CN116876694A - 一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构及装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑防震减灾技术领域，具体为一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构及施工方法，通过在第一板端钢板和第二板端钢板的背侧设置外延部，能够连接用来固定梁内纵向受力钢筋的内螺纹套筒，使得第一板端钢板和第二板端钢板上端或下端之间SMA棒的数量和梁内纵筋的数量不必一致，可根据实际情况机动布置；第一板端钢板和第二板端钢板之间设置连接组件，极大地提高了耗能构件中连接系统的紧密性和安装、拆卸的便捷性；第一板端钢板和第二板端钢板之间设置耗能组件提高了整体耗能构件的耗能能力即抗震能力。
Description
技术领域
本发明涉及建筑防震减灾技术领域，具体为一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构及施工方法。
背景技术
为加快更新建筑节能、市政基础设施等标准，提高节能降碳要求、推广绿色低碳建材和绿色建造方式、加快推进新型建筑工业化、大力发展装配式建筑的要求，装配式建筑成为建筑行业热点，迎来了新的发展机遇。它是一种环保、节能且可持续发展的建筑方式，具有颇多优势，例如节约能源、减少污染、施工简单、工期短、整体性能好、耗能低、质量好等。连接装配式建筑预制梁和柱的节点，是地震作用下结构损伤的多发部位。节点设计是抗震设计的关键环节，它关乎整体安全。薄弱的节点区使其在抗震性能和整体性能方面都表现较差，将直接导致整个装配式建筑易于受损。因此，装配式建筑的节点设计尤为重要。
现有的装配式节点连接性能差、抗震性能有待提高，需在节点处安装人工塑性铰作为耗能系统，以提高装配式建筑的抗震性能。建筑震后修复工作十分繁重，梁、柱、剪力墙等构件常常发生不可逆的破坏，尤其是使用普通人工可控塑性铰节点的梁柱节点处，其变形不能复位。为提高建筑物可修复性和延长建筑的使用寿命，需设计一种高效能的节点，使得装配式建筑能够在地震作用下实现建筑的可修复性和提高自复位性。
现有装配式建筑常通过张拉预应力筋来得到更高强度的结构，并利用预应力筋的反拱度来抵消一部分结构变形，进而提高结构抗震性能；故预应力筋具有一定的自复位功能。但其施工过程较为复杂，对质量要求高，预应力反拱度不易控制，节点组装复杂；实际工程中，采用此方法的梁柱节点损伤部位修复困难。
安装传统耗能装置的装配式梁柱节点，加载进入到中后期往往表现出延性不足的特点，不能持续耗能，且其自复位能力有待提高。节点为半刚性节点，与铰接及刚接节点存在较大差异，难以保证“强节点弱构件”的抗震设计要求；实际工程中，采用此方法的梁柱节点耗能装置更换困难，操作复杂。
传统耗能塑性铰构件结构复杂，保证相关构件之间的紧密连接给本就复杂的安装步骤带来了挑战；地震作用下，以钢板为主要耗能构件的塑性铰消耗一定的地震能量后，耗能钢板将发生扭转、屈曲等破坏，破坏后更换耗能部件操作复杂，且更换困难；传统耗能系统不具自复位功能，震后不能够及时帮助梁、柱恢复原来的位置，裂隙发展加重了结构的不安全性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构及装配方法，以解决现有技术中对装配式建筑的节点组装复杂、可修复性以及自复位性低的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，包括两组耗能组件和板体连接组件，所述板体连接组件包括连接组件、第一板端钢板和第二板端钢板；所述第一板端钢板和第二板端钢板竖直相对放置，两组耗能组件分别水平设置在第一板端钢板和第二板端钢板的上端部和下端部之间，所述连接组件设置在第一板端钢板和第二板端钢板的中部之间，所述第一板端钢板和第二板端钢板的背侧分别设有外延部，用于装配梁筋组件。
优选的，耗能组件包括若干根水平设置耗能棒，所述耗能棒的两端分别套设钢套筒，所述耗能棒通过钢套筒分别贯穿在第一板端钢板和第二板端钢板的上端部或下端部之间，并通过螺栓螺纹连接在钢套筒上固定。
进一步的，若干根耗能棒的长度相等，且耗能棒的材质为形状记忆合金材料。
优选的，连接组件包括第一耳板组、第二耳板组和销轴；所述第一耳板组设置在第一板端钢板上，所述第二耳板组设置在第二板端钢板上，所述第一耳板组和第二耳板组上均设有销轴孔，第一耳板组和第二耳板组交插后，使得第一耳板组和第二耳板组的销轴孔同轴设置，所述销轴设置在第一耳板组和第二耳板组的销轴孔内。
优选的，第一耳板组包括两块耳板，两块耳板的一端固定在第一板端钢板上，两块耳板上分别同轴设置销轴孔，用于与第二耳板组交插后插入销轴。
