一种基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁

1.本发明涉及土木工程结构技术领域，特别是涉及一种基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁。


背景技术：

2.随着社会经济的快速发展，我国的高层建筑应用越来越广泛，钢筋混凝土剪力墙是高层及超高层建筑常用的有效抗侧体系。连梁作为联肢剪力墙结构体系的第一道抗震防线，通过自身的塑性变形耗散大量的地震能量以保护墙肢遭到破坏。在实际工程中，连梁的跨高比常小于2，在地震作用下连梁容易过早发生剪切破坏，耗能能力较差。因此提高连梁的耗能能力具有重要意义。
3.早期传统连梁主要通过改变配筋方式与采用钢-混组合结构等措施提高连梁的抗震性能。然而，在地震作用下这些传统的连梁虽然一定程度上改变连梁的破坏形式，增强结构的承载力和耗能能力，但是自身遭受严重的破坏难以修复，造成较大的经济损失。鉴于此，近年来国内外学者提出了“可更换连梁”的概念，通过将耗能与损伤集中于可更换段，震后对可更换段进行拆卸和更换，实现了功能快速恢复。
4.目前国内外研发的可更换连梁大多数通过可更换段的金属材料(主要是钢材)自身进入屈服变形耗散地震能量。但是由于金属材料只有一个屈服点，当可更换段设计为中震下屈服，则将削弱剪力墙之间的连接，降低结构的整体刚度，增大结构的变形；当可更换段设计为大震下屈服，则不能在中震下耗能。该类型可更换连梁耗能作用单一，只能用于某一设定的地震烈度，无法满足超出该地震烈度下的抗震能力要求。为了应对不同地震烈度下可更换连梁的抗震性能设计要求，因此有必要对可更换连梁的可更换段进行合理的设计，以实现分阶段耗能的性能目标，提高可更换连梁的韧性。
5.另一方面，目前可更换连梁主要研究可更换段的抗震性能，而忽略了可更换段的震后可更换性，可更换段往往因结构震后残余变形较大导致更换困难。如何减小结构的残余变形是实现可更换连梁的震后快速更换的关键问题。
6.因此，如何改变现有技术中，可更换连梁因结构震后残余变形较大导致更换困难的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，以解决上述现有技术存在的问题，减小可更换连梁残余变形，降低可更换连梁更换难度。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，包括：
9.可更换单元，所述可更换单元包括钢管混凝土横梁和屈曲约束支撑杆，所述钢管混凝土横梁包括连接半梁，所述连接半梁的数量为两段，两段所述连接半梁能够利用抗剪螺栓滑动相连，初始状态时，所述连接半梁与所述抗剪螺栓之间设置有保险丝连接件，所述
保险丝连接件能够限制所述连接半梁与所述抗剪螺栓之间的相对位置；所述屈曲约束支撑杆包括活塞支撑杆和套筒，所述活塞支撑杆可滑动地与所述套筒相连，所述套筒内设置弹性元件，所述弹性元件由超弹性材质制成，所述活塞支撑杆往复运动能够使所述弹性元件产生形变；
10.非耗能单元，所述非耗能单元能够与剪力墙相连，所述非耗能单元的数量为两组，两组所述非耗能单元设置于所述可更换单元的两侧；
11.所述可更换单元与所述非耗能单元可拆卸连接。
12.优选地，一段所述连接半梁上设置有安装孔，另一段所述连接半梁上设置有限位孔，所述限位孔为长孔，所述限位孔的长度方向平行于竖直面，所述保险丝连接件设置于所述限位孔内，所述保险丝连接件的数量为两根，两根所述保险丝连接件平行设置，且所述保险丝连接件垂直于所述限位孔的长度方向设置，所述限位孔套装于所述安装孔的外部，所述抗剪螺栓穿过两根所述保险丝连接件之间的缝隙以及所述安装孔后与紧固元件相连。
13.优选地，所述屈曲约束支撑杆还包括第一活动端板和第二活动端板，所述第一活动端板和所述第二活动端板可滑动地设置于所述套筒内，所述套筒内壁上设置有挡块，所述挡块设置于所述第一活动挡板与所述第二活动挡板之间，所述挡块能够限制所述第一活动端板以及所述第二活动端板的极限位置，所述弹性元件连接所述第一活动端板和所述第二活动端板；
14.所述套筒具有通过孔，所述活塞支撑杆的一端能够由所述通过孔伸入所述套筒内，所述第一活动端板靠近所述通过孔设置，所述活塞支撑杆可滑动地与所述第一活动端板相连；所述活塞支撑杆包括驱动端头，所述驱动端头位于所述第一活动端板与所述第二活动端板之间，所述驱动端头能够带动所述第一活动端板以及所述第二活动端板运动。
