CN112554337A - 一种自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点 - Google Patents

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Abstract

一种自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点，预制柱（1）和预制梁（2）通过柱T形连接板（6）、梁T形连接板（7）和销轴（11）铰接连接，所述柱T形连接板的第一耳板（6‑2）和梁T形连接板的第二耳板（7‑2）之间安装可以实现变刚度的鞍形圆板（8）和橡胶圆板（9），所述高弹性件（13）通过夹具（14）张拉固定栓接于柱T形连接板的第一立板（6‑1）与梁T形连接板的第二立板（7‑1）上的U形卡槽（12）之间。本发明实现了不同强度外荷载作用下结构的自适应控制，避免了构件发生较大的塑性损伤，同时在震后基本可以实现完全复位，节点全程干作业施工，连接可靠，安装方便，可快速更换。

Description

一种自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点
技术领域
本发明涉及装配式结构节点技术，主要用于装配式框架结构梁柱节点。
背景技术
传统现浇钢筋混凝土结构劳动力需求多、资源消耗高、环境影响大，其发展模式不符合当前可持续发展的社会需求。随着国家发展战略的转型，装配式混凝土结构作为一种工业化建筑生产模式，由于其劳动力需求少、资源消耗低、环境污染小、构件质量高、施工周期短等优点受到广泛关注，政府相关部门多次出台推进建筑工业化的政策文件，明确要求大力发展装配式建筑。
装配式混凝土结构的节点连接是保证结构安全可靠且具有良好性能的关键，采用当前节点连接技术时，通常会出现钢筋等部件易碰撞、新旧混凝土粘结强度低、锚固长度不足，注浆不易密实、施工空间狭小等问题使得节点连接质量难以保证，同时节点处受力复杂，导致节点连接成为结构的薄弱点，在外荷载作用下极易发生节点失效，继而导致结构整体发生连续倒塌。
目前，装配式混凝土结构节点连接形式可大致分为后浇整体式连接和全装配式连接。后浇整体式连接一般通过预留连接钢筋、预埋灌浆套筒、设置钢质连接件采用搭接、焊接或机械连接等方式将构件拼装在一起，保证受力钢筋传力直接，构件安装完成后浇筑混凝土或灌注高强砂浆形成整体受力结构；全装配式连接通过螺栓连接、焊接连接、预应力筋压接等干性连接将各预制构件组合在一起形成整体受力构件。目前，在实际工程中应用较多的是后浇整体式连接，例如灌浆套筒连接、约束浆锚连接、组合节点后浇连接等。国内外学者通过大量的试验和模拟分析发现，后浇整体式节点的损伤破坏多发生在节点、梁端后浇区或新旧混凝土接触面附近，结构塑性发展难以控制，同时耗能能力弱，延性低，累计损伤明显，残余变形大，无法实现自复位，连接位置易首先破坏致使结构发生整体连续倒塌，地震后湿连接的节点或构件无法实现拆卸或更换，结构难以修复。同时，由于后浇整体式节点施工空间狭小、工序复杂、施工质量难以检查，在对实际工程现场检测时发现钢筋锚固长度不足、新旧混凝土接触面处理不当、套筒注浆不密实等问题常有发生。
全装配式连接通过干性连接形式将各构件组合在一起，采用预应力技术的全装配式连接在装配式混凝土结构中应用较多；而螺栓连接、焊接连接等形式的全装配式连接在钢结构体系中应用的更为广泛；通过设置转换构造，采用螺栓连接、焊接连接等形式的全装配式连接近年来在装配式混凝土结构中也有部分应用，但相对较少。国内外学者提出了许多不同构造的混凝土结构全装配式连接形式，但总的来说，基本思想都是通过在预制构件中预埋钢骨、外包钢筒、安装钢质节点采用螺栓连接或焊接连接形式将各构件组合成整体。研究分析发现，通过合理的设计这类节点的承载力、延性、耗能能力较现浇节点有一定提升，但是连接构造形式多样，节点失效模式不尽相同，塑性难以控制，且残余变形较大，难以实现自复位，同时不同节点设计有明显差异，尚未有明确统一的设计方法；采用焊接连接及部分螺栓连接形式的节点受到外荷载作用产生损伤破坏后不能拆卸和更换，既难以实现结构的快速修复也不能发挥装配式建筑绿色环保的优势。
