一种分阶段屈服自复位连梁柱及其应用、分阶段耗能方法

技术领域

本发明涉及结构工程领域，特别地，涉及一种分阶段屈服自复位连梁柱及分阶段耗能方法。

背景技术

地震灾害已经给社会及人群带来了众多负面影响，结构工程师拟寻求一种高效的抗震结构体系以减小地震过程中结构可能发生的变形、减小震后残余变形。

目前，可通过合理设计安装连梁、支撑等构造可将耗能损伤集中于这些构件，从而避免主结构的损伤，但震后结构将留存显著的残余变形，构件难以更换，对结构不得不采取推倒重建，导致了较大的资源浪费并严重影响人们的正常生活。而引入高性能材料及设置新型构造可突破以上技术瓶颈。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明拟提出一种分阶段屈服自复位连梁柱及分阶段耗能方法，通过设置不同屈服强度的构件、止动构造等以实现连梁多阶段屈服的特性，连梁中设置具有自复位能力的构造，能够减小结构的残余变形以改善现有结构残余变形显著、结构重建资源浪费的问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种分阶段屈服自复位连梁柱。

所述连梁柱包括：依次连接的第一柱体、剪力墙模块、协同模块、耗能自复位模块和第二柱体；其中，第一柱体和第二柱体并排设置；剪力墙模块包括至少一块与第一柱体固定连接的剪力墙，在剪力墙数量为多个的情况下，多个剪力墙自上而下依次设置；协同模块与所述至少一块剪力墙弹性连接；耗能自复位模块可包括至少一个耗能自复位单元，在耗能自复位单元的数量为多个的情况下，多个耗能自复位单元自上而下依次设置，耗能自复位单元包括至少一个第一横梁、至少一个第二横梁和至少一个耗能自复位组件；其中，第一横梁将第二柱体与协同模块之间的相对变形限制在预定的范围之内；第二横梁的两端分别与协同模块和第二柱体铰接；耗能自复位组件的两端分别与第二柱体和协同模块铰接，并具有自复位能力。

进一步地，所述协同模块与所述至少一块剪力墙之间通过若干个弹性连接件连接，弹性连接件包括依次连接的第一碟簧、中心螺杆和第二碟簧。

进一步地，所述第一柱体和第二柱体竖直设置。

进一步地，所述剪力墙模块可包括开缝钢板剪力墙。

进一步地，所述协同模块可包括至少一个协同件；剪力墙与协同件的数量相同并能够一一对应；协同件和耗能自复位单元的数量相同并能够一一对应。

进一步地，所述第一横梁的第一端与协同模块之间固定连接，第二端与所述第二柱体之间滑动连接，所述第一横梁的第二端与所述第二柱体的相对滑动方向与所述第二柱体轴向相同。

进一步地，所述连梁柱还包括第一连接板组件，第一连接板组件与所述第一横梁的数量相同并一一对应，每个第一连接板组件能够使对应的所述第一横梁的第二端和所述第二柱体滑动连接，第一连接板组件包括若干个第一连接板和若干个第二连接板，其中，第一连接板上开有圆孔并与所述第一横梁的第二端固定连接，在第一连接板的数量为多个的情况下，所述多个第一连接板相对设置且圆孔共轴线；第二连接板上开有长圆孔，并与第二柱体固定连接，在第二连接板的数量为多个的情况下，所述多个第二连接板相对设置且长圆孔共轴线；第一连接板和第二连接板之间通过连接件连接。再进一步地，连接件可包括销轴、螺栓等。

进一步地，所述耗能自复位组件可包括：中心杆、套筒、自复位元件组、第一端板、第二端板和限位活塞件；其中，套筒的内壁上设置有限位件，限位件能够对第二端板进行限位，套筒的第一端背离中心杆，第二端与中心杆的一端固定连接；自复位元件组包括若干个自复位元件，自复位元件由形状记忆合金材料制成且其两端分别通过固定件卡扣在第一端板和第二端板上，通过调整固定件能够实现自复位元件预紧力的调节；第一端板位于套筒之外，并能够抵在套筒的第一端；第二端板设置在套筒中，并位于限位活塞件和套筒第二端之间；限位活塞件包括活塞杆、以及设置在活塞杆上的第一活塞板和第二活塞板，活塞杆穿过第一端板且其一端与所述协同件铰接，第一、第二活塞板都位于第一、第二端板之间，第一活塞板邻近第一端板并能够受到第一端板的限位，第二活塞板邻近第二端板，并能够受到第二端板的限位。

