CN115787834B - 模块化自复位钢框架连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑结构消能减震结构领域，尤其是一种装配便利、抗震效果显著且易于后期修复的模块化自复位钢框架连接结构，包括沿竖直方向布置的上部模块柱和下部模块柱，下部模块柱的顶端与上部模块柱的底端固定连接，所述上部模块柱底部横向设置有底板梁，下部模块柱顶部横向设置有天花板梁，包括自复位装置和软钢阻尼装置，所述上部模块柱与下部模块柱之间通过自复位装置固定连接，软钢阻尼装置设置于底板梁和顶板梁之间，软钢阻尼装置顶面与底板梁可拆卸连接，软钢阻尼装置的底面与天花板梁可拆卸连接。本发明尤其适用于对抗震性能要求高的建筑结构中。

Description

模块化自复位钢框架连接结构

技术领域

本发明涉及建筑结构消能减震结构领域，尤其是一种模块化自复位钢框架连接结构。

背景技术

近年来随着我国社会经济的持续快速发展、节能环保要求的提高、劳动力成本的不断增长，装配式结构的应用持续升温。模块化钢结构由于其施工效率高、工期短、施工质量易保证等优势，越来越多地应用于装配式建筑中。传统的模块化钢结构主要依靠构件本身产生塑性变形耗能，自复位能力差，且震后难以修复。模块单元间梁柱节点力学性能会极大地影响到其在地震作用下结构的整体性，故在进行模块化钢结构的抗震设计时，除了要充分考虑节点装配的便利性之外，还要保证其在循环荷载下的强度、刚度、延性以及震后的力学性能等。

自复位节点是一种能在地震作用后使结构变形恢复的节点，其设计采用延性连接的理念，在地震力作用下，放松节点的连接约束，结构能产生较大变形，释放地震产生的能量，避免构件产生不可逆的破坏。在减震技术当中，被动耗能装置因构造简单、造价低及易于维护等优点，成为目前发展成熟且应用较为广泛的减震控制技术。软钢阻尼器是依靠软钢的屈服来耗能，软钢的屈服荷载较低，低屈服点的软钢在地震作用下先于主体结构进入屈服阶段，凭借其在塑性阶段良好的滞回特性来耗散地震能量，保护主体结构的安全。在大震作用后，如果软钢阻尼器受损严重，可进行更换，且成本低廉。自复位装置与金属阻尼器二者相结合，能够更为有效的提高结构的耗能能力。

中国专利申请号201911381161.9公开了“一种耗能自复位钢结构梁柱节点连接装置”，装置包括钢框架柱和刚接在钢框架柱一侧形成的悬臂短梁，以及拼接在悬臂短梁另一端的连接梁，连接梁和悬臂短梁的翼缘及腹板拼接处均通过耗能连接组件连接，连接梁和悬臂短梁翼缘拼接处内侧还设置有U型钢阻尼器；连接梁腹板的两侧对称位置分别设置有一组锚固板，钢框架柱和锚固板的上下两侧之间均通过沿水平方向设置的预应力钢筋连接。U型钢阻尼器在悬臂短梁和连接梁拼接处耗能，确保梁柱主体保持弹性不被破坏；且构造简单，大部分采用螺栓连接，模块化程度高，易于拆卸替换修复，施工便捷，符合建筑行业的发展趋势；同时预应力钢筋可提供自恢复力，具有理想的自复位效果。但其耗能能力有限，且自复位能力相对较弱。

