CN112523378A - 一种可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁及其施工方法，H型钢梁的两端进行楔形切削，在上部预留转动空间；H型钢梁下翼缘通过焊接翼缘加强板与H型钢柱翼缘间接连接；剪切板开设长圆孔使得梁端可相对自由转动；加劲肋连接件在靠近梁端的位置与H型钢梁上翼缘通过高强螺栓进行连接，形状记忆合金绞线穿过加劲肋连接件与H型钢柱翼缘的预留孔洞，随后对形状记忆合金绞线施加预应力并通过锚具进行锚固；该钢梁在地震作用下具有自复位功能，并且能够耗散地震输入的能量，同时当梁柱的节点出现开口后，避免整体框架产生膨胀效应。

Description

一种可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁及其施工方法，属于建筑结构工程抗震与减震技术领域。

背景技术

自复位钢结构属于可恢复功能抗震结构，在遭受设防或罕遇水准的地震作用时，能够保持可接受的功能且震后不需修复或稍加修复即可恢复其使用功能。大量的研究结果表明，自复位结构具有优良的抗震性能，震后残余变形小，结构体系易于建造和维护，全寿命成本效益高。

然而，当自复位钢框架梁柱节点开口后，柱轴线间距由于节点开口较之未变形时有增加，框架整体将产生一种膨胀效应，造成难以消化的框架结构内力和梁端转动阻碍，并且整体结构的跨数越多，自复位框架的膨胀效应就越明显。因此现阶段，研究者们从两个方面出发，一方面提出了许多特殊的楼板体系设计以协调框架扩展变形，另一方面便是从梁、柱或节点自身方面进行改进创新，提出一系列不会产生框架膨胀效应的自复位钢框架结构。

发明内容

本发明提供一种可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁及其施工方法，该钢梁在地震作用下具有自复位功能，并且能够耗散地震输入的能量，同时当梁柱的节点出现开口后，避免整体框架产生膨胀效应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁，包括H型钢梁，在H型钢梁的两端分别设置H型钢柱，且H型钢梁与H型钢柱垂直布设，前述的H型钢梁的两端进行楔形切削，使得H型钢梁呈梯形状设置，且定义其顶部的上翼缘长度小于底部的下翼缘长度；

以H型钢梁的腹板为对称面，在对称面的两侧分别布设加劲肋连接件，每侧设置两个，且加劲肋连接件位于H型钢梁的上翼缘与下翼缘之间，两个加劲肋连接件分别靠近H型钢梁的两个梁端，加劲肋连接件的加劲肋与H型钢梁的腹板紧密贴合，加劲肋连接件的角钢长肢与H型钢梁的上翼缘固定；

每个H型钢柱腹板的两侧分别布设一根形状记忆合金绞线，形状记忆合金绞线同时穿过H型钢柱的翼缘以及加劲肋连接件，且每根形状记忆合金绞线匹配一个加劲肋连接件；

在H型钢梁的两端分别设置剪切板，剪切板与H型钢梁的腹板连接，剪切板的侧边焊接在H型钢柱的翼缘上；

在H型钢梁的下翼缘两端外侧贴合焊接两块翼缘加强板，每块翼缘加强板的端部与H型钢柱的翼缘焊接；

作为本发明的进一步优选，加劲肋连接件通过高强螺栓与H型钢梁的上翼缘固定；

作为本发明的进一步优选，在H型钢梁的腹板两端开设若干圆孔，每个圆孔直径与高强螺栓杆径匹配；在剪切板上开设若干长圆孔，高强螺栓顺次穿过长圆孔、圆孔将剪切板与H型钢梁腹板连接，且高强螺栓可以在长圆孔内滑动；

作为本发明的进一步优选，在H型钢柱的翼缘预留孔洞，形状记忆合金绞线穿过孔洞、加劲肋连接件，对每根形状记忆合金绞线施加预应力，且形状记忆合金绞线伸出H型钢柱和加劲肋连接件的端部通过锚具进行锚固；