优选的，第二耳板组包括两块耳板，两块耳板的一端固定在第二板端钢板上，两块耳板上分别同轴设置销轴孔，用于与第一耳板组交插后插入销轴。
优选的，第一板端钢板的外延部包括第一L形外延板和第二L形外延板，所述第一L形外延板和第二L形外延板设置在第一板端钢板背侧上端部和下端部，第一L形外延板和第二L形外延板在第一板端钢板背侧呈相反方向设置，所述第一L形外延板和第二L形外延板上分别水平设置第一梁筋组。
优选的，第二板端钢板的外延部包括第三L形外延板和第四L形外延板；所述第三L形外延板和第四L形外延板设置在第二板端钢板背侧上端部和下端部，第三L形外延板和第四L形外延板在第二板端钢板背侧呈相反方向设置，所述第三L形外延板和第四L形外延板上分别水平设置第二梁筋组。
优选的，第一板端钢板的中部背侧水平设置第一锚固筋，所述第一锚固筋插入第一板端钢板后通过第一高强螺栓组固定设置，所述第二板端钢板的中部背侧水平设置第二锚固筋，所述第二锚固筋插入第二板端钢板后通过第二高强螺栓组固定设置。
一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构的装配方法，基于上述所述的装配式自复位人工可控塑性铰节点结构，包括如下步骤：
步骤1，将预制混凝土柱和预制混凝土梁分别与第一板端钢板和第二板端钢板连接，梁筋分别连接在第一板端钢板和第二板端钢板的外延部预留的内螺纹套筒内，预制混凝土柱和预制混凝土梁里预埋的锚固钢筋分别连接在第一板端钢板和第二板端钢板的中部背侧，并分别通过第一高强螺栓组和第二高强螺栓组固定；
步骤2，连接组件通过电弧焊连接在第一板端钢板和第二板端钢板的中部，其中连接组件为第一耳板组和第二耳板组，第一耳板组焊接在第一板端钢板上，所述第二耳板组焊接在第二板端钢板上，焊接过程中保持第一耳板组和第二耳板组交错平行且确保销轴能够有效通过第一耳板组和第二耳板组上的销轴孔，然后对第一耳板组和第二耳板组以及第一板端钢板和第二板端钢板做防锈处理；
步骤3，将销轴插入第一耳板组和第二耳板组上的销轴孔内，并通过高强螺栓固定；
步骤4，耗能棒通过钢套筒分别贯穿在第一板端钢板和第二板端钢板的上端部或下端部之间，并通过螺栓螺纹连接在钢套筒上固定，完成装配式自复位人工可控塑性铰节点结构的装配。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构，通过在第一板端钢板和第二板端钢板的背侧设置外延部，能够连接用来固定梁内纵向受力钢筋的内螺纹套筒，使得第一板端钢板和第二板端钢板上端或下端之间SMA棒的数量和梁内纵筋的数量不必一致，可根据实际情况机动布置；第一板端钢板和第二板端钢板之间设置连接组件，极大地提高了耗能构件中连接系统的紧密性和安装、拆卸的便捷性；第一板端钢板和第二板端钢板之间设置耗能组件提高了整体耗能构件的耗能能力即抗震能力，本发明中连接组件和耗能组件是独立控制的，连接组件承担剪力，耗能组件承担弯矩。其抗弯能力可以通过控制耗能组件的尺寸、形状、数量等参数进行提升，抗剪能力可以通过控制连接组件的材料特性进行提升，同时在耗能组件之间填充一些防火的缓冲材料也能抑制耗能棒的局部屈曲和变形，提高结构的塑性能力。
进一步的，耗能组件包括若干根水平设置耗能棒，耗能棒的两端分别套设钢套筒，耗能棒通过钢套筒分别贯穿在第一板端钢板和第二板端钢板的上端部或下端部之间，并通过螺栓螺纹连接在钢套筒上固定，耗能组件由耗能薄钢板改为用形状记忆合金材料(SMA)制得的耗能棒，提高了整体耗能构件的耗能能力即抗震能力，该耗能组件具备良好的延性和阻尼能力，滞回性能更好，承载力更高，比使用传统钢材材料具有优势：相较于传统的Q235B钢材和Q345B钢材，SMA材料的节点的残余变形控制在2％以内。耗散的震动能量有所降低，但可持续耗能。SMA材料的形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼效应，使得整个节点在地震作用后能够自动恢复到原始位置，实现耗能棒的循环使用，提高了结构的性能和使用时间，有效减少了震后修复工作和安装拆卸的经济成本和人工成本。即便是多次使用后耗能棒被破坏，也能实现人工拆卸，安装新的耗能棒进行工作，与传统耗能系统相比仍具有巨大优势。
进一步的，连接组件包括第一耳板组、第二耳板组和销轴，第一耳板组和第二耳板组包括两块耳板，采用了四块耳板直接交叉叠放并用销轴连接的方式，构件制作简单，极大地提高了耗能构件中连接系统的紧密性和安装、拆卸的便捷性。
进一步的，第一板端钢板和第二板端钢板的外延部为L形外延板，相对于混凝土直接与板端接触，混凝土部分深入两L形外延板中部的空腔增加了节点整体性，提高节点的抗震能力，增加L形外延板使得该自复位人工可控塑性铰的安装更加方便，便于施工。
