一种自复位钢框架梁-边柱节点及其施工方法

技术领域

本发明属于结构工程技术领域，特别涉及一种自复位钢框架梁-边柱节点及其施工方法。

背景技术

传统的钢框架梁柱节点主要通过焊接形成刚性节点，而震后节点容易发生脆性破坏，且结构延性和耗能能力较差，残余变形较大，使得震后修复困难且成本较高；随着基于性能抗震设计理念的发展，通过控制结构的震后残余变形，提高结构可恢复性的功能需求逐渐被国内外学者所关注。

目前，自复位抗震结构体系主要通过在梁柱节点中引入后张预应力技术或形状记忆合金材料，将梁、柱构件装配成整体，为结构提供可恢复功能；相比传统的预应力筋或钢绞线，形状记忆合金材料(SMA)具有优越的超弹性和耗能能力，已逐渐用于梁柱节点；但由于SMA材料性能受温度、加载条件及热处理方式等因素，对梁柱节点的耗能能力和自复位性能产生较大不确定性影响。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种自复位钢框架梁-边柱节点及其施工方法，以解决现有将记忆合金材料用于梁柱节点时，梁柱节点的耗能能力和自复位性能的不确定性较大，节点的结构延性和耗能能力较差的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种自复位钢框架梁-边柱节点，包括钢梁、钢柱、形状记忆合金板及摩擦耗能器，钢梁水平设置在钢柱的一侧；钢梁与钢柱之间设置有形状记忆合金板，且形状记忆合金板设置在钢梁的翼缘外侧；形状记忆合金板的一端与钢梁的翼缘连接，另一端与钢柱的翼缘连接；摩擦耗能器对称设置在钢梁的腹板端部两侧，摩擦耗能器的一端与钢梁连接，另一端与钢柱的翼缘连接。

进一步的，摩擦耗能器包括第一槽型钢、第二槽型钢、第一连接钢板、第二连接钢板及耗能摩擦片；

第一槽型钢和第二槽型钢均位于钢梁的两翼缘之间，且对称设置在钢梁的腹板端部两侧；第一槽型钢的腹板与钢梁的腹板一侧紧密接触，第二槽型钢的腹板与钢梁的腹板另一侧紧密接触，且第一槽型钢的腹板、钢梁腹板及第二槽型钢的腹板之间通过第一螺栓固定连接在一起；第一槽型钢的翼缘及第二槽型钢的翼缘分别与钢梁的翼缘紧密接触，并通过第二螺栓固定连接在一起；第一槽型钢及第二槽型钢与钢梁的接触面之间均设置有耗能摩擦片；

第一连接钢板设置在第一槽型钢与钢柱的翼缘之间，第一连接钢板的一侧与第一槽型钢的端部固定连接，另一侧通过第三螺栓与钢柱的翼缘固定连接；第二连接钢板设置在第二槽型钢与钢柱的翼缘之间，第二连接钢板的一侧与第二槽型钢的端部固定连接，另一侧通过第三螺栓与钢柱的翼缘固定连接。

进一步的，第一槽型钢的腹板、第二槽型钢的腹板、耗能摩擦片及钢梁的腹板上对应设置有长圆形螺栓孔；长圆形螺栓孔的轴线水平设置，第一螺栓贯穿设置在第一槽型钢的腹板、第二槽型钢的腹板、耗能摩擦片及钢梁的腹板上的长圆形螺栓孔中，通过第一螺栓将第一槽型钢的腹板、第二槽型钢的腹板、耗能摩擦片及钢梁的腹板固定连接在一起。

进一步的，第一螺栓、第二螺栓及第三螺栓均采用高强螺栓。

进一步的，耗能摩擦片采用非石棉材料摩擦片。

进一步的，形状记忆合金板为弯折钢板，弯折钢板设置在钢梁的上翼缘上方或下翼缘下方；弯折钢板包括第一固定段、第一弯折段、第二弯折段及第二固定段，第一固定段的一端与钢柱的翼缘固定连接，另一端与第一弯折段的一端连接，第一弯折段的另一端与第二弯折段的一端连接；第二弯折段的另一端与第二固定段的一端连接，第二固定段的另一端与钢梁的翼缘固定连接；第一弯折段及第二弯折段均朝钢梁的翼缘与钢柱的翼缘的交线方向弯折，且第一弯折段与第二弯折段的交线与钢梁翼缘及钢柱翼缘交线平行。