作为本发明的进一步优选，形状记忆合金绞线穿设H型钢柱部分的上下两侧分别设置柱加劲肋；

在H型钢柱内与翼缘加强板等高的位置同样设置柱加劲肋；

一种基于上述任意所述的可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁的施工方法，

第一步，按照设计要求，对H型钢梁的两端进行楔形切削，在H型钢梁的腹板、H型钢梁的上翼缘、H型钢柱的翼缘以及加劲肋连接件上开设圆孔，在剪切板上开设长圆孔；

第二步，将翼缘加强板与H型钢梁梁端的下翼缘外侧进行焊接，高强螺栓顺次穿过加劲肋连接件的角钢长肢的圆孔、H型钢梁上翼缘的圆孔将加劲肋连接件与H型钢梁固定连接；

第三步，将柱加劲肋的两端分别焊接在H型钢柱的翼缘内侧，柱加劲肋的侧边与H型钢柱的腹板焊接，剪切板的侧边焊接在H型钢柱的翼缘外侧；

第四步，将装配后的H型钢梁整体吊装，与H型钢柱对位，通过高强螺栓将剪切板与H型钢梁腹板进行连接，接着将翼缘加强板的端部焊接在H型钢柱的翼缘上；

第五步，将形状记忆合金绞线顺次穿过H型钢柱翼缘、加劲肋连接件的角钢短肢上预设的圆孔，同时在形状记忆合金绞线伸出H型钢柱和加劲肋连接件的端部安装锚具，根据设计要求采用千斤顶张拉施加预应力。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用形状记忆合金制成的绞线为钢梁提供自回复驱动力，可以实现在地震影响下的自复位功能，消除了残余变形，使得梁柱主体构件在地震影响下依旧保持弹性；

2、本发明提供的形状记忆合金绞线，其材料本身即具有耗能特性，可以实现耗散地震输入能量的目的；

3、本发明将H型钢梁的两端进行楔形切削， H型钢梁呈梯形状设置，使得整体的钢梁结构在梁端转动时，不会产生附加的框架膨胀效应，消除了因梁端转动产生的框架结构内力以及梁端转动的阻碍。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的优选实施例的主视图；

图2是本发明提供的图1中A-A的剖面示意图；

图3是本发明提供的图1中B-B的剖面示意图；

图4是本发明提供的图1中C-C的剖面示意图。

图中：1为H型钢梁，2为翼缘加强板，3为H型钢柱，4为柱加劲肋，5为形状记忆合金绞线，6为锚具，7为加劲肋连接件，8为剪切板，9为高强螺栓。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明旨在提供一种消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁，在具备自复位功能的同时，可以避免梁柱节点发生开口后框架整体发生膨胀效应；首先要说明的是，本申请涉及到的所有构配件均可于工厂预制生产、加工，将H型钢梁1的两端进行楔形切削，使得H型钢梁呈梯形状设置，且定义其顶部的上翼缘长度小于底部的下翼缘长度；此种梯形结构的设置如图1所示，当其与H型钢柱3连接后可在上部预留转动空间；

以H型钢梁腹板作为对称面，对称面两侧分别布设加劲肋连接件7，每侧设置两个，共有四个，且加劲肋连接件位于H型钢梁的上翼缘与下翼缘之间，两个加劲肋连接件分别靠近H型钢梁的两个梁端，至于加劲肋连接件与对应梁端的距离根据设计要求确定，从图中可以看出，加劲肋连接件包括加劲肋和角钢，加劲肋垂直角钢布设，角钢长肢和角钢短肢垂直布设，加劲肋连接件的加劲肋与H型钢梁的腹板紧密贴合，加劲肋连接件的角钢长肢通过高强螺栓9与H型钢梁的上翼缘固定；