本发明还提供了一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构的装配方法，通过在两组耗能组件分别水平设置在第一板端钢板和第二板端钢板的上端部和下端部之间，连接组件设置在第一板端钢板和第二板端钢板的中部之间，第一板端钢板和第二板端钢板的背侧分别设有外延部，操作简单、便于安装与拆卸、构件简单、转动能力突出、构件分工明确、造价成本低等特点突出，且具备高阻尼性、自复位性、高塑性、优异的整体性能和抗震性能等等，有利于推动装配式建筑工业化发展。
附图说明
图1为本发明中装配式自复位人工可控塑性铰节点结构连接示意图；
图2为本发明中装配式自复位人工可控塑性铰节点结构示意图；
图3为本发明中装配式自复位人工可控塑性铰节点结构局部拆分图；
图4为本发明中装配式自复位人工可控塑性铰节点结构局部拆分主视图；
图5为本发明中装配式自复位人工可控塑性铰节点结构正视图；
图6为本发明中耳板结构示意图；
图7为本发明中装配式自复位人工可控塑性铰节点结构尺寸图；
图8为本发明中装配式自复位人工可控塑性框架铰节点等效弹簧模型以及简化模型示意图；
图9为本发明中装配式自复位人工可控塑性铰滞回曲线图；
图10为本发明中装配式自复位人工可控塑性铰连接梁柱钢筋应力应变云图；
图11为本发明中SACPH耗能棒在位移80mm的应力应变云图；
图12为本发明中SACPH板端钢板在位移80mm的应力应变云图。
图中：1为耗能组件；2为连接组件；3为第一板端钢板；4为第一L形外延板；5为第二L形外延板；6为第一梁筋组；7为第一锚固筋组；8为第二板端钢板；9为第三L形外延板；10为第四L形外延板；11为第二梁筋组；12为第二锚固筋组；13为第一高强螺栓组；14为第二高强螺栓组；15为第一钢套筒组；16为第二钢套筒组；1-1为耗能棒；1-2为钢套筒；2-1为第一耳板组；2-2为第二耳板组；2-3为销轴。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明的目的在于提供一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构及装配方法，以解决现有技术中对装配式建筑的节点组装复杂、可修复性以及自复位性低的技术问题。
参见图1和图2，本发明提供了一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，包括两组耗能组件1和板体连接组件，所述板体连接组件包括连接组件2、第一板端钢板3和第二板端钢板8；所述第一板端钢板3和第二板端钢板8竖直相对放置，两组耗能组件分别水平设置在第一板端钢板3和第二板端钢板8的上端部和下端部之间，所述连接组件2设置在第一板端钢板3和第二板端钢板8的中部之间，所述第一板端钢板3和第二板端钢板8的背侧分别设有外延部，用于装配梁筋组件。
具体的，耗能组件包括若干根水平设置耗能棒1-1，所述耗能棒1-1的两端分别套设钢套筒1-2，所述耗能棒1-1通过钢套筒1-2分别贯穿在第一板端钢板3和第二板端钢板8的上端部或下端部之间，并通过螺栓螺纹连接在钢套筒1-2上固定；其中，若干根耗能棒1-1的长度相等，且耗能棒1-1的材质为形状记忆合金材料。
具体的，连接组件2包括第一耳板组2-1、第二耳板组2-2和销轴2-3；所述第一耳板组2-1设置在第一板端钢板3上，所述第二耳板组2-2设置在第二板端钢板8上，所述第一耳板组2-1和第二耳板组2-2上均设有销轴孔，第一耳板组2-1和第二耳板组2-2交插后，使得第一耳板组2-1和第二耳板组2-2的销轴孔同轴设置，所述销轴2-3设置在第一耳板组2-1和第二耳板组2-2的销轴孔内。
其中，第一耳板组2-1包括两块耳板，两块耳板的一端固定在第一板端钢板3上，两块耳板上分别同轴设置销轴孔，用于与第二耳板组2-2交插后插入销轴2-3。第二耳板组2-2包括两块耳板，两块耳板的一端固定在第二板端钢板8上，两块耳板上分别同轴设置销轴孔，用于与第一耳板组2-1交插后插入销轴2-3。
具体的，第一板端钢板3的外延部包括第一L形外延板4和第二L形外延板5，所述第一L形外延板4和第二L形外延板5设置在第一板端钢板3背侧上端部和下端部，第一L形外延板4和第二L形外延板5在第一板端钢板3背侧呈相反方向设置，所述第一L形外延板4和第二L形外延板5上分别水平设置第一梁筋组6。
具体的，第二板端钢板8的外延部包括第三L形外延板9和第四L形外延板10；所述第三L形外延板9和第四L形外延板10设置在第二板端钢板8背侧上端部和下端部，第三L形外延板9和第四L形外延板10在第二板端钢板8背侧呈相反方向设置，所述第三L形外延板9和第四L形外延板10上分别水平设置第二梁筋组11。
