一种新型装配式耗能钢框架的制作方法

本发明属于结构工程抗震技术领域，涉及一种新型装配式耗能钢框架。

背景技术：

为发挥钢结构延性好，变形和耗能能力强的特点，钢框架通常以“强柱弱梁”为设计原则，在地震作用下使梁端产生塑性铰，形成结构的第一道防线以实现延性破坏。然而，1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震中，钢框架梁端并未出现预期的塑性铰，而是在梁柱连接处发生了大量脆性破坏。此后，为避免结构脆性破坏，设计者在梁端设置了削弱区，使变形集中在这一区域以形成塑性铰。虽然削弱型节点可以有效防止钢框架发生脆性破坏，但在结构侧移较大时，其承载力会出现大幅下降，耗能能力十分有限，且地震后结构难以修复。为了提高钢框架的耗能能力，以及改善框架震后的修复问题，设计者将梁段间的削弱区替换为耗能装置。但这种设置耗能装置的钢框架仍存在以下弊端：①传统耗能装置的耗能能力有限，致其钢框架耗能性能较低，且在较大侧移时承载力出现下降；②耗能装置设置在翼缘时会承受很大的水平力，使其螺栓连接处发生滑移，进而降低其耗能性能；③耗能装置的设置方式加大了震后结构修复的难度，难以实现震后快速修复。

以上技术缺陷不仅降低了框架的承载力和耗能能力，而且为震后整体建筑的快速修复带来了较大困难。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述传统的装有削弱型节点的装配式钢框架所存在的问题，提出了一种承载能力稳定，具有良好的耗能能力，震后可快速修复的新型装配式耗能钢框架。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种新型装配式耗能钢框架包括柱1、长梁段2、短梁段3、耗能段；所述的柱1与短梁段3焊接连接，长梁段2和短梁段3通过耗能段螺栓连接，以实现钢框架的可装配性。

所述的耗能段包括两套翼缘连接件和两块腹板连接板4。长梁端和短梁端上、下翼缘分别设置一套翼缘连接件，每套翼缘连接件通过螺栓群连接长梁段2的翼缘和短梁段3的翼缘。长梁端和短梁端腹板的两侧分别设置一块腹板连接板4，每块腹板连接板4通过螺栓群连接长梁段2的腹板和短梁段3的腹板。

所述的翼缘连接件包括两块垫板5、一块耗能板6、一套矩形钢管7和两套抗剪装置。

所述的垫板5的横截面为矩形，沿长度方向的厚度不变，垫板5沿长度方向按横截面宽度的变化依次为垫板宽段、垫板窄段和垫板渐变段，垫板宽段和垫板窄段之间通过圆弧过渡，垫板渐变段的宽度逐渐减小，垫板渐变段的宽度减小值与其对应长度之比大于1:2。

所述的耗能板6的横截面为矩形，沿长度方向厚度不变，按横截面宽度的变化沿长度方向依次为耗能板宽段、耗能板次宽段、耗能板窄段、耗能板次宽段和耗能板宽段；耗能板宽段和耗能板次宽段之间、耗能板次宽段和耗能板窄段之间都通过圆弧过渡，耗能板窄段中间设有凸起部件；所述凸起部件长度方向分别为圆弧段、水平段和圆弧段，凸起部件的长度占耗能板窄段长度的1/50，凸起部件突出耗能板窄段的宽度为10mm。

所述的耗能板宽段比垫板宽段宽20mm，长20mm；耗能段次宽段的长度比垫板窄段与垫板渐变段的长度之和长20mm；耗能板宽段的中心与垫板宽段的中心相对应且两者焊接连接，耗能板次宽段与垫板窄段和垫板渐变段焊接。

所述的矩形钢管7由四块钢板通过螺栓装配而成；四块钢板罗列成三层，第一层是一块完整的矩形钢板；第二层是两块钢板，分列第一块钢板的两侧，第二层的钢板沿长度方向按宽度变化依次为钢板窄段、钢板圆弧过渡段、钢板宽段、钢板圆弧过渡段和钢板窄段，钢板宽段的中间设置凹槽与耗能板6的凸起部件契合，并为凸起部件的变形留有空间；第三层是一块两端开有矩形槽的矩形钢板，矩形槽的宽度比垫板窄段宽度宽20mm，矩形槽的长度由耗能板6的轴向变形、垫板窄段的长度和垫板渐变段的长度确定。

