一种带沙漏形耗能杆的自复位方钢管混凝土柱脚节点的制作方法

1.本实用新型属于建筑结构抗震减灾技术领域，具体涉及一种带沙漏形耗能杆的自复位方钢管混凝土柱脚节点。


背景技术：

2.作为可恢复功能结构的一种实现形式，自复位结构在摇摆耗能的基础上，通过引入能够为结构提供复位力的复位构件控制并减小建筑结构在地震后的残余位移，从而使结构在地震后仅经过少量修复或不需要修复即可恢复至原有状态。
3.柱脚节点作为上部结构传力的“最终端”，其受力性能是影响结构在地震作用下安全性能的关键因素之一，其抗震性能也越来越受研究人员的关注。预应力筋与耗能装置是影响自复位柱脚节点抗震性能的主要部件，预应力筋锚固于方钢管混凝土柱上的锚固平台，耗能装置多采用金属摩擦耗能的方式进行耗能。不同于自复位梁柱节点单个方向的受力特点，在实际工程中，柱脚节点需要考虑两个方向的地震作用。若采用金属摩擦作为耗能方式，则无法很好地应对垂直于摩擦面的地震作用。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种带沙漏形耗能杆的自复位方钢管混凝土柱脚节点，解决现有的自复位柱脚节点无法满足多方向复位与耗能的问题。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：
6.一种带沙漏形耗能杆的自复位方钢管混凝土柱脚节点，包括方钢管混凝土柱、混凝土基础组件、预应力筋、锚固装置和耗能装置，所述方钢管混凝土柱设置在混凝土基础组件上，所述预应力筋一端通过锚固装置连接在方钢管混凝土柱上，另一端连接在混凝土基础组件上；所述耗能装置包括耗能杆、第一端板和第二端板，所述耗能杆为从中心向两端直径逐渐增加的对称锥形杆，所述耗能杆的两端分别与第一端板、第二端板连接；所述方钢管混凝土柱的每两个相对侧面之间贯通有第一穿芯孔，所述第一穿芯孔中设置有第一穿芯杆，所述第一穿芯杆的两端分别连接两个相对侧面处的第一端板；所述第二端板与l型连接板的一端连接，所述l型连接板的另一端与混凝土基础组件连接。
7.优选的，所述l型连接板的开口处设置有第一加劲肋。
8.优选的，围绕所述方钢管混凝土柱的四周均设置有预应力筋，且方钢管混凝土柱每一侧面处的预应力筋对称设置在耗能装置的两侧。
9.具体的，所述锚固装置包括t型连接板和第二穿芯杆，所述方钢管混凝土柱上设置有第二穿芯杆穿过的第二穿芯孔，所述t型连接板的翼缘板通过第二穿芯杆连接在方钢管混凝土柱上，所述预应力筋端部锚固在t型连接板的腹板上。
10.优选的，所述t型连接板的翼缘板与腹板之间设置有第二加劲肋。
11.具体的，所述混凝土基础组件包括混凝土基础和柱底连接组件，所述柱底连接组件包括连接板和支撑框架，所述支撑框架的中心围绕形成有与所述方钢管混凝土柱外部轮
廓匹配的方形空间，所述支撑框架一部分预埋在混凝土基础中，另一部分裸露在外部；所述连接板连接在支撑框架裸露部分的顶部，所述连接板上设置有与所述方钢管混凝土柱外部轮廓匹配的方形孔；所述预应力筋、l型连接板均与连接板连接。
12.优选的，所述混凝土基础上设置有与方钢管混凝土柱外部轮廓匹配的方形凹槽，所述方形凹槽底部铺设有加强板。
13.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
14.(1)本实用新型应用“沙漏形”耗能杆作为耗能元件，通过耗能杆的金属塑性变形来耗散地震能量。同时将耗能装置安装在方钢管混凝土柱的外部，在地震后如果耗能装置受损，只需在方钢管混凝土柱体外部更换相应耗能装置即可。
15.(2)本实用新型通过四面设置的耗能装置和复位装置来满足自复位柱脚节点多方向复位的问题，可以通过调整“沙漏形”耗能杆的数量和组合方式以满足不同条件下的耗能需要。
16.(3)本实用新型除了预应力筋需要进行现场张拉施工，其余部件均可采用工厂加工现场装配的方式进行施工。通过预先在柱底连接组件开设连接孔，使预应力筋、l型连接板可以通过预设连接孔与混凝土基础组件的柱底连接组件进行连接，从而降低现场作业的要求，缩短施工工期。