进一步地，第一端板在自复位元件预紧力的作用下抵在套筒的第一端。

进一步地，自复位元件具有两个状态，第一种为预紧状态，即通过调整固定件来施加预紧力，第二种为非预紧状态，但在自复位组件发生变形耗能时，自复位元件拉长并转变为预紧状态。

进一步地，所述中心杆与套筒可以共中心轴线，所述中心杆背离套筒的一端还设置有转换件和连接板，该连接板可对应下述的第七连接板。

进一步地，所述耗能自复位组件还可包括固定板，固定板的两个板面分别与所述套筒的第二端和所述中心杆的一端固定连接。

本发明另一方面提供了一种分阶段耗能方法。

所述方法包括采用如上所述的分阶段屈服自复位连梁柱进行抗震、耗能。

本发明再一方面提供了一种上述分阶段屈服自复位连梁柱的应用。

所述应用可包括在风致振动控制中的应用，例如在桥梁风致振动控制中的应用，在塔的风致振动控制中的应用，在建筑物的风致振动控制中的应用，再例如在主塔的风致振动控制中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括以下的至少一项：

(1)本发明的连梁柱结构简便、制作成本低。

(2)本发明的连梁柱可适当控制整体结构的强度和刚度，降低结构及加速度响应。

(3)本发明的连梁柱具有优异的抗震性能，能够实现分阶段耗能。

(4)本发明利用多阶段屈服特性及自复位构件，部件更换方便，连梁柱自复位能力强，可减小震后残余变形，从而避免或减轻震后的修复工作及成本。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明的分阶段屈服自复位连梁柱的一个结构示意图；

图2示出了本发明的分阶段屈服自复位连梁柱的一个正面示意图；

图3示出了本发明的分阶段屈服自复位连梁柱的一个分解示意图；

图4示出了本发明的第二连接件的一个示意图；

图5示出了本发明的耗能自复位组件的一个示意图；

图6示出了本发明的耗能自复位组件的一个分解示意图；

图7示出了本发明的耗能自复位组件的一个剖面示意图；

图8示出了本发明的分阶段屈服自复位连梁柱的一个小变形示意图；

图9示出了本发明的分阶段屈服自复位连梁柱的一个大变形示意图。

主要附图标记说明：

1-第一柱体，11-第一加劲肋，12-铰接支座；

Ⅰ-剪力墙模块，2-剪力墙，21-狭缝，22-第二加劲肋，23-约束板；

3-协同件，31-第三加劲肋；

Ⅱ-耗能自复位模块，41-第一横梁，42-第二横梁，43-耗能自复位组件，431-中心杆，432-套筒，4321-限位件，433-第一端板，434-第二端板，435-自复位元件，436-限位活塞件，437-固定板，438-转换件；

5-第二柱体；

61-第一连接件，62-第二连接件，63-第三连接件，64-第四连接件，65-第五连接件；

71-第一连接板，72-第二连接板，721-长圆孔，73-第三连接板，74-第四连接板，75-第五连接板，76-第六连接板，77-第七连接板，78-第八连接板。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的分阶段屈服自复位连梁柱及分阶段耗能方法。

需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。

示例性实施例1

本示例性实施例提供了一种分阶段屈服自复位连梁柱。本发明通过设置不同屈服强度的构件(耗能自复位组件、剪力墙)、止动构造(第一横梁、第一连接板和第二连接板)等来实现连梁多阶段屈服的特性，在水平荷载作用下，连梁柱在一定变形范围内(层间位移角小于1％，例如0.9％、0.7％、0.5％等)，耗能自复位模块被率先激活，其中耗能自复位组件受力耗能；随着变形的增大(层间位移角介于1％～2％，例如1.1％、1.5％、1.9％等)，连接件(例如销栓)与第二柱体所连连接板的长圆孔接触相抵，耗能自复位模块近第二柱体端变形受限，耗能自复位模块的近协同模块端协同剪力墙模块持续变形，开缝钢板剪力墙剪切变形屈服耗能，实现分阶段耗能的性能。同时连梁中设置具有自复位能力的构造(第二连接件和耗能自复位组件)来提供自复位能力以减小残余变形。