每个H型钢柱腹板的两侧分别布设一根形状记忆合金绞线5，形状记忆合金绞线同时穿过H型钢柱的翼缘以及加劲肋连接件，且每根形状记忆合金绞线匹配一个加劲肋连接件，图4所示，即共有四根形状记忆合金绞线；具体的在H型钢柱的翼缘预留孔洞，形状记忆合金绞线穿过孔洞、加劲肋连接件，图3所示，形状记忆合金绞线伸出H型钢柱以及加劲肋连接件的端部通过锚具进行锚固，对每根形状记忆合金绞线施加预应力，预应力大小根据设计要求确定，使得H型钢梁的上翼缘在初始状态下受拉，在承受竖向荷载时可以抵消部分压应力；本申请提供的形状记忆合金绞线在常温低应力状态下为奥氏体相，具有超弹性特性及耗能能力，使用前需对形状记忆合金绞线进行适当热处理及训练，保证其性能稳定；通过利用形状记忆合金绞线的超弹性实现了H型钢梁的自复位能力，同时由于其自身具有稳定的耗能特性，可以提供钢梁在地震影响下的耗能能力。

在H型钢梁的下翼缘两端外侧贴合焊接两块翼缘加强板2，每块翼缘加强板的端部与H型钢柱的翼缘焊接，形状记忆合金绞线的设置抵消了H型钢梁的上翼缘的部分压应力，同时配合翼缘加强板的设置，可以使得节点在正常状态下具有足够稳定的抗弯承载力以及刚度。

在H型钢梁的两端分别设置剪切板8，剪切板与H型钢梁的腹板连接，剪切板的侧边焊接在H型钢柱的翼缘上；具体的，在H型钢梁的腹板两端开设若干圆孔，每个圆孔直径与高强螺栓杆径匹配；在剪切板上开设若干长圆孔，高强螺栓顺次穿过长圆孔、圆孔将剪切板与H型钢梁腹板连接；图2所示，本申请提供的优选实施例中，圆孔以及长圆孔均为三个，剪切板承担并传递竖向剪力，通过长圆孔的设置，可以使得高强螺栓可以在长圆孔内滑动，从而实现梁端能够进行较大幅度的转动。

在本申请中，形状记忆合金绞线穿设H型钢柱部分的上下两侧分别设置柱加劲肋4；在H型钢柱内与翼缘加强板等高的位置同样设置柱加劲肋；柱加劲肋可以增加H型钢柱的结构刚度，减小了因翼缘加强板和形状记忆合金绞线集中力造成的局部变形。

以图1所示的位置作阐述，当H型钢梁相对于H型钢柱进行逆时针旋转时，H型钢梁左侧上部与左侧相邻的H型钢柱之间的间距减小，左侧的形状记忆合金绞线中拉力减小，此时H型钢梁右侧上部与右侧相邻H型钢柱之间的间距增大，右侧的形状记忆合金绞线中拉力增大，那么两端不平衡的拉力迫使H型钢梁回复至初始位置；

当H型钢梁相对于H型钢柱顺时针旋转时同理可知；由于H型钢梁的上部与相邻H型钢柱的翼缘之间预留了足够满足梁端转动的间隙，因此在地震影响下，不会引起整个结构的膨胀效应。

本申请还提供了基于上述所述的可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁的施工方法，

第一步，按照设计要求，对H型钢梁的两端进行楔形切削，在H型钢梁的腹板、H型钢梁的上翼缘、H型钢柱的翼缘以及加劲肋连接件上开设圆孔，在剪切板上开设长圆孔；

第二步，将翼缘加强板与H型钢梁梁端的下翼缘外侧进行焊接，高强螺栓顺次穿过加劲肋连接件的角钢长肢的圆孔、H型钢梁上翼缘的圆孔将加劲肋连接件与H型钢梁固定连接；

第三步，将柱加劲肋的两端分别焊接在H型钢柱的翼缘内侧，柱加劲肋的侧边与H型钢柱的腹板焊接，剪切板的侧边焊接在H型钢柱的翼缘外侧；

第四步，将装配后的H型钢梁整体吊装，与H型钢柱对位，通过高强螺栓将剪切板与H型钢梁腹板进行连接，接着将翼缘加强板的端部焊接在H型钢柱的翼缘上；

第五步，将形状记忆合金绞线顺次穿过H型钢柱翼缘、加劲肋连接件的角钢短肢上预设的圆孔，同时在形状记忆合金绞线伸出H型钢柱和加劲肋连接件的端部安装锚具6，根据设计要求采用千斤顶张拉施加预应力。

