CN113187299A - 一种梁端可控耗能塑性铰 - Google Patents
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Abstract
一种梁端可控耗能塑性铰，包括机械铰，所述机械铰的上下端内侧设置有碟簧自复位装置，位于机械铰的前后端面设置有摩擦耗能装置。本发明可诱导结构在地震作用下形成合理的损伤机制，用于提高装配式混凝土框架结构的抗震性能，实现结构在地震作用下的被动控制，达到结构功能可恢复的目的，推动装配式混凝土框架结构快速发展。
Description
技术领域
本发明涉及消能减震结构及可恢复功能装配式混凝土框架技术领域，特别涉及一种梁端可控耗能塑性铰。
背景技术
装配式建筑因其建设周期短，环境影响小，已成为实现绿色建筑及工业化的重要方向。然而，装配式混凝土框架结构整体性较差，抗震性能较低，在高烈度区能否应用装配式混凝土框架结构仍有待商榷。
为提高装配式混凝土框架结构的整体性，工程上普遍采用湿式连接技术，即装配整体式。这种湿式连接技术可使装配式混凝土结构的抗震性能等同于现浇混凝土结构，然而，湿式连接仍需要在现场进行一定程度的混凝土浇筑、且钢筋连接困难、施工繁琐，与预制构件运到现场以后不再现浇的全装配式建筑思路相悖。采用干式连接技术虽可避免在现场浇筑混凝土，符合全装配式建筑的思路，但由于梁柱节点连接薄弱，很难达到现浇混凝土结构的抗震性能水准，易形成典型的半刚性节点，导致其整体性降低，梁端传递负弯矩的能力有限，抗震性能不足，工程应用相对较少。
近年来研究表明，在装配式混凝土框架结构连接区域布置耗能装置，可诱导结构在地震作用下形成合理的损伤机制，但震后结构的残余变形较大，短期内不便于修复，甚至修复成本比拆后重建成本更高，这将会导致居民生活和工业生产在较长时间段内处于停滞状态，给国家造成一定的经济损失。为减小震后结构的残余变形，国内外学者着手于将后张无粘结预应力技术应用于装配式混凝土框架结构，形成自复位结构体系。然而，多年的研究成果和工程实践表明，预应力筋在施工及后期使用中，会出现预应力损失，甚至出现脱锚、断丝等不可预见的破坏状况，可能会限值其在实际工程中的应用。
发明内容
为克服传统装配式混凝土框架结构在地震作用下的损伤及其高昂的维修费用，本发明提供一种梁端可控耗能塑性铰，用于提高装配式混凝土框架结构的抗震性能，实现结构在地震作用下的被动控制，达到结构功能可恢复的目的，推动装配式混凝土框架结构快速发展。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种梁端可控耗能塑性铰，包括机械铰1，所述机械铰1的上下端内侧设置有碟簧自复位装置2，位于机械铰1的前后端面设置有摩擦耗能装置3。
所述机械铰1包括U形接头一4和U形接头二5；所述U形接头一4包括竖直设置的连接板7，连接板7的表面左右对称垂直设置两个耳板一8，所述连接板7表面上、下端分别开设连接孔9和与碟簧装置2连接的安装孔10，两个耳板一8上开设摩擦耗能装置3的限位孔11和销轴孔12；
所述U形接头二5包括竖直设置的连接板7，连接板7的表面左右对称垂直设置两个耳板二13，所述连接板7表面上、下端分别开设连接孔9和与碟簧装置2连接的安装孔10，两个耳板二13上开有摩擦耗能装置3的滑移孔14和销轴孔12；
所述耳板一8与耳板二13交叉设置，耳板一8位于耳板二13内侧，且销轴孔12对齐，所述限位孔11与滑移孔14对齐设置。
所述限位孔11环绕销轴孔12设置；滑移孔14环绕销轴孔12设置。
所述限位孔11和销轴孔12为圆形孔，销轴孔12大于限位孔11，所述滑移孔14为弧形孔。
所述碟簧装置2包括内管15，所述内管15一端设置有连接板20，在连接板20上开设与安装孔10对应的安装孔10，另一端与连接板20保持一定的距离，所述内管15将多个碟簧19串在一起，通过碟簧挡板17和预紧螺母18安装在外管16内，所述外管16一端设置有连接板20，在连接板20上开设与安装孔10对应的安装孔10，另一端与连接板20保持一定的距离，所述螺栓21穿过连接板20和U形接头一4上的安装孔10连接，所述螺栓21穿过连接板20和U形接头二5上的安装孔10连接，与外管16连接的连接板20和与内管15相连的连接板20分别位于碟簧装置2两端。
