子上为上下交错布置，楼板一端搁置在桁架的上弦，另一端则搁置在相邻桁架的下弦。故弦杆在交错桁架结构受力过程中发挥了重要作用，具有自复位能力的弦杆可促进交错桁架结构震后快速恢复正常使用功能。因此，开展应用于交错桁架弦杆的自复位节点具有一定的意义，目前相关研究工作尚未开展。
低屈服点钢具有屈服点低、屈强比小、延性好、耗能稳定等优点，是一种理想的耗能材料；镍钛形状记忆合金（SMA）作为一种智能材料，具有良好的耗能和自复位能力，其中SMA板材，可恢复应变约为4%，但SMA板材受弯、受剪及受压性能均不如受拉优异。基于此，利用削弱型低屈服点钢板优良的受力特性和SMA板的自复位性能，将两者进行合理叠合，设计为相互约束的异型叠合阻尼板以实现节点兼有耗能与自复位特性的目标，目前相关研究工作尚未开展。
发明内容
本发明的目的在于克服既有耗能节点的不足，提出一种构造简单、耗能稳定、自复位效果优良、安装方便实现钢梁受弯时，将传统翼缘受拉、压模式转化为异型叠合阻尼板受弯形式的建筑物构造及其装配方法。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，包括位于同一轴线上的两段钢梁；钢梁之间通过异型叠合阻尼板和抗剪连接板相连；所述抗剪连接板一端成形有长圆螺栓孔和圆形螺栓孔，另一端成形有圆形螺栓孔，螺栓分别穿过长圆螺栓孔和圆形螺栓孔将抗剪连接板与两段钢梁连接在一起；异型叠合阻尼板中部形成沿钢梁长度方向弯曲的圆弧段，圆弧段两端连接有平直段，平直段分别与两段钢梁固定连接；异型叠合阻尼板包括叠合在一起的SMA板和钢板。
进一步的改进，所述SMA板处于钢板外侧；SMA板固定连接有协同受力块，钢板上成形有容纳协同受力块的孔洞。
进一步的改进，所述孔洞为矩形孔洞，协同受力块上、下表面为弧形表面，四周为平面。
进一步的改进，所述钢板为削弱型低屈服点钢板，削弱型低屈服点钢板的屈服应力范围为100MPa-160MPa；削弱型低屈服点钢板包括内侧削弱型低屈服点钢板和外侧削弱型低屈服点钢板；内侧削弱型低屈服点钢板通过开设矩形孔洞实现一次削弱；外侧削弱型低屈服点钢板首先开设矩形孔洞，然后对矩形孔洞所在位置的两侧进行切割形成弧形凹槽实现二次削弱。
进一步的改进，所述弧形凹槽对应的圆的半径为L/3-L/2,对应的圆心角为80°—100°。
进一步的改进，所述钢梁为工字型；两段钢梁的翼缘外侧通过外侧异型叠合阻尼板相连，翼缘内侧通过翼缘内侧异型叠合阻尼板相连；两段钢梁的腹板两侧通过抗剪连接板相连。
进一步的改进，所述外侧异型叠合阻尼板的平直段、内侧异型叠合阻尼板的平直段和钢梁的翼缘通过高强螺栓固定连接在一起；钢梁的上、下翼缘对称布置，同时内侧异型叠合阻尼板关于钢梁腹板两侧对称布置。
进一步的改进，异型叠合阻尼板的圆弧段对应的弦长为L，则圆弧段隆起高度为L/5—L/3。
进一步的改进，所述抗剪连接板一端成形有两个相互平行设置的长圆螺栓孔和一个圆形螺栓孔；圆形螺栓孔处于两个长圆螺栓孔之间。
一种兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点的组装方法，包括如下步骤：