17.本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
18.图1是本实用新型实施例记载的方钢管混凝土自复位柱脚节点的整体结构示意图。
19.图2是本实用新型实施例记载的耗能装置的连接详细图示。
20.图3是本实用新型实施例记载的耗能装置的详细示意图。
21.图4是本实用新型实施例记载的锚固装置的详细图示。
22.图5是本实用新型实施例记载的混凝土基础组件的详细图示。
23.图6是本实用新型实施例记载的柱底连接组件的详细图示。
24.图7为本实用新型实施例记载的自复位柱脚节点的荷载
‑
位移脚滞回曲线图。
25.图8为本实用新型实施例记载的自复位柱脚节点加载后应力云图，其中，(a)为平行于加载方向的耗能杆，(b)为垂直于加载方向的耗能杆，(c)为自复位方钢管混凝土柱脚节点。
26.图9为本实用新型专利所描述的自复位柱脚节点加载至4％层间位移角时应力云图，其中，(a)为平行于加载方向的耗能杆，(b)为垂直于加载方向的耗能杆，(c)为自复位方钢管混凝土柱脚节点。
27.图中各标号表示为：
[0028]1‑
方钢管混凝土柱，2
‑
混凝土基础组件，3
‑
预应力筋，4
‑
锚固装置，5
‑
耗能装置，6
‑
第一穿芯杆，7
‑
l型连接板，8
‑
螺栓；
[0029]
11
‑
第一穿芯孔，12
‑
第二穿芯孔；
[0030]
21
‑
混凝土基础，22
‑
柱底连接组件，23
‑
加强板；
[0031]
211
‑
方形凹槽；221
‑
连接板，222
‑
支撑框架；
[0032]
2211
‑
方形孔，2212
‑
第七连接孔，2213
‑
第八连接孔；
[0033]
2221
‑
长钢板，2222
‑
加强板；
[0034]
41
‑
t型连接板，42
‑
第二穿芯杆；
[0035]
411
‑
第二加劲肋，412
‑
第五连接孔，413
‑
第六连接孔；
[0036]
51
‑
耗能杆，52
‑
第一端板，53
‑
第二端板；
[0037]
521
‑
第一连接孔，531
‑
第二连接孔；
[0038]
71
‑
第三连接孔，72
‑
第四连接孔，73
‑
第一加劲肋。
[0039]
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
[0040]
在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、水平、竖直、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。
[0041]
在以下的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
[0042]
本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。在以下具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本实用新型的思想，同样应当视其为本实用新型所公开的内容。
[0043]
本实用新型具体实施例中公开一种带沙漏形耗能杆的自复位方钢管混凝土柱脚节点，包括方钢管混凝土柱1、混凝土基础组件2、预应力筋3、锚固装置4和耗能装置5，方钢管混凝土柱1设置在混凝土基础组件2上，预应力筋3一端通过锚固装置4连接在方钢管混凝土柱1上，另一端连接在混凝土基础组件2上。
[0044]
本实施例在围绕方钢管混凝土柱1的四周均设置有预应力筋3和耗能装置5，且方钢管混凝土柱1每一侧面处的预应力筋3对称设置在耗能装置5的两侧。
[0045]
