一种耗能减震钢框架节点及其设计方法与流程

本发明涉及建筑领域，具体是一种耗能减震钢框架节点及其设计方法。

背景技术

钢框架，由钢梁和钢柱组成，能承受垂直和水平荷载的结构，具有自重轻、结构性能好、工业化程度高和施工速度快等优点，广泛被用于大跨度或高层或荷载较重的工业与民用建筑，且一般布置在建筑物的横向，以承受屋面或楼板的恒载、雪荷载、使用荷载及水平方向的风荷载及地震荷载等。

但由于钢框架自身的刚度较大，易受地震作用影响。而且，现有钢框架，其节点一般为刚性节点，减震耗能相对差，节点易被破坏。另一方面，钢框架节点破坏后较难维护，造价较高。

为此，本发明提出一种新的耗能减震钢框架节点及其实现方法，用于解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种耗能减震钢框架节点及其设计方法，用于解决钢框架节点的减震耗能问题。还用于提高钢框架节点维护的便利性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种耗能减震钢框架节点，包括框架柱和框架梁；所述的框架梁包括框架梁上翼缘板和框架梁下翼缘板；

所述框架梁上翼缘板的端部通过上连接板固定在框架柱上，所述框架梁下翼缘板的端部通过耗能构件固定安装在框架柱上；

所述的耗能构件位于所述框架梁的底部。

其中，所述的耗能构件包括至少四个抗剪螺栓和自下向上依次分布的下连接板、粘弹性材料层和刚性连接件；所述抗剪螺栓的数量为偶数个；

所述的下连接板、粘弹性材料层和刚性连接件自下向上依次粘合连接成一整体构件；

所述的刚性连接件上设有用于穿过并限位抗剪螺栓的若干个长条形限位孔，各所述长条形限位孔的长度方向沿框架梁的长度方向分布；

所述的下连接板、粘弹性材料层和框架梁下翼缘板上分别设有与上述各所述的长条形限位孔和抗剪螺栓配合使用的相应的安装孔，所述的下连接板、粘弹性材料层、刚性连接件和框架梁下翼缘板通过所述的抗剪螺栓、安装孔和长条形限位孔螺栓连接；

在各抗剪螺栓在螺栓连接所述的下连接板、粘弹性材料层、刚性连接件和框架梁下翼缘板后，各抗剪螺栓均分成两排并排分布的第一组螺栓组和第二螺栓组，第一组螺栓组内的抗剪螺栓与第二螺栓组内的抗剪螺栓位置相对，两个螺栓组组内的各抗剪螺栓分别沿框架梁的长度方向均匀分布；

所述的框架梁下翼缘板与所述的刚性连接件固定连接；

所述的下连接板与所述的框架柱固定连接。

其中，所述的刚性连接件采用工字型钢，所述的长条形限位孔对应设置在刚性连接件的两个翼缘板上。

其中，上连接板和下连接板均采用t型钢板；

上连接板的横部与框架梁的框架梁上翼缘板固定连接、竖部与框架柱固定连接，上连接板的横部和竖部整体呈t型分布；

下连接板的竖部与框架柱固定连接、横部通过各所述的抗剪螺栓与所述的整体构件和框架梁下翼缘板固定连接，下连接板的横部和竖部整体呈t型分布。

其中，上连接板的横部通过高强螺栓与所述的框架梁上翼缘板固定连接，上连接板的竖部通过高强螺栓与框架柱固定连接；

下连接板的竖部通过高强螺栓与框架柱固定连接；

刚性连接件的上端通过高强螺栓与所述的框架梁下翼缘板固定连接。

其中，下连接板与粘弹性材料层的接触面之间、以及刚性连接件与粘弹性材料层的接触面之间，分别采用高温高压硫化方法粘合连接。

其中，所述的框架梁和框架柱均采用工字型钢。

本发明还提供了一种基于上述耗能减震钢框架节点的耗能减震钢框架节点的设计方法，包括以下步骤：

基于公式hv＝dy/0.05和确定所述粘弹性材料层的厚度hv和单层剪切面积ad；

基于公式确定所述抗剪螺栓的直径d；

将具有上述确定出的直径d的抗剪螺栓，自上向下依序穿过将所述的框架梁下翼缘板上预先开设的相应安装孔、刚性连接件上预先开设的相应长条形限位孔、粘弹性材料层上预先开设的相应安装孔、以及所述下连接板上预先开设的相应安装孔，并紧固；将所述的框架梁下翼缘板与所述的刚性连接件的上端固定连接；将所述的下连接板与所述的框架柱固定连接；所述的框架梁上翼缘板通过上连接板固定在框架柱上；其中所述粘弹性材料层的厚度为上述确定出的hv，并且该所述的粘弹性材料层的单层剪切面积为上述确定出的ad；

