基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架及其装配方法

1.本发明属于建筑结构抗震结构技术领域，具体涉及基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架，还涉及基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架的装配方法。


背景技术：

2.当前对钢框架的抗震设计大多数遵循“强节点弱构件”的设计思路，这种思路更侧重于在地震作用下主体结构不发生倒塌而保护生命，而忽略了结构震后长时间内无法承担原有使用功能的后果。历次震害表明，结构设计不能仅满足于地震发生时保护生命安全，而应将地震后结构的自修复以及原有功能的恢复放在同等重要的位置，以确保灾区的生活和生产的快速恢复。因此，国内外学者陆续提出功能可恢复结构以解决震后建筑物因残余变形过大，且修复成本过高的问题，使建筑物具有自复位功能，震后能够快速恢复，大幅减少地震造成的经济损失。带有摇摆耗能功能的自复位结构是一种典型的实现功能可恢复的结构形式，通过引入能够为结构提供复位力的构件控制并减小建筑结构在地震后的残余位移，放松节点实现摇摆功能，将地震作用下的损伤集中在外加耗能元件上，利用后张筋或钢绞线提供自复位能力，耗能元件能有效降低甚至消除结构残余变形，从而使结构震后经少量修复或无需修复即可恢复至原有状态。
3.形状记忆合金(shape memory alloy,sma)以其优越的自复位性，高阻尼耗能能力和独特的形状记忆效应闻名于世。这些特性符合土木工程抗震领域对结构的应用要求，可有效降低地震后结构的残余位移。另外，由于sma具有出众的自复位性能和抗疲劳能力，即使在地震烈度较大时，也无需对sma构件进行维修更换。
4.受控摇摆自复位钢框架，具有自复位结构和摇摆结构的结构各自特点，通过放松柱脚节点，地震作用时允许柱脚抬升，利用后张筋或钢绞线提供自复位能力，使结构具有良好的抗震性能。然而，摇摆钢框架虽然能有效降低地震损伤，但较大的摇摆变形增大倾覆力矩，并且基础对柱脚的约束作用有限，降低结构的抗倾覆能力，增大结构倾覆的风险，不利结构抗震性能的发挥和应用。因此，有必要解决摇摆柱摇摆过大和基础对柱脚的约束作用有限的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架，通过在钢柱与混凝土基座、钢梁连接处设置阻尼器，在上述连接处发生摇摆和转动时形成塑性变形，耗散地震能量，进而降低节点的地震损伤和破坏。
6.本发明的另一目的是提供基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架的装配方法。
7.本发明所采用的技术方案是，基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架，包括多个呈直线排列的混凝土基座组件，每个混凝土基座组件上通柱脚耗能阻尼器连接钢柱，相邻钢柱之间通过梁柱阻尼结构垂直连接多个钢梁。
8.本发明的特点还在于：
9.每个钢柱和钢梁均包括两个平行的翼缘板，两个翼缘板之间连接多个肋板。
10.每个混凝土基座组件包括混凝土基座，每个混凝土基座上连接多个下部肋板，多个下部肋板上连接平行混凝土基座上平面的连接板，钢柱穿过连接板连接混凝土基座，混凝土基座上位于钢柱的两个翼缘板之间连接多个挤压板一端，挤压板另一端穿过连接板，挤压板穿过连接板一端与翼缘板之间连接柱脚耗能阻尼器，钢柱的每个翼缘板与连接板之间通过l型连接板连接。
11.每个钢柱的底部肋板与混凝土基座之间还连接多个柱底sma绞线。
12.钢柱与每个l型连接板之间均设置铜板。
13.l型连接板内焊接支撑肋板，支撑肋板与l型连接板的两个面固定连接。
