自定心预应力混凝土框架的节点连接装置

摘要

自定心预应力混凝土框架的节点连接装置是一种用于装配式钢筋混凝土框架梁柱连接的装置，旨在改善地震作用下框架结构的耗能，并消除或降低结构的残余变形和损伤。该连接装置以组合钢件构成耗能装置，该耗能装置中，外摩擦钢板(3)有两个，分别对称设置于柱端加强钢板(4)的两侧且与柱端加强钢板(4)连为一个整体，在两个外摩擦钢板(3)之间设有两个内摩擦钢板(8)，在两个内摩擦钢板(8)的上端和和下端分别设置一块梁端加强钢板(5)，在两个内摩擦钢板(8)与外摩擦钢板(3)之间分别设有摩擦片(15)，摩擦型高强螺栓(12)穿过外摩擦钢板(3)、摩擦片(15)、内摩擦钢板(8)和预制混凝土梁(2)，将各部件固定在一起。

说明书

技术领域

本发明为一种装配式钢筋混凝土框架的梁柱连接装置，用于耗散地震能量，并消除或降低框架结构在地震作用下的残余变形和损伤，从而减少震后修复的代价。

背景技术

地震是全人类共同面对的自然灾害之一。历年来的多次强震，对人们的生命和财产安全构成了严重的威胁。国内外的震害调查表明，对于常见的框架结构，其节点区的震害非常普遍。由于节点区的受力较为复杂，在地震作用下，该部位往往成为整个结构体系中最薄弱的环节。同时，由于节点在框架中起着传递、分配内力和保证结构整体性的重要作用，其破坏往往将导致整个框架丧失承载力，甚至结构倒塌。此外，节点区的震后修复难度较大。因此，针对梁柱连接方式的改进非常重要而有意义。

在传统的现浇框架中，结构主要通过自身的塑性变形进行耗能，地震后存在残余变形，给修复和后续使用带来困难。装配式钢筋混凝土框架尽管具有生产速度快、质量稳定、节约模板等优点，但传统的装配式结构的节点连接可靠性较差，因此在地震区的应用受到限制。按是否需要后浇混凝土，框架的连接总体上可分为“湿连接”和“干连接”两种，前者目前应用较多，但湿连接仍需现浇混凝土，模板、支撑和养护大大削弱了预制装配式结构施工速度快、成本低的优点。“干连接”除了可以明显提高工效之外，和“湿连接”的另一个不同在于：在湿连接框架中，设计允许的塑性变形往往设置在连接区以外的区域，连接区保持弹性；而“干连接”的框架则力求预制构件保持在弹性范围，塑性变形尽量控制在连接区本身，因此与现浇结构相比，“干连接”装配式混凝土结构的破坏程度要小得多，容易实现震后修复。但是采用“干连接”的装配式框架的耗能能力弱，梁柱在发生相对转角的时候，梁端混凝土会较早地出现局压破坏，从而影响整体结构的抗震性能。

发明内容

技术问题：为了克服传统的现浇钢筋混凝土框架以及装配式混凝土框架的不足，本发明提供了一种设计简单、加工方便、效果显著的自定心预应力混凝土框架的节点连接装置，可以有效地降低结构在地震作用下的残余变形从而减少震后修复的代价。

技术方案：采用工厂预制的钢筋混凝土梁、柱，经现场经吊装就位，将预应力钢绞线穿过梁柱中预留的孔道，然后进行预应力张拉。后张的无粘结预应力钢绞线既是施工阶段的拼装手段，又可以在使用阶段承受梁端弯矩。为了提高节点的耗能能力，在梁柱接触部位设置摩擦耗能件。该耗能件以组合钢件构成耗能装置，该耗能装置包括外摩擦钢板、柱端加强钢板、梁端加强钢板、摩擦片、内摩擦钢板、摩擦型高强螺栓组成；其中，外摩擦钢板有两个，分别对称设置于柱端加强钢板的两侧且与柱端加强钢板连为一个整体，在两个外摩擦钢板之间设有两个内摩擦钢板，在两个内摩擦钢板的上端和和下端分别设置一块梁端加强钢板，在两个内摩擦钢板与外摩擦钢板之间分别设有摩擦片，摩擦型高强螺栓穿过外摩擦钢板、摩擦片、内摩擦钢板和预制混凝土梁，将各部件固定在一起。在柱端加强钢板上焊接抗剪栓钉。在梁端加强钢板上焊接抗剪栓钉。摩擦型高强螺栓上配有贝尔维尔圆盘弹簧垫圈。

与传统的装配式结构不同，自定心框架的梁柱接触面在装配后不再浇筑混凝土或进行化学灌浆(缝)，而是完全依靠预应力提供的接触面摩擦力承担剪力。当梁端弯矩超过接触面的消压弯矩时，节点张开，钢绞线应力随之增加。地震作用后，框架在钢绞线预应力的作用下回复到原先的竖向中心位置(自定心)，从而消除(或大大降低)结构在地震作用下的残余变形，并且梁柱等主体结构的变形可基本控制在弹性范围内(无损)。

