CN116680776A - 一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，涉及土木工程抗震技术领域，包括以下步骤：确定钢框架的基本尺寸及性能参数；确定节点设计荷载；确定节点的性能目标；确定层间位移角限值并计算层间侧移限值；计算柱梁柱节点和柱脚节点的转动刚度；计算梁柱节点与柱脚节点转角位移限值；设计消能钢板的截面尺寸；计算柱底容许弯矩及梁柱节点容许弯矩；计算锚杆轴力；计算柱底达到转角位移限值时梁柱轴力及各翼缘局部压力；进行强度验算、稳定性验算和局部承压验算；自复位能力验算。本发明提供在满足小震要求的基础上，进行大震作用下的承载力，稳定性等验算，计算方法简单可行，可确保得出较为准确的结果，具有很好的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程抗震技术领域，更具体的说是涉及一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法。
背景技术
发生自然灾害时，地震与台风主要在水平方向对结构产生激励作用，因此作为主要抵抗水平荷载作用的抗侧力体系成为了保护结构安全的最关键一环。设置抗侧力体系，不仅能确保结构满足正常使用和承载能力极限状态的刚度、强度以及延性要求，还能较好地发挥材料的性能，获得良好的经济效益。
在现有自复位框架抗侧力体系中，通常通过基础、钢柱、横梁组成框架结构，如申请公布号CN111691544A(申请公布日2020.09.22)中公开了一种自复位钢框架抗侧力体系，包括自复位柱脚结构和自复位节点结构。钢柱竖直布置在基础顶面，钢柱底端与基础连接形成自复位柱脚结构。基础内部预埋钢板，钢柱侧壁上水平固定有悬挑板，锚杆穿过悬挑板和预埋钢板，通过第一高强螺母固定，第一碟形弹簧组套设在第一高强螺母和悬挑板顶面顶端之间。横梁水平布置，横梁端头与钢柱侧壁连接形成自复位节点结构，横梁端头固定有端板，高强拉杆穿过横梁侧壁和端板，并通过第二高强螺母紧固，高强拉杆至少有一端的端板和第二高强螺母之间固定有第二碟形弹簧组，高强拉杆之间上下布置有加劲肋，C型消能钢板两端分别与钢柱侧壁和横梁的翼缘固定连接。其原理是在地震中，横梁发生摆动时，通过梁柱之间的C型消能钢板实现震中耗散地震能量；当横梁上下摆动时，连接梁柱的多组高强拉杆上的第二碟形弹簧组的形变增大，从而实现框架结构的震后快速自复位；最终实现梁柱节点的耗能与自复位功能，解决了地震后梁柱残余变形大的问题，使结构具有在震中消能、震后快速恢复使用功能的能力。
目前，传统抗震思想以保护生命为首要目标，通过延性设计避免结构在强震下发生倒塌。然而，这种延性设计是以允许结构主要受力构件发生塑性变形为代价的。另一方面，由于地震作用的不确定性，结构在使用期间可能会遭受到比设防烈度更强的地震作用并导致结构发生严重损伤甚至倾覆。近些年的地震灾害结果表明，地震中建筑倒塌和人员死亡的数量虽已经得到了有效控制，但是地震所造成的直接与间接经济损失数额巨大，其中城市功能的中断带来的间接经济损失已超过直接经济损失。近年来，许多研究者提出了可恢复功能结构的概念。地震可恢复功能结构是指地震后不需修复或者稍加修复即可恢复使用功能的结构，其主要目的是使结构具备震后快速恢复使用功能的能力，从而减轻由于结构震后功能中断带来的影响。
因此，提出一种具有极强的抵抗水平荷载能力、自复位性能和耗能能力，同时还具有优良的延性和抗疲劳性能的自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，旨在解决上述技术问题。
为了实现本发明提供的方法设计，首先，本发明提供了一种与之相对应的自复位钢框架抗侧力体系，包括：基础、钢柱、横梁；
所述钢柱竖直布置在所述基础的顶面，且所述钢柱的底端与所述基础连接形成自复位柱脚结构；
所述横梁水平布置，且端头与所述钢柱的侧壁连接；所述钢柱与其两侧连接的横梁形成自复位节点结构。
本发明提供的体系在多遇地震作用时，结构各节点闭合，与传统结构一致，依靠结构的弹性变形抵抗地震作用；罕遇地震作用时，结构结点张开，避免主体结构产生塑性损失，与此同时自复位柱脚结构、自复位节点结构与耗能装置塑性变形耗散地震能量，共同保证节点和柱脚具有良好的自复位性能，最终实现整个体系的抗侧力、耗能与自复位功能。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述自复位柱脚结构包括预埋钢板、悬挑板、锚杆和第一碟型弹簧组；
