转动摩擦耗能-SMA耦合仿古建筑自复位钢节点及方法

本发明属于仿古建筑钢结构体系领域，涉及基于转动摩擦耗能-sma耦合的仿古建筑自复位钢节点及自复位方法。

背景技术：

古建筑在漫长的历史岁月中，由于建造材料(木材)的易翘曲开裂、易燃、易腐朽老化等缺点，完整存留至今的古建筑越来越少，抑或存在各种各样的残损问题。钢结构仿古建筑基于木结构古建筑的原型而设计，运用现代建造技艺及钢材模仿木结构古建筑的形制特征而建造。它不仅保持了中国古建筑的古典之美，还具有钢结构质量轻、抗震性能好、布局灵活等优点。

钢结构仿古建筑虽然形似古建筑，但其力学性能和古建筑有很大区别，钢结构仿古建筑梁-柱异形节点的受力机理和抗震性能是其整体结构体系研究的核心。钢结构仿古建筑梁-柱节点通常采用全焊连接，属于刚性节点，该类节点易在梁端翼缘与柱连接处的焊缝周围热影响区发生脆性破坏。此外，传统的梁-柱节点的设计方法导致结构体系在强震后产生一定的损伤和变形，甚至使结构难以修复而不能继续正常使用。

现有的研究主要通过增强结构本体的抗震性能来抵御地震作用，纯粹地依靠结构本体抵抗外部地震作用会在结构内部产生不可恢复的永久塑性损伤，未免代价过大。因此，提供一种基于转动摩擦耗能-sma耦合的仿古建筑自复位钢节点，对提高钢结构仿古建筑的防震减灾能力具有重要意义。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明基于优化节点构造形式来提高钢结构仿古建筑的抗震性能，提供了一种在梁-柱节点处设置转动摩擦耗能器和形状记忆合金连杆的钢结构仿古建筑自复位节点类型，该钢结构仿古建筑的梁柱节点能够在加载过程中消耗输入的地震能量，减小梁端翼缘和柱连接处焊缝周围热影响区发生脆裂断裂的可能性，显著提高梁柱节点的耗能能力和损伤自修复能力，减小震后的残余变形。另外，在转动摩擦耗能器的外部装饰为原有的栱的形状，既能提高仿古建筑钢结构体系的抗震性能，也保持了该结构体系的美观性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

根据本发明提供的一个实施例，本发明提供了一种基于转动摩擦耗能-sma耦合的仿古建筑自复位钢节点，包括由圆钢管下柱、方钢管上柱和矩形截面钢梁组成的梁柱节点，

方钢管上柱镶装到圆钢管下柱中，柱间留有间隙；

在圆钢管下柱和方钢管上柱连接处以及矩形截面钢梁之间设置有斗栱构件，斗栱构件包括下斗构件、栱构件和上斗构件，在栱构件内设转动摩擦耗能器，转动摩擦耗能器通过铰接上斗构件中的上支座连接矩形截面钢梁，通过下斗构件中的形状记忆合金连接件连接圆钢管下柱与方钢管上柱节点；

在方钢管上柱上轴压力和连接圆钢管下柱与方钢管上柱节点水平方向低周反复荷载作用下，转动摩擦耗能器中至少一块摩擦片沿方钢管上柱相对移动摩擦；形状记忆合金连接件沿方钢管上柱塑性变形。

优选的，所述圆钢管下柱与方钢管上柱节点为转换柱，方钢管上柱底部镶装在圆钢管下柱顶部的槽内，圆钢管下柱柱顶内设有方形加肋板，圆钢管下柱底部与方钢管上柱通过柱顶加强环焊接。

优选的，所述转动摩擦耗能器位于方钢管上柱和矩形截面钢梁之间。

优选的，所述转动摩擦耗能器包括柱连接件、梁连接件和中间连接件，柱连接件和梁连接件之间设有中间连接件，在中间连接件与柱连接件、梁连接件之间设有摩擦片，通过高强螺栓铰接柱连接件、中间连接件和梁连接件。

