CN115637781B - 一种消能可恢复钢结构梁柱节点及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消能可恢复钢结构梁柱节点及其装配方法，节点包括短悬臂梁一端与钢柱固定连接，另一端通过对称设置在上下翼板外表面的阻尼器，以及翼板连接板与连接工字梁活动连接；恢复装置包括若干L型连接件、受力件和固定件；L型连接件分别设置于短悬臂工字梁和连接工字梁的腹板两侧，且长边与短悬臂工字梁和连接工字梁的翼板内表面活动连接；受力件沿梁长水平布置，穿设于L型连接件的短边由固定件固定，并施加预应力。本发明通过受力件来承担静力荷载作用下的承载力要求；地震发生时通过阻尼器和受力件共同耗能实现节点在地震作用下不出现破坏；地震发生后阻尼器和受力件共同承载的方式，在静力荷载作用下保证其恢复至初始位置。

Description

一种消能可恢复钢结构梁柱节点及其装配方法

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，尤其涉及一种消能可恢复钢结构梁柱节点及其装配方法。

背景技术

传统的钢结构建筑中结构梁柱连接节点大多采用刚性连接节点形式，包括全螺栓连接与栓焊混合连接，如图5所示，图中a、b为栓焊混合连接；c为全螺栓连接。采用上述两种连接方式的梁柱连接节点均属于刚性节点，在地震的作用下，通常在梁端形成塑性铰以达到消能的目的。我国《建筑抗震设计规范》GB50011规定的“强柱弱梁、强剪弱弯与强节点弱构件”原则是以远离节点域梁端的消能来实现抗震目的的，在中震或大震作用下，梁端可能出现局部破坏，通过梁端形成塑性铰消能具备诸多劣势，如消能性能差、灾后不易修复加固等，为此国内外研究者提出了“可恢复结构概念”，多采用穿芯预应力钢绞线实现可恢复自复位的功能，并实现地震过程中耗能效能的作用。该技术需要专业设备施加预拉力，且预应力拉伸后再正常运营阶段其存在松弛、蠕变等因素影响产生预应力损失，且不易量化预应力损失。

公开号为CN113502917B的中国发明专利公开了一种高强弹簧式自复位梁柱节点，其具体公开了一种采用部分活动式连接，并依靠高强弹簧和阻尼片提供耗能的节点结构，其存在的问题主要包括：1、连接方式不全是活动连接，其中梁与梁之间还需要销轴进行连接；2、连接处的连接结构决定了其在地震发生时，首先受力的是销轴和上下翼板表面的连接板，但这两者均出现塑性变形并损坏后阻尼器和高强弹簧才会参与工作，而此时的节点结构可能已经损坏，无法发挥作用了；3、结构复杂，高强弹簧与阻尼片处于同一作用平面上，安装时相互之间多有干扰，并在工作时可能出现某一部件不起作用而另一部件承担全部的力，结构受力稳定性较差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种全活动式连接、且受力更加可靠、消能效果更好的可恢复钢结构梁柱节点及其装配方法。

为了实现以上技术目的，本发明提供的技术方案包括：

一种消能可恢复钢结构梁柱节点，包括钢柱、短悬臂工字梁、连接工字梁、翼板连接板、阻尼器和恢复装置；所述短悬臂梁一端与钢柱固定连接，另一端通过对称设置在上下翼板外表面的阻尼器，以及翼板连接板与所述连接工字梁活动连接；

所述恢复装置包括若干L型连接件、受力件和固定件；所述L型连接件分别设置于所述短悬臂工字梁和连接工字梁的腹板两侧，且长边与所述短悬臂工字梁和连接工字梁的翼板内表面活动连接；所述受力件沿梁长水平布置，穿设于L型连接件的短边由固定件固定，并施加预应力。

在一些较优的实施例中，所述阻尼器包括连接板一，所述连接板一表面固设有两组阻尼片，所述连接板二分别与两组阻尼片远离所述连接板一的一端固定连接；所述连接板二分别与短悬臂工字梁和连接工字梁翼板活动连接。

在一些较优的实施例中，所述连接板一表面固设的两组阻尼片为倾斜对称设置。

在一些较优的实施例中，所述受力件包括螺杆、高强弹簧和挡件；所述高强弹簧套设于螺杆贯穿L型连接件短边后的一端外表面；所述挡件设置于所述高强弹簧两端，与固定件配合，用于夹紧所述高强弹簧。

