高强度螺栓连接弧形端板滑移摩擦耗能柱脚节点的制作方法

本发明属于建筑结构工程技术领域，具体是指一种高强度螺栓连接弧形端板滑移摩擦耗能柱脚节点。

背景技术：

发生地震时，传统高强螺栓连接柱脚节点通过螺栓的破坏以及杆件的屈服甚至断裂、破坏来耗散地震能量。柱脚节点发生塑性损伤将引起结构严重的永久变形以致修复困难或者难以修复，其本身的修复或拆除费用十分巨大，并且因柱脚破坏而造成的建筑物使用功能丧失或者中止将导致社会经济生活无法正常进行，造成的间接经济损失更是无法估算。在此背景下，“基于最小损失的损伤控制”抗震设计具有重要的意义，近年来，为了降低建筑结构在强震过程中的损伤，“低损伤”施工方法得到了发展。降低地震损失，对保障我国实现现代化和可持续发展进程的顺利推进具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的内容是针对以上背景技术以及现有技术的不足，提供一种框架柱脚连接节点。该柱脚节点连接上下钢柱的端板采用弧形端板，上下弧板的旋转中心在上下弧板的圆心处，上弧端板采用长圆螺栓孔，下弧板采用标准圆孔，节点可以转动，界面发生滑移摩擦，可耗散地震能量，在节点在转动过程中构件处于弹性状态，最大程度地避免了震后结构中出现塑性变形和损伤。

为了实现上述目的，本发明提供的高强度螺栓连接弧形端板滑移摩擦耗能柱脚节点，其特征在于：所述节点可用于柱脚连接；包括：上钢柱、下钢柱、上弧端板、下弧端板和多个高强螺栓；

所述上弧端板和下弧端板相应位置上均设有多个对应的螺栓孔；所述上钢柱与下钢柱之间通过上弧端板和下弧端板上的螺栓孔用高强螺栓连接；所述上钢柱、下钢柱与上弧端板、下弧端板均采用焊缝焊接；所述上弧端板、下弧端板在上钢柱与下钢柱的螺栓连接处从上到下依次装置，且所述上弧端板和下弧端板之间的螺栓孔径及螺栓孔间距一一对应。

作为优选方案，还包括多个碟形弹簧；所述多个碟形弹簧分别置于多个高强螺栓的螺母与上弧端板之间；所述碟形弹簧、上弧端板、下弧端板在上钢柱与下钢柱的螺栓连接处从上到下依次装置，且所述碟形弹簧、上弧端板和下弧端板之间的螺栓孔径及螺栓孔间距也一一对应。

进一步地，所述上弧端板和下弧端板均为凸形端板或均为凹形端板；所述上弧端板上开设的多个螺栓孔为长圆螺栓孔，下弧端板上开设的多个螺栓孔为标准圆孔；所述上钢柱和下钢柱的厚度相同。

更进一步地，所述上钢柱和下钢柱为焊接型钢、工字钢、h型钢、钢管或组合钢。

更进一步地，所述上钢柱横截面和下钢柱横截面大小相同；或者，所述下钢柱横截面大于上钢柱横截面。

更进一步地，所述下钢柱的横截面为等截面或变截面。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：

(1)连接上下钢柱的端板采用弧面端板，有利于节点发生转动，类似在柱脚形成了塑性铰。在节点转动过程中构件处于弹性状态，界面发生滑移摩擦，可耗散地震能量，最大程度地避免震后结构中出现的塑性变形和损伤。

(2)节点通过弧板之间以及弧板与螺栓之间的滑移摩擦代替传统柱节点的构件屈服耗能，从而达到无损耗能的设计目标。

(3)在强震作用下，该节点理想的破坏顺序应为螺栓破坏先于端板和钢柱屈服变形，通过这样的破坏顺序可以在震后仅需更换螺栓而无需更换钢柱或者整体推倒重建，由此可降低震后修复成本、提高修复效率。

