專(zhuān)利名稱(chēng)：梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)工程抗震與減震技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種削弱鋼梁端部翼
緣和腹板的原有鋼材并置換為耗能能力強(qiáng)的金屬材料，同時(shí)在梁端加入x形
低碳鋼鋼板以提高節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度，從而形成梁端耗能塑性鉸的鋼框架梁柱節(jié)占。
背景技術(shù)：
在1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本阪神地震中，數(shù)百幢多高層鋼結(jié) 構(gòu)房屋的梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)脆性斷裂的現(xiàn)象使人們認(rèn)識(shí)到，傳統(tǒng)的剛性節(jié)點(diǎn) 設(shè)計(jì)，即梁翼緣與柱之間通過(guò)全熔透對(duì)接焊縫、梁腹板與焊在柱上的剪切板 之間通過(guò)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接的設(shè)計(jì)，并未達(dá)到預(yù)期的抗震設(shè)計(jì)要求。造成破 壞的一個(gè)致命原因是設(shè)計(jì)中在沒(méi)有任何加強(qiáng)連接構(gòu)造措施的情況下，不恰當(dāng) 地采用了所謂"常用設(shè)計(jì)法"，即翼緣連接承受全部作用彎矩、梁腹板只承 受全部作用剪力的假定。這種連接的抗彎承載力只有梁本身抗彎承載力的 80-85%，違背了在抗震設(shè)計(jì)中的"強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件"的基本原則?；谝陨显?因，在震后進(jìn)行的研究中，減少梁翼緣處對(duì)接焊縫的應(yīng)力，人為地使塑性鉸 在梁上某一部位形成，成為改進(jìn)剛性節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要思路。目前一些國(guó)家和 地區(qū)通過(guò)削弱梁翼緣而形成狗骨式剛性連接就是新近出現(xiàn)的一種節(jié)點(diǎn)形式。 但狗骨式梁柱節(jié)點(diǎn)也有些不足，首先是削弱翼緣后，構(gòu)件的靜剛度會(huì)降低， 存在安全隱患。此外如果地震烈度大，削弱處會(huì)有嚴(yán)重屈曲發(fā)生，如果有余 震產(chǎn)生，鋼梁將發(fā)生二次損傷從而徹底破壞。因此開(kāi)發(fā)既能夠保證節(jié)點(diǎn)整體 剛度又能夠在梁端形成具有較低屈服強(qiáng)度的塑性鉸，從而在多次地震中充分 耗能的阻尼器具有重大的工程意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明給出了一種梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)，發(fā)明目的在于 通過(guò)削弱鋼梁端部翼緣和腹板的原有鋼材并置換為屈服強(qiáng)度小于235MPa并且 耗能能力強(qiáng)的金屬材料，使地震時(shí)在置換原有鋼材的耗能金屬處率先進(jìn)入變 形并達(dá)到屈服階段，同時(shí)提高節(jié)點(diǎn)整體抗震性能，從而形成梁端塑性鉸進(jìn)行 耗能減震。易于施工和維護(hù)，成本低廉。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
具體構(gòu)造參見(jiàn)圖l一4，梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)由鋼柱或鋼
管混凝土柱l、具有翼緣和腹板的鋼梁2、耗能金屬板3、柱翼緣加勁板4、 端板5、高強(qiáng)螺栓6、焊縫7和鋼板8組成。