在一些较优的实施例中，所述受力件包括预应力钢绞线。

本发明还提供了一种消能可恢复钢结构梁柱节点的装配方法，其特征在于，包括：

将连接工字梁吊装至预定位置，用翼板和螺栓连接板将短悬臂工字梁和连接工字梁预连接；

将阻尼器和L型连接件放置到位，用螺栓将阻尼器、L型连接件和梁翼板预连接；

将腹板上预连接的螺栓拧紧；

安装恢复装置，将受力件沿梁长水平布置，穿设于L型连接件的短边由固定件固定；

将翼板上预连接的螺栓拧紧；

对受力件施加预应力，完成装配。

有益效果

1、所有部件均采用全活动式连接，施工现场无需焊接施工，一方面节约了施工成本，另一方面也使相关部件可以重复利用，对于原本为全螺栓连接的梁柱连接节点可以直接使用原有的安装螺孔而无需额外的改装。

2、通过受力件来承担静力荷载作用下的承载力要求，可根据实际需求选择受力件的具体规格和形式，可以是预应力钢绞线或高强弹簧中的任一种，并通过调节高强弹簧或预应力钢绞线的张紧程度来补偿整个受力件的预应力损失。

3、通过阻尼器和受力件共同耗能实现节点在地震作用下不出现破坏，并将塑性铰锁定在了设置该装置的截面位置；地震发生时，因能量有效耗散，减小结构自身破坏；地震发生后，阻尼器和受力件共同承载的方式，在静力荷载作用下具有足够大的转动刚度，保证其恢复至初始位置。

4、适用范围广，可广泛应用于纯钢结构建筑、钢管混凝土结构建筑和超高层伸臂桁架连接节点位置。

附图说明

图1为本发明提供的一种较优实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的一种较优实施例中阻尼器的结构示意图；

图3为本发明提供的另一种较优实施例的结构示意图；

图4为本发明提供的一种较优实施例在实际工程中的安装效果示意图；

图5为传统的钢结构建筑中结构梁柱连接节点的刚性连接节点示意图；

图中：1、钢柱；2、短悬臂工字梁；3、连接工字梁；4、翼板连接板；5、阻尼器；501、连接板一；502、阻尼片；503、连接板二；6、L型连接件；7、受力件；701、螺杆；702、高强弹簧；703、挡件；704、预应力钢绞线；8、固定件；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1-图4所示，本实施例提供了一种消能可恢复钢结构梁柱节点，包括钢柱1、短悬臂工字梁2、连接工字梁3、翼板连接板4、阻尼器5和恢复装置；所述短悬臂梁一端与钢柱1固定连接，另一端通过对称设置在上下翼板外表面的阻尼器5，以及翼板连接板4与所述连接工字梁3活动连接；其中，所述钢柱1可以是纯钢结构建筑中的钢框架立柱，也可以是钢管混凝土结构中的钢管混凝土柱。所述短悬臂工字梁2用于为连接工字梁3与钢柱1的连接提供预留空间，其属于钢柱1的一部分。

所述恢复装置包括若干L型连接件6、受力件7和固定件8；所述L型连接件6分别设置于所述短悬臂工字梁2和连接工字梁3的腹板两侧，且长边与所述短悬臂工字梁2和连接工字梁3的翼板内表面活动连接；穿设于L型连接件6的短边由固定件8固定，并施加预应力。此处的连接具体可以是通过螺纹螺帽等方式锁定。

应当理解的是，本实施例中的阻尼器5和恢复装置共同提供消能减震作用。结构消能减震技术是在结构某些部位(如支撑、剪力墙、连接缝或连接构件)设置耗能(阻尼)装置(或元件)。在主体进入非弹性状态前装置(或元件)率先进入耗能工作状态，通过该装置产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)弹塑性(或粘弹性)滞回变形来耗散能量或吸收地震输入结构的能量，以减少主体结构的地震反应。目前国内应用于效能减震技术中成熟的技术可分为屈曲约束支撑、粘滞阻尼器5及金属阻尼器5等几类。但目前消能减震构件主要应用于设置为支撑构件，梁柱节点处直接使用较少，其原因在于梁柱节点处还需要承担静力荷载作用下的承载力要求，而这并非阻尼器5所长。因此本实施例是通过沿梁长水平布置的受力件7来承担静力荷载作用下的主要承载力要求。

