CN114457914A - 转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点 - Google Patents

转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，涉及土木工程抗震结构技术领域。适合在梁柱节点中使用，且具有变形量大、转动过程不易卡顿且组装便捷的优点。该节点包括带牛腿梁的柱子、工字钢梁、转动式摩擦耗能结构和预压弹簧复位结构；带牛腿梁的柱子包括钢柱和工字钢牛腿梁；工字钢牛腿梁的第一端设有两个第一竖向封板；工字钢梁的腹板的第一端设有第一工字钢梁连接孔，第一工字钢梁连接孔为“V”形孔；剪切板上设有剪切板连接孔；摩擦板上设有摩擦板连接孔；摩擦板通过环槽铆钉与剪切板和工字钢梁的腹板连接；预压弹簧复位结构能够在工字钢梁转动后为工字钢梁提供回复力。

Description

转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点
技术领域
本申请涉及土木工程抗震结构技术领域，尤其涉及一种转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点。
背景技术
装配式钢结构是一种符合全寿命周期绿色建筑的新型结构形式，能够最大限度地节约资源、降低能耗、保护环境和减少污染。但目前装配式钢结构仍以防倒塌为主，通过钢框架梁端形成塑性铰、发生较大的屈曲变形耗散地震能量。这种以破坏结构主体来耗能的抗震方式会使结构震后产生不可逆的较大残余变形，结构在后续余震中的抗震性能很难保证、震后的修复工作也非常困难。
为了解决上述技术问题，具有复位、耗能功能的新型结构应运而生，该结构通过主体外的附属部分(复位材料、附加耗能构件)提供结构刚度、回复力及耗能能力，可实现震中结构主体无损伤、震后结构无残余变形，快速恢复其使用功能的设计目标。装配式自复位耗能钢支撑就是其中一种新型的构造形式。其基于可修复设计思想，通过引入复位材料及耗能装置对传统钢支撑进行构造创新。
目前，复位材料使用最多的是预应力钢索、形状记忆合金等。其中，预应力钢索的缺点是：施加预应力的过程非常复杂、索体的变性能力有限，施加预应力后其变形能力进一步受损，并且预应力损失无法避免，若后续对索体补充施加预应力，其施工过程也极为困难。形状记忆合金的缺点是：造价较高，并且其力学性能受温度影响较大。至于耗能构件，目前多采用高强螺栓连接的摩擦耗能器的形式，利用钢板与黄铜板的摩擦来提供耗能能力，由于这种摩擦耗能器的变形均为沿钢板长槽口的轴向变形，因此当其用于转动变形为主的梁柱节点时，螺栓杆与孔壁之间会发生卡顿，影响装置的正常功能运行。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供一种转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，摩擦耗能组件采用转动式变形模式的结构，适合在梁柱节点中使用，且具有变形量大、转动过程不易卡顿且组装便捷的优点。
为了达到上述目的，本申请的实施例提供了一种转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，包括带牛腿梁的柱子、工字钢梁、转动式摩擦耗能结构和预压弹簧复位结构；所述带牛腿梁的柱子包括钢柱和工字钢牛腿梁；所述工字钢牛腿梁的第一端设有两个第一竖向封板；所述转动式摩擦耗能结构包括两个剪切板、两个摩擦板和环槽铆钉；两个所述剪切板相互平行且均垂直连接在位于外侧的所述第一竖向封板上，两个所述摩擦板分别位于对应的所述剪切板与所述工字钢梁的腹板之间，所述工字钢梁的腹板的第一端设有第一工字钢梁连接孔，所述第一工字钢梁连接孔为“V”形孔；所述剪切板上设有剪切板连接孔；所述摩擦板上设有摩擦板连接孔；所述摩擦板通过所述环槽铆钉与所述剪切板和所述工字钢梁的腹板连接；所述预压弹簧复位结构能够在所述工字钢梁转动后为所述工字钢梁提供回复力。
