一种组合式消能连梁的制作方法
【专利摘要】一种组合式消能连梁，包括消能段以及位于消能段两端并与其活动连接的预埋段，消能段包括摩擦耗能器，摩擦耗能器包括左边段摩擦组件和右边段摩擦组件，右边段摩擦组件包括工字形摩擦钢板，设于工字形摩擦钢板腹板上的滑移孔道以及设于工字形摩擦钢板上下翼缘上的预留孔；左边段摩擦组件设于工字形摩擦钢板的腹板上，包括左边段摩擦钢板以及高强螺栓，左边段摩擦钢板上对应高强螺栓设有螺栓孔，高强螺栓的螺栓杆两端与左边段摩擦钢板相连，高强螺栓中部穿过工字形摩擦钢板的滑移孔道。该组合式消能连梁通过摩擦耗能器滑动消耗地震能量，连梁位移与剪力墙位移协调一致，基本不会出现局部应力过大的情况，避免过大相互作用造成剪力墙和连梁的破坏。
【专利说明】一种组合式消能连梁
【技术领域】
[0001]本实用新型属于建筑【技术领域】，涉及一种高层建筑结构剪力墙连梁。
【背景技术】
[0002]在剪力墙结构和框架-剪力墙结构中，两端与剪力墙相连的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小，截面大的特点。连梁作为第一道抗震防线，在抗震设防中具有重要作用。
[0003]目前在连梁设计中存在着一些缺陷:(1)普通连梁在地震作用下通过在连梁端部形成塑性铰消耗地震能量，这种利用材料本身塑性形变耗能的方式极易造成剪力墙的墙肢与连梁连接部位的破坏，该部位较难修复或更换，且更换费用较大。(2)截面削弱型可更换连梁由于对可更换部分进行削弱，因此削弱部分往往耗能不足。(3)带摩擦节点的桁架式连梁和附加低屈服点钢板金属阻尼耗能部件的连梁容易发生平面外失稳，造成耗能部件失效。(4)附加形状记忆合金耗能器的连梁虽然自复位能力很强，但由于形状记忆合金价格昂贵，且属于非常规建筑材料，难以大面积应用推广。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供一种组合式消能连梁，该组合式消能连梁通过摩擦耗能器滑动消耗地震能量，连梁位移与剪力墙位移协调一致，基本不会出现局部应力过大的情况，从而避免过大的相互作用造成剪力墙以及连梁的破坏，且连梁在地震中始终处于弹性状态，基本不发生破坏，方便建筑震后立即恢复使用。
[0005]为达到上述目的，本实用新型的解决方案是:
[0006]本实用新型公开了一种组合式消能连梁，包括消能段以及位于所述消能段两端并与所述消能段活动连接的两组预埋段，所述消能段包括摩擦耗能器，所述摩擦耗能器包括左边段摩擦组件以及右边段摩擦组件，所述两组预埋段分别与所述左边段摩擦组件以及右边段摩擦组件相连。
[0007]所述右边段摩擦组件包括工字形摩擦钢板，设于所述工字形摩擦钢板腹板上的滑移孔道以及设于所述工字形摩擦钢板上下翼缘上的预留孔；所述左边段摩擦组件设于所述工字形摩擦钢板的腹板上，包括左边段摩擦钢板以及高强螺栓，所述左边段摩擦钢板上对应所述高强螺栓设有螺栓孔，所述高强螺栓的螺栓杆两端与所述左边段摩擦钢板相连，高强螺栓中部穿过所述工字形摩擦钢板的滑移孔道。
[0008]所述摩擦耗能器上还设有弹簧组件，所述弹簧组件包括传力杆、外壳以及安装于所述外壳中的预压弹簧、钢板和压力螺栓，所述外壳固定于所述左边段摩擦钢板上，所述钢板与所述压力螺栓分别设于所述预压弹簧两端，所述钢板经由所述压力螺杆固定在所述预压弹簧上，所述钢板上对应所述传力杆设有开孔，所述传力杆贯穿所述钢板以及预压弹簧后，传力杆两端分别穿过所述上下两组预留孔以与所述工字形摩擦钢板相连。
