CN201144461Y - 带摩擦阻尼节点的型钢连梁 - Google Patents

Abstract

一种带摩擦阻尼节点的型钢连梁，它由工字形梁、交叉斜杆、连接钢板、摩擦钢板构成，工字形梁与墙肢预埋钢板焊接连接，交叉斜杆通过连接钢板焊接在工字形梁上，下部交叉斜杆通过连接钢板焊接在墙肢预埋的钢板上，交叉斜杆焊接在节点连接钢板上，摩擦钢板开有长形条槽，摩擦滑动节点用螺栓连接。采用本实用新型所述的带摩擦阻尼节点型钢连梁的位移延性系数μ、等效粘滞阻尼系数he、平均能量耗散系数β均比不带摩擦阻尼节点型钢连梁大，结构抗震性能好，有良好的耗能减震能力。

Description

带摩擦阻尼节点的型钢连梁

一、技术领域

本实用新型涉及高层建筑工程剪力墙结构连梁，具体地说是一种带摩擦阻尼节点的型钢连梁。

二、背景技术

在剪力墙结构和框架-剪力墙结构中，连接墙肢与墙肢，墙肢与框架柱的梁称为连梁。连梁在结构中除了承受竖向荷载外，在水平荷载作用下，端部产生的弯矩，剪力和轴力，能够减小与之相连的墙肢的内力和变形，对墙肢起到一定的约束作用，可以消耗地震能量，改善墙肢的受力状态。

如何合理解决连梁在刚度和延性两方面相互矛盾的要求，国内外学者开展了广泛的研究。目前主要有以下连梁结构体系。

(1)普通平行配筋钢筋混凝土连梁结构体系

普通平行配筋钢筋混凝土连梁是指仅配有纵向抗弯钢筋和横向抗剪箍筋的连梁。是联肢墙中出现最早的一种连梁形式，它施工方便、目前应用仍然最为广泛。普通平行配筋钢筋混凝土连梁结构体系变形能力欠佳，截面的转动变形能力有限，往往导致斜向受拉破坏或由于箍筋过量而发生的剪切滑移破坏，这些破坏将导致连梁滞回曲线变坏，耗能能力下降。依靠调整纵筋和箍筋比率或增大配筋量的方法来满足设计要求，并不能从根本上改变其剪切破坏的属性。

(2)斜对角交叉配筋钢筋混凝土连梁结构体系

对于如何提高钢筋混凝土连梁的延性和耗能性能，很多学者进行了研究。1974年，为满足跨高比较小(小于2)的深连梁在强度、刚度和耗能性能等方面的要求，实现其延性破坏，新西兰Paulay T.教授等提出斜对角交叉配筋的连梁。经过试验证实，相对于传统钢筋混凝土连梁，这种连梁结构体系受力及变形能力好，滞回曲线丰满、稳定，吸收能力性能好，延性大。不仅连梁本身性能得到改善，而且具有斜对角交叉配筋连梁的双肢剪力墙性能也很好。斜对角交叉配筋钢筋混凝土连梁是一种延性和耗能性能均比普通平行配筋钢筋混凝土连梁更为理想的连梁形式(Paulay T and Binney J R.Diagonally reinforcedcoupling beams of shearwalls[R].Paper No.26，ACI Publication SP-42，1974，2：579-598)。

但斜对角交叉配筋钢筋混凝土连梁结构体系存在一些不足：(1)由于所用钢筋直径较大，必须充分约束以防止在极限状态之前发生压曲，而剪力墙的墙厚一般不大，给斜向配筋在墙肢中的锚固带来很大困难，也使得它难以用在层数不是过多的一般厚度剪力墙的连梁和高层剪力墙中上部楼层一般厚度的连梁中；(2)对角线钢筋在连梁中点交汇，该处截面失去抗弯能力，需另配水平纵向钢筋以抵抗该截面上所存在的弯矩；(3)试验证实，对于跨高比较大的(2.5和5)连梁，对角线配筋斜向倾角过小，抗剪能力的提高并不十分明显。总之，在连梁中采用对角线配筋用钢量大、施工要求高，推广应用受到很大限制(曹云锋，张彬彬，赵杰林，等.改善洞口连梁抗震性能的一种有效配筋方案〔J〕.重庆：重庆建筑大学学报，2003，25(5)：24-30)。

