一种含屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位连梁的制作方法

本发明涉及建筑钢结构领域，尤其涉及一种含屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位连梁。

背景技术

连梁是高层剪力墙结构和框架-剪力墙结构的主要耗能构件。连梁在抗震结构中往往被设计为可发生塑性变形的耗能梁段，以提高结构的抗震性能。耗能连梁一方面作为结构体系的一部分传递结构内力，帮助结构实现侧向刚度，另一方面通过自身消耗地震能量来减少输入结构构件的能量，从而减少结构构件的损伤。

目前普遍应用于工程结构中的连梁大多利用金属材料(主要是钢材)自身进入屈服变形或利用摩擦装置消耗能量。但该类连梁及其建筑在震后会留有较大的残余变形，使得其修复困难，且修复成本较高。相关研究表明，当结构震后残余层间位移角大于0.5％时，结构修复成本就已高于重建成本。因此减小结构震后残余变形成为结构震后可修复性能的关键。

自复位连梁在正常使用状态下可以提供适当的强度和刚度；在地震作用下具有良好的滞回性能，可有效消耗地震能量；而在震后，自复位连梁及其建筑可自动回复到初始位置，无残余变形，从而为建筑的修复带来便利。目前已提出的自复位连梁较少，已有的自复位连梁主要包括预应力自复位连梁和形状记忆合金自复位连梁两类。预应力自复位连梁由耗能元件提供耗能能力，由预应力筋的预张力提供自复位能力。由于预应力自复位连梁需要预张力筋，导致其构造及施工工艺较为复杂，且连梁名义屈服后刚度较大，使得与其连接的其他构件的强度要求提高。受地震作用往复加载影响，预张力筋还会出现松弛，从而导致连梁再经历小变形或地震荷载卸除后失去初始刚度。形状记忆合金自复位连梁基于形状记忆合金材料自身的马氏体-奥氏体相变特性实现耗能性能与自复位性能。但现有的形状记忆合金自复位连梁多以sma丝材或sma螺栓为主，其构造均以形状记忆合金材料仅受拉力为基础。当大震下sma构件峰值变形过大并进入强化阶段时，该构件将产生残余变形从而使连梁再经历小变形时失去初始刚度。同样，低温下形状记忆合金构件将退化并表现普通金属构件的行为，导致连梁经历较大变形后再经历小变形时由于残余变形的影响而失去初始刚度。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种含屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位连梁，其具有在地震荷载作用下具有良好的耗能性能和自复位能力，允许变形范围大，往复荷载行为对称，低温下及经历过大变形后不会失去初始刚度；实现了损伤控制，震后结构梁构件不会损坏，仅需要更换形状记忆合金棒即可恢复功能。

本发明采用下述技术方案：

一种含屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位连梁，包括结构梁段和连梁段，所述连梁段介于两个结构梁段之间；连梁段的两端分别通过传递梁间剪力的梁腹板连接板与结构梁段固定，梁腹板连接板两侧安装有端部分别与结构梁段、连梁段固定的形状记忆合金棒，地震作用时形状记忆合金棒在提供转动刚度的同时为连梁提供耗能性能及自复位性能；