[0009]优选的，所述左边段摩擦组件还包括摩擦铅铜合金板，所述摩擦铅铜合金板设于所述左边段摩擦钢板与所述工字形摩擦钢板的腹板之间，所述摩擦铅铜合金板对应所述高强螺栓设有螺栓孔，所述高强螺栓依次穿过所述左边段摩擦钢板、所述摩擦铅铜合金板以及所述工字形摩擦钢板的腹板。
[0010]优选的，所述左边段摩擦组件中，所述高强螺栓的螺帽下设有弹簧垫片。
[0011]所述右边段摩擦组件中，所述滑移孔道的大小对应所述高强螺栓螺栓杆的滑移曲线设置，以使得所述高强螺栓杆在所述滑移孔道中自由滑移。
[0012]优选的，所述滑移孔道的长度最小值不小于所述高强螺栓的最大滑移量，所述滑移孔道宽度的最小值为2.5倍的高强螺栓杆径大小。
[0013]优选的，所述滑移孔道为矩形孔道或沙漏形孔道。
[0014]优选的，所述右边段摩擦组件中还设有加强板，所述加强板分别与所述工字形摩擦钢板的上下翼缘活动连接以在所述上下翼缘上滑动，所述加强板预留与所述传力杆杆径大小相同的孔道，以方便传力杆穿过；
[0015]优选的，所述预留孔的孔径为2倍的传力杆杆径的大小。
[0016]所述预埋段包括工字型钢板以及设于所述工字型钢板一端的预埋段端板，所述消能段的左边段摩擦组件与右边段摩擦组件分别对应所述预埋段端板设有消能段端板，所述预埋段端板与所述消能段端板上设有螺栓连接孔，所述预埋段与所述消能段经由所述预埋段端板与所述消能段端板通过第一连接螺栓相连。
[0017]优选的，所述预埋段还包括加劲肋和连接件，所述加劲肋设于所述工字型钢板的腹板上，所述连接件焊接于所述工字型钢板的上下翼缘板上，并与所述工字型钢板一起埋在到力墙中；
[0018]进一步的，所述连接件为抗剪栓钉。
[0019]优选的，所述消能段端板分别设于所述左边段摩擦钢板与右边段工字形摩擦钢板的一端上，所述左边段摩擦钢板与右边段工字形摩擦钢板分别与所述消能段端板焊接连接;
[0020]所述弹簧组件外壳与所述左边段摩擦钢板焊接连接。
[0021]由于采用上述方案，本实用新型的有益效果是:
[0022]本实用新型所示的组合式消能连梁耗能稳定，地震中基本不会发生损坏，方便建筑震后立即恢复使用，且连梁各部分之间采用可拆卸螺栓连接，即使出现局部破损也易于检修和更换；同时其采用普通建筑材料制作，便于推广应用。
[0023]具体而言，组合式消能连梁采用三段式连梁结构，其中，中间段为消能段，包括了由左边段摩擦组件、右边段摩擦组件以及弹簧组件组成的摩擦耗能器，两边段为预埋段用于连接剪力墙，消能段与预埋段通过端板和螺栓进行连接；同时摩擦耗能器中滑移孔道尺寸大于高强螺栓的螺栓杆的直径，并满足高强螺栓运动轨迹的需求，保证滑动时高强螺栓的螺栓杆不与孔壁相接触。
[0024]当小震发生时，高强螺栓处的预紧力使得摩擦耗能器不产生相对滑移，以控制结构位移。当中震和大震发生时，连梁克服了摩擦启动力与预紧力后，摩擦耗能器滑动，通过摩擦耗能器稳定饱满的滞回性能来消耗大量地震能量，保护剪力墙不受地震破坏。摩擦耗能器滑动后，连梁位移与剪力墙位移协调一致，基本不会出现局部应力过大的情况，避免过大的相互作用造成剪力墙的破坏和连梁的屈服，防止连梁自身以及剪力墙的损坏。
[0025]当中震和大震结束后，可以通过拧紧高强螺栓来补充损失的预紧力，连梁基本不需要修复。若消能段出现局部破损，由于消能段与预埋段为螺栓连接，因此可以将消能段拆卸进行修复或更换。