所述摩擦耗能装置3利用耳板一8作为限位板，利用耳板二13作为滑动板，在耳板一8和耳板二13之间安装摩擦片22，摩擦片22上开有与限位孔11和销轴孔12位置对应的孔，其中与销轴孔12位置对应的孔直径大于销轴孔12，耳板13外侧对应设置有环形盖板23，环形盖板23上开有与限位孔11和销轴孔12位置对应的孔，其中与销轴孔12位置对应的孔直径大于销轴孔12，所述销轴6穿过销轴孔12，所述高强螺栓26穿过环形盖板23、滑移孔14、摩擦片22、限位孔11，所述高强螺栓26两端还设置有碟簧24、碟簧垫片25。
本发明梁端可控耗能塑性铰可在装配式混凝土框架结构体系中应用。
本发明的有益效果：
1)可控耗能塑性铰能够实现装配式混凝土框架结构在地震作用下的被动控制，提升结构抗震性能，达到结构功能可恢复的目的。
2)可控耗能塑性铰能够诱导装配式混凝土框架结构形成合理的损伤机制，突出结构设计的主观能动性。
3)可控耗能塑性铰采用碟簧自复位装置，替代预应力钢绞线提供弹性回复力，可克服无黏结预应力筋自复位技术带来的缺点。
4)可控耗能塑性铰集碟簧自复位装置和摩擦耗能装置于一体，传力路径明确。由于有碟簧自复位装置，摩擦耗能装置启动后，可控耗能塑性铰仍具有一定的刚度，有利于限制结构产生过大变形，且具有自复位功能，便于震后快速恢复功能。
5)可控耗能塑性铰采用摩擦耗能装置，起滑力易控制，开设弧形滑移孔，滑动方向与梁端转动方向一致，传力路径短，相比传统软钢阻尼器，不会存在受压屈曲问题，耗能稳定可靠。
6)可控耗能塑性铰与预制构件通过高强螺栓连接，构造简单，传力可靠，性能稳定，易于更换。
附图说明
图1是本发明梁端可控耗能塑性铰结构示意图。
图2是机械铰结构示意图。
图3是碟簧自复位装置结构示意图。
图4是摩擦耗能装置结构示意图。
图5为本发明在装配式混凝土框架结构梁柱边节点安装示意图。
图6为本发明应用在装配式混凝土框架结构体系示意图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明梁端可控耗能塑性铰，包括机械铰1和碟簧自复位装置2和摩擦耗能装置3。
如图2所示，本发明机械铰1，是由两块耳板一8(钢板)和一块连接板7(钢板)焊接形成U形接头一4，由两块耳板二13(钢板)和一块连接板7(钢板)焊接形成U形接头二5，将U形接头一4和U形接头二5用销轴6连接，形成机械铰。在U形接头一4和U形接头二5的连接板7上分别开设连接孔9，以便于和预制构件连接，同时，分别开设安装孔10，以便于和碟簧自复位装置2安装。在U形接头一4的耳板一8四周开设圆形孔，作为摩擦耗能装置3的限位孔11，同时在耳板一8中心开设较大圆形孔，作为销轴6连接的销轴孔12。在U形接头二5的耳板二13四周开设弧形孔，作为摩擦耗能装置3的滑移孔14，同时在耳板二13中心开设较大圆形孔，作为销轴6连接的销轴孔12。
如图3所示，碟簧自复位装置2是使用螺栓21穿过连接板20的安装孔10和U形接头一4的安装孔10连接，同时，使用螺栓21穿过连接板20的安装孔10和U形接头一5的安装孔10连接。碟簧自复位装置2是由内管15(钢管)、外管16(钢管)、碟簧挡板17(钢板)、预紧螺母18(钢材)、碟簧19(钢材)、连接板20(钢板)和连接螺栓21(钢材)组成。内管15与一端连接板20焊接，与另一端连接板20保持一定的距离，内管15将多个碟簧19串在一起，通过碟簧挡板17和预紧螺母18安装在外管16内，外管16与一端连接板20焊接，与另一端连接板20保持一定的距离。
如图4所示，摩擦耗能装置3利用耳板一8作为限位板，利用耳板二13作为滑动板，在耳板一8和耳板二13之间安装摩擦片22，使用高强螺栓26提供预压力，为保证预压力稳定可靠，设置碟簧24、碟簧垫片25和环形盖板23，以便于控制预压力。一共两个耳板一8、两个耳板二13,、两个摩擦片22，形成两个摩擦面。