(3)菱形配筋钢筋混凝土连梁结构体系

为了克服斜对角交叉配筋钢筋混凝土连梁结构体系的不足，上海城市建设学院戴瑞同等在1993年提出菱形配筋钢筋混凝土连梁结构体系，并经过理论和试验证实，它具有良好的抗震性能和滞回特性，是一种较理想的连梁配筋形式：(1)菱形配筋连梁具有较好的受力性能，在跨高比、纵向配筋率等条件相同的情况下，其各项性能指标均优于普通平行配筋钢筋混凝土连梁。菱形配筋连梁的强屈比高于平行配筋连梁，由于主斜钢筋承担了大部分剪力，使得其所能承受的剪力高于平行配筋连梁，降低了连梁扭剪变形在总变形中所占的比重；(2)菱形配筋连梁所能达到的转角延性系数和功比指数均高于平行配筋连梁，说明可较大程度地提高连梁延性和耗能能力。

试验同时显示，在这类配筋方式的小跨高比连梁中，箍筋与混凝土在一般梁中发挥出的抗剪机制不在起主导作用，因此起抗剪能力上限以及各类钢筋数量的设计计算方法尚需积累更多试验结果后确定。另外，显而易见的是这类配筋方式的连梁施工比斜对角交叉配筋钢筋混凝土连梁更为复杂，推广应用也就受到更大限制解情况(孙占国，林宗凡，戴瑞同.菱形配筋剪力墙连梁的受力性能[J].建筑结构学报，1994，15(5)：14-23.)。

(4)设置全通缝钢筋混凝土连梁结构体系

为了改变高跨比较小的连梁剪切破坏的属性，实现其延性破坏，上世纪80年代初期，中国学者提出在连系梁高度中央开通长水平缝而将其分为两根梁，并进行了试验研究，结果表明，这类连梁实现了延性弯曲破坏，但极限承载力和使用荷载下刚度削弱过多(达30％)，致使剪力墙结构整体性大大降低。

(5)带缝槽钢筋混凝土连梁结构体系

设置全通缝钢筋混凝土连梁结构体系在获得大的延性方面是很成功的，但承载力和刚度降低过多，为协调二者之间的矛盾以达到最佳选择，东南大学有关学者提出抗震连梁的构造方案，用纵向水平缝把连梁分成上下两个尺寸相同的构件，但在跨中设置混凝土键联系。研究表明，由此引起极限承载力降低和使用荷载下的刚度削弱很小(不超过10％)，而延性提高非常可观。在小震作用下，混凝土键没有裂开，连梁有足够的刚度，可为墙肢提供较强的约束作用，保证剪力墙有足够的抗侧刚度；在大震作用下，混凝土键逐步裂开，成为上下两个以单独受弯为主的构件，变剪切脆性破坏为弯曲延性破坏，加之键中混凝土的剪摩擦可耗散一部分地震能量，因而可有效地耗散地震能量，提高剪力墙的抗震能力。但是带缝槽钢筋混凝土连梁施工非常复杂，为了确保分离缝和混凝土键处凹槽的实现，要采用分段立模的施工方法，质量要求太高，所以虽然应用在了几个试点工程中，但进一步的实际推广受到了一定限制(曹征良.双功能钢筋混凝土连梁的试验研究[D].东南大学博士研究生学位论文，1987)。

(6)劲性钢筋混凝土连梁结构体系

高层剪力墙结构由于建筑、设备安装及经济上的要求，连梁高度受到限制。而采用劲性钢筋混凝土结构，可以在保证承载力不变的条件下，通过增加钢含量以减小断面尺寸，来满足要求。上世纪90年代初期，华南理工大学有关学者进行劲性钢筋混凝土连梁结构体系的研究。结果指出，劲性钢筋混凝土连梁具有较大的变形能力和延性系数，且随着变形的增大，滞回曲线变得十分丰满，表现出很强的抗震吸能能力，非常有利于剪力墙结构的抗震。所以，劲性钢筋混凝土结构的应用为连梁提供了另外一种结构形式，具有十分重要的意义。