(4)该节点形式为装配式节点，通过工厂焊接、工地栓接，有效避免现场焊接作业，工程施工高效。

附图说明

图1为本发明实施例1采用凸形弧面端板的下钢柱的立面示意图；

图2为本发明实施例2采用凹形弧面端板的下钢柱的立面示意图；

图3为图1节点1-1剖面示意图；

图4为图2节点2-2剖面示意图；

图5为本发明实施例3采用凸形弧面端板的下钢柱的立面示意图；

图6为本发明实施例4采用凹形弧面端板的下钢柱的立面示意图；

图7为本发明实施例1中理论曲线；

图8为本发明实施例1中凸式节点分级加载滞回曲线；

图9为本发明实施例2中凹式节点分级加载滞回曲线。

图中：1、上钢柱；2、高强螺栓；3、碟形弹簧；4、上弧端板；5、下弧端板；6、下钢柱；7、底板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。

本发明的装置可以有如下几种实施方案：

作为实施的方式之一，上下弧端板为凸形弧板，上弧端板螺栓孔为长圆螺栓孔，下弧端板螺栓孔为标准圆孔，下钢柱为等截面，上下钢柱厚度相同。

作为实施的方式之一，上下弧端板为凹形弧板，上弧端板螺栓孔为长圆螺栓孔，下弧端板螺栓孔为标准圆孔，下钢柱为等截面，上下钢柱厚度相同。

作为实施的方式之一，上下弧端板为凸形弧板，上弧端板螺栓孔为长圆螺栓孔，下弧端板螺栓孔为标准圆孔，下钢柱为变截面，上下钢柱厚度相同。

作为实施的方式之一，上下弧端板为凹形弧板，上弧端板螺栓孔为长圆螺栓孔，下弧端板螺栓孔为标准圆孔，下钢柱为变截面，上下钢柱厚度相同。

具体实施例如下：

在本发明的实施方案中，碟形弹簧3并非为必要设计选项，在有些实例中可以不设置碟形弹簧3也能实现本发明的目的。

实施例1

参见图1、图3，弧形端板连接节点由上钢柱1、高强螺栓2、碟形弹簧3、上弧端板4、下弧端板5、下钢柱6、底板7构成。其中，上弧端板4采用长圆螺栓孔，下弧端板5采用标准圆孔。上钢柱1与上弧端板3、下钢柱5与下弧端板4均采用焊缝焊接，碟形弹簧3套在高强螺栓2的螺杆上并置于螺母下方。碟形弹簧3、上弧端板4和下弧端板5由高强螺栓2连接。碟形弹簧3、上弧端板4和下弧端板5之间的螺栓孔径及螺栓孔间距一一对应。

上述的连接节点中，上钢柱1和下钢柱6的钢为焊接型钢、h型钢、工字钢、钢管或组合钢。上钢柱1与上弧端板3、下钢柱5与下弧端板4均采用焊缝焊接。

本实施例在具体使用时，具体实施过程为：

1)通过预设滑移矩确定高强螺栓2的数目，从而确定螺栓孔间距及螺栓的布置，进而确定端板尺寸；

滑移矩可以定义为使分别与上下钢柱相连的弧板发生相对滑动时所需的最小弯矩，也就是克服高强螺栓抗剪承载力时所需的最小弯矩，

滑移矩的计算方法，这里没有施加轴压力时滑移矩可按式(1)计算，

mslip＝nnv^br(1)

式中，mslip为起始滑移矩，n为螺栓个数，r为作用力到旋转中心的距离，nv^b为单个摩擦型连接高强度螺栓抗剪承载力设计值。

2)上钢柱1和上弧端板4的焊缝连接处可适当沿上钢柱1翼缘上移，便于施焊作业以及后期下弧端板5的放置和连接。

3)将上钢柱1与上弧端板3、下钢柱5与下弧端板4均采用焊缝焊接后，在碟形弹簧3、上弧端板4和下弧端板5直接采用高强螺栓2连接。

4)节点的强度设计：

与传统节点设计要求“强节点弱构件”所不同的是，本节点设计要求在弧板发生滑移之前上下钢柱和端板不能屈服，也即“弱节点强构件”。按照传统的设计方法，框架结构中拼接节点的抗震设计应该采用等强设计方法，采用此种方法设计的拼接节点刚度较大，在地震作用下不允许产生滑移。如果将柱脚高强螺栓滑移摩擦拼接节点设计得弱一些，则可以利用其摩擦滑移消耗地震能量。

