一种用于提升减震效果的震损连梁加固结构及加固方法与流程

1.本发明涉及震损连梁加固技术领域，具体是涉及一种用于提升减震效果的震损连梁加固结构及加固方法。


背景技术：

2.连梁指在剪力墙结构和框架—剪力墙结构中，连接墙体与墙体，在墙体平面内相连的梁。连梁一般具有跨度小、截面大的特点，与连梁相连的墙体刚度都很大。一般在风荷载和地震作用下,连梁的内力往往很大。通俗点说。连梁是两个墙(剪力墙)中间有洞口或断开，但受力要求又要连在一起而增加的受力构件。
3.当连梁有足够的延性时，在地震作用下会出现交叉裂缝并形成塑性铰，刚度降低，变形加大，从而吸收大量的地震能量，同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起到一定的约束作用，使剪力墙保持足够的刚度和强度。在这一过程中连梁起到了耗能作用，对减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。连梁不应设计太强，其刚度可以折减，即允许大震下连梁开裂或损坏，以此可以保护剪力墙，有利于提高整体结构的延性和实现多道抗震设防的目标。连梁刚度折减是针对抗震设计的，通常抗震设防烈度低时连梁刚度少折减，抗震设防烈度高时多折减，非抗震设计地区，连梁刚度不宜折减。
4.现有常见的连梁结构有弱连梁、强连梁以及双连梁，弱连梁的截面高度小于400mm，强连梁的截面高度大于400mm，为增强连梁的抗震性能，人们又先后设计出了可更换连梁和附加耗能阻尼部件等，对于连梁抗震性能也越发重视。专利cn111140031a公开了一种混凝土剪力墙连梁及墙梁连接节点域抗剪加固结构，混凝土剪力墙与连梁连接的节点域采用矩形钢板加固，矩形钢板与混凝土剪力墙采用高强螺栓对穿锚固，连梁的侧面横向均分成多个相同的方形单元模块，方形单元模块的顶点处为所述l形角钢和矩形钢带，每个方形单元模块的中心采用钻孔的方式镶嵌一个方形钢板，方形钢板与连梁之间采用高强螺栓对穿连接；方形钢板通过斜向抗剪钢板与方形单元模块顶点以焊接的方式连接；此连接方式能提高连梁的整体抗剪承载能力，对于剪力墙与连梁组成的子结构有一定的保护作用，构造简单且有较高抗剪承载力和抗震性能的特点。但是对于强震后的恢复效果不好。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明提供了一种用于提升减震效果的震损连梁加固结构及加固方法。
6.本发明的技术方案是：
7.一种用于提升减震效果的震损连梁加固结构，包括用于连接剪力墙和连梁的固定钢板，位于两段连梁中部用于连接前后两组所述固定钢板的弹性记忆钢板，位于所述弹性记忆钢板与连梁之间的钢管铅芯阻尼器和纯铅芯阻尼器，
8.所述固定钢板为4组，两段连梁前后各设有一组，所述弹性记忆钢板为两组且上下对称设置，所述钢管铅芯阻尼器为两组且并排设置于两段连梁中部，两组钢管铅芯阻尼器
通过分别嵌设在两组弹性记忆钢板上下两端的第一工字型钢固定连接，两组钢管铅芯阻尼器分别通过一组第二工字型钢与相近的一段连梁固定连接，
9.所述纯铅芯阻尼器位于所述钢管铅芯阻尼器和所述弹性记忆钢板围成的空间内，纯铅芯阻尼器一端通过一组第三工字型钢与相近的一段连梁固定连接，纯铅芯阻尼器另一端通过上下并排设置的若干紧固螺栓与弹性记忆钢板固定连接。
10.进一步地，所述钢管铅芯阻尼器与纯铅芯阻尼器相对一侧设有加固角钢，所述加固角钢的两侧壁分别通过上下并排设置的若干紧固螺栓与钢管铅芯阻尼器和连梁末端固定连接。通过加固角钢进一步提高钢管铅芯阻尼器和连梁之间的紧固性。
11.进一步地，所述固定钢板与连梁的两端之间设有垫片，固定钢板与连梁中部之间设有粘弹性材料层，固定钢板与剪力墙以及垫片所在位置处均通过紧固螺栓固定连接。当遇到地震发生时在粘弹性材料和固定钢板共同抵消，并通过粘弹性材料的变形来消耗能量。
12.进一步地，所述钢管铅芯阻尼器包括外钢管、内钢管和位于所述外钢管和内钢管之间的螺旋金属板，钢管铅芯阻尼器内部填充有铅芯填充层。利用钢管和铅芯的双重变形实现高耗能，变形量大，同时对钢管铅芯阻尼器内部结构进行改进使其与第二工字型钢更加适配，强度更高。
