CN116025061A - 一种基于sma材料的装配式自复位rc框架梁柱节点 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及属于结构工程技术领域，尤其涉及一种基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，包括RC预制柱、RC预制梁以及设置在RC预制柱和RC预制梁之间的复位耗能阻尼器、摩擦耗能阻尼器；复位耗能阻尼器包括装配在一起的SMA内核、上约束盖板、下约束盖板、柱端连接加强板和梁端连接加强板，SMA内核与上约束盖板之间留有设定的耗能间隙；摩擦耗能阻尼器包括柱中预埋连接板和梁端预埋连接板，柱中预埋连接板和梁端预埋连接板上设有一一对应的主连接孔和次连接孔，梁端预埋连接板上的各个次连接孔均为弧形长孔。本发明能够同时兼顾耗能、自复位能力和安全性，能够应用于不同地震强度的情况，实现小震不坏、中震易修、大震可修、巨震不倒。
Description
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，尤其涉及一种基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点。
背景技术
装配式建筑近年来在世界范围内得到了蓬勃的发展，成为了传统现浇建筑的替代选择。与传统现浇混凝土结构相比，装配式建筑具有高效、节能和环保的优势，且能够与智能建造协同发展，具有工业化属性。装配式建筑所具有的工厂预制建造模式决定了装配式混凝土框架结构与传统现浇混凝土框架结构的地震行为存在差异。因此，发展具有良好抗震性能的装配式混凝土结构体系成为了重要研究方向。
当地震发生时，建筑物的局部破坏或整体倒塌是造成人员伤亡和财产损失最重要的原因之一。在过去的一个多世纪的时间里，结构抗震研究得到了长足的发展。从最初的静力法理论研究到后来的反应谱法研究，人们都是以避免结构倒塌和降低人员伤亡为主要目标。此阶段下的结构抗震设计是以控制结构在地震作用下的瞬时性能为主要目的，即通常的“大震不倒”性能要求，通过严格的抗震设计保证结构在地震作用下不发生倒塌，从而减少人员伤亡与经济损失。然而，上世纪末发生的一些强震灾害却给人们的抗震研究带来了新的警示。在1994年的美国Northridge地震和1995年的日本的Kobe地震中，建筑倒塌和人员伤亡均相对较少，但地震造成的经济损失却十分巨大，其中Northridge地震造成的经济损失超过了500亿美元，Kobe地震造成的经济损失超过了1700亿美元，社会影响极为严重。由此人们逐渐认识到传统的仅以结构震后是否倒塌作为建筑抗震设计目标已不能满足当今社会的要求。在此背景下基于性能的地震工程（Performance-Based EarthquakeEngineering，PBEE）逐渐发展了起来，基于性能的结构抗震设计（Performance-BasedSeismic Design，PBSD）也慢慢成为了国际地震工程研究的主流。
PBSD的基本理念是保证结构在地震作用下的反应能控制在预期目标范围之内。第一代PBSD以确定性的结构反应作为性能目标，结构的性能估计是确定性的，它没有合理地考虑地震动作用以及结构非线性行为的随机性和不确定性。第二代PBSD以结构整体可靠度为性能目标，它考虑了结构的地震需求以及结构能力的随机性和不确定性，以整体可靠度的形式给出结构的性能水平。第三代PBSD的核心是以地震风险控制作为最终性能目标，它不仅包括结构本身的倒塌风险评估，也包括震后经济损失风险的分析。它以概率学理论为基础，将地震危险性分析、地震易损性分析和地震损失分析纳入核心分析框架，理论体系较为完备。然而，在城市化高度发展的今天，人类社会仍然面临着城市震后重建难度大、时间长和社会代价巨大的挑战。人们逐渐希望结构具有较好的抗震恢复性，在经历大的地震之后能够维持或快速恢复正常使用功能，从而将地震对经济损失和社会的影响降到最低。因此，研究结构从灾害中的恢复能力成为了近年来人们关注的重点。在此背景下结构及城市的“抗震恢复性（Seismic Resilience）”研究逐渐受到学者们的研究重视。抗震恢复性表征了结构或者城市抵御地震灾害扰动和从地震灾害中迅速恢复的能力。