所述矩形钢管7包围耗能板6，耗能板6和矩形外套之间在横向和竖向上有间隙，横向间隙为释放耗能板6的泊松效应，竖向间隙由耗能板6的剪切变形确定，矩形钢管7的长度由耗能板6的纵向变形和耗能板窄段的长度确定。

所述的抗剪装置包括挤压装置和抗剪键11。挤压装置和抗剪键11分别设置在同一块垫板宽段的两端。挤压装置包括固定钢条8、摩擦钢条9，固定钢板10和螺栓。固定钢条8和摩擦钢条9截面均为直角梯形，斜面的斜率相同，长度与梁的翼缘宽度相同。固定钢板10上开有螺栓孔，固定钢板10焊接在摩擦钢条9上端，螺栓可穿过螺栓孔对摩擦钢块施加压力。固定钢条8焊接在梁的翼缘上，摩擦钢条9的斜面与固定钢条8的斜面挤压接触，摩擦钢条9的竖直面与垫板宽段的端部挤压接触。抗剪键11由两个长方体钢块组成，长方体钢块焊接在梁的翼缘上。

本发明耗能段包括翼缘连接件和腹板连接件，在地震作用下，连接件钢板屈服以耗散能量。翼缘连接件外部设有矩形钢管，以约束其平面外变形，使整体结构具有稳定的承载能力和优良的耗能能力。翼缘连接件的垫板两端设有抗剪装置，可防止翼缘连接件发生滑移，保证耗能段的耗能性能。

本发明的有益效果为：地震下，框架的塑性变形能控制在耗能段上，保证结构的主要构件(柱、长梁段和短梁段)保持始终保持弹性，耗能效果良好且强度不会有明显的下降。震后修复时，只需更换耗能段即可使结构恢复使用。本发明适用于框架结构体系。

附图说明

图1是本发明实施例的安装示意图；

图2是本发明实施例垫板和耗能板的安装示意图；

图3是本发明实施例耗能板和矩形钢管的安装示意图；

图4是本发明实施例腹板连接板的示意图；(a)为腹板连接板的主视图，(b)为腹板连接板的左视图，(c)为腹板连接板的俯视图。

图5是本发明实施例垫板的示意图；(a)为垫板的主视图，(b)为垫板的左视图，(c)为垫板的俯视图。

图6是本发明实施例耗能板的示意图；(a)为耗能板的主视图，(b)为耗能板的左视图，(c)为耗能板的俯视图。

图7是本发明实施例矩形钢管的装配示意图；(a)为矩形钢管的主视图，(b)为矩形钢管的左视图，(c)为矩形钢管的俯视图，(d)为组成矩形钢管第一层的钢板，(e)为组成矩形钢管第二层的钢板，(f)为组成矩形钢管第三层的钢板。

图8是本发明实施例抗剪装置的装配示意图；(a)为翼缘连接件装配示意图，(b)为抗剪键的主视图，(c)为抗剪键的俯视图，(d)为固定钢条的主视图，(e)为固定钢条的俯视图，(f)为摩擦钢条的主视图，(g)为摩擦钢条的俯视图，(h)为固定钢板的主视图，(i)为固定钢板的俯视图。

图中：1柱，2长梁段，3短梁段，4腹板连接板，5垫板，6耗能板，7矩形钢管，8固定钢条，9摩擦钢条，10固定钢板，11抗剪键。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本实施例的安装示意图。本实例由短梁段3，长梁段2，腹板连接板4，垫板5，耗能板6，矩形钢管7，抗剪装置，柱1，节点加劲肋，摩擦型高强螺栓组成。组装时，矩形钢管7在耗能板6上，耗能板6的两端分别焊接垫板5，作为一个整体在长梁段2和短梁段3的上下翼缘分别对称设置，通过摩擦型高强螺栓群分别连接在长梁段2和短梁段3的翼缘上。腹板连接板4在长梁段2和短梁段3的腹板两侧分别对称设置，通过摩擦型高强螺栓群连接在长梁段2和短梁段3的腹板上。

