一种通过形状记忆合金连接的扩孔型高延性钢结构梁柱节点及其施工方法与流程

本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种通过形状记忆合金连接的扩孔型高延性钢结构梁柱节点及其施工方法，适用于抗震设防烈度较高的建筑结构中。

背景技术：

良好的延性和耗能能力是保证结构在遭遇强震作用时不发生倒塌破坏的关键因素，而节点的力学性能是影响整体结构抗震性能的关键因素之一。在美国的北岭地震和日本的阪神地震发生之前，工程界对钢结构梁柱节点主要采用全焊接连接或翼缘焊接、腹板螺栓连接等，但震后这些节点中的焊缝发生了脆性断裂。为提高连接节点的性能，中国、美国和日本等国家对钢结构节点展开了大量的研究工作，并提出了多种形式的节点连接方式。当前，采用端板连接的梁柱节点的延性较好，但其耗能能力有限，且端板与钢梁间仍采用焊缝连接，同样可能发生脆性断裂；采用狗骨式节点（在梁端上下翼缘处进行削弱）可使破坏发生在梁端，并满足强节点弱构件的抗震原则，但削弱翼缘会降低结构的承载能力；采用加强型节点可保证节点的承载能力，但板件间主要采用焊接连接，无法增大节点的延性，并加剧节点的脆性破坏。

另外，地震是偶然事件，具有诸多不确定因素，可能导致建筑物经历超设防烈度地震。2016年实施的《中国地震动参数区划图》中对部分地区的抗震设防烈度也提出了更高的要求，且当前国家日益重视建筑结构体系的震后功能快速恢复能力。因此，如何更加合理有效地提高钢结构梁柱节点的延性和耗能能力，并在震后可对连接节点进行快速修复，使相应结构能更好地满足当前需求，已成为建筑结构抗震研究的重要内容之一。

形状记忆合金是一种具有形状记忆、超弹性和高阻尼等特性的新型材料，并具有6%-8%的变形量和变形可恢复等优点。另外，扩孔型螺栓连接是一种通过高强螺栓在扩孔型螺栓孔中的摩擦滑移来增大连接的延性和耗能能力。在梁柱节点中合理设置形状记忆合金和扩孔型螺栓连接，可有效提高节点的变形和耗能，且有效减缓节点的损伤。

综上所述，对钢结构梁柱节点，宜进一步提高其变形及耗能能力，以及防止节点发生脆性破坏和改善其震后修复效率。因此，可在梁柱节点中合理布置形状记忆合金和扩孔型螺栓孔，并采用高强螺栓连接，使梁柱节点能更好地适应当前要求。基于此，本发明提出一种通过形状记忆合金连接的扩孔型高延性钢结构梁柱节点。

技术实现要素：

本发明主要提供一种通过形状记忆合金连接的扩孔型高延性钢结构梁柱节点及其施工方法，其目的在于进一步改善钢结构梁柱节点的变形及耗能能力，以及解决强震作用下梁柱间焊缝断裂所引起的脆性破坏的可能，并提高连接节点的震后修复效率。

本发明采用的技术方案为：一种通过形状记忆合金连接的扩孔型高延性钢结构梁柱节点，主要包括钢柱、钢梁、方钢管、角钢、加劲肋、形状记忆合金螺栓杆和高强螺栓，其特征在于：所述角钢包括角钢ⅰ和角钢ⅱ；所述钢梁的翼缘外表面从钢柱侧面由内至外均分别设置方钢管和角钢ⅰ；所述方钢管和钢梁的翼缘经高强螺栓相连；所述角钢ⅰ和钢梁的翼缘经高强螺栓相连；所述形状记忆合金螺栓杆两端分别穿过钢柱的翼缘和方钢管并固定在角钢ⅰ上；所述钢梁的腹板上开有扩孔型螺栓孔；所述钢梁的腹板和钢柱的翼缘经角钢ⅱ和高强螺栓相连；所述钢柱与钢梁之间留有空隙；所述加劲肋包括加劲肋ⅰ和加劲肋ⅱ。

进一步地，上述加劲肋ⅰ与钢梁翼缘在同一水平位置；所述加劲肋ⅰ与钢梁翼缘等厚，所述加劲肋ⅰ对称布置在钢柱腹板两侧；所述加劲肋ⅰ与钢柱上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接。