本发明中第一板端钢板3的中部背侧水平设置第一锚固筋7，所述第一锚固筋7插入第一板端钢板3后通过第一高强螺栓组13固定设置，所述第二板端钢板8的中部背侧水平设置第二锚固筋12，所述第二锚固筋12插入第二板端钢板8后通过第二高强螺栓组14固定设置。
本发明利用梁内纵向受力钢筋与梁内锚固筋将第一板端钢板3和第二板端钢板8分别与预制柱子结构梁、预制梁连接。梁内钢筋(纵向受力钢筋和锚固筋)混凝土保护层厚度根据具体情况查规范确定。预埋的锚固筋为HRB400钢筋，框架抗震等级为一、二级，锚筋锚固长度大于等于锚筋直径的41倍，框架抗震等级为三级，锚筋的锚固长度大于等于锚筋直径的37倍，锚筋延伸至右端板外部分刻丝，刻丝长度应大于等于40mm。第一锚固筋组7通过第一高强螺栓组13连接在第一板端钢板3中部预留的螺栓孔内，第二锚固筋组12通过第二高强螺栓组14连接在第二板端钢板8中部预留的螺栓孔内，第一高强螺栓组13和第二高强螺栓组14连接方式确保节点第一板端钢板3和第二板端钢板8稳固的分别连接在预制钢筋混凝土横梁柱子结构梁端和预制钢筋混凝土横梁端，更好地满足节点核心区域强度相关要求，这种干法连接方式有效减少了现场安装的工作量，有利于提高装配式建筑的装配效率。
本发明利用内螺纹钢套筒将梁内纵向受力钢筋、耗能棒固定到第一板端钢板3和第二板端钢板8预留的内螺纹钢套筒预留孔上。内螺纹钢套筒内径与对应钢筋直径、耗能棒直径相同，螺纹间距为1mm的细牙纹，故螺纹外径比耗能棒直径多2mm，钢套筒外径为钢筋直径、螺纹厚度、钢套筒筒壁厚度之和。将六根内螺纹钢套筒均分为两组，一组以点焊方式焊接在第一板端钢板3上端连接子结构梁右端的纵向受力钢筋处，另一组同样方式焊接在第一板端钢板3下端连接子结构梁右端的纵向受力钢筋处，焊缝质量等级大于等于二级。第二板端钢板8同理。用到的螺栓均为10.9级高强度六角螺纹螺栓。
本发明中第一板端钢板3和第二板端钢板8采用Q345B钢，第一板端钢板3和第二板端钢板8厚应不低于锚固钢筋直径的60％，且不低于锚固钢筋间距的0.125倍。第一板端钢板3和第二板端钢板8的长度、宽度与预制钢筋混凝土柱子结构梁和预制钢筋混凝土横梁的截面尺寸一致，预留孔孔径比锚筋的直径大1～1.5mm。第一板端钢板3和第二板端钢板8的上下部分的L形外延部分，于与耳板大致平齐处，如图4和图5所示，以点焊方式焊接，焊缝质量等级大于等于二级。L形外延部分，水平向与垂直向的尺寸相同，即长度皆为从耳板水平边缘到梁或左板端同侧边缘的长度，整个L形外延部分的尺寸由此确定。
本发明中利用第一耳板组2-1、第二耳板组2-2和销轴2-3将第一板端钢板3和第二板端钢板8连接到一起。第一耳板组2-1和第二耳板组2-2采用Q345B钢。第一耳板组2-1和第二耳板组2-2建议尺寸如下：耳板厚应不低于锚固钢筋直径的60％，且不低于锚固钢筋间距的0.125倍，销轴孔直径为d0,孔径边缘距上下板缘0.75d0，耳板总高2.5d0；耳板圆弧部分半径为1.3d0，圆弧圆心距孔径圆心0.3d0，孔径圆心到耳圆弧端最远距离为1.6d0。第一耳板组2-1和第二耳板组2-2以及第一板端钢板3和第二板端钢板8连接采用电弧焊的连接方式，焊缝质量等级大于等于二级。耳板和第一板端钢板3和第二板端钢板8焊接后分别安装到预制钢筋混凝土横梁柱子结构梁端和预制钢筋混凝土横梁端，再做防锈处理。四块耳板均分为两组分别焊接在第一板端钢板3和第二板端钢板8上，每组耳板内部间距比耳板厚度多1～1.5mm。两组耳板位置前后交错，使得其中一组耳板中的一块，恰好能穿插入对面两块耳板之间。
具体的，第一耳板组2-1、第二耳板组2-2通过销轴2-3进行连接形成可转动的连接系统，销轴2-3的长度是其直径的两倍以上，销轴的直径与耳孔孔径之间的间隙为1～1.5mm。第一板端钢板3和第二板端钢板8传递的剪力和轴力主要由轴销承担，为避免导致因局部强度不够而造成结构损伤，要求其抗剪承载力大于混凝土的承载力。
本发明中销轴设计过程，及该新型的装配式自复位人工可控塑性铰梁柱节点(SACPH)的抗剪承载力计算公式如下所示：
取t≥te，
d0≤2.5t (2)
取d≥d0。
F＝fy·A (3)
轴销的最大剪应力为：
所以，轴销的许用应力为，
其中，te为耳板的最小界限厚度；t为耳板的设计厚度；γM0为截面抵抗系数，一般取1.0；fy为耳板的屈服强度；d0为轴销孔的最小界限直径；Fs为剪切作用下的集中荷载；τ为轴销的最大剪应力；F为连接系统上承受的外力；A为轴销的截面面积；d为轴销的设计直径；σe,VonMises为轴销的许用应力；σ为轴销的正应力；σy为轴销的屈服强度；η为安全系数，取1.0。
耗能组件承担弯矩，由左右对称的六根镍钛形状记忆合金材料(SMA)耗能棒组成。六根耗能棒尺寸完全一致。直径取值范围为18～22mm，长度取值范围为200～250mm。三根为一组，第一板端钢板3和第二板端钢板8上下方各一组。耗能棒的两端均刻有螺纹，通过内螺纹钢套筒与第一板端钢板3和第二板端钢板8进行连接。
