CN114775788A - 一种装配式自复位抗震钢桁架梁体系 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种装配式自复位抗震钢桁架梁体系，包括两平行布置的型钢柱和它们之间可拆卸连接的上弦梁、下弦梁及上、下弦梁之间连接的多根腹杆，它们的下端铰接于同一滑杆上，下弦梁上设置有滑槽构件，滑杆位于滑槽构件的滑槽中，滑杆两端与滑槽构件的端板之间设置有SMA阻尼器；上弦梁和下弦梁之间连接有软钢阻尼器。小震时主要通过上下弦梁之间的软钢阻尼器耗能，通过SMA阻尼器减少地震能量输入，通过预应力钢锚索复位。中大震时，通过软钢阻尼器、SMA阻尼器共同耗能，通过SMA阻尼器和预应力钢锚索复位。震后仅需更换软钢阻尼器。

Description

一种装配式自复位抗震钢桁架梁体系
技术领域
本发明属于建筑工程的抗震领域，具体为一种装配式自复位抗震钢桁架梁体系。
背景技术
在地震来临时传统建筑物的破坏可以因地表破坏而引起，而更常见的是由于地震导致的地面运动动力作用所引起。因此如何最大程度地限制和减轻地震对建筑物带来的损伤。
由于钢材具有良好的延性，可通过塑性变形来消耗地震能量，所以传统的钢结构被视为具有良好的抗震性能。目前传统的钢结构在进行抗震设计多采用塑性抗震设计，即在保证结构构件不丧失局部稳定和侧向稳定的情况下，选定结构构件的特定部位并形成塑性铰以降低刚度、延长周期，同时利用塑性铰的滞回特性来提供耗能能力。因此，结构构件的损伤是不可避免的，然而经历过地震作用的钢结构会产生较大的残余变形，地震中损伤的桥墩塑性铰区可能难以修复或较长时间修复，抗震性能难以恢复到正常状态，需要耗费较大成本修复甚至只能推倒重建，造成巨大的经济损失。
自复位结构是一种可以有效控制结构变形的新型结构形式，它与传统钢结构不同的是其主要是由框架梁柱、预应力构件、消能元件组成。在地震过程中，允许梁柱之间产生较小的缝隙，地震能量主要通过阻尼器、防屈曲杆件等消能元件来消耗，从而使得梁柱结构在一定程度上维持弹性状态，避免主体结构构件发生较大的损伤。在地震作用结束后，通过自复位结构内部的预应力构件发挥作用，使结构尽可能的回复到初始位置以减少结构的残余变形。仅需通过重新替换受到损伤的消能元件就能使整体结构恢复到正常使用功能。
目前关于自复位结构的研究已经取得了不少成果，但由于自复位梁与柱之间在水平荷载作用下会产生缝隙，因此还需要对与梁相连的楼板进行特殊设计，同时使得钢桁架和下弦杆之间能够产生相对位移，以降低地震作用对结构造成的损伤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可保证梁体系结构在遭遇较大地震时，主体结构不会损坏，震后仅通过更换消能元件便可以恢复结构的正常使用功能的装配式自复位抗震钢桁架梁体系。
本发明提供的这种装配式自复位抗震钢桁架梁体系，包括两平行布置的型钢柱和它们之间可拆卸连接的上弦梁、下弦梁及上、下弦梁之间连接的多根腹杆，其特征在于：多根腹杆的下端铰接于同一滑杆上，下弦梁上设置有滑槽构件，滑杆位于滑槽构件的滑槽中，滑杆两端与滑槽构件的端板之间设置有SMA阻尼器；上弦梁和下弦梁之间连接有软钢阻尼器。
上述体系的一种实施方式中，所述型钢柱、上弦梁和下弦梁均采用工字钢制作，两型钢柱以翼板相对布置，上弦梁和下弦梁的翼板沿水平方向布置。