进一步的，还包括腹板加劲肋，腹板加劲肋对称设置在钢柱的腹板两侧，且置于钢柱的两翼缘之间；腹板加劲肋与钢梁的翼缘平行设置，且位于同一平面内。

进一步的，钢梁采用工字形钢梁，钢柱采用工字形钢柱。

本发明还提供了一种自复位钢框架梁-边柱节点的施工方法，包括以下步骤：

步骤1、根据设计要求，加工制作钢梁、钢柱、形状记忆合金板及摩擦耗能器；

步骤2、将摩擦耗能器对应安装在钢梁上，吊装钢梁至安装位置；

步骤3、将摩擦耗能器与钢柱固定；将形状记忆合金板布置在钢梁及钢柱的翼缘外侧，并将形状记忆合金板的两端分别与钢梁的翼缘及钢柱的翼缘固定连接在一起。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种自复位钢框架梁-边柱节点，通过在钢梁的翼缘与钢柱的翼缘之间设置形状记忆合金板，形状记忆合金板具有优越的超弹性和耗能能力，对钢梁的翼缘起到加强作用，有效避免节点处钢梁翼缘的局部屈曲变形；同时，利用形状记忆合金板的塑性变形实现节点的自复位功能；通过将摩擦耗能器对称设置在钢梁的腹板两侧，摩擦耗能器与钢梁的翼缘及腹板之间能够实现摩擦耗能，并与形状记忆合金板产生协同作用，共同吸收节点处的地震能量，确保构件无明显非弹性变形，有效提高了钢框架梁-边柱节点的结构延性和耗能能力，降低了节点的残余变形，节点抗震性能较高，降低了结构震后修复成本。

进一步的，摩擦耗能器采用两个槽型钢、连接钢板及耗能摩擦片组合设置，槽型钢的腹板及翼缘与钢梁的腹板及翼缘之间均设置耗能摩擦片，通过耗能摩擦片与钢梁的腹板及翼缘摩擦，实现摩擦耗能器的摩擦耗能，有效提高了节点的结构延性和耗能性能，能够有效吸收地震能量，避免了构件的非弹性变形，提高节点的抗震性能，降低结构震后修复成本。

进一步的，槽型钢的腹板、耗能摩擦片及钢梁的腹板之间设置长圆形螺栓孔，将螺栓穿设在长圆形螺栓孔中，节点受力时，螺栓能够在长圆形螺栓孔中产生水平位移，实现耗能，有效提高结构延性；延性转动能力大，有效提高了摩擦耗能器的耗能能力更强，转动能力可以调控；节点延性转动后，能够将摩擦型螺栓群转变为承压型螺栓群，有效提高了节点强度及节点的极限承载能力，螺栓滑动变形后几乎不需要修复，制作安装简便。

进一步的，螺栓均采用高强螺栓，确保了节点的连接强度和结构的稳定性，有效提高了节点的承载能力。

进一步的，耗能摩擦片采用非石棉材料摩擦片，性能稳定，摩擦噪声小；通过在钢梁的腹板和槽型钢的腹板、钢梁的翼缘和槽型钢的翼缘之间填充非石棉材料摩擦片，通过螺栓将钢梁、耗能摩擦片及槽型钢组合成摩擦耗能器，能够消耗绝大部分地震能量，从而增强节点的耗能能力，且耗能过程稳定性较好。

进一步的，形状记忆合金板采用弯折钢板，利用弯折钢板对钢梁的翼缘产生加强作用，避免了节点处的局部屈曲变形；同时，形状记忆合金板的弯折设置，能够在地震作用下产生变形，吸收大量地震能力，提高节点的耗能能力。

进一步的，通过在钢柱腹板设置腹板加劲肋，提高抗弯承载力和节点转动刚度，同时减小柱翼缘变形。

本发明还提供了一种自复位钢框架梁-边柱节点的施工方法，构件能够实现工厂化批量生产，现场组装过程简单，结构稳定性好，震后修复时仅需对损坏部件进行拆除更换，降低结构震后修复成本。