中国专利申请号202010341754.9公开了“一种具有复位功能的插入式模块化钢结构连接节点”，包括模块化钢结构连接节点与自复位腋撑；模块化钢结构连接节点包括两个上部模块单元、两个下部模块单元、十字型插销连接件、竖向盖板、水平盖板和高强螺栓；四个内设碟簧的自复位腋撑对称布置在节点角部，并与模块梁柱铰接。通过十字型插销连接件、盖板和高强螺栓连接模块单元，保证节点具有足够的抗拉、抗剪、抗弯刚度，且连接装置无需占用建筑使用空间，适用范围广同时确保美观。自复位腋撑的设置可提高节点承载能力，延缓节点刚度与强度的退化，减轻节点梁柱相交处的损伤，避免构件过早发生破坏，且震后残余变形小，可实现快速修复并保证节点性能的稳定可靠。但该节点装配较为复杂，自复位腋撑也会占据一定的空间，大大降低了建筑物空间布置灵活度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种装配便利、抗震性能好且易于后期修复的模块化自复位钢框架连接结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：模块化自复位钢框架连接结构，包括沿竖直方向布置的上部模块柱和下部模块柱，下部模块柱的顶端与上部模块柱的底端固定连接，所述上部模块柱底部横向设置有底板梁，下部模块柱顶部横向设置有顶梁，包括自复位装置和软钢阻尼装置，所述上部模块柱与下部模块柱之间通过自复位装置固定连接，软钢阻尼装置设置于底板梁和顶梁之间，软钢阻尼装置顶面与底板梁可拆卸连接，软钢阻尼装置的底面与顶梁可拆卸连接。

进一步的是，自复位装置包括螺杆，所述螺杆两端分别设置有一个双向螺母，所述两个双向螺母之间设置有两个碟簧，每个碟簧与对应的双向螺母紧贴设置。

进一步的是，所述螺杆横向穿过上部模块柱和下部模块柱之间的连接孔内，碟簧在双向螺母作用下紧贴设置于上部模块柱或下部模块柱侧壁上。

进一步的是，所述软钢阻尼装置包括上端板和下端板，所述上端板和下端板之间设置有至少一个耗能板。

进一步的是，所述上端板和下端板均设置有耗能板材连接板，所述耗能板两段分别与上端板和下端板各自的耗能板材连接板连接。

进一步的是，所述软钢阻尼装置通过紧固螺钉分别与底板梁和顶梁连接。

进一步的是，包括内套筒连接装置，所述上部模块柱和下部模块柱通过内套筒连接装置而固定连接，所述自复位装置设置于内套筒连接装置上。

进一步的是，所述内套筒连接装置包括套筒，所述套筒上套接设置有内套筒连接板，套筒上设置有套筒预留螺栓孔，所述内套筒连接板上设置有端板预留长圆孔，所述自复位装置的螺杆穿过套筒预留螺栓孔，内套筒连接板与顶梁顶面以及软钢阻尼装置的底面连接。

进一步的是，所述套筒的一端套接设置于上部模块柱的底部，所述套筒的另一端套接设置于下部模块柱的顶部。

进一步的是，所述套筒的轴线与内套筒连接板之间互相垂直。

本发明的有益效果是：当发生小的地震作用时，自复位装置的负载储蓄一定的势能，当螺栓出现松弛时，自复位装置释放部分势能以保持法兰连接间的压力达到密封要求，从而达到自复位的目的。在此基础之上，软钢阻尼装置处于弹性工作阶段，只负责给结构提供一定的附加刚度，二者协同工作耗散大部分因小地震产生的能量。当遇到强震作用时，软钢阻尼装置的耗能板材先于主体结构发生屈服，进入弹塑性工作阶段，利用软钢阻尼器滞回变形来耗散外部输入能量，从而有效地降低结构的地震反应，保证结构主体的安全。本发明尤其适用于对抗震性能要求高的建筑结构中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的结构拆解示意图。