所述预埋钢板预埋固定在所述基础内部；
所述悬挑板水平固定在所述钢柱靠近所述基础的侧壁上；
所述锚杆的数量为多个，且竖直布置；所述锚杆的两端分别穿过所述悬挑板和预埋钢板，并通过第一高强螺母紧固；
所述第一碟型弹簧组套设在所述锚杆的顶端，且顶紧在所述悬挑板的顶面和顶端的所述第一高强螺母之间。
结构发生摆动，钢柱底部的悬挑板倾斜并压迫第一碟形弹簧组，第一碟形弹簧组产生反力迫使结构回到初始位置，从而达到使柱脚结构自复位的效果；同时由于第一碟形弹簧组上第一高强螺母的限制，结构最大摇摆位受第一高强螺母高度限制，增加了摇摆可控性。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述基础顶面开设有用于所述钢柱插入的限位凹槽；所述钢柱的底端固定有底板；所述底板和所述限位凹槽之间固定有缓冲橡胶垫。设置在钢柱底端的缓冲橡胶垫在震中能起到缓冲作用，且限位凹槽实现对钢柱底部侧向位移的控制。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述悬挑板的底面和所述钢柱的侧壁之间固定有支撑板。能够有效提高悬挑板的结构稳定性。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述自复位节点结构包括端板、高强拉杆和C型消能钢板；
所述端板固定在所述横梁的端头；
所述高强拉杆的数量为多个，且水平穿过所述钢柱侧壁和两块所述端板，并通过第二高强螺母在其两端端头紧固；所述高强拉杆至少一端套设有顶紧在所述端板和第二高强螺母之间的第二碟型弹簧组；
所述C型消能钢板的数量为多块；所述C型消能钢板的两端分别与所述钢柱的侧壁和所述横梁的翼缘固定连接。
在地震中，横梁发生摆动时，通过梁柱之间的C型消能钢板实现震中耗散地震能量；当横梁上下摆动时，连接梁柱的多组高强拉杆上的第二碟形弹簧组的形变增大，从而实现框架结构的震后快速自复位；最终实现梁柱节点的耗能与自复位功能，解决了地震后梁柱残余变形大的问题，使结构具有在震中消能、震后快速恢复使用功能的能力。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，在所述自复位节点结构中，所述钢柱的两侧壁之间焊接固定有多块加劲肋，且所述加劲肋在所述高强拉杆之间和上下布置。提高钢柱侧壁的强度。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，多块所述加劲肋的最高布置水平面与所述横梁的顶面平齐，最低布置水平面与所述横梁的底面平齐。既能够提高钢柱的强度，又能够提高钢柱和横梁连接的结构强度。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述C型消能钢板的两端分别与所述钢柱的侧壁和所述横梁的翼缘焊接固定、或采用螺栓固定。C型消能钢板可以为易于更换维修的非永久连接，也可以是稳定的永久连接。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系中，所述钢柱为工字钢、或方钢管、或钢管混凝土。能够扩大本发明结构的使用范围。
基于上述自复位钢框架抗侧力体系的结构，为了实现上述节点设计，本发明采用如下技术方案：
一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，包括以下步骤：
步骤一：确定钢框架各部件的基本尺寸参数以及材料特性；
步骤二：确定节点设计荷载；
步骤三：确定节点的性能目标；
步骤四：确定罕遇地震作用下层间位移角限值θ并计算层间侧移限值Δ；
步骤五：计算柱梁柱节点和柱脚节点的转动刚度；
步骤六：根据力法或位移法计算梁柱节点与柱脚节点转角位移限值；
步骤七：设计C型消能钢板的截面尺寸；
步骤八：计算罕遇地震作用下柱底容许弯矩及梁柱节点容许弯矩；
步骤九：计算达到转角位移限值时拉杆轴力；
步骤十：计算柱底达到转角位移限值时梁柱轴力及各翼缘局部压力；