综上所述，本发明所述的一种自复位钢框架梁-边柱节点及其施工方法，通过在钢梁与槽型钢的接触面设置耗能摩擦片，通过在钢梁的翼缘与钢柱翼缘之间设置形状记忆合金弯折钢板；钢梁、槽型钢、连接钢板及钢柱之间采用高强螺栓连接；利用耗能摩擦片与钢梁之间摩擦，实现摩擦耗能；通过形状记忆合金弯折钢板与耗能摩擦片的协调作用，共同吸收地震能量，确保节点主要构件无明显非弹性变形，可减少结构震后修复成本；利用形状记忆合金弯折钢板的塑性变形可实现节点自复位，整个节点具有优异的结构延性及耗能能力；本发明采用装配式结构，施工方便，安全性较高，增强结构构件的可更换性；同时，形状记忆合金弯折钢板对钢梁的翼缘有加强作用，可以有效防止节点处钢梁的翼缘局部屈曲变形；本发明能够显著提高钢框架梁柱节点的耗能能力，耗能摩擦片采用非石棉材料，性能稳定，摩擦噪声小，在梁腹板和槽钢之间、梁翼缘和槽钢之间填充一定厚度的非石棉材料，通过高强螺栓将三者组合成摩擦耗能器，消耗绝大部分地震能量，从而增强节点的耗能能力；本发明构造简单，制作方便，非常适合工业化的生产和制造，具有较高的市场竞争力。

附图说明

图1为本发明所述的自复位钢框架梁-边柱节点结构示意图；

图2为本发明所述的自复位钢框架梁-边柱节点的A-A剖面示意图；

图3为本发明所述的自复位钢框架梁-边柱节点的B-B剖面示意图；

图4为本发明所述的自复位钢框架梁-边柱节点中的连接钢板及槽型钢的连接结构示意图。

其中，1钢梁，2钢柱，3形状记忆合金板，4摩擦耗能器，5腹板加劲肋；41第一槽型钢，42第二槽型钢，43第一连接钢板，44第二连接钢板，45耗能摩擦片，46第一螺栓，47第二螺栓，48第三螺栓，49长圆形螺栓孔。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1-4所示，本发明提供了一种自复位钢框架梁-边柱节点，包括钢梁1、钢柱2、形状记忆合金板3及摩擦耗能器4，钢梁1水平设置在钢柱2的一侧；钢梁1的翼缘与钢柱2的翼缘之间设置有形状记忆合金板3，且形状记忆合金板3设置在钢梁1的翼缘外侧；形状记忆合金板3的一端与钢梁1的翼缘连接，另一端与钢柱2的翼缘连接；摩擦耗能器4对称设置在钢梁1的腹板端部两侧，摩擦耗能器4的一端与钢梁1连接，另一端与钢柱2的翼缘连接；本发明通过在钢梁的翼缘与钢柱的翼缘之间设置形状记忆合金板，形状记忆合金板具有优越的超弹性和耗能能力，对钢梁的翼缘起到加强作用，有效避免节点处钢梁翼缘的局部屈曲变形；同时，利用形状记忆合金板的塑性变形实现节点的自复位功能；通过将摩擦耗能器对称设置在钢梁的腹板端部两侧，摩擦耗能器与钢梁的翼缘及腹板之间能够实现摩擦耗能，与形状记忆合金板产生协同作用，共同吸收节点处的地震能量，确保构件无明显非弹性变形，有效提高了钢框架梁-边柱节点的结构延性和耗能能力，节点抗震性能较高，降低了结构震后修复成本。

形状记忆合金板采用弯折钢板，弯折钢板设置在钢梁1的上翼缘上方或下翼缘下方，且沿钢梁1的腹板对称设置；其中一个弯折钢板的一端通过连接螺栓与钢柱2的翼缘上端固定连接，另一端通过连接螺栓与钢梁1的上翼缘固定连接；另一个弯折钢板的一端通过连接螺栓与钢柱2的翼缘下端固定连接，另一端通过连接螺栓与钢梁1的下翼缘固定连接；优选的，连接螺栓采用高强螺栓。