14.梁柱阻尼结构包括分别通过螺栓连接钢柱上的两个平行柱端固定器，柱端固定器位于钢梁的两个翼缘板之间，两个柱端固定器上均开设半圆凹槽，两个柱端固定器的半圆凹槽内通过螺钉连接转轴，转轴两端分别连接一个固定板，每个固定板的两面分别依次通过螺栓连接梁柱阻尼器、梁端固定器，每个梁端固定器通过螺栓连接临近钢梁的翼缘板，梁端固定器还通过螺栓连接钢梁上。
15.钢梁上两端分别连接支撑板，支撑板上连接梁端稳定器，梁端稳定器套接在转轴外。
16.钢梁的两个翼缘板上均通过螺栓连接l型sma固定板一面，每个l型sma固定板另一面通过柱梁sma绞线连接钢梁。
17.本发明所采用的另一技术方案是，基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架装配方法，具体按照以下步骤实施：
18.在每个混凝土基座组件中开设凹槽，在每个混凝土基座组件的凹槽中通过柱脚耗能阻尼器连接钢柱；
19.在相邻两个钢柱之间连接多个钢梁，钢梁与邻近钢柱之间连接梁柱阻尼结构。
20.本发明有益效果是：
21.1)本发明基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架在地震作用下，钢柱与混凝土基座、钢梁连接处通过摇摆使其耗能阻尼器自身塑性变形来耗散能，使节点内的主体构件基本保持弹性，提高了强震下的抗震性能，有效地降低了梁柱节点的损伤。
22.2)本发明柱脚、柱梁通过两侧设置耗能装置和sma绞线以强化建筑结构薄弱一侧的自复位，可以通过调整耗能阻尼器的数量和位置来满足不同条件下的需要。
23.3)本发明的梁柱节点和柱脚节点，皆布置sma绞线，来实现自复位功能。
24.4)本发明中耗能装置皆由螺栓固定于结构外侧，在地震后如果耗能装置受损，只需在外部更换相应耗能装置即可。
25.5)本发明中全部部件均可采用工厂加工现在装配的方式进行施工，通过预先在结构上开设孔洞，各部件可以通过预设连接孔与混凝土基座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。
附图说明
26.图1是本发明基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架结构示意图；
27.图2是本发明中混凝土基座组件与柱脚耗能阻尼器连接关系示意图；
28.图3是本发明中混凝土基座组件的结构示意图；
29.图4是本发明中混凝土基座的结构示意图；
30.图5是本发明中l型连接板的结构示意图；
31.图6是本发明中铜板的结构示意图；
32.图7是本发明中梁柱阻尼结构的结构示意图；
33.图8是本发明中柱端固定器的结构示意图；
34.图9是本发明中柱端固定器与转轴的连接关系示意图；
35.图10是本发明中转轴结构示意图；
36.图11是本发明中梁端固定器的结构示意图；
37.图12是本发明中钢梁与梁端稳定器连接关系示意图；
38.图13是本发明中钢梁结构示意图；
39.图14是本发明中梁端稳定器结构示意图；
40.图15是本发明中l型sma固定板的结构示意图；
41.图16是本发明中梁柱阻尼器、脚部耗能阻尼器结构示意图；
42.图17是本发明中梁端节点所有构件组装完成之后的截面图。
43.其中，1.钢梁，2.钢柱，3.柱端固定器，4.转轴，5.梁端固定器，6.梁柱阻尼器，7.梁端稳定器、8.l型sma固定板，9.柱梁sma绞线，10.l型连接板，11.铜板，12.柱底sma绞线，13.连接板，14.挤压板，15.支撑肋板，16.固定板，17.混凝土基座，18.脚部耗能阻尼器，19.下部肋板。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
45.本发明基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架，如图1所示，包括多个呈直线排列的混凝土基座组件，每个混凝土基座组件上通柱脚耗能阻尼器连接钢柱2，每个混凝土基座组件与钢柱2连接处形成柱脚节点，相邻钢柱2之间通过梁柱阻尼结构垂直连接多个钢梁1，钢柱2与钢梁1之间形成梁柱节点，节点中柱与梁、柱与基座的连接处之间布置空隙，均选择耗能阻尼器连接作为主要耗能装置，可在节点发生摇摆和转动时形成塑性变形，耗散地震能量，进而降低节点的地震损伤和破坏。