將鋼柱或鋼管混凝土柱l、具有翼緣和腹板的鋼梁2、柱翼緣加勁板4、 端板5用螺栓6和焊縫7組裝成剛性連接(梁端除能傳遞剪力外，還能傳遞 梁端彎矩)或半剛性連接(梁端除能傳遞剪力外，還能傳遞一定數(shù)量的梁端 彎矩)節(jié)點(diǎn)。
在鋼梁上，首先沿梁的縱向?qū)⑸?、下翼緣分別對(duì)稱(chēng)于腹板進(jìn)行切割，確 保在任一側(cè)翼緣切割部分的曲線(xiàn)形狀為對(duì)稱(chēng)二次拋物線(xiàn)，且拋物線(xiàn)的頂點(diǎn)與 相應(yīng)側(cè)翼緣邊緣的垂直距離與切割部分的最大寬度b —致。最靠近端板的切 割點(diǎn)與端板的距離c為鋼梁寬度W的35X至45X;上、下翼緣對(duì)稱(chēng)于腹板左 右兩側(cè)的切割長(zhǎng)度a皆為鋼梁高度H的75%至80%; —側(cè)翼緣切割部分的最 大寬度b為鋼梁寬度W的20%至30%，翼緣切割部分的厚度與鋼梁翼緣厚度 相同。其次對(duì)靠近柱端的鋼梁腹板進(jìn)行切割。在腹板平面內(nèi)，腹板切割部分 的中軸線(xiàn)應(yīng)與翼緣上切割部分的中軸線(xiàn)重合，且切割部分的形狀為圓形或者 圓角矩形，切割面積為沿鋼梁縱向腹板切割最大寬度d和鋼梁高度H所構(gòu)成 的矩形面積的25%至35%。
然后選擇屈服強(qiáng)度小于235MPa的耗能金屬板，采用以下材料中的一種 低屈服點(diǎn)軟鋼鋼板、鋁合金板、鉛板、鋅板或以上金屬的復(fù)合粘接板。
當(dāng)采用不同的金屬形成復(fù)合粘接板，不同材料的耗能金屬板之間采用下 面的任何一種方法進(jìn)行粘接金屬鑄造法、冷卻成型法或者將金屬表面打磨
后用環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)或聚氨酯類(lèi)金屬用膠黏劑粘接。粘接后應(yīng)保證各金屬板在耗 能減震時(shí)能夠協(xié)調(diào)變形。不同材料的耗能金屬板的比例、數(shù)量和厚度可以根 據(jù)實(shí)際情況確定。
切割耗能金屬板，其厚度、形狀和面積與從原鋼梁切割下來(lái)的鋼材完全 一致。將切割后的耗能金屬板分別焊在鋼梁的翼緣和腹板切割處，使鋼梁最 后的形狀與未切割前完全一致。
選取與鋼梁的翼緣厚度相同的低碳鋼鋼板并切割成矩形鋼板，將矩形鋼 板切割、焊接，組合成鋼板，保證其在沿梁長(zhǎng)的平面上呈X形。焊接后的X
形鋼板尺寸應(yīng)滿(mǎn)足下面的條件X形鋼板的高度等于鋼梁上下翼緣之間的距離 H;在沿梁長(zhǎng)方向上，X形鋼板的寬度等于耗能金屬板最靠近節(jié)點(diǎn)的端點(diǎn)和端 板之間的距離C;在沿梁寬方向上，X形鋼板的寬度等于鋼梁相應(yīng)的單側(cè)翼緣 寬度。
將X形鋼板焊接到靠近端板的梁端，并保證X形鋼板在鋼梁兩側(cè)翼緣對(duì) 稱(chēng)布置，從而加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)在梁柱結(jié)合處的強(qiáng)度，進(jìn)一步保證塑性鉸在耗能金屬 板處產(chǎn)生。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是-
(1) 在正常使用情況下，置換原有鋼材后的節(jié)點(diǎn)整體剛度的降低程度不
會(huì)超過(guò)12%,加入X形鋼板后的節(jié)點(diǎn)整體剛度可恢復(fù)到原剛度的95X以上，保
證節(jié)點(diǎn)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。
(2) 在地震發(fā)生時(shí)，在置換原有鋼材的鋼梁翼緣和腹板處，耗能金屬材
料率先屈服，形成塑性鉸并進(jìn)入滯回耗能階段，并具有較好的延性。x形鋼板
保證節(jié)點(diǎn)整體和耗能金屬材料以外的部分具有足夠的剛度并只產(chǎn)生輕微損傷。
(3) 在地震余震發(fā)生時(shí)，即使耗能金屬材料失去耗能作用，削弱的部位 仍能形成塑性鉸進(jìn)行滯回耗能保證節(jié)點(diǎn)安全。地震后，只需要更換金屬材料 即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的加固和維修。