(7)刚性连梁结构体系

为改善剪力墙结构体系的抗震性能，有时候会采用加大连梁洞口、减小连梁截面高度的方法。此时连梁跨高比较大，具有较好的塑性变形能力，可在剪力墙不破坏的情况下，使结构获得较大的变形能力以吸收地震能量。但是，这样的剪力墙结构在正常使用情况下的整体性较差，为此，可在墙高的某一高度

(如设备层)设置一条刚度相对较大的连梁(刚性连梁)，来加强剪力墙结构的整体性。

在双肢剪力墙结构的顶部或底部设置刚性连梁这种结构形式，最初是由A.Coll教授在1974年提出来的。研究表明，对整体性较差的双肢剪力墙结构设置刚性连梁能够有效地提高结构的抗侧移刚度。但对如何处理结构刚度增加对抗震不利这一矛盾和如何设计刚性连梁，至上世纪80年代末已有文献仍未解决，而且所用弹塑性分析方法也并不准确。当时普遍认为：通过增大普通连梁的高度来形成刚性连梁，但跨高比较大的刚性连梁抗震性能特别差；所用弹塑性分析均以杆系为模型，并假设所有连梁(包括刚性连梁)均发生在杆端的弯曲破坏，这对刚性连梁是不适用的。90年代初，华南理工大学对刚性连梁结构体系进行了比较深入的研究，通过理论分析和试验研究证明刚性连梁能有效增加连梁软弱的双肢剪力墙结构的刚度，降低结构自振周期，带刚性连梁的双肢剪力墙具有良好的抗震性能。还通过对四种形式的刚性连梁进行试验研究，即普通钢筋混凝土刚性连梁、带摩擦滑动节点的钢筋混凝土刚性连梁、劲性钢筋混凝土刚性连梁以及带钢支撑摩擦滑动节点的刚性连梁，证实：普通钢筋混凝土的刚性连梁发生剪切脆性破坏，延性较差，说明普通钢筋混凝土结构不能作为刚性连梁；带摩擦滑动节点的钢筋混凝土刚性连梁尽管其延性较好，但滞回曲线随变形增大而出现严重的“捏拢”现象，耗能较差，不宜作刚性连梁；劲性钢筋混凝土刚性连梁滞回曲线丰满，延性系数较大，由于劲性钢筋与混凝土结构的共同作用，避免了破坏前劲性钢筋的失稳，是一种较为理想的刚性连梁结构形式；带钢支撑摩擦滑动节点的刚性连梁滞回曲线相当丰满，刚度退化很小，强度降低缓慢，摩擦面滑动摩擦力是一恒定值的特性决定了屈服后滞回曲线有一相当稳定的水平段，延性很好，近似于理想弹塑性结构，且具有强震后易于修复的优势，最适用于带刚性连梁的剪力墙结构。而且由于摩擦面的滑动摩擦力可以根据需要调节，使得刚性剪力墙结构的刚度、地震作用以及刚梁局部的受力根据地震作用的大小得到有效控制(梁启智，韩小雷.低周反复荷载作用下刚性连梁及普通连梁性能【J].华南理工大学学报，1995，230)：27-33.】。

(8)钢连梁体系

为了从根本上克服钢筋混凝土连梁的各种问题，自上世纪90年代起，美国和加拿大的研究人员开始转向了钢结构领域来寻求连梁解决方案，提出将钢连梁梁端嵌入钢筋混凝土剪力墙墙肢内，组成混合联肢墙结构。钢连梁与钢筋混凝土剪力墙墙肢间的嵌入连接节点在循环荷载下具有良好的受力性能；弹塑性分析结果显示，混合联肢墙结构体系可以保证足够的刚度、强度和韧性，表现出良好的抗震性能(E.J.Sapountazakis Dynamic analysis of compositesteel-concrete structures with deformable connection Computers andStructures 82(2004))。

