一种基于形状记忆合金螺栓的木框架梁柱自复位节点的制作方法

本发明属于结构工程抗震与减震技术领域，尤其是涉及一种基于形状记忆合金螺栓的木框架梁柱自复位节点。

背景技术：

重型木框架体系是一种在世界各国广泛使用的结构形式，采用间距较大且横截面也较大的木构件组成。该结构体系可以将建筑功能和木材美感进行有效结合，适用于居住和公共建筑。重型木框架体系具有如下结构优势：设计灵活、建造简便快捷、抗风性能好、耐久性好、节能环保、舒适美观，在我国具有广阔的应用前景。重型木框架的梁和柱目前主要采用螺栓-钢填板连接，虽然安装简便，但在使用过程中发现如下一些问题：

1)在地震作用下，重型木框架梁柱节点的破坏模式往往具有不可预测性，当木材进入塑性后难以修复，结构产生较大残余变形且耗能性能差，虽然能在一定程度上保证使用者的安全，但是地震之后结构往往无法再次使用，造成很大经济损失。

2)螺栓-钢填板节点刚度较小，在设计中按铰接节点设计，节点刚度的不足是重型木框架结构的一个制约因素，尤其是对多层重型木框架结构需要设置大量支撑，从一定程度上影响了结构的美观，也使得其建筑使用性能大打折扣。

3)节点如果永久变形过大，则会可能丧失修复的可行性，从而使得整个结构在震后被迫拆除。

中国专利CN205242643U公布了一种重型木框架自复位节点，包括木梁、木柱、梁端耗能型钢、节点区柱加强钢板和预应力筋，木梁与木柱直接采用型钢和普通螺栓连接，预应力筋贯穿木梁纵向，并贯穿木柱，在木柱背对木梁的一端通过锚具、碟形弹簧和锚垫板固定。该结构具有较高抗弯能力和耗能能力，能满足小震下，梁柱节点与固接节点相同，中震或大震下，梁端一侧压应力消失，梁端发生张开，梁端耗能型钢传递剪力并提供转动刚度，结构出现大变形但不破坏，预应力筋始终处于弹性状态，地震过后，木梁和木柱没有破坏和残余变形，在预应力筋作用下，梁端回到初始状态，达到小震下结构稳定，大震下结构出现大变形但不破坏，震后结构自复位的理想效果。该重型木框架自复位节点的工作原理是由预应力筋将木梁梁端回到初始状态，将结构损伤位置控制在梁端耗能型钢中。

技术实现要素：

为克服现有重型木框架梁柱节点的上述缺陷，本发明的目的在于提出一种基于形状记忆合金螺栓的木框架梁柱自复位节点。本发明能够在地震时提供耗能、震后自复位，用于预制装配式木框架结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于形状记忆合金螺栓的木框架梁柱自复位节点，包括木柱、木梁与连接角钢，所述木柱与木梁垂直设置，所述连接角钢设有两个，分别设置在木梁的上下两侧，且所述连接角钢的两侧分别与木柱和木梁紧贴，木框架梁柱自复位节点还包括形状记忆合金自复位螺栓及内嵌钢板，所述形状记忆合金自复位螺栓贯穿木柱，将木柱与连接角钢的一侧连接，所述连接角钢的另一侧与木梁之间通过自攻螺钉连接，所述木柱内部开设有木柱槽口，所述木梁内部开设有木梁槽口，所述内嵌钢板一部分嵌设在木柱槽口内，另一部分嵌设在木梁槽口内，所述内嵌钢板与木柱之间通过木柱连接螺栓连接，所述内嵌钢板与木梁之间通过木梁连接螺栓连接。

进一步地，所述形状记忆合金自复位螺栓外套设有螺栓套筒。

进一步地，所述木柱开设有贯通的木柱自复位螺栓孔，所述螺栓套筒位于木柱自复位螺栓孔内。

进一步地，木柱相背离连接角钢的一侧设置有螺栓垫板，所述形状记忆合金自复位螺栓依次贯穿连接角钢、螺栓套筒和螺栓垫板，所述形状记忆合金自复位螺栓两端通过螺母紧固。螺栓垫板的设置可以提高局部刚度和减小预应力损失。