步骤一：在工厂标准化生产加工钢梁、外侧SMA板、协同受力块、外侧削弱型低屈服点钢板、内侧SMA板、内侧削弱型低屈服点钢板、抗剪连接板；在外侧SMA板、内侧SMA板的圆弧段中部和协同受力块的圆弧段中部分别开设对应的螺栓孔，在外侧削弱型低屈服点钢板、内侧削弱型低屈服点钢板中部的圆弧段开设供协同受力块穿过的矩形孔洞，在外侧SMA板、外侧削弱型低屈服点钢板、内侧SMA板以及内侧削弱型低屈服点钢板两端平直段分别开设螺栓孔；对外侧削弱型低屈服点钢板中部的圆弧段开设的矩形孔洞处的两侧进行切割形成弧形凹槽；在抗剪连接板一端开设圆形螺栓孔，另一端同时开设圆形螺栓孔和长圆螺栓孔；在钢梁翼缘及腹板相应部位开设螺栓孔；
步骤二：将协同受力块分别与外侧SMA板、内侧SMA板进行螺栓连接固定；外侧SMA板、内侧SMA板利用协同受力块分别穿过外侧削弱型低屈服点钢板、内侧削弱型低屈服点钢板中部圆弧段的矩形孔洞，两板叠合后分别形成外侧异型叠合阻尼板、内侧异型叠合阻尼板；
步骤三：在钢梁的翼缘处，高强螺栓依次穿过上翼缘外侧异型叠合阻尼板、钢梁上翼缘、上翼缘内侧异型叠合阻尼板并拧紧；高强螺栓依次穿过下翼缘内侧异型叠合阻尼板、钢梁下翼缘、下翼缘外侧异型叠合阻尼板并拧紧；
步骤四：将在钢梁腹板两侧对称布置的抗剪连接板和钢梁腹板通过高强螺栓依次穿过圆形螺栓孔和长圆螺栓孔进行连接。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过提出的异型叠合阻尼板构造，在钢梁受弯时，将翼缘受拉、压转化为异型叠合阻尼板的受弯形式，使得该节点具有稳定的耗能能力，且塑性变形集中在异型叠合阻尼板中部圆弧段，避免了传统翼缘受压而导致的节点屈曲失稳、承载力下降及脆性破坏等问题，此外，显著改善了震中及震后的力学性能，实现了损伤控制的目标。
2、固定在SMA板上的协同受力块穿过削弱型低屈服点钢板，能够增强异型叠合阻尼板的整体性，使得钢梁在受弯状态下，SMA板和削弱型低屈服点钢板协同受力变形，避免了异型叠合阻尼板出现失稳问题。
3、通过改进构造，对上、下翼缘外侧削弱型低屈服点钢板中部圆弧段开设的矩形孔洞两侧进行二次削弱，保证形成的削弱型的狗骨式削弱型低屈服点钢板先于其外部SMA板屈服，以实现耗能时序以及自复位的目标。
4、SMA板叠合在削弱型低屈服点钢板外部，对其形成的包络作用，有助于节点在充分发挥耗能能力后，还可依靠SMA板实现自复位目标。
5、抗剪连接板和螺栓承受剪力作用，抗剪连接板上开设有普通圆形螺栓孔和长圆螺栓孔以增强节点的转动能力，从而使异型叠合阻尼板更好地发挥耗能能力。
6、本发明对异型叠合阻尼板中的削弱型低屈服点钢板进行削弱，避免了异型叠合阻尼板圆弧段与两端平直段连接处的应力集中破坏，体现了“强柱弱梁”的设计准则。
7、本发明安装简单方便，装配化程度高，循环性能强，且根据SMA板和削弱型低屈服点钢板的厚度及削弱程度的可调性，可以实现对节点的损伤控制。
附图说明
图1为本发明在交错桁架结构中的位置示意图；
图2为本发明轴测图；
图3为本发明正视图及侧视图；
图4为本发明翼缘内、外侧异型叠合阻尼板正视图；
图5为本发明翼缘外侧异型叠合阻尼板拆解示意图；
图6为本发明翼缘内侧异型叠合阻尼板拆解示意图；
图7为翼缘外侧削弱型低屈服点钢板俯视图；
图8为开有孔洞的抗剪连接板示意图；
图9为本发明的兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点受正弯矩状态下的变形图；
图10为本发明的兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点受负弯矩状态下的变形图；