目前，抗震恢复性研究主要是自复位结构（Self-Centering Structure）体系研究，在强震作用下，自复位结构借助自重、预应力构件或高性能材料等获得变形恢复能力，以减轻甚至完全消除结构的震后残余变形，同时利用阻尼元件消耗地震能量，结构整体展现出“旗帜形”的滞回行为。和传统结构相比，自复位结构的最显著特征在于其震后的残余变形较小甚至为零。理论上而言，由于在震后回复到初始形态，自复位结构的结构主体在震后无需修缮就能够继续发挥功能，这一特征极大的提高了单体结构在震后继续使用的可能性，能够减轻强震造成的高昂经济代价和重大社会影响，促进震后生活和生产的快速恢复，与发展抗震韧性城市的目标相一致。
而目前装配式自复位RC框架结构的研究热点主要集中于预制预应力自复位（Precast/Prestressed Self-Centering，PPSC）结构体系。在PPSC结构体系中，预制构件（框架梁、框架柱、墙肢等）通过无粘结后张拉（Post-Tensioning，PT）预应力筋连接。在地震作用下，预制构件之间可以相对转动而形成开口，被拉伸的PT预应力筋为结构提供自复位能力，减轻地震后结构的残余变形，使结构恢复至初始位置；在此过程中，主要通过节点位置处的耗能（Energy Dissipation，ED）元件（如内置耗能筋或外置阻尼装置等）耗散结构所吸收的地震能量，结构因此产生典型的“旗帜形”滞回行为。尽管这一新型结构体系的抗震性能有着非常“诱人”的优势（地震后损伤轻、可在短时间内恢复结构使用功能），但在历经了二十多年的研究后却仍未能走向大规模工程应用，究其原因主要在于这种结构体系的安全冗余度小于传统现浇RC框架，在体系构成上主要依靠无粘结预应力筋将预制构件串联，预应力筋的失效将导致毁灭性的后果。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，规避了现有预制预应力自复位结构体系中采用预应力筋提供回复力时串联预制构件的连接方式以及其安全冗余度较小的潜在难题，在保证RC框架节点的耗能和自复位能力的基础上，提高RC框架节点的安全性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，包括：
RC预制柱；
RC预制梁；
复位耗能阻尼器，设置在RC预制柱与RC预制梁之间且上下间隔设有两组，复位耗能阻尼器包括SMA内核、上约束盖板、下约束盖板、柱端连接加强板和梁端连接加强板，SMA内核连接在上约束盖板与下约束盖板之间，SMA内核与上约束盖板之间留有设定的耗能间隙；柱端连接加强板同时与SMA内核和RC预制柱通过柱端高强螺栓连接，梁端连接加强板同时与SMA内核和RC预制梁通过梁端高强螺栓连接；
摩擦耗能阻尼器，包括部分预埋在RC预制柱内的柱中预埋连接板和部分预埋在RC预制梁内的梁端预埋连接板，柱中预埋连接板和梁端预埋连接板上设有一一对应的主连接孔和次连接孔，次连接孔沿主连接孔的圆周方向分布有多个，梁端预埋连接板上的各个次连接孔均为弧形长孔，柱中预埋连接板和梁端预埋连接板上对应的主连接孔中和对应的次连接孔中均穿设有抗剪螺栓。
优选的，所述SMA内核为变截面结构，包括中间的耗能段和位于两端的连接段，耗能段的宽度小于连接段的宽度，耗能段与所述上约束盖板和下约束盖板连接，连接段与对应的柱端连接加强板或梁端连接加强板连接。
进一步的，所述耗能段上设有沿其长度方向延伸的长孔，所述下约束盖板上对应长孔和耗能段宽度方向边缘的位置均设置有垫块，垫块的厚度大于耗能段的厚度，所述上约束盖板上对应垫块的位置设有穿孔。
优选的，垫块的厚度大于耗能段厚度1mm。
优选的，所述SMA内核为铜基形状记忆合金。
优选的，摩擦耗能阻尼器还包括贴设在柱中预埋板端部两侧的硬摩擦片。
进一步的，柱中预埋连接板和梁端预埋连接板上的次连接孔均设置有四个；柱中预埋连接板和梁端预埋连接板中，处于上侧的两个次连接孔和处于下侧的两个次连接孔关于主连接孔上下对称，处于左侧的两个次连接孔与处于右侧的两个次连接孔关于主连接孔左右对称。
