梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点

摘要

梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点属于结构工程抗震与减震技术领域。现有连接的抗弯承载力只有梁本身抗弯承载力的80-85％，违背了在抗震设计中的“强节点弱构件”的基本原则。本发明涉及到一种削弱钢梁端部翼缘和腹板的原有钢材并置换为耗能能力强的金属材料，同时在梁端加入X形低碳钢钢板以提高节点连接强度，从而形成梁端耗能塑性铰的钢框架梁柱节点。本发明使地震时在置换原有钢材的耗能金属处率先进入变形并达到屈服阶段，同时提高节点整体抗震性能，从而形成梁端塑性铰进行耗能减震。易于施工和维护，成本低廉。

说明书

技术领域

本发明属于结构工程抗震与减震技术领域，涉及到一种削弱钢梁端部翼缘和腹板的原有钢材并置换为耗能能力强的金属材料，同时在梁端加入X形低碳钢钢板以提高节点连接强度，从而形成梁端耗能塑性铰的钢框架梁柱节点。

背景技术

在1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震中，数百幢多高层钢结构房屋的梁柱刚性连接节点脆性断裂的现象使人们认识到，传统的刚性节点设计，即梁翼缘与柱之间通过全熔透对接焊缝、梁腹板与焊在柱上的剪切板之间通过高强螺栓进行连接的设计，并未达到预期的抗震设计要求。造成破坏的一个致命原因是设计中在没有任何加强连接构造措施的情况下，不恰当地采用了所谓“常用设计法”，即翼缘连接承受全部作用弯矩、梁腹板只承受全部作用剪力的假定。这种连接的抗弯承载力只有梁本身抗弯承载力的80-85％，违背了在抗震设计中的“强节点弱构件”的基本原则。基于以上原因，在震后进行的研究中，减少梁翼缘处对接焊缝的应力，人为地使塑性铰在梁上某一部位形成，成为改进刚性节点设计的重要思路。目前一些国家和地区通过削弱梁翼缘而形成狗骨式刚性连接就是新近出现的一种节点形式。但狗骨式梁柱节点也有些不足，首先是削弱翼缘后，构件的静刚度会降低，存在安全隐患。此外如果地震烈度大，削弱处会有严重屈曲发生，如果有余震产生，钢梁将发生二次损伤从而彻底破坏。因此开发既能够保证节点整体刚度又能够在梁端形成具有较低屈服强度的塑性铰，从而在多次地震中充分耗能的阻尼器具有重大的工程意义。

发明内容

本发明给出了一种梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点，发明目的在于通过削弱钢梁端部翼缘和腹板的原有钢材并置换为屈服强度小于235MPa并且耗能能力强的金属材料，使地震时在置换原有钢材的耗能金属处率先进入变形并达到屈服阶段，同时提高节点整体抗震性能，从而形成梁端塑性铰进行耗能减震。易于施工和维护，成本低廉。

本发明的技术方案如下：

具体构造参见图1-4，梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点由钢柱或钢管混凝土柱1、具有翼缘和腹板的钢梁2、耗能金属板3、柱翼缘加劲板4、端板5、高强螺栓6、焊缝7和钢板8组成。

将钢柱或钢管混凝土柱1、具有翼缘和腹板的钢梁2、柱翼缘加劲板4、端板5用螺栓6和焊缝7组装成刚性连接(梁端除能传递剪力外，还能传递梁端弯矩)或半刚性连接(梁端除能传递剪力外，还能传递一定数量的梁端弯矩)节点。

在钢梁上，首先沿梁的纵向将上、下翼缘分别对称于腹板进行切割，确保在任一侧翼缘切割部分的曲线形状为对称二次抛物线，且抛物线的顶点与相应侧翼缘边缘的垂直距离与切割部分的最大宽度b一致。最靠近端板的切割点与端板的距离c为钢梁宽度W的35％至45％；上、下翼缘对称于腹板左右两侧的切割长度a皆为钢梁高度H的75％至80％；一侧翼缘切割部分的最大宽度b为钢梁宽度W的20％至30％，翼缘切割部分的厚度与钢梁翼缘厚度相同。其次对靠近柱端的钢梁腹板进行切割。在腹板平面内，腹板切割部分的中轴线应与翼缘上切割部分的中轴线重合，且切割部分的形状为圆形或者圆角矩形，切割面积为沿钢梁纵向腹板切割最大宽度d和钢梁高度H所构成的矩形面积的25％至35％。