进一步地，两个所述第一竖向封板上均设有第一竖向封板连接孔；所述工字钢梁内设有第二竖向封板和第三竖向封板；所述第二竖向封板上设有第二竖向封板连接孔，所述第三竖向封板上设有第二竖向封板连接孔所述第一竖向封板连接孔和所述第二竖向封板连接孔均为长条形孔；所述第三竖向封板为圆孔；所述预压弹簧复位结构包括设置在所述环槽铆钉两侧的上连接杆组件和下连接杆组件；所述上连接杆组件包括连接杆，所述连接杆的两端分别架设在所述第一竖向封板连接孔和所述第三竖向封板连接孔的孔壁上，所述连接杆靠近所述第一竖向封板的一端可拆卸连接限位端头，另一端可拆卸连接限位螺母；所述连接杆上套设预压弹簧和活动挡板，所述预压弹簧和活动挡板均位于所述第三竖向封板和所述限位螺母之间；所述下连接杆组件的结构与所述上连接杆组件的结构相同。
进一步地，所述上连接杆组件和所述下连接杆组件均为两组，两组所述上连接杆组件和所述下连接杆组件均分别位于所述工字钢牛腿梁的腹板的两侧。
进一步地，所述工字钢梁的腹板上还设有第二工字钢梁连接孔，所述第二工字钢梁连接孔为“V”形孔，所述第一工字钢梁连接孔和所述第二工字钢梁连接孔沿所述工字钢梁的轴向依次设置，且所述第二工字钢梁连接孔靠近所述第二竖向封板设置，所述第二工字钢梁连接孔的开口尺寸大于所述第一工字梁连接孔的开口尺寸；所述剪切板连接孔、所述摩擦板连接孔和所述环槽铆钉均为两个，且所述摩擦板通过两个所述环槽铆钉与所述剪切板与所述工字钢梁的腹板连接。
进一步地，两个所述第一竖向封板之间设有第一加强筋。
进一步地，所述第二竖向封板和所述第三竖向封板之间设有第二加强筋。
进一步地，所述摩擦板采用黄铜板。
进一步地，所述限位端头为球体或圆柱体。
进一步地，所述预压弹簧为压缩弹簧。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：
本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点采用具有转动式变形模式的转动式摩擦耗能结构和预压弹簧式的复位结构，通过限位螺母调整预压弹簧的预压力，并采用“V”形孔式的转动式摩擦耗能结构提供转动变形空间，具有变形量大、转动过程不易卡顿、适用于梁柱节点且组装便捷的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点的立体结构示意图；
图2为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中带牛腿梁的柱子的立体结构示意图；
图3为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中工字钢梁的立体结构示意图；
图4为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中转动式摩擦耗能结构的立体结构示意图；
图5为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中预压弹簧复位结构的立体结构示意图；
图6为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中带牛腿梁的柱子和工字钢梁连接之前的示意图；
图7为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中带牛腿梁的柱子和工字钢梁连接后的示意图；
图8为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中插入连接杆时的示意图；
图9为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中连接杆的安装后的示意图；
图10为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中限位端头安装后的示意图；
图11为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点中预压弹簧复位结构全部安装后的示意图；
图12为本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点的工作原理图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