进一步地，所述形状记忆合金自复位螺栓设有四个，与之对应，所述螺栓套筒、螺栓垫板均设有四个，木柱自复位螺栓孔开设有四个，每个连接角钢对应连接两个形状记忆合金自复位螺栓，且每个连接角钢连接的两个形状记忆合金自复位螺栓位于同一水平线上。

进一步地，沿木柱延长方向，所述内嵌钢板位于分别与两个连接角钢连接的形状记忆合金自复位螺栓之间，沿木梁延长方向，所述内嵌钢板位于与同一个连接角钢连接的两个形状记忆合金自复位螺栓之间。

进一步地，所述木柱开设有贯通的木柱连接螺栓孔，所述木柱连接螺栓孔与木柱自复位螺栓孔相垂直，且相互错开，所述木柱连接螺栓贯穿木柱与内嵌钢板，所述木柱连接螺栓两端通过螺母紧固。

进一步地，所述木梁开设有贯通的木梁连接螺栓孔，所述木梁连接螺栓贯穿木梁与内嵌钢板，所述木梁连接螺栓两端通过螺母紧固。

进一步地，用于连接木柱与内嵌钢板的木柱连接螺栓设有四个，四个木柱连接螺栓位于一矩形的四角处，用于连接木梁与内嵌钢板的木梁连接螺栓设有两个，上下设置。相应的，木柱连接螺栓孔与内嵌钢板普通圆孔均设有四个，木梁连接螺栓孔、内嵌钢板长圆孔均设有两个。

进一步地，所述内嵌钢板上开设有用于使木柱连接螺栓贯穿的内嵌钢板普通圆孔及用于使木梁连接螺栓贯穿的内嵌钢板长圆孔。

进一步地，所述内嵌钢板普通圆孔直径比木柱连接螺栓外径大0.5mm至1.5mm，所述内嵌钢板长圆孔长度为木梁连接螺栓外径的5-10倍。所述内嵌钢板长圆孔不承担节点弯矩。

进一步地，所述自攻螺钉将连接角钢与木梁连接后，连接屈服强度应不低于节点承载力，以保证自攻螺钉与木梁的紧密结合。用于将连接角钢与木梁连接的自攻螺钉设有多个，形成自攻螺钉群。

本发明中，形状记忆合金超弹性的特性提供自复位驱动力，使得地震后结构构件无需更换，仍可继续使用。

本发明中，形状记忆合金材料自身的滞回能力以及地震下的变形耗能机制，使得节点在大震下产生较大变形，但不发生破坏。同时改善了常规木梁柱节点滞回曲线的捏拢缺陷，提高了节点耗能的特性。

本发明中，螺栓套筒和木柱端的螺栓垫板方便对形状记忆合金螺栓施加预应力，使之更安全有效地发挥作用。

本发明中，连接内嵌钢板的螺栓用以节点的安装固定并传递节点剪力，位于木梁中的内嵌钢板开长圆孔，使其不承担节点弯矩。

本发明中，木框架梁柱自复位节点抗弯刚度由形状记忆合金自复位螺栓连接提供，可通过调节形状记忆合金螺栓预应力大小来合理调整节点的刚度。

本发明提供的木框架梁柱自复位节点集抗侧力、自复位、耗能等重要抗震功能于一体。在小震下，梁柱节点与固接节点相同，在中震或大震下，形状记忆合金产生较大变形以实现耗能，但不发生破坏，地震作用过后，依靠形状记忆合金材料的超弹性来实现梁端的自复位，梁端回到初始状态，木梁和木柱均没有破坏和残余变形，从而达到小震下结构稳定、大震下良好延性、震后结构自复位的理想效果。形状记忆合金螺栓通过合理的调节可以满足不同要求的抗震性能设计水平目标。为了避免形状记忆合金螺栓受剪，充分发挥其受拉时的自复位潜力，用内嵌钢板螺栓节点来达到安装固定并传递节点剪力的作用，木梁中的内嵌钢板开长圆孔，使其不承担节点弯矩。梁柱节点的弯矩由形状记忆合金自复位螺栓承担。形状记忆合金自复位螺栓需要施加预应力，为了减少木材蠕变造成的预应力损失，在螺杆外加预应力套筒，并且在螺栓端部需加钢垫板。梁端的第一角钢和第二角钢需要用自攻螺钉与木梁连接，其连接屈服强度应不低于节点承载力，以保证自攻螺钉与木梁的紧密结合。

