CN113175078B - 新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑结构技术领域，特别涉及一种新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元，以解决现有技术中的梁柱节点位置存在存在的问题包括塑性铰的作用滞后，强柱弱梁的效果不佳，滞回耗能能力很强，结构体系表现的整体延性等缺陷技术问题。第一节点结构组件位于柱与梁连接的梁柱节点区域；第二节点结构组件构造在梁上以使得梁在梁柱节点区域形成一预设缝隙，且预设缝隙将位于梁柱节点区域的梁形成第一梁段和第二梁段；第三节点结构组件能够夹持在梁上、下两侧的翼缘上以对第一梁段和第二段进行固定；本技术方案具有框架梁柱节点结构整体延性高，塑性铰的作用显著突出，展示了优良的抗震性能。

Description

新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元
技术领域
本发明涉及建筑结构技术领域，特别涉及一种新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元。
背景技术
现行趋势下，对防屈曲支撑框架结构的抗震性能进行了深入研究，并关注了结构整体延性和局部延性及其它们之间的相互关系。试验结果表明：节点板上附加边缘刚度有效地预防节点板发生平面外屈曲。防屈曲支撑框架比传统特殊中心支撑框架具有更加稳定的滞回延性，结构整体表现出更好的抗震性能。防屈曲支撑框架中的防屈曲支撑可能不能展现其全部的延性能力。
现有技术中，梁柱节点位置存在存在的问题包括塑性铰的作用滞后，强柱弱梁的效果不佳，滞回耗能能力很强，结构体系表现的整体延性等缺陷；
而将防屈曲支撑框架结构与转动节点连接形成新的结合的连接节点单元，显然能够作为利于二者优势的技术课题。
发明内容
本发明要解决现有技术中的梁柱节点位置存在存在的问题包括塑性铰的作用滞后，强柱弱梁的效果不佳，滞回耗能能力很强，结构体系表现的整体延性等缺陷技术问题，提供一种新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元，包括：
第一节点结构组件100，其位于柱10与梁20连接的梁柱节点区域101、且所述第一节点结构组件100还能够连接一防屈曲支撑钢框架结构400的第一端；
所述防屈曲支撑钢框架结构400的第二端连接至一另一梁20的一预设位置103上；
第二节点结构组件200，其构造在所述梁20上，以使得所述梁20在所述梁柱节点区域101形成一预设缝隙102，且所述预设缝隙102将位于所述梁柱节点区域101的梁20形成第一梁段201和第二梁段202；
所述第二节点结构组件200能够在一预设载荷的冲击下能够获得一转动动作，以将塑性铰能够通过所述第二节点结构组件200作用于所述第二梁段202；
第三节点结构组件300，其能够夹持在所述梁20上、下两侧的翼缘上以对所述第一梁段201和所述第二段202进行固定；
其中，所述预设缝隙102用以防止在所述预设载荷作用时，所述第一梁段201和所述第二梁段202形成接触或者碰撞。
具体地，所述预设缝隙102的宽度基于所述梁20的下翼缘在所述预设载荷作用时，第二节点结构组件200产生转动角度，所述梁20的下翼缘承受的极限载荷；
其中，所述预设缝隙102的宽度为：wgap＝2dsin(αg/2)；
其中，wgap为预设缝隙宽度；
其中，d为梁20的高度；
其中，αg预设缝隙102的整体转动角度。
具体地，所述预设缝隙102的整体转动角度基于极限位移获得，且获得所述预设缝隙102的整体转动角度的方式为：
将极限位移设计为一预设数，所述预设数的范围为0.059-0.061之间；
所述预设缝隙102的整体转动角度的计算方式为：
Figure BDA0003031275680000021
其中，L1、L2为缝隙中心距离柱轴线的水平距离，且所述L1＝所述L2；
其中，L3为跨中段梁两端缝隙中心之间的水平距离。
具体地，所述第一节点结构组件100包括：
第一节点板110，其构造成直角梯形；
所述第一节点板110的长边焊接在所述梁20的上侧的翼缘上；
第一连接板111，其固定所述第一节点板110的直角边上，且所述
第一连接板111与所述第一节点板110垂直；
所述第一节点板110与所述柱10通过高强度螺栓固定连接。
