本发明属于土木工程领域，涉及一种顶底变摩擦耗能自复位预应力混凝土梁柱节点装置。
背景技术：
地震给人类带来极其严重的灾难。传统的抗震设计采用的是延性设计方法，即在地震作用下，结构部分构件提前屈服和破坏，但整体不至于丧失功能，依靠构件屈服后的塑性变形来耗散大部分的地震能量，从而达到保证主体结构安全的目的。这种传统的基于承载力的设计方法虽然能在避免建筑出现损伤乃至倒塌造成人员伤亡的破坏方面有一定的可靠性，但在中等强度地震或强烈地震中，却不能有效地控制地震造成的经济损失，大多数大地震过后，结构虽然未倒塌，但不可修复或继续使用，只能推倒重建。近年来，可恢复功能的自复位预制预应力混凝土框架结构由于其不仅能够在地震发生时保护人员的生命财产，而且在震后残余位移小，利于修复，逐渐发展为基于性能地震工程研究的一种新型框架结构。目前，自复位预制混凝土框架节点所采用耗能器主要有屈服耗能器和摩擦耗能器两类。虽然该类结构整体初始抗侧刚度较大，但其都只存在单一启动力，一旦耗能器屈服或摩擦启动，梁柱节点间隙张开，结构抗侧刚度主要靠预应力筋刚度提供，结构刚度明显降低。在强震作用下，层间刚度的较大削弱，易导致自复位预制混凝土结构产生较明显的高阶模态效应，结构变形易于集中，局部楼层位移角较大，非结构构件损伤增加，结构的震后复位能力亦受到影响。
技术实现要素：
技术问题：本发明提供一种能够消耗地震作用下的能量，消除或降低预制装配式钢筋混凝土结构在地震作用下的残余变形，避免预制梁柱等主体结构构件出现明显的塑性变形的顶底变摩擦耗能自复位预应力混凝土梁柱节点装置，该节点装置可有效解决上述自复位预制混凝土框架进一步推广应用中的瓶颈问题。
技术方案：本发明的顶底变摩擦耗能自复位预应力混凝土梁柱节点装置，包括预制混凝土柱、位于所述预制混凝土柱一侧的预制混凝土梁、将所述预制混凝土柱和预制混凝土梁连接为一体的上下两个变摩擦耗能器，所述变摩擦耗能器包括两个连接在预制混凝土柱侧面的中摩擦固定板、将所述两个中摩擦固定板连接为一体的中摩擦连接板、连接在所述中摩擦连接板上开有摩擦螺栓孔的两个中摩擦钢板、连接在预制混凝土梁上预留有摩擦螺栓孔的两个内摩擦钢板和两个预留有摩擦螺栓孔的外摩擦钢板、将所述两个内摩擦钢板连接为一体的内摩擦端板，两个内摩擦钢板对称设置在预制混凝土梁顶部两侧，两个外摩擦钢板分别设置在内摩擦钢板外侧，内摩擦钢板和外摩擦钢板之间的部分区域设置有垫板，并通过承压型高强螺栓将内摩擦钢板、外摩擦钢板、垫板和预制混凝土梁连成一整体，中摩擦钢板设置在外摩擦钢板和内摩擦钢板之间的其余区域，并通过摩擦型高强螺栓将外摩擦钢板、中摩擦钢板、内摩擦钢板和预制混凝土梁连成一整体，内摩擦端板与中摩擦连接板相邻，外摩擦钢板和中摩擦钢板相对的侧面均设置成起伏面，二者的起伏面相互交错嵌合。预制混凝土柱和预制混凝土梁中设置有贯穿二者的横向的预应力筋。
进一步的，本发明装置中，所述变摩擦耗能器中，中摩擦钢板与内摩擦钢板之间嵌入摩擦片。
进一步的，本发明装置中，预制混凝土梁上预留的第一摩擦螺栓孔、内摩擦钢板上的第二摩擦螺栓孔与外摩擦钢板上的第四摩擦螺栓孔的孔径相同，且小于中摩擦钢板上的第三摩擦螺栓孔孔径。
进一步的，本发明装置中，承压型高强螺栓穿过外摩擦钢板上设置的第一固定螺栓孔、垫板上设置的第二固定螺栓孔、内摩擦钢板上设置的第三固定螺栓孔后与预制混凝土梁连接固定，摩擦型高强螺栓穿过第四摩擦螺栓孔、第三摩擦螺栓孔、第二摩擦螺栓孔后与预制混凝土梁连接固定。
