基于滑移机制的摩擦型耗能连接梁柱节点的设计方法

1.本发明属于土木工程中建筑结构抗震技术领域，涉及预制装配式钢结构体系，具体涉及一种基于滑移机制的摩擦型耗能连接梁柱节点的设计方法。


背景技术：

2.装配式结构是一种具有全寿命周期意义的绿色建筑结构，具有良好的延性和抗震性能，可实现模块化、标准化、工业化和信息化生产，方便安装和拆卸，施工速度快。随着绿色建筑的快速发展，装配式结构在实际工程中得到了广泛的推广应用。但传统的装配式框架结构利用各构件的塑性变形进行能量耗散，导致结构产生严重的塑性损伤，甚至发生倒塌。装配式建筑的倒塌主要是梁柱连接节点的破坏引起，未实现“强节点弱构件”的抗震设防要求。梁柱连接节点是保证装配式结构协同工作的关键，也是装配式结构的薄弱环节，节点的破坏导致结构丧失整体性，且损坏的节点震后修复难度大，不利于装配式结构的推广应用。


技术实现要素：

3.为了克服现有装配式结构中梁柱连接节点存在的不足，本发明公开了一种基于滑移机制的摩擦型耗能连接梁柱节点设计制作方法。该梁柱连接节点具备以下特点：正常使用阶段满足将梁上荷载传递到节点核心区及框架柱的传力需求，中震和大震下具有良好的耗能能力和变形能力，损伤和耗能集中在耗能铰处，避免梁、柱、节点的塑性损伤，采用螺栓满足预制装配和震后可拆卸，震后可通过更换损伤元件以恢复使用功能。该发明可为消能减震结构和可恢复功能结构的抗震设计提供有利的理论基础。为实现上述目的，本发明的解法方案是：
4.基于滑移机制的摩擦型耗能连接梁柱节点的设计方法，所述摩擦型耗能连接梁柱节点包括预制钢柱，预制钢柱连接有预制悬臂钢梁段，预制悬臂钢梁段通过耗能节点连接有预制钢梁；
5.所述耗能节点包括上、下两个翼缘滑移耗能单元和腹板钢质铰，所述耗能节点通过上、下两个翼缘耗能单元的滑移和腹板钢质铰的转动，产生摩擦耗能；腹板钢质铰位于上、下两个翼缘滑移耗能单元之间的位置；
6.所述翼缘滑移耗能单元与所述悬臂钢梁段、预制钢梁在梁翼缘处通过高强螺栓连接，所述腹板钢质铰通与所述悬臂钢梁段、预制钢梁在梁腹板处通过l型板和高强螺栓连接；所述腹板钢质铰包括左耳板和右耳板，左耳板和右耳板通过销轴铰接；左耳板通过左端板与预制悬臂钢梁固定连接，右耳板通过右端板与预制钢梁固定连接；左耳板和右耳板上还设有相互对应的长圆弧形螺栓孔，高强螺栓穿过左耳板和右耳板上的长圆弧形螺栓孔；
7.所述摩擦型耗能连接梁柱节点的设计方法，包括如下步骤：
8.1)计算梁端的屈服弯矩和耗能铰极限弯矩；计算钢柱的屈服弯矩；计算耗能铰翼缘部分的最大弯矩及对应的最大荷载；
9.2)计算确定悬臂钢梁和预制钢梁翼缘处连接所需的高强螺栓数量；计算翼缘滑移耗能板的起滑弯矩及对应的起滑荷载；计算滑移耗能处连接所需的螺栓数量；
10.3)计算左耳板和右耳板之间的高强螺栓的数量；
11.4)计算左端板、右端板、l型板连接所需高强螺栓数量。
12.进一步的，所述步骤1)中的具体计算方法为：
13.计算梁端的屈服弯矩和耗能铰极限弯矩：
14.m
b，y
＝w
b，n f
b，y
[0015][0016]
其中，m
b，y
为钢梁的屈服弯矩；w
b，n
为钢梁的截面模量；f
b，y
为钢梁钢材的屈服强度；m
j，u
为耗能铰的极限弯矩；0.9为滑移折减系数；1.2为抗震调整系数；l1、lj、l2为悬臂梁长度、耗能铰高度和普通梁长度
[0017]
计算钢柱的屈服弯矩：
[0018]mc，y
＝w
c，n f
c，y
[0019]
其中，，m
c，y
为钢柱的屈服弯矩；w
c，n
为钢柱的截面模量；f
c，y
为钢柱钢材的屈服强度。
[0020]
计算耗能铰翼缘部分的最大弯矩及对应的最大荷载：
[0021][0022][0023]
其中，mf为耗能铰翼缘弯矩；pf为弯矩作用下翼缘处产生的最大荷载；hb为钢梁高度；tf为钢梁翼缘板厚度
[0024]
进一步的，所述步骤2)中具体的计算方法为：
[0025]
