CN113216396A - 建筑结构用自复位梁柱节点装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种建筑结构用自复位梁柱节点装置，它包括H型钢柱和钢梁，H型钢柱翼缘板上固连剪切板，H型钢梁腹板上有与剪切板长孔相匹配的连接H型钢柱用长孔；H型钢梁腹板上有一个自上翼缘板边缘为角顶端，到下翼缘板的切角；H型钢梁翼缘板间有锚固板，H型钢柱节点处的翼缘板与H型钢梁锚固板间有复位装置。因采用本发明H型钢梁下翼缘“削角”方式，消除了对楼板和框架柱的附加损伤。设置剪切板提供了剪力的稳定传递路径满足节点“开合运动”的需求。复位装置的预紧力和碟簧布置可调整，节点的初始刚度、强度和变形能力灵活多变；碟簧为SMA材料，大大增强了节点的变形能力，同时残余变形可控制在较低水平。本发明的结构简单，易于组装施工。
Description
技术领域
本发明属于一种建筑结构抗震装置，特别是属于一种建筑结构用自复位梁柱节点装置。
背景技术
依据现行抗震规范要求，常规抗侧力系统通常基于“三水准”方法进行设计，在大震作用下允许出现严重的结构损坏，容易导致大的残余位移，在这种情况下，损坏元件难以修复或更换。因此，地震后受损严重的建筑，可能需要被拆除。设计出地震中不发生损坏或者仅发生可迅速修复破坏的结构，成为常规抗侧力系统的设计目标之一。
使用钢绞线的自复位梁柱节点是一类后张拉节点，可以使结构自动恢复原状，消除残余变形带来的影响。通过设置耗能构件，使主体结构一直处于弹性工作阶段，结构在震后只需更换易于拆卸的耗能构件。但由于后张拉梁柱节点对节点区强度和刚度有较高要求，因此，节点构造复杂，易产生预应力损失。同时，梁柱界面张开、闭合运动，导致柱距增加、楼板开裂，框架柱产生额外弯曲变形适应新的柱距等一系列问题，也就是出现“框架扩展”现象。
另一种常用方案是梁端上下翼缘均削角，形成绕梁中轴线转动的节点，同时在梁上下翼缘附近对称添加复位装置进行复位。此类方案可以保证柱距在节点转动过程中不变，但是存在节点局部张开缝隙，使上覆楼板开裂；并且由于节点转动中心由某侧翼缘转移到梁中轴线，导致复位装置形变量减半和复位力臂高度减半，即复位力矩为绕某侧翼缘转动类节点的四分之一，复位能力严重下降；最后，节点区域空间较小，对称布置的复位装置占用空间大，施工困难，不利发展装配化。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于SMA碟簧的自复位梁柱节点，适用于钢框架和钢板剪力墙结构，具有优秀的初始刚度、强度和变形能力的建筑结构用自复位梁柱节点装置。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：它包括有H型钢柱和与所述H型钢柱的翼缘板以H型断面端相互垂直装配的H型钢梁，所述的H型钢柱和H型钢梁的腹板相对处于一个平面，在与所述的H型钢梁相互连接的节点处的所述的H型钢柱的翼缘板上固连有剪切板，在所述的剪切板上有与所述H型钢柱翼缘板成垂直方向的剪切板长孔，在所述的H型钢梁的腹板上有与所述剪切板长孔相匹配的连接所述H型钢柱用的长孔在所述的剪切板长孔与所述H型钢梁长孔中穿装紧固用的剪切板螺栓与螺母；在与所述H型钢柱相接触的所述的H型钢梁的H型断面端的腹板处有一个自H型钢梁的H型断面端的上翼缘板边缘开始为角顶端，向下切到其下翼缘板的切角；在所述的H型钢梁的所述节点附近的翼缘板之间固连有一与所述H型钢梁翼缘板相互垂直且与所述H型钢柱翼缘板面板彼此平行的锚固板，在所述的节点处所述H型钢柱的翼缘板与所述的H型钢梁锚固板之间有一垂直于所述H型钢柱的翼缘板安装的，且将所述H型钢柱节点处的翼缘板与所述H型钢梁锚固板连接在一起的的复位装置；所述的复位装置包括有栓杆、套管、SMA碟簧和螺母。
本发明还可以采用如下技术方案：