具体地，所述防屈曲支撑钢框架结构400的第一端形成十字断面；
多个加强板401，其用以通过高强度螺栓安装在所述防屈曲支撑钢框架结构400的第一端，以用以第一节点板110与所述防屈曲支撑钢框架结构400连接时的定位与加固。
具体地，所述第二节点结构组件200包括：
腹板连接板210，所述梁20腹板的两侧均布置有一组所述腹板连接板210；
所述腹板连接板210以所述预设缝隙102为分隔线，使得所述腹板连接板210被分成：
第一板段211，其上开设有对称布置的长槽孔212；
第二板段221，其上开设有对称布置的螺栓孔222；
所述第一板段211与所述第一梁段201通过高强度螺栓连接，以形成转动点；
所述第二板段221与所述第二梁段202通过高强度螺栓固定连接。
具体地，所述梁20两侧的所述腹板连接板210上设置有一一对应的所述长槽孔212，以及一一对应的所述螺栓孔222。
具体地，所述第三节点结构组件300包括：
翼缘连接板310、320，其被所述预设缝隙102分隔成：
第一翼缘连接板段311，其对应所述第一板段211；
第二翼缘连接板段312，其对应所述第二板段221。
具体地，所述第二翼缘连接板段312通过高强度螺栓连接所述梁20的翼缘。
具体地，所述梁20至少一侧的翼缘通过长圆型孔和高强度螺栓的配合与所述第一翼缘连接板段311连接。
本发明具有以下的有益效果：
第一方面，本技术方案能够以延性节点的实现方式体现，其技术目标是在抗震设计中对于“强柱弱梁”的实施的进一步探索。本技术方案中的延性节点具体指在远离梁、柱交界面，即梁柱节点区域，属于应力复杂区域构造一个塑性铰，主动赋予第二节点结构组件转动能力，从而保证梁与柱的焊接位置，不发生过早破坏，通过第二节点结构组件实现提高梁柱节点区域局部延性的目的，并与高延性的防屈曲支撑钢框架结构相匹配，具体地指第一节点结构组件和第三节点结构组件的配合，通过从而提高了结构整体延性，具体体现在位移角的变化。
第二方面，新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元的体系最终整体位移角达到3.4％，超过抗震规范2％的弹塑性位移角限值。梁翼缘发生了明显的屈服直至屈曲，第二节点结构组件发生明显的转动变形，发挥了塑性铰的作用。防屈曲支撑钢框架结构在经历了反复的拉压塑性变形后，耗散了大量能量，最终无约束连接段发生屈曲。
第三方面，新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元的结构滞回曲线稳定饱满，结构体系具有很大的抗侧刚度和水平承载力，滞回耗能能力很强，骨架曲线成双线型。结构构件局部延性和结构体系整体延性形成很好的匹配，结构体系表现良好的整体延性和优良的抗震性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的第二节点结构组件的结构示意图；
图3为本发明的第三节点结构组件的一则实施方式的示意图；
图4为本发明的第三节点结构组件的另一则实施方式的示意图；
图5为本发明的新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元系统配置图；
图6为本发明的结构荷载—顶点位移滞回曲线；
图7为本发明的结构荷载—顶点位移骨架曲线
图中的附图标记表示为：
柱10、梁20、梁柱节点区域101、防屈曲支撑钢框架结构400；
第一节点结构组件100、第二节点结构组件200、第三节点结构组件300、所述第一梁段201、所述第二段202、预设缝隙102；
第一节点板110、第一连接板111加强板401；
腹板连接板210、第一板段211、长槽孔212；
第二板段221、螺栓孔222；
翼缘连接板310、320、第一翼缘连接板段311、第二翼缘连接板段312。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；需要说明的是，本申请中为了便于描述，以当前视图中“左侧”为“第一端”，“右侧”为“第二端”，“上侧”为“第一端”，“下侧”为“第二端”，如此描述的目的在于清楚的表达该技术方案，不应当理解为对本申请技术方案的不当限定。
