CN113550492B - 一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点，涉及钢框架结构技术领域。一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点，所述柱脚节点包括垫板和盖板，所述垫板的表面上靠近边缘处周向设置有凹槽；所述盖板表面上靠近边缘处周向设置有凸起；其中，所述凸起与所述凹槽配合，且，当所述凸起与所述凹槽插接连接时，所述凸起的外侧平板与所述凹槽的外侧平板之间设有间隙。构造简单且紧凑，仅需设置凹槽凸起，即可实现复杂双向双铰接功能。从优化节点变形受力角度，提升了节点的耗能能力。在任意方向摇摆时，受拉侧耗能板均能出现较大拉伸变形，而受压侧耗能板压缩变形较小。

Description

一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点

技术领域

本发明涉及钢框架结构技术领域，具体涉及一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点。

背景技术

我国紧邻两条大地震带，地震灾害频发，严重影响人民的生命和财产安全。如何通过合理构造措施，减轻或者避免地震对建筑结构的危害，一直是结构领域的重点研究课题。近年来，可恢复功能结构逐渐受到人们的关注，各类可恢复功能构造措施层出不穷。可恢复功能结构是指结构在地震过后损伤主要集中在可更换耗能部件，而主体结构基本处于弹性无损伤状态。现阶段关于梁柱节点的可恢复功能构造措施相对较多，而关于柱脚节点的相对较少。对于框架结构而言，柱脚节点和梁柱节点同等重要，二者在地震荷载作用下协同变形。因此需要同时对二者进行可恢复功能设计，仅对其一进行可恢复功能设计是不可行的。

当前已有可恢复功能柱脚节点是将柱子底部放置于基础或者支撑结构上，在柱脚周围设置耗能盖板或耗能阻尼器。柱子底部可不做任何处理，由耗能部件限制侧向位移；或者在底部设置抗剪键，防止其侧向位移。现有可恢复功能柱脚节点构造主要关注耗能部件的设计，提升柱脚节点的耗能能力。在地震荷载作用下柱脚双向摇摆变形，与此同时梁柱节点弯曲变形，共同消耗地震输入能量。震后通过更换耗能部件即可重新恢复原状，建筑结构即可重新投入使用。此外，为了增加柱子的自复位能力，通常在柱脚四周设置预应力钢绞线，或者设置各类可提供弹性恢复力的功能材料。

基于上述背景技术分析，现有可恢复功能柱脚节点主要有以下技术缺点或问题：

（a）柱子在摇摆过程中，难免会出现仅柱子边缘与基础或支撑结构的线接触情况，这会造成柱子边缘的应力集中。当轴压比较大时，柱子边缘将会出现不可恢复的压缩损伤变形，甚至局部受压破坏。

（b）无论使用耗能部件或者底部抗剪键限制柱脚侧移，均无法完全限制柱脚的侧移变形。采用耗能部件时，仅通过其横向抗剪提供约束，约束能力较弱。而采用抗剪键时，抗剪键较难与柱子摇摆变形相协调，抗剪键与底部凹槽间存在一定间隙。

（c）现有可恢复功能柱脚节点构造主要关注耗能部件的设计，提升柱脚节点的耗能能力。需要从优化变形受力模式角度提升节点的耗能能力。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点，解决背景技术中提出的至少一个技术问题。

（二）技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点，所述柱脚节点包括：

垫板，所述垫板的表面上靠近边缘处周向设置有凹槽；

盖板，所述盖板表面上靠近边缘处周向设置有凸起；

其中，所述凸起与所述凹槽配合，且，当所述凸起与所述凹槽插接连接时，凸起外侧平板与凹槽外侧平板之间设有间隙；

其中，垫板或者盖板固定在柱子的底部，当垫板设置在柱子的底部时，盖板设置在基础支撑上；当盖板设置在柱子的底部，垫板设置在基础支撑上。

优选的，所述凹槽为圆弧形结构，所述凸起为圆弧形结构。

优选的，所述凹槽与所述凸起的接触面设置有摩擦耗能材料。

优选的，所述凸起与所述凹槽的连接处外侧部设置有耗能板。

优选的，所述耗能板为狗骨型结构的板状。

优选的，所述耗能板在远离所述垫板的一侧设置有加劲肋。

优选的，所述耗能板的外壁设置约束构件，实现对所述耗能板的约束。

优选的，所述约束构件为环形约束板。

（三）有益效果

本发明提供了一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点，与现有技术相比，具有以下有益效果：

由于采用新颖的双向双铰接构造，柱脚节点的性能有较大改善，有效解决第二部分列举的现有技术缺点，带来的具体有益效果如下：

解决了柱子摇摆过程中连接位置边缘碰撞和应力集中问题，原本地震荷载下柱子底部的线接触转变为面接触，传力更加合理可靠。当柱子向一侧发生较大压弯变形时，柱子可以通过对应位置的单向铰，即对应位置的凹槽和凸起，将柱子轴力传递至下部结构。设置的凸起，配合对应凹槽，形成抗剪键，可有效限制柱脚的侧移变形，且凹槽和凸起的相对转动变形能较好的与柱子的摇摆变形相协调。此外，因为摩擦力的存在，可在凹槽和凸起的接触面设置摩擦耗能材料，利用其相对转动变形耗散部分地震输入能量。