计算确定悬臂钢梁和预制钢梁翼缘处连接所需的高强螺栓数量：
[0026][0027]
其中，nf为钢梁翼缘处盖板所需的高强螺栓；为钢梁翼缘处单个高强螺栓的抗剪承载力
[0028]
翼缘滑移耗能板的起滑弯矩及对应的起滑荷载为：
[0029]mslip
＝βmf[0030][0031]
其中，m
slip
为翼缘滑移耗能铰的起滑弯矩；β为翼缘处耗能元件的弯矩起滑系数； n
slip
为翼缘滑移耗能铰的起滑荷载。
[0032]
计算滑移耗能处连接所需的螺栓数量：
[0033][0034]
其中，n
f1
为滑移耗能处连接所需的螺栓数量；n
v，slip
为单个螺栓的最大起滑荷载。
[0035]
进一步的，所述步骤3)中具体的计算方法为：
[0036]
计算腹板钢质铰的弯矩承载力需求：
[0037]mw
＝amf[0038]
其中，mw为耗能铰腹板弯矩；α为耗能铰腹板和翼缘的弯矩比例。
[0039]
计算耗能铰处的剪力：
[0040][0041]
其中，vu为耗能铰处剪力；lj、l2为耗能铰高度和普通梁长度。
[0042]
计算左耳板和右耳板之间的高强螺栓的数量：
[0043]
腹板钢制铰处单个螺栓最大起滑荷载：
[0044]
其中，为腹板钢制铰处单个螺栓最大起滑荷载；n
fw
为传力摩擦面数目；μw为摩擦面的抗滑移系数；p
max，w
为腹板处单个高强螺栓预紧力。
[0045]
左耳板和右耳板之间的高强螺栓的数量：
[0046][0047]
其中，nw为耳板处高强螺栓的数量；r为耳板上高强螺栓到销轴的中心距离进一步的，所述步骤4)中具体的计算方法为：
[0048]
计算左端板、右端板连接所需高强螺栓数量。
[0049]
端板处单个高强螺栓的抗剪承载力：
[0050][0051]
其中，为端板处单个高强螺栓抗剪承载力；n
fd
为传力摩擦面数目；μd为摩擦面的抗滑移系数；p
bolt，d
为端板处单个高强螺栓预紧力。
[0052]
端板连接所需高强螺栓数量为：
[0053][0054]
其中，nd为端板连接所需高强螺栓数量。
[0055]
计算l型板连接所需高强螺栓数量：
[0056]
l型板处单个高强螺栓的抗剪承载力：
[0057][0058]
其中，为l型板处单个高强螺栓抗剪承载力；n
fl
为传力摩擦面数目；μ
l
为摩擦面的抗滑移系数；p
bolt，l
为l型板处单个高强螺栓预紧力
[0059]
l型板连接所需高强螺栓数量为：
[0060][0061]
其中，n
l
为l型板连接所需高强螺栓数量。
[0062]
进一步的，所述设计方法还包括强度校核步骤，所述强度校核需计算的参数如下：
[0063]
耳板孔净截面的抗剪强度：
[0064]
耳板端部截面抗剪强度：
[0065]
耳板端部截面抗拉强度：
[0066]
销轴承压强度：
[0067]
销轴抗剪强度：
[0068]
其中，b为顺受力方向耳板边缘销轴孔边缘的净距；t为耳板厚度；d0为销轴开孔直径；d为销轴直径；fv为耳板抗剪强度设计值；fy为耳板抗拉强度设计值；为销轴的承压强度设计值；nv为受剪面数目；为销轴抗剪强度设计值。
[0069]
进一步的，所述翼缘滑移耗能单元包括滑移耗能板，滑移耗能板左端的上、下两侧设有左盖板，滑移耗能板右端的上、下两侧设有右盖板；左盖板与预制钢柱固定，右盖板与预制钢梁固定；滑移耗能板上左盖板下方位置设有长圆形孔，螺栓穿过左盖板和滑移耗能板上的长圆形孔；滑移耗能板上右盖板下方位置设有固定孔，螺栓穿过右盖板和滑移耗能板上的固定孔。
[0070]
进一步的，所述滑移耗能板的尺寸根据螺栓数目和排布方式确定。
[0071]
本发明的一种基于滑移机制的摩擦型耗能连接梁柱节点的有益效果包括：
[0072]
(1)本发明的安装方式与传统梁柱节点相似，采用全螺栓连接，可实现各组件的预制装配和和震后可拆卸，属于现场装配式建筑；易装配、可拆卸、标准化的承载
‑ꢀ