本实施例适用于各种钢结构建筑中结构梁柱连接节点，特别适用于采用全螺栓连接的节点形式。无需对原节点的钢梁端部作任何改动，只需要将梁端部翼板上的连接板拆除，替换为本实施例中的阻尼器5和恢复装置即可，连接时的连接孔采用原有连接孔即可。这样的改进方式避免了施工现场进行焊接、切割等辅助施工，一方面节约了施工成本，另一方面也使相关部件可以重复利用。并且可以使本领域技术人员在施工时有更多的选择，可以根据现场的实际情况选择对全部或部分节点进行改造，使施工过程更具有灵活性和针对性。

在一些较优的实施例中，如图2所示，给出了一种阻尼器5的较优结构。所述阻尼器5包括连接板一501，所述连接板一501表面固设有两组阻尼片502，所述连接板二503分别与两组阻尼片502远离所述连接板一501的一端固定连接；所述连接板二503分别与短悬臂工字梁2和连接工字梁3翼板活动连接。应当理解的是，本实施例中的阻尼器5为单向阻尼器5。当地震发生时，在主体进入非弹性状态前，梁与梁之间的相对位移趋势并非单一的同向或异向，而常见的一体式阻尼器5由于安装在梁与梁的接缝处，首先受到作用的是连接两边的连接板，再次则是同一组阻尼片502共同工作，此时的阻尼器5工作状态不确定，部分阻尼片502发生了左右而部分阻尼片502可能根本没发生作用，而本实施例的两组阻尼片502分别与两端的梁连接，两组阻尼片502各自作用，通过弯曲、弹塑性滞回变形来耗散能量，避免了现有技术中一体式阻尼器5在工作时的工作状态不确定的问题。优选的是，所述连接板一501表面固设的两组阻尼片502为倾斜对称设置，以提供一定程度的预应力。

本发明中的恢复装置一方面用于承担静力荷载作用下的承载力要求，另一方面用于在震后恢复各构件至初始位置，可恢复结构技术是指通过预应力技术，使结构或结构构件在经过地震作用后能够消除塑性变形回复到初始位形，目前工程上常用的是单纯的预应力钢绞线704穿芯结构。但其在正常运营阶段存在松弛、蠕变等因素影响产生预应力损失，且不易量化预应力损失的问题。为了使恢复力损失可量化，且可以补偿损失的预应力，所述受力件7包括螺杆701、高强弹簧702和挡件703；所述高强弹簧702套设于螺杆701贯穿L型连接件6短边后的一端外表面；所述挡件703设置于所述高强弹簧702两端，与固定件8配合，用于夹紧所述高强弹簧702。通过高强弹簧702和螺杆701来共同承担静力荷载作用下的承载力要求，本领域技术人员可根据实际需求选择高强弹簧702规格，将其通过螺栓张进至所需预应力，并可通过电动扭矩扳手查看扭矩值进而换算预紧力，当高强弹簧702因预应力损失需要补偿时，亦可以通过扭矩扳手查看需补张数值。

本实施例只需在螺杆701贯穿L型连接件6短边后的一端外表面套设高强弹簧702，是基于以下考虑：

本实施例中的高强弹簧702一方面承受日常情况下的静载荷，在地震时还起到部分耗能作用(阻尼器5承担大部分大震荷载)，当地震结束后，依靠自身储存的预应力和弹力，与阻尼器5共同作用将梁拉回到初始位置。可以知晓的是，对于整个结构来说，作为主承力件的立柱，其本身是不容易发生变形和移位的，因此在恢复阶段，立柱将提供受力基础。

若是在螺杆701两端均套设高强弹簧702(如背景技术所述的公开专利)，在安装阶段，需要对靠近立柱一端的高强弹簧702预设拉力，在远离立柱一端的高强弹簧702预设压力，这样的安装过程较为复杂，在特殊情况下，若两侧高强弹簧702均为拉力(即高强弹簧702本身被压缩)，则两侧的恢复力相互抵消而无法实现恢复作用。

而在螺杆701任一端套设高强弹簧702，则安装过程更加简便，并且受力状态也更加清晰可控。具体高强弹簧702套设于螺杆701的哪一端，则可由本领域技术人员根据现场的实际安装情况和安装空间具体设定。