随着装配式结构研究的广泛开展，一系列新型节点连接形式相继被提出，包括消能减震节点、延性连杆节点、塑性可控节点等等。新型节点的不断提出，为构造合理、性能优良的装配式结构节点连接形式的研发和设计提供了新的方向，例如耗能部件在提高节点耗能能力的同时降低了结构构件损伤，节点铰接外加阻尼器可以将塑性发展区域控制在节点连接处。但是目前研究多集中在增强节点本身的抗震性能，而对于结构整体在不同强度外荷载作用下的自适应控制技术研究相对不足，同时节点震后残余变形较大，结构自复位能力较弱，修复难度相对较大，建筑功能难以实现快速恢复。
发明内容
本发明的目的是提供一种自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点。
本发明是一种自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点，包括预制柱1、预制梁2、柱T形连接板6、梁T形连接板7、鞍形圆板8、销轴11、U形卡槽12、高弹性件13、井字形钢筒的腹板部分3-1、井字形钢筒的翼缘部分3-2，在所述预制柱1的节点核心区内预埋井字形钢筒3，所述井字形钢筒3与两个并联的柱T形连接板的第一立板6-1通过螺栓相连，在所述预制梁2端部预埋锚接型钢4，所述锚接型钢4与梁端板5焊接固连，梁端板5与梁T形连接板的第二立板7-1通过螺栓相连；所述柱T形连接板的第一耳板6-2与梁T形连接板的第二耳板7-2通过销轴11铰接连接，在第一耳板6-2与第二耳板7-2之间通过内六角螺栓15固连两块鞍形圆板8，其中一块鞍形圆板8与第一耳板6-2固接，另一块鞍形圆板8与第二耳板7-2固接，第二耳板7-2和鞍形圆板8之间设置橡胶圆板9，所述销轴11两端设置销轴垫板10；第一立板6-1与第二立板7-1的上下部均通过螺栓固接U形卡槽12，高弹性件13通过夹具14张拉固定在U形卡槽12之间。
本发明的有益之处是：1）安装方便，施工质量易保证。本发明采用钢质转换构造，各连接部件之间通过螺栓连接，安装施工过程中只需对各部件定位后拧紧螺栓即可，现场全程均为干作业施工，工序简单，安装速度快，施工质量容易保证。
2）构件损伤可控，耗能机理明确。相较于传统节点，本发明将梁端塑性铰区预设到节点连接处，铰接连接将变形集中到节点处，同时通过鞍形圆板和高弹性件耗能消耗地震能量，可以有效降低构件塑性损伤，通过合理设计能够满足节点耗能以及损伤可控的要求。
3）节点抗弯刚度随变形自适应控制。本发明节点发生变形时，梁、柱连接板耳板上固连的鞍形圆板会产生相对转动，随着转动变形增大，销轴对鞍形圆板的约束力逐渐增大，同时节点的抗弯刚度逐渐增大以限制节点变形过大。通过对鞍形圆板斜面角度的合理设计，小震下节点能提供足够的抗弯刚度，大震下在耗能的同时能提供更大的抗弯刚度，实现了不同强度外荷载作用下结构整体的自适应控制。
4）震后无残余位移，可实现自复位。对于部分现有节点震后塑性变形大、残余位移难恢复的问题，本发明通过设置销轴铰接的鞍形圆板和高弹性件，当受外荷载作用时鞍形圆板相对转动偏离平衡位置，当外荷载消失后在高弹性件作用下鞍形圆板能够迅速恢复到平衡位置，震后无残余位移，并且可以实现自复位。
5）构件易拆卸更换，可快速恢复建筑功能。传统节点采用后浇或焊接等形式连接，存在损伤破坏或达到使用寿命后难以拆卸更换的问题，本发明节点各连接部件之间全部采用螺栓或销轴连接，在经历地震等作用发生较大损伤破坏或达到使用寿命后容易拆卸更换，使结构能迅速恢复到设计的抗震水平，同时能快速恢复建筑功能。