如图1所示，所述连梁柱可包括：依次连接的第一柱体1、剪力墙模块Ⅰ、协同模块、耗能自复位模块Ⅱ和第二柱体5。

第一柱体1和第二柱体5两者可以竖直设置，并间隔有一定的间距。第一柱体1和第二柱体5都可以为工字钢。

剪力墙模块Ⅰ可包括至少1块剪力墙，例如3、4块等，再例如图2所示的自上而下设置的两块剪力墙。剪力墙可以为开缝钢板剪力墙。

协同模块与剪力墙之间可以弹性连接。协同模块可包括至少1块协同件，如图1所示的自上而下设置的两块协同件3，协同件3也可以为工字钢，协同件能够在构造上连接剪力墙模块Ⅰ和耗能自复位模块Ⅱ，并传递两个模块的水平荷载，协调两模块的受力变形。协同件3的数量与剪力墙2的数量可以相同并一一对应，每个协同件3与对应的剪力墙2之间弹性连接，当然，本发明不限于此，协同件3与剪力墙2的数量也可以不同，只要是能够实现水平荷载传递的数量对应关系都应在本发明的保护范围之内，例如一个剪力墙2对应两个协同件3。

耗能自复位模块Ⅱ可包括至少一个耗能自复位单元，例如图1中所包括的两个耗能自复位单元。耗能自复位单元与协同件的数量相同，并一一对应。当然，本发明不限于此，耗能自复位单元与协同件的数量也可以不同，例如一个协同件对应两个耗能自复位单元。耗能自复位单元可包括的至少一个第一横梁、至少一个第二横梁和至少一个耗能自复位组件；例如，如图1所示，1个耗能自复位单元可包括的2个第一横梁41、2个第二横梁42和2个耗能自复位组件43。第一横梁41能够将第二柱体5与协同模块之间的相对变形限制在预定的范围之内。第二横梁42的两端分别与协同件3和第二柱体5铰接，第二横梁42两端铰接连接，只传递轴向荷载并与第一横梁共同承担轴向荷载，协调变形。耗能自复位组件43的两端分别与第二柱体5和协同件3铰接连接，并通过设置具有超弹性效应的自复位元件，使得耗能自复位组件能够逐步恢复到初始状态而没有残余变形，具备良好的自复位能力。

在本实施例中，第一柱体可以为工字钢，其身部可设置有至少1条如图2所示的第一加劲肋11，例如2～10条等，具体可根据实际情况来确定。第一柱体的底部还可以设置有铰接支座12，其用于与地面或其他机构连接。

同样，第二柱体也可以设置有上述的第一加劲肋和铰接支座。

在本实施例中，第一、第二柱体的形状和结构可以完全相同。

在本实施例中，剪力墙可以为开缝钢板剪力墙，如图2所示，其上可开设有多条狭缝21，例如水平狭缝，狭缝的数量可以为多条，例如2～30条，具体可以根据实际情况来确定。在钢板剪力墙上开有水平狭缝，一方面可以防止钢板发生面外屈曲，使得钢板在面内通过弯曲剪切屈服耗能，另一方面实现了强度、刚度解耦，便于设计人员调整设计。

剪力墙上还可设置有如图2所示的第二加劲肋22，例如钢板加劲肋。

剪力墙上下两端还分别设置有如图2所示的约束板23，约束板23能够约束剪力墙的面外自由度以防止剪力墙发生面外屈曲。

在本实施例中，剪力墙与第一柱体之间固定连接，例如通过图2和图3所述的第一连接件61来连接，第一连接件61可以为螺栓，例如高强螺栓。

在本实施例中，协同件可以为工字钢，其身部可设置有至少1条如图2所示的第三加劲肋31，例如2～8条等，具体可根据实际情况来确定。

在本实施例中，剪力墙与协同件之间弹性连接，例如通过图2和图3所示的第二连接件62来连接，第二连接件62可以为具有弹性伸缩性能的连接件，可包括第一碟簧、第二碟簧和高强螺杆，第一碟簧和第二碟簧分别连接在高强螺杆的两端，例如图4所示的结构，其中(a)图为示意图，(b)图为正视图。

在本实施例中，如图3所示，第一横梁41的第一端与协同件之间固定连接，例如焊接等。第一横梁41的第二端与第二柱体5之间还可通过第一连接板组件和第三连接件63连接。第一连接板组件可包括若干个如图3所示的第一连接板71和若干个第二连接板72，第一连接板71上开有圆孔并与第一横梁41的第二端固定连接。第二连接板72上开有长圆孔721，并与第二柱体5固定连接；长圆孔721内可滴有润滑油，以降低摩擦；如图3所示，长圆孔721的纵向尺寸大于横向尺寸。第一连接板71与第二连接板72之间可以通过第三连接件63连接，第三连接件63可包括销栓、销轴、螺栓等，第三连接件63的直径可以小于第一连接板71上圆孔的孔径和第二连接板72上长圆孔721的直径。