进一步地，上述加劲肋ⅱ焊接在角钢ⅰ中间位置处；所述加劲肋ⅱ与钢梁腹板等厚；所述加劲肋ⅱ与角钢ⅰ两角边间采用角焊缝连接。

进一步地，上述钢柱翼缘和方钢管、方钢管和角钢ⅰ在同一位置处开均有等直径的普通螺栓孔。

进一步地，上述所述钢梁翼缘和方钢管、钢梁翼缘和角钢ⅰ在同一位置处开有等直径的普通螺栓孔。

进一步地，上述角钢ⅱ的一外侧面贴于钢柱翼缘；所述角钢ⅱ的另的一外侧面贴于钢梁腹板；所述角钢ⅱ和钢柱翼缘在同一位置处开有等直径的普通螺栓孔。

进一步地，上述扩孔型螺栓孔的扩孔方向与钢梁纵向中轴线平行；所述角钢ⅱ在与钢梁腹板扩孔型螺栓孔的相应位置处开有普通螺栓孔；所述普通螺栓孔和扩孔型螺栓孔在同一位置处的中心重合。

本发明的另一技术方案在于：一种通过形状记忆合金连接的扩孔型高延性钢结构梁柱节点的施工方法，其特征在于，施工方法及步骤为：

a.在钢柱翼缘与方钢管、钢柱翼缘与角钢ⅱ贴合处的对应位置分别开普通螺栓孔；

b.在梁端腹板上开设扩孔型螺栓孔，梁端翼缘对应位置处开普通螺栓孔；

c.在方钢管和角钢ⅰ对应位置处开普通螺栓孔；

d.加劲肋ⅰ与梁上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接；

e.加劲肋ⅱ与角钢ⅰ间采用角焊缝连接；

f.通过高强螺栓将钢柱、钢梁、方钢管、角钢ⅰ和角钢ⅱ在对应位置处连接，且扩孔型螺栓孔、普通螺栓孔和高强螺栓的中心线需重合。

进一步地，上述施工方法的步骤a、b、c、d、e中的焊接及开孔工艺在工厂中进行。

进一步地，上述施工方法步骤f中的螺栓连接工艺在现场进行。

本发明具有以下有益效果：

1.该钢结构梁柱节点不仅可通过形状记忆合金螺栓杆变形耗能，还可通过钢梁腹板上高强螺栓在扩孔型螺栓孔中的摩擦滑移变形耗能，具有很强的变形能力和良好的耗能能力；

2.该钢结构梁柱节点中的形状记忆合金螺栓杆具有较强的变形恢复能力，且不会产生塑性，震后可自动恢复到初始状态；

3.该钢结构梁柱节点间未采用焊缝连接，避免了连接发生脆性破坏的可能，进一步提高节点的延性；

4.该连接节点大部分工序都在工厂制作，现场施工简单，且震后可快速更换损伤的构件，预期能实现可观的经济效益。

本发明的钢柱与钢梁间采用形状记忆合金螺栓杆和高强螺栓连接，并在钢梁腹板上开扩孔型螺栓孔，以提高钢梁的变形能力和节点的耗能能力，同时形状记忆合金螺栓杆具有超弹性功能，震后可自复位到初始状态，使节点的震后修复工作为得简易。本发明具有施工方便和震后可快速修复等优点，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的a-a剖面图。

图3是图1的b-b剖面图。

图4是图1的c-c剖面图。

图5是本发明的梁构造示意图。

图6是本发明的方钢管构造示意图。

图7是图6的d-d剖面图。

图8是本发明的角钢ⅰ构造示意图。

图9是图8的e-e剖面图。

图10是本发明的角钢ⅱ构造示意图。

图11是图10的f-f剖面图。

图中：1、钢柱；2、钢梁；3、方钢管；4、角钢ⅰ；5、角钢ⅱ；6、加劲肋ⅰ；7、加劲肋ⅱ；8、形状记忆合金螺栓杆；9、高强螺栓；10、普通螺栓孔；11、扩孔型螺栓孔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