附图说明
图1为自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点整体示意图，图2为井字形钢筒的结构示意图，图3为井字形钢筒的腹板的结构示意图，图4为锚接型钢与梁端板的连接示意图，图5为柱T形连接板的结构示意图，图6为梁T形连接板的结构示意图，图7为鞍形圆板的正视图，图8为鞍形圆板的左视图，图9为鞍形圆板的俯视图，图10为鞍形圆板的三维结构示意图，图11为橡胶圆板的结构示意图，图12为销轴垫板的结构示意图，图13为柱T形连接板与鞍形圆板的连接示意图，图14为梁T形连接板与鞍形圆板的连接示意图，图15为U形卡槽的构造示意图，图16为自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点连接部件装配示意图。
附图标记及对应名称为：1-预制柱，2-预制梁，3-井字形钢筒，3-1-井字形钢筒的腹板部分，3-2-井字形钢筒的翼缘部分，4-锚接型钢，5-梁端板，6-柱T形连接板，6-1-柱T形连接板的第一立板，6-2-柱T形连接板的第一耳板，7-梁T形连接板，7-1-梁T形连接板的第二立板，7-2-梁T形连接板的第二耳板，8-鞍形圆板，8-1-鞍形圆板的三角脊部，8-2-鞍形圆板的三角谷部，8-3-鞍形圆板的斜面，9-橡胶圆板，10-销轴垫板，11-销轴，12-U形卡槽，12-1-U形卡槽的限位挡块，13-高弹性件，14-夹具，15-内六角螺栓。
具体实施方式
如图1~图16所示，本发明是一种自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点，包括预制柱1、预制梁2、柱T形连接板6、梁T形连接板7、鞍形圆板8、销轴11、U形卡槽12、高弹性件13、井字形钢筒的腹板部分3-1、井字形钢筒的翼缘部分3-2，在所述预制柱1的节点核心区内预埋井字形钢筒3，所述井字形钢筒3与两个并联的柱T形连接板的第一立板6-1通过螺栓相连，在所述预制梁2端部预埋锚接型钢4，所述锚接型钢4与梁端板5焊接固连，梁端板5与梁T形连接板的第二立板7-1通过螺栓相连；所述柱T形连接板的第一耳板6-2与梁T形连接板的第二耳板7-2通过销轴11铰接连接，在第一耳板6-2与第二耳板7-2之间通过内六角螺栓15固连两块鞍形圆板8，其中一块鞍形圆板8与第一耳板6-2固接，另一块鞍形圆板8与第二耳板7-2固接，第二耳板7-2和鞍形圆板8之间设置橡胶圆板9，所述销轴11两端设置销轴垫板10；第一立板6-1与第二立板7-1的上下部均通过螺栓固接U形卡槽12，高弹性件13通过夹具14张拉固定在U形卡槽12之间。
如图1、图2、图3所示，所述井字形钢筒3包括腹板部分3-1和翼缘部分3-2，所述腹板部分3-1预埋于预制柱1节点核心区内，所述翼缘部分3-2与腹板部分3-1垂直焊接连接，所述翼缘部分3-2外表面与预制柱1表面共平面。所述腹板部分3-1由四个带矩形开口的钢板两两垂直交叉焊接形成“井”字形腹板，所述腹板部分3-1无约束段钢板开设圆孔，所述圆孔数量及大小以满足方便核心区混凝土浇筑的条件确定。
如图2、图5所示，所述翼缘部分3-2上开设螺栓孔，与柱T形连接板的第一立板6-1通过螺栓连接，螺栓间距、数目经过设计确定。
如图1、图4、图16所示，所述锚接型钢4预埋在预制梁2端部，所述锚接型钢4与梁端板5通过焊接固连。
如图1、图6所示，所述梁端板5露出预制梁2端外，所述梁端板5上开设螺栓孔，与梁T形连接板的第二立板7-1通过螺栓连接。
如图1、图5、图14所示，所述柱T形连接板6包括第一立板6-1和第一耳板6-2，所述柱T形连接板的第一耳板6-2一端为矩形，另一端为半圆形，在圆心处开设销轴孔，围绕销轴孔开设螺栓孔，与鞍形圆板8通过内六角螺栓15连接。