所述形状记忆合金棒的周向包覆有套筒，套筒可约束形状记忆合金棒受压屈曲，以提高形状记忆合金棒受压时的延性与承载力。

进一步的，所述形状记忆合金棒分为中部的削弱段、两端的锚固段及削弱段与锚固段之间的过渡段；

削弱段和锚固段截面形状为圆形，锚固段周向设置螺纹，且锚固段截面积大于削弱段截面积。

进一步的，所述套筒为内部具有中空腔的圆柱体结构，套筒的中空腔与形状记忆合金棒削弱段外壁之间留有1-2mm的间隙。

进一步的，所述套筒的中空腔与形状记忆合金棒之间的间隙填充无粘结材料，可有效降低形状记忆合金棒与套筒间的摩擦力。

进一步的，所述套筒的长度应小于形状记忆合金棒削弱段的长度。

进一步的，所述形状记忆合金棒一端通过锚固件与结构梁段相连，另一端通过锚固件与连梁段相连，通过锚固件对形状记忆合金棒进行锚固。

进一步的，所述锚固件包括l形板及设置于l形板两翼的加强板，所述形状记忆合金棒穿过l形板并与螺帽连接。

进一步的，所述梁腹板连接板的一端与结构梁段焊接，梁腹板连接板的另一端与连梁段通过多个高强度螺栓连接。

进一步的，所述梁腹板连接板开设三个竖向分布的螺纹孔，其中，位于中间的螺纹孔为圆孔，圆孔两侧的螺纹孔为椭圆孔。

进一步的，所述连梁段两侧端部做三角形切削，以形成连梁绕中间孔转动的几何空间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的连梁段与结构梁段通过形状记忆合金棒、包覆形状记忆合金棒外侧的套筒、梁腹板连接板相连，在地震发生时，连梁段两侧结构梁段发生相对错动，连梁段绕两端部二分之一梁高位置相对结构梁段发生转动，使位于转动中心两侧的形状记忆合金棒分别处于受拉和受压状态并消耗地震能量；形状记忆合金棒基于其自身马氏体-奥氏体相变特性在地震作用下为连梁提供耗能性能及自复位性能，套筒可约束形状记忆合金棒受压屈曲，从而有效提高形状记忆合金棒受压时的延性与承载力；

(2)本发明若处于适用环境温度中，由于形状记忆合金自身特性，在地震作用卸除后，形状记忆合金棒回复于原位，连梁无残余变形，且由于形状记忆合金棒相对于转动中心对称布置，连梁往复运动时的滞回行为对称；而若处于低温环境中，形状记忆合金的性能退化为普通金属的性能，该连梁将在地震作用下表现出金属屈服型耗能连梁的行为而不会失去初始刚度；若连梁经历超出设计允许范围的变形，即便形状记忆合金棒产生残余变形，在连梁再次经历小于残余变形的变形时仍可表现为金属屈服型耗能连梁的特性，而不会失去初始刚度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的形状记忆合金棒结构示意图；

图3为本发明的套筒结构示意图；

图4为本发明的连梁段结构示意图；

图5为本发明的锚固件结构示意图；

图6为本发明的梁腹板连接板结构示意图；

其中：1-结构梁段，2-连梁段，3-形状记忆合金棒，4-套筒，5-锚固件，6-梁腹板连接板，7-高强度螺栓，8-螺帽，9-削弱段，10-过渡段，11-锚固段，12-l形板，13-加强板，14-圆孔，15-椭圆孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在预应力自复位连梁构造复杂、名义屈服后刚度较大、现有形状记忆合金自复位连梁在大震及低温下易失去初始刚度的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种含屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位连梁。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图6所示，提供了一种含屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位连梁，包括结构梁段1、连梁段2、形状记忆合金棒3、套筒4、锚固件5和梁腹板连接板6，所述连梁段2的两端均通过梁腹板连接板6与结构梁段1相连。

结构梁段1和连梁段2选用h型钢，如图4所示，连梁段2的两端应做三角形切削，以形成连梁绕中间孔转动的几何空间；靠近三角形切削位置开设三个竖向分布的螺纹孔。

连梁段2的前、后两侧(以图1所示方向为前侧)分别通过一组形状记忆合金棒3与结构梁段1相连，形状记忆合金棒3在提供转动刚度的同时，基于其自身奥氏体-马氏体相变特性在地震作用下为连梁提供耗能性能及自复位性能。

每组有四根形状记忆合金棒3，连梁2的两端分别通过两根相互平行的形状记忆合金棒3与结构梁段1相连，且两根相互平行的形状记忆合金棒3分设于梁腹板连接板6两侧。

连梁段2的前、后两侧以竖直中轴线为中心对称安装有锚固件5，锚固件5靠近所述竖直中轴线且数量与每组形状记忆合金棒3数目相同；结构梁段1靠近连梁段2一侧固定有锚固件5。

所述锚固件5可以为块状、角钢形、板形等多种形式。

优选地，所述锚固件包括l形板12及设置于l形板12两翼的加强板13，l形板12与加强板13形成横截面为直角三角形的空腔。

连梁段2上对称的锚固件5的空腔相背安装，结构梁段1与连梁段2的锚固件5的空腔相对安装。

本申请利用了形状记忆合金的受压性能，因此，端部连接需要同时传递沿杆件的拉位移与压位移；形状记忆合金棒3的一端穿过结构梁段1上的锚固件5且延伸至锚固件5外侧一定距离，并通过螺帽8紧固；形状记忆合金棒3的另一端穿过连梁段2上的锚固件5且延伸至所述锚固件5外侧一定距离，并通过螺帽8紧固。