13.更进一步地，所述第二工字型钢包括与连梁固定连接的主钢套、与钢管铅芯阻尼器固定连接的辅钢套以及用于固定连接所述主钢套和辅钢套的连接钢板，主钢套一端嵌套在连梁内部，另一端延伸出连梁设有卡槽，辅钢套一端设有若干延伸板，所述延伸板上下两端与所述螺旋金属板焊接固定，辅钢套另一端设有用于与所述卡槽配接的卡块，所述卡槽和卡块均设有大小相同的开口，所述连接钢板贯穿卡槽和卡块的开口并与连梁固定连接。通过第二工字型钢完成连梁与钢管铅芯阻尼器的连接，拆卸方便，实用性强，当遇到强震损坏时更换方便，经济实用性高。
14.进一步地，所述纯铅芯阻尼器包括外钢套和内部铅芯，所述第三工字型钢与所述纯铅芯阻尼器长度相同，第三工字型钢一端嵌设在连梁内部，另一端嵌设在所述内部铅芯内部。在遇到轻微地震或风力影响时，纯铅芯阻尼器可提供一定刚度，抵抗变形，同时在遇到强震时，可通过钢管和铅芯的屈服变形，为建筑物消耗大量地震引入的能量。
15.上述用于提升减震效果的震损连梁加固结构的加固方法，包括以下步骤：
16.s1：将垫片放置在连梁指定位置处，将4组固定钢板分别放置在连梁前后的两端，并在固定钢板中部放入粘弹性材料层，待粘弹性材料层与固定钢板黏连后通过紧固螺栓将固定钢板与连梁进行固定；
17.s2：去除连梁中部的一段保持两段连梁长度相同，在两段连梁端面处埋设第二工字型钢的主钢套和第三工字型钢；
18.s3：预制两组钢管铅芯阻尼器，在外钢管和内钢管之间放入螺旋金属板，在外钢管和螺旋金属板之间放入第二工字型钢的辅钢套，并通过焊接加固螺纹金属板与辅钢套的连接点以及辅钢套与外钢管的连接点，将两组第一工字型钢放入指定位置后填充铅芯填充层，随后将钢管铅芯阻尼器的两端焊接密封；
19.s4：预制两组纯铅芯阻尼器，在外钢套内部填充内部铅芯，并预留出埋设第三工字型钢的空隙；
20.s5：在两组钢管铅芯阻尼器中间放入弹性记忆钢板，并对钢管铅芯阻尼器与弹性记忆钢板的连接处进行二次处理，两组钢管铅芯阻尼器外侧的辅钢套分别沿对应的第二工字型钢的主钢套插入，随后将连接钢板插入开口内，再将连接钢板与连梁固定；
21.s6：将两组纯铅芯阻尼器分别沿对应的第三工字型钢插入并通过焊接加固，再将纯铅芯阻尼器与弹性记忆钢板通过紧固螺栓加固；
22.s7：将钢管铅芯阻尼器与角钢通过紧固螺栓加固，并将角钢与连梁末端通过紧固螺栓加固；
23.s8：将两组弹性记忆钢板分别与对应的固定钢板焊接紧固。
24.进一步地，所述步骤s1中粘弹性材料层为橡胶夹层，所述步骤s2中去除的一部分连梁长度为连梁总长度的18-22％。橡胶夹层能够吸收大量剪切能量。
25.进一步地，所述步骤s5中二次处理的步骤为：在钢管铅芯阻尼器与弹性记忆钢板之间放入金属垫片，所述金属垫片的宽度为钢管铅芯阻尼器半径的1/12，厚度为弹性记忆钢板的1/7，对金属垫片两端同时进行激光熔融，使金属垫片熔化后填充钢管铅芯阻尼器与弹性记忆钢板的连接处，所述激光光斑为3组，第一光斑的中心指向钢管铅芯阻尼器与弹性记忆钢板的连接中心处，光斑尺寸2*3mm，激光功率850-900w，第二光斑与第一光斑中心点重合，光斑尺寸4*6mm，激光功率650-700w，第三光斑中心点在第一光斑中心点偏向弹性记忆钢板一侧0.5-1mm，光斑尺寸3*4mm，激光功率750-800w，3组光斑的扫描速度为300mm/min，所述金属垫片为ti-5 al-2.5 sn合金。通过3种不同大小位置的光斑重叠，使组合光斑形成中间高边缘低的类似于凸字形的光斑，在激光熔融过程中，光斑前端可对金属垫片进行预热，中心高功率密度光斑用来进行熔融处理，而光斑后端可减缓冷却速度，无需添加冷却装置，又可以达到缓冷效果，同时又能够提高弹性记忆钢板一端的连接性。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.(1)本发明的连梁加固结构通过在两段连梁之间加装带阻尼器的加固结构，使连梁的力学强度得到显著提高，尤其是抗剪切性能和抗扭转性能大大提高，在遇到轻微地震或风力影响时，阻尼器可提供一定刚度，抵抗变形，同时在遇到强震时，可通过阻尼器的屈服变形，为建筑物消耗大量地震引入的能量，且在强震损坏后方便更换，实用性强。