46.每个钢柱2和钢梁1均包括两个平行的翼缘板，两个翼缘板之间连接多个肋板。
47.如图2、图3所示，每个混凝土基座组件包括混凝土基座17，如图4所示，混凝土基座17上开设凹槽，混凝土基座17的凹槽内设置钢柱2，每个混凝土基座17上连接多个下部肋板19，多个下部肋板19上连接平行混凝土基座17上平面的连接板13，下部肋板19起到固定连接混凝土基座17与连接板13的作用，还能够对连接板13起到支撑作用，连接板13上开设略大于钢柱2外形尺寸的开孔，使钢柱2能够穿过开孔延伸至混凝土基座17的凹槽内，混凝土基座17上位于钢柱2的两个翼缘板之间连接多个挤压板14一端，挤压板14另一端穿过连接板13，挤压板14穿过连接板13一端与翼缘板之间连接柱脚耗能阻尼器18，当发生震动时，挤压板14或者钢柱2挤压柱脚耗能阻尼器18，柱脚耗能阻尼器18通过自身塑性变形进行散能，钢柱2的每个翼缘板与连接板13之间通过l型连接板10连接，l型连接板10结构如图5所示。
48.混凝土基座17的凹槽内设置加强板，通过加强板与钢柱2接触，防止混凝土基座17
被压裂。
49.每个钢柱2的底部肋板与混凝土基座17之间还连接多个柱底sma绞线12，能够实现柱底自复位效果。
50.钢柱2与每个l型连接板10之间均设置铜板11，铜板11结构如图6所示，铜板11上椭圆孔或者长椭圆孔，能够增大钢梁1与l型连接板10之间的摩擦耗能能力。
51.混凝土基座17上连接一端延伸至l型连接板10的支撑肋板15，支撑肋板15与l型连接板10的两个面固定连接，支撑肋板15能够对l型连接板10起到支撑作用。
52.如图7、图8所示，梁柱阻尼结构包括分别通过螺栓连接钢柱2上的两个平行柱端固定器3，柱端固定器3结构如图9所示，柱端固定器3位于钢梁1的两个翼缘板之间，两个柱端固定器3上均开设半圆凹槽，两个柱端固定器3的半圆凹槽内通过螺钉连接转轴4，如图10所示，转轴4两端分别连接一个固定板16，每个固定板16的两面分别依次通过螺栓连接梁柱阻尼器6、梁端固定器5，梁端固定器5如图11所示，采用u型型钢结构，每个梁端固定器5通过螺栓连接临近钢梁1的翼缘板，梁端固定器5还通过螺栓连接钢梁1上，增加转轴4和钢梁1之间的接触面积，来增大传力和强度，在u型型钢结构两相对面之间焊接翼缘板使其与钢梁1截面齐平。
53.如图9所示，柱端固定器3包括一体化垂直连接的柱端固定板和柱端支撑板，柱端支撑板上开设半圆凹槽。
54.如图12、图13所示，钢梁1上两端分别连接支撑板，支撑板上连接梁端稳定器7，梁端稳定器7套接在转轴4外，梁端稳定器7结构如图14所示。
55.钢梁1的两个翼缘板上均通过螺栓连接l型sma固定板8一面，每个l型sma固定板8另一面通过柱梁sma绞线9连接钢梁1，l型sma固定板8结构如图15所示，内部焊接加劲肋，能够稳定柱梁sma绞线9的变形。
56.梁柱阻尼器、脚部耗能阻尼器结构如图16所示，为椭圆形弹性翼缘板结构。
57.基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架装配方法，具体按照以下步骤实施：
58.在每个混凝土基座组件中开始凹槽，在每个混凝土基座组件的凹槽中通过柱脚耗能阻尼器连接钢柱2，通过柱脚耗能阻尼器承担阻尼器传来的力；具体为：
59.在混凝土基座17的凹槽外部预埋支撑肋板15、下部肋板19，将支撑肋板15、挤压板14分别穿过连接板13上，随后将下部肋板19、支撑肋板15、挤压板14焊接连接板13上，再将钢柱1从连接板13上穿过，延伸至混凝土基座17的凹槽内，挤压板14也延伸至混凝土基座17的凹槽内。