装配式钢结构是一种符合全寿命周期绿色建筑的新型结构形式，其从建筑材料选用、建筑构件制作、现场施工安装、运行与维护一直到建筑拆除后回收利用的建筑全寿命周期内，最大限度地节约资源、降低能耗、保护环境、减少污染。由于现有的耗能构件多采用高强螺栓连接的摩擦耗能器的形式，利用钢板与黄铜板的摩擦来提供耗能能力，但这种摩擦耗能器的变形均为沿钢板长槽口的轴向变形，当其用于转动变形为主的梁柱节点时，螺栓杆与孔壁会发生卡顿，影响装置的正常功能运行。
因此，研发出适合在转动变形为主的梁柱节点中应用的摩擦耗能器、选择具有高强度、大变形的复位材料用于装配式钢框架梁柱节点，不仅可以丰富装配式钢结构梁柱节点构造类型，还能更好的发挥装配式钢结构全寿命周期绿色建筑的优势，解决目前我国建筑、能源行业诸多难题。
参照图1，为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，包括带牛腿梁的柱子1、工字钢梁2、转动式摩擦耗能结构3和预压弹簧复位结构4。带牛腿梁的柱子1和工字钢梁2相互连接，且工字钢梁2位于带牛腿梁的柱子1的右侧。
参照图2，带牛腿梁的柱子1包括钢柱14和工字钢牛腿梁11。钢柱14可以为穿钢管柱也可以为钢管混凝土柱和H型钢柱等。工字钢牛腿梁11的右端设有两个第一竖向封板12，两个第一竖向封板12 上均设有第一竖向封板连接孔13，第一竖向封板连接孔13为长条形孔。两个第一竖向封板12之间通过第一加强筋18连接，且位于外侧的第一竖向封板12上还垂直连接两个剪切板17，剪切板17上设有沿工字钢牛腿梁11的轴向布置的剪切板连接孔171。钢柱14、工字钢牛腿梁11、两个第一竖向封板12、两个剪切板17和第一加强筋 18均在工厂焊接完成。
参照图3，工字钢梁的腹板23的左端中部设有第一工字钢梁连接孔231和第二工字钢梁连接孔232，第一工字钢梁连接孔231和第二工字钢梁连接孔232均为“V”形孔，第一工字钢梁连接孔231和第二工字钢梁连接孔232沿工字钢梁2的轴向依次设置，第一工字钢梁连接孔231靠近工字钢梁的腹板23的左端设置，且第二工字钢梁连接孔232的开口尺寸大于第一工字梁连接孔231的开口尺寸。第一工字钢梁连接孔231和第二工字钢梁连接孔232分别与两个剪切板连接孔171的位置一一对应。
工字钢梁2内设有第二竖向封板21和第三竖向封板22，第二竖向封板21靠近第二工字钢梁连接孔232设置且第二竖向封板21和第三竖向封板22之间设有第二加强筋24。第二竖向封板21上由上至下设有两个第二竖向封板连接孔211，第二竖向封板连接孔211为长条形孔。第三竖向封板22上由上至下设有两个第三竖向封板连接孔 221，第三竖向封板连接孔221为圆孔。两个第三竖向封板连接孔221 的位置与两个第二竖向封板连接孔211的位置一一对应。
参照图4，转动式摩擦耗能结构3包括两个剪切板17、两个摩擦板31和两个环槽铆钉32。两个剪切板17相互平行且均垂直连接在靠近右端的第一竖向封板12上，两个摩擦板31分别位于对应的剪切板 17与工字钢梁的腹板23之间，且通过环槽铆钉32与剪切板17和工字钢梁的腹板23连接。具体的，摩擦板31采用黄铜板，其上设有两个摩擦板连接孔(图中未示)，两个摩擦板连接孔的位置与第一工字钢梁连接孔231和第二工字钢梁连接孔232的位置一一对应。环槽铆钉 32采用高强度环槽铆钉，两个环槽铆钉32依次穿过其中一个剪切板 17的对应的剪切板连接孔171、其中一个摩擦板31的对应的摩擦板连接孔、第一工字钢梁连接孔231或第二工字钢梁连接孔232、另一个摩擦板31的对应的摩擦板连接孔和另一个剪切板17的对应的剪切板连接孔171后，将摩擦板31压紧在剪切板17与工字钢梁的腹板23之间。由此，工字钢梁2可绕工字钢牛腿梁11的上翼缘或下翼缘相对剪切板 17转动，即转动式摩擦耗能结构33能够连接带牛腿梁的柱子1和工字钢梁2，并在工字钢梁2受到外力旋转时耗散外部能量。另外，由于本申请实施例采用高强度环槽铆钉32代替现有技术中的高强螺栓，解决了传统高强螺栓预紧力易损失的问题。