在锚固件5外侧均设置螺帽8以保证在受各方向力的情况下均不发生相对位移。

所述形状记忆合金棒3分为中部的削弱段9、两端的锚固段11及削弱段9与锚固段11之间的过渡段10；削弱段9截面形状可以为圆形、矩形等。

优选地，所述削弱段9和锚固段11截面形状为圆形。

锚固段11周向设置螺纹，且锚固段11截面积大于削弱段9截面积。

所述形状记忆合金棒3均采用镍-钛合金材质制成。

形状记忆合金棒3的削弱段外侧套设有套筒4，套筒4可约束形状记忆合金棒3受压屈曲，从而有效提高形状记忆合金棒3受压时的延性与承载力；使本申请在耗散地震能量的基础上实现震后自复位。

所述套筒4为内部具有中空腔的圆柱体结构，套筒4的中空腔与形状记忆合金棒3削弱段外壁之间留有2mm间隙。

由套筒4约束的形状记忆合金棒3受压时，其截面面积会膨胀，较大压缩变形下会出现多波屈曲，此时需要在套筒4与形状记忆合金棒3之间填充无粘结材料，以避免形状记忆合金棒3与套筒4之间的直接接触，从而减小摩擦，尽可能的保证屈曲约束形状记忆合金棒在受拉与受压时有相近的力学性能。

所述无粘结材料可以为环氧树脂、橡胶层、锂基脂、软玻璃等。

优选地，套筒4中空腔与形状记忆合金棒3削弱段外壁之间的间隙内填充锂基脂。

所述套筒4可选用两块开有长槽的钢板拼接而成；中空腔由两块钢板的长槽共同形成。

所述套筒4的长度应小于形状记忆合金棒3削弱段的长度，其长度差应略小于形状记忆合金棒3的设计允许变形值。

所述梁腹板连接板6为钢板，其一端与结构梁段1焊接，梁腹板连接板6的另一端开设三个竖向分布的螺纹孔，其中，位于中间的螺纹孔为圆孔14，所述圆孔14位于二分之一梁高处。

圆孔14两侧的螺纹孔为椭圆孔15；梁腹板连接板6通过穿过所述螺纹孔的三个高强度螺栓7与连梁段2固定连接。腹板连接板6传递梁间剪力，并使连梁段2以圆孔14为圆心相对结构梁段1发生转动。

在正常使用状态下，本申请连梁具有较好的承载力。在地震发生时，连梁段两侧结构梁段1发生相对错动，连梁段2绕两端部二分之一梁高，即梁腹板连接板6中间的圆孔14相对每一侧的结构梁段1发生转动，使位于转动中心两侧的形状记忆合金棒3分别处于受拉和受压状态并消耗地震能量。

同时，若本申请处于适用环境温度中，由于形状记忆合金自身特性，在地震作用卸除后，形状记忆合金棒3回复于原位，连梁无残余变形，且由于形状记忆合金棒3相对于转动中心对称布置，连梁往复运动时的滞回行为对称。而若本申请处于低温环境中，形状记忆合金的性能退化为普通金属的性能，连梁将在地震作用下表现出金属屈服型耗能连梁的行为而不会失去初始刚度。

若连梁经历超出设计允许范围的变形，即便形状记忆合金棒3产生残余变形，在连梁再次经历小于残余变形的变形时仍可表现为金属屈服型耗能连梁的特性，而不会失去初始刚度。

同时，该连梁还具有形状记忆合金自复位连梁的一般优点，包括耗能和自复位能力好、构造和施工工艺简单、允许变形范围大、震后连梁无需修复、耐久性和抗疲劳性能好、综合经济效益高等。

本申请的另一种实施方式，提供一种钢结构建筑，所述钢结构建筑包括上述实施方式中的自复位连梁；本申请的钢结构建筑由于具有的该种耗能性能好的连梁，因此在地震作用发生时，输入主要结构构件的能量较小，可有效保护结构构件。

由于形状记忆合金材料优越的超弹性，其在地震作用后残余变形极小从而为震后的建筑修复提供便利；该类建筑在超出设计参考强度的地震作用后以及在低温下不会丧失刚度，且该类建筑较现有自复位建筑构造更简单，施工更便捷，可有效保证建筑施工质量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。