CN112696074B - 一种可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点，每个H型钢梁与H型钢柱交接处的上下部位安装加劲肋连接件，其包括角钢和竖向加劲肋，以H型钢柱的腹板为对称面，形状记忆合金长螺杆在对称面同侧顺次垂直穿过角钢的短肢、H型钢柱的翼缘；还包括若干槽钢，槽钢的腰与H型钢梁的腹板紧密贴合并通过高强螺栓连接，槽钢的一端与H型钢柱的翼缘连接，槽钢的腿外侧壁与相邻H型钢梁翼缘内侧壁之间布设U形金属阻尼器；该节点可通过形状记忆合金长螺杆的超弹性实现节点在地震作用下的自复位功能，依靠形状记忆合金长螺杆和U形金属阻尼器可达到分级、分阶段耗散地震能量的预设目标，同时损坏的构件在震后可进行快速拆卸、更换，具有可修复性。

Description

一种可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点
技术领域
本发明涉及一种可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点，属于建筑结构工程抗震与减震技术领域。
背景技术
自复位梁柱节点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。现阶段，自复位钢结构梁柱节点通常依靠钢绞线提供回复力，在施工阶段需要特殊的张拉锚固措施，且在使用期内易发生预应力损失及钢绞线锈蚀等现象，维护成本较高。形状记忆合金螺杆基本无蠕变效应，使用期内不会出现材料本身自复位能力的损失，且具有杰出的抗腐蚀能力，维护成本低。利用形状记忆合金对拉螺杆可有效提供节点在地震作用下的复位能力，减小残余变形，耗散地震能量。不仅如此，梁柱节点采用栓接，不仅具有良好的可靠性，并且相对于焊接连接，其施工更为简便、快捷，质量也容易得到保证。
与此同时，大量的研究结果和工程实践表明，形状记忆合金在提供超弹性的同时虽然具有稳定的耗能特性，但相对其他金属耗能装置耗能能力较弱。当结构的重要性系数较大或所处地区地震设防要求较高时，为了应对不同的结构抗震性能化设计要求，有必要对形状记忆合金自复位梁柱节点进行合理化设计，以实现分级、分阶段耗能的性能目标，根据地震强度为结构提供不同的减震防线。
发明内容
本发明提供一种可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点，该节点可通过形状记忆合金长螺杆的超弹性实现节点在地震作用下的自复位功能，消除残余变形，依靠形状记忆合金长螺杆和U形金属阻尼器可达到分级、分阶段耗散地震能量的预设目标，同时该节点为装配式结构，构配件在震后可进行快速拆卸、更换，这使得结构具有可修复性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点，包括H型钢柱，在其两侧分别布设H型钢梁，且H型钢梁垂直于H型钢柱，每个H型钢梁与H型钢柱交接处的上下部位安装加劲肋连接件，加劲肋连接件包括角钢，角钢的短肢部分与H型钢柱的翼缘外侧紧贴，角钢的长肢部分与H型钢梁的翼缘外侧紧贴，在角钢上固设竖向加劲肋，将角钢均匀分成两个部分，且竖向加劲肋同时与角钢的长肢部分、短肢部分垂直布设；
以H型钢柱的腹板为对称面，形状记忆合金长螺杆在对称面同侧顺次垂直穿过角钢的短肢、H型钢柱的翼缘；
还包括若干槽钢，槽钢的腰与H型钢梁的腹板紧密贴合，槽钢的一端与H型钢柱的翼缘连接；
槽钢的腿外侧壁与相邻H型钢梁翼缘内侧壁之间布设U形金属阻尼器，U形金属阻尼器至少设置一个，包括两肢，两肢之间通过弯曲段平滑连接，且每个U形金属阻尼器的两肢分别与槽钢的腿、H型钢梁的翼缘固定，高强螺栓顺次穿过U形金属阻尼器的一肢、H型钢梁翼缘以及角钢的长肢，将三者形成固定，U形金属阻尼器的弯曲段靠近或者与H型钢柱的翼缘外侧壁接触；