参照图1和图5，预压弹簧复位结构4能够在工字钢梁2转动后为工字钢梁2提供回复力，使其及时旋转复位。具体的，预压弹簧复位结构4包括设置在环槽铆钉32两侧的上连接杆组件41和下连接杆组件42。上连接杆组件41包括连接杆411，连接杆411的两端分别架设在第一竖向封板连接孔13和第三竖向封板连接孔221的孔壁上，连接杆411的左端可拆卸连接限位端头413，右端可拆卸连接限位螺母412。连接杆411上套设预压弹簧414和活动挡板415，预压弹簧 414和活动挡板415均位于第三竖向封板22和限位螺母412之间，预压弹簧414为压缩弹簧，被压紧在限位螺母412和活动挡板415之间。下连接杆组件42的结构与上连接杆组件41的结构相同。
具体的，上连接杆组件41和下连接杆组件42均为两个，两个上连接杆组件41分别位于工字钢牛腿梁11的腹板的两侧，两个下连接杆组件42也分别位于工字钢牛腿梁11的腹板两侧。连接杆411的左端通过螺纹连接限位端头413，限位端头413可以为球体也可以为圆柱体。由此，本申请实施例节点转动时，限位端头413始终与第一竖向封板12稳定接触，第一竖向封板连接孔13更是起到调节连接杆411 位置的作用，其与第三竖向封板连接孔221上的圆孔共同保证连接杆 411始终与工字钢梁2同步转动，仅受轴向力作用。
连接杆411钢棒，其直径小于第二竖向封板21上的第二竖向封板连接孔211和第三竖向封板22上的第三竖向封板连接孔221的孔径，且与活动挡板415的孔径相适配。由此，调节限位螺母412可使预压弹簧414、活动挡板415沿连接杆411的轴向与工字钢牛腿梁11上的第一竖向封板12发生挤压。
本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点的制作和装配过程如下：
1、将钢柱14与工字钢牛腿梁11、第一加强筋18、剪切板17 和两个第一竖向连接板12焊接在一起组成带牛腿梁的柱子1，然后以工字钢梁2的翼缘边缘为转动中心，在工字钢梁的腹板23上开第一工字钢梁连接孔231和第二工字钢梁连接孔232。再在第二工字钢梁连接孔232的右侧焊接第二竖向封板21、第三竖向封板22和第二加强筋24。需要说明的是：以上焊接工作均在工厂完成，形成整体构件后运抵施工现场装配。
2、参照图6和图7，将带牛腿梁的柱子1上的两个剪切板连接孔171、摩擦板31上的两个摩擦板连接孔与工字钢梁2上的第一工字钢梁连接孔231和第二工字钢梁连接孔232的中心一一对齐，并用环槽铆钉32将其连接在一起，形成滑动式转动式摩擦耗能结构3。需要注意的是：安装后工字钢梁2的翼缘端部与带牛腿梁的柱子1翼缘端部顶紧，以实现节点转动时。
3、参照图8至图11，将连接杆411依次穿过工字钢梁2上的第三竖向封板连接孔221、第二竖向封板连接孔211和带牛腿梁的柱子 1上的第一竖向封板连接孔13后，将限位端头413连接在连接杆411 的左端，再将活动挡板415、预压弹簧414、限位螺母412套到连接杆411上，并调节限位螺母412至预设位置，使预压弹簧414压缩，为本申请实施例节点施加预紧力。
本申请实施例转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点的工作原理如下：
参照图12，由于本申请实施例节点构造对称，所以梁端节点无论发生顺时针转动还是逆时针转动，其工作原理一致。以工字钢梁2 相对工字钢牛腿梁11以下翼缘边缘为转动中心发生顺时针转动为例进行说明，梁柱节点转动角度为θ。
1、上连接杆组件41中的连接杆411被工字钢梁2的第三竖向封板22带动，与工字钢牛腿梁11发生同步转动，由于限位端头413被第一竖向连接板12限制无法向右移动，所以，工字钢牛腿梁11将活动挡板415和预压弹簧414向限位螺母412挤压，预压弹簧414发生沿连接杆411的轴向的压缩变形△1，预压弹簧414将提供沿连接杆411的轴向的回复力F1。
2、同理，下连接杆组件42中的连接杆411被工字钢梁2的第三竖向封板22带动，与工字钢牛腿梁11发生同步转动，由于限位端头413被第一竖向连接板12限制无法向右移动，所以，工字钢牛腿梁 11将活动挡板415和预压弹簧414向限位螺母412挤压，预压弹簧 414发生沿连接杆411的轴向的压缩变形△2，预压弹簧414将提供沿连接杆411的轴向的回复力F2。