28.(2)本发明的连梁加固结构的钢管铅芯阻尼器利用钢管和铅芯的双重变形实现高耗能，变形量大，同时对钢管铅芯阻尼器内部结构进行改进，添加了螺旋金属板并将其与第二工字型钢配合卡接，进一步提高了钢管铅芯阻尼器的抗剪切性能。
29.(3)本发明的连梁加固结构通过两组弹性记忆钢板以及固定钢板的设置能够在遭遇轻微地震后实现自复位，消除较小的残余变形，且粘弹性材料和固定钢板能够共同抵消能量，并通过粘弹性材料的变形来消耗能量，灵活性高。
30.(4)本发明的连梁加固方法对弹性记忆钢板与钢管铅芯阻尼器的连接方式进行了优化，通过3种不同大小位置的激光熔融光斑重叠，使组合光斑形成中间高边缘低的类似于凸字形的光斑，在激光熔融过程中，光斑前端可对金属垫片进行预热，中心高功率密度光斑用来进行熔融处理，而光斑后端可减缓冷却速度，无需添加冷却装置，又可以达到缓冷效果，同时又能够提高弹性记忆钢板一端的连接性。
附图说明
31.图1是本发明的连梁加固结构整体结构示意图；
32.图2是本发明的连梁加固结构组合使用时的整体结构示意图；
33.图3是本发明的连梁加固结构拒不放大结构示意图；
34.图4是本发明的连梁加固结构俯视图；
35.图5是本发明的连梁加固结构钢管铅芯阻尼器及第二工字型钢内部结构示意图；
36.图6是本发明的连梁加固结构钢管铅芯阻尼器截面图；
37.图7是本发明的连梁加固结构纯铅芯阻尼器截面图；
38.图8是本发明的连梁加固结构第二工字型钢整体结构示意图；
39.图9是本发明实验例3中的激光光斑温度分布图。
40.其中，1-固定钢板，11-垫片，12-粘弹性材料层，2-弹性记忆钢板，3-钢管铅芯阻尼器，31-外钢管，32-内钢管，33-螺旋金属板，34-铅芯填充层，4-纯铅芯阻尼器，41-外钢套，42-内部铅芯，5-第一工字型钢，6-第二工字型钢，61-主钢套，62-辅钢套，63-连接钢板，64-卡槽，65-延伸板，66-卡块，67-开口，7-第三工字型钢，8-紧固螺栓，9-加固角钢，10-剪力墙，100-连梁。
具体实施方式
41.实施例1
42.如图1-3所示，一种用于提升减震效果的震损连梁100加固结构，包括用于连接剪力墙10和连梁100的固定钢板1，位于两段连梁100中部用于连接前后两组固定钢板1的弹性记忆钢板2，弹性记忆钢板2为cu-zn-sn合金，位于弹性记忆钢板2与连梁100之间的钢管铅芯阻尼器3和纯铅芯阻尼器4；
43.如图3、4所示，固定钢板1为4组，两段连梁100前后各设有一组，弹性记忆钢板2为两组且上下对称设置，固定钢板1与连梁100的两端之间设有垫片11，固定钢板1与连梁100中部之间设有粘弹性材料层12，固定钢板1与剪力墙10以及垫片11所在位置处均通过紧固螺栓8固定连接；
44.如图3-6、8所示，钢管铅芯阻尼器3为两组且并排设置于两段连梁100中部，两组钢管铅芯阻尼器3通过分别嵌设在两组弹性记忆钢板2上下两端的第一工字型钢5固定连接，两组钢管铅芯阻尼器3分别通过一组第二工字型钢6与相近的一段连梁100固定连接，钢管铅芯阻尼器3包括外钢管31、内钢管32和位于外钢管31和内钢管32之间的螺旋金属板33，钢管铅芯阻尼器3内部填充有铅芯填充层34，第二工字型钢6包括与连梁100固定连接的主钢套61、与钢管铅芯阻尼器3固定连接的辅钢套62以及用于固定连接主钢套61和辅钢套62的连接钢板63，主钢套61一端嵌套在连梁100内部，另一端延伸出连梁100设有卡槽64，辅钢套62一端设有若干延伸板65，延伸板65上下两端与螺旋金属板33焊接固定，辅钢套62另一端设有用于与卡槽64配接的卡块66，卡槽64和卡块66均设有大小相同的开口67，连接钢板63贯穿卡槽64和卡块66的开口67并与连梁100固定连接；
45.如图3、4、7所示，纯铅芯阻尼器4位于钢管铅芯阻尼器3和弹性记忆钢板2围成的空间内，纯铅芯阻尼器4一端通过一组第三工字型钢7与相近的一段连梁100固定连接，纯铅芯阻尼器4另一端通过上下并排设置的若干紧固螺栓8与弹性记忆钢板2固定连接，钢管铅芯
阻尼器3与纯铅芯阻尼器4相对一侧设有加固角钢9，加固角钢9的两侧壁分别通过上下并排设置的若干紧固螺栓8与钢管铅芯阻尼器3和连梁100末端固定连接，纯铅芯阻尼器4包括外钢套41和内部铅芯42，第三工字型钢7与纯铅芯阻尼器4长度相同，第三工字型钢7一端嵌设在连梁100内部，另一端嵌设在内部铅芯42内部。