步骤十一：进行强度验算、稳定性验算和局部承压验算；
步骤十二：自复位能力验算。
通过以上技术方案，发明提供的自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，结构组件功能独立、受力清晰、传力明确。主体结构竖向荷载主要由碟形弹簧提供的预压力承担，有别于传统耗能角钢既承担抗剪又兼顾耗能用途，C型消能钢板受力易变形，不提升承载力抗剪力，方便主体结构受力计算。在满足小震要求的基础上，进行大震作用下的承载力，稳定性等验算，计算方法简单可行，可确保得出较为准确的结果，具有很好的推广应用价值。通过此方法设计出的钢框架抗侧力体系具有极强的抵抗水平荷载能力、自复位性能和耗能能力，同时还具有优良的延性和抗疲劳性能。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤一中确定钢柱及钢梁的截面尺寸及高度，所使用钢材截面惯性矩I以及弹性模量E、屈服强度fy等。以此来作为节点设计的计算基础依据。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤二中柱底剪力通过在基础预埋抗剪键来实现抵抗，抗剪键仅约束柱脚水平侧移。考虑在小震作用下进行结构的弹性效应的计算，再通过荷载效应组合得到各节点所需的设计内力。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤三中根据我国现行抗震规范中的性能化设计要求确定柱底各锚杆所需施加的预压力F0，使得柱脚翼缘在小震作用下不与地基分离；确定梁柱节点所需施加的预压力F0’，使梁翼缘在小震作用下不与柱侧壁分离。
由前内力计算已知小震作用下柱底弯矩M，要使得柱脚不发生抬升，即预压力与轴力对柱脚转动点产生的弯矩值需大于小震作用下柱底弯矩M，即：
N×0.5h+M0≥M；
已知小震作用下梁端弯矩Mt，要使梁柱节点保持闭合，即预压力对梁柱节点转动点产生的弯矩值需大于小震作用下柱顶弯矩Mt，即：
M0’≥Mt
M0为预压力对柱脚转动点产生的弯矩值，M0’为预压力对梁柱节点转动点产生的弯矩值，h为柱截面高度，因轴力已知，故可求出每根锚杆预压力F0。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤四中根据我国现行建筑抗震设计规范确定大震作用下层间位移角限值θ，并由此求出层间侧移限值Δ。
转角很小时，tanx＝x，故Δ/hc＝θ，hc为柱高度，与θ均为已知值，故可求得Δ。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤五中通过对转动点取矩求得由碟簧及耗能件产生的柱顶转动刚度K1’以及柱脚转动刚度K2’，先不考虑K1’、K2’，设柱底为铰接。上部柱对A点产生转动刚度K1”＝3.5i2，A点提供给B点的转动刚度K2”＝αi1，α为转动约束刚度系数，i1为柱线刚度，其中：
水平侧移会削弱转动刚度传递，Kt、Kd为柱两端转动刚度，计算求得柱顶抗侧刚度D，进而可以得到K2’对柱顶传递的转动刚度K1”’以及K1’对柱底传递的转动刚度K2”’，故可得到柱脚转动刚度K2＝K2’+K2”+K2”’，柱顶转动刚度K1＝K1’+K1”+K1”’，其中：
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤六中大震作用下层间侧移限值Δ已在步骤四中确定，根据力法或位移法求出梁柱节点与柱脚节点转角位移限值θ1、θ2。
已知柱两端转动刚度K1、K2，柱顶水平侧移，柱身线刚度i1，列力法方程：
可以解出柱顶与柱底弯矩X1、X2,进而可以解出柱顶与柱底转角θ1、θ2；
辅以位移法验算结果：
得出结果一致，解得大震时梁柱节点与柱脚节点转角位移限值θ1、θ2。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤七中大震作用下碟形弹簧提供的弯矩承载力占整个截面抗弯能力的比例为则C型消能钢板提供的弯矩承载力比例为/>可求得消能钢板需提供的弯矩承载力Mb，以此来对消能钢板进行截面尺寸设计。
层间位移角达1/50时碟簧提供弯矩承载力Ms，故消能钢板提供弯矩承载力：
