软钢-摩擦阻尼器协同耗能的仿古建筑异形钢节点及方法

技术领域

本发明属于仿古建筑钢结构体系领域，涉及软钢-摩擦阻尼器协同耗能的仿古建筑异形钢节点及协同耗能方法。

背景技术

仿古建筑是在现代技术条件下，运用现代建筑材料模仿古建筑的形制、外观，将传统古建筑的造型、部件等作为装饰，从而展现出古建筑的古典美。将钢结构运用在仿古建筑中，不仅可以传承与创造出具有历史特色和地域风格的新型建筑，而且还可以发挥出钢结构强重比大、工业化制作程度高、环保、施工周期短等优势。

斗栱构件安装于柱子和横梁之间，除了作为装饰，体现美观作用之外，更重要的是作为梁托，可以缩短梁的跨度，减轻梁头的承重载，增加了梁头的抗剪承载力，还可以防止梁柱发生变形而倾斜。

作为耗能技术之一，在构件中安装耗能装置是提高结构体系抗震性能的有效方法。软钢-摩擦阻尼器协同工作装置是一种利用摩擦耗能板摩擦耗能和软钢塑性变形来消耗地震作用下的能量的装置，该装置不但能够为结构提供附加刚度，而且还能提供附加阻尼，减少地震对结构的损伤程度。软钢阻尼器采用低屈服点钢，利用其屈服强度低，在地震作用下先于结构屈服，产生塑性变形而耗散能量。将软钢与摩擦阻尼器相结合，形成一种耗能能力更强的软钢-摩擦阻尼器协同工作装置，对结构体系的抗震性能具有明显的提高效果。

在仿古建筑钢结构梁柱节点的翼缘焊接处，尤其是梁端翼缘和柱连接焊缝处易断裂，从而造成梁柱节点的脆性破坏，导致梁柱节点处斗栱构件严重开裂。因此，解决在钢结构仿古建筑的梁柱节点的破坏问题，对于增强钢结构仿古建筑的抗震性能具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明对钢结构仿古建筑的梁柱节点进行优化，本发明提供了一种在梁柱节点处设置软钢-摩擦阻尼器协同工作装置来增加节点耗能的装置，该装置能够在钢结构仿古建筑加载过程中消耗输入地震的能量，使梁端翼缘和柱连接处焊缝不易发生断裂，从而减少对斗栱构件的破坏，既能提高钢结构仿古建筑体系的抗震性能，也保持了该结构体系的美观性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

根据本发明提供的一个实施例，本发明提供了一种软钢-摩擦阻尼器协同耗能的仿古建筑异形钢节点，包括由圆钢管下柱、方钢管上柱和矩形截面钢梁组成的梁柱节点；

方钢管上柱镶装到圆钢管下柱顶部的槽中，柱间留有间隙；

圆钢管下柱和方钢管上柱连接处以及矩形截面钢梁之间设置有斗栱构件，斗栱构件包括下斗构件、栱构件和上斗构件，栱构件内设软钢-摩擦阻尼器，软钢-摩擦阻尼器通过梁连接件固定连接矩形截面钢梁，通过下斗构件中的软钢连接杆连接圆钢管下柱与方钢管上柱连接节点；

在低周反复荷载作用下，软钢-摩擦阻尼器中至少一块摩擦耗能板沿矩形截面钢梁与圆钢管下柱、方钢管上柱连接节点相对移动摩擦；软钢连接杆沿方钢管上柱塑性变形。

优选的，所述软钢-摩擦阻尼器位于方钢管上柱和矩形截面钢梁之间。

优选的，所述软钢-摩擦阻尼器包括左约束板、右约束板和摩擦耗能板，左约束板和右约束板通过高强螺栓连接，在左约束板和右约束板连接板之间垫有摩擦耗能板。

优选的，所述右约束板顶部连接梁连接件，梁连接件通过梁底面水平板连接至矩形截面钢梁。

优选的，所述左约束板底部连接柱侧面水平板，一对侧面水平板通过软钢连接杆连接方钢管上柱。

优选的，所述左约束板与右约束板之间平行连接，左约束板和右约束板分别与柱侧面水平板和梁连接件呈45°角连接。

优选的，所述下斗构件和上斗构件呈倒梯形台结构，下斗构件下表面内切于圆钢管下柱之中；下斗构件内侧面水平板连接方钢管上柱；上斗构件上部梁底面水平板与矩形截面钢梁焊接连接。