其节点的尺寸如图7所示。由有限元模拟结果图9-11可知，由于节点是上下对称的，SACPH节点在极限状态下，节点的转动中心为轴销的圆心，受压一侧的耗能杆将会发生受压屈曲，从而使得受压侧的SMA棒发生马氏体的逆相变，导致受压的耗能棒的承载力低于受拉侧的耗能棒。此外，考虑到抗弯承载力等于作用力乘以力臂的定量关系，由分析可知，受压侧SMA棒的力臂明显小于受拉一侧的SMA棒，所以给出SACPH节点在极限状态下的极限承载力公式忽略了受压一侧SMA棒的影响，其抗弯极限承载力公式如下所示：
Mu＝nσsAh1 (8)
其中，Mu为受拉一侧SMA杆的极限抗弯承载力；n为受拉一侧SMA杆的杆数；σs为受拉一侧SMA杆的计算应力；A为受拉一侧SMA杆的截面面积；h1为受拉一侧SMA杆与受压一侧SMA杆轴心之间的间距；h2为耳板翼缘的间距。
梁端荷载值为：
其中，Lq为销轴中心与加载位置距离。
该新型的装配式自复位人工可控
塑性铰梁柱节点(SACPH)的位移计算过程如下所示：
节点的转动刚度K为：
其中：M为作用在SACPH节点上的弯矩；θ为SACPH节点在弯矩M作用下的转角。
由弯矩与等效力之间的关系可以得到外力F的表达式：
其中，Hs为SACPH节点的高度；Hh为耗能棒的高度,F′为单个耗能棒的承载力。
根据图8所示，由弹簧的胡克定律F＝kx可知，SACPH节点的总转动刚度和各组件的等效弹簧刚度为：
其中，H4为下部耗能棒高度；KS为SACPH节点刚度；K2为单个螺栓刚度；K3为单个板端钢板刚度；K4为单个耗能棒刚度。
螺栓的变形量由螺栓的伸长量和螺栓的间隙组成：
根据欧洲规范Eurocode 3中对钢节点的基本假设，节点在等效力作用下可视为上部耗能棒受拉、下部耗能棒受压，受拉部分的变形量由螺栓钢套筒(K2)、板端钢板(K3)、耗能棒(K4)组成，受压部分的变形仅考虑耗能棒。由于内侧板端受螺栓钢套筒的约束，而外侧板端仅受约束一侧的螺栓钢套筒，故受拉部分的板端钢板的形变为内、外侧板端变形量的平均值，即δ3。
其中，δO3为外侧板端产生的变形量；δI3为内侧板端产生的变形量；δ3为单个板端钢板在弯矩M作用下产生的变形量。
SMA棒的变形量为：
则节点SACPH节点的变形量为：
δ＝δ2+δ3+δ4 (22)
则可以计算出梁端位移为：
节点在弯矩作用下的转角为：
其中：H2为螺栓钢套筒的高度；H4为下方耗能棒的高度；δ2为螺栓钢套筒在弯矩M作用下产生的变形量；δ3为单个板端钢板在弯矩M作用下产生的变形量；δ4为单个耗能棒在弯矩M作用下产生的变形量。
实施例
根据图1所示，本实施例提供了一种装配式自复位人工可控塑性铰，由板体连接组件和两组耗能组件1组成。板体连接组件承担剪力，两组耗能组件1承担弯矩。
根据图3、图4和图5所示，该种装配式自复位人工可控塑性铰，板体连接组件包括第一耳板组2-1、第二耳板组2-2、第一板端钢板3和第二板端钢板8，24个内螺纹钢套筒：分为两类，连接耗能棒与板端的内螺纹钢套筒1-2和连接梁纵筋与板端的第一钢套筒组15和第二钢套筒组16，每类均分为两组。连接第一板端钢板3和第二板端钢板8与耗能棒的内螺纹钢套筒共12个。另外12个内螺纹钢套筒，3个用于连接预制柱子结构梁内的上端纵向受力筋与第一板端钢板3，3个用于连接预制柱子结构梁内的下端纵向受力筋与第一板端钢板3，3个用于连接预制梁内的上端纵向受力筋与第二板端钢板8，3个用于连接预制梁内的下端纵向受力筋与第二板端钢板8。
根据图2和图3所示，锚固筋共8根，它们四根为一组，第一锚固筋组6-2、第二锚固筋组11-2分别通过第一高强螺栓组13、第二高强螺栓组14连接于第一板端钢板3和第二板端钢板8中部预留的螺栓孔，每组高强螺栓有四个，共八个。
根据图3、图4和图5所示，该种装配式自复位人工可控塑性铰，耗能组件1包括6根SMA耗能棒1-1，它们三根为一组，第一板端钢板3和第二板端钢板8的上下方各一组。耗能棒1-1的两端均刻有螺纹，通过内螺纹钢套筒1-2连接到第一板端钢板3和第二板端钢板8上的内螺纹钢套筒预留孔处。
本发明提供的梁铰式装配式自复位摩擦节点的制作方法及耗能原理：
装配式节点的整体尺寸设计：
该装配式自复位人工可控塑性铰梁柱节点的基本构造为：柱截面尺寸为a mm×bmm，柱长为L1 mm，梁的截面尺寸为c mm×d mm，梁净长为L2 mm。节点净长为L3 mm，节点净宽(即板宽)为c mm，节点净高(即板高)为d mm。耗能棒长为L4 mm，其直径为D mm。
其中，a＝300mm，b＝300mm，L1＝1800mm，c＝180mm，d＝300mm，L2＝1500mm，L3＝290mm，L4＝250mm，D＝22mm。
如图3至图4，本发明所述节点各构件制作过程及选用如下。
