CN108625492A - 可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，包括胶合木柱、位于所述胶合木柱一侧的胶合木梁、将所述胶合木柱和胶合木梁连接为一体的摩擦耗能器，所述摩擦耗能器包括固定在胶合木梁上的预留有第一摩擦螺栓孔和第一固定螺栓孔的内摩擦钢板、将所述两个内摩擦钢板连接为一体的内摩擦端板、固定在胶合木柱上的预留有第三摩擦螺栓孔和第三固定螺栓孔的外摩擦钢板、将所述两个外摩擦钢板连接为一体的外摩擦连接钢板。本发明能够消耗地震作用下的能量，消除或降低预制装配式木结构在地震作用下的残余变形。

Description

可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点。

背景技术

近年来，为提高结构施工效率、提升建筑质量，国家颁布了一系列文件，大力推进建筑工业化。文件明确指出，发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措。另一方面，木结构体系作为一种历史悠久又与时俱进的建筑形式，具有：设计灵活、施工简便、建造快捷、抗风抗震性能良好、舒适度高、结构美观、节能环保等优点，能够实现建筑功能和建筑美观的最大化，在建筑领域仍有其不可替代的作用。同时，木结构具有可工厂预制、现场安装的特点，这一特点使之成为装配式建筑推广的重要结构形式之一。

装配式木结构作为建筑工业化中的重要结构形式之一，也存在一些亟待解决的问题：

(1)装配式结构节点连接一直是学术界、工程界讨论的热点难题之一，装配式建筑结构应用也因此受到一定限制，而装配式木结构节点在地震作用下的破坏模式更是显示出较大的不可预判性，同时，木材的弹性模量相对较低，产生的变形较大，木结构进入塑性后，变形难以恢复，易形成较大的残余变形。

(2)梁柱连接部位作为预制装配式结构框架设计中最关键的设计环节，现有的连接形式多借鉴钢框架的节点构造形式，但是木结构本身不具有钢结构高强的优点，常用木框架梁柱节点刚度较小，在结构设计中按铰接节点设计，节点刚度的不足是木框架节点的一个制约因素，设置大量支撑则对结构的美观性造成一定程度的影响，进而使得建筑使用性能不能充分发挥。

自复位木结构是一种通过张拉预应力筋为结构提供侧向刚度和自定心力，并通过安装各种类型的耗能构件来消耗地震能量的结构形式。其通过释放梁柱节点构件间约束，使得梁柱节点构件接触面间仅有受压能力。当地震作用来临之时，通过预应力筋的张力控制应力的恢复以及耗能装置对造成连接部分的相对运动时能量的吸收，从而使构件具有自复位能力。这种自复位体系在地震中的耗能不是来自结构自身的塑性变形，而是主要通过附属构件(摩擦耗能件)实现，因此主体结构在地震中基本无损，可有效减小结构的震后残余变形。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能消耗地震作用下的能量，消除或降低木结构在地震作用下残余变形的可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，可以有效避免梁柱等主体结构构件出现明显的塑性变形以及附属耗能构件屈服后节点耗能能力和刚度降低，明显降低了结构震后的修复费用和难度，在设计过程中能更加灵活地独立调控结构的强度、刚度和延性。

技术方案：本发明的可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，包括胶合木柱、位于所述胶合木柱一侧的胶合木梁、将所述胶合木柱和胶合木梁连接为一体的摩擦耗能器，所述摩擦耗能器包括固定在胶合木柱上的两个外摩擦钢板、将所述两个外摩擦钢板连接为一体的外摩擦连接钢板、固定在胶合木梁上的两个内摩擦钢板、将所述两个内摩擦钢板连接为一体的内摩擦端板，两个内摩擦钢板对称固定在胶合木梁两侧，两个外摩擦钢板分别设置在内摩擦钢板的外侧，并通过摩擦型高强螺栓将内摩擦钢板、外摩擦钢板和胶合木梁连成一整体，内摩擦端板与外摩擦连接钢板相邻。所述胶合木柱和胶合木梁中设置有贯穿二者的横向预应力筋。

进一步的，本发明梁柱节点中，所述摩擦耗能装置中，内摩擦钢板与外摩擦钢板之间嵌入摩擦片。

进一步的，本发明梁柱节点中，外摩擦钢板上预留有第三摩擦螺栓孔和第三固定螺栓孔，所述内摩擦钢板上预留有第一摩擦螺栓孔和第一固定螺栓孔，外摩擦端板通过承压型高强螺栓和第三固定螺栓孔固定在胶合木柱上，内摩擦钢板通过承压型高强螺栓和第一固定螺栓孔固定在胶合木梁上。