图3是本发明的上部模块柱以及底板梁的结构示意图。

图4是本发明的下部模块柱以及顶梁的结构示意图。

图5是本发明的软钢阻尼装置的一个实施例的示意图。

图6是本发明的软钢阻尼装置的耗能板示意图。

图7是本发明的软钢阻尼装置的下端板示意图。

图8是本发明的内套筒连接装置的示意图。

图9是本发明的自复位装置的一个实施例的示意图。

图中标记为：上部模块柱1、上部模块柱底部预留螺栓孔11、下部模块柱2、下部模块柱顶部预留螺栓孔21、顶梁3、顶梁上翼缘预留长圆孔31、顶梁上翼缘预留螺栓孔32、底板梁4、底板梁端板41、底板梁下翼缘预留长圆孔42、自复位装置5、螺杆51、碟簧52、双向螺母53、软钢阻尼装置6、上端板61、耗能板62、下端板63、耗能板材连接板64、内套筒连接装置7、套筒71、套筒预留螺栓孔72、端板预留长圆孔73、内套筒连接板74。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图9所示的模块化自复位钢框架连接结构，包括沿竖直方向布置的上部模块柱1和下部模块柱2，下部模块柱2的顶端与上部模块柱1的底端固定连接，所述上部模块柱1底部横向设置有底板梁4，下部模块柱2顶部横向设置有顶梁3，包括自复位装置5和软钢阻尼装置6，所述上部模块柱1与下部模块柱2之间通过自复位装置5固定连接，软钢阻尼装置6设置于底板梁4和顶梁3之间，软钢阻尼装置6顶面与底板梁4可拆卸连接，软钢阻尼装置6的底面与顶梁3可拆卸连接。本结构考虑到模块化钢框架梁柱节点的承载性能、装配便利程度、受力可靠性及耗能能力等各方面因素，将自复位装置5和软钢阻尼装置6应用于模块化钢框架梁柱节点中，能够有效的解决传统模块化钢框架梁柱节点耗能能力弱等问题，极大的改善模块化钢框架梁柱节点的抗震性能，极具工程应用价值。

本连接结构具体有如下技术优势：一、装配便利，整体性好；四个模块间采用全螺栓装配，上部模块与下部模块柱间采用内套筒连接，螺杆贯穿相邻两个模块柱和内套与内套筒连接成一个整体，高强螺栓穿过模块底板梁下翼缘与顶梁上翼缘的长圆孔与内套筒连接板进行连接，上部模块异形梁处端板与软钢阻尼器上端板、软钢阻尼器下端板与内套筒连接板以及下部模块顶梁上翼缘均通过高强螺栓连接，在满足结构抗剪、抗拉的要求之外，结构的整体性也得到了很大的提高。二、工期短，绿色环保；整个模块都在工厂进行预制，然后运输到施工现场进行装配，节点采用高强螺栓连接无需现场焊接，施工方便，能有效缩短工期。此外，模块单元拆除后可回收再利用，符合当今社会追求绿色环保的建筑理念。三、耗能能力提高显著且软钢阻尼器震受损后方便更换；相较于传统的模块化钢框架梁柱连接节点，该新型节点通过在梁间设置长圆孔、软钢阻尼器和相邻模块柱间的碟形弹簧自复位装置，在保证构件有效连接的同时也大大提高了节点的耗能能力，长圆孔处螺栓通过滑移耗散一部分能量，碟形弹簧在承受负载变形后,储蓄一定的势能，当螺栓出现松弛时，碟形弹簧释放部分势能以保持法兰连接间的压力达到密封要求，从而达到自复位的目的。在小震作用下，软钢阻尼器处于弹性工作阶段，可给结构提供一定的附加刚度；大震作用下，结构层间变形较大，软钢阻尼器先于主体结构发生屈服，进入弹塑性工作阶段，利用阻尼器滞回变形来耗散外部输入能量，从而有效地降低结构的地震响应，当软钢阻尼器震后受损严重而无法继续使用时，可进行更换。

作为对自复位装置5结构的精简，从而获得可靠的自复位效果，优选自复位装置5包括螺杆51，所述螺杆51两端分别设置有一个双向螺母53，所述两个双向螺母53之间设置有两个碟簧52，每个碟簧52与对应的双向螺母53紧贴设置。在此基础之上，优选所述自复位装置5的螺杆51横向穿过上部模块柱1和下部模块柱2之间的连接孔内，碟簧52在双向螺母53作用下紧贴设置于上部模块柱1或下部模块柱2侧壁上，从而让自复位装置5提供一定的复位能力，在小震时降低相应结构的晃动。

作为一种优选结构，所述软钢阻尼装置6包括上端板61和下端板63，所述上端板61和下端板63之间设置有至少一个耗能板62。在实际连接时，优选所述上端板61和下端板63均设置有耗能板材连接板64，所述耗能板62两段分别与上端板61和下端板63各自的耗能板材连接板64连接。为了实现软钢阻尼装置6的可拆卸效果，优选所述软钢阻尼装置6通过紧固螺钉分别与底板梁4和顶梁3连接。