进一步的，同一个RC预制柱左右两侧相同位置处的复位耗能阻尼器中的对应柱端连接加强板相互连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明的RC框架梁柱节点采用干式全螺栓装配的连接方式，充分发挥了装配式结构高效建造的特点，同时采用高性能低成本的铜基SMA内核，为RC框架梁柱节点提供耗能和自复位能力；另外，RC预制梁的梁端处构建塑性铰，在提高节点抗剪承载能力的同时，使RC预制柱与RC预制梁之间能够发生相对转动，同时又能起到限制RC框架梁柱节点最大位移角、防止复位耗能阻尼器轴向位移超限、以及在节点位移角较大时促进RC预制梁参与塑形变形共同耗能的作用。本发明规避了现有预制预应力自复位结构体系中采用预应力筋提供回复力时串联预制构件的连接方式以及其安全冗余度较小的潜在难题。
2、本发明的RC框架梁柱节点能够同时兼顾耗能、自复位能力和安全性，能够应用于不同地震强度的情况，实现小震不坏、中震易修、大震可修、巨震不倒，提高了单体结构在震后继续使用的可能性，能够减轻强震造成的高昂经济代价和重大社会影响，促进震后生活和生产的快速恢复。
附图说明
图1是本发明的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点的立体示意图；
图2是图1的主视图；
图3是本发明的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点中复位耗能阻尼器的结构示意图；
图4是图3的爆炸视图；
图5是图3中SMA内核的结构示意图；
图6是本发明的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点中摩擦耗能阻尼器的结构示意图；
图7是图5的爆炸视图；
图8是本发明的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点的抗震响应示意图。
附图标记：1-RC预制柱，2-RC预制梁，3-SMA内核，4-上约束盖板，5-下约束盖板，6-柱端连接加强板，7-梁端连接加强板，8-柱端高强螺栓，9-梁端高强螺栓，10-柱中预埋连接板，11-梁端预埋连接板，12-柱主连接孔，13-柱次连接孔，14-梁主连接孔，15-梁次连接孔，16-主抗剪螺栓，17-副抗剪螺栓，18-垫块，19-长孔，20-耗能段，21-连接段，22-硬摩擦片，23-复位耗能阻尼器，24-摩擦耗能阻尼器，25-紧固高强螺栓。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点的具体实施例：
如图1和图2所示，基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，包括RC预制柱1、RC预制梁2以及设置在RC预制柱1和RC预制梁2之间的复位耗能阻尼器23、摩擦耗能阻尼器24。
具体的，如图2、图3和图4所示，复位耗能阻尼器23上下间隔设有两组，每组复位耗能阻尼器23均包括SMA内核3、上约束盖板4、下约束盖板5、柱端连接加强板6和梁端连接加强板7。本实施例中，SMA内核3为铜基形状记忆合金，连接在上约束盖板4和下约束盖板5之间。如图5所示，SMA内核3为变截面结构，包括中间的耗能段20和位于两端的连接段21，耗能段20的宽度小于连接段21的宽度，耗能段20的中间位置上设有沿其长度方向延伸的长孔19，长孔19的两端为尖端。下约束盖板5上对应长孔19和耗能段20宽度方向边缘的位置均设置有一排垫块18，每排包括三个间隔布置的垫块18。上约束盖板4上对应每个垫块18的位置设有穿孔，上约束盖板4与耗能段20和下约束盖板通过多个紧固高强螺栓25连接在一起。本实施中，SMA内核3与上约束盖板4之间留有设定的耗能间隙，因为垫块18的厚度大于耗能段20的厚度。在实际应用时，垫块18的厚度大于耗能段20的厚度1mm时为最优，这间隙能让SMA内核产生一个侧向变形的趋势，随后受到上约束盖板4的约束发生多波变形。当然，该间隙不宜过大，在其他实施例中，也可以在1mm左右上下浮动。
