一种使结构无损的摩擦塑性铰

摘要

一种使结构无损的摩擦塑性铰，属于土木工程中钢结构节点抗震技术领域，基础单元由圆管型封板、限位条、型钢梁构成，型钢梁与圆管型封板焊接，限位条与圆管型封板焊接且限位条均匀分布在管内壁侧，圆管型封板与转动单连接板对应处开有槽口；转动单元由型钢梁、圆弧形封板、橡胶摩擦材料、转动单连接板构成，橡胶摩擦材料与圆弧形封板内壁粘贴；连接耗能单元由加载旋转螺栓限位螺栓、双摩擦片连接板(双摩擦片、双连接板)构成，双摩擦片分别紧贴在双连接板的内侧，将转动单连接板通过圆管型封板设置的槽口嵌入其中，双摩擦片连接板分别从两侧沿限位条归位至紧贴转动单连接板两侧，通过加载旋转螺栓、限位螺栓以及连接板对应的螺栓孔将三部分连接。

权利要求

1.一种使结构无损的摩擦塑性铰，包括基础单元、转动单元、连接耗能单元三部分，其特征在于基础单元由圆管型封板(8)、限位条(4)、第一型钢梁(1-1)构成，其中第一型钢梁(1-1)与圆管型封板(8)连接，限位条(4)与圆管型封板(8)连接；转动单元由第二型钢梁(1-

2)、圆弧形封板(2)、橡胶摩擦材料(3)、转动单连接板(10)构成，圆弧形封板(2)与第二型钢梁(1-2)连接，转动单连接板(10)与圆弧形封板(2)连接，橡胶摩擦材料(3)与圆弧形封板(2)内壁粘贴；连接耗能单元由加载旋转螺栓(5)、限位螺栓(6)、双摩擦片连接板(7)构成，双摩擦片连接板(7)由双摩擦片(16)、双连接板(17)构成，双摩擦片(16)分别紧贴在双连接板(17)的内侧，将转动单连接板(10)通过圆管型封板(8)设置的槽口嵌入其中，双摩擦片连接板(7)分别从两侧沿限位条(4)归位至紧贴转动单连接板(10)两侧，通过加载旋转螺栓(5)和限位螺栓(6)以及各连接板对应的螺栓孔将三部分连接。

2.根据权利要求1所述的使结构无损的摩擦塑性铰，其特征在于第一型钢梁(1-1)与圆管型封板(8)为焊接连接，限位条(4)与圆管型封板(8)为焊接连接；圆弧形封板(2)与第二型钢梁(1-2)为焊接连接，转动单连接板(10)与圆弧形封板(2)为焊接连接。

3.根据权利要求1所述的使结构无损的摩擦塑性铰，其特征在于，所述的圆管型封板(8)设置为半周开槽，槽口于转动单连接板(10)方位且居中，限位条(4)位于半周开槽的圆管型封板(8)圆平面方向的45°和135°轴线方向的两侧。

4.根据权利要求1所述的使结构无损的摩擦塑性铰，其特征在于，所述的转动单连接板(10)焊接于圆弧形封板(2)内壁侧的中间，据圆弧形封板(2)中心设置单连接板加载旋转螺栓孔(11)，并均匀等距布置四个单连接板限位螺栓孔(12)于单连接板加载旋转螺栓孔(11)平面的90°和180°的轴线方向。

5.根据权利要求1所述的使结构无损的摩擦塑性铰，其特征在于，所述的双摩擦片(16)和双连接板(17)分别在圆心处开设双连接板加载旋转螺栓孔(14)并均匀等距布置四个双连接板限位螺栓孔(15)于双连接板加载旋转螺栓孔(14)平面的90°和180°的轴线方向，连接板板平面方向的45°和135°轴线方向外径处的四个位置设置限位条槽口(13)且略大于限位条(4)尺寸。

说明书

一种使结构无损的摩擦塑性铰

技术领域

[0001] 本发明涉及钢结构梁中塑性铰，属于土木工程中钢结构节点抗震技术领域。

背景技术

[0002] 近年来，基于无损结构抗震设计设想开始被学者提起，对于结构工程学科的研究带来了一个新的研究思想。在基于结构无损的抗震设计中，通过特殊的耗能装置代替塑性铰作用，设想了建筑的抗震要求，而且可以用不同的方法和手段去实现这些抗震要求，这样可以使新材料、新结构体系、新的设计方法等更容易得到应用。