如图1、图5、图13所示，所述柱T形连接板的立板6-1为矩形板，柱T形连接板的第一立板6-1与第一耳板6-2垂直焊接固连，柱T形连接板的第一立板6-1上下部均超出第一耳板6-2高度，超出部分高度为安装U形卡槽12所需空间高度。
如图2、图5、图13所示，所述柱T形连接板的第一立板6-1绕第一耳板6-2半周开设螺栓孔，与井字形钢筒的翼缘部分3-2以及U形卡槽12通过螺栓连接。
如图1、图2所示，在装配时，需两个并联的柱T形连接板6先后与井字形钢筒的翼缘部分3-2通过螺栓相连，以避免节点安装时产生部件碰撞，方便构件装配。
如图1、图5、图6所示，所述两个并联的柱T形连接板的立板6-1之间的净宽为梁T形连接板的耳板7-2、四个处于平衡位置的鞍形圆板8和两个橡胶圆板9的总厚度。
如图1、图6、图14所示，所述梁T形连接板7包括立板7-1和耳板7-2，所述梁T形连接板的耳板7-2一端为矩形，另一端为半圆形，在圆心处开设销轴孔，围绕销轴孔开设螺栓孔，与鞍形圆板8通过内六角螺栓15连接。
如图1、图6所示，所述梁T形连接板的立板7-1为矩形板，梁T形连接板的第二立板7-1与第二耳板7-2垂直焊接固连，梁T形连接板的第二立板7-1上下部均超出第二耳板7-2高度，超出部分高度为安装U形卡槽12所需空间高度。
如图1、图6所示，所述梁T形连接板的立板7-1围绕耳板7-2四周开设螺栓孔，与梁端板5以及U形卡槽12通过螺栓连接。
如图5、图6所示，所述柱T形连接板的第一耳板6-2的螺栓孔旋转90°后和梁T形连接板的第二耳板7-2的螺栓孔完全重合。
如图5、图6所示，所述梁T形连接板的耳板7-2厚度为柱T形连接板的耳板6-2厚度的两倍。
如图7～图10所示，所述鞍形圆板8的一侧为平面，另一侧呈“马鞍”形，“马鞍”部分包括两个三角脊部8-1和两个三角谷部8-2，三角脊部8-1和三角谷部8-2相间分布共形成四个斜面8-3，所述鞍形圆板8中心位置开设销轴孔。
如图5～图10、图13、图14所示，在所述鞍形圆板的三角脊部8-1处开设螺栓孔，鞍形圆板8与柱T形连接板第一耳板6-2或梁T形连接板第二耳板7-2通过内六角螺栓15相连，所述内六角螺栓15螺帽位于斜面8-3之下；
如图1、图5～图10所示，所述与柱T形连接板的第一耳板6-2连接的鞍形圆板8和与梁T形连接板的第二耳板7-2连接的鞍形圆板8的三角脊部8-1和三角谷部8-2相对应安装，即处于平衡位置。
如图1、图5、图7～图11所示，所述柱T形连接板的第一耳板6-2与梁T形连接板的第二耳板7-2之间的两块鞍形圆板8随节点变形会产生相对转动而偏离平衡位置，随着相对转动增大，两块鞍形圆板8逐渐向两侧移动挤压橡胶圆板9，在橡胶圆板9和销轴10的约束作用下两块鞍形圆板8相对转动增加幅度逐渐减小，当相对转动达到最大后两块鞍形圆板8开始反向相对转动，如此来回转动直至两块鞍形圆板8重新回到平衡位置以达到结构复位。
所述鞍形圆板的斜面8-3倾斜角度根据节点所需抗弯刚度确定。所述鞍形圆板的斜面8-3表面设置摩擦材料，摩擦系数根据节点所需抗弯刚度及耗能要求确定。
如图1、图6、图11、图14所示，所述橡胶圆板9圆心处开设销轴孔，板内开设螺栓孔，安装于梁T形连接板的耳板7-2与鞍形圆板8之间。
如图1、图12、图16所示，所述销轴11两端设置销轴垫板10，以保证销轴11均匀约束鞍形圆板8相对转动产生的变形，所述销轴垫板10沿径向在销轴11螺帽直径范围外厚度逐渐减小。
如图1、图5、图6、图15、图16所示，所述U形卡槽12横截面为U形，U形口宽度根据所述夹具14及高弹性件13张拉所需空间确定。所述U形卡槽12一侧钢板上开设螺栓孔，与柱T形连接板的立板6-1或梁T形连接板的立板7-1通过螺栓相连；所述U形卡槽12另一侧钢板上边缘开设矩形开口，沿钢板边缘内侧设置限位挡块12-1，防止夹具受拉时滑出U形卡槽12。
