CN113700362B - 一种基于sma装配式易复位转动耗能节点 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点，主要包括转动梁、转动外盘、垫块、SMA螺栓、耗能角钢、连接梁、钢梁和钢柱。本发明转动盘和转动外盘通过螺旋面贴合，采用SMA螺栓连接固定。当结构受到地震水平荷载时，节点以SMA螺栓为转动中心发生转动，两侧转动外盘之间间距增大，SMA螺栓受拉伸长，SMA螺栓的超弹性将有效减小节点残余变形，使其具有易复位的优点。本发明节点整体的耗能能力由转动盘和转动外盘之间的接触面摩擦耗能、耗能角钢削弱段的塑性变形耗能和SMA螺栓变形耗能三部分组成，与只通过角钢耗能的节点相比具有更强的耗能能力。

Description

一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点
技术领域
本发明涉及一种基于SMA（形状记忆合金）装配式易复位转动耗能节点，本发明属于土木工程的结构消能减震技术领域。
背景技术
装配式建筑由于其环保、高效等优点成为未来建筑工业化发展的重点，另一方面，地震对装配式建筑具有重大威胁，提高装配式结构的抗震韧性具有重要意义。传统装配式钢节点的节点域在地震中易遭破坏，造成节点变形能力和耗能能力不足，通过对钢梁进行部分削弱可将塑性铰从节点域外移，提高节点的变形能力和耗能能力。然而，这种方法仍以结构构件自身的塑性变形来消耗地震能量，这将造成结构构件的永久性破坏，使得结构震后存在较大残余变形，难以维修，造成严重经济损失。为了克服这一缺点，使钢结构节点在有效耗散地震能量的同时减小残余变形，本发明提出一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点，人为设置转动中心避免节点域出现塑性铰，节点耗能能力由转动盘和转动外盘之间的螺旋面摩擦耗能、耗能角钢的塑性变形和SMA螺栓变形耗能三部分组成，利用SMA螺栓的超弹性减小节点残余变形，实现易复位的优点。
发明内容
为了提高结构抗震韧性，使钢结构节点在有效耗散地震能量的同时减小残余变形，本发明提出了一种新型的装配式节点，该节点通过人为设置转动中心避免节点域出现塑性铰，防止重要构件在地震中损坏，同时具有耗能能力强和易复位的优点。
本发明使用SMA螺栓将转动盘和转动外盘连接，转动盘和转动外盘通过螺旋面贴合，当结构受到水平地震荷载时，节点以SMA螺栓为转动中心发生转动，由于螺旋面的存在，两侧转动外盘之间的间距增大，SMA螺栓受拉伸长从而变形耗能，SMA螺栓本身的超弹性有效减小节点的残余变形，使其具有易复位的优点，同时各螺旋面摩擦耗能。连接梁和转动梁的腹板加工成对应的弧形，避免节点转动时发生碰撞损坏构件。与连接梁和转动梁螺栓连接的耗能角钢有效提高了节点的强度、刚度、抗剪能力和耗能能力。对SMA螺栓施加预紧力可以使节点具有较高的初始转动刚度和更强的复位性能。本发明节点具有装配式的特点，便于施工安装，节点遭遇地震发生转动后，只有耗能角钢屈服进入塑性阶段，其他构件均处于弹性阶段，避免重要构件在地震中遭到破坏。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案:
一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点，主要包括转动梁（1）、转动外盘（2）、垫块（3）、SMA螺栓（4）、耗能角钢（5）、连接梁（6）、钢梁（7）和钢柱（8）。连接梁（6）的第二端板（20）上加工有螺栓孔，用于与钢柱（8）螺栓连接。连接梁（6）加劲板（18）上加工有螺栓孔，用于与转动外盘（2）连接板（15）螺栓连接。连接梁（6）第二弧形腹板（19）端部加工成弧形。转动梁（1）和连接梁（6）两侧对称布置耗能角钢（5），且采用螺栓连接。耗能角钢（5）上加工有第一削弱段（17），目的是人为控制耗能角钢（5）的塑性区域，增大耗能角钢（5）的变形能力和耗能能力。转动梁（1）包括翼缘（9）、第一端板（10）和第一弧形腹板（11），翼缘（9）上加工有螺栓孔，用于与耗能角钢（5）螺栓连接。