如图4所示，本实施例的锚固装置4包括t型连接板41和第二穿芯杆42，方钢管混凝土柱1上设置有第二穿芯杆42穿过的第二穿芯孔12，t型连接板41的翼缘板通过第二穿芯杆42连接在方钢管混凝土柱1上，t型连接板41的腹板上设置有第六连接孔413，预应力筋3端部通过螺栓锚固在t型连接板41腹板上。
[0046]
在t型连接板41的翼缘板与腹板之间设置有第二加劲肋411，第二加劲肋411可选梯形肋板或三角形肋板，提高t型连接板41的强度。具体的，第二加劲肋411设置在t型连接板41的下翼缘板与腹板之间，在t型连接板41的上翼缘板上设置有第五连接孔412，第五连接孔412的位置与第二穿芯孔12的位置对应。本实施例的第二穿芯孔12也呈十字交叉的方向开通，为了使锚固装置4可以在方钢管混凝土柱1的四个方向上正常安装，不同侧的t型连接板41翼缘上的第五连接孔412位置不同，避免不同方向的第二穿芯杆42相互干扰。最好的，第二穿芯孔12的直径略大于第二穿芯杆42的直径，方便安装，本实施例中第二穿芯孔12的直径比第二穿芯杆42的直径大1～2mm。
[0047]
如图2和图3所示，耗能装置5包括耗能杆51、第一端板52和第二端板53，耗能杆51
为从中心向两端直径逐渐增加的对称锥形杆，类似于“沙漏形”结构，耗能杆51的两端分别与第一端板52、第二端板53连接，具体通过焊接的方式连接。
[0048]
为了实现耗能装置5与方钢管混凝土柱1、混凝土基础组件2的连接，在方钢管混凝土柱1的每两个相对侧面之间贯通有第一穿芯孔11，第一穿芯孔11中设置有第一穿芯杆6，第一穿芯杆6的两端分别连接两个相对侧面处的第一端板52；第二端板53与l型连接板7的一端连接，l型连接板7的另一端与混凝土基础组件2连接。第一穿芯杆6用于连接固定第一端板52，l型连接板7用于连接固定第二端板53。具体的，第一端板52上设置有第一连接孔521，第一连接孔521位置与第一穿芯孔11位置对应，第一穿芯杆6与第一端板51之间通过螺栓8连接；第二端板53上设置有第二连接孔531，l型连接板7的竖向肢上设置有第三连接孔71，第二端板53与l型连接板7的竖向肢之间通过螺栓8连接，l型连接板7的水平肢上设置有第四连接孔72，用于与混凝土基础组件2通过螺栓8连接。这种可拆装的连接方式方便更换耗能装置。
[0049]
本实施例的第一穿芯孔11呈十字交叉的方向开通，每个方向的第一穿芯孔11设置有四个，将不同方向的第一穿芯孔11的位置交错布置，避免不同方向的第一穿芯杆6相互干扰。最好的，第一穿芯孔11的直径略大于第一穿芯杆6的直径，方便安装，本实施例中第一穿芯孔11的直径比第一穿芯杆6的直径大1～2mm。
[0050]
最好的，在l型连接板7的开口处设置有第一加劲肋73，第一加劲肋73可选梯形肋板或三角形肋板。
[0051]
作为本实用新型的优选实施方案，为了更好地满足柱脚节点的装配性。混凝土基础组件2由混凝土基础21和柱底连接组件22组成。其中，柱底连接组件22包括连接板221和支撑框架222。如图5或图6所示，支撑框架222由两个长钢板2221和若干个加强板2222组成，长钢板2221和加强板2222均沿竖向设置，且两个长钢板2221平行，两个长钢板2221焊接在方形孔2211边缘处，若干加强板2222围绕方形孔2211边缘和两个长钢板2221的外侧焊接。两个长钢板2221之间的间隙与方钢管混凝土柱1外径匹配，使得支撑框架222的中心围绕形成与方钢管混凝土柱1外部轮廓匹配的方形空间。
[0052]
连接板221连接在支撑框架222的顶部，连接板221上设置有与方钢管混凝土柱1外部轮廓匹配的方形孔2211。预应力筋3、l型连接板7均与连接板221连接，具体的，在连接板221上设置有第七连接孔2212和第八连接孔2213，第七连接孔2212用于锚固预应力筋3，第八连接孔2213位置与l型连接板7的水平肢上的第四连接孔72对应，用于连接l型连接板7。最好的，第八连接孔2213采用长槽孔，以适应不同长度耗能杆51在安装时对l型连接板7调整的需求；第七连接孔2212的直径比预应力筋3直径大5～10mm，以方便预应力筋3的穿入。