又Mh＝fyAd，d为消能钢板轴力方向至节点转动点垂直距离，可初步确定消能钢板截面尺寸。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤八中根据大震作用时柱底转角θ2可分别求得柱脚产生转角θ2时预压力产生的弯矩Mp、轴力产生的弯矩Ma以及碟簧组变形增加弯矩ΔM，三者相加即可得到大震作用下柱底的容许弯矩Md；根据大震作用时梁柱节点转角θ1可分别求得节点产生转角θ1时预压力产生的弯矩Mp’、C型消能钢板屈服产生弯矩Mb以及碟簧组变形增加弯矩ΔM’，三者相加即可得到大震作用下梁柱节点的容许弯矩Md’。
根据大震作用时柱底转角θ2可分别求得柱脚产生转角θ2时预压力产生的弯矩Mp、轴力产生的弯矩Ma以及碟簧组变形增加弯矩ΔM，三者相加即可得到大震作用下柱底的容许弯矩Md；根据大震作用时梁柱节点转角θ1可分别求得节点产生转角θ1时预压力产生的弯矩Mp’、C型消能钢板屈服产生弯矩Mb以及碟簧组变形增加弯矩ΔM’，三者相加即可得到大震作用下梁柱节点的容许弯矩Md’。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤九中根据各节点转角位移可求得节点碟簧轴向变形δy，进而可求出碟簧轴向变形产生的锚杆轴力，与碟簧初始施加的预压力相加即可得到各节点各锚杆轴力Fy、Fy’。
根据各节点转角位移可求得节点碟簧轴向变形δy，进而可求出碟簧轴向变形产生的锚杆轴力，与碟簧初始施加的预压力相加即可得到各节点各锚杆轴力。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤十中对柱脚转动点取矩求出柱底达到转角位移限值θ2时柱轴力P并通过平衡条件求出柱翼缘局部压力Fc，对梁柱节点转动点取矩求出达到转角位移限值θ1时等效梁轴力P’，并通过平衡条件求出梁翼缘局部压力Fc’。
优选的，在上述一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法中，步骤十一、步骤十二中验算结果满足要求即完成了自复位钢框架节点的设计计算。
以下为步骤十一、步骤十二中的验算步骤：
1、柱脚部分：
(1)首先确保高强锚杆不会屈服
A——高强锚杆截面面积
Ft1——转动点远端锚杆轴力
σpt.y——高强锚杆屈服应力
(2)根据拉弯和压弯构件的强度验算公式验算强度：
式中：
A——柱截面面积
γx——截面塑性发展系数
ωnx——对x轴的净截面模量
(3)平面内稳定验算：
其中：
lc——柱身高度
ix——对x轴的惯性半径
——弯矩作用平面内轴心受压构件稳定系数，可查规范确定
βmx——等效弯矩系数
NEX——参数，
(4)局部稳定验算：
箱型截面受压翼缘宽厚比
(5)柱底局部承压：
其中：Afn——局部承压截面面积
2、梁柱节点部分：
(1)首先确保高强拉杆不会屈服
A——高强拉杆截面面积
Ft1——转动点远端拉杆轴力
σpt.y——高强拉杆屈服应力
(2)验算自复位梁截面
梁端弯矩需小于塑性弯矩：
Md≤Mn＝FyWx
Fy——屈服应力
Wx——塑性截面模量
采用拉弯强度验算公式验算强度：
A’——梁截面面积
γx——截面塑性发展系数
ωnx——对x轴的净截面模量
受压翼缘局部稳定：
受压翼缘板最大压力Fb采用下式验算(局部稳定)：
kp——弹性屈曲系数
μ——泊松比
h0/tw——受压翼缘高厚比
(3)梁柱结合面抗剪校核
梁柱结合面的抗剪强度主要是由碟形弹簧提供的预压力来提供，可以得出梁柱结合面抗剪承载力V的简化分析计算公式为：
Vn＝μfFpr
μf—梁柱结合面摩擦系数
Fpr—梁柱结合面处碟形弹簧提供压力
3、自复位能力验算：
若设计值大于等于0.5，即Mprs/Mp≥0.5，根据规范可以确保截面满足自复位的要求。若/>设计值小于0.5，则需要保证节点在开合零界点时满足Mprs≥Mat+Mac
Mprs—1/50位移角时碟形弹簧提供弯矩承载力
Mat—受拉端消能钢板提供弯矩承载力
Mac—受压端消能钢板提供弯矩承载力
若验算不能满足要求，则需调整同时减小C型耗能钢板截面或增大碟簧预应力，重复计算直至满足自复位要求为止。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，具有以下有益效果：