所述的的复位装置包括有栓杆、套管、第一、二、三、四SMA碟簧和第一、二螺母，当所述的H型钢柱与H型钢梁在所述节点上相互接触装配时，所述的栓杆两端分别穿过所述的H型钢柱翼缘板和所述锚固板上的彼此相对应匹配的孔，且所述的栓杆在所述的H型钢柱和所述锚固板中间套有所述的套管以及在此套管的两端穿装有所述的第二、三SMA碟簧，在所述的栓杆露出所述的H型钢柱翼缘板和所述锚固板的两端分别先后套装有所述第一SMA碟簧与第一螺母和第四SMA碟簧与第二螺母。
所述的剪切板长孔以及与所述剪切板长孔相匹配的连接所述H型钢柱用的长孔，是直线型长圆孔或是以所述的H型钢梁上翼缘截面的上边缘为旋转轴的圆弧形长圆孔。
所述的复位装置和所述的剪切板都是置于所述H型钢梁上下翼缘板的空间之中。
所述的复位装置为两个，且在所述H型钢梁腹板的两侧。
所述的剪切板上的剪切板长孔与所述的H型钢梁的腹板上与所述剪切板长孔相匹配的连接所述H型钢柱用的长孔及所述的剪切板螺栓与螺母是上下两套。
本发明具有的优点和积极效果是：由于采取了H型钢梁下翼缘“削角”方式，在H型钢梁、柱间预留初始缝隙，避免传统后张拉节点的“框架扩展”问题，消除了对楼板和框架柱的附加损伤。
本发明通过设置开长圆孔的剪切板，提供了剪力的稳定传递路径，并满足节点“开合运动”的需求。
此外，采用SMA碟簧组代替钢绞线，以碟簧受压承载代替钢绞线受拉承载，提供稳定可靠且优秀的复位能力，且不易产生预应力损失。同时，避免了以钢绞线作为恢复力装置的节点在地震过程中，节点缝隙减小一侧的钢绞线预应力减小到零，进而导致节点刚度和复位能力突降的问题；采用H型钢梁翼缘削角形成绕梁上翼缘转动的自复位节点，消除了柱距增加和节点局部张开缝隙的问题，不会对楼板产生附加损伤；本发明仅在H型钢梁下翼缘附近布置复位装置，简洁明了，占用节点区域空间小，便于发展装配化。SMA碟簧组的碟簧数量、布置方式和预紧力可调整，节点的初始刚度、强度和变形能力灵活多变；重要的是，SMA材料可容许大变形的特点，大大增强了节点的变形能力，同时残余变形可控制在较低水平。本发明的结构简单，易于组装施工。
附图说明
图1为本发明的节点组装结构示意图；
图2为本发明的复位装置组装结构示意图；
图3为本发明的节点拆分结构示意图；
图4为本发明的复位装置拆分结构示意图；
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1、2、3、4所示，本发明基于SMA碟簧的自复位梁柱节点，由H型钢柱1、H型钢梁2、剪切板3、高强螺栓4、栓杆5、第一螺母6、第二螺母13、第一SMA碟簧组7、第二SMA碟簧组8、第三SMA碟簧组10、第四SMA碟簧组12、套管9、锚固板11等组成。
H型钢梁2的梁端削角角度，应大于节点转动角度的最大值，以此保证柱距不变。
H型钢梁2上翼缘板与H型钢柱1翼缘板保持紧密接触但不连接，形成轴力传递路径。
剪切板4与H型钢柱1朝向H型钢梁2一侧的翼缘板焊接，H型钢柱1的翼缘板与H型钢梁2的腹板开长圆孔，也可以开圆弧形长圆孔，并通过高强螺栓4将两者连接，形成剪力传递路径，长圆孔及螺栓的数量根据节点的剪力需求确定。
栓杆5从左到右，依次贯穿第一螺母6、第一SMA碟簧组7、H型钢柱1翼缘板、第二SMA碟簧组8、套管9、第三SMA碟簧组10、锚固板11、第四SMA碟簧组12和第二螺母13等，形成复位装置，并对全部碟簧组施加预紧力，H型钢梁2上翼缘板与复位装置共同形成弯矩传递路径。也可在H型钢梁2的腹板两侧均安装这样的复位装置。
复位装置应满足以下要求：SMA碟簧数量和布置方式，满足节点的初始刚度和变形能力的需求；碟簧组的预紧力保证在正常使用过程中SMA碟簧组始终处于压缩状态；栓杆5表面涂抹润滑树脂，保证组件在栓杆5上顺利滑动。
在此进一步说明关键参数的取值。
方案一：假设节点最大转角为0.04rad，H型钢梁2高200mm，栓杆5轴线与H型钢梁2上翼缘的距离为150mm，节点初始刚度要求高于6.5N/mm。依据有限元分析结果，材料为Ni-Ti合金(Ni含量50.8％)的碟簧，内径d为20mm，外径为45mm，总高H为10mm，锥高h0为6mm，厚度t为4mm，其最大压缩量f为5.2mm，最大压缩量时的承载力约为53kN。H型钢梁2的梁端最大转角为0.04rad，下翼缘位移量为0.04×200＝8mm，则可取H型钢梁2的梁端削角角度为0.06rad，碟簧串联4组；碟簧并联组数取8组，可达到节点初始割线刚度约7.2N/mm。综上，第一SMA碟簧组7为8片碟簧并联，同时第二SMA碟簧组8、第三SMA碟簧组10和第四SMA碟簧组12也是8片碟簧并联，梁两侧复位装置采用相同布置方式。