其中式中：vi为钢框架第i层的层间剪力，g'为粘弹性材料层的储存剪切模量，取1200kn/m²；ud为粘弹性材料层的水平位移值，dy为粘弹性材料层的屈服位移值，其中dsy为当前钢框架节点所在钢框架的结构层间屈服位移限值；为各所述抗剪螺栓的抗剪设计值，π为圆周率。

其中，下连接板与粘弹性材料层的接触面之间、以及刚性连接件与粘弹性材料层的接触面之间，分别采用高温高压硫化方法粘合连接。

其中，所述的框架梁和框架柱均采用工字型钢。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明所述的耗能减震钢框架节点及其实现方法，其框架梁包括框架梁上翼缘板和框架梁下翼缘板，框架梁上翼缘板通过上连接板固定在框架柱上、框架梁下翼缘板通过耗能构件固定安装在框架柱上，从而把传统钢框架的刚性节点改为抗震耗能的节点，这可在一定程度上解决钢框架节点的减震耗能问题。

(2)本发明所述的耗能减震钢框架节点及其实现方法，其耗能构件包括抗剪螺栓和下连接板、粘弹性材料层和刚性连接件，其中下连接板、粘弹性材料层和刚性连接件自下向上依次粘合连接成一整体构件，所述的刚性连接件上设有用于穿过并限位抗剪螺栓的若干个长条形限位孔，各所述长条形限位孔的长度方向沿框架梁的长度方向分布，在地震过程中，耗能构件中的粘弹性材料层首先发生剪切滞回变形，从而消耗能量抵抗地震(第一阶段)，而随着地震作用的增加，抗剪螺栓发生剪切塑性变形(第二阶段)，进而进一步消耗地震能量，可见耗能构件的引入，增加了钢框架节点的阻尼，消耗了地震输入结构中的能量，从而达到减震耗能、保护钢框架节点的目的。

(3)本发明所述的耗能减震钢框架节点及其实现方法，其上连接板分别通过高强螺栓与所述的框架梁上翼缘板及框架柱固定连接、下连接板的竖部通过高强螺栓与框架柱固定连接，便于框架柱和框架梁的组装与拆卸，一定程度上便于框架柱和框架梁的单独更换，一定程度上有助于在遭遇地震时降低维护成本。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明所述耗能减震钢框架节点的结构示意图。

图2为图1中a处的结构示意图。

图2-1为图1中a处的第一立体结构示意图。

图2-2为图2-1中所示第一立体结构的主视图示意图。

图2-3为图1中a处的侧视图。

图2-4为图1中a处的局部结构示意图。

图3为本发明中各所述抗剪螺栓的结构示意图。

图4为本发明中各所述高强螺栓的结构示意图。

图5为本发明中所述上连接板的局部结构示意图。

图6为本发明中所述下连接板的局部结构示意图。

图7为本发明中所述框架梁的局部结构示意图。

图8为本发明中所述框架柱的局部结构示意图。

图9为图1中a处的放大示意图。

图10为图1中b处的放大示意图。

图11为本发明所述耗能构件的受力分析图。

图中，1-框架柱，2-框架梁，2.1-框架梁上翼缘板，2.2-框架梁下翼缘板，3-下连接板，3.1-横部，3.2-竖部，4-刚性连接件，4.1-上翼缘板，4.2-下翼缘板，5-粘弹性材料层，6-抗剪螺栓，7-高强螺栓，8-上连接板，8.1-横部，8.2-竖部。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1-10、图2-1、2-2、2-3和图2-4。图1-10、图2-1、2-2、2-3和图2-4为本发明所述耗能减震钢框架节点的一种具体实施方式。在本实施方式中，该耗能减震钢框架节点包括垂直分布的框架柱1和框架梁2。框架梁2和框架柱1均采用工字型钢，包括框架梁上翼缘板2.1和位于框架梁上翼缘板2.1下方的框架梁下翼缘板2.2。框架梁上翼缘板2.1通过上连接板8固定在框架柱1上，框架梁下翼缘板2.2通过耗能构件固定安装在框架柱1上。所述的耗能构件位于所述框架梁2的底部。本发明所述的耗能减震钢框架节点，在抗侧力体系中，竖向荷载由框架柱1承担，水平荷载由钢框架节点承担，在一定程度上解决了钢框架节点的减震耗能问题。