15.优选地，所述第一活动端板以及所述第二活动端板的外周面均设置有摩擦层，所述摩擦层由摩擦材料制成，所述摩擦层与所述套筒的内壁相抵。
16.优选地，所述套筒的内壁具有朝向所述套筒轴线方向凸出的弧面凸起，所述第一活动端板以及所述第二活动端板往复滑动时均能够与所述弧面凸起相抵。
17.优选地，所述第一活动端板以及所述第二活动端板分别利用连接螺栓与所述弹性元件相连，所述套筒的内壁上具有与所述连接螺栓相匹配的凹坑。
18.优选地，所述屈曲约束支撑杆还包括钢管支撑杆，所述钢管支撑杆与所述套筒相连，所述钢管支撑杆和所述活塞支撑杆分别位于所述套筒的两端。
19.优选地，所述可更换单元还包括更换端板，所述更换端板的数量为两块，两块所述更换端板平行于竖直面设置，所述钢管混凝土横梁以及所述屈曲约束支撑杆设置于两块所述更换端板之间，所述钢管混凝土横梁的数量为四组，所述钢管混凝土横梁平行于水平面设置，所述钢管混凝土横梁与所述更换端板固定连接，四组所述钢管混凝土横梁的连线呈矩形；
20.所述屈曲约束支撑杆的数量为两组，两组所述屈曲约束支撑杆位于所述钢管混凝土横梁围成的框架之间，两组所述屈曲约束支撑杆呈十字交叉型设置，所述屈曲约束支撑杆的一端与其中一块所述更换端板铰接，所述屈曲约束支撑杆的另一端与另一块所述更换端板铰接；所述更换端板与所述非耗能单元可拆卸连接。
21.优选地，所述非耗能单元包括连接梁和固定端板，所述连接梁与所述剪力墙相连，
所述连接梁与所述固定端板相连，所述固定端板的数量为两块，两块所述固定端板设置于所述可更换单元的两侧，所述固定端板与所述更换端板利用高强度螺栓连接。
22.优选地，所述固定端板以及所述更换端板均设置有抗剪键，且所述固定端板连接有多道加强肋。
23.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，当遇地震作用时，钢连梁变形导致可更换单元受力，屈曲约束支撑杆受压力或受拉力，活塞支撑杆相对于套筒往复滑动，弹性元件变形从而能够为活塞支撑杆提供恢复力，使得钢连梁能够恢复初始位置，减小残余变形。与此同时，当小中震时，钢连梁变形向可更换单元施加的力较小，保险丝连接件限制两段连接半梁的竖向变形，使得钢连梁保持弹性状态，在大震情况下，保险丝连接件断裂，释放钢管混凝土横梁的变形空间，使得两段连接半梁往复滑动，同时屈曲约束支撑杆实现自复位；在巨震情况下，可更换单元通过整体塑性变形耗散地震能量。本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，基于分阶段耗能机制，减小了钢连梁的残余变形，降低了钢连梁更换难度。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的主视示意图；
26.图2为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的俯视示意图；
27.图3为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的可更换单元的剖切示意图；
28.图4为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的铰接座的结构示意图；
29.图5为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的连接半梁的部分结构示意图一；
30.图6为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的连接半梁的部分结构示意图二；
31.图7为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的屈曲约束支撑杆的部分结构的剖切示意图；
32.图8为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的屈曲约束支撑杆在初始状态、受压状态和受拉状态下的工作原理示意图；
33.图9为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁在地震状态下的示意图。