方案二：各碟簧组采用16片并联。相比于方案一，方案二可达到承载力加倍、节点转动能力相同、初始割线刚度加倍的效果。
方案三：各碟簧组采用16片碟簧，两两串联再并联的方式。相比于方案一，方案三可达到承载力相同，节点转动能力加倍，初始割线刚度减半的效果。
本发明的工作原理
在正常使用阶段和小震作用下，H型钢梁、柱2、1界面没有“张开”，其性能类似于焊接刚接节点；在中震和大震作用下，H型钢梁、柱2、1界面“张开”，H型钢梁、柱2、1形成绕梁上翼缘板的转动。在H型钢梁、柱2、1界面“张开”过程中，第一SMA碟簧组7和第四SMA碟簧组12进一步压缩，第二SMA碟簧组8和第三SMA碟簧组10放松，四个SMA碟簧组的内力变化形成绕H型钢梁的上翼缘板的复位力矩；同理，在H型钢梁、柱2、1界面“闭合”过程中，也形成复位力矩。复位力矩使节点复位，减小残余变形。
Claims (6)
1.一种建筑结构用自复位梁柱节点装置，它包括有H型钢柱和与所述H型钢柱的翼缘板以H型断面端相互垂直装配的H型钢梁，所述的H型钢柱和H型钢梁的腹板相对处于一个平面，其特征是，在与所述的H型钢梁相互连接的节点处的所述的H型钢柱的翼缘板上固连有剪切板，在所述的剪切板上有与所述H型钢柱翼缘板成垂直方向的剪切板长孔，在所述的H型钢梁的腹板上有与所述剪切板长孔相匹配的连接所述H型钢柱用的长孔在所述的剪切板长孔与所述H型钢梁长孔中穿装紧固用的剪切板螺栓与螺母；在与所述H型钢柱相接触的所述的H型钢梁的H型断面端的腹板处有一个自H型钢梁的H型断面端的上翼缘板边缘开始为角顶端，向下切到其下翼缘板的切角；在所述的H型钢梁的所述节点附近的翼缘板之间固连有一与所述H型钢梁翼缘板相互垂直且与所述H型钢柱翼缘板面板彼此平行的锚固板，在所述的节点处所述H型钢柱的翼缘板与所述的H型钢梁锚固板之间有一垂直于所述H型钢柱的翼缘板安装的，且将所述H型钢柱节点处的翼缘板与所述H型钢梁锚固板连接在一起的的复位装置；所述的复位装置包括有栓杆、套管、SMA碟簧和螺母。
2.根据权利要求1所述的建筑结构用自复位梁柱节点装置，其特征是，所述的的复位装置包括有栓杆、套管、第一、二、三、四SMA碟簧和第一、二螺母，当所述的H型钢柱与H型钢梁在所述节点上相互接触装配时，所述的栓杆两端分别穿过所述的H型钢柱翼缘板和所述锚固板上的彼此相对应匹配的孔，且所述的栓杆在所述的H型钢柱和所述锚固板中间套有所述的套管以及在此套管的两端穿装有所述的第二、三SMA碟簧，在所述的栓杆露出所述的H型钢柱翼缘板和所述锚固板的两端分别先后套装有所述第一SMA碟簧与第一螺母和第四SMA碟簧与第二螺母。
3.根据权利要求1或2所述的建筑结构用自复位梁柱节点装置，其特征是，所述的剪切板长孔以及与所述剪切板长孔相匹配的连接所述H型钢柱用的长孔，是直线型长圆孔或是以所述的H型钢梁上翼缘截面的上边缘为旋转轴的圆弧形长圆孔。
4.根据权利要求1或2所述的建筑结构用自复位梁柱节点装置，其特征是，所述的复位装置和所述的剪切板都是置于所述H型钢梁上下翼缘板的空间之中。
5.根据权利要求1或2所述的建筑结构用自复位梁柱节点装置，其特征是，所述的复位装置为两个，且在所述H型钢梁腹板的两侧。
6.根据权利要求1或2所述的建筑结构用自复位梁柱节点装置，其特征是，所述的剪切板上的剪切板长孔与所述的H型钢梁的腹板上与所述剪切板长孔相匹配的连接所述H型钢柱用的长孔及所述的剪切板螺栓与螺母是上下两套。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210806 |
|
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