进一步的，本发明梁柱节点中，摩擦型高强螺栓穿过第三摩擦螺栓孔和第一摩擦螺栓孔后与胶合木梁连接固定。

进一步的，本发明梁柱节点中，外摩擦钢板上设置上下两排第三摩擦螺栓孔和第三固定螺栓孔，相应的，内摩擦钢板上设置上下两排第一摩擦螺栓孔和第一固定螺栓孔。

进一步的，本发明梁柱节点中，所述内摩擦钢板上的第一摩擦螺栓孔和胶合木梁上设置的第二摩擦螺栓孔孔径相等，且大于外摩擦钢板上的第三摩擦螺栓孔的直径。

进一步的，本发明梁柱节点中，所述横向预应力筋布置在胶合木柱和胶合木梁上预留的预应力筋穿筋孔中。

本发明通过将一种新型自复位胶合木结构梁柱节点与摩擦耗能器组合在一起，以共同抵抗地震作用，消耗地震能量。结构包含胶合木柱，胶合木梁和摩擦耗能器。内摩擦钢板和摩擦片在预紧力作用下，在接触面产生摩擦力，有效提高地震作用下梁柱节点处的耗能能力。在胶合木柱和胶合木梁连接中，摩擦耗能器的应用有效地解决了耗能构件屈服后结构耗能能力降低的问题，同时摩擦耗能器布置的形式有效提高了耗能效率和节点刚度。内摩擦钢板通过承压型高强螺栓固定在胶合木梁上，使节点转动过程中内摩擦钢板与胶合木梁保持一体不分离。同时，外摩擦钢板通过承压型高强螺栓固定在胶合木柱上，使节点转动过程中外摩擦钢板不与柱分离。内外摩擦钢板产生相对滑动耗散地震能量，贯穿于胶合木柱和胶合木梁的预应力筋提供自定心力使梁柱恢复到变形前位置。

本发明中，内外摩擦钢板装置产生相对滑动耗散能量、自复位框架梁柱节点产生相对滑动需要一定的转动空间，所以内摩擦钢板上预留的第一摩擦螺栓孔和胶合木梁上预留的第二摩擦螺栓孔相等且大于外摩擦钢板上预留的第三摩擦螺栓孔、摩擦片预留孔和摩擦型高强螺栓的直径，以保证节点转动不受限制。

在工厂预制胶合木柱和胶合木梁，并在相应位置留有预应力筋穿筋孔、摩擦螺栓孔、固定螺栓孔。梁、柱构件在现场吊装就位后，将预应力筋穿过梁柱中预留的孔洞，然后进行张拉。后张的无粘结预应力筋既可以在安装阶段用于装置连接，也可以在使用阶段承受拉力和弯矩作用。为了提高节点装置在使用过程中的耗能能力，在梁柱节点设置摩擦耗能装置。该耗能件以组合钢件构成耗能装置，由外摩擦钢板、外摩擦连接钢板、摩擦片、内摩擦钢板、内摩擦端板、承压型高强螺栓、摩擦型高强螺栓组成。摩擦耗能器中由一连接钢板连接的两个预留第三固定螺栓孔和第三摩擦螺栓孔的外摩擦钢板通过承压型高强螺栓与胶合木柱连为一整体，由一端板连接的两个预留第一固定螺栓孔和第一摩擦螺栓孔的内摩擦钢板通过承压型高强螺栓与胶合木梁连为一整体，在内摩擦钢板与外摩擦钢板之间嵌入摩擦片，并用摩擦型高强螺栓将三者(内摩擦钢板、外摩擦钢板和摩擦片)连成一整体而构成摩擦耗能器。

本发明装置主要用于提高装配式木框架结构在地震作用下的耗能能力，有效消除或降低结构在地震作用下的残余变形，有效地解决该类结构中常见的耗能构件屈服后结构耗能能力降低的问题，有效提高节点耗能效率和节点刚度。

本发明针对现有常规自定心胶合木框架节点连接方法中出现的不足，安装摩擦耗能器，其耗能能力可控性较高且稳定。传力途径清晰，不但可以保证其震后残余位移小，节点使用功能的退化仅来自与摩擦片的磨损，便于修复和快速重新投入使用，可以大幅度减少地震造成的经济损失。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

采用本技术方案的自复位胶合木结构梁柱节点形式，正常使用条件下，可按照刚性连接进行设计使用，小震条件下，可视为刚性连接，中震和大震条件下，梁与柱在节点张开，摩擦耗能器摩擦力不会降低，结构耗能能力稳定，耗能器的损坏只是摩擦片的磨损，预应力筋始终处于弹性状态。震后只需更换摩擦片即可迅速恢复结构的使用功能，便于检修和更换，避免不可逆性严重破坏和结构大范围深度修整，减少主要结构的构件更换修复工作，大大降低维修成本。同时，几乎所有构件都可以根据需要在非施工现场加工完成，然后根据需要运输到施工现场进行组装，可以有效控制人工成本和工程进度以及工程质量。采用此节点有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合，推动装配式木结构的发展与推广，提高装配式木结构在高烈度抗震设防区的实用性、经济型和优越性。