在另一些较优的实施例中，如图3所示，所述受力件7还包括预应力钢绞线704。其安装方法和原理与前述刚高强弹簧702类似，在此不再赘述。

下面就本发明作用原理作如下分析：

通过节点处梁端设置恢复装置(包括高强弹簧或预应力钢绞线)以实现日常情况下的恒荷载、活荷载作用及风荷载作用下的承载能力要求，当发生地震作用时，上下翼缘位置的阻尼器开始工作，与节点恢复装置一起提供耗能阻尼，达到消能效果，当地震结束后，地震引起的惯性力消失，结构所受水平惯性力大大降低，钢结构在上下翼缘金属阻尼及恢复装置刚度的作用下使该结构自行恢复至初始位置。

实施例2

本实施例提供了一种消能可恢复钢结构梁柱节点的装配方法，具体包括：

将连接工字梁3吊装至预定位置，用翼板和螺栓连接板将短悬臂工字梁2和连接工字梁3预连接；

将阻尼器5和L型连接件6放置到位，用螺栓将阻尼器5、L型连接件6和梁翼板预连接；

将腹板上预连接的螺栓拧紧；

安装恢复装置，将受力件7沿梁长水平布置，穿设于L型连接件6的短边由固定件8固定；

将翼板上预连接的螺栓拧紧；

对受力件7施加预应力，完成装配。

应当理解的是，当所述受力件7为螺杆701、高强弹簧702和挡件703时，其预应力的施加方法可以包括：拧紧固定件8以压缩弹簧使其存储预应力，当弹簧压缩程度足以提供符合要求的预应力时，停止拧紧固定件8。当需要对损失的预应力进行补偿时，同样可参考上述步骤。显然的，所述压缩弹簧所存储预应力可以通过固定件8的拧紧程度来进行量化，其具体量化方法不属于本发明保护范围，因此在此不再赘述。

当所述受力件7为预应力钢绞线704时，其预应力的施加方法可以采用现有的操作方法，可以包括：固定预应力钢绞线704的一端，使用专业设备施加预拉力后，再固定另一端。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种消能可恢复钢结构梁柱节点，其特征在于：包括钢柱(1)、短悬臂工字梁(2)、连接工字梁(3)、翼板连接板(4)、阻尼器(5)和恢复装置；所述短悬臂梁一端与钢柱(1)固定连接，另一端通过对称设置在上下翼板外表面的阻尼器(5)，以及翼板连接板(4)与所述连接工字梁(3)活动连接；

所述恢复装置包括若干L型连接件(6)、受力件(7)和固定件(8)；所述L型连接件(6)分别设置于所述短悬臂工字梁(2)和连接工字梁(3)的腹板两侧，且长边与所述短悬臂工字梁(2)和连接工字梁(3)的翼板内表面活动连接；所述受力件(7)沿梁长水平布置，穿设于L型连接件(6)的短边由固定件(8)固定，并施加预应力；

所述阻尼器(5)包括连接板一(501)，所述连接板一(501)表面固设有两组阻尼片(502)，连接板二(503)分别与两组阻尼片(502)远离所述连接板一(501)的一端固定连接；所述连接板二(503)分别与短悬臂工字梁(2)和连接工字梁(3)翼板活动连接；

所述连接板一(501)表面固设的两组阻尼片(502)为倾斜对称设置。

2.如权利要求1所述的消能可恢复钢结构梁柱节点，其特征在于：所述受力件(7)包括螺杆(701)、高强弹簧(702)和挡件(703)；所述高强弹簧(702)套设于螺杆(701)贯穿L型连接件(6)短边后的一端外表面；所述挡件(703)设置于所述高强弹簧(702)两端，与固定件(8)配合，用于夹紧所述高强弹簧(702)。

3.如权利要求1所述的消能可恢复钢结构梁柱节点，其特征在于：所述受力件(7)包括预应力钢绞线(704)。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的消能可恢复钢结构梁柱节点的装配方法，其特征在于，包括：

将连接工字梁(3)吊装至预定位置，用翼板和螺栓连接板将短悬臂工字梁(2)和连接工字梁(3)预连接；

将阻尼器(5)和L型连接件(6)放置到位，用螺栓将阻尼器(5)、L型连接件(6)和梁翼板预连接；

将腹板上预连接的螺栓拧紧；

安装恢复装置，将受力件(7)沿梁长水平布置，穿设于L型连接件(6)的短边由固定件(8)固定；

将翼板上预连接的螺栓拧紧；

对受力件(7)施加预应力，完成装配。