图2是本发明实施例垫板5和耗能板6的安装示意图。耗能板宽段的中心与垫板宽段的中心相对应且两者焊接连接，耗能板次宽段与垫板窄段和垫板渐变段焊接。垫板5为耗能板6的剪切变形和矩形钢管7的转动预留出了空间。

图3是本发明实施例耗能板6和矩形钢管7的安装示意图。矩形钢管7包围耗能板6，耗能板6和矩形外套之间在横向和竖向上有间隙，间隙由耗能板6的竖向变形确定，矩形钢管7的长度由耗能板6的纵向变形和耗能板窄段的长度确定。矩形钢管7对耗能板6起到了约束作用，能够提高框架的承载能力以及耗能能力，且承载力更加稳定。

图4是本发明实施例垫板5的示意图。所述垫板5的横截面为矩形，沿长度方向的厚度不变，垫板5沿长度方向按横截面宽度的变化依次为垫板宽段、垫板窄段和垫板渐变段，垫板宽段和垫板窄段之间通过圆弧过渡，垫板渐变段的宽度逐渐减小，垫板渐变段的宽度减小值与其对应长度之比大于1:2。

图5是本发明实施例耗能板6的示意图。耗能板6横截面为矩形，沿长度方向厚度不变，按横截面宽度的变化沿长度方向依次为耗能板宽段、耗能板次宽段、耗能板窄段、耗能板次宽段和耗能板宽段；耗能板宽段和耗能板次宽段之间、耗能板次宽段和耗能板窄段之间都通过圆弧过渡，耗能板窄段中间有凸起部件。凸起部件长度方向分别为圆弧段、水平段和圆弧段；凸起部件的长度占耗能板窄段长度的1/50，凸起部件突出耗能板窄段的宽度为10mm。耗能板窄段的横截面积由承载力要求确定，通过计算可以将塑性变形集中控制在耗能段，保证其余构件保持在弹性范围内。

图6是本发明实施例矩形钢管7的示意图。矩形钢管7由四块钢板通过螺栓装配而成；四块钢板罗列成三层，第一层是一块完整的矩形钢板；第二层是两块钢板，分列第一块钢板的两侧，第二层的钢板沿长度方向按宽度变化依次为钢板窄段、钢板圆弧过渡段、钢板宽段、钢板圆弧过渡段和钢板窄段，钢板宽段的中间设置凹槽与耗能板6凸起部件契合，并为凸起部件的变形留有空间；第三层是一块两端开有矩形槽的矩形钢板，矩形槽的宽度比垫板窄段宽度宽20mm，矩形槽的长度由耗能板6的轴向变形、垫板窄段的长度和垫板渐变段的长度确定。外套在地震下始终处于弹性阶段，震后更换耗能段时外套可以重复使用。

图7是本发明实施例抗剪装置的示意图。抗剪装置由挤压装置和抗剪键11组成。挤压装置和抗剪键11分别设置在同一块垫板宽段的两端。挤压装置由四部分组成：一块固定钢条8、一块摩擦钢条9，一块固定钢板10和3-5个螺栓。固定钢条8和摩擦钢条9截面均为直角梯形，斜面的斜率相同，长度与梁的翼缘宽度相同。固定钢板10是一块矩形板，固定钢板10上开有3-5个螺栓孔。固定钢板10焊接在摩擦钢条9上端，螺栓可穿过固定钢板10对摩擦钢块施加压力。固定钢条8焊接在梁的翼缘上，摩擦钢条9的斜面与固定钢条8的斜面挤压接触，摩擦钢条9的竖直面与垫板宽段的端部挤压接触。抗剪键11由两个长方体钢块组成，长方体钢块焊接在梁的翼缘上。

本实施例普遍适用于框架结构体系。地震下，框架的塑性变形能控制在耗能段上，保证结构的主要构件保持弹性，耗能效果良好且强度不会有明显的下降。震后修复时，只需更换耗能段即可使结构恢复使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。