转动梁（1）第一端板（10）上加工有螺栓孔，使转动梁（1）与钢梁（7）螺栓连接。转动梁（1）第一弧形腹板（11）靠近翼缘（9）处加工有螺栓孔，用于与耗能角钢（5）螺栓连接。转动梁（1）第一弧形腹板（11）端部加工成弧形，与连接梁（6）的第二弧形腹板（19）形状相对应，目的是当节点发生转动时，转动梁（1）与连接梁（6）不会发生接触碰撞使构件损坏。转动梁（1）第一弧形腹板（11）上加工有转动盘（12），转动盘（12）上加工有第一螺旋面（13），圆心处加工有螺栓孔。转动外盘（2）上加工有第二螺旋面（14），圆心处加工有螺栓孔。转动外盘（2）连接板（15）上加工有槽孔（16），目的是使螺栓抗剪的同时不约束转动外盘（2）的水平位移。转动梁（1）和连接梁（6）两侧对称布置转动外盘（2），转动外盘（2）连接板（15）与连接梁（6）加劲板（18）螺栓连接。转动外盘（2）上的第二螺旋面（14）与转动梁（1）上的转动盘（12）第一螺旋面（13）相对应，并通过SMA螺栓（4）连接，SMA螺栓（4）两端螺母下安装有垫块（3），目的是匹配SMA螺栓（4）长度。SMA螺栓（4）由SMA棒材加工而成，SMA螺栓（4）分为三段，包括螺纹段（21）、过渡段（22）和第二削弱段（23）。螺纹段（21）为螺纹轴，第二削弱段（23）为光轴且直径小于螺纹段（21）；由于螺纹段（21）对于SMA棒材而言相当于进行了截面削弱，所以需要将SMA棒材的加工出第二削弱段（23），保证SMA螺栓受拉时，变形集中在第二削弱段（23），避免螺纹段（21）率先破坏。螺纹段（21）和第二削弱段（23）之间加工有过渡段（22），避免截面形状突变造成的应力集中。
当地震发生时，结构受到水平荷载，节点以SMA螺栓（4）为转动中心发生转动。由于转动盘（12）与转动外盘（2）是通过第一螺旋面（13）与第二螺旋面（14）贴合在一起，转动盘（12）与转动外盘（2）之间的相对转动会使得两侧转动外盘（2）间距增大，SMA螺栓（4）受拉伸长从而变形耗能，第一螺旋面（13）与第二螺旋面（14）之间存在摩擦力从而摩擦耗能，SMA螺栓（4）自身的超弹性将有效减小节点的残余变形，使其具有易复位的优点。同时，耗能角钢（5）由于连接梁（6）与转动梁（1）之间的相对变形而发生变形，耗能角钢（5）屈服进入塑性阶段从而耗散能量。
耗能角钢（5）增强了节点的耗能能力，同时有效提高节点的刚度、强度和抗剪能力。对SMA螺栓（4）施加预应力，SMA螺栓（4）将受到预拉伸，转动盘（12）和转动外盘（2）被压紧，外荷载需要克服SMA螺栓（4）的预紧力才能使节点发生转动，从而有效提高了节点的初始转动刚度；同时，SMA螺栓（4）的预拉伸使得节点转动后的SMA螺栓（4）总变形量增大，SMA螺栓（4）提供的恢复力增大，增强了节点的复位能力。通过改变SMA螺栓（4）第二削弱段（23）的长度和直径，可以对节点的强度和刚度进行调节。
本发明节点具有装配式的特点，所有构件均为工厂预制而成，构件之间无需焊接，采用现场螺栓连接，便于施工安装。本发明节点发生转动后，只有耗能角钢（5）屈服进入塑性阶段，其他构件均处于弹性阶段，避免重要构件如钢梁（7）、钢柱（8）等在地震中遭到破坏。节点的耗能能力由转动盘（12）第一螺旋面（13）和转动外盘（2）第二螺旋面（14）之间的摩擦力、耗能角钢（5）和SMA螺栓（4）提供，可有效耗散地震能量。SMA螺栓（4）的超弹性可以有效减小由于耗能角钢（5）屈服引起的节点残余变形，使节点具有易复位的优点。耗能角钢（5）造价较低且采用螺栓连接，方便在地震结束后对其进行更换。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
（1）本发明转动盘和转动外盘通过螺旋面贴合，采用SMA螺栓连接固定。当结构受到地震水平荷载时，节点以SMA螺栓为转动中心发生转动，两侧转动外盘之间间距增大，SMA螺栓受拉伸长，SMA螺栓的超弹性将有效减小节点残余变形，使其具有易复位的优点。