[0026]同时由于连梁自带弹簧组件，能够保证摩擦耗能器滑动后连梁依然保有一定的刚度，也可使得已经出现滑移的连梁自动复位。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本实用新型一实施例的整体结构示意图；
[0028]图2为图1所示实施例中本实用新型消能段主视示意图；
[0029]图3为图2所示实施例中消能段左视示意图(去除连接端板和连接螺栓)；
[0030]图4为图2所示实施例中消能段俯视示意图(去除连接端板和连接螺栓)；
[0031]图5为图1所示实施例中本实用新型消能段的左边段摩擦组件的主视示意图；
[0032]图6为图5所示实施例中消能段的左边段摩擦组件的左视示意图；
[0033]图7为图5所示实施例中消能段的左边段摩擦组件的俯视示意图；
[0034]图8为图1所示实施例中消能段的右边段摩擦组件的主视示意图；
[0035]图9为图8所示实施例中消能段的右边段摩擦组件的左视示意图；
[0036]图10为图8所示实施例中消能段的右边段摩擦组件的俯视示意图；
[0037]图11为图1所示实施例中消能段的弹簧组件的主视示意图；
[0038]图12为图11所示实施例中消能段的弹簧组件的构造及变形示意图；
[0039]图13为图1所示实施例中预埋段示意图；
[0040]图14为图1所示实施例中螺栓杆滑移轨迹及滑移孔道示意图；
[0041]图15为图1所示实施例中整体变形示意图；
[0042]其中，预埋段1、预埋段端板2、消能段端板3、第一连接螺栓4、工字形摩擦钢板5、滑移孔道6、左边段摩擦钢板7、摩擦铅铜合金板8、高强螺栓9、弹簧组件10、第二连接螺栓12、预留孔14、弹簧垫片15、孔道16、外壳17、预压弹簧18、压力螺栓19、钢板20、传力杆21、螺栓连接孔22、工字型钢板23、加劲肋24、连接件25。
【具体实施方式】
[0043]以下结合附图所示实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0044]如图1所示，本实用新型公开了一种组合式消能连梁，包括消能段以及位于消能段两端并与消能段活动连接的两组预埋段1，如图13所示，预埋段I与剪力墙相连，预埋段I包括工字型钢板23、设于工字型钢板一端的预埋段端板2、加劲肋24和连接件25，加劲肋24设于工字型钢板23的腹板上以增加预埋段的强度，连接件25焊接于工字型钢板23的上下翼缘板上，并与工字型钢板23 —起埋在剪力墙中，本实施例中，连接件25为抗剪栓钉以用来增强预埋段I与剪力墙之间的连接性能。消能段包括由左边段摩擦组件，右边段摩擦组件以及弹簧组件10组成的摩擦耗能器。消能段的左边段摩擦组件与右边段摩擦组件分别对应预埋段端板2设有消能段端板3，预埋段端板2与消能段端板3上分别对应设有螺栓连接孔22，预埋段I与消能段经由预埋段端板2与消能段端板3通过第一连接螺栓4可拆卸连接。
[0045]如图8至图10所示，消能段的右边段摩擦组件包括工字形摩擦钢板5，设于工字形摩擦钢板5腹板上的滑移孔道6以及设于工字形摩擦钢板5上下翼缘上的预留孔14。