弯折钢板的中心远离钢梁1及钢柱2的交线设置；弯折钢板包括第一固定段、第一弯折段、第二弯折段及第二固定段，第一固定段的一端与钢柱2的翼缘通过连接螺栓固定连接，另一端与第一弯折段的一端连接，第一弯折段的另一端与第二弯折段的一端连接，第二弯折段的另一端与第二固定段的一端连接，第二固定段的另一端通过连接螺栓与钢梁1的上翼缘或下翼缘固定；第一弯折段及第二弯折段均朝钢梁1的翼缘与钢柱2的翼缘的交线方向弯折，且第一弯折段与第二弯折段的交线与钢梁1翼缘及钢柱2的翼缘交线平行。

摩擦耗能器4包括第一槽型钢41、第二槽型钢42、第一连接钢板43、第二连接钢板44、耗能摩擦片45、第一螺栓46、第二螺栓47及第三螺栓48；第一槽型钢31和第二槽型钢42均位于钢梁1的两翼缘之间，且对称设置在钢梁1的腹板两侧；第一槽型钢41的腹板与钢梁1的腹板一侧紧密接触，第一槽型钢41的上翼缘上表面与钢梁1的上翼缘下表面紧密接触，第一槽型钢41的下翼缘下表面与钢梁1的下翼缘上表面紧密接触；第二槽型钢41的腹板与钢梁1的腹板另一侧紧密接触，第二槽型钢42的上翼缘上表面与钢梁1的上翼缘下表面紧密接触，第二槽型钢42的下翼缘下表面与钢梁1的下翼缘上表面紧密接触；第一槽型钢41及第二槽型钢42与钢梁1的接触面之间均设置耗能摩擦片45，耗能摩擦片45包括第一耗能摩擦片、第二耗能摩擦片及第三耗能摩擦片；其中，第一槽型钢41或第二槽型钢42的腹板与钢梁1的腹板之间设置有第一耗能摩擦片，第一槽型钢41或第二槽型钢42的上翼缘与钢梁1的上翼缘之间设置有第二耗能摩擦片，第一槽型钢41或第二槽型钢42的下翼缘与钢梁1的下翼缘之间设置有第三耗能摩擦片；优选的，第一耗能摩擦片、第二耗能摩擦片及第三耗能摩擦片采用一体式结构。

第一槽型钢41的腹板、第二槽型钢42、两个第一耗能摩擦片及钢梁1的腹板上对应设置有长圆形螺栓孔49，长圆形螺栓孔49的轴线水平设置，第一螺栓46依次贯穿第一槽型钢41腹板、其中一个第一耗能摩擦片、钢梁1腹板、另一个第一耗能摩擦片及第二槽型钢42腹板上的长圆形螺栓孔，通过第一螺栓46将第一槽型钢41的腹板、第二槽型钢42、两个第一耗能摩擦片及钢梁1的腹板固定连接在一起。

第一槽型钢41或第二槽型钢42的上翼缘、其中一个第二耗能摩擦片及钢梁1的上翼缘上对应设置圆形螺栓孔，一第二螺栓47依次贯穿第一槽型钢41或第二槽型钢42的上翼缘、其中一个第二耗能摩擦片及钢梁1的上翼缘上的圆形螺栓孔，通过第二螺栓47将第一槽型钢41或第二槽型钢42的上翼缘、其中一个第二耗能摩擦片及钢梁1的上翼缘固定连接在一起。

第一槽型钢41或第二槽型钢42的下翼缘、另一个第二耗能摩擦片及钢梁1的下翼缘上对应设置圆形螺栓孔，另一第二螺栓47依次贯穿第一槽型钢41或第二槽型钢42的下翼缘、另一个第二耗能摩擦片及钢梁1的下翼缘上的圆形螺栓孔，通过另一第二螺栓47将第一槽型钢41或第二槽型钢42的下翼缘、另一个第二耗能摩擦片及钢梁1的下翼缘固定连接在一起。