本发明的节点自复位机制和专利CN205242643U所公布节点的受力机理有本质区别。本发明中的木框架梁柱节点的自复位功能是基于一种新型的形状记忆合金螺栓，记忆合金是一种具有形状记忆特性和超弹性特性智能材料，具有比预应力筋更好的变形恢复能力。超弹的形状记忆螺栓不仅为节点提供良好的自复位能力和延性，还能提供良好的能量耗散性能，而不仅依靠梁端型钢耗能。且形状记忆合金自复位螺栓还承担节点弯矩，剪力则由内嵌钢板螺栓节点来达传递。本发明的木框架自复位梁柱节点无需在木梁沿长度方向凿穿孔洞，安装方便简单，特别是在有连续梁的木框架梁柱节点中，形状记忆螺栓位置不会与其他构件发生冲突，方便确定，也减少了对结构构件的损伤。

与现有技术相比，本发明提供的自复位功能结构是一种新型的减震控制结构，采用施加预紧力的新型形状记忆合金螺栓，充分发挥它的超弹性与自身滞回耗能能力，可使梁柱节点在小震作用下等同于固接节点；在中震、大震作用下发生显著变形，通过形状记忆合金螺栓使结构复位。这种新型结构体系能有效减小结构的震后残余变形，并且起到很好的耗能性能。

本发明中的形状记忆合金自复位螺栓在地震下有良好的可恢复性和延性。且利于替换，检修方便，也避免了震后节点区不可逆破坏造成结构大修，甚至更换主要结构构件的问题，从技术上解决了重型木框架结构梁柱节点震后难于修复的问题，大大降低了重型木框架结构震后维修的成本，提高了重型木框架结构的推广价值，提高了其在高烈度抗震设防区的实用性和经济性。

附图说明

图1为实施例1中木框架梁柱自复位节点的结构示意图；

图2为图1的A-A面剖视结构示意图；

图3为图1的B-B面剖视结构示意图；

图4为内嵌钢板的结构示意图。

图中标号：1为木柱，2为木梁，3为形状记忆合金自复位螺栓，4为螺栓套筒，5为内嵌钢板，61为木柱连接螺栓，62为木梁连接螺栓，7为螺栓垫板，8为连接角钢，9为自攻螺钉，10为木柱槽口，11为木柱连接螺栓孔，12为木柱自复位螺栓孔，13为木梁槽口，14为木梁连接螺栓孔，15内嵌钢板普通圆孔，16为内嵌钢板长圆孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

参考图1-图3，一种基于形状记忆合金螺栓的木框架梁柱自复位节点，包括木柱1、木梁2与连接角钢8，木柱1与木梁2垂直设置，连接角钢8设有两个，分别设置在木梁2的上下两侧，且连接角钢8的两侧分别与木柱1和木梁2紧贴，木框架梁柱自复位节点还包括形状记忆合金自复位螺栓3及内嵌钢板5，形状记忆合金自复位螺栓3贯穿木柱1，将木柱1与连接角钢8的一侧连接，连接角钢8的另一侧与木梁2之间通过自攻螺钉9连接，木柱1内部开设有木柱槽口10，木梁2内部开设有木梁槽口13，内嵌钢板5一部分嵌设在木柱槽口10内，另一部分嵌设在木梁槽口13内，内嵌钢板5与木柱1之间通过木柱连接螺栓61连接，内嵌钢板5与木梁2之间通过木梁连接螺栓62连接。

形状记忆合金自复位螺栓3外套设有螺栓套筒4。

木柱1开设有贯通的木柱自复位螺栓孔12，螺栓套筒4位于木柱自复位螺栓孔12内。

木柱1相背离连接角钢8的一侧设置有螺栓垫板7，形状记忆合金自复位螺栓3依次贯穿连接角钢8、螺栓套筒4和螺栓垫板7，形状记忆合金自复位螺栓3两端通过螺母紧固。螺栓垫板7的设置可以提高局部刚度和减小预应力损失。