（2）本发明节点整体的耗能能力由转动盘和转动外盘之间的接触面摩擦耗能、耗能角钢削弱段的塑性变形耗能和SMA螺栓变形耗能三部分组成，与只通过角钢耗能的节点相比具有更强的耗能能力。
（3）本发明通过对SMA螺栓施加预紧力，使节点具有较高的初始刚度和较好的复位能力。
（4）本发明转动外盘连接板上加工槽孔，连接梁加劲板上加工螺栓孔，螺栓具有抗剪能力，同时当节点发生转动时，两侧转动外盘之间间距增大，槽孔不会约束转动外盘的水平位移。
（5）本发明节点采用的耗能角钢增强了节点的耗能能力，同时有效提高节点的刚度、强度和抗剪能力。
（6）本发明通过改变SMA螺栓削弱段的长度和直径，可以对节点的强度和刚度进行调节。
（7）本发明节点各构件均为工厂预制而成，采用现场螺栓连接，无需焊接，便于施工安装，实现了装配式的特点。
（8）本发明节点转动梁与连接梁加工有形状对应的弧形腹板，避免节点发生转动时转动梁与连接梁发生接触碰撞损坏构件。
（9）本发明耗能角钢上加工出削弱段，人为控制耗能角钢变形时的塑性区域，增大耗能角钢的变形能力和耗能能力。
（10）本发明节点发生转动后，只有耗能角钢屈服进入塑性阶段，其他构件均处于弹性阶段，实现了将节点塑性铰移出节点域，避免了重要构件如钢梁、钢柱等在地震中遭到破坏。
（11）本发明节点中的耗能角钢造价较低且采用螺栓连接，方便在地震结束后对其进行更换。
附图说明
图1是节点装配示意图和节点剖面示意图。
图2是转动梁示意图。
图3是转动外盘示意图。
图4是耗能角钢示意图。
图5是连接梁示意图。
图6是SMA螺栓示意图。
图7是节点剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1-7所述，一种装配式易复位转动耗能节点，该节点的施作方法如下：转动梁（1）、转动梁（1）上的第一弧形腹板（11）、转动盘（12）及第一螺旋面（13）、转动外盘（2）、转动外盘上的槽孔（16）及第二螺旋面（14）、SMA螺栓（4）、SMA螺栓（4）上的螺纹段（21）、过渡段（22）和第二削弱段（23）、耗能角钢（5）及第一削弱段（17）、连接梁（6）、连接梁上的加劲板（18）、第二弧形腹板（19）及第二端板（20）、钢梁（7）、钢柱（8）等均在工厂事先预制而成，而后运输至施工现场。
首先将钢柱（8）与连接梁（6）通过第二端板（20）螺栓连接，将转动梁（1）与钢梁（7）通过第一端板（10）螺栓连接。钢梁（7）钢柱（8）定位后，将两侧转动外盘（2）通过连接板（15）与连接梁（6）加劲板（18）螺栓连接，转动外盘（2）第二螺旋面（14）与转动盘（12）第一螺旋面（13）贴合，之后用SMA螺栓（4）连接固定。将耗能角钢（5）与连接梁（6）与钢梁（7）螺栓连接。对SMA螺栓（4）施加预紧力至设计值。

Claims (6)

1.一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点，其特征在于：连接梁（6）的第二端板（20）上加工有螺栓孔，用于与钢柱（8）螺栓连接；连接梁（6）加劲板（18）上加工有螺栓孔，用于与转动外盘（2）连接板（15）螺栓连接；转动梁（1）和连接梁（6）两侧对称布置耗能角钢（5），且采用螺栓连接；耗能角钢（5）上加工有第一削弱段（17）；
转动梁（1）包括翼缘（9）、第一端板（10）和第一弧形腹板（11），翼缘（9）上加工有螺栓孔，用于与耗能角钢（5）螺栓连接；
第一端板（10）上加工有螺栓孔，使转动梁（1）与钢梁（7）螺栓连接；
第一弧形腹板（11）靠近翼缘（9）处加工有螺栓孔，用于与耗能角钢（5）螺栓连接；
第一弧形腹板（11）上加工有转动盘（12），转动盘（12）上加工有第一螺旋面（13），转动盘（12）的圆心处加工有螺栓孔；
转动外盘（2）上加工有第二螺旋面（14），转动外盘（2）的圆心处加工有螺栓孔；转动外盘（2）的连接板（15）上加工有槽孔（16）；转动梁（1）和连接梁（6）两侧对称布置转动外盘（2），转动外盘（2）连接板（15）与连接梁（6）加劲板（18）螺栓连接；转动外盘（2）上的第二螺旋面（14）与转动梁（1）上的转动盘（12）第一螺旋面（13）相对应，并通过SMA螺栓（4）连接，SMA螺栓（4）两端螺母下安装有垫块（3），以匹配SMA螺栓（4）长度；