本申请的自复位胶合木梁柱节点采用的摩擦耗能器中的内摩擦端板和外摩擦连接钢板的构造形式相当于给梁柱端部设置了防止局部破坏的钢套可以有效避免结构变形过程中局部被压坏(比如预制梁、柱的端部被压坏)。目前类似的结构中所采用的屈服部件耗能的形式虽然可以取得较好耗能效果，但其耗能能力的大小不易量化，故不利于结构设计，而本研究采取的耗能装置中摩擦力的大小是由预紧螺栓预紧力与摩擦材料的摩擦系数决定的，其操作容易且可控，其耗能能力容易量化表示，故节点的耗能能力相对于现有的角钢屈服等耗能形式具有更好的可控性，更加方便结构设计。

本申请的自复位胶合木结构梁柱节点梁端的内摩擦端板和外摩擦连接钢板在节点装配后紧贴在一起，给节点预先指定了转动点，在地震过程中梁柱的变形为绕该转动点的刚体转动，在地震过程中有效降低甚至消除了梁柱自身的变形。因此，震后梁柱等主要结构构件基本都保持在弹性阶段，从而便于构件的重复利用，重新装配。摩擦耗能装置的内外摩擦钢板采取螺栓连接的方式，故摩擦片损坏后更换工作较为方便。

本申请中的贯穿于梁柱的预应力筋可以为节点提供一自定心力使结构在地震作用下产生的变形恢复到原来位置，所以该节点可以明显减小或消除震后结构的残余变形。并且可以根据需要改变预应力筋预先施加力的大小，预应力筋截面面积及其相对于截面中心轴的距离来控制节点的自复位能力。

本申请的自复位胶合木梁柱节点的节点刚度主要由初始预应力大小和通过螺栓对摩擦板施加预紧力的大小及其相对转动点的力臂决定，而预应力筋的初始预应力和对摩擦板施加预紧力容易控制，所以该节点可以根据工程要求在设计和施工中有效控制节点刚度。摩擦耗能器安装在梁的顶部和底部而非中心轴部位，这种摩擦耗能装置可以增大摩擦力的力臂，显著改善目前该节点形式结构刚度不足的问题。

附图说明

图1为本发明装置的构造示意图；

图2为采用本方面装置后的框架节点在强震作用下的变形图；

图3(a)为胶合木柱正视图及其预留孔洞示意图；

图3(b)为胶合木柱侧视图及其预留孔洞示意图；

图4为胶合木梁及其预留孔洞示意图；

图5为采用本发明节点装置的框架示意图；

图6为图5的A-A剖面；

图7为图5的B-B剖面；

图8为图5的C-C剖面；

图9为内摩擦装置开孔及连接示意图；

图10为外摩擦装置开孔及连接示意图；

图11为摩擦片及开孔示意图。

图中有：胶合木柱1；胶合木梁2；外摩擦钢板3；外摩擦连接钢板4；摩擦片5；内摩擦钢板6；内摩擦端板7；承压型高强螺栓8；摩擦型高强螺栓9；预应力钢筋10；预应力筋锚具11；锚垫板12；第一固定螺栓孔13；第一摩擦螺栓孔14；第二固定螺栓孔15；第二摩擦螺栓孔16；第三固定螺栓孔17；第三摩擦螺栓孔18；第四固定螺栓孔19；摩擦片预留孔20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点中，主体构件包括胶合木柱1，胶合木梁2，连接构件包括节点摩擦耗能器和提供节点自定心力的预应力筋10。在地震作用下，自复位胶合木结构梁柱节点中的无粘结预应力钢筋10可提供自定心力消除节点残余变形，而布置于梁柱节点处的摩擦耗能器可以消耗大量的地震能量，避免胶合木梁、胶合木柱等主体结构构件出现明显的塑性变形，地震力则由胶合木梁、胶合木柱，摩擦耗能器，无粘结预应力筋共同承担。以下各个部分的构造详细介绍：

(1)如图1所示，自复位胶合木梁柱节点包含胶合木柱1，胶合木梁2，作为节点的主体部件，通过摩擦耗能装置以及预应力筋等连接构件组装为一体后，可以有效提高节点的耗能能力、自定心能力。