1、自复位能力强：各节点的碟形弹簧组在结构变形时产生恢复力，并与碟形弹簧组的预压力叠加形成自复位弯矩，共同保证节点和柱脚具有良好的自复位性能，实现大震作用下节点及柱脚无损伤或轻微损伤，保证结构震后使用功能不中断。
2、耗能能力强：已有研究表明自复位结构在地震作用时较传统结构有较大层间位移角，本发明在梁柱节点布置耗能装置，充分发挥金属塑性变形耗能特性。
3、结构组件功能独立、受力清晰、传力明确：主体结构竖向荷载主要由碟形弹簧提供的预压力承担；有别于传统耗能角钢既承担抗剪又兼顾耗能用途，C型消能钢板受力易变形，不提升承载力抗剪力，方便主体结构受力计算。
4、根据本发明提供的自复位结构设计方法，在满足小震要求的基础上，进行大震作用下的承载力，稳定性等验算，计算方法简单可行，可确保得出较为准确的结果，具有很好的推广应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法的流程图；
图2附图为本发明提供的整体结构示意图；
图3附图为本发明提供的自复位柱脚节点结构示意图；
图4附图为本发明提供的自复位梁柱节点结构示意图；
图5附图为本发明提供的自复位柱脚俯视图；
图6附图为本发明提供的柱脚节点计算简图；
图7附图为本发明提供的小震作用下梁柱节点计算简图；
图8附图为本发明提供的计算两端转动刚度时子框架计算简图；
图9附图为本发明提供的力法或位移法计算柱端位移时柱构件计算简图；
图10附图为本发明提供的柱底产生θ2位移时柱脚受力分析图；
图11附图为本发明提供的柱顶产生θ1位移时梁柱节点受力分析图。
其中：
1-基础；
11-限位凹槽；12-缓冲橡胶垫；
2-钢柱；
21-底板；22-支撑板；
3-横梁；
4-自复位柱脚结构；
41-预埋钢板；42-悬挑板；43-锚杆；44-第一碟形弹簧组；45-第一高强螺母；46-翼缘加强板；
5-自复位节点结构；
51-端板；52-高强拉杆；53-C型消能钢板；54-第二高强螺母；55-第二碟形弹簧组；56-加劲肋。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见附图2～附图5，为一种自复位钢框架抗侧力体系，包括：基础1、钢柱2、横梁3；
钢柱2为工字钢、方钢管或钢管混凝土，当钢柱2为工字钢时，在自复位柱脚结构4中，钢柱2的翼缘内侧固定有翼缘加强板46。钢柱2竖直布置在基础1的顶面，且钢柱2的底端与基础1连接形成自复位柱脚结构4；横梁3水平布置，且端头与钢柱2的侧壁连接；钢柱2与其两侧连接的横梁3形成自复位梁柱节点结构5；
自复位柱脚结构4包括预埋钢板41、悬挑板42、锚杆43和第一碟型弹簧组44；预埋钢板41预埋固定在基础1内部；悬挑板42水平固定在钢柱2靠近基础1的四周侧壁上；锚杆43的数量为八个，且竖直布置；锚杆43的两端分别穿过悬挑板42和预埋钢板41，并通过第一高强螺母45紧固；第一碟型弹簧组44套设在锚杆43的顶端，且顶紧在悬挑板42的顶面和顶端的第一高强螺母45之间。第一碟形弹簧组44的上下垫设有刚性垫板。基础1顶面开设有用于钢柱2插入的限位凹槽11；钢柱2的底端固定有底板21；底板21和限位凹槽11之间固定有缓冲橡胶垫12。悬挑板42的底面和钢柱2的侧壁之间固定有支撑板22。
自复位节点结构5包括端板51、高强拉杆52和C型消能钢板53；端板51固定在横梁3的端头；高强拉杆52的数量为三根，且水平穿过钢柱2侧壁和两块端板51，并通过第二高强螺母54在其两端端头紧固；高强拉杆52至少一端套设有顶紧在端板51和第二高强螺母54之间的第二碟型弹簧组55；C型消能钢板53的数量为四块；C型消能钢板53的两端分别与钢柱2的侧壁和横梁3的翼缘固定连接。钢柱2的两侧壁之间焊接固定有多块加劲肋56，且加劲肋56在高强拉杆52之间和上下布置，多块加劲肋56的最高布置水平面与横梁3的顶面平齐，最低布置水平面与横梁3的底面平齐。C型消能钢板53的两端分别与钢柱2的侧壁和横梁3的翼缘焊接固定、或采用螺栓固定。