34.其中，100为可更换单元，200为非耗能单元；
35.1为钢管混凝土横梁，101为连接半梁，102为抗剪螺栓，103为保险丝连接件，104为安装孔，105为限位孔，2为屈曲约束支撑杆，201为活塞支撑杆，202为套筒，203为弹性元件，204为第一活动端板，205为第二活动端板，206为挡块，207为驱动端头，208为摩擦层，209为弧面凸起，210为凹坑，211为钢管支撑杆，212为更换端板，213为铰接座，3为连接梁，4为固定端板，5为加强肋，6为抗剪键。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明的目的是提供一种基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，以解决上述现有技术存在的问题，减小可更换连梁残余变形，降低可更换连梁更换难度。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.请参考图1-9，其中，图1为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的主视示意图，图2为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的俯视示意图，图3为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的可更换单元的剖切示意图，图4为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的铰接座的结构示意图，图5为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的连接半梁的部分结构示意图一，图6为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的连接半梁的部分结构示意图二，图7为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的屈曲约束支撑杆的部分结构的剖切示意图，图8为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁的屈曲约束支撑杆在初始状态、受压状态和受拉状态下的工作原理示意图，图9为本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁在地震状态下的示意图。
40.本发明提供一种基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，包括可更换单元100和非耗能单元200，其中，可更换单元100包括钢管混凝土横梁1和屈曲约束支撑杆2，钢管混凝土横梁1包括连接半梁101，连接半梁101的数量为两段，两段连接半梁101能够利用抗剪螺栓102滑动相连，初始状态时，连接半梁101与抗剪螺栓102之间设置有保险丝连接件103，保险丝连接件103能够限制连接半梁101与抗剪螺栓102之间的相对位置；屈曲约束支撑杆2包括活塞支撑杆201和套筒202，活塞支撑杆201可滑动地与套筒202相连，套筒202内设置弹性元件203，弹性元件203由超弹性材质制成，活塞支撑杆201往复运动能够使弹性元件203产生形变；非耗能单元200能够与剪力墙相连，非耗能单元200的数量为两组，两组非耗能单元200设置于可更换单元100的两侧；可更换单元100与非耗能单元200可拆卸连接。
41.本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，当遇地震作用时，钢连梁变形导致可更换单元100受力，屈曲约束支撑杆2受压力或受拉力，活塞支撑杆201相对于套筒202往复滑动，弹性元件203变形从而能够为活塞支撑杆201提供恢复力，使得钢连梁能够恢复初始位置，减小残余变形。与此同时，当小中震时，钢连梁变形向可更换单元100施加的力较小，保险丝连接件103限制两段连接半梁101的竖向变形，使得钢连梁保持弹性状态，在大震情况下，保险丝连接件103断裂，释放钢管混凝土横梁1的变形空间，使得两段连接半梁101往复滑动，同时屈曲约束支撑杆2实现自复位；在巨震情况下，可更换单元100通过整体塑性变形耗散地震能量。本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，基于分阶段耗能机制，减小了钢连梁的残余变形，降低了钢连梁更换难度。