本发明梁端可控耗能塑性铰安装过程如下：
1)将符合要求的钢板进行切割，做成连接板7、耳板一8和耳板二13，焊接形成U形接头一4和U形接头二5。在相应的位置开设销轴孔12、限位孔11和滑移孔14。将黄铜板切割做成摩擦片22，在摩擦片22与耳板一8上限位孔11对应的位置开设限位孔11，与销轴孔12对应的位置开设比销轴孔12较大的销轴孔12，避免摩擦片22受到销轴6作用。选取符合要求的钢板进行切割，做成环形盖板23，在限位孔11对应的位置开设限位孔11，在销轴孔12对应的位置开设比销轴孔12较大的销轴孔12，避免环形盖板23受到销轴6作用，影响摩擦耗能装置3工作做。
2)将U形接头一4、U形接头二5，摩擦片22用销轴6连接起来，将环形盖板23、摩擦片22、碟簧24和碟簧垫片25用高强螺栓26连接起来。
3)选取符合要求的钢管作为碟簧自复位装置2的内管15，将符合要求的钢板切割，做成连接板20。将内管15、碟簧19、碟簧挡板17和预紧螺母18安装在一起，并装入外管16中。内管15一端与连接板20焊接，外管16一端与连接板20焊接。在连接板20上开设与安装孔10对应的安装孔10。
4)用连接螺栓21穿过安装孔10将碟簧自复位装置2和连接板7安装在一起。
如图5所示，本发明的安装，在预制梁、柱连接端预埋连接钢板，预埋连接钢板在梁截面上、下端伸出一定长度，便于螺栓连接，使用高强螺栓穿过连接孔9与梁端可控耗能塑性铰实现安装，本发明梁端可控耗能塑性铰受力对称，安装过程中不纠结正反问题，便于施工。不在梁柱相贯处连接，而是在偏离半个梁截面高度处与柱连接，其目的是保证预制构件梁柱节点的整体性，确保梁端可控耗能塑性铰能够诱导结构形成梁铰侧移机制。
如图6所示，安装有本发明梁端可控耗能塑性铰的装配式混凝土框架结构示意图。底层柱与基础通过高强螺栓连接，其余层在反弯点处实现柱-柱螺栓连接。
本发明梁端可控耗能塑性铰可在装配式混凝土框架结构体系中应用。
在装配式混凝土框架结构连接区域布置可控耗能塑性铰，能够有效减小震后装配式混凝土框架结构的残余变形，不需修复或稍许修复即可使用。显然，可控耗能塑性铰的应用能为可恢复功能防震结构提供技术支撑。
本发明的工作原理：
在“多遇地震”作用下，装配式混凝土框架结构发生振动，摩擦片22与耳板二13之间的相互作用力小于预先设计的起滑力，碟簧自复位装置2中的碟簧间隙无明显变化，结构发生弹性变形，本发明梁端可控耗能塑性铰仅作为传力部件，传递梁端弯矩和剪力，地震能量在结构动能和弹性势能之间相互转化。震后，结构依靠自身固有弹性恢复力自动复位，无损伤。装配式混凝土框架结构与现浇混凝土框架结构地震反应相似。
在“基本地震”作用下，装配式混凝土框架结构发生振动，摩擦片22与耳板二13之间的相互作用力超过预先设计的起滑力，耳板二13绕销轴6发生相对转动，碟簧自复位装置2中的碟簧间隙因受拉压而减小，预制混凝土构件发生弹性变形。地震能量一部分被摩擦耗能装置3耗散，另一部分在预制构件的弹性势能和结构动能之间相互转化。震后，碟簧自复位装置2提供足够的复位力，使得耳板二13与摩擦片22的相对转角复位，结构不存在残余变形。
在“罕遇地震”作用下，装配式混凝土框架结构发生振动，耳板二13绕销轴6发生较大的相对转动，碟簧自复位装置2中的碟簧间隙接近闭合，预制构件进入弹塑性状态。地震能量一部分被摩擦耗能装置3耗散，另一部分被预制构件耗散，其余部分在结构动能和构件弹性势能之间相互转化。震后，碟簧自复位装置2提供一定的复位力，使得耳板二13与摩擦片22的相对转角基本复位，存在残余变形，但小于限值，可在短期内修复更换。
在“极罕遇地震”作用下，装配式混凝土框架结构发生振动，耳板二13绕销轴6发生很大的相对转动，碟簧自复位装置2中的碟簧间隙闭合，预制构件弹塑性变形进一步发展，被预制构件耗散的地震能量占比增加。震后，碟簧自复位装置2复位力丧失，摩擦耗能装置3预紧力消失，本发明梁端可控耗能塑性铰成为机械铰，仅传递剪力。梁端可控耗能塑性铰成为普通铰接，预制构件发生一定的损伤，但仍能承担竖向荷载，不发生倒塌，可保证生命安全。