第一板端钢板3和第二板端钢板8上固定梁内纵筋的内螺纹钢套筒预留孔所在的L形外延部份，长宽一致，皆为从耳板水平边缘到第一板端钢板3或第二板端钢板8同侧边缘的长度，见图1。L形外延部份于与耳板大致平齐处，以点焊方式焊接。
耗能棒长为L4 mm(200mm≤L4≤250mm)，其直径为D mm(18mm≤D≤22mm)。
内螺纹钢套筒长800mm，内径为D mm，螺纹外径为(D+2)mm，套筒外径为(D+2+套筒壁厚)mm(套筒壁厚一般选用为5mm)，螺纹间距为1mm的细牙纹，刻丝长度应大于等于40mm。
节点中用到的螺栓均为10.9级高强度六角螺纹螺栓。
梁内钢筋(纵向受力钢筋和锚固筋)采用HRB 400钢筋，刻丝长度为40mm，其混凝土保护层厚度查规范确定。一般地，锚固筋直径与纵向受力钢筋直径相同能够满足承载力需求和抗震要求。
根据图耳板建议尺寸如下：耳板厚应不低于锚固钢筋直径的60％，且不低于锚固钢筋间距的0.125倍，销轴孔直径为d0，孔径边缘距上下板缘0.75d0，耳板总高度为2.5d0；耳板圆弧部分半径为1.3d0，圆弧圆心距孔径圆心0.3d0，孔径圆心到耳圆弧端最远距离为1.6d0。
耳板厚度约为0.1倍板宽即0.1c mm，销轴直径利用式(1)、(2)计算确定。
如图2和图5所示，本发明所述装配式节点组装过程如下。
a.梁内纵向受力筋和预埋锚固筋的预处理：除锈打磨后进行刻丝，刻丝长度需要大于等于40mm。
b.第一板端钢板3和第二板端钢板8与预制混凝土梁、预制混凝土柱子结构梁梁内纵向受力筋和预埋锚固筋的连接：梁纵筋分别与第一板端钢板3和第二板端钢板8预留的第一钢套筒组15和第二钢套筒组16处进行连接，预埋的锚固筋通过第一高强螺栓组13和第二高强螺栓组14处进行连接。
c.第一板端钢板3和第二板端钢板8与耳板的连接：耳板和第一板端钢板3和第二板端钢板8的连接，采用电弧焊的连接方式，四块耳板均分为两组分别焊接在第一板端钢板3和第二板端钢板8上，焊接过程中保持两侧板端(即第一板端钢板3和第二板端钢板8)上的耳板平行且确保销轴能够有效通过耳板上的孔环，实现两块耳板的紧密连接。每组耳板内部间距比耳板厚度多1～1.5mm。两组耳板位置前后交错，使得其中一组耳板中的一块，恰好能穿插入对面两块耳板之间。耳板和第一板端钢板3和第二板端钢板8安装到预制混凝土柱子结构梁和预制混凝土横梁后做防锈处理。两组耳板通过销轴进行连接形成可转动的连接系统，销轴的直径与耳孔孔径之间的间隙为1～1.5mm。
d.耳板与耳板的连接：利用销轴2-3穿过相互交叉的第一耳板组2-1和第二耳板组2-2后，通过高强螺栓连接耳板。
e.第一板端钢板3和第二板端钢板8与耗能棒的连接：耗能棒先进行刻丝，刻丝长度大于等于40mm，之后分别通过预留的内螺纹钢套筒1-2与第一板端钢板3和第二板端钢板8的内螺纹钢套筒预留孔紧密连接在一起。
本发明所提供新型装配式自复位摩擦耗能节点的工作过程。
本发明的工作过程如下所示：
装配式自复位人工可控塑性铰节点能够承受剪力、轴力和弯矩的共同作用，连接系统中的轴销主要承担板端传递的剪力和轴力，耗能系统中对称的耗能棒主要承担板端传递的弯矩。耗能棒受力分析，杆端上侧受到挤压，杆端下侧受拉，在荷载作用下节点的受力状态始终保持对称状态。两个系统互不干涉，独立工作，实现性能人工可控的目的。
如图9-12所示，在承受荷载的初期阶段，试件未屈服，处于弹性阶段，骨架曲线的斜率最大，试件的初始刚度最大，能承受较大的承载力，试件的位移与荷载成正相关关系，能够较好的吸收地震作用的能量。由于材料的高阻尼效应，当加载到一定位移后，耗能棒才由奥氏体向马氏体的正向变发生转变，随着位移的增加，骨架的斜率开始慢慢变小，刚度降低，但承载力缓慢的提高，进入塑性耗能状态，直至试件耗能棒发生弯曲变形，耗能棒进入应变强化段，结构的抗弯刚度增加。SACPH构件能够承受较大的荷载，具备较好的抗震性能和滞回性能。
卸载时，SMA材料由马氏体向奥氏体的逆相变发生转变，节点的轴销发挥其优越的转动作用，方向发生转变，荷载值降低，节点位移减小，当预制柱继续发生侧移时，梁柱节点开始反向加载，由于耗能棒的超弹性效应和形状记忆效应，能够给梁柱节点提供一定的恢复力力，节点能够恢复至原始位置，随着加载幅值不断增加，节点产生的残余变形小于2％，有效控制了节点的残余变形，满足了装配式自复位人工可控塑性铰梁柱节点的自复位功能，能够在地震作用下实现多次重复使用。
高层等建筑结构或桥梁结构中正常使用状态，在风荷载、城市地铁震动荷载、桥梁上车辆荷载或小震作用下，亦可发挥作用，可迅速进入工作阶段，进行耗能，减小乃至消除建筑结构的受力后的残余变形。