然后选择屈服强度小于235MPa的耗能金属板，采用以下材料中的一种：低屈服点软钢钢板、铝合金板、铅板、锌板或以上金属的复合粘接板。

当采用不同的金属形成复合粘接板，不同材料的耗能金属板之间采用下面的任何一种方法进行粘接：金属铸造法、冷却成型法或者将金属表面打磨后用环氧树脂类或聚氨酯类金属用胶黏剂粘接。粘接后应保证各金属板在耗能减震时能够协调变形。不同材料的耗能金属板的比例、数量和厚度可以根据实际情况确定。

切割耗能金属板，其厚度、形状和面积与从原钢梁切割下来的钢材完全一致。将切割后的耗能金属板分别焊在钢梁的翼缘和腹板切割处，使钢梁最后的形状与未切割前完全一致。

选取与钢梁的翼缘厚度相同的低碳钢钢板并切割成矩形钢板，将矩形钢板切割、焊接，组合成钢板，保证其在沿梁长的平面上呈X形。焊接后的X形钢板尺寸应满足下面的条件：X形钢板的高度等于钢梁上下翼缘之间的距离H；在沿梁长方向上，X形钢板的宽度等于耗能金属板最靠近节点的端点和端板之间的距离c；在沿梁宽方向上，X形钢板的宽度等于钢梁相应的单侧翼缘宽度。

将X形钢板焊接到靠近端板的梁端，并保证X形钢板在钢梁两侧翼缘对称布置，从而加强节点在梁柱结合处的强度，进一步保证塑性铰在耗能金属板处产生。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)在正常使用情况下，置换原有钢材后的节点整体刚度的降低程度不会超过12％，加入X形钢板后的节点整体刚度可恢复到原刚度的95％以上，保证节点具有足够的刚度和强度。

(2)在地震发生时，在置换原有钢材的钢梁翼缘和腹板处，耗能金属材料率先屈服，形成塑性铰并进入滞回耗能阶段，并具有较好的延性。X形钢板保证节点整体和耗能金属材料以外的部分具有足够的刚度并只产生轻微损伤。

(3)在地震余震发生时，即使耗能金属材料失去耗能作用，削弱的部位仍能形成塑性铰进行滞回耗能保证节点安全。地震后，只需要更换金属材料即可实现结构的加固和维修。

(4)所用材料成本低廉，构造简单，抗震效果良好。

附图说明

图1是梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点正面示意图。

图2是梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点沿图1A-A截面左剖视图。

图3是梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点俯视图。

图4是梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点三维侧视图。

图中：

1-钢柱或钢管混凝土柱，2-具有翼缘和腹板的钢梁，3-具有较低屈服点的耗能金属板，4-柱翼缘加劲板，5-端板，6-高强螺栓，7-焊缝，8-X形低碳钢钢板。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1：

具体实施时，如果是对原有梁柱节点进行改造，需要将钢梁底部用脚手架或支撑固定然后进行操作。如果是在梁柱施工时，可以先将钢柱或钢管混凝土柱1、具有翼缘和腹板的钢梁2、柱翼缘加劲板4、端板5用螺栓6和焊缝7组装成刚性或半刚性连接节点然后进行梁端的切割和焊接，也可以先对具有翼缘和腹板的钢梁2进行切割和焊接后再和其他部件组成节点。

在靠近柱端的钢梁上，沿梁的纵向将上、下翼缘对称于腹板分别进行切割，如图1和图3所示，确保在任一侧翼缘切割部分的曲线形状为对称二次抛物线，且抛物线的顶点与相应侧翼缘边缘的垂直距离与切割部分的最大宽度b一致。最靠近端板5的切割点与端板的距离c为钢梁宽度W的35％；上、下翼缘对称于腹板左右两侧的切割长度a皆为钢梁高度H的75％；一侧翼缘切割部分的最大宽度b为钢梁宽度W的20％，翼缘切割部分的厚度与钢梁翼缘厚度相同。在靠近柱边的钢梁上，对靠近柱端的钢梁腹板进行切割，如图1所示，切割的形状是圆形。在腹板平面内，腹板切割部分的中轴线应与翼缘上切割部分的中轴线重合，其切割面积为沿钢梁纵向腹板切割最大宽度d和钢梁高度H所构成的矩形面积的25％。