本发明中，耗能摩擦片45采用非石棉材料摩擦片非石棉材料摩擦片性能稳定，摩擦噪声小，通过在钢梁的腹板和槽型钢的腹板、钢梁的翼缘和槽型钢的翼缘之间填充非石棉材料摩擦片，通过螺栓将三者组合成摩擦耗能器，能够消耗绝大部分地震能量，从而增强节点的耗能能力，且耗能过程稳定性较好；优选的，第一螺栓46及第二螺栓47均采用高强螺栓。

第一连接钢板43设置在第一槽型钢41与钢柱2的翼缘之间，第一连接钢板43的一侧与第一槽型钢41固定连接，另一侧通过第三螺栓48与钢柱2的翼缘固定连接；第二连接钢板44设置在第二槽型钢42与钢柱2的翼缘之间，第二连接钢板44的一侧与第二槽型钢42固定连接，另一侧通过第三螺栓48与钢柱2的翼缘固定连接；优选的，第三螺栓48采用高强螺栓；优选的，第一连接钢板43与第一槽型钢41之间采用焊接固定或一体式结构，第二连接钢板44与第二槽型钢42之间采用焊接固定或一体式结构；第一连接钢板43与第一槽型钢41或第二连接钢44与第二槽型钢42组合形成端板连接件，端板连接件设置在钢梁1的端部，采用螺栓将端部连接件与钢梁1及钢柱2固定连接在一起，并端板连接件与钢梁1的接触面上设置耗能摩擦片，端板连接件及耗能摩擦片组合形成摩擦耗能器，地震作用下，耗能摩擦片与端板连接件及钢梁之间产生摩擦耗能，实现对地震能量的吸收，有效提高了节点的结构延性及耗能能力。

本发明中，钢梁1采用工字形钢梁，钢柱2均采用工字形钢柱，腹板加劲肋5对称设置在钢柱2的腹板两侧，且置于钢柱2的两翼缘之间；腹板加劲肋5上下间隔设置，腹板加劲肋5与钢梁1的翼缘平行设置，且位于同一平面内；腹板加劲肋5的两侧与钢柱2的两翼缘焊接固定，腹板加劲肋5的端部与钢柱2的腹板焊接固定。

本发明还提供了一种自复位钢框架梁-边柱节点的施工方法，具体包括以下步骤：

步骤1、对节点进行分析；计算节点钢梁腹板和翼缘的高强螺栓的型号和个数，钢梁腹板和翼缘的高强螺栓孔直径、和形状记忆合金板的宽度、厚度和数量等参数。

步骤2、在工厂加工生产钢柱及钢梁，在钢梁和钢柱的翼缘设计位置开圆形螺栓孔，在钢梁的腹板设计位置开长圆形螺栓孔，内侧进行摩擦处理，以便形状记忆合金弯折钢板的固定和高强螺栓的穿过和锚固；在钢柱的设计位置焊接腹板加劲肋。

步骤3、通过高强螺栓连接端板连接件和钢梁，同时，将耗能摩擦片布置在钢梁和槽型钢之间。

步骤4、对形状记忆合金板进行热处理和训练，使其具有稳定的力学性能；然后利用普通车削技术，将形状记忆合金弯折钢板加工成标准设计试件，并在设计位置开螺栓孔。

步骤5、将连接完毕的钢梁起吊到安装位置，实现端板连接件上的螺栓孔和钢柱上的螺栓孔的对中，用高强螺栓连接，并拧紧螺帽。

步骤6、将形状记忆合金板布置在钢柱和钢梁翼缘的外侧，进行螺栓孔的对中，用高强螺栓实现形状记忆合金弯折钢板与钢柱及钢梁的连接。

工作原理

本发明所述的钢框架梁-边柱节点及其施工方法，通过在钢梁与钢柱节点处设置槽型钢及连接钢板，槽型钢与连接钢板组合形成端板连接件，端板连接件与钢梁的接触面设置耗能摩擦片，组合形成摩擦耗能器，其既能作为承载元件，又作为耗能元件；将摩擦耗能器对称设置在钢梁的腹板端部两侧，且位于钢梁上下翼缘之间，摩擦耗能器与钢梁的翼缘及腹板之间能够实现摩擦耗能；通过在钢梁的翼缘与钢柱的翼缘之间设置形状记忆合金板，形状记忆合金板具有优越的超弹性和耗能能力，在提高节点转动刚度同时，能够有效避免节点处钢梁翼缘的局部屈曲变形；同时，利用形状记忆合金板的塑性变形，实现节点的自复位功能；摩擦耗能器与形状记忆合金板产生协同作用，共同吸收节点处的地震能量，确保了构件无明显非弹性变形，有效提高钢框架梁-边柱节点的结构延性和耗能能力，节点抗震性能较高，降低了结构震后修复成本；本发明采用全螺栓连接，全螺栓连接作为半刚性节点形成，其转动能力及耗能能力优良，避免了现场施焊，实现施工现场的快速装配连接，有效提高了节点施工效率。