42.具体地，一段连接半梁101上设置有安装孔104，另一段连接半梁101上设置有限位孔105，连接半梁101的其它结构内填充混凝土，保证强度，限位孔105为长孔，限位孔105的长度方向平行于竖直面，保险丝连接件103设置于限位孔105内，保险丝连接件103的数量为
两根，两根保险丝连接件103平行设置，且保险丝连接件103垂直于限位孔105的长度方向设置，限位孔105套装于安装孔104的外部，抗剪螺栓102穿过两根保险丝连接件103之间的缝隙以及安装孔104后与紧固元件相连，紧固元件可选择螺母。保险丝连接件103与限位孔105的侧壁相配合能够限制抗剪螺栓102的水平位移和竖向位移，保证钢管混凝土横梁1的传力可靠性，在小震中震作用下，钢连梁变形带动保险丝连接件103变形，通过保险丝连接件103自身塑性变形耗能，使得钢连梁保持弹性状态，保险丝连接件103起到“保险丝”的作用，在大震情况下，随着可更换连梁的变形增大，保险丝连接件103断裂释放出钢管混凝土横梁1的竖向变形空间，水平方向仍被限制。在本具体实施方式中，保险丝连接件103采用钢条制成，保险丝连接件103的结构强度可根据具体工况选择，提高钢连梁的灵活适应性。
43.更具体地，屈曲约束支撑杆2还包括第一活动端板204和第二活动端板205，第一活动端板204和第二活动端板205可滑动地设置于套筒202内，套筒202内壁上设置有挡块206，挡块206设置于第一活动端板204与第二活动端板205之间，挡块206能够限制第一活动端板204以及第二活动端板205的极限位置，弹性元件203连接第一活动端板204和第二活动端板205；套筒202具有通过孔，活塞支撑杆201的一端能够由通过孔伸入套筒202内，第一活动端板204靠近通过孔设置，活塞支撑杆201可滑动地与第一活动端板204相连；活塞支撑杆201包括驱动端头207，驱动端头207位于第一活动端板204与第二活动端板205之间，驱动端头207能够带动第一活动端板204以及第二活动端板205运动。钢连梁变形，屈曲约束支撑杆2受拉或受压，活塞支撑杆201相对于套筒202往复滑动，从而使得驱动端头207带动弹性元件203产生拉伸变形，驱动端头207的径向截面面积较第一活动端板204的通孔面积大，为哑铃状结构，避免驱动端头207滑脱。当活塞支撑杆201受压时，活塞支撑杆201伸入套筒202的长度加长，驱动端头207推动第二活动端板205向远离第一活动端板204的方向运动，在挡块206的阻挡作用下，第一活动端板204位置不变，从而使弹性元件203拉伸，使得弹性元件203为屈曲约束支撑杆2提供恢复力；当屈曲约束支撑杆2受拉力时，驱动端头207或带动第一活动端板204向远离第二活动端板205的方向运动，同样地，在挡块206的阻挡作用下，第二活动端板205位置不变，弹性元件203拉伸，弹性元件203同样为屈曲约束活动支撑杆提供恢复力。此处需要说明的是，弹性元件203采用具有大变形能力的非线性弹性材料制成，在外力作用下发生远大于其弹性极限应变量的变形时，卸载后应变可自动恢复，具体材料可选用形状记忆合金、预应力钢绞线或高性能复合纤维材料。
44.其中，第一活动端板204以及第二活动端板205的外周面均设置有摩擦层208，摩擦层208由摩擦材料制成，摩擦层208与套筒202的内壁相抵，在第一活动端板204以及第二活动端板205相对于套筒202往复滑动时，摩擦层208与套筒202内壁往复运动，能够耗散大量地震能量，耗能效果较好。
45.为了更进一步地增强耗能效果，套筒202的内壁具有朝向套筒202轴线方向凸出的弧面凸起209，第一活动端板204以及第二活动端板205往复滑动时均能够与弧面凸起209相抵，在活塞支撑杆201带动第一活动端板204以及第二活动端板205往复运动时，弧面凸起209与摩擦层208相配合，进一步提高能量耗散能力，增强屈曲约束支撑杆2的耗能效果。