作为本发明的进一步优选，还包括若干个柱水平加劲肋，柱水平加劲肋的两端分别垂直焊接在H型钢柱的两个翼缘内侧面，柱水平加劲肋的侧边与H型钢柱的腹板焊接，在穿设经过H型钢柱的形状记忆合金长螺杆上下两侧分别布设一个柱水平加劲肋；
作为本发明的进一步优选，前述的形状记忆合金长螺杆包括中间段，中间段的两端向外膨大形成过渡段，过渡段与端部连接，端部表面轧制螺纹，且端部位于H型钢柱的翼缘外侧面；
作为本发明的进一步优选，在H型钢柱的翼缘、角钢的短肢上均开设孔洞，形状记忆合金长螺杆顺次穿过角钢短肢上的孔洞、H型钢柱翼缘上的孔洞，且形状记忆合金长螺杆位于H型钢柱翼缘外侧的端部通过高强螺母紧固；
作为本发明的进一步优选，在槽钢的腰预设多个圆孔，H型钢梁的腹板上预设多个长圆孔，高强螺栓顺次穿过匹配的圆孔、长圆孔，将槽钢与H型钢梁连接。
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长螺杆为钢结构梁柱节点提供自回复驱动力，在地震作用下可实现自复位功能，消除节点的残余变形；
2、本发明同时安装了U形金属阻尼器和形状记忆合金长螺杆，通过合理化设计，节点可根据不同地震强度等级进行分级、分阶段耗散地震能量，能够满足不同的抗震性能化设计要求；
3、本发明提供的节点，构成其的配件可在工厂预制生产，施工时主要通过螺栓进行连接，符合装配式建筑工业化的生产要求，具有良好的实践价值与应用前景；
4、本发明涉及到的梁柱主体构件在地震作用下可保持弹性，未产生塑性破坏，损伤可控制在U形金属阻尼器等其他非主要构件中，对损伤具有可控性，同时受损的构配件可方便及时的进行拆卸以及更换，使得节点具有可修复性。
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是本发明提供的优选实施例位于图1中A-A的剖面示意图；
图3是本发明提供的优选实施例位于图1中B-B的剖面示意图；
图4是本发明提供的优选实施例中槽钢内圆孔示意图；
图5是本发明提供的优选实施例中H型钢梁上长圆孔示意图。
图中：1为H型钢柱，2为柱水平加劲肋，3为H型钢梁，4为形状记忆合金长螺杆，5为高强螺母，6为U形金属阻尼器，7为高强螺栓，8为槽钢，9为加劲肋连接件，91为竖向加劲肋，92为角钢，10为圆孔，11为长圆孔。
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钢结构梁柱节点，当结构的重要性系数较大或者所处地区地震设防要求较高时，可以应对不同的结构抗震性能化设计要求，其原理主要是通过形状记忆合金长螺杆4的超弹性实现节点在地震作用下的自复位功能，消除残余变形，依靠形状记忆合金长螺杆和U形金属阻尼器6可达到分级、分阶段耗散地震能量的预设目标。
本申请提供的关于可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点包括H型钢柱1，在其两侧分别布设H型钢梁3，且H型钢梁垂直于H型钢柱，每个H型钢梁与H型钢柱交接处的上下部位分别安装加劲肋连接件9，加劲肋连接件包括角钢92，角钢的短肢部分与H型钢柱的翼缘外侧紧贴，角钢的长肢部分与H型钢梁的翼缘外侧紧贴，在角钢上固设竖向加劲肋91，将角钢均匀分成两个部分，且竖向加劲肋同时与角钢的长肢部分、短肢部分垂直布设；以H型钢柱的腹板为对称面，形状记忆合金长螺杆在对称面同侧顺次垂直穿过角钢的短肢、H型钢柱的翼缘；还包括若干槽钢8，槽钢的腰与H型钢梁的腹板紧密贴合，槽钢的一端与H型钢柱的翼缘连接；槽钢的腿外侧壁与相邻H型钢梁翼缘内侧壁之间布设U形金属阻尼器，U形金属阻尼器至少设置一个，包括两肢，两肢之间通过弯曲段平滑连接，且每个U形金属阻尼器的两肢分别与槽钢的腿、H型钢梁的翼缘固定，高强螺栓7顺次穿过U形金属阻尼器的一肢、H型钢梁的翼缘以及角钢的长肢，将三者形成固定，U形金属阻尼器的弯曲段靠近或者与H型钢柱的翼缘外侧壁接触。