本发明采用“自定心预应力混凝土框架节点连接装置”，重点解决装配式框架节点的耗能和梁端混凝土的局部承压问题，并通过预应力构件，使得结构具有自定心功能(地震后结构自动复位)，有效地消除或减少了结构的残余变形，保证了主体结构在地震作用下的安全，减少了震后修复的代价。

鉴于钢筋混凝土框架在我国的应用广泛，而框架节点的震害非常普遍并且加固修复的难度较大，同时，建筑标准化、工业化和产业化电是当前的发展趋势，因此本申请具有积极的社会意义和科学意义。

有益效果；采用本申请的“自定心预应力混凝土框架节点连接装置”后，装配式框架节点的耗能和梁端混凝土的局部承压问题将得到有效改善，从而获得以下优异的性能：

1)具有自定心能力，大大减小了震后的残余变形；

2)震后的损伤小，并且集中在耗能件等附属构件上，而梁柱等主要构件基本保持弹性，从而便于修复；

3)大部分构件可以在工厂预制，然后现场组装，有利于加快施工进度、保证质量和减少人工成本；

4)采用预应力技术，节点的初始刚度大；

5)竖向剪力主要由梁柱接触面的摩擦以及耗能构件承担，具有良好的结构冗余度；即使部分钢绞线拉断，结构仍能继续工作；

6)柱截面尺寸可以得到减小；

附图说明

下面结合附图和实施方式进一步对本发明进行说明。

图1为采用本发明装置后框架的三维示意图

图2为采用本发明装置后的框架侧面图；

图3为预制柱及其预埋件的剖面图；

图4为预制梁及其预埋件的剖面图；

图5为图1的A-A剖面；

图6为图1的B-B剖面；

图7为外摩擦钢板及其上的开洞；

图8为采用本方面装置后的框架节点在强震作用下的变形图。

图中有：预制混凝土柱1；预制混凝土梁2；外摩擦钢板3；柱端加强钢板4；梁端加强钢板5；无粘结预应力钢绞线6；抗剪栓钉7；内摩擦钢板8；螺旋箍筋9；预留的摩擦螺栓孔10；预应力钢绞线锚具11；摩擦型高强螺栓12；外摩擦钢板上的预留孔13；贝尔维尔圆盘弹簧垫圈14；摩擦片15。

具体实施方式

本发明的自定心预应力混凝土框架的节点连接装置主要由梁柱预埋钢件和摩擦耗能装置两部分组成。

梁柱预埋钢件主要包括柱端加强钢板4和梁端加强钢板5、抗剪栓钉7，预制梁的端部还可以加入螺旋箍9。柱端加强钢板4和梁端加强钢板5用于提高钢筋混凝土的局部抗压能力，抗剪栓钉7焊接在加强钢板上，用于提高钢板和预制混凝土构件的共同工作性能，螺旋箍9则用于对梁端的混凝土提供约束，提高混凝土的局部承压能力。上述钢件均在工厂和预制混凝土柱1、预制混凝土梁2一起预制。

摩擦耗能件以组合钢件构成耗能装置，该耗能装置包括外摩擦钢板3、柱端加强钢板4、梁端加强钢板5、摩擦片15、内摩擦钢板8、摩擦型高强螺栓12组成；其中，外摩擦钢板3有两个，分别对称设置于柱端加强钢板4的两侧且与柱端加强钢板4连为一个整体，在两个外摩擦钢板3之间设有两个内摩擦钢板8，在两个内摩擦钢板8的上端和和下端分别设置一块梁端加强钢板5，在两个内摩擦钢板8与外摩擦钢板3之间分别设有摩擦片15，摩擦型高强螺栓12穿过外摩擦钢板3、摩擦片15、内摩擦钢板8和预制混凝土梁2，将各部件固定在一起。

其中，摩擦型高强螺栓12穿过预留的摩擦螺栓孔10并经过贝尔维尔圆盘弹簧垫圈14将外摩擦钢板3、摩擦片15和内摩擦钢板8压紧。通过摩擦型螺栓12上的预应力，提供了垂直于摩擦面的正向压力。当梁柱节点在强震作用下发生如图8所示的相对转动时，摩擦片15和内摩擦钢板的接触面将通过摩擦耗散地震能量。预留的摩擦螺栓孔10和内摩擦钢板8均在工厂和预制混凝土梁2一起预制。在框架装配后，外摩擦钢板3和柱端加强钢板4焊接。外摩擦钢板3的腹板上按节点可能发生的相对变形的大小预留了一定直径的孔13，从而保证摩擦型高强螺栓12在节点变形过程中不至于被外摩擦钢板3剪切。摩擦片15附着在外摩擦钢板3的内侧或附着在内摩擦钢板8上。

水平布置的无粘结预应力钢绞线6对框架梁产生压力并承受弯矩，梁端的剪力由梁柱接触面上的摩擦力承担。当地震作用达到一定程度时，梁柱的接触面张开(如图8所示)，并通过摩擦耗能装置的变形并耗能，从而避免了预制混凝土柱1和预制混凝土梁2等主体构件的损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原先的竖向位置(自定心)。