[0053]
支撑框架222一部分预埋在混凝土基础21中，与连接板221连接的一端裸露在外部，方便了预应力筋、耗能装置等与方钢管混凝土柱1的装配。
[0054]
本实施例中，为了避免在混凝土基础21中预先埋设支撑框架222再焊接连接板221时需要进行仰焊等不利操作。首先将支撑框架222与连接板221焊接，再将柱底连接组件22整体预埋于混凝土基础21中。
[0055]
另外，还在混凝土基础21中心位置设置有方形凹槽211，方形凹槽211轮廓形状与方钢管混凝土柱1外部轮廓匹配，用于限制方钢管混凝土柱1的位置，其中，方形凹槽211、方形空间、方形孔2211的位置同轴。最好的，在方形凹槽211底部铺设有加强板23，通过加强板
23与方钢管混凝土柱1的柱底板接触，防止混凝土被压裂。
[0056]
受力分析：
[0057]
以下通过有限元分析明确上述实施例记载的带沙漏形耗能杆的自复位方钢管混凝土柱脚节点的受力情况：
[0058]
(1)模型建立
[0059]
建立本实用新型的自复位柱脚节点缩尺数值计算模型，柱高取2400mm，由于仅析节点的整体效应以及方钢管混凝土柱本身，故在模拟分析时对螺栓、基础等进行了简化处理，模型几何尺寸如表1所示。
[0060]
表1模型构件尺寸
[0061][0062]
表中，方钢管混凝土柱截面的几何尺寸为
□
400
×
10，
□
表示方钢管混凝土柱截面为方形截面，其中400
×
10表示方钢管混凝土柱的边长
×
厚度。
[0063]
其中耗能杆上部高度为65mm，下部高度为65mm，上下底部的截面直径为12mm，腰部截面直径为8mm。连接耗能杆的第一端板和第二端板的截面尺寸为200
×
200mm，厚度为20mm。
[0064]
在混凝土基础21中预先设置的方形凹槽211的尺寸为430
×
430mm，其截面尺寸略大于方钢管混凝土柱的截面尺寸，在有限元模拟中，对该部分进行简化。
[0065]
钢材均采用理想弹塑性模型，弹性模量e＝206000mpa,泊松比υ＝0.3，除沙漏形耗能杆以外钢材屈服强度均取f
y
＝345mpa，沙漏形耗能杆应用屈服强度为f
y
＝235mpa。混凝土采用c30强度等级及相应塑性损伤模型。预应力筋采用理想塑性模型，弹性模量e
pt
＝200000mpa，抗拉强度为1860mpa，预应力筋的初始张拉力为130kn。各个部件间，摩擦表面接触的摩擦系数取0.35。考虑构件的几何非线性和接触非线性，按位移角控制加载方法在柱顶端处施加位移荷载，取4％作为层间位移角设计限值。轴压比取0.2。
[0066]
(2)结果分析
[0067]
图7为本专利自复位柱脚节点荷载
‑
位移角滞回曲线，从曲线中可以看出，节点的荷载
‑
位移角曲线呈明显双旗帜形；当位移角达到4％层间位移角后卸载，节点的残余变形小于0.20％，满足自复位节点对残余变形的要求，节点实现了复位功能。这表明当柱脚节点受到循环荷载作用时，布置在方钢管混凝土柱四个方向上的耗能装置开始工作，吸收并耗散能量，预应力筋可以有效地将柱脚节点拉回至加载前位置。
[0068]
根据方钢管混凝土柱和柱脚变形应力云图，当侧移角达到4％时，除转动边缘由于应力集中少部分屈服外，其他部分均保持弹性状态，满足自复位结构要求。
[0069]
图8为自复位柱脚节点加载后应力云图，其中，(a)为平行于加载方向的耗能杆，(b)为垂直于加载方向的耗能杆，(c)为自复位方钢管混凝土柱脚节点。由图可知，层间位移角达到4％后，耗能杆产生较大变形。说明该耗能部件充分发挥其耗能作用，塑性发展充分，为自复位柱脚节点提供了充分的滞回阻尼。
[0070]
图9为自复位柱脚节点在4％位移角时的应力云图。由图可知，即使当柱脚节点位移角达到4％时，主体结构构件大部分仍处于弹性状态，仅耗能杆件部分进入塑性状态。