进一步的，本发明装置中，中摩擦固定板通过抗剪栓钉固定在预制混凝土柱侧面。
进一步的，本发明装置中，预应力筋布置在预制混凝土柱和预制混凝土梁上预留的横向穿筋孔中。
本发明节点装置基于“变摩擦耗能”、“预应力复位”的紧密融合，其基本原理在于：变摩擦耗能器利用摩擦预紧力的改变实现两阶段启动、启动后变刚度，通过第二次启动后刚度控制高阶模态效应，通过变摩擦增加耗能能力，从而减小自复位预应力混凝土框架结构层间位移角和加速度；同时，变摩擦耗能器通过预埋件和螺栓与梁柱可靠连接于梁侧面的顶底位置，不影响楼板布置，并使摩擦耗能的效率最大化。
本发明通过将预制预应力混凝土梁柱节点与变摩擦耗能器组合在一起，以共同抵抗地震作用，消耗地震能量。结构包含预制混凝土柱，预制混凝土梁，变摩擦耗能器，。节点转动过程中中摩擦钢板不与柱分离，是在中摩擦固定板上焊接抗剪栓钉。内摩擦钢板和中摩擦钢板产生相对滑动耗散地震能量，贯穿于预制混凝土柱和预制混凝土梁的预应力筋提供自复位力使梁柱恢复到变形前位置。
本发明中，内摩擦钢板与中摩擦钢板生相对滑动耗散能量，自复位框架梁柱节点产生相对滑动需要一定的转动空间，所以加大中摩擦钢板摩擦螺栓孔直径以保证节点转动不受限制。中摩擦钢板、外摩擦钢板、均制作为起伏面，当梁柱相对转动超过一定范围时，中摩擦钢板与外摩擦钢板由于起伏面的存在，其间的距离会不断增大并压缩蝶形垫片，使摩擦面法向正压力不断增加，进而增大摩擦力，使得摩擦耗能器具有了二次刚度以及逐渐增强的耗能能力。
在工厂预制混凝土柱和混凝土梁，并在相应位置留有预应力筋孔洞，梁、柱构件在现场吊装就位后，将预应力筋穿过梁柱中预留的孔洞，然后进行张拉。后张的无粘结预应力筋既可以在安装阶段用于装置连接，也可以在使用阶段承受拉力和弯矩作用。为了提高节点装置在使用过程中的耗能能力和节点张开后刚度大幅降低，在梁柱节点的上下部位均设置一对变摩擦耗能器。该变耗能器以组合钢件构成耗能装置，由外摩擦钢板、中摩擦钢板、内摩擦钢板、摩擦片、柱端预埋钢板、梁端预埋钢板、承压型高强螺栓、摩擦型高强螺栓、蝶形垫片组成。变摩擦耗能器中两个开有摩擦螺栓孔和起伏面的中摩擦钢板焊接在一中摩擦连接板上构成一整体，在中摩擦连接板上焊接的中摩擦固定板上焊接足够数量和强度的抗剪栓钉将中摩擦钢板和预制混凝土柱连为一整体。由一端板连接的两个内摩擦钢板、设置与最外侧的带有摩擦螺栓孔和起伏面的外摩擦钢板、介于内摩擦钢板和外摩擦钢板部分区域的垫板通过承压型高强螺栓与预制混凝土梁的上端连为一整体，在内摩擦钢板与中摩擦钢板之间嵌入摩擦片，并用摩擦型高强螺栓将内摩擦钢板、中摩擦钢板、外摩擦钢板和摩擦片连成一整体而构成变摩擦耗能器。
本发明装置主要用于提高装配式混凝土框架结构在地震作用下的耗能能力，有效消除或降低结构在地震作用下的残余变形，并且提高结构的组装效率。
本发明针对现有常规自复位预制钢筋混凝土框架节点连接方法中出现的不足，将“变摩擦耗能”与“预应力复位”紧密融合，利用变摩擦耗能器实现多阶段启动、启动后变刚度，通过变刚度控制高阶模态效应，通过变摩擦增加耗能能力，从而减小自复位预应力混凝土框架结构层间位移角和加速度。同时，变摩擦耗能器通过预埋件和螺栓与梁柱可靠连接于梁侧面的顶底位置，不影响楼板布置，并使摩擦耗能的效率最大化。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