[0046]如图2至图4所示，消能段的左边段摩擦组件设于工字形摩擦钢板5的腹板上，如图5至图7所示，左边段摩擦组件包括左边段摩擦钢板7以及用于提供预紧力的高强螺栓9，左边段摩擦钢板7上对应高强螺栓9设有螺栓孔，高强螺栓9的螺栓杆两端与左边段摩擦钢板7相连，高强螺栓9的中部穿过工字形摩擦钢板5的滑移孔道6.。
[0047]如图14和图15所示，滑移孔道6中留有足够尺寸并与高强螺栓9螺栓杆滑移曲线相符，使得高强螺栓9的螺栓杆能在滑移孔道6中自由滑移，以满足高强螺栓9在地震下的滑移位移需求。滑移孔道6尺寸大小的确定具体如图14所示，在地震作用下，左右两侧的剪力墙发生偏转，当左边剪力墙转角Q1S大于右边剪力墙转角02时，高强螺栓9的螺栓杆滑移轨迹为a。当左边剪力墙转角Q1等于右边剪力墙转角02时，高强螺栓9的螺栓杆滑移轨迹为b。当左边剪力墙转角Q1S小于右边剪力墙转角02时，高强螺栓9的螺栓杆滑移轨迹为C。由于实际的螺栓杆滑移轨迹应介于a和c之间，因此滑移孔道6应将轨迹a和c包络住。本实施例中，滑移孔道6的长度最小值不小于高强螺栓9的最大滑移量，滑移孔道宽度的最小值可根据两端剪力墙的情况具体分析，在实际应用中只需要粗略估算再将滑移长度和宽度放大即可，本实施例中，滑移孔道6宽度最小值为2.5倍的高强螺栓9的螺栓杆径大小。
[0048]考虑到左右剪力墙之间也可能发生一定的水平向相对位移，且为了施工方便，滑移孔道6的设置在轨迹a和c的基础上扩大进行简化，可简化为矩形孔道或沙漏型孔道。
[0049]此外，左边段摩擦组件还包括摩擦铅铜合金板8，摩擦铅铜合金板8设于左边段摩擦钢板7与工字形摩擦钢板5的腹板之间，摩擦铅铜合金板8对应高强螺栓9设有螺栓孔，高强螺栓9依次穿过左边段摩擦钢板7、摩擦铅铜合金板8以及工字形摩擦钢板5的腹板。如在左边段摩擦组件中不设置摩擦铅铜合金板，则摩擦耗能器中的摩擦面为钢板一钢板，实验证明钢板一钢板的摩擦面经过几次摩擦后摩擦系数下降很快；当增加摩擦铅铜合金板8后，则摩擦耗能器中的摩擦面为钢板一铅铜合金板，实验证明钢板一铅铜合金板的摩擦面很稳定，经过多次摩擦后摩擦系数基本能够保持不变。左边段摩擦钢板7与摩擦铅铜合金板8上都设有与高强螺栓9螺栓杆直径相同的螺栓孔，当装配完毕后，通过对高强螺栓9施加预紧力，左边段摩擦钢板7与摩擦铅铜合金板8就紧紧的压在右边段摩擦组件的工字形摩擦钢板5的腹板上。同时，为了防止预应力损失，左边段摩擦组件中在高强螺栓9螺帽下垫上还设有弹簧垫片15。
[0050]地震中左边段摩擦组件与右边段摩擦组件会随着左边段剪力墙和右边段剪力墙的转动而转动；小震中，连梁受到的剪切力较小，不足以克服高强螺栓9的预紧力，左边段摩擦组件与右边段摩擦组件并未产生相对滑动，整个连梁可以视为一个整体，这样可以限制剪力墙的转动，达到控制结构位移的效果；大震中，连梁受到的剪切力较大，高强螺栓9的预紧力被克服，左边段摩擦组件与右边段摩擦组件产生了相对滑动，见图15(左边段相对右边段向上，而右边段相对左边段向下)；设一次相对滑移量为Λ，总摩擦力为F，则一次滑移消耗的地震能量为F Λ，通过不停的滑移来消耗地震能量，达到减震的目的。
[0051]如图11至图13所示，弹簧组件10包括传力杆21、外壳17以及安装于外壳17中的预压弹簧18、钢板20和压力螺栓19，外壳17焊接在左边段摩擦钢板7上，钢板20与压力螺栓19分别设于预压弹簧18两端，钢板20经由压力螺栓19固定在预压弹簧18上，钢板20上对应传力杆21还设有开孔，传力杆21贯穿钢板21以及预压弹簧18后，传力杆21两端分别穿过上下两组预留孔14以后通过第二连接螺栓12与工字形摩擦钢板5相连。预留孔14应留有足够尺寸便于传力杆21在预留孔14中有足够滑动空间，本实施例中，预留孔的孔径为2倍的传力杆21的杆径大小。