其中，各个部件的编号为：1、钢梁；2、外侧异型叠合阻尼板；2-1、外侧SMA板；2-2、协同受力块；2-3、外侧削弱型低屈服点钢板；3、内侧异型叠合阻尼板；3-1、内侧SMA板；3-2、内侧削弱型低屈服点钢板；4、抗剪连接板；4-1、长圆螺栓孔；5、圆弧段；6、平直段；7、弧形凹槽。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细阐述。
一方面，本发明提供了一种兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，如图1至图10所示，包括钢梁1、外侧异型叠合阻尼板2、内侧异型叠合阻尼板3及抗剪连接板4，其中：
钢梁1为位于同一轴线上两段工字型钢梁，其腹板和翼缘上开有相应的螺栓孔；
外侧异型叠合阻尼板2由外侧SMA板2-1和外侧削弱型低屈服点钢板2-3叠合组成，外侧SMA板2-1通过螺栓机械连接固定的两个协同受力块2-2穿过外侧削弱型低屈服点钢板2-3上相应的两个矩形孔洞，使得外侧SMA板2-1和外侧削弱型低屈服点钢板2-3相互紧贴，此外，对外侧削弱型低屈服点钢板2-3中部圆弧段开设的矩形孔洞两侧按照实际需求进行切割形成弧形凹槽7，保证外侧削弱型低屈服点钢板2-3先于外侧SMA板2-1屈服，进而实现先耗能再通过外侧SMA板2-1自复位的目标；
内侧异型叠合阻尼板3由内侧SMA板3-1和内侧削弱型低屈服点钢板3-2叠合组成，内侧SMA板3-1通过螺栓机械连接固定的一个协同受力块2-2穿过内侧削弱型低屈服点钢板3-2上相应的矩形孔洞，使得内侧SMA板3-1和内侧削弱型低屈服点钢板3-2相互紧贴；
抗剪连接板4在腹板两侧对称布置，其在腹板一端开有六个普通圆形螺栓孔，在腹板另一端开有一个普通圆形螺栓孔以及两个长圆螺栓孔4-1，可以提高节点的转动能力和延性；
本发明通过提出的异型叠合阻尼板构造，在钢梁受弯时，将翼缘传统受拉、压模式转化为异型叠合阻尼板的受弯形式，使得该节点具有稳定的耗能能力，且塑性变形集中在异型叠合阻尼板中部圆弧段，避免了传统翼缘受压而导致的节点屈曲失稳、承载力下降及脆性破坏等问题，显著改善了震中及震后的力学性能。此外，本发明结构具有构造简单、耗能稳定、自复位效果优良、安装方便等特点，且根据SMA板和削弱型低屈服点钢板的厚度及削弱程度的可调性，可以实现对节点的损伤控制。
另一方面，本发明还提供一种上述兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点的组装方法如下：
步骤一：在工厂标准化生产加工钢梁1、两块外侧SMA板2-1、八块协同受力块2-2、两块外侧削弱型低屈服点钢板2-3、四块内侧SMA板3-1、四块内侧削弱型低屈服点钢板3-2、两块抗剪连接板4；在外侧SMA板2-1中部圆弧段开设两个和协同受力块2-2弧形中部对应的螺栓孔，在内侧SMA板3-1顶部中部圆弧段开设一个和协同受力块2-2弧形中部对应的螺栓孔，在中部圆弧段开设两个矩形孔洞以形成外侧削弱型低屈服点钢板2-3，在中部圆弧段开设一个矩形孔洞以形成内侧削弱型低屈服点钢板3-2，在外侧SMA板2-1、外侧削弱型低屈服点钢板2-3两端平直段分别开设八个螺栓孔，在内侧SMA板3-1及内侧削弱型低屈服点钢板3-2两端平直段分别开设四个螺栓孔，此外，对外侧削弱型低屈服点钢板2-3中部圆弧段开设的两个矩形孔洞两侧进行切割形成弧形凹槽7，以异型叠合阻尼板中心线为参考基准，定义中部圆弧段对应的弦长为L，则弧形凹槽7对应的圆的半径为L/3—L/2、对应的圆心角为80°—100°，具体参数根据实际需求确定；在抗剪连接板4一端开设六个圆形螺栓孔，另一端同时开设一个圆形螺栓孔和两个长圆螺栓孔4-1；在钢梁1腹板处开设和抗剪连接板4对应的螺栓孔，在钢梁1翼缘处开设与外侧异型叠合阻尼板2、内侧异型叠合阻尼板3对应的螺栓孔；