目前基于屈服耗能器或摩擦耗能器的自复位预制混凝土框架节点，都只存在单一启动力。虽然结构整体初始抗侧刚度较大，但一旦耗能器屈服或摩擦启动，梁柱节点间隙张开，结构抗侧刚度主要靠预应力筋刚度提供，结构刚度明显降低。在强震作用下，层间刚度的较大削弱，易导致自复位预制混凝土框架产生较明显的高阶模态效应，结构变形易于集中，局部楼层位移角较大，非结构构件损伤增加，结构的震后复位能力亦受到影响。采用本技术方案的自复位预制混凝土梁柱节点形式，在地震作用下，梁柱发生相对变形，带动中摩擦钢板与内外摩擦钢板之间的相对滑动。节点第一次启动处于平面滑动段，此时摩擦型高强螺栓的预紧力恒定，因此摩擦力不变。当滑动至起伏面段时，摩擦耗能器第二次启动，中摩擦钢板与外摩擦钢板由于起伏面的存在，其间的距离会不断增大并压缩蝶形垫片，使摩擦面法向正压力不断增加，进而增大摩擦力，使得摩擦耗能器具有了二次刚度。设计过程中，可以通过调整平面段长度和起伏面段角度，有效控制耗能器的二次启动位移和第二次启动后刚度等，从而提升结构在强震下的可恢复性能。
由于本节点梁柱预埋钢板在节点装配后紧贴在一起，相当于给节点预先指定了转动点，在地震过程中梁柱的运动形式为绕该转动点的刚体转动，在地震过程中有效降低甚至消除了梁柱自身的变形。梁柱端部与变摩擦耗能器的连接形式和专门防止局部破坏的预埋钢板可以有效避免结构变形过程中局部被压坏(比如预制梁、柱的端部被压坏)。所以，震后梁柱等主要结构构件基本都保持在弹性阶段，从而便于构件的重复利用，重新装配。所有摩擦耗能器都是采取螺栓连接的方式，故摩擦耗能器的更换比较方便。
贯穿于梁柱的预应力筋可以为节点提供一自复位力使结构在地震作用下产生的变形恢复到原来位置，所以该节点可以明显减小或消除震后结构的残余变形。并且可以根据需要改变预应力筋预先施加力的大小，预应力筋截面面积及其相对于截面中心轴的距离来控制节点的自复位能力。
几乎所有构件都可以根据需要在非施工现场加工完成，然后根据需要运输到施工现场进行组装，组装全过程为干式操作。从构件加工到连接件的制作都可以在工厂完成，这相对于一般的现浇节点和湿式连接可以有效控制人工成本和工程进度以及工程质量。
节点基于“变摩擦耗能”与“预应力复位”的紧密融合，变摩擦耗能器实现多阶段启动、启动后变刚度，通过启动后刚度控制高阶模态效应，通过变摩擦增加耗能能力，从而减小自复位预应力混凝土框架结构层间位移角和加速度；同时，变摩擦耗能器通过预埋件和螺栓与梁柱可靠连接于梁侧面的顶底位置，不影响楼板布置，并使摩擦耗能的效率最大化。
节点刚度主要由初始预应力大小和通过螺栓对摩擦板施加预紧力的大小及其相对转动点的力臂决定，而预应力筋的初始预应力和对摩擦板施加预紧力容易控制，所以该节点可以根据工程要求在设计和施工中有效控制节点刚度。摩擦耗能器安装在梁的顶部和底部而非中心轴部位，这种摩擦耗能器的布置方法可以增大摩擦力的力臂，显著改善目前这种半刚性节点形式结构刚度不足的问题。
附图说明
图1为本发明装置的构造示意图；
图2为图1的1-1剖面；
图3为节点转动机理；
图4为梁柱界面张开节点变摩擦耗能机理；
图5(a)为预制混凝土柱及开孔正视图，图5(b)为预制混凝土柱及开孔侧视图；
图6为预制混凝土梁及开孔示意图；
图7为内摩擦钢板开孔及连接示意图；
图8为中摩擦钢板开孔及连接示意图；