SMA螺栓（4）由SMA棒材加工而成，SMA螺栓（4）分为三段，包括螺纹段（21）、过渡段（22）和第二削弱段（23）；螺纹段（21）为螺纹轴，第二削弱段（23）为光轴且直径小于螺纹段（21）；由螺纹段（21）和第二削弱段（23）之间加工有过渡段（22）。
2.根据权利要求1所述的一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点，其特征在于：当地震发生时，结构受到水平荷载，以SMA螺栓（4）为转动中心发生转动；由于转动盘（12）与转动外盘（2）是通过第一螺旋面（13）与第二螺旋面（14）贴合在一起，转动盘（12）与转动外盘（2）之间的相对转动会使得两侧转动外盘（2）间距增大，SMA螺栓（4）受拉伸长从而变形耗能，第一螺旋面（13）与第二螺旋面（14）之间存在摩擦力从而摩擦耗能，SMA螺栓（4）自身的超弹性将有效减小节点的残余变形；耗能角钢（5）由于连接梁（6）与转动梁（1）之间的相对变形而发生变形，耗能角钢（5）屈服进入塑性阶段从而耗散能量。
3.根据权利要求1所述的一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点，其特征在于：耗能角钢（5）增强了节点的耗能能力，同时提高节点的刚度、强度和抗剪能力；对SMA螺栓（4）施加预应力，SMA螺栓（4）将受到预拉伸，转动盘（12）和转动外盘（2）被压紧，外荷载需要克服SMA螺栓（4）的预紧力才能使节点发生转动，SMA螺栓（4）的预拉伸使得节点转动后的SMA螺栓（4）总变形量增大，SMA螺栓（4）提供的恢复力增大，增强节点复位能力；通过改变SMA螺栓（4）第二削弱段（23）的长度和直径，对节点的强度和刚度进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点，其特征在于：所有构件均为工厂预制而成，构件之间无需焊接，采用现场螺栓连接，便于施工安装；节点发生转动后，耗能角钢（5）屈服进入塑性阶段，其他构件均处于弹性阶段，避免钢梁（7）、钢柱（8）在地震中遭到破坏；节点的耗能能力由转动盘（12）第一螺旋面（13）和转动外盘（2）第二螺旋面（14）之间的摩擦力、耗能角钢（5）和SMA螺栓（4）提供，耗散地震能量；SMA螺栓（4）的超弹性减小由于耗能角钢（5）屈服引起的节点残余变形，耗能角钢（5）采用螺栓连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点，其特征在于：施作方法如下，转动梁（1）、转动梁（1）上的第一弧形腹板（11）、转动盘（12）及第一螺旋面（13）、转动外盘（2）、转动外盘上的槽孔（16）及第二螺旋面（14）、SMA螺栓（4）、SMA螺栓（4）上的螺纹段（21）、过渡段（22）和第二削弱段（23）、耗能角钢（5）及第一削弱段（17）、连接梁（6）、连接梁上的加劲板（18）、第二弧形腹板（19）及第二端板（20）、钢梁（7）、钢柱（8）均在工厂预制而成，而后运输至施工现场；
首先将钢柱（8）与连接梁（6）通过第二端板（20）螺栓连接，将转动梁（1）与钢梁（7）通过第一端板（10）螺栓连接；钢梁（7）钢柱（8）定位后，将两侧转动外盘（2）通过连接板（15）与连接梁（6）加劲板（18）螺栓连接，转动外盘（2）第二螺旋面（14）与转动盘（12）第一螺旋面（13）贴合，之后用SMA螺栓（4）连接固定；将耗能角钢（5）与连接梁（6）与钢梁（7）螺栓连接；对SMA螺栓（4）施加预紧力至设计值。
6.根据权利要求1所述的一种基于SMA装配式易复位转动耗能节点，其特征在于：连接梁（6）的第二弧形腹板（19）端部加工成弧形；转动梁（1）的第一弧形腹板（11）端部加工成弧形，与连接梁（6）的第二弧形腹板（19）形状相对应，当节点发生转动时，转动梁（1）与连接梁（6）不会发生接触碰撞使构件损坏。
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