柱端连接加强板6设有两块，均为L形板，对称布置在其中一个连接段的上下两侧，L形板的水平板段和竖直板段上均设置有固定孔，两块柱端连接加强板6同时与SMA内核3的对应连接段和RC预制柱1通过柱端高强螺栓8连接。梁端连接加强板7也设有两块，对称布置在另一个连接段的上下两侧。同一个复位耗能阻尼器23的两块梁端连接加强板7中，其中一块与RC预制梁3表面贴合，另一个贴合在SMA内核的对应连接段表面；四块两端连接加强板7同时与SMA内核3的对应连接段和RC预制梁2通过梁端高强螺栓9连接在一起。
如图6和图7所示，摩擦耗能阻尼器24包括部分预埋在RC预制柱1内的柱中预埋连接板10和部分预埋在RC预制梁2内的梁端预埋连接板11，梁端预埋连接板11设有两块，在RC预制梁2内相对且间隔布置，之间形成一个安装槽。柱中预埋连接板10部分伸入到上述安装槽内。柱中预埋连接板10端部两侧贴设有硬摩擦片22，能够增加节点的初始刚度以及其发生转动后的耗能能力。柱中预埋连接板10上设有柱主连接孔12和分布在柱主连接孔12圆周方向上的四个柱次连接孔13；同样的，梁端预埋连接板11上设有与柱主连接孔12对应的梁主连接孔14、与柱次连接孔13一一对应的梁次连接孔15。其中，梁次连接孔15为弧形长孔，四个梁次连接孔15中，处于上侧的两个梁次连接孔15和处于下侧的两个梁次连接孔15关于梁主连接孔14上下对称，处于左侧的两个梁次连接孔15与处于右侧的两个梁次连接孔15关于梁主连接孔14左右对称。柱主连接孔12与柱次连接孔13的分布也遵循上述规律。柱主连接孔12和梁主连接孔14的孔径相等，两者中穿设有尺寸适配的主抗剪螺栓；柱次连接孔13和对应的梁次连接孔15中穿设有副抗剪螺栓17。在增加抗剪螺栓数量、提高节点抗剪承载能力的同时，仍然允许RC预制梁1、RC预制柱2之间发生相对转动；同时又能起到限制梁-柱节点最大位移角、防止SC-BRD轴向位移超限、以及在节点位移角较大时促进RC预制梁2参与塑形变形共同耗能的作用。
如图8所示，同一个RC预制柱1左右两侧相同位置处的复位耗能阻尼器中的对应柱端连接加强板6相互连接。
结合图8，本发明的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点在各级地震作用下的设计预期变形、各构件复位耗能原理以及其框架结构体系的抗震性能目标如下：
（1）当框架处于多遇地震等持久设计工况时，RC预制梁1、RC预制柱2、以及节点两侧的复位耗能阻尼器23均保持弹性，同时RC预制梁1、RC预制柱2连接处的硬摩擦片22未与梁端预埋连接板11发生相对转动，框架整体利用弹性刚度抵抗震动变形。小震后结构无损伤、无残余变形；震后结构不需修复即可继续使用。
（2）当框架处于超过多遇地震但低于罕遇地震强度的激励时，RC预制梁1和RC预制柱仍保持弹性。RC预制梁1、RC预制柱2连接处的硬摩擦片22与梁端预埋连接板11之间开始发生相对转动，以增强“梁铰”的耗能能力。而复位耗能阻尼器23中的铜基SMA内核则处于轴向残余应变几乎为零的应变幅值较小的超弹性变形范围，此时铜基SMA内核的耗能能力较小但卸载后的回复应力充足，以此为梁铰提供额外的耗能能力和良好震后自复位能力，进而减轻甚至消除预制框架结构的震后残余变形。即中震后RC预制梁2、RC预制柱1等构件无损伤、复位耗能阻尼器23的残余变形几乎为零，硬摩擦片22与梁端预埋连接板11之间有较小的残余位移角；震后结构不需修复，或仅需释放局部抗剪螺栓中的预应力、修正部分硬摩擦片22与梁端预埋连接板11之间的微小残余位移角后即可继续使用。
（3）当框架结构遭遇罕遇地震强度的激励时，RC预制梁1、RC预制柱2仍然预期保持弹性。RC预制梁1、RC预制柱2连接处的硬摩擦片22与梁端预埋连接板11之间发生较大转角的相对转动，进一步增强“梁铰”的耗能能力。而复位耗能阻尼器23中的铜基SMA内核则在约束构件对其平面外变形的约束作用下发生较大且近乎对称的轴向拉、压屈服变形和滞回耗能。此时铜基SMA内核的耗能能力显著提高、卸载后回复应力有所下降、残余变形有所增加，以此为梁铰提供充足的滞回耗能和较好的震后自复位能力，从而在控制框架结构地震响应的同时减轻其震后残余变形。即大震后结构主体梁、柱构件无损伤、复位耗能阻尼器23具有较小残余变形，硬摩擦片22与梁端预埋连接板11之间存在一定的残余位移角；震后结构仅需更换轴向变形较大的复位耗能阻尼器、修正残余变形较大的抗剪螺栓连接位移角后即可继续使用。