三、发明内容

本实用新型的目的是提供一种抗震性能好、有效地实现耗能减震的带摩擦阻尼节点的型钢连梁。

本实用新型以下技术方案达到上述目的：提供一种带摩擦阻尼节点型钢连梁。它由工字形梁、交叉斜杆、连接钢板、摩擦钢板构成。工字形梁与墙肢预埋钢板焊接连接，交叉斜杆通过连接钢板焊接在工字形梁上，下部交叉斜杆通过连接钢板焊接在墙肢预埋的钢板上，交叉斜杆焊接在节点连接钢板上，摩擦钢板开有长形条槽，摩擦滑动节点用螺栓连接。

本实用新型具有以下技术优点：

1、采用钢结构连梁，不但延性好，而且受力机理也比钢筋混凝土结构简单，便于设计成延性弯曲破坏连梁。

2、在楼层的钢连梁下方设置带耗能控制装置的交叉斜撑，有效地实现耗能减震，提高剪力墙结构体系的整体抗震性能；

3、钢连梁控制结构中的耗能控制装置采通知摩擦滑动节点形式，在低应力状态下，摩擦滑动面静止不动，钢支撑相当于X形支撑，钢连梁控制结构刚度很大；在高应力状态下，摩擦滑动面滑动，钢连梁控制结构刚度降低，变形增大。对于摩擦滑动面的摩擦力，可以通过调节摩擦滑动面的摩擦系数以及高强螺栓的预紧力而得到控制；对于摩擦摩擦滑动面的滑动能力，可以通过钢板预留槽的长短而得到控制。带有这种钢连梁控制结构的剪力墙结构，在风荷载作用下，控制装置的摩擦滑动面不滑动，整个结构刚度很大；当受到强震作用时，摩擦滑动面首先滑动以降低其刚度以及整个结构的刚度，地震能量被机械性的摩擦耗散，而不是由结构构件的非弹性屈服吸收，这可以结构构件免于损坏甚至可能保持弹性状态，接着，普通连梁先后屈服，整个结构被分为单独墙肢分别受力，结构刚度大大降低，所受地震作用也大为减小，从而实现了结构体系的刚度根据其所受地震作用的大小而自动控制这一结构耗能减震控制理念。

四、附图说明

图1为带摩擦阻尼节点的型钢连梁结构示意图。

图2为带摩擦阻尼节点的型钢连梁的摩擦钢板4俯视图。

图3为带摩擦阻尼节点的型钢连梁与混凝土墙肢组装示意图。

五、具体实施方式

以下通过附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。

对照图1，本实用新型的一个实施例，所述带摩擦阻尼节点的型钢连梁由工字形梁1、交叉斜杆2、连接钢板3、5、6，摩擦钢板4构成。工字形梁1与墙肢预埋钢板9焊接连接，交叉斜杆2通过连接钢板5焊接在工字形梁上，下部交叉斜杆通过连接钢板6焊接在墙肢预埋的钢板10上，交叉斜杆2焊接在节点连接钢板5上，摩擦钢板4开有长形条槽，摩擦滑动节点用螺栓8连接。

以下是带摩擦阻尼节点型钢连梁和不带摩擦阻尼节点型钢连梁的结构性能指标对比。

表1带摩擦阻尼节点型钢连梁的试验结果

连梁形式	屈服位移Δy(mm)	极限位移Δu(mm)	位移延性系数μ	等效粘滞阻尼系数he	平均能量耗散系数β
						带摩擦阻尼节点型钢连梁	16.20	82.24	5.07	0.274	3.976
不带摩擦阻尼节点型钢连梁	19.41	56.75	2.92	0.172	2.652

从上表的试验结果表明，带摩擦阻尼节点型钢连梁的位移延性系数μ、等效粘滞阻尼系数he、平均能量耗散系数β均比不带摩擦阻尼节点型钢连梁大，结构抗震性能好，有良好的耗能减震能力。

Claims (1)

1、一种带摩擦阻尼节点的型钢连梁，其特征在于它由工字形梁、交叉斜杆、连接钢板、摩擦钢板构成，工字形梁与墙肢预埋钢板焊接连接，交叉斜杆通过连接钢板焊接在工字形梁上，下部交叉斜杆通过连接钢板焊接在墙肢预埋的钢板上，交叉斜杆焊接在节点连接钢板上，摩擦钢板开有长形条槽，摩擦滑动节点用螺栓连接。

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