为了让上部模块柱1和下部模块柱2之间的连接更稳固，优选包括内套筒连接装置7，所述上部模块柱1和下部模块柱2通过内套筒连接装置7而固定连接，所述自复位装置5设置于内套筒连接装置7上。为了让内套筒连接装置7可以更好的与周围的结构连接，优选所述内套筒连接装置7包括套筒71，所述套筒71上套接设置有内套筒连接板74，套筒71上设置有套筒预留螺栓孔72，所述内套筒连接板74上设置有端板预留长圆孔73，所述自复位装置5的螺杆51穿过套筒预留螺栓孔72，内套筒连接板74与顶梁3顶面以及软钢阻尼装置6的底面连接。在实际连接时，优选所述套筒71的一端套接设置于上部模块柱1的底部，所述套筒71的另一端套接设置于下部模块柱2的顶部。为了让套筒71的连接装配与上部模块柱1和下部模块柱2互相匹配，优选所述套筒71的轴线与内套筒连接板74之间互相垂直。

实施例

模块化自复位钢框架连接结构，主要涉及4个模块单元：上部模块由上部模块柱1与底板梁4组成，下部模块单元由下部模块柱2与顶梁3组成，上部模块柱1与下部模块柱2通过内套筒连接装置7连接，内套筒连接装置7既起到连接的作用，也能实现模块单元间精准定位，能够有效的提高装配效率。底板梁4通过其异形位置处的底板梁端板41与软钢阻尼装置6的上端板61采用高强螺栓连接，高强螺栓穿过软钢阻尼装置6的下端板63与内套筒连接装置7的内套筒连接板74以及下部模块单元中的顶梁3的顶梁上翼缘预留螺栓孔32进行连接，上部模块单元的底板梁4的底板梁下翼缘预留长圆孔42与下部模块单元的顶梁3上的顶梁上翼缘预留长圆孔31通过高强螺栓连接，上下部模块在大震作用下，节点不仅可以通过长圆孔上的高强螺栓滑移也可通过软钢阻尼装置6的耗能板62塑性变形消耗大部分的能量，保证结构主体在地震作用下的安全性。自复位装置5通过螺杆51穿过上部相邻的两个上部模块柱底部预留螺栓孔11与套筒预留螺栓孔72连接，下部相邻模块同理，螺杆51受到轴向荷载时通过碟簧52变形实现自复位的目的，该节点的整体性与耗能能力相较于传统的模块化钢框架梁柱连接节点得到了明显的提高。

如图5、6、7所示，软钢阻尼装置6由上端板61、下端板63、耗能板材连接板64与耗能板62构成，两个耗能板62通过高强螺栓固定在耗能板材连接板64上。耗能板材连接板64焊接在下端板63上，上端板61、下端板63构造一致，其材料均选用Q235钢，耗能板62建议选取用屈服强度范围为100MPa-225MPa的钢材，以保证其具有良好的塑性性能。软钢阻尼装置6采用螺栓连接可避免因焊接存在的残余应力、焊接缺陷、热变形等为题，有效提高阻尼器的疲劳寿命。

如图8所示，内套筒连接装置7由套筒71和内套筒连接板74组成，套筒71用于连接上部模块柱1与下部模块柱2，即螺杆51穿过上部相邻的上部模块柱底部预留螺栓孔11与套筒预留螺栓孔72进行连接，下部相邻模块同理。内套筒连接板74用于连接底板梁4与顶梁3，高强螺栓穿过软钢阻尼装置6的耗能板62与内套筒连接装置7的内套筒连接板74以及下部模块单元中的顶梁3的顶梁上翼缘预留螺栓孔32进行连接，同样底板梁下翼缘预留长圆孔42与顶梁上翼缘预留长圆孔31也通过高强螺栓连接，其整体性相较于传统模块化钢框架梁柱连接节点有了很大的提高。

如图9所示，自复位装置5包含螺杆51、碟簧52和双向螺母53，自复位装置5也起到连接相邻两个模块单元的作用，自复位装置5通过螺杆51穿过上部相邻的两个上部模块柱底部预留螺栓孔11与套筒预留螺栓孔72连接，下部相邻模块单元连接同理。当螺杆51受到轴向荷载时，通过碟簧52承受负载变形后,储蓄一定的势能，当螺栓出现松弛时，碟簧52释放部分势能以保持法兰连接间的压力达到密封要求，从而达到自复位的目的。