对防屈曲支撑框架结构的抗震性能进行了深入研究，并关注了结构整体延性和局部延性及其它们之间的相互关系。试验结果表明：节点板上附加边缘刚度有效地预防节点板发生平面外屈曲。防屈曲支撑框架比传统特殊中心支撑框架具有更加稳定的滞回延性，结构整体表现出更好的抗震性能。防屈曲支撑框架中的防屈曲支撑可能不能展现其全部的延性能力。现有技术中，梁柱节点位置存在存在的问题包括塑性铰的作用滞后，强柱弱梁的效果不佳，滞回耗能能力很强，结构体系表现的整体延性等缺陷；而将防屈曲支撑框架结构与转动节点连接形成新的结合的连接节点单元，显然能够作为利于二者优势的技术课题。
本发明的技术思路在于新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元将两端梁进行拼装，即采用连接板将两端梁的翼缘以及腹板进行连接，并且使得一端具有转动能力，另一端高强度螺栓固定连接。具有转动能力的腹板连接板开长槽孔，梁腹板仍开圆孔，高强度螺栓螺栓可在预留长槽孔内滑动。梁上翼缘未采用长槽孔，下翼缘在腹板同一竖直方向上采用相同规格的长槽孔，使得新型节点在保证一定承载力的情况下配合腹板长槽孔进行转动。梁上翼缘通过一个大连接板以及两个小连接板将两段梁夹住形成双剪，梁上翼缘连接板具有传递梁轴力和剪力的作用，腹板与下翼缘连接板同样能起到保证节点稳定的作用。
梁段之间的缝隙主要是为了保证跨中梁段在转动过程中与两侧梁段接触或者碰撞，而且通过控制缝隙的宽度避免在达到目标设计位移时梁下翼缘承受很大载荷。为了确定缝隙的宽度，首先需要通过框架在设计层间位移下的几何变形来确定连接板的转动角度，然后，使得梁下翼缘在极限位移下不会承载很大荷载。
具体地的技术方案，请参阅图1、并结合附图2、3、4、5所示，新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元，包括：第一节点结构组件100，其位于柱10与梁20连接的梁柱节点区域101、且第一节点结构组件100还能够连接一防屈曲支撑钢框架结构400的第一端；防屈曲支撑钢框架结构400的第二端连接至一另一梁20的一预设位置103上；第二节点结构组件200，其构造在梁20上，以使得梁20在梁柱节点区域101形成一预设缝隙102，且预设缝隙102将位于梁柱节点区域101的梁20形成第一梁段201和第二梁段202；
第二节点结构组件200能够在一预设载荷的冲击下能够获得一转动动作，以将塑性铰能够通过第二节点结构组件200作用于第二梁段202；
第三节点结构组件300，其能够夹持在梁20上、下两侧的翼缘上以对第一梁段201和第二段202进行固定；
其中，预设缝隙102用以防止在预设载荷作用时，第一梁段201和第二梁段202形成接触或者碰撞。
本技术方案能够以延性节点的实现方式体现，其技术目标是在抗震设计中对于“强柱弱梁”的实施的进一步探索。本技术方案中的延性节点具体指在远离梁20、柱10交界面，即梁柱节点区域101，属于应力复杂区域构造一个塑性铰，主动赋予第二节点结构组件200转动能力，从而保证梁20与柱10的焊接位置，不发生过早破坏，通过第二节点结构组件200实现提高梁柱节点区域101局部延性的目的，并与高延性的防屈曲支撑钢框架结构400相匹配，具体地指第一节点结构组件100和第三节点结构组件300的配合，通过从而提高了结构整体延性，具体体现在位移角的变化。
请参阅图6、7所示，新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元的体系最终整体位移角达到3.4％，超过抗震规范2％的弹塑性位移角限值。梁翼缘发生了明显的屈服直至屈曲，第二节点结构组件200发生明显的转动变形，发挥了塑性铰的作用。防屈曲支撑钢框架结构400在经历了反复的拉压塑性变形后，耗散了大量能量，最终无约束连接段发生屈曲。
请参阅图6、7所示，新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元的结构滞回曲线稳定饱满，结构体系具有很大的抗侧刚度和水平承载力，滞回耗能能力很强，骨架曲线成双线型。结构构件局部延性和结构体系整体延性形成很好的匹配，结构体系表现良好的整体延性和优良的抗震性能。
在一个可实施的方式中，预设缝隙102的宽度基于梁20的下翼缘在预设载荷作用时，第二节点结构组件200产生转动角度，梁20的下翼缘承受的极限载荷；
其中，预设缝隙102的宽度为wgap＝2dsin(αg/2)；
其中，wgap为预设缝隙宽度；
其中，d为梁20的高度；
其中，αg预设缝隙102的整体转动角度。