本实施例的钢框架抗侧力体系的原理是当地震来临时，首先位于梁柱节点的C型消能钢板53耗散地震能量；然后梁柱节点上的第二碟形弹簧组55的形变增大，钢柱2下部的锚杆43、第一碟形弹簧组44和悬挑板42等共同构成自复位柱脚，通过碟形弹簧组的预压力形成预压弯矩，共同保证节点和柱脚具有良好的自复位性能，最终实现整个体系的抗侧力、耗能与自复位功能。具有抗侧力、自复位和耗能能力强等特点，概念清晰、施工方便、造价合理，将广泛应用于高层、超高层建筑结构中。
本发明具有抗侧力、自复位和耗能能力强等特点，本发明概念清晰、施工方便、造价合理，将广泛应用于高层、超高层建筑结构中。
实施例2：
参见附图1和附图6～附图11，本发明实施例公开了一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，隔离出一子框架为例，如附图8，包括以下步骤：
S1、确定钢框架各部件的基本尺寸参数，包括：
钢柱及钢梁的截面尺寸及高度，所使用钢材基本参数包括截面惯性矩I以及弹性模量E；参见图5，底部截面尺寸如下：
b，h，t，d1，d2，d3；
参见图7，梁柱节点尺寸如下：
a1,a2,t1；
柱钢材选用Q345钢，柱高度为hc，梁截面高度h’，梁长为L；根据材料属性知弹性模量E，通过计算可得截面惯性矩I。
S2、确定节点设计荷载，柱底剪力通过在基础预埋抗剪键来实现抵抗，抗剪键仅约束柱脚水平侧移。
考虑在小震作用下进行结构的弹性效应的计算，再通过荷载效应组合得到各节点所需的设计内力。钢柱在小震作用下柱底最大弯矩M，梁柱节点梁端最大弯矩Mt，柱轴力N；
S3、在进行自复位节点的设计时，先确定该节点的性能目标，根据我国现行抗震规范中的性能化设计要求确定柱底各锚杆所需施加的预压力F0以使得柱脚翼缘不与地基分离、梁柱节点所需施加的预压力F0’以使梁翼缘不与柱侧壁分离；
由前内力计算已知小震作用下柱底弯矩M，要使得柱脚不发生抬升，即预压力与轴力对柱脚转动点产生的弯矩值需大于小震作用下柱底弯矩M，即：
N×0.5h+M0≥M；
已知小震作用下柱底弯矩M，要使得柱脚不发生抬升，即预压力与轴力对柱边缘产生的弯矩值需大于小震作用下柱底弯矩M，计算简图如图6，即：
式中：t为截面钢板厚度，h为柱截面高度，d1、d2、d3与轴力皆已知，故可求出每根锚杆最小预压力F0。
根据F0确定第一碟簧组所需碟簧片数以及组合形式，确定碟簧组轴向刚度KS；
已知小震作用下梁柱节点处弯矩Mt，要使梁柱节点保持闭合，即预压力对梁翼缘产生的弯矩值需大于小震作用下柱顶弯矩Mt，计算简图如图7，即
式中：t1为梁翼缘板厚度，a1、a2皆为已知，故可求出每根锚杆最小预压力F0’；
根据F0’确定第二碟簧组所需碟簧片数以及组合形式，确定碟簧组轴向刚度KS’。
S4、根据我国现行建筑抗震设计规范确定大震时层间位移角限值θ并由此求出层间侧移限值Δ；
转角很小时tanx＝x，故Δ/hc＝θ，hc为柱高度，与θ均为已知，故可求得：层间侧移限值Δ＝hc×θ；
S5、通过计算得出柱顶与柱底的转动刚度K1、K2；
计算简图如图8；
碟簧组引起B端转动刚度：
柱线刚度i1＝EI/hc
上部柱线刚度i2，梁线刚度i3；
碟簧组引起A端转动刚度：
K1’＝ks'[a1 2+(a1+a2)2+(a1+2a2)2]
相邻梁柱引起A端转动刚度K1”＝3.5i2；
A点提供给B点转动刚度K2”＝αi1；
两端有转动约束杆抗侧刚度求法如下:
两端转动刚度为K1、K2，杆长l，线刚度i；
柱顶抗侧刚度D＝∑Dj
K2’传递给柱顶的转动刚度K1”’：
K1’传递给柱底的转动刚度K2”’：
综上：
K1＝K1’+K1”+K1”’
K2＝K2’+K2”+K2”’
S6、根据力法或位移法求出柱顶与柱底大震时的转角位移限值θ1、θ2；已知柱两端转动刚度K1、K2，柱顶水平侧移Δ，柱身线刚度i 1；
图9为计算简图，列力法方程：
X1、X2为柱端弯矩，方向为逆时针；
其中δ11＝δ22＝1/(3i)，δ12＝δ21＝-1/(6i)；
联立方程组解得柱顶弯矩值X1、柱底弯矩值X2；
θ1＝X1/K1，θ2＝X2/K2
辅以位移法验算结果：
得出结果一致，解得大震时柱顶与柱底转角位移限值θ1、θ2。
S7、大震作用下碟形弹簧提供的弯矩承载力占整个截面抗弯能力的比例为则C型消能钢板提供的弯矩承载力比例为/>可求得消能钢板需提供的弯矩承载力Mb以此来对消能钢板进行截面尺寸设计。