46.还需要说明的是，第一活动端板204以及第二活动端板205分别利用连接螺栓与弹性元件203相连，套筒202的内壁上具有与连接螺栓相匹配的凹坑210，当第一活动端板204以及第二活动端板205运动至套筒202的轴向端面时，连接螺栓位于凹坑210内，使得第一活
动端板204和第二活动端板205能够与套筒202内壁相抵，增大第一活动端板204以及第二活动端板205与套筒202内壁的接触面积，避免应力集中。与此同时，利用连接螺栓将弹性元件203固定于第一活动端板204以及第二活动端板205之间，拆装方便，还能够通过连接螺栓能够调节弹性元件203预紧力。
47.另外，屈曲约束支撑杆2还包括钢管支撑杆211，钢管支撑杆211与套筒202相连，钢管支撑杆211和活塞支撑杆201分别位于套筒202的两端，设置钢管支撑杆211方便屈曲约束支撑杆2的连接固定。
48.进一步地，可更换单元100还包括更换端板212，更换端板212的数量为两块，两块更换端板212平行于竖直面设置，钢管混凝土横梁1以及屈曲约束支撑杆2设置于两块更换端板212之间，钢管混凝土横梁1的数量为四组，钢管混凝土横梁1平行于水平面设置，钢管混凝土横梁1与更换端板212固定连接，四组钢管混凝土横梁1的连线呈矩形；屈曲约束支撑杆2的数量为两组，两组屈曲约束支撑杆2位于钢管混凝土横梁1围成的框架之间，两组屈曲约束支撑杆2呈十字交叉型设置，屈曲约束支撑杆2的一端与其中一块更换端板212铰接，屈曲约束支撑杆2的另一端与另一块更换端板212铰接，在本具体实施方式中，更换端板212连接有铰接座213，方便与屈曲约束支撑杆2铰接相连；更换端板212与非耗能单元200可拆卸连接。此处需要解释说明的是，钢管混凝土横梁1与屈曲约束支撑杆2的设置形式和数量可以根据剪力墙具体设计需求确定。
49.相应地，非耗能单元200包括连接梁3和固定端板4，连接梁3与剪力墙相连，连接梁3与固定端板4相连，固定端板4的数量为两块，两块固定端板4设置于可更换单元100的两侧，固定端板4与更换端板212利用高强度螺栓连接。采用更换端板212与固定端板4利用高强度螺栓连接的方式，方便了可更换单元100与非耗能单元200的连接拆卸，为后续可更换单元100拆卸更换提供便利。连接梁3可选用钢型材，本具体实施方式中，连接梁3采用h型钢，连接梁3预埋于剪力墙的内部，可设置栓钉以防止剪力墙的混凝土与连接梁3的粘结滑移问题，剪力墙可以为钢筋混凝土剪力墙或钢-混组合剪力墙，h型钢的腹板与翼缘板厚度可根据实际工程计算连接梁3的承载力。
50.更进一步地，固定端板4以及更换端板212均设置有抗剪键6，进一步提高钢连梁的安全系数，且，固定端板4连接有多道加强肋5，放置连接梁3发生屈曲，可根据选用的h型钢的腹板与翼缘板厚度计算连接梁3的承载力，进而确定加强肋5的数量。
51.本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，安装在联肢剪力墙之间，包括可更换单元100和非耗能单元200，两者通过高强度螺栓连接。可更换单元100包括钢管混凝土横梁1和屈曲约束支撑杆2，屈曲约束支撑杆2受压力或受拉力，活塞支撑杆201相对于套筒202往复滑动，弹性元件203拉伸变形从而能够为活塞支撑杆201提供恢复力，使得钢连梁能够恢复初始位置，减小残余变形。当地震较小时，非耗能单元200变形向可更换单元100施加的力较小，保险丝连接件103限制两段连接半梁101的竖向变形，使得钢连梁保持弹性状态，在大震情况下，保险丝连接件103断裂，释放钢管混凝土横梁1的变形空间，使得两段连接半梁101往复滑动，同时屈曲约束支撑杆2实现自复位；在巨震情况下，可更换单元100通过整体塑性变形耗散地震能量。非耗能单元200包括连接梁3和固定端板4，连接梁3与剪力墙相连，连接梁3与固定端板4相连，在固定端板4上设置抗剪键6，提高钢连梁的抗剪能力。本发明的基于分阶段耗能机制的可更换钢连梁，具有自复位能力，且能够适应不同程度的地震。
除此之外，本发明的套筒202设置弧面凸起209，第一活动端板204和第二活动端板205设置摩擦层208，第一活动端板204和第二活动端板205于套筒202内往复滑动时，能够产生较大的摩擦力耗散大量地震能量，增强耗能效果。
52.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。