在实际工作时，上、下部模块单元在小震作用下，底板梁4与顶梁3产生相对位移后，其与内套筒连接板74连接的底板梁下翼缘预留长圆孔42以及顶梁上翼缘预留长圆孔31位置处的高强螺栓产生滑移，且在小震作用下的自复位装置5中的碟簧52负载储蓄一定的势能，当螺栓出现松弛时，碟簧52释放部分势能以保持法兰连接间的压力达到密封要求，从而达到自复位的目的，同时二者协同工作耗散大部分因地震产生的能量，此时软钢阻尼装置6处于弹性工作阶段，只用于给结构提供一定的附加刚度。而在大震作用下，结构层间变形较大，软钢阻尼装置6的耗能板62先于主体结构发生屈服，进入弹塑性工作阶段，利用软钢阻尼装置6滞回变形来耗散外部输入能量，从而有效地降低结构的地震反应，保证结构主体的安全。后续只需便捷的更换软钢阻尼装置6即可。

Claims (6)

1.模块化自复位钢框架连接结构，包括沿竖直方向布置的上部模块柱(1)和下部模块柱(2)，下部模块柱(2)的顶端与上部模块柱(1)的底端固定连接，所述上部模块柱(1)底部横向设置有底板梁(4)，下部模块柱(2)顶部横向设置有顶梁(3)，其特征在于：包括自复位装置(5)和软钢阻尼装置(6)，所述上部模块柱(1)与下部模块柱(2)之间通过自复位装置(5)固定连接，软钢阻尼装置(6)设置于底板梁(4)和顶梁(3)之间，软钢阻尼装置(6)顶面与底板梁(4)可拆卸连接，软钢阻尼装置(6)的底面与顶梁(3)可拆卸连接；包括内套筒连接装置(7)，所述上部模块柱(1)和下部模块柱(2)通过内套筒连接装置(7)而固定连接，所述自复位装置(5)设置于内套筒连接装置(7)上，内套筒连接装置(7)包括套筒(71)，所述套筒(71)上套接设置有内套筒连接板(74)，套筒(71)上设置有套筒预留螺栓孔(72)，所述内套筒连接板(74)上设置有端板预留长圆孔(73)，所述自复位装置(5)的螺杆(51)穿过套筒预留螺栓孔(72)，内套筒连接板(74)与顶梁(3)顶面以及软钢阻尼装置(6)的底面连接，套筒(71)的一端套接设置于上部模块柱(1)的底部，所述套筒(71)的另一端套接设置于下部模块柱(2)的顶部，套筒(71)的轴线与内套筒连接板(74)之间互相垂直。

2.如权利要求1所述的模块化自复位钢框架连接结构，其特征在于：自复位装置(5)包括螺杆(51)，所述螺杆(51)两端分别设置有一个双向螺母(53)，所述两个双向螺母(53)之间设置有两个碟簧(52)，每个碟簧(52)与对应的双向螺母(53)紧贴设置。

3.如权利要求2所述的模块化自复位钢框架连接结构，其特征在于：所述螺杆(51)横向穿过上部模块柱(1)和下部模块柱(2)之间的连接孔内，碟簧(52)在双向螺母(53)作用下紧贴设置于上部模块柱(1)或下部模块柱(2)侧壁上。

4.如权利要求1、2或3所述的模块化自复位钢框架连接结构，其特征在于：所述软钢阻尼装置(6)包括上端板(61)和下端板(63)，所述上端板(61)和下端板(63)之间设置有至少一个耗能板(62)。

5.如权利要求4所述的模块化自复位钢框架连接结构，其特征在于：所述上端板(61)和下端板(63)均设置有耗能板材连接板(64)，所述耗能板(62)两段分别与上端板(61)和下端板(63)各自的耗能板材连接板(64)连接。

6.如权利要求1、2或3所述的模块化自复位钢框架连接结构，其特征在于：所述软钢阻尼装置(6)通过紧固螺钉分别与底板梁(4)和顶梁(3)连接。