在本实施方式中，所述的耗能构件包括四个抗剪螺栓6和自下向上依次分布的下连接板3、粘弹性材料层5和刚性连接件4。所述的框架梁下翼缘板2.2与所述的刚性连接件4的上端固定连接，所述的下连接板3与所述的框架柱1固定连接。

框架梁下翼缘板2.2的下端面与刚性连接件4的顶部粘合连接，刚性连接件4的底部与粘弹性材料层5的顶部粘合连接。所述的下连接板3、粘弹性材料层5和刚性连接件4自下向上依次粘合连接成一整体构件。刚性连接件4上设有用于穿过并限位抗剪螺栓6的若干个长条形限位孔，各所述长条形限位孔的长度方向沿框架梁的长度方向分布。所述的下连接板3、粘弹性材料层5和框架梁下翼缘板2.2上分别设有与上述各所述的长条形限位孔和抗剪螺栓6配合使用的相应的安装孔(螺栓孔)，所述的下连接板3、粘弹性材料层5、刚性连接件4和框架梁下翼缘板2.2通过所述的抗剪螺栓6、安装孔和长条形限位孔螺栓连接。所述的刚性连接件4采用工字型钢，包括上翼缘板4.1和下翼缘板4.2，上翼缘板4.1与框架梁下翼缘板2.2通过高强螺栓7固定连接，上翼缘板4.1和下翼缘板4.2上对应设有如上所述的长条形限位孔，抗剪螺栓6在使用时均穿过上翼缘板4.1和下翼缘板4.2上相应的长条形限位孔。

在本实施方式中，各所述长条形限位孔的宽度略大于抗剪螺栓6的直径，方便抗剪螺栓6的安装与拆卸。另外在本实施方式中，抗剪螺栓6在螺栓连接所述的下连接板3、粘弹性材料层5、刚性连接件4和框架梁下翼缘板2.2时，其初始状态为，抗剪螺栓6垂直穿过其所对应的长条形限位孔的正中心，不仅便于抗剪螺栓6的剪切塑性变形，还可在一定程度上达到保护抗剪螺栓6的目的。

另外，在本实施方式中，在各抗剪螺栓6在螺栓连接所述的下连接板3、粘弹性材料层5、刚性连接件4和框架梁下翼缘板2.2后，各抗剪螺栓6均分成两排并排分布的螺栓组，即第一组螺栓组和第二螺栓组，第一组螺栓组和第二螺栓组中均分别有两个抗剪螺栓6，第一组螺栓组内的两个抗剪螺栓6与第二螺栓组内的两个抗剪螺栓6位置相对(一一对应)，同一螺栓组组内的各抗剪螺栓6分别沿框架梁2的长度方向分布；同一螺栓组组内的各抗剪螺栓6对应穿过刚性连接件4上相同的长条形限位孔。

本发明所述的耗能减震钢框架节点，其抗剪螺栓用于抗剪，抗剪螺栓与刚性连接件作为耗能构件的主体结构，为钢框架节点提供了刚度保证，增强了结构耗能能力的同时也提高了结构的抗震能力。

在本实施方式中，上连接板8和下连接板3均采用t型钢板，参照图1和2。上连接板8的横部8.1与框架梁2的框架梁上翼缘板2.1通过高强螺栓7固定连接，上连接板8的竖部8.2与框架柱1通过高强螺栓7固定连接。上连接板8的横部8.1和竖部8.2整体呈t型分布。下连接板3的竖部3.2与框架柱1通过高强螺栓7固定连接，下连接板3的横部3.1通过各所述的抗剪螺栓6与所述的粘弹性材料层5、刚性连接件4及框架梁下翼缘板2.2可拆卸连接。下连接板3的横部3.1和竖部3.2整体呈t型分布。

在本实施方式中，下连接板3与粘弹性材料层5的接触面之间、以及刚性连接件4与粘弹性材料层5的接触面之间，分别通过高温高压硫化的方法的粘合连接。可见所述下连接板3、粘弹性材料层5及刚性连接件4三者被粘合成一个整体，不仅使粘弹性材料层5在侧向力作用下发生剪切变形从而耗能，避免粘弹性材料层5与下连接板3及刚性连接件4发生滑移而失去耗能作用，另外还有助于耗能构件的快速安装与拆卸。