进一步地，第一连接板71和第二连接板72都可以为耳板，当然，本发明不限于此，只要是能够实现固定连接的其他板材也可以。

进一步地，第一连接板71上的圆孔和第二连接板72上的长圆孔721可以共轴线，且轴线可以垂直第一横梁41的轴线和第二柱体5的轴线。

进一步地，第一连接板71的数量可以为1个，第二连接板72的数量可以为2个。2个第二连接板72固定在第二柱体上且两个长圆孔721相互面对；在连接时，第一连接板71能够位于2个第二连接板72之间，第一连接板71上的圆孔与两个长圆孔721相通，第三连接件63能够穿过第一连接板71上的圆孔和2个第二连接板72上的长圆孔以实现连接。当然，本发明不限于此，第一连接板71的数量可以为2个，第二连接板72的数量可以为1个，设置方式与上相似。

第一连接板71可以通过焊接等方式固定连接在第一横梁41上，其也可以是第一横梁41本身具有的结构。同样，第二连接板72可以是通过焊接等方式固定在第二柱体5上的部件，也可以是第二柱体5本身具有的结构。

在本实施例中，第二横梁的两端分别与协同件和第二柱体之间铰接。

第二横梁42的第一端与协同件3之间可以通过第二连接板组件和第四连接件64连接。第二连接板组件可包括若干个如图3所示的第三连接板73和若干个第四连接板74，第三连接板73上开有圆孔并与协同件3固定连接，第四连接板74上开有圆孔并与第二横梁42的第一端固定连接。第四连接件64可包括销栓、销轴、螺栓等，第四连接件64的直径可以小于第三连接板73和第四连接板74上圆孔的孔径。

进一步地，第三连接板73和第四连接板74都可以为耳板，当然，本发明不限于此，只要是能够实现固定连接的其他板材也可以。

进一步地，第三连接板73上的圆孔和第四连接板74上的圆孔可以共轴线，且轴线可以垂直第二横梁42的轴线和第二柱体5的轴线。

进一步地，第三连接板73的数量可以为1个，第四连接板74的数量可以为2个。2个第四连接板74固定在第二横梁42的第一端端面上且两个圆孔相互面对；在连接时，第三连接板73能够位于2个第四连接板74之间，三个连接板上的圆孔相通，第三连接件63能够穿过三个圆孔以实现连接。当然，本发明不限于此，第三连接板73的数量可以为2个，第四连接板74的数量可以为1个，设置方式与上相似。

第三连接板73可以通过焊接等方式固定连接在协同件3上，其也可以是协同件3本身具有的结构。同样，第四连接板74可以是通过焊接等方式固定在第二横梁42上的部件，也可以是第二横梁42本身具有的结构。

第二横梁42的第二端与第二柱体5之间可以通过第三连接板组件和第五连接件65连接。第三连接板组件和第五连接件65可以分别与上述的第二连接板组件和第四连接件64的形状和结构相同，不同之处在于设置的位置不同，例如第三连接板组件可包括若干个如图3所示的第五连接板75和第六连接板76，第五连接板75固定连接在第二横梁42的第二端，第六连接板76可以固定连接在第二柱体5上。进一步地，第五连接板75和第六连接板76都可以为耳板，当然，本发明不限于此，只要是能够实现固定连接的其他板材也可以。

在本实施例中，如图1和图2所示，1个耗能自复位单元可包括2个耗能自复位组件43，2个耗能自复位组件43可以交叉设置。

在本实施例中，如图5、图6和图7所示，所述耗能自复位组件可包括：中心杆431、套筒432、第一端板433、第二端板434、自复位元件组和限位活塞件436。自复位元件组可包括若干个自复位元件435，例如2、3、4、6、8等。

中心杆431背离套筒432的一端还设置有转换件438和第七连接板77。转换件438能够保证构件的局部稳定并有效传递中心杆所受轴力至第七连接板。第七连接板77可以与第二柱体或协同件铰接连接。第七连接板77可以为耳板，其上可设置有通孔，第二柱体或协同件上可设置有对应的带有通孔的连接板(也可为耳板)，第七连接板77与对应连接板之间可通过连接件连接，该连接件可包括销栓、销轴、螺栓等。