优选的，柱连接件与中间连接件平行连接，梁连接件与中间连接件呈120°夹角相连接。

优选的，柱连接件端部连接柱侧面连接板，一对柱侧面连接板通过连接形状记忆合金连杆连接在方钢管上柱上。

优选的，梁连接件端部铰接上支座，上支座通过梁底面水平板连接矩形截面钢梁。

优选的，所述下斗构件呈倒台基型，下表面内切于圆钢管下柱之中。

优选的，所述上斗构件呈倒台基型，上部与矩形截面钢梁焊接连接。

本发明进而提供了一种基于所述钢节点的转动摩擦耗能-sma耦合的仿古建筑自复位方法，包括：

在方钢管上柱上施加恒定轴压力，模拟实际结构中上部的竖向荷载，在水平方向施加低周反复荷载，模拟实际地震荷载；

方钢管上柱顶端沿水平方向移动，发生侧向位移；矩形截面钢梁与圆钢管下柱和方钢管上柱之间产生转角及相对位移；

转动摩擦耗能器通过摩擦片相对转动；在相对位移作用下，连接在方钢管上柱的形状记忆合金连接件产生塑性形变，去除外力后，变形恢复，梁柱节点达到自复位。

本发明具有以下有益效果：

1)在钢结构仿古建筑梁柱节点处设置转动型摩擦耗能器；在转动型摩擦耗能器与柱连接部位采用sma连杆连接；在转动摩擦耗能-sma耦合装置外侧设置斗栱装置。该装置在梁柱节点处设置斗栱结构，有效地保持了仿古建筑的美观性；利用转动型摩擦耗能器消耗加载过程中输入的地震能量，不但降低了梁端翼缘和柱连接处焊缝周围热影响区发生脆裂断裂的可能性，也避免了梁柱与斗栱结构焊接裂缝的开裂。

2)在转动摩擦耗能器与柱连接部位采用形状记忆合金(sma)连杆，利用sma连杆不但可以协同转动型摩擦耗能器减小传递到结构本体的地震能量，而且能在该节点产生变形时产生较好的恢复能力，实现结构中内部构件较小的塑性变形且损伤可控的目的，达到该梁柱节点在荷载作用下的自复位要求；转动摩擦耗能器和sma连杆共同耦合作用，可以为节点提供稳定的耗能和自复位能力，不但可以有效的提高该结构体系的抗震性能，而且也保持了该结构的美观性。

3)采用自复位钢节点，能够在仿古建筑中实现转动摩擦耗能-sma耦合的作用，避免传统结构体系在强震后产生不可恢复的永久塑性损伤，使结构难以修复无法继续正常使用的问题。为一种应用于仿古建筑中提高其防震减灾能力的性能良好的自复位钢节点。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是本发明的正面图；

图3是本发明的转动摩擦耗能器结构示意图；

图4是本发明的形状记忆合金连接件结构示意图；

图5是本发明的斗栱构件结构示意图；

图6是本发明梁-柱焊接截面图；

图7是本发明柱顶加强环与方形加肋板结构示意图。

其中，1为圆钢管下柱、2为方钢管上柱、3为矩形截面钢梁、4为方形加肋板、5为柱顶加强环、6为形状记忆合金连杆、7为上支座、8为柱侧面连接板、9为梁底面水平板、10为柱连接件、11为中间连接件、12为梁连接件、13为摩擦片、14为高强螺栓、15为螺栓垫片、16为下斗构件、17为栱构件、18为上斗构件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，一种基于转动摩擦耗能-sma耦合的仿古建筑自复位钢节点，包括由圆钢管下柱1、方钢管上柱2和矩形截面钢梁3组成的梁柱节点，在圆钢管下柱1和方钢管上柱2连接处设置有斗栱构件，斗栱构件包括下斗构件16、栱构件17和上斗构件18，在栱构件17内设转动摩擦耗能器，转动摩擦耗能器通过形状记忆合金连接件与圆钢管下柱1、方钢管上柱2节点相连接。

参见图3所示，转动摩擦耗能器位于方钢管上柱2和矩形截面钢梁3之间，包括柱连接件10、梁连接件12和中间连接件11，柱连接件10和梁连接件12通过中间连接件11铰接，在中间连接件11与柱连接件10、梁连接件12之间设有摩擦片13，通过高强螺栓14将柱连接件10、中间连接件11和梁连接件12铰接在一起，在高强螺栓14与柱连接件10之间垫有螺栓垫片15。其中，柱连接件10的端面连接柱侧面连接板8，柱侧面连接板8通过连接形状记忆合金连杆6连接在方钢管上柱2上；梁连接件12的顶部铰接有上支座7，上支座7与梁连接件12通过高强螺栓14和螺栓垫片15相连，上支座7顶部为梁底面水平板9，梁底面水平板9与矩形截面钢梁3焊接相连，以确保耗能器牢固的固定在柱和梁上，保证在双向加载过程中，摩擦耗能器能够很好地工作。

参见图3所示，在一个实施例中，转动摩擦耗能器的柱连接件10为三块，在柱侧面连接板8上等分焊接。中间连接件11为两块，分别与柱连接件10中间部件两侧对称分布。转动摩擦耗能器的梁连接件12为三块，分别中间连接件11相连接，与柱连接件10对称布置。柱连接件10、中间连接件11和梁连接件12之间设置有8块摩擦片13，各摩擦片13均与各连接件通过高强螺栓14相连接。三个连接件分别通过高强螺栓14和螺栓垫片15首尾相连。转动摩擦耗能器的柱连接件10和中间连接件11均与矩形截面钢梁3平行，梁连接件12与中间连接件11呈120°夹角相连接。