层间位移角达1/50时碟簧提供弯矩承载力Ms，消能钢板提供弯矩承载力Mh：
又Mh＝fyAd，
d为消能钢板轴力方向至节点转动点垂直距离，可初步确定消能钢板截面尺寸。
令层间位移角达1/50时碟簧压缩位移L＝θh，h为该碟簧组施加轴力至节点转动中心的垂直距离，故可求得碟簧组压缩后的轴力Fy＝F0+KSL，各碟簧组轴力对转动中心取矩可得：/>
Ms＝θ1KS(3a1 2+5a2 2+6a1a2)
Mh＝fyAd’
可求得消能钢板截面面积A，消能钢板厚度不可超过梁翼缘厚度，宽度宜与梁翼缘一致。
S8、根据柱轴力、层间水平力、锚杆预压力、碟簧变形产生力以及转角位移限值确定大震下柱底容许弯矩Md以及梁柱节点容许弯矩Md’；
根据大震作用时柱底转角θ2可分别求得柱底产生转角θ2时预压力产生的弯矩Mp、轴力产生的弯矩Ma以及碟簧组变形增加弯矩ΔM，三者相加即可得到大震作用下柱底的容许弯矩Md；
hm为悬挑板与地面的垂直距离，如图6中标注所示；
Md＝Mp+Ma+ΔM；
根据大震作用时柱顶转角θ1可分别求得柱顶产生转角θ1时预压力产生的弯矩Mp’、消能钢板屈服产生弯矩Mb以及碟簧组变形增加弯矩ΔM’，三者相加即可得到大震作用下柱顶的容许弯矩Md’。
Mb＝fyAd’
式中：fy为消能钢板屈服强度，A为消能段截面面积，d’为消能截面中心到转动点垂直距离；
Md’＝Mp’+ΔM’+Mb
S9、根据柱底及柱顶转角位移限值求出各自达到转角位移限值时各锚杆轴力Fy、Fy’；
根据柱底转角位移可求得第一碟簧组碟簧轴向变形δy，进而可求出碟簧轴向变形产生的轴力，与碟簧初始施加的预压力相加即可得到各拉杆轴力Fy，受力分析如附图10：
根据柱顶转角位移可求得第二碟簧组碟簧轴向变形δy’，进而可求出碟簧轴向变形产生的轴力，与碟簧初始施加的预压力相加即可得到各锚杆轴力Fy’，受力分析如附图11：
S10、对转动点取矩求出达到转角位移限值时梁柱轴力并通过平衡条件求出各节点翼缘局部压力；
柱底转动点：
解得大震作用下转角位移达到θ2时柱身的轴向压力P；
因此Fc＝Fy1+Fy2+Fy3+P-Fy4
梁柱转动点：
框架侧移刚度已知，根据层间水平位移可求得层间水平力，对梁柱转动点取矩求出达到转角位移限值θ1时等效梁轴力P’，并通过平衡条件求出梁翼缘局部压力Fc’；如附图10、附图11：
F＝Δ×D；
解得大震作用下转角位移达到θ1时梁的等效梁轴力P’；
因此Fc’＝Fy1’+Fy2’+Fy3’+F+P’
S11、进行强度验算、稳定性验算以及局部承压验算。
1、柱脚节点部分：
(1)确保高强锚杆不会屈服：
验算离转动点最远端锚杆,该锚杆轴力为
/>
锚杆自身屈服应力σpt.y，高强锚杆最小截面面积
当高强锚杆截面面积A≥Ay时，满足要求。
(2)根据拉弯和压弯构件的强度验算公式验算强度：
柱截面面积A为已知；
截面塑性发展系数γx和对x轴的净截面模量ωnx可查表或计算求得；P已知，故可求得σ，
当时，柱脚强度验算满足要求。
(3)平面内稳定验算：
由于柱脚底部发生转动与地基梁分离，故假定柱的两端为铰接，则μ＝1.0
当/>满足要求，其中[λ]＝150。
b类截面，计算系数查规范可得/>
由端弯矩和横向荷载作用且产生反向曲率，βmx＝0.85，
当时，满足要求。
(4)局部稳定验算：
当时，满足要求。
(5)柱底局部承压：
当时，满足要求，其中Afn＝th为局部接触面积
2、梁柱节点部分：
(1)首先确保高强拉杆不会屈服：
验算离转动点最远端拉杆,该拉杆轴力为
拉杆自身屈服应力σpt.y，高强拉杆最小截面面积
当高强拉杆截面面积A≥Ay时，满足要求。
(2)验算自复位梁截面：
塑性弯矩Mn＝FyWx，Fy为屈服应力，Wx为塑性截面模量
梁端弯矩Md’可由计算求得：
当 Md’≤Mn时，满足要求。
(3)根据拉弯和压弯构件的强度验算公式验算强度：
由于梁截面参数已知，故可求得梁截面面积A’，对x轴的净截面模量ωnx，截面塑性发展系数γx可查表得到；
当时，满足要求。
(4)验算受压翼缘局部稳定：
压弯构件受压翼缘的临界弹性屈曲力
式中：kp为弹性屈曲系数，μ为泊松比，h0/tw为受压翼缘高厚比，Fcr为受压翼缘的临界弹性屈曲力，当受压翼缘板最大压力Fb≤Fcr时，满足要求。
3、自复位检查:
若设计值大于等于0.5，即Mprs/Mp≥0.5，根据规范可以确保截面满足自复位的要求。若/>设计值小于0.5，则需要保证节点在开合零界点时满足Mprs≥Mat+Mac；
Mprs—1/50位移角时碟形弹簧提供弯矩承载力；
Mat—受拉端消能钢板提供弯矩承载力；
Mac—受压端消能钢板提供弯矩承载力；
当上述验算结果全部满足要求时，即完成了自复位钢框架抗侧力体系的节点设计；当不能满足要求时，则需调整同时减小C型耗能钢板截面或增大碟簧预应力，重复计算直至满足自复位要求。
本发明提供的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，本方法在满足小震要求的基础上，进行大震作用下的承载力，稳定性等验算，计算方法简单可行，可确保得出较为准确的结果，具有很好的推广应用价值。采用本方法设计的钢框架抗侧力体系，具有抗侧力、自复位和耗能能力强等特点，本发明概念清晰、施工方便、造价合理，将广泛应用于高层、超高层建筑结构中。主体结构竖向荷载主要由碟形弹簧提供的预压力承担；有别于传统耗能角钢既承担抗剪又兼顾耗能用途，C型消能钢板受力易变形，不提升承载力抗剪力，方便主体结构受力计算。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定钢框架各部件的尺寸参数以及材料特性；
步骤二：确定节点设计荷载；
步骤三：确定节点的性能目标；
步骤四：确定罕遇地震作用下层间位移角限值θ并计算层间侧移限值Δ；
步骤五：计算梁柱节点和柱脚节点的转动刚度；
步骤六：根据力法或位移法计算梁柱节点与柱脚节点转角位移限值；
步骤七：设计C型消能钢板的截面尺寸；
步骤八：计算罕遇地震作用下柱底容许弯矩及梁柱节点容许弯矩；
步骤九：计算达到转角位移限值时锚杆轴力；
步骤十：计算达到转角位移限值时梁柱轴力及各翼缘局部压力；
步骤十一：进行强度验算、稳定性验算和局部承压验算；
步骤十二：自复位能力验算。
2.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，在步骤一中，钢框架各部件尺寸参数包括钢柱及钢梁的截面尺寸及高度，材料性能包括钢材截面惯性矩I、弹性模量E和屈服强度fy。
3.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，在步骤三中，节点性能目标包括锚杆施加的预压力和梁柱节点施加的预压力。
4.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，在步骤六中，计算梁柱节点和柱脚节点转角位移限值基于步骤五梁柱节点和柱脚节点转动刚度。
5.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，在步骤七中，碟形弹簧提供的弯矩承载力占整个截面抗弯能力的比例为C型消能钢板提供的弯矩承载力比例为/>由此设计C型消能钢板截面尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，在步骤八中，根据柱轴力、层间水平力、锚杆预压力、碟簧变形产生力以及转角位移限值计算柱底容许弯矩及梁柱节点容许弯矩。
7.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，在步骤九中，根据转角位移限值计算罕遇地震作用下各节点锚杆轴力。
8.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，在步骤十中，通过对转动点取矩求出达到转角位移限值时梁柱等效轴力，并通过平衡条件求出各翼缘局部压力。
9.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，在步骤十一中，若各验算满足要求即可进行自复位能力验算。
10.根据权利要求1所述的一种自复位钢框架抗侧力体系的节点设计方法，其特征在于，在步骤十二中，若不能满足要求，则需通过调整减小C型消能钢板截面尺寸或增大碟簧预应力，重复计算直至满足自复位要求。
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