套筒432的内壁上设置有限位件4321，限位件4321可以为限位圆环，能够对第二端板434进行限位。套筒432的第一端背离中心杆431，第二端与中心杆431的一端固定连接。

第一端板433位于套筒432之外，并在自复位元件预紧力的作用下能够抵在套筒432的第一端。第一端板的中心位置开设有供活塞杆穿过的通孔，通孔处还可设置导环。

第二端板434设置在套筒432中，并位于限位件4321和套筒432的第二端之间。

自复位元件435可以由形状记忆合金材料制成，利用该合金的超弹性效应，卸载后合金内部晶体发生马氏体逆相变，能够逐步恢复到初始状态，非弹性变形消失而没有残余变形。自复位元件435的第一端可以通过第一固定件卡扣在第一端板433朝外的板面(即背离第二端板434的板面)上，第二端可以通过第二固定件卡扣在第二端板434朝外的板面(即背离第一端板433的板面)上。自复位元件435可以为自复位杆，其左右两侧可以为螺纹段，第一和第二固定件可以是与螺纹段相适配的螺母，通过调整螺母在螺纹段上的不同位置，可以实现自复位元件435预紧力的调整。在自复位组件组装好之后，自复位元件435具有两种状态，第一种为调整螺母施加预紧力；另一种为拧上螺母未施加预紧力，而在自复位组件发生变形耗能时，自复位元件435拉长并存在预紧力。

限位活塞件436包括活塞杆、以及设置在活塞杆上的第一活塞板和第二活塞板，活塞杆穿过第一端板433，第一、第二活塞板都位于第一、第二端板之间，第一活塞板邻近第一端板433并能够受到第一端板433的限位，第二活塞板邻近第二端板434，并能够受到第二端板434的限位。活塞杆朝外的一端还可连接有第八连接板78，第八连接板78可以与协同件或第二柱体铰接连接。第八连接板78可以为耳板，其上可设置有通孔，协同件或第二柱体上可设置有对应的带有通孔的连接板(也可为耳板)，第八连接板78与对应连接板之间可通过连接件连接，该连接件可包括销栓、销轴、螺栓等。

图5所示的第七连接板77可以与协同件或第二柱体连接。在第七连接板77与协同件连接的情况下，第八连接板78可以与第二柱体连接；在第七连接板77与第二柱体连接的情况下，第八连接板78可以与协同件连接。

耗能自复位组件还可包括固定板437，固定板437的两个板面分别与套筒432的第二端和中心杆431的一端固定连接。

耗能自复位组件在受压时，套筒432与限位活塞件436相向运动，第一端板433与套筒432接触相抵，限位活塞件436推动第二端板434沿轴向运动，自复位元件435受拉伸长耗能；耗能自复位组件受拉时，套筒432与限位活塞件436相背运动，套筒432的限位圆环与第二端板434接触相抵，限位活塞板436带动第一端板433沿轴向运动，使得自复位元件435受拉伸长耗能。

当耗能自复位组件恢复至起始位置时，由于形状记忆合金材料的超弹性效应，合金内部晶体发生马氏体逆相变，能够逐步恢复到初始状态而没有残余变形。自复位元件435在耗能自复位组件受拉受压时均为拉伸长状态，充分发挥形状记忆合金的超弹性，以实现良好的耗能及自复位效果。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合图1、3、8和9对本发明的分阶段屈服自复位连梁柱分阶段耗能进行进一步说明。其中，图8示出了本发明的分阶段屈服自复位连梁柱的一个小变形示意图。图9示出了本发明的分阶段屈服自复位连梁柱的一个大变形示意图。

第一横梁41连接开有圆孔的第一连接板71与第二柱体上开有长圆孔的第二连接板72通过第三连接件63(例如销栓、销轴、螺栓等)连接。在水平荷载作用下，耗能自复位模块Ⅱ率先被激活，耗能自复位组件43发生变形耗能，并能够提供自复位能力，而剪力墙模块Ⅰ未被激活，仍然保持弹性，如图8所示的小变形示意图。需要说明的是，本发明的具有弹性伸缩性能的第二连接件具有一定的变形能力，可防止开缝钢板剪力墙在该阶段就屈服。

随着荷载的增大，变形逐渐增大，当第三连接件63与第二连接板72上的长圆孔721抵接时，耗能自复位模块Ⅱ不再进一步变形，剪力墙模块Ⅰ发生剪切变形，屈服耗能，开缝钢板剪力墙进入塑性耗能，如图9所示的大变形示意图。由此，实现了连梁分阶段耗能的目标。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。