图1所示，是本申请提供的关于可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点的一种优选实施例，以图1中的视图角度为阐述对象，加劲肋连接件共四个，在H型钢梁与H型钢柱交接处的上方安装两个，交接处下方安装两个，从图2、图3中可以看出，加劲肋连接件包括角钢，在角钢上固设竖向加劲肋，竖向加劲肋同时与角钢的长肢部分、短肢部分垂直布设，将角钢均匀分成两个部分，角钢的短肢部分与H型钢柱的翼缘外侧紧贴，角钢的长肢部分与H型钢梁的翼缘外侧紧贴；
以H型钢柱的腹板为对称面，形状记忆合金长螺杆在对称面同侧顺次垂直穿过角钢的短肢、H型钢柱的翼缘，图1中可以看出，在主视图的上方此侧面设有一根，下方此侧面设有一根，在H型钢柱的腹板另一侧同样的位置设有另外两根，一共有四根；形状记忆合金长螺杆包括中间段，中间段的两端向外膨大形成过渡段，过渡段与端部连接，在H型钢柱的翼缘、角钢的短肢上均开设孔洞，形状记忆合金长螺杆顺次穿过H型钢柱翼缘上的孔洞、角钢短肢上的孔洞，端部位于H型钢柱的翼缘外侧面，通过高强螺母5紧固，防止工作时松动或脱落，为了更好的保证高强螺母能够旋紧固定，将形状记忆合金长螺杆的两端轧制形成螺纹，实施时，仅需拧紧高强螺母并施加初始预紧力，初始预紧力的大小根据设计要求确定，通过对形状记忆合金长螺杆施加预紧力，使得节点在正常使用状态下具有足够、稳定的抗弯承载力和刚度。
在这里需要说明的是，形状记忆合金长螺杆在常温低应力状态下为奥氏体相，具有超弹性的特性，可为梁柱节点提供自回复驱动力，同时形状记忆合金自身具有一定的耗能特性，可提供节点在地震作用下的耗能能力。
为了增加节点局部刚度，在穿设经过H型钢柱的形状记忆合金长螺杆上下两侧分别布设一个柱水平加劲肋2，柱水平加劲肋的两端分别垂直焊接在H型钢柱的两个翼缘内侧面，柱水平加劲肋的侧边与H型钢柱的腹板连接， 此种设置方法，减小了H型钢柱因形状记忆合金长螺杆压力的局部变形。
在优选实施例中，包括四个槽钢，槽钢的腰与H型钢梁的腹板紧密贴合，槽钢的一端与H型钢柱的翼缘连接，由此承担并传递竖向剪力；具体的连接方式，如图4所示，在槽钢的腰预设多个圆孔10，图5所示，H型钢梁的腹板上预设多个长圆孔11，高强螺栓顺次穿过匹配的圆孔、长圆孔，将槽钢与H型钢梁连接；
槽钢的腿外侧壁与相邻H型钢梁翼缘内侧壁之间布设U形金属阻尼器，图1中可以看出，共设有8个，每个U形金属阻尼器包括长度相同的两肢，两肢之间通过弯曲段平滑连接，整个U形金属阻尼器的截面厚度相同；U形金属阻尼器采用的材料需具备耗能好、延性优的特性，并且在卸载过程中产生较小的自复位阻力，因此可以选用低屈服点钢、或软钢、或Q235钢、或形状记忆合金、或铝、或铅制成；每个U形金属阻尼器的两肢分别与槽钢的腿外侧壁、H型钢梁的翼缘内侧壁贴合设置，即通过一侧的高强螺栓连接U形金属阻尼器的一肢和槽钢，另一侧同样通过高强螺栓连接U形金属阻尼器的另一肢和H型钢梁的翼缘，此侧通过高强螺栓顺次穿过U形金属阻尼器的一肢、H型钢梁的翼缘以及角钢的长肢，将三者形成固定；U形金属阻尼器的弯曲段靠近或者与H型钢柱的翼缘外侧壁接触，便于螺栓施工。
通过上述的优选实施例，高强螺栓在H型钢梁的腹板上开设的长圆孔内滑动，使得梁端可以发生转动，当节点梁端发生转动时，U形金属阻尼器的一肢连接于槽钢的腿固定不动，另一肢与H型钢梁的翼缘连接随之发生位移，当U形金属阻尼器两肢的相对位移达到屈服位移时开始进行塑性耗能；震后可对损坏的U形金属阻尼器进行快速拆卸、更换，这使得结构具有可修复性。