上述体系的一种实施方式中，所述上弦梁和下弦梁的腹板两端通过高强螺栓固定有矩形联板，矩形联板的外端与所述型钢柱的内侧翼板焊接固定
上述体系的一种实施方式中，所述上弦梁下翼板的宽度方向中心面上铰接有多个用于连接所述腹杆的铰接座；所述滑杆为矩形杆，其顶面设置有用于连接所述腹杆的铰接座。
上述体系的一种实施方式中，所述滑槽构件为顶面有纵向通槽、两端有端板的矩形管，矩形管的长度大于所述滑杆的长度，矩形管的侧板两端分别通过高强螺栓连接有矩形联板，滑杆位于矩形管的内腔中，滑杆顶面的铰接座位于矩形管顶面的纵向通槽处。
上述体系的一种实施方式中，所述SMA阻尼器包括两对四个楔形块和SMA合金棒，楔形块为等腰梯形块，一对楔形块的两侧腰中部至短底边对称设置有内凹的V形槽，另一对楔形块的两侧腰中部至短底边对称设置V形凸条，一对楔形块以短底面相对上下布置，另一对楔形块对称插接于上下布置的两楔形块的左右侧，SMA合金棒穿过上下布置的两楔形块后通过螺母锁紧。
上述体系的一种实施方式中，两SMA阻尼器左右布置的楔形块分别与所述滑杆的端板和滑槽构件的端板接触。
上述体系的一种实施方式中，所述软钢阻尼器为开孔型板状软钢阻尼器，其上端和下端外表面通过高强螺栓对称连接有L形联板，两端L形联板的水平臂分别通过高强螺栓与上弦梁和下弦梁连接。
上述体系的一种实施方式中，所述上弦梁和下弦梁之间关于所述滑槽构件对称设置有多组所述耗能构件。
上述体系的一种实施方式中，所述上弦梁和下弦梁的两端通过矩形联板及所述滑槽构件矩形管两端的矩形联板分别与所述型钢柱的内侧翼板焊接，两型钢柱之间对应上弦梁和下弦梁的腹板两侧对称设置预应力锚索，型钢柱的两翼板之间对应上弦梁和下弦梁连接位置处设置加劲肋。
本桁架梁体系的工作原理如下：当小震作用横向地震波传至钢桁架梁体系时，上弦梁及腹杆带动滑杆向一侧移动，软钢阻尼器产生轴向拉压变形，开始变形耗能；而预应力钢锚索的预应力为桁架体系提供复位性能，SMA阻尼器可使滑杆回复到初始位置，减少了地震输入的能量，从而保证了两型钢柱之间的距离恒定不变，维持钢桁架梁结构的整体稳定。SMA阻尼器的具体耗能过程如下：滑杆挤压左右两个楔形块，楔形块发生横向位移后进一步与上下两个楔形块发生挤压摩擦，上下两个楔形块发生方向相反的竖向运动，从而带动SMA合金棒发生拉伸或收缩。楔形块相互之间摩擦耗能，SMA合金棒在变形过程中也会耗散部分地震能量，两者共同发挥对装配式自复位抗震钢桁架梁体系体系的减震作用。当中、大地震作用时，仅仅依靠SMA阻尼器无法抵御地震能量，此时滑杆在滑槽内的位移增大，桁架与型钢柱间的缝隙被转移至桁架和下弦梁之间，软钢阻尼器产生轴向拉压变形耗能，减小了地震能量的输入，具体如下：软钢阻尼器能够较早的进入屈服状态，为整个钢桁架梁体系提供附加刚度和阻尼，并利用软钢良好的滞回性能消耗外界输入的地震能量，以保护整体结构体系。同时预应力钢锚索也将为桁架体系提供一定的恢复力。在地震作用停止后，SMA阻尼器的SMA合金棒将发挥消除残余变形以及使挤压耗能楔形块恢复至初始位置的作用，使得滑杆回复到初始位置，钢桁架梁在SMA阻尼器和预应力锚索的恢复力作用下实现自复位。由于钢桁架梁本身构件未发生任何破坏，因此后续只需更换通过螺栓连接在钢桁架梁两侧的软钢阻尼器，便可立即恢复整体钢桁架梁体系震后的正常使用功能。而软钢阻尼器与上弦梁和下弦梁之间通过高强螺栓可拆卸连接，可进行快速拆卸与更换。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为图1中桁架体系的侧视放大示意图。