本发明还提供了一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构的装配方法，基于上述所述的装配式自复位人工可控塑性铰节点结构，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将预制混凝土柱和预制混凝土梁分别与第一板端钢板3和第二板端钢板8连接，梁筋分别连接在第一板端钢板3和第二板端钢板8的外延部预留的内螺纹套筒内，预制混凝土柱和预制混凝土梁里预埋的锚固钢筋分别连接在第一板端钢板3和第二板端钢板8的中部背侧，并分别通过第一高强螺栓组13和第二高强螺栓组14固定；
步骤2，连接组件2通过电弧焊连接在第一板端钢板3和第二板端钢板8的中部，其中连接组件2为第一耳板组2-1和第二耳板组2-2，第一耳板组2-1焊接在第一板端钢板3上，所述第二耳板组2-2焊接在第二板端钢板8上，焊接过程中保持第一耳板组2-1和第二耳板组2-2交错平行且确保销轴2-3能够有效通过第一耳板组2-1和第二耳板组2-2上的销轴孔，然后对第一耳板组2-1和第二耳板组2-2以及第一板端钢板3和第二板端钢板8做防锈处理；
步骤3，将销轴2-3插入第一耳板组2-1和第二耳板组2-2上的销轴孔内，并通过高强螺栓固定；
步骤4，耗能棒1-1通过钢套筒1-2分别贯穿在第一板端钢板3和第二板端钢板8的上端部或下端部之间，并通过螺栓螺纹连接在钢套筒1-2上固定，完成装配式自复位人工可控塑性铰节点结构的装配。
综上所述，本发明提供了一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构及施工方法，布置该节点时应满足抗震设防要求，与传统塑性铰相比新增的L形外延部分，增加了节点整体性，在传力过程中能够比传统塑性铰多消耗一部分能量，进一步提高节点的抗震能力。耗能棒由于材料的高阻尼效应在地震作用下产生一定位移后进入塑性耗能状态，充分消耗地震产生的能量，但节点的其余部分均处于弹性阶段，预制梁出现少量裂纹，预制钢筋处于弹性状态，不发生屈服，待地震作用后耗能棒由于SMA材料的形状记忆效应和超弹性效应开始恢复至震前的状态，结构能够实现重复利用，减少更替构件的复杂工序。
该塑性铰在地震作用中能充分消耗地震能量，有效控制结构的残余变形，同时可将变形恢复到初始的位置，提高建筑物可修复性和延长建筑的使用寿命；通过该塑性铰能加强预制构件之间的连接，提高装配式建筑的抗震性能和整体性能，达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，有效减少减缓地震区域装配式建筑的损伤和灾害，进而减少经济损失，并促进装配式节点连接的发展。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，其特征在于，包括两组耗能组件(1)和板体连接组件，所述板体连接组件包括连接组件(2)、第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)；所述第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)竖直相对放置，两组耗能组件(1)分别水平设置在第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)的上端部和下端部之间，所述连接组件(2)设置在第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)的中部之间，所述第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)的背侧分别设有外延部，用于装配梁筋组件。
2.根据权利要求1所述的一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，其特征在于，所述耗能组件(1)包括若干根水平设置耗能棒(1-1)，所述耗能棒(1-1)的两端分别套设钢套筒(1-2)，所述耗能棒(1-1)通过钢套筒(1-2)分别贯穿在第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)的上端部或下端部之间，并通过螺栓螺纹连接在钢套筒(1-2)上固定。
3.根据权利要求2所述的一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，其特征在于，若干根耗能棒(1-1)的长度相等，且耗能棒(1-1)的材质为形状记忆合金材料。