本申请还具备本申请还可以实现分级、分阶段耗散地震能量的目的，具体的，在小震作用下，由于对形状记忆合金长螺杆施加了初始预紧力，加劲肋连接件未脱开H型钢柱的翼缘；在中震作用的过程中，加劲肋连接件会发生脱开，与H型钢柱翼缘间产生较小的空隙，这时U形金属阻尼器两肢的相对位移还未达到屈服位移，因此不会产生塑性耗能，仅通过形状记忆合金长螺杆耗散地震能量，此为第一阶段耗能；在大震过程中，加劲肋连接件与H型钢柱翼缘的脱开间隙较大使得U形金属阻尼器两肢的相对位移达到屈服位移，此时U形金属阻尼器与形状记忆合金长螺杆同时进行耗能，此为第二阶段耗能。
另外需要说明的是，本申请要通过合理化的设计以确定各构件的材料和几何参数，并对形状记忆合金长螺杆进行适当的热处理和训练，以确保形状记忆合金长螺杆具有良好的超弹性性能和耗能特性；同时，还需通过设计确保U形金属阻尼器在梁柱节点经历大震时开始屈服耗能，以达到分级、分阶段耗能的预设目标。
本申请所涉及的构配件均可于工厂预制生产、加工，现场焊接连接相对较少，施工主要通过螺栓连接装配完成，操作简单易行。
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 (3)

1.一种可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点，包括H型钢柱，在其两侧分别布设H型钢梁，且H型钢梁垂直于H型钢柱，其特征在于：每个H型钢梁的上翼缘外侧与H型钢柱交接处、每个H型钢梁的下翼缘外侧与H型钢柱交接处均安装加劲肋连接件，加劲肋连接件包括角钢，角钢的短肢部分与H型钢柱的翼缘外侧紧贴，角钢的长肢部分与H型钢梁的翼缘外侧紧贴，在角钢上固设竖向加劲肋，将角钢均匀分成两个部分，且竖向加劲肋同时与角钢的长肢部分、短肢部分垂直布设；
以H型钢柱的腹板为对称面，形状记忆合金长螺杆在对称面同侧顺次垂直穿过角钢的短肢、H型钢柱的翼缘；
还包括若干槽钢，槽钢的腰与H型钢梁的腹板紧密贴合，槽钢的一端与H型钢柱的翼缘连接；
槽钢的腿外侧壁与相邻H型钢梁翼缘内侧壁之间布设U形金属阻尼器，U形金属阻尼器至少设置一个，U形金属阻尼器包括两肢，两肢之间通过弯曲段平滑连接，且每个U形金属阻尼器的两肢分别与槽钢的腿、H型钢梁的翼缘固定，高强螺栓顺次穿过U形金属阻尼器的一肢、H型钢梁的翼缘以及角钢的长肢，将三者形成固定，U形金属阻尼器的弯曲段靠近或者与H型钢柱的翼缘外侧壁接触；
在槽钢的腰预设多个圆孔，H型钢梁的腹板上预设多个长圆孔，高强螺栓顺次穿过匹配的圆孔、长圆孔，将槽钢与H型钢梁连接；
高强螺栓在H型钢梁的腹板上开设的长圆孔内滑动，使得梁端可以发生转动，当节点梁端发生转动时，U形金属阻尼器的一肢连接于槽钢的腿固定不动，另一肢与H型钢梁的翼缘连接随之发生位移，当U形金属阻尼器两肢的相对位移达到屈服位移时开始进行塑性耗能；
前述的形状记忆合金长螺杆包括中间段，中间段的两端向外膨大形成过渡段，过渡段与端部连接，端部表面轧制螺纹，且端部位于H型钢柱的翼缘外侧面。
2.根据权利要求1所述的可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点，其特征在于：还包括若干个柱水平加劲肋，柱水平加劲肋的两端分别垂直焊接在H型钢柱的两个翼缘内侧面，柱水平加劲肋的侧边与H型钢柱的腹板焊接，在穿设经过H型钢柱的形状记忆合金长螺杆上下两侧分别布设一个柱水平加劲肋。
3.根据权利要求1所述的可分阶段耗能的自复位钢结构梁柱节点，其特征在于：在H型钢柱的翼缘、角钢的短肢上均开设孔洞，形状记忆合金长螺杆顺次穿过角钢短肢上的孔洞、H型钢柱翼缘上的孔洞，且形状记忆合金长螺杆位于H型钢柱翼缘外侧的端部通过高强螺母紧固。
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