46.实施例2
47.本实施例提供的是实施例1的用于提升减震效果的震损连梁100加固结构的加固方法，包括以下步骤：
48.s1：将垫片11放置在连梁100指定位置处，将4组固定钢板1分别放置在连梁100前后的两端，并在固定钢板1中部放入粘弹性材料层12，粘弹性材料层12为橡胶夹层，待粘弹性材料层12与固定钢板1黏连后通过紧固螺栓8将固定钢板1与连梁100进行固定；
49.s2：去除连梁100中部的一段保持两段连梁100长度相同，去除的一部分连梁100长度为连梁100总长度的20％，在两段连梁100端面处埋设第二工字型钢6的主钢套61和第三工字型钢7；
50.s3：预制两组钢管铅芯阻尼器3，在外钢管31和内钢管32之间放入螺旋金属板33，在外钢管31和螺旋金属板33之间放入第二工字型钢6的辅钢套62，并通过焊接加固螺纹金属板与辅钢套62的连接点以及辅钢套62与外钢管31的连接点，将两组第一工字型钢5放入指定位置后填充铅芯填充层34，随后将钢管铅芯阻尼器3的两端焊接密封；
51.s4：预制两组纯铅芯阻尼器4，在外钢套41内部填充内部铅芯42，并预留出埋设第三工字型钢7的空隙；
52.s5：在两组钢管铅芯阻尼器3中间放入弹性记忆钢板2，并对钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2的连接处进行焊接处理，两组钢管铅芯阻尼器3外侧的辅钢套62分别沿对应的第二工字型钢6的主钢套61插入，随后将连接钢板63插入开口67内，再将连接钢板63与连梁100固定；
53.s6：将两组纯铅芯阻尼器4分别沿对应的第三工字型钢7插入并通过焊接加固，再将纯铅芯阻尼器4与弹性记忆钢板2通过紧固螺栓8加固；
54.s7：将钢管铅芯阻尼器3与角钢通过紧固螺栓8加固，并将角钢与连梁100末端通过紧固螺栓8加固；
55.s8：将两组弹性记忆钢板2分别与对应的固定钢板1焊接紧固。
56.实施例3
57.本实施例与实施例2基本相同，其不同之处在于：连梁切除的长度不同。
58.s2：去除连梁100中部的一段保持两段连梁100长度相同，去除的一部分连梁100长度为连梁100总长度的18％，在两段连梁100端面处埋设第二工字型钢6的主钢套61和第三工字型钢7。
59.实施例4
60.本实施例与实施例2基本相同，其不同之处在于：连梁切除的长度不同。
61.s2：去除连梁100中部的一段保持两段连梁100长度相同，去除的一部分连梁100长度为连梁100总长度的22％，在两段连梁100端面处埋设第二工字型钢6的主钢套61和第三工字型钢7。
62.实施例5
63.本实施例与实施例2基本相同，其不同之处在于：对钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2的连接处进行二次处理。
64.二次处理的步骤为：在钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2之间放入金属垫片，金属垫片的宽度为钢管铅芯阻尼器3半径的1/12，厚度为弹性记忆钢板2的1/7，对金属垫片两端同时进行激光熔融，使金属垫片熔化后填充钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2的连接处，激光光斑为3组，第一光斑的中心指向钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2的连接中心处，光斑尺寸2*3mm，激光功率875w，第二光斑与第一光斑中心点重合，光斑尺寸4*6mm，激光功率675w，第三光斑中心点在第一光斑中心点偏向弹性记忆钢板2一侧0.8mm，光斑尺寸3*4mm，激光功率775w，3组光斑的扫描速度为300mm/min，金属垫片为ti-5 al-2.5sn合金。
65.实施例6
66.本实施例与实施例5基本相同，其不同之处在于：