高强度螺栓中的预拉力损失必须保持在较低的水平，以避免摩擦片之间的摩擦变化过大，从而影响摩擦耗能器的耗能能力。

参见图4所示，形状记忆合金连接件是由形状记忆合金连杆6通过高强螺栓14和螺栓垫片15将两块柱侧面连接板8相连接。

参见图5所示，斗栱构件中的下斗构件16下表面内切于圆钢管下柱1之中，上表面边长比下表面边长长出10cm，呈倒台基型。上斗构件18的呈倒台基型，与矩形截面钢梁3焊接连接。

参见图6所示，圆钢管下柱1和方钢管上柱2为转换柱，将方钢管上柱2穿过圆钢管下柱1的柱顶端，柱间留有间隙，底部镶装在圆钢管下柱1内，其中，如图7所示，在圆钢管下柱1柱顶内设有方形加肋板4，并在圆钢管下柱1底部与方钢管上柱2接触部位通过柱顶加强环5进行焊接。

具体安装步骤如下：

步骤一：将方钢管上柱2焊接在圆钢管下柱1的内部，并通过方形加肋板4焊接相连，在圆钢管下柱1上侧焊接柱顶加强环5，再将矩形截面钢梁3与圆钢管下柱1上部相连，形成钢结构仿古建筑的梁-柱节点体系；

步骤二：将两块柱侧面连接板8由形状记忆合金连杆6通过高强螺栓14和螺栓垫片15紧密相连；

步骤三：将三块柱连接件10均匀安装在柱侧面连接板8上，并与下斗构件16的两侧面内部焊接相连；

步骤四：在三块柱连接件10的另一侧分别安装摩擦片13，并通过高强螺栓14和螺栓垫片15将两块中间连接件11与三块柱连接件10、摩擦片13相连接；

步骤五：在两块中间连接件11的另一侧分别安装摩擦片13，并通过高强螺栓14和螺栓垫片15将三块梁连接件12与三块柱连接件10、摩擦片13相连接，连接角度为120°；

步骤六：将三块梁连接件11与上支座7通过高强螺栓14和螺栓垫片15相连接，注意连接的牢固性；

步骤七：将梁底面水平板9焊接在两块上支座7正上方的矩形截面钢梁3上；

步骤八：将上支座7与梁底面水平板9进行焊接；

步骤九：在圆钢管下柱1和方钢管上柱2的连接处焊接斗构件16；

步骤十：将斗构件18的下部端口与栱构件17进行焊接；

步骤十一：将斗构件18的上端口与矩形截面钢梁3进行焊接。

注意：所有的焊接均为无缝焊接，保证其焊接刚度。

本发明钢节点的转动摩擦耗能-sma耦合的仿古建筑自复位方法，包括：

1)在方钢管上柱上施加恒定轴压力以模拟实际结构中上部传来的竖向荷载，然后在水平方向施加低周反复荷载模拟实际地震作用；

2)在低周反复荷载作用下，方钢管上柱的顶端在水平方向移动，使方钢管上柱发生一定的侧向位移，由于方钢管上柱与矩形截面钢梁焊接相连，矩形截面钢梁与圆钢管下柱(方钢管上柱)之间产生一定的转角及相对位移；

3)在相对位移作用下，设置在方钢管上柱与矩形截面钢梁之间的转动摩擦耗能-sma耦合装置一方面通过摩擦片的相对转动消耗能量；另一方面，梁柱节点在相对位移作用下产生较大变形，连接在方钢管上柱与转动型摩擦耗能器的sma连杆由于自身材料特性，去除外力后，变形恢复，而产生一定的可恢复能力和耗能能力，梁柱节点达到自复位，同时消耗方钢管上柱与矩形截面钢梁之间位移能量，以实现梁柱节点较好的自复位性能。

在转动摩擦耗能-sma耦合装置中，sma作为自复位元件，转动型摩擦耗能器作为耗能元件，两者共同工作为梁柱节点提供稳定的耗能能力和自复位性能。

在外部荷载较小时，钢结构仿古建筑梁柱连接处的转动摩擦耗能器可以给整个异形节点提供一定的刚度。当摩擦片承受外部荷载大于摩擦片之间的最大静摩擦力后，可以依靠摩擦片的相互摩擦消耗输入的地震能量；另外，当转动摩擦耗能器工作时产生一定的位移，形状记忆合金连杆会产生自修复的作用，减轻结构本体的地震破坏。

本发明工作机理是：转动摩擦耗能器将动能转化为摩擦产生的内能，由于摩擦耗能器两端受到约束，在耗能系统中产生阻力弯矩，摩擦片互压、摩擦，提高了节点的抗弯能力和刚度，当转动摩擦耗能器工作时会消耗输入的地震能量，同时，形状记忆合金连杆因其特有的材料性能提供损伤自修复能力，减轻了对仿古建筑节点的破坏，从而减轻了对整体钢结构仿古建筑的破坏，不但提高了其结构体系的抗震性能，也保证了其美观性。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。