在国内钢结构设计规范中，也并没有关于滑移摩擦节点的设计标准。查阅国内外相关文献，关于滑移摩擦柱脚节点设计的文献非常少。近几年，利用摩擦耗能的节点设计相关文献开始增多，并且多集中于梁柱节点。根据相关文献，通过对利用钢梁高强螺栓拼接节点的理论计算指出：在强震作用下的带拼接钢框架，为了利用板件间滑移、栓杆与孔洞边缘的相互挤压来实现耗能，应将梁-梁高强螺栓拼接节点设计的弱一些。当然，拼接处高强螺栓在强震下发生滑移的同时还要保证拼接节点在正常使用条件下不滑移。因此，其具体设计要求应满足下式关系：

0.8mps≥mslip≥1.25mss(2)

式中mps：拼接节点的塑性抗弯承载力；

mslip：拼接处高强螺栓发生滑移的弯矩值；

mss：在正常使用情况下拼接节点的抗弯承载力。

式(2)对滑移矩的设计范围做出了要求，滑移矩上限由拼接节点的塑性抗弯承载力决定，下限由正常使用情况下拼接节点的抗弯承载力决定。在节点设计时，由于上下弧板在滑移时钢柱不能发生屈服，因此，这里应将高强螺栓拼接节点设计的弱一些，滑移矩设计值不能超过钢柱屈服时拼接处弯矩的β倍(β≤1)，以保证弧板之间先发生滑移，即

mslip≤βmx1(3)

理论分析可知，当节点连接使用的螺栓数目过少时，节点的连接强度会不足。根据《钢结构连接节点设计手册》(第三版)，在柱与柱的拼接节点中，当拼接节点处的内力小于柱承载力设计值的一半时，从柱的连续性来衡量拼接节点的性能，其设计用内力不应小于柱承载力设计值的一半。则有

0.5mx1≤mslip＝nnv^br(4)

0.5v≤nnv^b(5)

综上可知，节点滑移矩应满足不等式(6)，即下图所示的理论曲线。

0.5mx1≤mslip≤βmx1(6)

如图7所示的理论曲线可解释为，当柱顶水平推力f较小时，弧板间没有发生相对滑动，上钢柱和下钢柱一起发生弹性变形，一直到转角θ1，当上钢柱转角达到θ1时，水平推力f作用在弧板间的弯矩(m＝f·h1)刚好等于滑移矩mslip，此时弧板处于相对滑动的临界状态；当水平推力f略微增大时，上下弧板发生相对滑动，直到转角θ2，此时螺栓杆和上弧板长槽孔壁刚好接触，在上下弧板发生相对滑动期间，水平推力f基本保持不变；当水平推力f继续增大，螺栓杆和上弧板孔壁相互挤压，钢柱底部弯矩继续增大，直到转角θ3，钢柱底部刚好发生屈服。

其中，滑移摩擦耗能节点的节点连接强度系数α可用滑移矩和柱底屈服时拼接处的弯矩值mslip/mx1来表示，这个比值可以反映从开始滑移到钢柱底部发生屈服时节点的拼接强弱，比值越大，拼接强度越高。

通过ansys进行有限元模拟，可以看出图8所示滞回曲线近乎于平行四边形，反映出节点较大的滑移变形特征。当卸载后反向加载时，节点刚度仍不变小，说明整体刚度退化不大。滞回曲线形状饱满，无捏拢现象，表明该节点形式具有良好的变形能力以及耗能能力。

实施例2

参见图2、图4，本实施例与实例1的设计方法和理论计算方法相同，不再赘述。与实施例1不同的是，上弧端板4和下弧端板5均采用凹式端板。

通过ansys进行有限元模拟，可以看出图9所示滞回曲线近乎于平行四边形，反映出节点较大的滑移变形特征。当卸载后反向加载时，节点刚度仍不变小，说明整体刚度退化不大。滞回曲线形状饱满，无捏拢现象，表明该节点形式具有良好的变形能力以及耗能能力，凹式节点承载力略低于凸式节点。

实施例3

参见图5，本实施例与实例1的设计方法和理论计算方法相同，不再赘述。与实施例1不同的是，下钢柱6采用变截面。

实施例4

参见图6，本实施例与实例1的设计方法和理论计算方法相同，不再赘述。与实施例2不同的是，下钢柱6采用变截面。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。