上述施工方法中，第一步至第三步中关于切削、开孔、焊接以及螺栓连接均可在工厂中进行，第四步至第五步中吊装、对位、焊接、螺栓连接、张拉以及锚固在施工现场进行。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁，包括H型钢梁，在H型钢梁的两端分别设置H型钢柱，且H型钢梁与H型钢柱垂直布设，其特征在于：前述的H型钢梁的两端进行楔形切削，使得H型钢梁呈梯形状设置，且定义其顶部的上翼缘长度小于底部的下翼缘长度；

以H型钢梁的腹板为对称面，在对称面的两侧分别布设加劲肋连接件，每侧设置两个，且加劲肋连接件位于H型钢梁的上翼缘与下翼缘之间，两个加劲肋连接件分别靠近H型钢梁的两个梁端，加劲肋连接件的加劲肋与H型钢梁的腹板紧密贴合，加劲肋连接件的角钢长肢与H型钢梁的上翼缘固定；

每个H型钢柱腹板的两侧分别布设一根形状记忆合金绞线，形状记忆合金绞线同时穿过H型钢柱的翼缘以及加劲肋连接件，且每根形状记忆合金绞线匹配一个加劲肋连接件；

在H型钢梁的两端分别设置剪切板，剪切板与H型钢梁的腹板连接，剪切板的侧边焊接在H型钢柱的翼缘上；

在H型钢梁的下翼缘两端外侧贴合焊接两块翼缘加强板，每块翼缘加强板的端部与H型钢柱的翼缘焊接。

2.根据权利要求1所述的可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁，其特征在于：加劲肋连接件通过高强螺栓与H型钢梁的上翼缘固定。

3.根据权利要求1所述的可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁，其特征在于：在H型钢梁的腹板两端开设若干圆孔，每个圆孔直径与高强螺栓杆径匹配；在剪切板上开设若干长圆孔，高强螺栓顺次穿过长圆孔、圆孔将剪切板与H型钢梁腹板连接，且高强螺栓可以在长圆孔内滑动。

4.根据权利要求1所述的可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁，其特征在于：在H型钢柱的翼缘预留孔洞，形状记忆合金绞线穿过孔洞、加劲肋连接件，对每根形状记忆合金绞线施加预应力，且形状记忆合金绞线伸出H型钢柱和加劲肋连接件的端部通过锚具进行锚固。

5.根据权利要求1所述的可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁，其特征在于：形状记忆合金绞线穿设H型钢柱部分的上下两侧分别设置柱加劲肋；

在H型钢柱内与翼缘加强板等高的位置同样设置柱加劲肋。

6.一种基于上述任意权利要求所述的可消除框架膨胀效应的自复位耗能钢梁的施工方法，其特征在于：

第一步，按照设计要求，对H型钢梁的两端进行楔形切削，在H型钢梁的腹板、H型钢梁的上翼缘、H型钢柱的翼缘以及加劲肋连接件上开设圆孔，在剪切板上开设长圆孔；

第二步，将翼缘加强板与H型钢梁梁端的下翼缘外侧进行焊接，高强螺栓顺次穿过加劲肋连接件的角钢长肢的圆孔、H型钢梁上翼缘的圆孔将加劲肋连接件与H型钢梁固定连接；

第三步，将柱加劲肋的两端分别焊接在H型钢柱的翼缘内侧，柱加劲肋的侧边与H型钢柱的腹板焊接，剪切板的侧边焊接在H型钢柱的翼缘外侧；

第四步，将装配后的H型钢梁整体吊装，与H型钢柱对位，通过高强螺栓将剪切板与H型钢梁腹板进行连接，接着将翼缘加强板的端部焊接在H型钢柱的翼缘上；

第五步，将形状记忆合金绞线顺次穿过H型钢柱翼缘、加劲肋连接件的角钢短肢上预设的圆孔，同时在形状记忆合金绞线伸出H型钢柱和加劲肋连接件的端部安装锚具，根据设计要求采用千斤顶张拉施加预应力。

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