步骤二：高强螺栓依次穿过翼缘外侧SMA板2-1和协同受力块2-2上的圆形螺栓孔将两个协同受力块2-2和外侧SMA板2-1进行固定，外侧SMA板2-1利用两个协同受力块2-2分别穿过外侧削弱型低屈服点钢板2-3上的两个矩形孔洞以形成外侧异型叠合阻尼板2，同理，高强螺栓依次穿过内侧SMA板3-1和协同受力块2-2上的圆形螺栓孔将一个协同受力块2-2和内侧SMA板3-1进行固定，内侧SMA板3-1利用一个协同受力块2-2穿过内侧削弱型低屈服点钢板3-2上的矩形孔洞以形成内侧异型叠合阻尼板3；
步骤三：在钢梁1的翼缘处，十六个高强螺栓依次穿过上翼缘外侧异型叠合阻尼板2、钢梁1上翼缘、上翼缘内侧异型叠合阻尼板3的圆形螺栓孔并拧紧，十六个高强螺栓依次穿过下翼缘内侧异型叠合阻尼板3、钢梁1下翼缘、下翼缘外侧异型叠合阻尼板2的圆形螺栓孔并拧紧；
步骤四：将在钢梁1腹板两侧对称布置的两块抗剪连接板4和钢梁1腹板通过九个高强螺栓依次穿过圆形螺栓孔和长圆螺栓孔4-1进行连接。
上述仅仅为本发明的一个具体实施例，对其进行的简单改进和替换均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，其特征在于，包括位于同一轴线上的两段钢梁（1）；钢梁（1）之间通过异型叠合阻尼板和抗剪连接板（4）相连；所述抗剪连接板（4）一端成形有长圆螺栓孔（4-1）和圆形螺栓孔，另一端成形有圆形螺栓孔，螺栓分别穿过长圆螺栓孔（4-1）和圆形螺栓孔将抗剪连接板（4）与两段钢梁（1）连接在一起；异型叠合阻尼板中部形成沿钢梁（1）长度方向弯曲的圆弧段（5），圆弧段（5）两端连接有平直段（6），平直段（6）分别与两段钢梁（1）固定连接；异型叠合阻尼板包括叠合在一起的SMA板和钢板；所述SMA板处于钢板外侧；SMA板固定连接有协同受力块（2-2），钢板上成形有容纳协同受力块（2-2）的孔洞。
2.如权利要求1所述的兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，其特征在于，所述孔洞为矩形孔洞，协同受力块（2-2）上、下表面为弧形表面，四周为平面。
3.如权利要求1所述的兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，其特征在于，所述钢板为削弱型低屈服点钢板，削弱型低屈服点钢板的屈服应力范围为100MPa-160MPa；削弱型低屈服点钢板包括内侧削弱型低屈服点钢板（3-2）和外侧削弱型低屈服点钢板（2-3）；内侧削弱型低屈服点钢板（3-2）通过开设矩形孔洞实现一次削弱；外侧削弱型低屈服点钢板（2-3）首先开设矩形孔洞，然后对矩形孔洞所在位置的两侧切削形成弧形凹槽（7）实现二次削弱。
4.如权利要求3所述的兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，其特征在于，所述弧形凹槽（7）对应的圆的半径为L/3-L/2,对应的圆心角为80°—100°。