图3为图1中腹杆构件、滑槽构件和SMA阻尼器的放大装配示意图。
图4为图3中SMA阻尼器的轴测结构放大示意图。
图5为图1中软钢阻尼器及其安装构件的轴测装配放大示意图。
图6为图1中的A部放大示意图。
图7为图1的轴测结构示意图。
具体实施方式
如图1至图7所示，本实施例公开的这种装配式自复位抗震钢桁架梁体系，主要包括型钢柱1、上弦梁2、下弦梁3、腹杆构件4、滑槽构件5、SMA阻尼器6、软钢阻尼器7、预应力锚索8。
型钢柱1采用工字钢制作，两型钢柱1以翼板相对布置。
上弦梁2和下弦梁3也采用工字钢制作，它们的腹板两端分别通过高强螺栓连接矩形联板9，并通过高强螺母锁紧，矩形联板9的外侧缘分别与上弦梁2和下弦梁3的端面平齐。
腹杆构件4包括多根腹杆41和滑杆42，多根腹杆41呈剪刀撑的形式布置，各腹杆41的两端分别设置铰接板，滑杆42为矩形杆，其顶面的宽度方向中心面处设置有用于连接腹杆41的铰接座。
上弦梁2的下翼板宽度方向中心面处设置有用于连接滑杆42的铰接座。
下弦梁3上翼板宽度方向中心面处设置用于安装滑杆构件4的滑槽构件5。滑槽构件5包括顶面有纵向通槽矩形管51及其两端的封板52，矩形管51的长度大于滑杆42的长度，长度之差用于安装SMA阻尼器6。矩形管的侧板两端分别通过高强螺栓连接有矩形联板9。
SMA阻尼器6包括两对四个楔形块61和SMA合金棒62，楔形块61为等腰梯形块，一对楔形块的两侧腰中部至短底边对称设置有内凹的V形槽，另一对楔形块的两侧腰中部至短底边对称设置V形凸条。一对楔形块以短底面相对上下布置，另一对楔形块对称插接于上下布置的两楔形块的左右侧，SMA合金棒62穿过上下布置的两楔形块61后通过螺母锁紧。
滑杆构件4组装时，各腹杆41下端与滑杆42顶面的铰接座通过螺栓可转动铰接。
滑杆构件4在上弦梁2和下弦梁3之间装配时，滑杆42插入滑槽构件5的内腔中，滑杆顶面的铰接座位于滑槽构件5顶面的纵向通槽处，各腹杆41的上端分别与上弦梁2下翼板上的铰接座通过螺栓可转动铰接。
滑杆构件4装配好后，在滑槽构件的两端安装SMA阻尼器6，SMA阻尼器6的初始状态为左右楔形块分别与滑槽构件5和滑杆42的端板接触。
软钢阻尼器7包括开孔型板状软钢耗能板71和其上两端外表面通过高强螺栓对称连接的L形联板72。
上弦梁2和下弦梁3之间在滑槽构件5的两侧对称连接多组软钢阻尼器7。软钢阻尼器7装配时，两端L形联板72的水平臂分别通过高强螺栓与上弦梁2的下翼板和下弦梁3的上翼板连接。
上弦梁2、下弦梁3、腹杆构件4、滑槽构件5、SMA阻尼器6和软钢阻尼器7装配成桁架体系后与型钢柱1连接，最后安装预应力锚索8。型钢柱1的两翼板之间设置对应上弦梁2和下弦梁3连接位置处设置加劲肋，以保证型钢柱的局部稳定与抗扭转能力并有效传递集中力。
桁架体系与型钢柱连接时，将上弦梁和下弦梁两端的矩形联板及滑槽构件矩形管两端的矩形联板分别与型钢柱的内侧翼板焊接，然后在上弦梁和下弦梁的腹板两侧设置预应力锚索，上下分别设置四根预应力锚索，各预应力锚索的两端分别穿过相应侧型钢柱的内侧翼板后通过预应力锚具固定。
至此，整个自复位抗震钢桁架梁体系装配完成。