（4）当框架结构遭遇极罕遇地震强度的激励时，RC预制柱1仍然预期保持弹性。在梁端预埋连接板11左端梁次连接孔15的控制作用下，RC预制梁2、RC预制柱1抗剪螺栓连接部位达到最大位移角限值，复位耗能阻尼器23达到最大轴向变形限值，RC预制梁2开始参与塑形变形，以期最大程度地发挥梁铰塑形变形耗能能力，控制结构的地震响应和预制柱构件的塑形损伤，使结构仍然按整体机制发生屈服、防止结构发生倒塌。
本发明的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点能够同时兼顾耗能、自复位能力和安全性，能够应用于不同地震强度的情况，实现小震不坏、中震易修、大震可修、巨震不倒，提高了单体结构在震后继续使用的可能性，能够减轻强震造成的高昂经济代价和重大社会影响，促进震后生活和生产的快速恢复。
在其他实施例中，在不考虑成本的条件下，SMA内核也可以采用镍钛SMA材料或铁锰硅合金材料。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，其特征在于，包括：
RC预制柱；
RC预制梁；
复位耗能阻尼器，设置在RC预制柱与RC预制梁之间且上下间隔设有两组，复位耗能阻尼器包括SMA内核、上约束盖板、下约束盖板、柱端连接加强板和梁端连接加强板，SMA内核连接在上约束盖板与下约束盖板之间，SMA内核与上约束盖板之间留有设定的耗能间隙；柱端连接加强板同时与SMA内核和RC预制柱通过柱端高强螺栓连接，梁端连接加强板同时与SMA内核和RC预制梁通过梁端高强螺栓连接；
摩擦耗能阻尼器，包括部分预埋在RC预制柱内的柱中预埋连接板和部分预埋在RC预制梁内的梁端预埋连接板，柱中预埋连接板和梁端预埋连接板上设有一一对应的主连接孔和次连接孔，次连接孔沿主连接孔的圆周方向分布有多个，梁端预埋连接板上的各个次连接孔均为弧形长孔，柱中预埋连接板和梁端预埋连接板上对应的主连接孔中和对应的次连接孔中均穿设有抗剪螺栓。
2.根据权利要求1所述的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，其特征在于，所述SMA内核为变截面结构，包括中间的耗能段和位于两端的连接段，耗能段的宽度小于连接段的宽度，耗能段与所述上约束盖板和下约束盖板连接，连接段与对应的柱端连接加强板或梁端连接加强板连接。
3.根据权利要求2所述的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，其特征在于，所述耗能段上设有沿其长度方向延伸的长孔，所述下约束盖板上对应长孔和耗能段宽度方向边缘的位置均设置有垫块，垫块的厚度大于耗能段的厚度，所述上约束盖板上对应垫块的位置设有穿孔。
4.根据权利要求3所述的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，其特征在于，垫块的厚度大于耗能段厚度1mm。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，其特征在于，所述SMA内核为铜基形状记忆合金。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，其特征在于，摩擦耗能阻尼器还包括贴设在柱中预埋板端部两侧的硬摩擦片。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，其特征在于，柱中预埋连接板和梁端预埋连接板上的次连接孔均设置有四个；柱中预埋连接板和梁端预埋连接板中，处于上侧的两个次连接孔和处于下侧的两个次连接孔关于主连接孔上下对称，处于左侧的两个次连接孔与处于右侧的两个次连接孔关于主连接孔左右对称。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的基于SMA材料的装配式自复位RC框架梁柱节点，其特征在于，同一个RC预制柱左右两侧相同位置处的复位耗能阻尼器中的对应柱端连接加强板相互连接。
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