在一个具体地实施方式中，预设缝隙102的整体转动角度基于极限位移获得，且获得预设缝隙102的整体转动角度的方式为：
将极限位移设计为一预设数，预设数的范围为0.059-0.061之间；
优选地，预设数为0.06，0.06是结构设计所考虑的极限位移角，地震作用下结构不发生倒塌的最大可能位移在0.06左右，也通常作为结构抗震设计的极限位移角。因此基于结构可能发生的极限位移反推计算转动节点缝隙的大小，此时能够满足结构发生最大位移时节点仍然能够正常转动。
预设缝隙102的整体转动角度的计算方式为：
Figure BDA0003031275680000071
其中，L1、L2为缝隙中心距离柱轴线的水平距离，且L1＝L2；
其中，L3为跨中段梁两端缝隙中心之间的水平距离。
请参阅图1-6所示，第一节点结构组件100包括：
第一节点板110，其构造成直角梯形；
第一节点板110的长边焊接在梁20的上侧的翼缘上；
第一连接板111，其固定第一节点板110的直角边上，且
第一连接板111与第一节点板110垂直；
第一节点板110与柱10通过高强度螺栓固定连接。
在一个具体地实施方式中，请参阅图1、2、4所示，防屈曲支撑钢框架结构400的第一端形成十字断面；
多个加强板401，其用以通过高强度螺栓安装在防屈曲支撑钢框架结构400的第一端，以用以第一节点板110与防屈曲支撑钢框架结构400连接时的定位与加固。
请参阅图2、4所示，第二节点结构组件200包括：腹板连接板210，梁20腹板的两侧均布置有一组腹板连接板210；腹板连接板210以预设缝隙102为分隔线，使得腹板连接板210被分成：第一板段211，其上开设有对称布置的长槽孔212；第二板段221，其上开设有对称布置的螺栓孔222；第一板段211与第一梁段201通过高强度螺栓连接，以形成转动点；第二板段221与第二梁段202通过高强度螺栓固定连接。
在一个具体地实施方式中，梁20两侧的腹板连接板210上设置有一一对应的长槽孔212，以及一一对应的螺栓孔222。
在一个具体地实施方式中，第三节点结构组件300包括：翼缘连接板310、320，其被预设缝隙102分隔成：第一翼缘连接板段311，其对应第一板段211；第二翼缘连接板段312，其对应第二板段221。
具体地，第二翼缘连接板段312通过高强度螺栓连接梁20的翼缘。
梁20至少一侧的翼缘通过长圆型孔和高强度螺栓的配合与第一翼缘连接板段311连接。
具体地，为了确定预设缝隙的宽度，首先需要通过框架在设计层间位移下的几何变形来确定连接板的转动角度，然后，使得梁下翼缘在极限位移下不会承载很大荷载。
wgap＝2dsin(αg/2) (1)
式中wgap——设计缝隙宽度；
d——梁高度；
αg——缝隙整体转动角度，
Figure BDA0003031275680000081
Δ为极限设计位移(在一个具体的实施方式中取值0.06，即预设数)，L1、L2为缝隙中心距离柱轴线的水平距离(L1＝L2)，L3为跨中段梁两端缝隙中心之间的水平距离。
本技术方案中的结构梁，即梁20分为三段，首先将端部梁段与柱10预先焊接完成，端部梁段与跨中梁使用连接板及螺栓装配式连接。多个加强板401，其用以通过高强度螺栓安装在防屈曲支撑钢框架结构400的第一端，以用以第一节点板110与防屈曲支撑钢框架结构400连接时的定位与加固。具体地，通过8块加强板401及螺栓与防屈曲支撑钢框架结构400的十字形截面连接，能够确保第一节点板110与加强板401螺栓孔的准确对位。对该结构的钢板进行喷砂处理，用M16高强螺栓将其连接，并对螺栓施加预紧力。
在离开内力状态最为复杂的梁柱节点区域101的位置构造一个可转动的铰，作用相当于一个塑性铰，其作用既提梁柱节点区域101的局部延性，并与高延性的防屈曲支撑钢框架结构400，从而提高了结构整体延性。
请参阅附图6、7所示，将滞回曲线各圈的关键数据梳理成表1、表2，其含义是，每一圈正负向最大位移(最大荷载)对应点的坐标，以及荷载为零时与正负向荷载值组成两个坐标点。每个荷载幅值选一圈作为代表；本技术方案通过附图6、7及表1、表2中的表1、表2，结构体系荷载—位移滞回曲线和骨架曲线试验数据，以说明本技术方案在实现强柱弱梁的技术思路下的特性，即塑性铰的作用提前与梁柱节点区域101中梁20与柱10焊接的变形。
表1结构荷载—顶点位移滞回曲线试验数据
Figure BDA0003031275680000091