如图1、图16所示，所述高弹性件13通过夹具14张拉固定在矩形开口处，所述高弹性件13的数量可根据节点耗能和自恢复能力需求确定。所述高弹性件13可选择能够提供自复位效果的SMA丝束、SMA棒材、预应力钢筋、钢绞线中的一种。

Claims (5)

1.一种自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点，包括预制柱（1）、预制梁（2）、柱T形连接板（6）、梁T形连接板（7）、鞍形圆板（8）、销轴（11）、U形卡槽（12）、高弹性件（13）、井字形钢筒的腹板部分（3-1）、井字形钢筒的翼缘部分（3-2），其特征在于：在所述预制柱（1）的节点核心区内预埋井字形钢筒（3），所述井字形钢筒（3）与两个并联的柱T形连接板的第一立板（6-1）通过螺栓相连，在所述预制梁（2）端部预埋锚接型钢（4），所述锚接型钢（4）与梁端板（5）焊接固连，梁端板（5）与梁T形连接板的第二立板（7-1）通过螺栓相连；
所述柱T形连接板的第一耳板（6-2）与梁T形连接板的第二耳板（7-2）通过销轴（11）铰接连接，在第一耳板（6-2）与第二耳板（7-2）之间通过内六角螺栓（15）固连两块鞍形圆板（8），其中一块鞍形圆板（8）与第一耳板（6-2）固接，另一块鞍形圆板（8）与第二耳板（7-2）固接，第二耳板（7-2）和鞍形圆板（8）之间设置橡胶圆板（9），所述销轴（11）两端设置销轴垫板（10）；
第一立板（6-1）与第二立板（7-1）的上下部均通过螺栓固接U形卡槽（12），高弹性件（13）通过夹具（14）张拉固定在U形卡槽（12）之间。
2.根据权利要求1所述的自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点，其特征在于：腹板部分（3-1）由四个带矩形开口的钢板垂直交叉焊接而成，腹板部分（3-1）的无约束段钢板开设圆孔；井字形钢筒的翼缘部分（3-2）与腹板部分（3-1）垂直焊接连接，所述翼缘部分（3-2）外表面与预制柱（1）表面共平面。
3.根据权利要求1所述的自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点，其特征在于：第一耳板（6-2）和第二耳板（7-2）的形状相同，呈一端矩形，另一端半圆形，在圆心处开设销轴孔，围绕销轴孔开设螺栓孔；第一耳板（6-2）的螺栓孔旋转90°后和第二耳板（7-2）的螺栓孔完全重合。
4.根据权利要求1所述的自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点，其特征在于：所述鞍形圆板（8）的一侧为平面，另一侧呈马鞍形，马鞍部分包括两个三角脊部（8-1）和两个三角谷部（8-2），三角脊部（8-1）和三角谷部（8-2）相间分布共形成四个斜面（8-3），所述鞍形圆板（8）中心位置开设销轴孔，三角脊部（8-1）处开设螺栓孔；第一耳板（6-2）与第二耳板（7-2）之间的两块鞍形圆板（8）的三角脊部（8-1）和三角谷部（8-2）相对应安装，即处于平衡位置。
5.根据权利要求1所述的自复位型刚度自适应控制装配式梁柱节点，其特征在于：所述U形卡槽（12）的横截面为U形，其中一侧钢板上开设螺栓孔，另一侧钢板上边缘开设矩形开口且沿钢板边缘内侧设置限位挡块（12-1）；所述高弹性件（13）通过夹具（14）张拉固定在矩形开口处，所述高弹性件（13）的数量可根据节点耗能和自恢复能力需求确定；所述高弹性件（13）是能够提供自复位效果的SMA丝束，或者SMA棒材，或者预应力钢筋，或者钢绞线。
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