[0003] 塑性铰是指在荷载作用下，结构中的若干截面处弯矩达到塑性极限弯矩时，该截面发生一定转动，类似“铰”的效果，致使结构产生内力重分布。钢结构建筑在地震作用下，往往会在梁柱节点处形成塑性铰以耗散输入到结构中的大部分能量，保护柱与节点基本处于线弹性工作节点，使结构实现中震可修、大震不倒的目标。这要求结构具有可行的能量耗散机构，包括建立理想的塑性铰出现次序，以及给予各个构件适当的强度，以保证结构的塑性铰只在选定位置出现等。

[0004] 为避免钢结构梁柱节点在地震作用下发生脆性破坏，常用的处理方法是通过一定的构造措施将塑性铰外移，其方法有三种：一是将节点局部加强，统称加强型节点，如扩大翼缘型、翼缘加盖板型和翼缘加腋型等，但这种做法在一定程度上降低了节点的延性性能，而且势必要求柱的截面尺寸加大，增加工程造价；二是将梁端翼缘或腹板局部削弱，统称削弱型节点，如“狗骨”型、腹板开洞型、开长槽型以及焊接孔扩大型，这种方法虽可满足延性要求，却会降低结构的承载能力；三是将加强型节点和削弱型节点联合运用，即梁端翼缘局部加强，而加强区外采用翼缘“狗骨”削弱，节约钢材的同时保证了结构的承载力。

[0005] 国内关于钢结构塑性铰的构造做法虽可有效实现塑性铰外移并达到保护梁柱节点的目的，但仍存在以下缺陷：(1)塑性铰极有可能发生完全破坏，结构的耗能以震后不可修复为代价；(2)难以实现结构耗能的精准控制，只能粗略地控制塑性铰的出现位置；(3)塑性铰的形成机制极大程度上依赖于钢材材性及节点构造细节，而某些构造方法实现难度较大。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种使结构无损的摩擦塑性铰。

[0007] 本发明是一种使结构无损的摩擦塑性铰，包括基础单元、转动单元、连接耗能单元三部分，基础单元由圆管型封板8、限位条4、第一型钢梁1-1构成，其中第一型钢梁1-1与圆管型封板8连接，限位条4与圆管型封板8连接；转动单元由第二型钢梁1-2、圆弧形封板2、橡胶摩擦材料3、转动单连接板10构成，圆弧形封板2与第二型钢梁1-2连接，转动单连接板10与圆弧形封板2连接，橡胶摩擦材料3与圆弧形封板2内壁粘贴；连接耗能单元由加载旋转螺栓5、限位螺栓6、双摩擦片连接板7构成，双摩擦片连接板7由双摩擦片16、双连接板17构成，双摩擦片16分别紧贴在双连接板17的内侧，将转动单连接板10通过圆管型封板8设置的槽口嵌入其中，双摩擦片连接板7分别从两侧沿限位条4归位至紧贴转动单连接板10两侧，通过加载旋转螺栓5和限位螺栓6以及各连接板对应的螺栓孔将三部分连接。

[0008] 本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：本发明内含左侧单元、右侧单元及连接单元三部分并布置在结构梁端区域或桁架指定部位。与传统“塑性铰”相比，本设计的摩擦“塑性铰”有以下区别：(1)可承受一定的弯矩；(2)塑性铰截面处的材料并未进入塑性阶段；(3)可发生两个方向的转动；地震作用下，本发明可实现精准耗能，新型摩擦“塑性铰”区域会优先于其它梁柱构件的破坏而发生转动，通过相互摩擦耗能，以减小强震荷载对其它区域的作用，保证其它梁柱构件强震下在弹性变形范围内，安全可靠；(4)本发明结构简单、造价低廉，震后无需修复或只需简单更换部分组件，就可实现结构的快速修复，非常适用于高烈度设防地区工业厂房、大型商场及住宅建筑中。

[0009] 本发明可根据实际结构的受力特点和耗能需求，通过改变摩擦材料的摩擦系数和厚度、调节双摩擦片面的法向挤压力、螺栓的性能等参数，灵活调整“塑性铰”的刚度和耗能能力等参数，进而广泛地运用于各类钢结构建筑。