本发明提出的柱脚节点，从优化节点变形受力角度，提升了节点的耗能能力。在任意方向摇摆时，受拉侧耗能板均能出现较大拉伸变形，而受压侧耗能板压缩变形较小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的整体结构的爆炸图；

图3是本发明实施例垫板的整体结构示意图；

图4是本发明实施例盖板的整体结构示意图；

图5是本发明实施例节点受力原理示意图；

图6是本发明实施例的平板结构的耗能板示意图；

图7是本发明实施例环形约束板示意图；

图8是本发明实施例环形约束板约束的柱脚节点示意图；

其中，垫板1、凹槽101、凹槽外侧平板102、盖板2、凸起201、凸起外侧平板202、耗能板3、下部短柱4、上部长柱5、螺栓6。

具体实施方法

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明：

如说明书附图1-8所示，本发明提供一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点，传统的柱脚节点是在地面以下做钢筋混凝土基础，基础上连接钢柱，即柱脚节点是柱子与基础或者支撑结构的连接位置。本发明实施例提供的柱脚节点，具体包括垫板1和盖板2，在实施过程将垫板1或者盖板2固定在柱子的底部，也就是当垫板1设置在柱子的底部时，那么盖板2就设置在基础支撑上；也可以是盖板2设置在柱子的底部，此时垫板1设置在基础支撑上；通过垫板1和盖板2实现柱子的固定。

进一步了，为了解决现有技术中存在的问题，本实施例，在垫板1的表面上靠近边缘处周向设置有凹槽101，如下图3所示，具体为沿着垫板1的外壁，在垫板1的表面上设置凹槽；所述盖板2表面上靠近边缘处周向设置有凸起201，其中，所述凸起201与所述凹槽101配合，在安装时，将垫板1与盖板2相对应，盖板2的凸起201插接至垫板1的凹槽101中，并且凸起外侧平板202与凹槽外侧平板102之间设有间隙，具体可以通过在凹槽外侧平板102设置倾角实现，即设置为倾斜面，如下图3和4所示，其中所述凸起外侧平板202具体是指盖板2上表面位于凸起201外侧的位置；所述凹槽外侧平板102是指垫板1的表面在凹槽101外侧的位置；凸起201与凹槽101对应，凹槽101与凸起201组成可旋转的单向铰。能够实现多对凹槽与凸起，因此可以沿不同的方向自由摇摆。对于矩形截面柱，每个方向设有两个单向铰，可形成双向双铰接节点。凸起外侧平板202与凹槽外侧平板102之间有间隙，能够为任意方向摇摆提供旋转空间。

本发明实施例当柱子向一侧发生较大压弯变形时，柱子可以通过对应位置的单向铰，即对应位置的凹槽和凸起，将柱子轴力传递至下部结构。凸起201配合对应凹槽101，形成抗剪键，可有效限制柱脚的侧移变形，且凹槽101和凸起201的相对转动变形能较好的与柱子的摇摆变形相协调。本发明实施例提出的柱脚节点，从优化节点变形受力角度，提升了节点的耗能能力。在任意方向摇摆时，受拉侧耗能板均能出现较大拉伸变形，而受压侧耗能板压缩变形较小。

具体的，该垫板1和盖板2与柱子的横截面形状是一致的，如方形结构。当其为方形时，如下图3和4所示，垫板1沿着边缘设置凹槽101，相邻的凹槽101是垂直的，并且靠近边缘是指凹槽101无限接近边缘，如此可以增大摇摆时的旋转半径。

一实施例中，所述凹槽101为圆弧形结构，所述凸起201为圆弧形结构。通过圆弧结构有利于转动。

一实施例中，如图1、2和6所示，所述凸起201与所述凹槽101的连接处外侧部设置有耗能板3。耗能板3为平板结构，实施时，将耗能板3通过螺栓6固定在柱子和基础支撑的外侧。具体的，该耗能板3是根据工况决定的，如图1-8所示的，如基础支撑结构可以采用向上延伸的结构，形成柱状结构形成下部短柱4，通过垫板1和盖板2将下部短柱4和上部长柱5连接起来，此时耗能板3就固定设置在下部短柱4和上部长柱5交接处的外侧部。