耗能节点有利于提高结构的施工速度，降低施工难度，减短工期，且可提高震后更换损伤元件的可操作性。
[0073]
(2)改变翼缘滑移板处的高强螺栓数量和螺栓预紧力可调节翼缘处耗能元件的起滑力，通过控制滑移板处的长圆形孔长度可改变该处螺栓连接可能出现的破坏形式。当荷载小于起滑弯矩时，耗能铰处螺栓无滑移现象，随着荷载增加，滑移耗能板开始滑移，腹板钢质铰发生转动，产生摩擦耗能，连接节点承载力保持不变；荷载继续增加，螺栓与连接板螺栓孔壁发生挤压接触，高强螺栓由摩擦型向承压型转变，节点承载力有所上升，连接板产生挤压变形；荷载继续增加，滑移耗能板将出现局部屈曲或受拉屈服。
[0074]
(3)采用该设计方法进行梁柱连接节点的设计可保证耗能铰处发生破坏时梁、柱及节点核心区仍处于弹性状态，耗能铰处的翼缘和腹板处的弯矩可根据不同的性能目标进行分配。
附图说明
[0075]
为了能够更清楚地说明本发明地实施和现有技术的技术方案，接下来将对实施例中所需要的附图作简单地介绍。
[0076]
图1为本发明的设计方法流程图
[0077]
图2为本发明的结构示意图
[0078]
图3为本发明的耗能铰组成示意图
[0079]
图4为翼缘滑移耗能板
[0080]
图5为翼缘滑移单元盖板，(a)为左侧盖板、(b)为右侧盖板
[0081]
图6为销轴连接示意图
[0082]
图中标记：1、预制钢柱；2、预制悬臂钢梁段；3、预制钢梁；4、耗能节点；41、 42翼缘滑移耗能单元；43、腹板钢质铰；44、l型板；431、耳板；432、端板。2001/2002 为悬臂梁2上下翼缘，2003为悬臂梁2腹板；3001/3002为钢梁3上下翼缘，3002为钢梁3腹板；4111/4112/4113、4211/4212/4213为悬臂梁2翼缘处盖板、4121/4221 为上下翼缘处滑移耗能板，4131/4132/4133、4231/4232/4233为钢梁3翼缘处盖板。
具体实施方式
[0083]
为了能更直观的表达本发明的目的和优势，以下结合附图对本发明进一步加以说明：
[0084]
本发明首先提供了一种基于滑移机制的摩擦型耗能连接梁柱节点，包括钢柱1、悬臂钢梁段2、普通钢梁3和耗能节点4，所述钢柱与悬臂钢梁段通过焊接连接，耗能节点4连接于所述悬臂钢梁段2与预制钢梁3之间。所述耗能节点包括翼缘滑移耗能单元41/42，和腹板钢质铰43，所述翼缘滑移耗能单元与所述悬臂钢梁段、预制钢梁在梁翼缘处通过高强螺栓连接，所述腹板钢质铰通与所述悬臂钢梁段、预制钢梁在梁腹板处通过l型板44和高强螺栓连接。
[0085]
悬臂梁长300mm，耗能铰高度为450mm，普通梁段为2000mm，钢柱高3000mm。 h型钢柱截面为hm400x400x13x21mm，w
cn
＝3340cm3，悬臂钢梁和普通钢梁截面相同，为hm450x300x11x18mm，w
bn
＝2250cm3，上述构件钢材选用q345b。
[0086]
梁翼缘连接处、梁腹板、钢质铰端板、l型板处的螺栓型号为10.9级m20高强螺栓，摩擦系数为0.4。滑移连接板处采用10.9级m20高强螺栓，摩擦系数为0.4。
[0087]
根据梁段各部分长度、悬臂钢梁2和普通钢梁3的截面尺寸，计算梁端的屈服弯矩和耗能铰极限弯矩：
[0088]mb，y
＝w
b，n f
b，y
＝2.25
×
106×
345＝776.25kn
·m[0089][0090]
钢柱的屈服弯矩：
[0091]mc，y
＝w
c，n f
c，y
＝3.34
×
106×
345＝1152.3kn
·m[0092]mb，y
＜0.8m
c，y
＝921.84kn
·
m，满足强柱弱梁的抗震要求。
[0093]
耗能铰腹板和翼缘的弯矩比α＝0.05，耗能铰翼缘部分的最大弯矩及对应的最大
荷载：
[0094]
悬臂钢梁2和普通钢梁3钢梁翼缘处连接所需的高强螺栓数量：
[0095][0096]
翼缘处耗能元件的弯矩起滑系数β＝0.8，预紧力为155kn，翼缘滑移耗能板的起滑弯矩及对应的起滑荷载为：