Figure BDA0003031275680000101
表2结构荷载—顶点位移骨架曲线试验数据
Figure BDA0003031275680000102
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.新型装配式屈曲约束支撑钢框架结构转动连接节点单元，其特征在于，包括：
第一节点结构组件(100)，其位于柱(10)与梁(20)连接的梁柱节点区域(101)、且所述第一节点结构组件(100)还能够连接一防屈曲支撑钢框架结构(400)的第一端；
所述防屈曲支撑钢框架结构(400)的第二端连接至一另一梁(20)的一预设位置(103)上；
第二节点结构组件(200)，其构造在所述梁(20)上，以使得所述梁(20)在所述梁柱节点区域(101)形成一预设缝隙(102)，且所述预设缝隙(102)将位于所述梁柱节点区域(101)的梁(20)形成第一梁段(201)和第二梁段(202)；
所述第二节点结构组件(200)能够在一预设载荷的冲击下能够获得一转动动作，以将塑性铰能够通过所述第二节点结构组件(200)作用于所述第二梁段(202)；
第三节点结构组件(300)，其能够夹持在所述梁(20)上、下两侧的翼缘上以对所述第一梁段(201)和所述第二梁 段(202)进行固定；
其中，所述预设缝隙(102)用以防止在所述预设载荷作用时，所述第一梁段(201)和所述第二梁段(202)形成接触或者碰撞；
所述预设缝隙(102)的宽度基于所述梁(20)的下翼缘在所述预设载荷作用时，第二节点结构组件(200)产生转动角度，所述梁(20)的下翼缘承受的极限载荷；
其中，所述预设缝隙(102)的宽度为wgap＝2dsin(αg/2)；
其中，wgap为预设缝隙宽度；
其中，d为梁(20)的高度；
其中，αg预设缝隙(102)的整体转动角度；
所述预设缝隙(102)的整体转动角度基于极限位移获得，且获得所述预设缝隙(102)的整体转动角度的方式为：
将极限位移设计为一预设数，所述预设数的范围为0.059-0.061之间；
所述预设缝隙(102)的整体转动角度的计算方式为：
Figure FDA0003833864820000021
其中，L1、L2为缝隙中心距离柱轴线的水平距离，且所述L1＝所述L2；
其中，L3为跨中段梁两端缝隙中心之间的水平距离；
其中，Δ表示为所述极限位移；
所述第一节点结构组件(100)包括：
第一节点板(110)，其构造成直角梯形；
所述第一节点板(110)的长边焊接在所述梁(20)的上侧的翼缘上；
第一连接板(111)，其固定所述第一节点板(110)的直角边上，且所述第一连接板(111)与所述第一节点板(110)垂直；
所述第一节点板(110)与所述柱(10)通过高强度螺栓固定连接；
所述防屈曲支撑钢框架结构(400)的第一端形成十字断面；
多个加强板(401)，其用以通过高强度螺栓安装在所述防屈曲支撑钢框架结构(400)的第一端，以用以第一节点板(110)与所述防屈曲支撑钢框架结构(400)连接时的定位与加固；
所述第二节点结构组件(200)包括：
腹板连接板(210)，所述梁(20)腹板的两侧均布置有一组所述腹板连接板(210)；
所述腹板连接板(210)以所述预设缝隙(102)为分隔线，使得所述腹板连接板(210)被分成：
第一板段(211)，其上开设有对称布置的长槽孔(212)；
第二板段(221)，其上开设有对称布置的螺栓孔(222)；
所述第一板段(211)与所述第一梁段(201)通过高强度螺栓连接，以形成转动点；
所述第二板段(221)与所述第二梁段(202)通过高强度螺栓固定连接；
所述梁(20)两侧的所述腹板连接板(210)上设置有一一对应的所述长槽孔(212)，以及一一对应的所述螺栓孔(222)；
所述第三节点结构组件(300)包括：
翼缘连接板(310、320)，其被所述预设缝隙(102)分隔成：
第一翼缘连接板段(311)，其对应所述第一板段(211)；
第二翼缘连接板段(312)，其对应所述第二板段(221)；
所述第二翼缘连接板段(312)通过高强度螺栓连接所述梁(20)的翼缘；
所述梁(20)至少一侧的翼缘通过长圆型孔和高强度螺栓的配合与所述第一翼缘连接板段(311)连接。
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