综上，本发明所述的耗能减震钢框架节点，其框架梁上翼缘板2.1通过上连接板8(通过高强螺栓)可拆卸地固定安装在框架柱1上，其框架梁下翼缘板2.2通过耗能构件(通过高强螺栓)可拆卸地固定安装在框架柱1上，装卸方便，便于维护，且将传统钢框架的刚性节点改为了抗震耗能的节点，其在地震过程中，耗能构件的粘弹性材料层5首先发生剪切滞回变形，从而消耗能量抵抗地震(第一阶段)，而随着地震作用的增加，抗剪螺栓6发生剪切塑性变形(第二阶段)，进而进一步消耗地震能量，可见耗能构件的引入，增加了钢框架节点的阻尼，消耗了地震输入结构中的能量，从而达到减震耗能、保护钢框架节点的目的。

另外，与上述所述的耗能减震钢框架节点相对应地，本发明还提供了一种耗能减震钢框架节点的设计方法。在本实施方式中，该所述的耗能减震钢框架节点的设计方法包括步骤：

(1)确定所述粘弹性材料层5的厚度hv及单层剪切面积ad；

(2)确定所述抗剪螺栓6的尺寸d；

(3)将具有上述确定出的直径d的抗剪螺栓6，自上向下依序穿过将所述的框架梁下翼缘板2.2上预先开设的相应安装孔、刚性连接件4上预先开设的相应长条形限位孔、粘弹性材料层5上预先开设的相应安装孔、以及所述下连接板3上预先开设的相应安装孔，并紧固；将所述的框架梁下翼缘板2.2与所述的刚性连接件4的上端固定连接；将所述的下连接板3与所述的框架柱1固定连接；所述的框架梁上翼缘板2.1通过上连接板8固定在框架柱1上；其中所述粘弹性材料层5的厚度为上述确定出的hv，并且该所述的粘弹性材料层5的单层剪切面积为上述确定出的ad。

(一)上述步骤(1)中对所述粘弹性材料层5的厚度hv及单层剪切面积ad的确定：

1.地震作用下层间剪力v1＝f/n，f为水平地震力，节点剪力v2＝mp/h，mp为节点柱的塑性弯矩，h为层高、n为框架的榀数，则计算剪力vi＝max{v1,v2}。本实施方式中取一榀进行计算。

2.在地震荷载作用下，粘弹性材料层5的屈服力pd应小于钢框架结构的层间剪力vi(通过计算求得并作为已知量)

pd＜vi①

由粘弹性材料层5的受力方式可得：

pd＝2·τ·ad②

式中τ为粘弹性材料层5的剪切应力，kd为钢框架节点的刚度系数，g'为粘弹性材料层5的储存剪切模量，取1200kn/m²；ud为粘弹性材料层5的水平位移(参见图11)，取粘弹性材料层5的屈服位移值dy，根据《建筑抗震设计规范》中公式(12.3.6-2)确定dy，dsy为结构层间屈服位移限值。

hv为竖向相邻两片剪切钢板间粘弹性材料层5的厚度，为满足抗震要求，粘弹性材料层5的厚度hv应满足tanγ为粘弹性材料剪切角正切值，取tanγ＝1。因此根据水平剪切应变来确定粘弹性材料层5的厚度，即hv＝dy/0.05满足抗震要求。从而有，所述粘弹性材料层5的厚度hv的计算公式为：hv＝dy/0.05，式中dy为粘弹性材料层5的屈服位移值。

另外，根据上述公式①、②和③得，所述粘弹性材料层5的单层剪切面积ad的计算公式为：

(二)上述步骤(2)中对所述抗剪螺栓6的直径d的确定：

基于结构构造，初步设置抗剪螺栓6的个数为4个，满足一般结构设计要求。

假定耗能构件内抗剪螺栓6只承受剪力和拉力(弯矩)，在弯矩作用下抗剪螺栓6受力为：

在剪力作用下，抗剪螺栓6受力为：

nv＝vi/4，⑤

抗剪螺栓6在拉力和剪力共同作用下，需满足公式：

单个抗剪螺栓6的承载力设计值为：

单个抗剪螺栓6的承压承载力设计值

式中nt、nv依序对应为单个抗剪螺栓6所承受的剪力和拉力；依序对应为单个抗剪螺栓6的抗剪、承压、抗拉承载力设计值，yi为上述任意螺栓组(第一螺栓组或第二螺栓组)组内任意两相邻抗剪螺栓6之间的距离，m为抗剪螺栓的列数，nv为抗剪螺栓6受剪面数。∑t为刚性连接件4的单个翼缘板板厚和下连接板3的横部的板厚的厚度和，依序对应为抗剪螺栓6的抗剪、孔壁承压强度设计值。

综上④～⑧即可得出：

所述抗剪螺栓6的直径d的计算公式为：

式中π为圆周率。

需要说明的是，本发明中所涉及的各方位词，均以图1为基准。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式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方式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方式技术方案的范围。