60.在挤压板14与钢柱2的翼缘板之间通过螺栓连接梁柱阻尼器6；在钢柱2的翼缘板与连接板13之间通过螺栓连接l型连接板10，再将支撑肋板15焊接在l型连接板10内，防止出现连接板13侧掀屈曲。在每个钢柱2的底部肋板与混凝土基座17之间连接多个柱底sma绞线12。
61.在相邻两个钢柱2之间连接多个钢梁1，钢梁1与邻近钢柱2之间连接梁柱阻尼结构；具体为：
62.先把柱端固定器3固定到钢柱2上，如图17所示，将梁端稳定器7套接在转轴4上，将转轴4固定到柱端固定器3上；把梁端稳定器7固定连接钢梁1的支撑板上；把梁端固定器5通过螺栓连接到钢梁1的翼缘板内侧；把l型sma固定板8固定到钢梁1的翼缘板外侧上；将转轴
4两端分别通过激光焊接固定板16，实际使用时，可以提前焊接完成现场直接安装，减少现场施工成本，在梁端固定器5与固定板16之间加入梁柱阻尼器6，在l型sma固定板8与钢梁2之间连接柱梁sma绞线9。
63.本发明基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架的工作原理为：
64.安装过程中，梁柱节点可先将柱端固定器3通过螺栓固定到钢柱2上；梁端稳定器7套在转轴4上，转轴4再通过双头螺纹螺栓固定到柱端固定器3上；把钢梁1截面缝隙套在转轴4上，并穿过梁端稳定器7，通过螺栓固定梁端稳定器7和钢梁1；将梁端固定器5通过螺栓固定于钢梁1翼缘，同时梁端固定器5翼缘板之间加肋增加强度；将梁柱阻尼器6通过螺栓安装于梁端固定器5和转轴4之间的空隙；将柱梁sma绞线9一端连接于钢柱2，一端连接于l型sma固定板8，同时l型sma固定板8通过螺栓固定于钢梁1。
65.柱脚节点，先浇筑混凝土基座17，同时在中心位置预留方形凹槽，方形凹槽内可以放置加强板，加强板面积不小于钢柱截面面积，并使位于方形凹槽外的支撑肋板15预埋在混凝土基座17中；在方形凹槽内放置加强板，同时使位于方形凹槽内的支撑肋板15焊接于加强板上；在加强板上焊接连接板13；钢柱2通过连接板13上开设的孔放置在加强板上；将梁柱阻尼器6通过螺栓安装于钢柱2的翼缘板与挤压板14之间的空隙；柱底sma绞线12一端连接钢柱加肋板另一端连接于连接板13；将l型连接板10一侧连接钢柱2翼缘一侧连接连接板13，同时钢柱2与l型连接板10之间加入铜板11增加摩擦力。
66.发生地震作用时，在梁柱节点上，钢梁1梁端通过梁端稳定器7相对转轴4发生摆动，梁柱阻尼器6和柱梁sma绞线9发生变形，梁柱阻尼器6的塑性变形进行耗能，同时也会使位于钢梁1翼缘两侧的柱梁sma绞线9处于受拉的状态以消耗地震能量，而地震作用结束后，柱梁sma绞线9会因其自身特性进行自复位。在柱脚节点上，钢柱2会在h型孔中摆动，梁柱阻尼器6和sma绞线12发生变形，梁柱阻尼器6的塑性变形进行耗能，使柱底sma绞线12处于受拉和受压的状态以消耗地震能量，同时钢柱2翼缘外侧l型连接板10之间进行摩擦耗能，并且而地震作用结束后，sma绞线会因其自身特性进行自复位。
67.通过上述方式，本发明基于耗能阻尼器的摇摆自复位钢框架，包括多个呈直线排列的混凝土基座组件，每个混凝土基座组件上通柱脚耗能阻尼器连接钢柱，相邻钢柱之间通过梁柱阻尼结构垂直连接多个钢梁；本发明在地震作用下，钢柱与混凝土基座、钢梁连接处通过摇摆使其耗能阻尼器自身塑性变形来耗散能，使节点内的主体构件基本保持弹性，提高了强震下的抗震性能，有效地降低了梁柱节点的损伤。本发明柱脚、柱梁通过两侧设置耗能装置和sma绞线以强化建筑结构薄弱一侧的自复位，可以通过调整耗能阻尼器的数量和位置来满足不同条件下的需要。本发明的梁柱节点和柱脚节点，皆布置sma绞线，来实现自复位功能。本发明中耗能装置皆由螺栓固定于结构外侧，在地震后如果耗能装置受损，只需在外部更换相应耗能装置即可。本发明中全部部件均可采用工厂加工现在装配的方式进行施工，通过预先在结构上开设孔洞，各部件可以通过预设连接孔与混凝土基座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。