优选的，栱构件为端部带有导圆弧的长方体结构，栱构件顶部与上斗构件底部梯形台连接，侧壁下部与倒梯形台上部相切。

优选的，所述圆钢管下柱与方钢管上柱节点为转换柱，圆钢管下柱柱顶内设有方形加肋板，方钢管上柱穿过柱顶加强环伸入圆钢管下柱的柱顶，并通过方形加肋板将方钢管上柱插入圆钢管下柱部分焊接。

本发明进而提供了一种仿古建筑异形钢节点的软钢-摩擦阻尼器协同耗能方法，包括：

在方钢管上柱上施加低周反复荷载，模拟实际地震荷载；

在低周反复荷载作用下，仿古建筑异形钢节点各部件之间产生转角及相对位移，方钢管上柱发生侧向位移，矩形截面钢梁与圆钢管下柱和方钢管上柱之间产生转角及相对位移；

方钢管上柱与矩形截面钢梁之间的摩擦阻尼器利用摩擦耗能板相对移动摩擦耗能，消耗方钢管上柱与矩形截面钢梁之间的转角能量；同时，软钢连接杆在相对转角作用下塑性变形，来消耗方钢管上柱与矩形截面钢梁之间位移能量。

本发明具有以下有益效果：

1)采用软钢-摩擦阻尼器连接仿古建筑钢结构梁柱节点，能够避免翼缘焊接处，尤其是梁端翼缘和柱连接焊缝处易断裂，造成梁柱节点的脆性破坏，导致梁柱节点处斗栱构件严重开裂问题。梁柱节点、斗构件、栱构件和软钢-摩擦阻尼器形成一种耗能能力更强的软钢-摩擦阻尼器协同工作装置，对结构体系的抗震性能具有明显的提高效果。

2)在仿古建筑钢结构梁柱节点处安装摩擦阻尼器，不但可以对节点提供一定的附加刚度，而且还可以利用摩擦耗能板的相对摩擦消耗加载过程中输入的地震能量；在摩擦阻尼器与柱连接处采用软钢连接杆，不但可以利用软钢在转角位移的作用下通过其自身材性性能发生变形来消耗传入柱壁母材的能量，而且也可以协同摩擦阻尼器工作，减少传递到结构体系本体的地震能量；软钢连接杆与摩擦阻尼器共同耦合作用，可以消耗传入梁柱节点各部件的地震能量，更有效地提高了该结构体系的抗震性能，保持了该结构的美观性。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是本发明的正视图；

图3是本发明的软钢-摩擦阻尼器协同工作装置图；

图4是本发明的软钢连接构件图；

图5是本发明的斗栱构件图；

图6是本发明的梁柱焊接截面图；

图7是本发明柱顶加强环与方形加肋板结构示意图。

其中，1为圆钢管下柱、2为方钢管上柱、3为矩形截面钢梁、4为方形加肋板、5为柱顶加强环、6为软钢连接杆、7为柱侧面水平板、8为梁连接件、9为梁底面水平板、10为左约束板、11为右约束板、12为摩擦耗能板、13为高强螺栓、14为螺栓垫片、15为环形预留孔、16为下斗构件、17为栱构件、18为上斗构件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，一种本发明给出了软钢-摩擦阻尼器协同耗能的仿古建筑异形钢节点，包括圆钢管下柱1、方钢管上柱2和矩形截面钢梁3组成的梁柱节点，在圆钢管下柱1和方钢管上柱2连接处以及矩形截面钢梁3之间设置有斗栱构件，斗栱构件包括下斗构件16、栱构件17和上斗构件18，在栱构件17内设软钢-摩擦阻尼器，软钢-摩擦阻尼器通过梁连接件8固定连接矩形截面钢梁3，通过下斗构件16中的软钢连接杆连接圆钢管下柱1与方钢管上柱2连接节点。