图9为外摩擦钢板及开孔示意图；
图10为摩擦片及开孔示意图；
图11为垫板及开孔开孔示意图；
图12为采用本发明节点装置的框架示意图。
图中有：预制混凝土柱1；预制混凝土梁2；中摩擦钢板3；中摩擦连接板4；中摩擦固定板5；内摩擦钢板6；内摩擦端板7；外摩擦钢板8；摩擦片9；摩擦型高强螺栓10；承压型高强螺栓11；预应力筋12；预应力筋锚具13；抗剪栓钉14；第一摩擦螺栓孔15；第二摩擦螺栓孔16；第三摩擦螺栓孔17；第四摩擦螺栓孔18；垫板19；蝶形垫片20；第一固定螺栓孔21；第二固定螺栓孔22；第三固定螺栓孔23。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明的顶底变摩擦耗能自复位预应力混凝土梁柱节点装置中，主体构件包括预制混凝土柱1，预制混凝土梁2，连接构件包括节点上、下部变摩擦耗能器。在地震作用下，自复位预制混凝土梁柱节点中的预应力筋12可提供自复位力消除节点残余变形，而布置于梁柱节点处的变摩擦耗能器可以消耗大量的地震能量，实现多阶段启动、启动后变刚度，通过启动后刚度控制高阶模态效应，通过变摩擦增加耗能能力，从而减小自复位预应力混凝土框架结构层间位移角和加速度，避免预制梁柱等主体结构构件出现明显的塑性变形，地震力则由预制混凝土梁柱、预应力筋和摩擦耗能器共同承担。以下各个部分的构造详细介绍：
(1)如图1所示，自复位预制混凝土框架包含预制混凝土柱1，预制混凝土梁2，作为节点的主体部件，通过变摩擦耗能器和预应力筋等连接构件组装为一体后，可以有效提高结构耗能能力和可恢复性能，方便不同抗震能力需求下结构的抗震设计。
(2)变摩擦耗能器中两个开有第二摩擦螺栓孔16的内摩擦钢板6焊接在一内摩擦端板7上构成一整体，内摩擦钢板6、外摩擦钢板8及夹于二者之间部分区域的垫板19上分别开有固定螺栓孔用来穿过承压型高强螺栓11将内摩擦钢板6、外摩擦钢板8、垫板19和预制混凝土梁2连为一整体(图2)。两个开有摩擦螺栓孔和带有起伏面的中摩擦钢板3通过中摩擦连接板4连为一整体，与中摩擦连接板4相连的中摩擦固定板5上焊接抗剪栓钉使中摩擦固定板预埋在预制混凝土柱1内不致脱离，在内摩擦钢板6与中摩擦钢板3之间嵌入摩擦片9，并用摩擦型高强螺栓10将内摩擦钢板6、中摩擦钢板3外摩擦钢板8和摩擦片9连成一整体而构成变摩擦耗能器。
(4)水平对称布置的无粘结预应力筋12对框架梁产生压力并承受弯矩，梁端的剪力主要由梁柱接触面在无粘结预应力筋12预压产生的较高摩擦力和摩擦耗能器中摩擦钢板和内摩擦钢板之间的摩擦力承担。在地震作用下，梁柱发生相对变形(图3)，带动中摩擦钢板与内外摩擦钢板之间的相对滑动(图4)。节点第一次启动处于平面滑动段，此时摩擦型高强螺栓的预紧力恒定，因此摩擦力不变。当滑动至起伏面段时，摩擦耗能器第二次启动，中摩擦钢板与外摩擦钢板由于起伏面的存在，其间的距离会不断增大并压缩蝶形垫片，使摩擦面法向正压力不断增加，进而增大摩擦力，使得摩擦耗能器具有了二次刚度(图4)。设计过程中，可以通过调整平面段长度和起伏面段角度，有效控制耗能器的二次启动位移和第二次启动后刚度等，从而提升结构在强震下的可恢复性能。从而避免了带有暗牛腿的预制混凝土柱1和预制混凝土梁2等主体构件的损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原来位置(自复位)。