然后选择屈服强度小于235MPa的软钢钢板作为耗能金属板。切割软钢钢板，其厚度、形状和面积与从原钢梁切割下来的钢材完全一致。将切割后的耗能金属板分别焊在钢梁的翼缘和腹板切割处，使钢梁最后的形状与未切割前完全一致。

选取与钢梁的翼缘厚度相同的低碳钢钢板并切割成矩形钢板，将矩形钢板切割、焊接，组合成X形钢板，其尺寸应满足下面的条件：X形低碳钢钢板的高度等于钢梁上下翼缘之间的距离H；在沿梁长方向上，X形低碳钢钢板的宽度等于耗能金属板最靠近节点的端点和端板之间的距离c；在沿梁宽方向上，X形低碳钢钢板的宽度等于钢梁相应的单侧翼缘宽度。将X形低碳钢钢板焊接到靠近端板的梁端，并保证X形低碳钢钢板在钢梁两侧翼缘对称布置。待焊缝和钢梁形状稳定后即完成了梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点的制作。

在一般地震下，上述梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点的整体耗能提高20％以上，弯曲延性提高20％以上。耗能金属板处所承受的正应力提高30％以上，而其他部位的正应力保持不变。

实施例2：

本实施例的结构与实施例1完全相同，不同之处仅在于：最靠近端板5的切割点与端板的距离c为钢梁宽度W的45％；上、下翼缘对称于腹板左右两侧的切割长度a皆为钢梁高度H的80％；一侧翼缘切割部分的最大宽度b为钢梁宽度W的30％，腹板部分的切割面积占沿钢梁纵向腹板切割最大宽度d和钢梁高度H所构成的矩形面积的35％。

在一般地震下，上述梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点的整体耗能提高30％以上，弯曲延性提高30％以上。耗能金属板处所承受的正应力提高35％以上，而其他部位的正应力保持不变。

实施例3：

本实施例的结构与实施例1完全相同，不同之处仅在于：腹板部分切割的形状是圆角矩形。选择铝合金板作为耗能金属板。

在一般地震下，上述梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点的整体耗能提高20％以上，弯曲延性提高20％以上。耗能金属板处所承受的正应力提高30％以上，而其他部位的正应力保持不变。

实施例4：

本实施例的结构与实施例1完全相同，不同之处仅在于：选择铅板作为耗能金属板。

在一般地震下，上述梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点的整体耗能提高20％以上，弯曲延性提高20％以上。耗能金属板处所承受的正应力提高30％以上，而其他部位的正应力保持不变。

实施例5：

本实施例的结构与实施例1完全相同，不同之处仅在于：选择两块屈服强度小于235MPa的软钢钢板和一块铅板制成的复合粘接板作为耗能金属板，每块钢板和铅板的厚度均相同。将金属表面打磨后用环氧树脂类或聚氨酯类金属用胶黏剂粘接。粘接后应保证各金属板在耗能减震时能够协调变形。

在一般地震下，上述梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点的整体耗能提高20％以上，弯曲延性提高20％以上。耗能金属板处所承受的正应力提高20％以上，而其他部位的正应力保持不变。

实施例6：

本实施例的结构与实施例1完全相同，不同之处仅在于：选择两块铝合金板和一块锌板制成的复合粘接板作为耗能金属板，每块铝合金板和锌板的厚度均相同。采用金属铸造法粘接成型。粘接后应保证各金属板在耗能减震时能够协调变形。

在一般地震下，上述梁端削弱置换式钢框架梁柱抗震节点的整体耗能提高15％以上，弯曲延性提高15％以上。耗能金属板处所承受的正应力提高15％以上，而其他部位的正应力保持不变。