同样的，基础支撑结构可以采用平面端板，即不设置向上延伸的结构，也即没有下部短柱4。直接在基础支撑结构的上端部设置凸起或者凹槽，进而构成垫板1或者盖板2。此时耗能板3可以采用L型耗能结构或者角钢。

一实施例中，所述耗能板3为狗骨型结构的板状。如图2所示，该狗骨型结构实质为中间位置的宽度小于两端部的宽度。狗骨型结构的板状，即为在中间位置设置削弱段，将塑性变形集中于耗能板中部，有利于实现震后可恢复功能，削弱段与未削弱区域通过圆弧过渡区平滑过渡。

一实施例中，所述耗能板3在远离所述垫板1的一侧设置有加劲肋，通过在耗能板上设置加劲肋，增加耗能段的稳定性。

一实施例中，如图7和8所示，所述耗能板3的外壁设置约束构件，实现对所述耗能板3的约束。

一实施例中，如图7和8所示，所述约束构件为环形约束板，提高耗能段的稳定性。

上述实施例，解决了柱子摇摆过程中连接位置边缘碰撞和应力集中问题，原本地震荷载下柱子底部的线接触转变为面接触，传力更加合理可靠。当柱子向一侧发生较大压弯变形时，柱子可以通过对应位置的单向铰，即对应位置的凹槽和凸起，将柱子轴力传递至下部结构。底部设置的凸起，配合对应凹槽，形成抗剪键，可有效限制柱脚的侧移变形，且凹槽和凸起的相对转动变形能较好的与柱子的摇摆变形相协调。此外，因为摩擦力的存在，可在凹槽和凸起的接触面设置摩擦耗能材料，利用其相对转动变形耗散部分地震输入能量。从优化节点变形受力角度，提升了节点的耗能能力。在任意方向摇摆时，受拉侧耗能板均能出现较大拉伸变形，而受压侧耗能板压缩变形较小。

进一步，如下图5所示，本发明实施例的工作原理：通过在靠近柱子边缘位置设置多个铰接连接，优化柱脚变形受力。采用铰接连接后，解决了已有可恢复功能柱脚节点的线接触局部破坏问题，且柱脚侧移得到有效限制。需要特别说明的是，柱子的摇摆变形能与该柱脚节点变形相协调。该支座构造简单且紧凑，设置的凹槽凸起，并在带凹槽垫板四周设置斜坡，即可实现复杂双向双铰接功能。带凸起盖板和带凹槽垫板几何形状简单，均可通过热轧、铸造或机械加工等方法制作，加工难度小。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种双向双铰接可恢复功能柱脚节点，其特征在于，所述柱脚节点包括：

垫板（1），所述垫板（1）的表面上靠近边缘处周向设置有凹槽（101）；

盖板（2），所述盖板（2）表面上靠近边缘处周向设置有凸起（201）；

其中，所述凸起（201）与所述凹槽（101）配合，且，当所述凸起（201）与所述凹槽（101）插接连接时，凸起外侧平板（202）与凹槽外侧平板（102）之间设有间隙；

其中，垫板（1）或者盖板（2）固定在柱子的底部，当垫板（1）设置在柱子的底部时，盖板（2）设置在基础支撑上；当盖板（2）设置在柱子的底部，垫板（1）设置在基础支撑上。

2.根据权利要求1所述双向双铰接可恢复功能柱脚节点，其特征在于：所述凹槽（101）为圆弧形结构，所述凸起（201）为圆弧形结构。

3.根据权利要求1所述双向双铰接可恢复功能柱脚节点，其特征在于：所述凹槽（101）与所述凸起（201）的接触面设置有摩擦耗能材料。

4.根据权利要求1所述双向双铰接可恢复功能柱脚节点，其特征在于：所述凸起（201）与所述凹槽（101）的连接处外侧设置有耗能板（3）。

5.根据权利要求4所述双向双铰接可恢复功能柱脚节点，其特征在于：所述耗能板（3）为狗骨型结构的板状。

6.根据权利要求5所述双向双铰接可恢复功能柱脚节点，其特征在于：所述耗能板（3）在远离所述垫板（1）的一侧设置有加劲肋。

7.根据权利要求4所述双向双铰接可恢复功能柱脚节点，其特征在于：所述耗能板（3）的外壁设置约束构件，实现对所述耗能板（3）的约束。

8.根据权利要求7所述双向双铰接可恢复功能柱脚节点，其特征在于：所述约束构件为环形约束板。

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