5.如权利要求1所述的兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，其特征在于，所述钢梁（1）为工字型；两段钢梁（1）的翼缘外侧通过外侧异型叠合阻尼板（2）相连，翼缘内侧通过内侧异型叠合阻尼板（3）相连；两段钢梁（1）的腹板两侧通过抗剪连接板（4）相连。
6.如权利要求5所述的兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，其特征在于，所述外侧异型叠合阻尼板（2）的平直段（6）、内侧异型叠合阻尼板（3）的平直段（6）和钢梁（1）的翼缘通过高强螺栓固定连接在一起；钢梁（1）的上、下翼缘对称布置，同时内侧异型叠合阻尼板（3）关于钢梁（1）腹板两侧对称布置。
7.如权利要求1所述的兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，其特征在于，所述异型叠合阻尼板的圆弧段（5）对应的弦长为L，则圆弧段（5）隆起高度为L/5—L/3。
8.如权利要求1所述的兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点，其特征在于，所述抗剪连接板（4）一端成形有两个相互平行设置的长圆螺栓孔（4-1）和一个圆形螺栓孔；圆形螺栓孔处于两个长圆螺栓孔（4-1）之间。
9.一种兼具多重耗能与自复位特性的建筑物节点的组装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在工厂标准化生产加工钢梁（1）、外侧SMA板（2-1）、协同受力块（2-2）、外侧削弱型低屈服点钢板（2-3）、内侧SMA板（3-1）、内侧削弱型低屈服点钢板（3-2）、抗剪连接板（4）；在外侧SMA板（2-1）、内侧SMA板（3-1）的圆弧段中部和协同受力块（2-2）的圆弧段中部分别开设对应的螺栓孔，在外侧削弱型低屈服点钢板（2-3）、内侧削弱型低屈服点钢板（3-2）中部的圆弧段开设供协同受力块（2-2）穿过的矩形孔洞，在外侧SMA板（2-1）、外侧削弱型低屈服点钢板（2-3）、内侧SMA板（3-1）以及内侧削弱型低屈服点钢板（3-2）两端平直段分别开设螺栓孔；对外侧削弱型低屈服点钢板（2-3）中部的圆弧段开设的矩形孔洞处的两侧进行弧形切割形成弧形凹槽（7）；在抗剪连接板（4）一端开设圆形螺栓孔，另一端同时开设圆形螺栓孔和长圆螺栓孔（4-1）；在钢梁（1）翼缘及腹板相应部位开设螺栓孔；
步骤二：将协同受力块（2-2）分别与外侧SMA板（2-1）、内侧SMA板（3-1）进行螺栓连接固定；外侧SMA板（2-1）、内侧SMA板（3-1）利用协同受力块（2-2）分别穿过外侧削弱型低屈服点钢板（2-3）、内侧削弱型低屈服点钢板（3-2）中部圆弧段的矩形孔洞，两板叠合后分别形成外侧异型叠合阻尼板（2）、内侧异型叠合阻尼板（3）；
步骤三：在钢梁（1）的翼缘处，高强螺栓依次穿过上翼缘外侧异型叠合阻尼板（2）、钢梁（1）上翼缘、上翼缘内侧异型叠合阻尼板（3）并拧紧；高强螺栓依次穿过下翼缘内侧异型叠合阻尼板（3）、钢梁（1）下翼缘、下翼缘外侧异型叠合阻尼板（2）并拧紧；
步骤四：将在钢梁（1）腹板两侧对称布置的抗剪连接板（4）和钢梁（1）腹板通过高强螺栓依次穿过圆形螺栓孔和长圆螺栓孔（4-1）进行连接。
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