4.根据权利要求1所述的一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，其特征在于，所述连接组件(2)包括第一耳板组(2-1)、第二耳板组(2-2)和销轴(2-3)；所述第一耳板组(2-1)设置在第一板端钢板(3)上，所述第二耳板组(2-2)设置在第二板端钢板(8)上，所述第一耳板组(2-1)和第二耳板组(2-2)上均设有销轴孔，第一耳板组(2-1)和第二耳板组(2-2)交插后，使得第一耳板组(2-1)和第二耳板组(2-2)的销轴孔同轴设置，所述销轴(2-3)设置在第一耳板组(2-1)和第二耳板组(2-2)的销轴孔内。
5.根据权利要求1所述的一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，其特征在于，所述第一耳板组(2-1)包括两块耳板，两块耳板的一端固定在第一板端钢板(3)上，两块耳板上分别同轴设置销轴孔，用于与第二耳板组(2-2)交插后插入销轴(2-3)。
6.根据权利要求1所述的一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，其特征在于，所述第二耳板组(2-2)包括两块耳板，两块耳板的一端固定在第二板端钢板(8)上，两块耳板上分别同轴设置销轴孔，用于与第一耳板组(2-1)交插后插入销轴(2-3)。
7.根据权利要求1所述的一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，其特征在于，所述第一板端钢板(3)的外延部包括第一L形外延板(4)和第二L形外延板(5)，所述第一L形外延板(4)和第二L形外延板(5)设置在第一板端钢板(3)背侧上端部和下端部，第一L形外延板(4)和第二L形外延板(5)在第一板端钢板(3)背侧呈相反方向设置，所述第一L形外延板(4)和第二L形外延板(5)上分别水平设置第一梁筋组(6)。
8.根据权利要求1所述的一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，其特征在于，所述第二板端钢板(8)的外延部包括第三L形外延板(9)和第四L形外延板(10)；所述第三L形外延板(9)和第四L形外延板(10)设置在第二板端钢板(8)背侧上端部和下端部，第三L形外延板(9)和第四L形外延板(10)在第二板端钢板(8)背侧呈相反方向设置，所述第三L形外延板(9)和第四L形外延板(10)上分别水平设置第二梁筋组(11)。
9.根据权利要求1所述的一种装配式自复位人工可控塑性框架铰节点，其特征在于，所述第一板端钢板(3)的中部背侧水平设置第一锚固筋(7)，所述第一锚固筋(7)插入第一板端钢板(3)后通过第一高强螺栓组(13)固定设置，所述第二板端钢板(8)的中部背侧水平设置第二锚固筋(12)，所述第二锚固筋(12)插入第二板端钢板(8)后通过第二高强螺栓组(14)固定设置。
10.一种装配式自复位人工可控塑性铰节点结构的装配方法，基于权利要求1-9任一项所述的装配式自复位人工可控塑性铰节点结构，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将预制混凝土柱和预制混凝土梁分别与第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)连接，梁筋分别连接在第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)的外延部预留的内螺纹套筒内，预制混凝土柱和预制混凝土梁里预埋的锚固钢筋分别连接在第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)的中部背侧，并分别通过第一高强螺栓组(13)和第二高强螺栓组(14)固定；
步骤2，连接组件(2)通过电弧焊连接在第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)的中部，其中连接组件(2)为第一耳板组(2-1)和第二耳板组(2-2)，第一耳板组(2-1)焊接在第一板端钢板(3)上，所述第二耳板组(2-2)焊接在第二板端钢板(8)上，焊接过程中保持第一耳板组(2-1)和第二耳板组(2-2)交错平行且确保销轴(2-3)能够有效通过第一耳板组(2-1)和第二耳板组(2-2)上的销轴孔，然后对第一耳板组(2-1)和第二耳板组(2-2)以及第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)做防锈处理；
步骤3，将销轴(2-3)插入第一耳板组(2-1)和第二耳板组(2-2)上的销轴孔内，并通过高强螺栓固定；
步骤4，耗能棒(1-1)通过钢套筒(1-2)分别贯穿在第一板端钢板(3)和第二板端钢板(8)的上端部或下端部之间，并通过螺栓螺纹连接在钢套筒(1-2)上固定，完成装配式自复位人工可控塑性铰节点结构的装配。
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