(4) 所用材料成本低廉，構(gòu)造簡(jiǎn)單，抗震效果良好。


圖1是梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)正面示意圖。
圖2是梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)沿圖1 A-A截面左剖視圖。
圖3是梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)俯視圖。
圖4是梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)三維側(cè)視圖。
圖中
l一鋼柱或鋼管混凝土柱，2—具有翼緣和腹板的鋼梁，3—具有較低屈 服點(diǎn)的耗能金屬板，4一柱翼緣加勁板，5—端板，6—高強(qiáng)螺栓，7—焊縫，8—X 形低碳鋼鋼板。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
實(shí)施例l:
具體實(shí)施時(shí)，如果是對(duì)原有梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改造，需要將鋼梁底部用腳手 架或支撐固定然后進(jìn)行操作。如果是在梁柱施工時(shí)，可以先將鋼柱或鋼管混 凝土柱l、具有翼緣和腹板的鋼梁2、柱翼緣加勁板4、端板5用螺栓6和焊 縫7組裝成剛性或半剛性連接節(jié)點(diǎn)然后進(jìn)行梁端的切割和焊接，也可以先對(duì) 具有翼緣和腹板的鋼梁2進(jìn)行切割和焊接后再和其他部件組成節(jié)點(diǎn)。
在靠近柱端的鋼梁上，沿梁的縱向?qū)⑸?、下翼緣?duì)稱(chēng)于腹板分別進(jìn)行切 割，如圖1和圖3所示，確保在任一側(cè)翼緣切割部分的曲線(xiàn)形狀為對(duì)稱(chēng)二次 拋物線(xiàn)，且拋物線(xiàn)的頂點(diǎn)與相應(yīng)側(cè)翼緣邊緣的垂直距離與切割部分的最大寬 度b —致。最靠近端板5的切割點(diǎn)與端板的距離c為鋼梁寬度W的35%;上、 下翼緣對(duì)稱(chēng)于腹板左右兩側(cè)的切割長(zhǎng)度a皆為鋼梁高度H的75%; —側(cè)翼緣 切割部分的最大寬度b為鋼梁寬度W的20% ，翼緣切割部分的厚度與鋼梁翼 緣厚度相同。在靠近柱邊的鋼梁上，對(duì)靠近柱端的鋼梁腹板進(jìn)行切割，如圖l 所示，切割的形狀是圓形。在腹板平面內(nèi)，腹板切割部分的中軸線(xiàn)應(yīng)與翼緣 上切割部分的中軸線(xiàn)重合，其切割面積為沿鋼梁縱向腹板切割最大寬度d和 鋼梁高度H所構(gòu)成的矩形面積的25%。
然后選擇屈服強(qiáng)度小于235MPa的軟鋼鋼板作為耗能金屬板。切割軟鋼鋼 板，其厚度、形狀和面積與從原鋼梁切割下來(lái)的鋼材完全一致。將切割后的 耗能金屬板分別焊在鋼梁的翼緣和腹板切割處，使鋼梁最后的形狀與未切割 前完全一致。
選取與鋼梁的翼緣厚度相同的低碳鋼鋼板并切割成矩形鋼板，將矩形鋼 板切割、焊接，組合成X形鋼板，其尺寸應(yīng)滿(mǎn)足下面的條件X形低碳鋼鋼板 的高度等于鋼梁上下翼緣之間的距離H;在沿梁長(zhǎng)方向上，X形低碳鋼鋼板的
寬度等于耗能金屬板最靠近節(jié)點(diǎn)的端點(diǎn)和端板之間的距離C;在沿梁寬方向
上，x形低碳鋼鋼板的寬度等于鋼梁相應(yīng)的單側(cè)翼緣寬度。將x形低碳鋼鋼板 焊接到靠近端板的梁端，并保證x形低碳鋼鋼板在鋼梁兩側(cè)翼緣對(duì)稱(chēng)布置。
待焊縫和鋼梁形狀穩(wěn)定后即完成了梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)的制 作。
在一般地震下，上述梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)的整體耗能提
高20%以上，彎曲延性提高20%以上。耗能金屬板處所承受的正應(yīng)力提高30 Q/。以上，而其他部位的正應(yīng)力保持不變。
實(shí)施例2:
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l完全相同，不同之處僅在于最靠近端板5的 切割點(diǎn)與端板的距離C為鋼梁寬度W的45X;上、下翼緣對(duì)稱(chēng)于腹板左右兩
側(cè)的切割長(zhǎng)度a皆為鋼梁高度H的80%; —側(cè)翼緣切割部分的最大寬度b為 鋼梁寬度W的30%，腹板部分的切割面積占沿鋼梁縱向腹板切割最大寬度d 和鋼梁高度H所構(gòu)成的矩形面積的35%。
在一般地震下，上述梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)的整體耗能提 高30%以上，彎曲延性提高30%以上。耗能金屬板處所承受的正應(yīng)力提高35 %以上，而其他部位的正應(yīng)力保持不變。 實(shí)施例3:
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l完全相同，不同之處僅在于腹板部分切割的 形狀是圓角矩形。選擇鋁合金板作為耗能金屬板。
在一般地震下，上述梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)的整體耗能提
高20%以上，彎曲延性提高20%以上。耗能金屬板處所承受的正應(yīng)力提高30 %以上，而其他部位的正應(yīng)力保持不變。 實(shí)施例4:
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l完全相同，不同之處僅在于選擇鉛板作為 耗能金屬板。
在一般地震下，上述梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)的整體耗能提
高20%以上，彎曲延性提高20%以上。耗能金屬板處所承受的正應(yīng)力提高30 %以上，而其他部位的正應(yīng)力保持不變。 實(shí)施例5:
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l完全相同，不同之處僅在于選擇兩塊屈服 強(qiáng)度小于235MPa的軟鋼鋼板和一塊鉛板制成的復(fù)合粘接板作為耗能金屬板， 每塊鋼板和鉛板的厚度均相同。將金屬表面打磨后用環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)或聚氨酯類(lèi) 金屬用膠黏劑粘接。粘接后應(yīng)保證各金屬板在耗能減震時(shí)能夠協(xié)調(diào)變形。
在一般地震下，上述梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)的整體耗能提
高20%以上，彎曲延性提高20%以上。耗能金屬板處所承受的正應(yīng)力提高20 %以上，而其他部位的正應(yīng)力保持不變。
實(shí)施例6:
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l完全相同，不同之處僅在于選擇兩塊鋁合 金板和一塊鋅板制成的復(fù)合粘接板作為耗能金屬板，每塊鋁合金板和鋅板的 厚度均相同。采用金屬鑄造法粘接成型。粘接后應(yīng)保證各金屬板在耗能減震 時(shí)能夠協(xié)調(diào)變形。
在一般地震下，上述梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)的整體耗能提
高15。％以上，彎曲延性提高15%以上。耗能金屬板處所承受的正應(yīng)力提高15
%以上，而其他部位的正應(yīng)力保持不變。
權(quán)利要求
1.梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)，包括鋼柱或鋼管混凝土柱(1)、具有翼緣和腹板的鋼梁(2)、柱翼緣加勁板(4)、端板(5)高強(qiáng)螺栓(6)、焊縫(7)和鋼板(8)；節(jié)點(diǎn)連接形式為剛性連接或半剛性連接，其特征在于先將鋼梁(2)的翼緣和腹板部分原有鋼材進(jìn)行切割，然后用具有同樣大小和尺寸且屈服強(qiáng)度小于235MPa的耗能金屬板(3)置換切割掉的部分并與鋼梁焊接；在鋼梁上進(jìn)行切割時(shí)，首先沿梁的縱向?qū)⑸?