3、上、下侧预压弹簧414提供的回复力对翼缘边缘转动中心形成逆时针的力矩，使得变形后的节点复位。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，其特征在于，包括带牛腿梁的柱子、工字钢梁、转动式摩擦耗能结构和预压弹簧复位结构；
所述带牛腿梁的柱子包括钢柱和工字钢牛腿梁；所述工字钢牛腿梁的第一端设有两个第一竖向封板；
所述转动式摩擦耗能结构包括两个剪切板、两个摩擦板和环槽铆钉；两个所述剪切板相互平行且均垂直连接在位于外侧的所述第一竖向封板上，两个所述摩擦板分别位于对应的所述剪切板与所述工字钢梁的腹板之间，所述工字钢梁的腹板的第一端设有第一工字钢梁连接孔，所述第一工字钢梁连接孔为“V”形孔；所述剪切板上设有剪切板连接孔；所述摩擦板上设有摩擦板连接孔；所述摩擦板通过所述环槽铆钉与所述剪切板和所述工字钢梁的腹板连接；
所述预压弹簧复位结构能够在所述工字钢梁转动后为所述工字钢梁提供回复力。
2.根据权利要求1所述的转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，其特征在于，两个所述第一竖向封板上均设有第一竖向封板连接孔；所述工字钢梁内设有第二竖向封板和第三竖向封板；所述第二竖向封板上设有第二竖向封板连接孔，所述第三竖向封板上设有第二竖向封板连接孔所述第一竖向封板连接孔和所述第二竖向封板连接孔均为长条形孔；所述第三竖向封板为圆孔；
所述预压弹簧复位结构包括设置在所述环槽铆钉两侧的上连接杆组件和下连接杆组件；所述上连接杆组件包括连接杆，所述连接杆的两端分别架设在所述第一竖向封板连接孔和所述第三竖向封板连接孔的孔壁上，所述连接杆靠近所述第一竖向封板的一端可拆卸连接限位端头，另一端可拆卸连接限位螺母；所述连接杆上套设预压弹簧和活动挡板，所述预压弹簧和活动挡板均位于所述第三竖向封板和所述限位螺母之间；所述下连接杆组件的结构与所述上连接杆组件的结构相同。
3.根据权利要求2所述的转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，其特征在于，所述上连接杆组件和所述下连接杆组件均为两组，两组所述上连接杆组件和所述下连接杆组件均分别位于所述工字钢牛腿梁的腹板的两侧。
4.根据权利要求3所述的转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，其特征在于，
所述工字钢梁的腹板上还设有第二工字钢梁连接孔，所述第二工字钢梁连接孔为“V”形孔，所述第一工字钢梁连接孔和所述第二工字钢梁连接孔沿所述工字钢梁的轴向依次设置，且所述第二工字钢梁连接孔靠近所述第二竖向封板设置，所述第二工字钢梁连接孔的开口尺寸大于所述第一工字梁连接孔的开口尺寸；
所述剪切板连接孔、所述摩擦板连接孔和所述环槽铆钉均为两个，且所述摩擦板通过两个所述环槽铆钉与所述剪切板与所述工字钢梁的腹板连接。
5.根据权利要求2所述的转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，其特征在于，两个所述第一竖向封板之间设有第一加强筋。
6.根据权利要求2所述的转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，其特征在于，所述第二竖向封板和所述第三竖向封板之间设有第二加强筋。
7.根据权利要求1～6任一所述的转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，其特征在于，所述摩擦板采用黄铜板。
8.根据权利要求2所述的转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，其特征在于，所述限位端头为球体或圆柱体。
9.根据权利要求2所述的转动中心在翼缘的装配式自复位摩擦耗能钢框架梁柱节点，其特征在于，所述预压弹簧为压缩弹簧。
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