[0052]在连梁中设置弹性组件能够保证摩擦耗能器滑动后连梁依然保有一定的刚度。如图12所示，当传力杆21受到如图箭头所示拉力时，压力螺栓19压住钢板20使预压弹簧18产生压缩，当外力消失后预压弹簧18将钢板20和压力螺栓19压回原位，压力螺栓19同时带动传力杆21回复原位。若摩擦耗能器中不设置弹簧组件10，摩擦耗能器启动后，连梁抗剪刚度几乎为零，这样整个结构位移可能过大，因此为了能够防止这种情况发生且使已经出现滑移的连梁自动复位，本实用新型所示组合式消能连梁中设置弹簧组件10，假定左边段摩擦组件与右边段摩擦组件的抗剪刚度为Kl，弹簧组件10抗剪刚度为K2，则理论上摩擦耗能器滑动前结构抗剪刚度近似为K1+K2，摩擦耗能器滑动后左边段摩擦组件与右边段摩擦组件的抗剪刚度Kl突变为零，连梁总的抗剪刚度即为弹簧刚度K2，假设滑移量为Λ，弹簧会提供K2 Λ的自复位的力，以防止结构位移过大。
[0053]另外，右边段摩擦组件中还设有加强板13，加强板13分别与工字形摩擦钢板5的上下翼缘活动连接以在上下翼缘上滑动，加强板13预留与传力杆21大小相同的孔道16，以方便传力杆21穿过；传力杆21的两端分别穿过加强板13、右边段工字形摩擦钢板5翼缘开设的预留孔14后通过连接螺栓12和工字形摩擦钢板5连接。通过在工字形摩擦钢板5翼缘放置设置加强板13，可实现工字形摩擦钢板5翼缘局部加强，防止工字形摩擦钢板5的变形，此外由于加强板13上的开孔较小，因此通过较小的连接螺栓12即能卡在翼缘上，实现传力杆21和工字形摩擦钢板5的连接。
[0054]施工时，消能段和预埋段I首先在工厂预制好，并在消能段端部焊接好带有螺孔的消能段端板3，在具体装配时，其中一种方法是可以先通过消能段端板3、预埋段端板2、螺栓4把消能段与预埋段I连接在一起，组装成一个整体后，吊装放入剪力墙的钢筋笼，最后支模板浇筑混凝土，浇筑完成后的连梁如图1所示；另一种方法是可以先把预埋段I吊装放入剪力墙的钢筋笼，支模板浇筑混凝土。待混凝土达到一定强度后，吊装消能段，为了防止施工和对中误差，连接螺栓12可以先不拧紧，预紧力螺栓9不施加预紧力，这样左边摩擦组件就与右边摩擦组件完全脱开，由于滑移孔道6和预留孔道14均留有足够空间，因此可以容忍一定的上下左右对中误差，先通过消能段端板3、预埋段端板2、螺栓4分别把消能段左边摩擦组件和右边摩擦组件与左右侧的预埋段I连接在一起。之后，拧紧连接螺栓12，并通过预紧力扳手给预紧力螺栓9施加设计预紧力，组装成一个整体。地震结束后，可以通过拧紧预紧螺栓9来补充损失的预紧力。若消能段产生局部破损，可以将连接螺栓12，预紧力螺栓9及螺栓4松开进行修复或更换。
[0055]上述的对实施例的描述是为便于该【技术领域】的普通技术人员能理解和使用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种组合式消能连梁，其特征在于:包括消能段以及位于所述消能段两端并与所述消能段活动连接的两组预埋段，所述消能段包括摩擦耗能器，所述摩擦耗能器包括左边段摩擦组件以及右边段摩擦组件，所述两组预埋段分别与所述左边段摩擦组件以及右边段摩擦组件相连；所述右边段摩擦组件包括工字形摩擦钢板，设于所述工字形摩擦钢板腹板上的滑移孔道以及设于所述工字形摩擦钢板上下翼缘上的预留孔；所述左边段摩擦组件设于所述工字形摩擦钢板的腹板上，包括左边段摩擦钢板以及高强螺栓，所述左边段摩擦钢板上对应所述高强螺栓设有螺栓孔，所述高强螺栓的螺栓杆两端与所述左边段摩擦钢板相连，高强螺栓中部穿过所述工字形摩擦钢板的滑移孔道。