参见图1所示，梁柱节点的圆钢管下柱1的柱顶设置方钢管上柱2，方钢管上柱2穿过柱顶加强环5伸入圆钢管下柱1的柱顶，并通过方形加肋板4将方钢管上柱2插入圆钢管下柱1部分焊接相连。

参见图3所示，软钢-摩擦阻尼器包括左约束板10、右约束板11、摩擦耗能板12和高强螺栓13，左约束板10、右约束板11端部和摩擦耗能板12上设有环形预留孔15，高强螺栓13穿过环形预留孔15将左约束板10、右约束板11相互插接连接，在左约束板10和右约束板11连接部位之间垫有摩擦耗能板12。右约束板11顶部连接梁连接件8，梁连接件8通过连接梁底面水平板9连接至矩形截面钢梁3，梁连接件8与梁底面水平板9连接部为凸凹槽相互插接结构，高强螺栓13穿过并垫有螺栓垫片14的连接部将两者连接。左约束板10底部垂直连接柱侧面水平板7，通过一对侧面水平板7质检连接两对软钢连接杆6，连接方钢管上柱2。

在一个实施例中，左约束板10为两块，分别与两块柱侧面水平板7呈45°等分焊接相连，右约束板11为两块，分别与左约束板10平行相连，左约束板10另一侧与梁连接件8呈45°等分焊接相连。左约束板10、右约束板11连接部分设置3块摩擦耗能板12，分别夹在左约束板10和右约束板11之间。

参见图4所示，软钢连接构件是通过高强螺栓13将软钢连接杆6与柱侧面水平板7相连接，以确保软钢-摩擦阻尼器协同工作装置紧密连接在方钢管上柱2上。

参见图5所示，斗栱构件包括下斗构件16、栱构件17和上斗构件18，内设置软钢-摩擦阻尼器协同工作装置。下斗构件16和上斗构件18呈倒梯形台结构，下斗构件16下表面内切于圆钢管下柱1之中，下斗构件16内侧面水平板7连接方钢管上柱2；上斗构件18上部梁底面水平板9与矩形截面钢梁3焊接连接。栱构件17为端部带有导圆弧的长方体结构，栱构件17顶部与上斗构件18底部梯形台连接，侧壁下部与倒梯形台上部相切。

其中，下斗构件16由10块钢板焊接而成，其下表面内切于圆钢管下柱1之中，上表面面积边长比下表面边长长10公分，呈倒台基型。栱构件17由14块钢板焊接而成，其中下部为长方体，一侧与方钢管上柱2和下斗构件16焊接相连，另一侧设置为圆弧形状与上斗构件18下部焊接相连，上斗构件18上部与矩形截面钢梁3焊接相连，呈倒台基型。

参见图6所示，圆钢管下柱1和方钢管上柱2为转换柱，将方钢管上柱2穿过圆钢管下柱1的柱顶端，其中，圆柱加肋板4深入圆钢管下柱1柱顶内，并在接触部位进行焊接，柱顶加强环5焊接在圆钢管下柱1顶上，与方钢管上柱2相连接。

参见图7所示，柱顶加强环5为圆环，圆柱加肋板4从柱顶加强环5径向连接圆钢管下柱1，将柱顶加强环5

具体安装步骤如下：

步骤一：将方钢管上柱2焊接在圆钢管下柱1的内部，并通过方形加肋板4焊接相连；在圆钢管下柱1顶上焊接柱顶加强环5，并与方钢管上柱2焊接相连接；将矩形截面钢梁3与方钢管上柱2上部焊接相连，形成具有钢结构仿古建筑的梁柱节点体系。