如图1-11所示，一种通过形状记忆合金连接的扩孔型高延性钢结构梁柱节点，包括钢柱1、钢梁2、方钢管3、角钢、加劲肋、形状记忆合金螺栓杆8和高强螺栓9，其特征在于：所述角钢包括角钢ⅰ4和角钢ⅱ5；所述钢梁2的翼缘外表面从钢柱1侧面由内至外均分别设置方钢管3和角钢ⅰ4；所述方钢管3和钢梁2的翼缘经高强螺栓9相连；所述角钢ⅰ4和钢梁2的翼缘经高强螺栓9相连；所述形状记忆合金螺栓杆8两端分别穿过钢柱1的翼缘和方钢管3并固定在角钢ⅰ4上；所述钢梁2的腹板上开有扩孔型螺栓孔11；所述钢梁2的腹板和钢柱1的翼缘经角钢ⅱ5和高强螺栓9相连；所述钢柱1与钢梁2之间留有空隙；所述加劲肋包括加劲肋ⅰ6和加劲肋ⅱ7。

所述加劲肋ⅰ6与钢梁2翼缘在同一水平位置；所述加劲肋ⅰ6与钢梁2翼缘等厚，所述加劲肋ⅰ6对称布置在钢柱1腹板两侧；所述加劲肋ⅰ6与钢柱1上、下翼缘及腹板间采用角焊缝连接。

所述加劲肋ⅱ7焊接在角钢ⅰ4中间位置处；所述加劲肋ⅱ7与钢梁2腹板等厚；所述加劲肋ⅱ7与角钢ⅰ4两角边间采用角焊缝连接。

所述钢柱1翼缘和方钢管3、方钢管3和角钢ⅰ4在同一位置处开均有等直径的普通螺栓孔10

所述所述钢梁2翼缘和方钢管3、钢梁1翼缘和角钢ⅰ4在同一位置处开有等直径的普通螺栓孔10。

所述角钢ⅱ5的一外侧面贴于钢柱1翼缘；所述角钢ⅱ5的另的一外侧面贴于钢梁2腹板；所述角钢ⅱ5和钢柱1翼缘在同一位置处开有等直径的普通螺栓孔10。

所述扩孔型螺栓孔11的扩孔方向与钢梁2纵向中轴线平行；所述角钢ⅱ5在与钢梁2腹板扩孔型螺栓孔11的相应位置处开有普通螺栓孔10；所述普通螺栓孔和扩孔型螺栓孔在同一位置处的中心重合。

本发明的施工方法为：

本发明所述的一种通过形状记忆合金连接的扩孔型高延性钢结构梁柱节点及其施工方法，其施工方法如下：在工厂经角焊缝将钢柱1的上、下翼缘和腹板与加劲肋ⅰ6焊接，并在钢柱1翼缘上开普通螺栓孔10；在钢梁2翼缘上开普通螺栓孔10，并在钢梁2腹板上开扩孔型螺栓孔11；在工厂制作方钢管3，并在方钢管3上开普通螺栓孔10；在工厂经角焊缝将角钢ⅰ4和加劲肋ⅱ7焊接，并在角钢ⅰ4上开普通螺栓孔10；在工厂制作角钢ⅱ5，并在角钢ⅱ5上开普通螺栓孔10。将制作好的以上构件运至现场。将钢梁2翼缘与加劲肋ⅰ6对齐，通过角钢ⅱ5和高强螺栓9将钢柱1翼缘与钢梁2腹板相连，且高强螺栓9、普通螺栓孔10和扩孔型螺栓孔11的中心线在同一位置处需重合；将钢梁2翼缘、方钢管3和角钢ⅰ4对齐，通过高强螺栓9将钢梁2和方钢管3、钢梁2和角钢ⅰ4连接；将钢柱1、方钢管3和角钢ⅰ4对齐，通过形状记忆合金螺栓杆8将钢柱1、方钢管3和角钢ⅰ4连接，由此可形成如图1所示的通过形状记忆合金连接的扩孔型高延性钢结构梁柱节点。

本发明采用形状记忆合金螺栓杆和高强螺栓在扩孔型螺栓孔中的摩擦滑移的双重变形及耗能机制，可有效提高该梁柱节点的变形和耗能能力。另外，该连接节点中梁柱间未有焊缝连接，避免了由焊缝断裂所引起的脆性破坏的可能。该钢结构梁柱节点具有震后自复位、施工方便和震后修复简单等优点，可用于抗震设防烈度较高的建筑结构中。