附图说明

[0010] 图1是整体构造平面图，图2是旋转单元结构示意图，图3是基础单元结构示意图，图4是双连接板结构示意图，图5是双摩擦片连接板布置截面图，图6是双摩擦片结构示意图，图7是整体结构示意图，图8是该构造在梁柱结构中的布置示意图，图9～图10是结构体系部分梁的受力变形状态图，图11是结构体系柱的受力变形状态图，图12是新型摩擦“塑性铰”滑动耗能图，图13和图14是结构体系在无荷载作用和受水平荷载作用下的运动状态图。

[0011] 附图标记及对应名称为：第一型钢梁1-1，第二型钢梁1-2，圆弧形封板2，橡胶摩擦材料3，限位条4，转动加载螺栓5，限位螺栓6，双摩擦片连接板7，圆管型封板8，连接焊缝9，转动单连接板10，单连接板加载旋转螺栓孔11，单连接板限位螺栓孔12，限位条槽口13，双连接板加载旋转螺栓孔14，双连接板限位螺栓孔15，双摩擦片16，双连接板17，型钢梁加肋板18，型钢柱19，型钢柱加肋板20。

具体实施方式

[0012] 本如图1～图2所示，本发明是基于摩擦摆隔震支座的耗能原理，并结合汽车刹车装置的构造方式设计的。本发明包括基础单元、转动单元、连接耗能单元三部分，基础单元由圆管型封板8、限位条4、第一型钢梁1-1构成，其中第一型钢梁1-1与圆管型封板8连接，限位条4与圆管型封板8连接；转动单元由第二型钢梁1-2、圆弧形封板2、橡胶摩擦材料3、转动单连接板10构成，圆弧形封板2与第二型钢梁1-2连接，转动单连接板10与圆弧形封板2连接，橡胶摩擦材料3与圆弧形封板2内壁粘贴；连接耗能单元由加载旋转螺栓5、限位螺栓6、双摩擦片连接板7构成，双摩擦片连接板7由双摩擦片16、双连接板17构成，双摩擦片16分别紧贴在双连接板17的内侧，将转动单连接板10通过圆管型封板8设置的槽口嵌入其中，双摩擦片连接板7分别从两侧沿限位条4归位至紧贴转动单连接板10两侧，通过加载旋转螺栓5和限位螺栓6以及各连接板对应的螺栓孔将三部分连接。

[0013] 上述的第一型钢梁1-1与圆管型封板8为焊接连接，限位条4与圆管型封板8为焊接连接；圆弧形封板2与第二型钢梁1-2为焊接连接，转动单连接板10与圆弧形封板2为焊接连接。

[0014] 以上所述的圆管型封板8设置为半周开槽，槽口于转动单连接板10方位且居中，限位条4位于半周开槽的圆管型封板8圆平面方向的45°和135°轴线方向的两侧。

[0015] 以上所述的转动单连接板10焊接于圆弧形封板2内壁侧的中间，据圆弧形封板2中心设置单连接板加载旋转螺栓孔11，并均匀等距布置四个单连接板限位螺栓孔12于单连接板加载旋转螺栓孔11平面的90°和180°的轴线方向。

[0016] 以上所述的双摩擦片16和双连接板17分别在圆心处开设双连接板加载旋转螺栓孔14并均匀等距布置四个双连接板限位螺栓孔15于双连接板加载旋转螺栓孔14平面的90°和180°的轴线方向，连接板板平面方向的45°和135°轴线方向外径处的四个位置设置限位条槽口13且略大于限位条4尺寸。

[0017] 如图1～图7所示，圆弧形封板2焊接在型钢梁1-2上，圆管型封板8通过焊缝9焊接在型钢梁1-1上，都可随型钢梁1-2端发生一定转动。圆弧形封板2内居中设置有转动单连接板10且其凹面外表面粘有橡胶摩擦材料3。圆管型封板8中间处有一个条形槽口，开口宽度与转动单连接板10的厚度相当，沿其内壁侧均匀位置焊接有四个限位条4。双摩擦片连接板7分别沿圆管两侧的限位条4可向内滑移，左侧转动单连接板10与右侧双摩擦片连接板7通过限位螺栓6与转动加载螺栓5连接，且连接板表面均做喷砂等粗糙处理。通过转动加载螺栓5的两侧拧紧加载于双摩擦片连接板7并作用到转动单连接板10两侧面，限位条4限制双摩擦片连接板7的转动，而转动单连接板10在限位螺栓6被剪断后可发生绕转动加载螺栓5转动。圆弧形封板2及左侧转动单连接板10的圆心与圆管型封板8及双摩擦片连接板7的圆心重合。为保证梁在正常使用情况下，保持连续性，因此设计圆管型封板8的上下外表面与梁的翼缘相切。为保证大震作用下，限位螺栓6优先被剪断，设置限位螺栓6的面积之和小于转动加载螺栓5的面积。