、下翼緣分別對(duì)稱(chēng)于腹板進(jìn)行切割，確保在任一側(cè)翼緣切割部分的曲線(xiàn)形狀為對(duì)稱(chēng)二次拋物線(xiàn)，且拋物線(xiàn)的頂點(diǎn)與相應(yīng)側(cè)翼緣邊緣的垂直距離與切割部分的最大寬度b一致；最靠近端板的切割點(diǎn)與端板的距離c為鋼梁寬度W的35％至45％；上、下翼緣對(duì)稱(chēng)于腹板左右兩側(cè)的切割長(zhǎng)度a皆為鋼梁高度H的75％至80％；一側(cè)翼緣切割部分的最大寬度b為鋼梁寬度W的20％至30％；翼緣切割部分的厚度與鋼梁翼緣厚度相同；對(duì)靠近柱端的鋼梁腹板進(jìn)行切割，在腹板平面內(nèi)，腹板切割部分的中軸線(xiàn)應(yīng)與翼緣上切割部分的中軸線(xiàn)重合，且切割部分的形狀為圓形或者圓角矩形，切割面積為沿鋼梁縱向腹板切割最大寬度d和鋼梁高度H所構(gòu)成的矩形面積的25％至35％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)，其特征 在于鋼板(8)的材料為低碳鋼，并在沿梁長(zhǎng)的平面上呈X形；鋼板(8) 在鋼梁(2)的兩側(cè)翼緣對(duì)稱(chēng)布置，鋼板(8)與端板(5)和鋼梁(2)之間 采用焊縫連接；鋼板(8)的高度等于鋼梁(2)上下翼緣之間的距離H;在沿 梁長(zhǎng)方向上，X形低碳鋼鋼板(8)的寬度等于耗能金屬板(3)最靠近節(jié)點(diǎn)的 端點(diǎn)和端板(5)之間的距離c;在沿梁寬方向上，X形低碳鋼鋼板(8)的寬 度等于鋼梁(2)相應(yīng)的單側(cè)翼緣寬度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)，其特征 在于具有較低屈服點(diǎn)的耗能金屬板(3)是以下材料中的一種屈服強(qiáng)度小 于235MPa的軟鋼鋼板、鋁合金板、鉛板、鋅板或以上金屬的復(fù)合粘接板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)，其特征在于當(dāng)置換的金屬板由復(fù)合金屬組成，不同材料的耗能金屬板之間采用下 面的任何一種方法進(jìn)行粘接金屬鑄造法、冷卻成型法或者將金屬表面打磨后用環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)或聚氨酯類(lèi)金屬用膠黏劑粘接。
全文摘要
梁端削弱置換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)屬于結(jié)構(gòu)工程抗震與減震技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有連接的抗彎承載力只有梁本身抗彎承載力的80-85％，違背了在抗震設(shè)計(jì)中的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的基本原則。本發(fā)明涉及到一種削弱鋼梁端部翼緣和腹板的原有鋼材并置換為耗能能力強(qiáng)的金屬材料，同時(shí)在梁端加入X形低碳鋼鋼板以提高節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度，從而形成梁端耗能塑性鉸的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明使地震時(shí)在置換原有鋼材的耗能金屬處率先進(jìn)入變形并達(dá)到屈服階段，同時(shí)提高節(jié)點(diǎn)整體抗震性能，從而形成梁端塑性鉸進(jìn)行耗能減震。易于施工和維護(hù)，成本低廉。
文檔編號(hào)E04B1/19GK101100877SQ200710119719
公開(kāi)日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2007年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月31日
發(fā)明者何浩祥, 彭凌云, 亮 蘇, 閆維明 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)