形状记忆合金自复位螺栓3设有四个，与之对应，螺栓套筒4、螺栓垫板7均设有四个，木柱自复位螺栓孔12开设有四个，每个连接角钢8对应连接两个形状记忆合金自复位螺栓3，且每个连接角钢8连接的两个形状记忆合金自复位螺栓3位于同一水平线上。

沿木柱1延长方向，内嵌钢板5位于分别与两个连接角钢8连接的形状记忆合金自复位螺栓3之间，沿木梁2延长方向，内嵌钢板5位于与同一个连接角钢8连接的两个形状记忆合金自复位螺栓3之间。

木柱1开设有贯通的木柱连接螺栓孔11，木柱连接螺栓孔11与木柱自复位螺栓孔12相垂直，且相互错开，木柱连接螺栓61贯穿木柱1与内嵌钢板5，木柱连接螺栓61两端通过螺母紧固。

木梁2开设有贯通的木梁连接螺栓孔14，木梁连接螺栓62贯穿木梁2与内嵌钢板5，木梁连接螺栓62两端通过螺母紧固。

用于连接木柱1与内嵌钢板5的木柱连接螺栓61设有四个，四个木柱连接螺栓61位于一矩形的四角处，用于连接木梁2与内嵌钢板5的木梁连接螺栓62设有两个，上下设置。相应的，木柱连接螺栓孔11与内嵌钢板普通圆孔15均设有四个，木梁连接螺栓孔14、内嵌钢板长圆孔16均设有两个。

自攻螺钉9将连接角钢8与木梁2连接后，连接屈服强度应不低于节点承载力，以保证自攻螺钉9与木梁2的紧密结合。用于将连接角钢8与木梁2连接的自攻螺钉9设有多个，形成自攻螺钉群。

参考图4，内嵌钢板5上开设有用于使木柱连接螺栓61贯穿的内嵌钢板普通圆孔15及用于使木梁连接螺栓62贯穿的内嵌钢板长圆孔16。内嵌钢板普通圆孔15直径比木柱连接螺栓61外径大0.5mm至1.5mm，内嵌钢板长圆孔16长度为木梁连接螺栓62外径的5-10倍。内嵌钢板长圆孔16不承担节点弯矩。

图中尺寸仅做参考，具体要根据实际情况来确定，并符合设计规范。

本实施例的工作原理为：

首先，用自攻螺钉将连接角钢8分别于木梁2上下端紧密组合为整体。其连接强度应不低于节点承载力，以保证不会先发生屈服破坏；然后，将内嵌钢板5插入木柱1内的木柱槽口10和木梁2内的木梁槽口13中，并用木柱连接螺栓61、木梁连接螺栓62使木柱1、木梁2安装固定在一起；接着，将螺栓套筒4穿入木柱自复位螺栓孔12；最后，将形状记忆合金自复位螺栓3依次穿过连接角钢8、螺栓套筒4、螺栓垫板7，并施加预应力。

该梁柱节点是一种基于形状记忆合金螺栓的木框架梁柱自复位节点。

采用施加预紧力的新型形状记忆合金螺栓，可使梁柱节点在小震作用下等同于固接节点。在中震或大震下，形状记忆合金产生较大变形以实现耗能，但不发生破坏，地震作用过后，依靠形状记忆合金材料的超弹性来实现梁端的自复位，梁端回到初始状态，木梁和木柱均没有破坏和残余变形，充分发挥形状记忆合金螺栓的超弹性与自身滞回耗能能力，从而达到小震下结构稳定、大震下良好延性、震后结构自复位的理想效果。连接内嵌钢板的螺栓用以节点的安装固定并传递节点剪力，木梁中的内嵌钢板开长圆孔，使其不承担节点弯矩。梁柱节点的弯矩由形状记忆合金自复位螺栓承担。形状记忆合金自复位螺栓需要施加预应力，为了减少木材蠕变造成的预应力损失，在螺杆外加预应力套筒，并且在螺栓端部需加钢垫板。梁端的第一角钢和第二角钢需要用自攻螺钉与木梁连接，其连接屈服强度应不低于节点承载力，以保证自攻螺钉与木梁的紧密结合。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。