桁架体系的各连接处在地震作用下均可转动，桁架体系与型钢柱的连接节点系栓焊混合节点，滑槽构件型钢柱的连接也是栓焊混合节点，所以自本复位抗震钢桁架梁体系的上、下弦杆有一定的转动能力。
本桁架梁体系的抗震原理如下：
当小震作用横向地震波传至钢桁架梁体系时，上弦梁及腹杆带动滑杆向一侧移动，软钢阻尼器产生轴向拉压变形，开始变形耗能；而预应力钢锚索的预应力为桁架体系提供复位性能，SMA阻尼器可使滑杆回复到初始位置，减少了地震输入的能量，从而保证了两型钢柱之间的距离恒定不变，维持钢桁架梁结构的整体稳定。
SMA阻尼器的具体耗能过程如下：滑杆挤压左右两个楔形块，楔形块发生横向位移后进一步与上下两个楔形块发生挤压摩擦，上下两个楔形块发生方向相反的竖向运动，从而带动SMA合金棒发生拉伸或收缩。楔形块相互之间摩擦耗能，SMA合金棒在变形过程中也会耗散部分地震能量，两者共同发挥对装配式自复位抗震钢桁架梁体系体系的减震作用。
当中、大地震作用时，仅仅依靠SMA阻尼器无法抵御地震能量，此时滑杆在滑槽内的位移增大，桁架与型钢柱间的缝隙被转移至桁架和下弦梁之间，软钢阻尼器产生轴向拉压变形耗能，减小了地震能量的输入，具体如下：软钢阻尼器能够较早的进入屈服状态，为整个钢桁架梁体系提供附加刚度和阻尼，并利用软钢良好的滞回性能消耗外界输入的地震能量，以保护整体结构体系。同时预应力钢锚索也将为桁架体系提供一定的恢复力。在地震作用停止后，SMA阻尼器的SMA合金棒将发挥消除残余变形以及使挤压耗能楔形块恢复至初始位置的作用，使得滑杆回复到初始位置，钢桁架梁在SMA阻尼器和预应力锚索的恢复力作用下实现自复位。
由于钢桁架梁本身构件未发生任何破坏，因此后续只需更换通过螺栓连接在钢桁架梁两侧的软钢阻尼器，便可立即恢复整体钢桁架梁体系震后的正常使用功能。
而软钢阻尼器与上弦梁和下弦梁之间通过高强螺栓可拆卸连接，可进行快速拆卸与更换。
所以总结来说，本发明具有以下优势：
所有结构件均采取在工厂预制，在施工现场仅需对构件进行拼装。不仅大大提高了施工速度，有效缩短施工时间，同时在现场不会产生大量的建筑垃圾，减少了对生态环境的污染。
通过在下弦梁顶面设置滑槽构件安装腹杆构件的滑杆，并在滑杆与滑槽构件的端部之间设置SMA阻尼器，使滑杆可在滑槽构件的内腔中移动，将水平地震作用桁架与型钢柱间产生的缝隙转移至桁架和下弦梁之间。桁架与下弦梁之间出现缝隙，而两侧型钢柱的间距保持恒定不变，保证楼板变形协调，维持了结构的整体稳定，从而较好的解决了自复位钢结构梁柱节点的不足。
通过选择软钢阻尼器作为钢桁架梁体系的消能元件，这是一种能够有效消耗地震动能量并且有较好的跟踪变形能力的金属型阻尼器，将软钢阻尼器安装在桁架体系的外侧，可实现工厂化制作、快速化施工安装及更换。
通过在滑槽构件两侧设置多组开孔型软钢耗能阻尼器，并采用高强螺栓将软钢阻尼器的两端与上、下弦梁分别连接。多组软钢耗能阻尼器在钢桁架梁体系遭遇较大地震力时将同时发挥耗能作用，以确保规避单一阻尼器受力易破坏的风险，大大提高了钢桁架梁体系承受地震荷载的能力。
通过在上、下弦梁内部通长设置后张法预应力钢锚索，并在滑槽左右两端空档处与上、下弦梁之间设置SMA阻尼器。在地震作用时其恢复能力能够在一定程度限制梁的位移，不至于产生过大变形。地震结束后，预应力钢锚索的预应力将为钢桁架梁体系提供复位性能，同时SMA阻尼器使得滑杆回复到初始位置，维修人员只需替换受损的软钢阻尼器消能元件便可使整体体系恢复使用功能。