2.根据权利要求1所述的组合式消能连梁，其特征在于:所述摩擦耗能器上还设有弹簧组件，所述弹簧组件包括传力杆、外壳以及安装于所述外壳中的预压弹簧、钢板和压力螺栓，所述外壳固定于所述左边段摩擦钢板上，所述钢板与所述压力螺栓分别设于所述预压弹簧两端，所述钢板经由所述压力螺杆固定在所述预压弹簧上，所述钢板上对应所述传力杆设有开孔，所述传力杆贯穿所述钢板以及预压弹簧后，传力杆两端分别穿过所述上下两组预留孔以与所述工字形摩擦钢板相连。
3.根据权利要求1所述的组合式消能连梁，其特征在于:所述左边段摩擦组件还包括摩擦铅铜合金板，所述摩擦铅铜合金板设于所述左边段摩擦钢板与所述工字形摩擦钢板的腹板之间，所述摩擦铅铜合金板对应所述高强螺栓设有螺栓孔，所述高强螺栓依次穿过所述左边段摩擦钢板、所述摩擦铅铜合金板以及所述工字形摩擦钢板的腹板； 所述左边段摩擦组件中，所述高强螺栓的螺帽下设有弹簧垫片。
4.根据权利要求1所述的组合式消能连梁，其特征在于:所述右边段摩擦组件中，所述滑移孔道的大小对应所述高强螺栓螺栓杆的滑移曲线设置，以使得所述螺栓杆在所述滑移孔道中自由滑移。
5.根据权利要求4所述的组合式消能连梁，其特征在于:所述滑移孔道的长度最小值不小于所述高强螺栓的最大滑移量，所述滑移孔道宽度的最小值为2.5倍的螺栓杆径大小。`
6.根据权利要求5所述的组合式消能连梁，其特征在于:所述滑移孔道为矩形孔道或沙漏形孔道。
7.根据权利要求2所述的组合式消能连梁，其特征在于:所述右边段摩擦组件中还设有加强板，所述加强板分别与所述工字形摩擦钢板的上下翼缘活动连接以在所述上下翼缘上滑动，所述加强板预留与所述传力杆杆径大小相同的孔道，以方便传力杆穿过； 所述预留孔的孔径为2倍的传力杆杆径大小。
8.根据权利要求1或2所述的组合式消能连梁，其特征在于:所述预埋段包括工字型钢板以及设于所述工字型钢板一端的预埋段端板，所述消能段的左边段摩擦组件与右边段摩擦组件分别对应所述预埋段端板设有消能段端板，所述预埋段端板与所述消能段端板上对应设有螺栓连接孔，所述预埋段与所述消能段经由所述预埋段端板与所述消能段端板通过第一连接螺栓相连。
9.根据权利要求8所述的组合式消能连梁，其特征在于:所述预埋段还包括加劲肋和连接件，所述加劲肋设于所述工字型钢板的腹板上，所述连接件焊接于所述工字型钢板的上下翼缘板上，并与所述工字型钢板一起埋于剪力墙中。
10.根据权利要求8所述的组合式消能连梁，其特征在于:所述消能段端板分别设于所述左边段摩擦钢板与右边段工字形摩擦钢板的一端上， 所述左边段摩擦钢板与右边段工字形摩擦钢板分别与所述消能段端板焊接连接； 所述弹簧组件外壳与所述左边段摩擦钢板焊接连接。
【文档编号】E04B1/98GK203462606SQ201320478986
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年8月6日 优先权日:2013年8月6日
【发明者】蒋欢军, 刘其舟 申请人:同济大学