Claims (9)
1.一种梁端可控耗能塑性铰，其特征在于，包括机械铰(1)，所述机械铰(1)的上下端内侧设置有碟簧自复位装置(2)，位于机械铰(1)的前后端面设置有摩擦耗能装置(3)。
2.根据权利要求1所述的一种梁端可控耗能塑性铰，其特征在于，所述机械铰(1)包括U形接头一(4)和U形接头二(5)；
所述U形接头一(4)包括竖直设置的连接板(7)，连接板7的表面左右对称垂直设置两个耳板一(8)，所述连接板(7)表面上、下端分别开设连接孔(9)和与碟簧装置(2)连接的安装孔(10)，两个耳板一(8)上开设摩擦耗能装置(3)的限位孔(11)和销轴孔(12)；
所述U形接头二(5)包括竖直设置的连接板(7)，连接板(7)的表面左右对称垂直设置两个耳板二(13)，所述连接板(7)表面上、下端分别开设连接孔(9)和与碟簧装置(2)连接的安装孔(10)，两个耳板二(13)上开有摩擦耗能装置(3)的滑移孔(14)和销轴孔(12)；
所述耳板一(8)与耳板二(13)交叉设置，耳板一(8)位于耳板二(13)内侧，且销轴孔(12)对齐，所述限位孔(11)与滑移孔(14)对齐设置。
3.根据权利要求2所述的一种梁端可控耗能塑性铰，其特征在于，所述限位孔(11)环绕销轴孔(12)设置；滑移孔(14)环绕销轴孔(12)设置。
4.根据权利要求2所述的一种梁端可控耗能塑性铰，其特征在于，所述限位孔(11)和销轴孔(12)为圆形孔，销轴孔(12)大于限位孔(11)，所述滑移孔(14)为弧形孔。
5.根据权利要求2所述的一种梁端可控耗能塑性铰，其特征在于，所述碟簧装置(2)包括内管(15)，所述内管(15)一端设置有连接板(20)，在连接板(20)上开设与安装孔(10)对应的安装孔(10)，另一端与连接板(20)保持一定的距离，所述内管(15)将多个碟簧(19)串在一起，通过碟簧挡板(17)和预紧螺母(18)安装在外管(16)内，所述外管(16)一端设置有连接板(20)，在连接板(20)上开设与安装孔(10)对应的安装孔(10)，另一端与连接板(20)保持一定的距离，所述螺栓(21)穿过连接板(20)和U形接头一(4)上的安装孔(10)连接，所述螺栓(21)穿过连接板(20)和U形接头二(5)上的安装孔(10)连接，与外管(16)连接的连接板(20)和与内管(15)相连的连接板(20)分别位于碟簧装置(2)两端。
6.根据权利要求2所述的一种梁端可控耗能塑性铰，其特征在于，所述摩擦耗能装置(3)利用耳板一(8)作为限位板，利用耳板二(13)作为滑动板，在耳板一(8)和耳板二(13)之间安装摩擦片(22)，摩擦片(22)上开有与限位孔(11)和销轴孔(12)位置对应的孔，其中与销轴孔(12)位置对应的孔直径大于销轴孔(12)，耳板(13)外侧对应设置有环形盖板(23)，环形盖板(23)上开有与限位孔(11)和销轴孔(12)位置对应的孔，其中与销轴孔(12)位置对应的孔直径大于销轴孔(12)，所述销轴(6)穿过销轴孔(12)，所述高强螺栓(26)穿过环形盖板(23)、滑移孔(14)、摩擦片(22)、限位孔(11)，所述高强螺栓(26)两端还设置有碟簧(24)、碟簧垫片(25)。
7.采用权利要求1-6任一项所述的一种梁端可控耗能塑性铰应用于装配式混凝土框架。
8.根据权利要求7所述装配式混凝土框架，其特征在于，梁端可控耗能塑性铰安装在偏离柱半个梁截面高度处，预制梁、柱构件与可控耗能塑性铰安装端预埋钢板，预埋钢板在梁截面上、下端伸出一定长度，预埋螺栓穿过预埋钢板和连接孔(9)将可控耗能塑性铰与梁、柱连接在一起，实现混凝土框架结构装配。
9.基于权利要求1-6任一项所述的一种梁端可控耗能塑性铰，其特征在于，所述梁端可控耗能塑性铰可在装配式混凝土框架结构体系中应用。
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