67.二次处理的步骤为：在钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2之间放入金属垫片，金属垫片的宽度为钢管铅芯阻尼器3半径的1/12，厚度为弹性记忆钢板2的1/7，对金属垫片两端同时进行激光熔融，使金属垫片熔化后填充钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2的连接处，激光光斑为3组，第一光斑的中心指向钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2的连接中心处，光斑尺寸2*3mm，激光功率850w，第二光斑与第一光斑中心点重合，光斑尺寸4*6mm，激光功率650w，第三光斑中心点在第一光斑中心点偏向弹性记忆钢板2一侧0.5mm，光斑尺寸3*4mm，激光功率750w，3组光斑的扫描速度为300mm/min，金属垫片为ti-5 al-2.5 sn合金。
68.实施例7
69.本实施例与实施例5基本相同，其不同之处在于：
70.二次处理的步骤为：在钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2之间放入金属垫片，金属垫片的宽度为钢管铅芯阻尼器3半径的1/12，厚度为弹性记忆钢板2的1/7，对金属垫片两端同时进行激光熔融，使金属垫片熔化后填充钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2的连接处，激光光斑为3组，第一光斑的中心指向钢管铅芯阻尼器3与弹性记忆钢板2的连接中心处，光斑尺寸2*3mm，激光功率900w，第二光斑与第一光斑中心点重合，光斑尺寸4*6mm，激光功率700w，第三光斑中心点在第一光斑中心点偏向弹性记忆钢板2一侧1mm，光斑尺寸3*4mm，激光功率800w，3组光斑的扫描速度为300mm/min，金属垫片为ti-5 al-2.5 sn合金。
71.实验例1
72.对实施例2的加固结构力学强度进行测试，并与两组对比例进行对比，其中，对比例1为市售常用的弹性记忆固定合金加固结构，对比例2为市售常用的弹性阻尼器，实验结果如表1所示。
73.表1实施例2、对比例1、2加固结构力学性能
74.实施例屈服载荷(kn)极限载荷(kn)极限位移(mm)实施例230980778对比例112442290对比例223363544
75.由表1数据可以看出，实施例2的加固结构屈服载荷和极限载荷均明显优于两组对比例，而极限位移略低于对比例1的弹性记忆固定合金加固结构，这是由其结构性质决定的，但又明显优于对比例2，因此，综合性能本发明的实施例2中的加固结构性能最优。
76.实验例2
77.对实施例2-4的加固结构力学强度进行测试，实验结果如表2所示。
78.表2实施例2-4加固结构力学性能
79.实施例屈服载荷(kn)极限载荷(kn)极限位移(mm)实施例230980778实施例331784569实施例430379182
80.由表2数据可以看出，3组实施例切除的连梁长度不同，因此载荷不同，当切除的连梁长度越长，及加固结构的长度越长，则会在一定程度上降低载荷，而能够提高极限位移量；同时降低切除长度，加固结构长度降低，则能够提高载荷，但会造成极限位移量下降，因此，需要根据现场施工需要以及地质特点选择合适的切除长度，以达到最优使用目的。
81.实验例3
82.对实施例5-7的加固结构力学强度进行测试，实验结果如表3所示。
83.表3实施例5-7加固结构力学性能
84.实施例屈服载荷(kn)极限载荷(kn)极限位移(mm)实施例532283978实施例631983778实施例732083877
85.由表3数据可以看出，实施例5-7中的屈服载荷和极限载荷相比实施例2均有了一些提升，而极限位移几乎不变，这是因为二次处理通过3种不同大小位置的激光熔融光斑重叠，使组合光斑形成中间高边缘低的类似于凸字形的光斑，如图9所示，在激光熔融过程中，光斑前端可对金属垫片进行300-850℃的预热，中心高功率密度光斑用来进行熔融处理，温度高于1560℃(ti-5 al-2.5sn合金熔点)，而光斑后端可减缓冷却速度，无需添加冷却装置，又可以达到缓冷效果，同时又能够提高弹性记忆钢板一端的连接性。