实施例

本实施例提供了一种自复位钢框架梁-边柱节点，包括钢柱、位于钢柱一侧的钢梁、连接钢柱的翼缘和钢梁的翼缘的形状记忆合金弯折钢板及位于钢梁腹板位置的摩擦耗能器；摩擦耗能器包括设置在钢梁腹板并与钢柱翼缘连接的端板连接件、填充于端板连接件和钢梁腹板之间的耗能摩擦片、穿过钢梁腹板并将端板连接件、耗能摩擦片和钢梁腹板连接在一起的高强螺栓，端板连接件包括连接钢板以及固定于连接钢板上的槽型钢，槽型钢的腹板上开长圆形螺栓孔；其中，连接钢板与钢柱的翼缘用高强螺栓相连接，槽型钢位于钢梁的两翼缘之间，钢梁中翼缘的内侧设置有耗能摩擦片，钢梁的上下翼缘的外侧设置有形状记忆合金弯折钢板；其中，高强螺栓依次穿过槽型钢的翼缘、耗能摩擦片、钢梁的翼缘及形状记忆合金弯折钢板，通过高强螺栓将槽型钢的翼缘、耗能摩擦片、钢梁的翼缘及形状记忆合金弯折钢板相连接。

本实施例中，槽型钢与连接钢板相焊接，槽型钢的腹板通过高强螺栓与钢梁的腹板连接，在钢梁的腹板相应位置开长圆形螺栓孔，高强螺栓安装在长圆形螺栓孔中；钢柱内设置有与钢梁的上下翼缘在同一水平高度处的腹板加劲肋；形状记忆合金弯折钢板位于钢梁翼缘和钢柱翼缘的外侧；钢梁为工字型钢梁，钢柱为工字型钢柱；耗能摩擦片采用非石棉材料，耗能摩擦片的材质为非石棉材料，碳纤维摩擦材料具有性能稳定，摩擦噪声小等优点；在钢梁腹板和槽型钢之间、钢梁翼缘和槽型钢之间填充非石棉材料，通过高强螺栓将三者组合成摩擦耗能器，消耗绝大部分地震能量，从而增强节点的耗能能力。

本发明中的钢框架梁-边柱节点及其施工方法，通过在钢梁与槽型钢的接触面设置耗能摩擦片，通过在钢梁的翼缘与钢柱翼缘之间设置形状记忆合金弯折钢板；钢梁、槽型钢、连接钢板及钢柱之间采用高强螺栓连接；利用耗能摩擦片与钢梁之间摩擦，实现摩擦耗能；通过形状记忆合金弯折钢板与耗能摩擦片的协调作用，共同吸收地震能量，确保节点主要构件无明显非弹性变形，可减少结构震后修复成本；利用形状记忆合金弯折钢板的塑性变形可实现节点自复位，整个节点具有优异的结构延性及耗能能力；本发明采用装配式结构，施工方便，安全性较高，增强结构构件的可更换性；同时，形状记忆合金弯折钢板对钢梁的翼缘有加强作用，可以有效防止节点处钢梁的翼缘局部屈曲变形；本发明能够显著提高钢框架梁柱节点的耗能能力，耗能摩擦片采用非石棉材料，性能稳定，摩擦噪声小，在梁腹板和槽钢之间、梁翼缘和槽钢之间填充一定厚度的非石棉材料，通过高强螺栓将三者组合成摩擦耗能器，消耗绝大部分地震能量，从而增强节点的耗能能力；本发明构造简单，制作方便，非常适合工业化的生产和制造，具有较高的市场竞争力。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。