[0097]mslip
＝βmf＝0.8
×
358.88＝287.11kn
·m[0098][0099]
滑移耗能处连接所需的螺栓数量：
[0100]
取钢梁翼缘处连接所需的高强螺栓数量为8个，按4排2列布置；滑移耗能处连接所需的螺栓数量为8个，按4排2列布置。
[0101]
根据《钢结构设计标准》(gb50017)对螺栓最大、最小容许间距的规定及上述计算所得高强度螺栓数目，确定翼缘处改变的尺寸为425x300x12mm，耗能滑移板的尺寸为425x300x18mm，采用q235钢材，f
py
＝215mpa，盖板采用q345钢材，f
gy
＝310mpa。
[0102]
腹板钢质铰的弯矩承载力需求：mw＝amf＝0.05
×
358.88＝17.94kn.m
[0103]
耗能铰处的剪力：
[0104]
耳板的构造要求满足《钢结构设计标准》(gb50017)的相关条文规定，耳板处均匀布置10.9级m16高强螺栓，摩擦系数为0.4，r＝72mm，高强螺栓的数量为：
[0105][0106]
取螺栓数量为4，沿耳板均匀布置。
[0107]
腹板钢质铰的强度校核。耳板采用q345钢材，耳板的构造要求满足《钢结构设计标准》(gb50017)的相关条文规定，进行耗能铰的各部件的强度校核，包括：
[0108]
耳板孔净截面的抗剪强度：
[0109][0110]
耳板端部截面抗剪强度：
[0111][0112]
耳板端部截面抗拉强度：
[0113]
[0114][0115]
销轴承压强度：
[0116][0117]
销轴抗剪强度：
[0118]
钢质铰端板连接设计及梁腹板连接设计。
[0119]
端板处单个高强螺栓的抗剪承载力：
[0120][0121]
端板连接所需高强螺栓数量为：
[0122]
l型板处单个高强螺栓的抗剪承载力：
[0123][0124]
l型板连接所需高强螺栓数量为：
[0125]
取端板处螺栓数量为4个，并确定螺栓排布方式和端板尺寸；l型板处螺栓数量为2，并确定螺栓排布方式和l型板尺寸。
[0126]
本发明主要的耗能方式为翼缘耗能单元在地震作用下沿长圆形孔发生滑移，腹板钢质铰发生转动，产生摩擦耗能；当螺栓与连接板螺栓孔壁发生挤压接触，高强螺栓由摩擦型向承压型转变，节点承载力有所上升，螺栓与耗能滑移板产生挤压变形，利用耗能滑移板的塑性变形进一步耗散能量；通过耗能节点耗散能量起到保护作用，避免梁柱构件发生塑性损伤；且翼缘耗能单元的滑移可提供弯矩抗力，腹板钢质铰可提供抗剪承载力。
[0127]
在完成上述实施过程后，应能体现出本发明以下特点：
[0128]
通过翼缘耗能单元、腹板钢质铰和高强螺栓群形成耗能节点，地震作用下将塑性变形和损伤集中在连接节点处，保护主体梁柱构件较少或不发生塑性，可有效降低结构的残余变形，提高结构的震后可恢复性；
[0129]
基于滑移机制，可基于不同的性能目标要求，调节螺栓预紧力大小、改变滑移耗能板与盖板之间的摩擦系数、调节长圆形孔的长度等改变耗能节点的承载能力和变形能力；
[0130]
通过翼缘耗能单元的滑移来提供弯矩抗力，耗能单元起滑荷载由高强螺栓的预紧力及相应的摩擦系数来提供，耗能单元的承载力由滑移耗能板的极限承载力来提供，可保证螺栓不先与滑移耗能板发生破坏；
[0131]
腹板钢质铰的耳板间设有加劲肋可提高其平面外刚度，避免耳板平面外失稳现象。
[0132]
本发明可作为装配式结构的连接节点，上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本技术领域的技术人员应当理解，本文所描述的具体实例只是说明性的，而不是用于对本发明专利的范围限定，熟悉本领域的技术人
员可将此说明的一般原理应用到其他实施例中，但在依照本发明专利的精神在具体实施方式和应用范围上做出的改进和修饰，都应当涵盖在本发明专利的权利要求所保护的范围内。