步骤二：在方钢管上柱2上用高强螺栓13和螺栓垫片14将两块柱侧面水平板7通过软钢连接杆6紧密相连。

步骤三：在右侧的柱侧面水平板7的另一侧焊接两块左约束板10，焊接角度为45°。

步骤四：在两块左约束板10的下侧安装摩擦耗能板12，并依次连接右约束板11和摩擦耗能板12，并通过高强螺栓13和螺栓垫片14在其环形预留孔15上进行紧固连接。

步骤五：将梁底面水平板9通过高强螺栓13和螺栓垫片与梁连接件8紧密相连。

步骤六：在梁底面水平板9正上方与矩形截面钢梁3焊接相连。

步骤七：在圆钢管下柱1和方钢管上柱2连接处上部焊接斗构件16。

步骤八：将栱构件17的下部端口与斗构件16进行焊接，栱构件17的上部端口与另一个斗构件18进行焊接，斗构件18与钢梁下翼缘3焊接在一起。

注意：所有的焊接均为无缝焊接，保证其焊接刚度。

本发明仿古建筑异形钢节点的软钢-摩擦阻尼器协同耗能方法，包括：

1)在方钢管上柱上施加低周反复荷载，模拟实际地震荷载；

2)在低周反复荷载作用下，梁柱节点在转角与相对位移的作用下产生较大变形，方钢管上柱发生侧向位移，矩形截面钢梁与圆钢管下柱和方钢管上柱之间产生转角及相对位移，导致矩形截面钢梁与方钢管上柱之间的连接焊缝严重开裂，方钢管上柱壁母材严重破坏，梁柱节点发生脆性断裂，同时也导致斗栱构件与梁柱焊接处发生开裂，斗栱构件严重变形；

梁柱节点在转角与相对位移的作用下产生较大变形，方钢管上柱与矩形截面钢梁之间的摩擦阻尼器利用摩擦耗能板相对移动摩擦耗能，消耗方钢管上柱与矩形截面钢梁之间的转角能量；同时，软钢连接杆在相对转角作用下塑性变形来消耗地震作用下的能量，梁柱节点达到自复位。因此，摩擦阻尼器和软钢连接杆共同协同工作，既可以消耗相对转角对梁柱节点的破坏，也可以吸收相对位移作用下的能量，有效地抑制了梁柱节点间焊缝的开裂，也保护了斗栱构件的完整性，提高了结构体系的抗震性能和保持了其美观性。

本发明工作机理是：软钢-摩擦阻尼器协同工作装置既可以提供足够的刚度，还可以依靠互相摩擦耗能板摩擦，从而吸收地震能量，减轻地震破坏；为保证摩擦阻尼器工作可靠，柱侧面水平板、梁连接件、梁底面水平板、左约束板、右约束板和摩擦耗能板必须牢固、刚性好，装配中方形加肋板和柱顶加强环连接牢固；高强螺栓中的预拉力损失必须保持在较低的水平，以避免摩擦耗能板之间的摩擦变化过大，从而影响软钢-摩擦阻尼器协同工作装置的耗能能力。

当地震作用较小时，钢结构仿古建筑梁柱连接处的软钢-摩擦阻尼器协同工作装置能够给整个结构提供一定的刚度。当地震作用增大时，软钢-摩擦阻尼器协同工作装置将动能转化为摩擦产生的内能，由于软钢-摩擦阻尼器协同工作装置端部受到铰接约束，在阻尼系统中产生阻力弯矩，摩擦耗能板互压、摩擦，增强了节点的抗弯能力和刚度，采用软钢作为连接杆，不但能实现自身材料的耗能特性，而且还增加了摩擦阻尼器的耗能能力，有效地提高了摩擦阻尼器的工作能力，从而减少了钢结构仿古建筑节点间的斗栱构件的破坏，不但提高了结构体系的抗震性能，也保证了美观性。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。