[0018] 本发明的工作过程如下：

[0019] 根据摩擦型塑性铰构造工作原理，其应用于结构体系中把塑性铰与柱连接相应段型钢梁作为刚域，在无荷载作用下的塑性铰分布，以ABCD结构在E、F、G、H处布置的塑性铰作用为例，如图13所示。当结构体系在水平荷载和竖向均布荷载作用下，新型摩擦“塑性铰”构造随着柱的变形由弹性变形转变为塑性变形发生转角至摩擦耗能，如图14。由结构力学原理，假定梁AB和柱AC的受力变形如图9和图11所示，对于柱AC而言，梁AB相当于在柱AC两端装置转动抗扭弹簧，如图11所示。根据叠加原理，结构体系受到水平荷载F1、F2和竖向均布荷载q作用。

[0020] 当只作用水平荷载时，抗扭弹簧转动刚度为：

[0021]

[0022]

[0023] 由柱AC的弯矩平衡方程和几何边界条件可得：

[0024]

[0025]

[0026] 此时梁AB在水平荷载作用下的端部旋转角度为θ2；

[0027] 式中，m1、m2为抗扭弹簧转动刚度；iAB iCD为梁的线刚度；iAC iCI为柱的线刚度；θ1θ2为柱端转角；E为弹性模量；IAC为柱的截面惯性矩；V为柱端剪力；h1为柱的高度。

[0028] 当结构体系只作用竖向均布荷载时，梁端弯矩MAB＝iAB·θ′，则θAB＝θ1+θ′为梁AC的旋转角(忽略AE段角度变化)，如图10。

[0029] 当旋转角度大于塑性铰E发生旋转的极限角度[θ]，新型“摩擦塑性铰”发生塑性形变，限位螺栓6被剪短，构造绕加载转动螺栓5旋转，承压摩擦接触面间发生相对滑动，如图12所示。

[0030] 当新型摩擦“塑性铰”构造旋转角度为θ，且θ≥[θ]，其耗能为：

[0031] 对于旋转加载螺栓通过扭矩拧紧法用扭矩扳手显示的扭矩值来控制连接板之间的预紧力。

[0032] 拧紧螺栓时的拧紧力矩：M＝KtFd

[0033] 预紧力：F＝M/(K_t d)

[0034] 式中，F为预紧力，M为拧紧力矩，Kt为计算系数，d为加载旋转螺栓直径；

[0035] 双摩擦片连接板表面力：P＝F/A

[0036] 连接板之间的摩擦力为：

[0037] 式中，A为双摩擦片连接板的作用面积，μ为摩擦材料的摩擦系数，dr、dθ分别为连接板半径和转角的积分变量；

[0038] 摩擦耗能：

[0039] 同理，对于梁CD，θCD＝θ2+θ’，摩擦耗能： 式中，MAB为梁端弯矩，θ为塑性铰转角，θCDθ2θ′为梁端转角，r为塑性铰构造旋转半径，n为摩擦面的面数，Mf为摩擦耗能量。

[0040] 本发明工作时，当发生小震及中震时，本发明的塑性铰区域可看作刚性节点。而发生大震时，由于限位螺栓6被剪断，转动单元(第二型钢梁1-2、圆弧形封板2、转动单连接板10、橡胶摩擦材料3)和基础单元(限位条4、圆管型封板8、第一型钢梁1-1)及双摩擦片连接板7以加载旋转螺栓5为轴，发生相对转动，通过加载旋转螺栓5的拧紧沿螺栓轴对内产生加载力，转动单连接板10与双摩擦片连接板7发生转动摩擦耗能，此时结构为半刚性连接，结构体系状态如图13和图14所示。震后无需修复，或只需更换摩擦材料或及限位螺栓。