当钢桁架梁体系遭遇较小地震力时，SMA阻尼器将发挥主要耗能作用。
当钢桁架体系遭遇较大地震力时，软钢阻尼器产生轴向拉压变形耗能，减小了地震能量的输入。而预应力钢锚索的预应力为桁架体系提供一定的复位性能，维持结构的整体稳定。在地震作用停止后，由于两侧型钢柱的间距恒定不变，所以由于钢桁架梁的主体结构件未发生任何破坏，只需更换软钢阻尼器，便可立即恢复整体体系震后的正常使用功能。

Claims (10)

1.一种装配式自复位抗震钢桁架梁体系，包括两平行布置的型钢柱和它们之间可拆卸连接的上弦梁、下弦梁及上、下弦梁之间连接的多根腹杆，其特征在于：多根腹杆的下端铰接于同一滑杆上，下弦梁上设置有滑槽构件，滑杆位于滑槽构件的滑槽中，滑杆两端与滑槽构件的端板之间设置有SMA阻尼器；上弦梁和下弦梁之间连接有软钢阻尼器。
2.如权利要求1所述的装配式自复位抗震钢桁架梁体系，其特征在于：所述型钢柱、上弦梁和下弦梁均采用工字钢制作，两型钢柱以翼板相对布置，上弦梁和下弦梁的翼板沿水平方向布置。
3.如权利要求2所述的装配式自复位抗震钢桁架梁体系，其特征在于：所述上弦梁和下弦梁的腹板两端通过高强螺栓固定有矩形联板，矩形联板的外端与所述型钢柱的内侧翼板焊接固定。
4.如权利要求3所述的装配式自复位抗震钢桁架梁体系，其特征在于：所述上弦梁下翼板的宽度方向中心面上铰接有多个用于连接所述腹杆的铰接座；所述滑杆为矩形杆，其顶面设置有用于连接所述腹杆的铰接座。
5.如权利要求4所述的装配式自复位抗震钢桁架梁体系，其特征在于：所述滑槽构件为顶面有纵向通槽、两端有端板的矩形管，矩形管的长度大于所述滑杆的长度，矩形管的侧板两端分别通过高强螺栓连接有矩形联板，滑杆位于矩形管的内腔中，滑杆顶面的铰接座位于矩形管顶面的纵向通槽处。
6.如权利要求1所述的装配式自复位抗震钢桁架梁体系，其特征在于：所述SMA阻尼器包括两对四个楔形块和SMA合金棒，楔形块为等腰梯形块，一对楔形块的两侧腰中部至短底边对称设置有内凹的V形槽，另一对楔形块的两侧腰中部至短底边对称设置V形凸条，一对楔形块以短底面相对上下布置，另一对楔形块对称插接于上下布置的两楔形块的左右侧，SMA合金棒穿过上下布置的两楔形块后通过螺母锁紧。
7.如权利要求6所述的装配式自复位抗震钢桁架梁体系，其特征在于：两SMA阻尼器左右布置的楔形块分别与所述滑杆的端板和滑槽构件的端板接触。
8.如权利要求5所述的装配式自复位抗震钢桁架梁体系，其特征在于：所述软钢阻尼器为开孔型板状软钢阻尼器，其上端和下端外表面通过高强螺栓对称连接有L形联板，两端L形联板的水平臂分别通过高强螺栓与上弦梁和下弦梁连接。
9.如权利要求8所述的装配式自复位抗震钢桁架梁体系，其特征在于：所述上弦梁和下弦梁之间关于所述滑槽构件对称设置有多组所述耗能构件。
10.如权利要求5所述的装配式自复位抗震钢桁架梁体系，其特征在于：所述上弦梁和下弦梁的两端通过矩形联板及所述滑槽构件矩形管两端的矩形联板分别与所述型钢柱的内侧翼板焊接，两型钢柱之间对应上弦梁和下弦梁的腹板两侧对称设置预应力锚索，型钢柱的两翼板之间对应上弦梁和下弦梁连接位置处设置加劲肋。
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