(2)摩擦耗能器中两个预留第一固定螺栓孔13和第一摩擦螺栓孔14的内摩擦钢板6焊接在一内摩擦端板7上构成一整体，内摩擦钢板6通过承压型高强螺栓8与胶合木梁2连为一整体。两个预留第三固定螺栓孔17和第三摩擦螺栓孔18的外摩擦钢板3通过外摩擦连接钢板4连为一整体，然后外摩擦钢板3通过承压型高强螺栓8与胶合木柱1连为一整体，在内摩擦钢板6与外摩擦钢板3之间嵌入摩擦片5，并用摩擦型高强螺栓9将三者(内摩擦钢板6、外摩擦钢板3和摩擦片5)连成一整体而构成摩擦耗能器。

(3)摩擦型高强螺栓9穿过胶合木梁2上预留的第二摩擦螺栓孔16、内摩擦钢板上的预留第一摩擦螺栓孔14、摩擦片预留孔20和外摩擦钢板上预留的第三摩擦螺栓孔18将内摩擦钢板6、摩擦片5和外摩擦钢板3压紧。通过摩擦型高强螺栓9上的预紧力，提供了垂直于摩擦面的正向压力。当梁柱节点在强震作用下发生如图2所示的相对转动时，摩擦片5和内摩擦钢板的接触面将通过摩擦耗散地震能量。胶合木梁2上预留的第二固定螺栓孔15和第二摩擦螺栓孔16均在工厂和胶合木梁2一起预制。外摩擦钢板3和外摩擦连接钢板4焊接在一起。摩擦片5附着在外摩擦钢板3的内侧。

(4)无粘结预应力筋10对框架梁产生压力并承受弯矩，梁端的剪力主要由梁柱接触面在无粘结预应力筋10预压产生的较高摩擦力和摩擦耗能器中产生的摩擦力承担。当地震作用达到一定程度时，梁柱的接触面张开，并通过摩擦耗能装置的变形耗能，从而避免了胶合木柱1和胶合木梁2等主体构件的损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原来位置(自复位)。

Claims (7)

1.一种可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，其特征在于，该节点包括胶合木柱(1)、位于所述胶合木柱(1)一侧的胶合木梁(2)、将所述胶合木柱(1)和胶合木梁(2)连接为一体的摩擦耗能器，所述摩擦耗能器包括固定在胶合木柱(1)上的两个外摩擦钢板(3)、将所述两个外摩擦钢板(3)连接为一体的外摩擦连接钢板(4)，固定在胶合木梁(2)上的两个内摩擦钢板(6)、将所述两个内摩擦钢板(6)连接为一体的内摩擦端板(7)，两个内摩擦钢板(6)对称固定在胶合木梁(2)两侧，两个外摩擦钢板(3)分别设置在内摩擦钢板(6)的外侧，并通过摩擦型高强螺栓(9)将内摩擦钢板(6)、外摩擦钢板(3)和胶合木梁(2)连成一整体，内摩擦端板(7)与外摩擦连接钢板(4)相邻；

所述胶合木柱(1)和胶合木梁(2)中设置有贯穿二者的横向预应力筋。

2.根据权利要求1所述的可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，其特征在于，所述摩擦耗能装置中，内摩擦钢板(6)与外摩擦钢板(3)之间嵌入摩擦片(5)。

3.根据权利要求1所述的可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，其特征在于，所述外摩擦钢板(3)上预留有第三摩擦螺栓孔(18)和第三固定螺栓孔(17)，所述内摩擦钢板(6)上预留有第一摩擦螺栓孔(14)和第一固定螺栓孔(13)，外摩擦钢板(3)通过承压型高强螺栓(8)和第三固定螺栓孔(17)固定在胶合木柱(1)上，所述内摩擦钢板(6)通过承压型高强螺栓(8)和第一固定螺栓孔(13)固定在胶合木梁(2)上。

4.根据权利要求3所述的可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，其特征在于，所述摩擦型高强螺栓(9)穿过第三摩擦螺栓孔(18)和第一摩擦螺栓孔(14)后与胶合木梁(2)连接固定。

5.根据权利要求4所述的可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，其特征在于，所述外摩擦钢板(3)上设置上下两排第三摩擦螺栓孔(18)和第三固定螺栓孔(17)，相应的，内摩擦钢板(6)上设置上下两排第一摩擦螺栓孔(14)和第一固定螺栓孔(13)。

6.根据权利要求3、4或5所述的可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，其特征在于，所述内摩擦钢板(6)上的第一摩擦螺栓孔(14)和胶合木梁(2)上设置的第二摩擦螺栓孔(16)孔径相等，且大于外摩擦钢板(3)上的第三摩擦螺栓孔(18)的直径。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的可更换摩擦耗能器的自复位胶合木结构梁柱节点，其特征在于，所述横向预应力筋布置在胶合木柱(1)和胶合木梁(2)上预留的预应力筋穿筋孔中。