一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置及设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置及设计方法，支撑连接装置包括：芯板、连接挂环、摩擦片、SMA棒和高强螺栓；每两个芯板之间交错设置、且交错的表面之间通过高强螺栓固定连接；摩擦片至少为一个，位于两个芯板交错安装有摩擦片、且摩擦片的两侧表面均与芯板接触安装；摩擦耗能自复位高强螺栓连接装置，可以使中心支撑钢框架结构具有耗能和自复位双功能，极大提升全寿命周期内高层建筑在风与地震反复作用下的服役安全性。与传统摩擦耗能阻尼器相比，本发明专利技术可避免全寿命周期内风荷载长期作用对支撑与外框架连接节点造成显著累积损伤，保障结构在风荷载长期作用下依然保持较高的初始刚度。依然保持较高的初始刚度。依然保持较高的初始刚度。

【技术实现步骤摘要】
一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置及设计方法


[0001]本专利技术涉及支撑钢框架结构的消能减震
，具体为一种用于高层支撑钢框架结构的可更换摩擦耗能自复位钢支撑螺栓连接装置。

技术介绍

[0002]截至2020年底，我国150米以上的高层建筑超过2900余栋，数量和规模已位居世界前列。高层钢结构建筑往往具有较长服役期，风荷载长期作用下将造成结构连接区域存在不同程度的累积损伤，进而削弱结构抵抗地震等极端事件的能力。作为高层钢结构多重抗侧力体系之一，支撑钢框架结构因侧向刚度大、强度高、构造简单以及能够有效降低梁柱用钢量等优点，在高层钢结构建筑中得到广泛应用，支撑失效是支撑钢框架结构的第一道防线。由于该类结构主要通过支撑抗侧，导致支撑两端的螺栓连接主要承受沿支撑轴向的剪切作用，风荷载反复作用下易出现螺栓松动问题。
[0003]此外，“技术规程”中给出了抗剪摩擦型高强螺栓连接的设计细节，并指出连接件之间产生相对滑移便达到其承载能力极限状态。支撑的摩擦型高强螺栓连接失效后支撑钢框架结构仍具备继续承受外部激励作用的能力，由规范设计的抗剪摩擦型高强螺栓连接没有很好利用这种位移机制。
[0004]摩擦耗能型高强螺栓连接有效利用了摩擦型高强螺栓连接的位移机制，当前对采用钢材、铝材、黄铜、无石棉树脂、碳纤维等摩擦材料的摩擦阻尼器的耗能能力和力学性能开展了大量研究。在弹性阶段，摩擦耗能型高强螺栓连接与普通摩擦型高强螺栓连接具有相同的作用机理相同；出现滑移后，摩擦耗能型螺栓连接利用摩擦材料的摩擦作用进行耗能，作为中心支撑钢框架结构的第一道防线，而支撑和外框架将作为支撑结构的第二道和第三道防线，并克服支撑钢框架结构刚度大但延性低的缺点。
[0005]摩擦耗能型高强螺栓连接装置虽然具有较好的耗能能力，但无法使高层支撑钢框架结构在地震等极端事件作用后具备自复位能力，不能控制结构在极端事件作用后的残余变形，制约了结构的灾后使用功能。为了使支撑钢框架结构具备灾后自复位能力，需要为摩擦耗能型高强螺栓连接增加自复位系统，工程应用中常通过预应力筋、形状记忆合金或碟形弹簧为复位系统提供恢复力。而形状记忆合金(SMA)具有超弹性和形状记忆功能而得到广泛关注，SMA受力卸载后无明显残余变形，可恢复至初始形状。因此，有必要针对高层支撑钢框架结构，提出一种用于钢支撑与主体框架结构连接的可更换摩擦耗能自复位钢支撑螺栓连接装置，使结构具备较好的耗能能力和灾后自复位能力。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置及设计方法，以解决上述提到的技术问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置，支撑连接装置包括：芯板、连接挂环、摩擦片、SMA棒和高强螺栓；
[0008]每两个芯板之间交错设置、且交错的表面之间通过高强螺栓固定连接；摩擦片至少为一个，位于两个芯板交错安装有摩擦片、且摩擦片的两侧表面均与芯板接触安装，摩擦片开设有槽孔二，且摩擦片的槽孔二开孔尺寸与芯板对应位置设置的开槽孔一尺寸一致，以供高强螺栓穿过；
[0009]两个芯板位于交错处的同向平面分别固定若干个连接挂环、且连接挂环垂直连接在芯板平面上，两个芯板同向一侧的连接挂环之间通过SMA棒固定连接；
[0010]交错设置的两个芯板之间发生相对滑移，通过摩擦片的摩擦作用耗能。
[0011]进一步的，还包括盖板与两个芯板处在同一水平面上，两个芯板之间呈相接或间隔布置，位于两个芯板相接部或间隔部的上、下端面分别设有桥接两个芯板的盖板；盖板相对于上方芯板端面与下方芯板端面之间分别设有摩擦片；
[0012]盖板与芯板同向平面上分别固定连接若干个连接挂环、且连接挂环分布在盖板水平方向两侧端处，连接挂环垂直连接在盖板、芯板平面上，盖板与芯板同向平面上、且相互临近的连接挂环之间通过SMA棒固定连接；
[0013]摩擦片为若干组，每组为两片摩擦片，其中一片开设圆孔、另一片开设槽孔二；开设圆孔的摩擦片粘连接固定在盖板表面，且摩擦片上的开设圆孔开孔尺寸与盖板对应位置开孔尺寸一致，以供高强螺栓穿过；
[0014]开设槽孔二的摩擦片通过粘连接固定在芯板表面，且摩擦片上的开设槽孔二开孔尺寸与芯板对应位置设置的开槽孔一尺寸一致，以供高强螺栓穿过。
[0015]进一步的，还包括用于加持连接SMA棒的防屈曲紧固件，防屈曲紧固件包括两个防曲夹板，两个防曲夹板通过螺栓紧固加持连接SMA棒。
[0016]进一步的，防曲夹板上开设有半圆柱体，用以相互配合加持固定SMA棒，半圆柱体的水平面与防曲夹板的平面相重合。
[0017]进一步的，防曲夹板材质为不锈钢材料。
[0018]进一步的，防屈曲紧固件长度l
夹具
关系式为：
[0019]l
夹具
＝l
SMA棒
‑
l
槽孔
/2
[0020]防屈曲紧固件的宽度W
夹具
、高度h
夹具
和开口半径R
夹具
的数值，依据SMA棒的直径确定，紧固件的宽度W
夹具
等于高度h
夹具
等于1.5倍的SMA棒直径，开口半径R
夹具
等于0.5倍的SMA棒直径；
[0021]SMA棒的直径计算公式为：
[0022][0023]式中，N表示SMA棒数目；f
y,bra
为支撑钢材的屈服强度，A
bra,max
表示所有支撑中最大的横截面面积，f
y,bra
为SMA棒的屈服强度，A
SMA
和D
SMA
分别表示SMA棒的截面面积和直径。
[0024]一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置的设计方法，其设计方法包括如下步骤：
[0025]步骤1：确定实施建筑的结构类型、设计楼层数目、结构平面布置信息、分组和抗震设防水平信息。
[0026]步骤2：由中心支撑钢框架结构的初步设计参数信息，确定钢支撑与外框架连接节点处的受力数据，分别设计交错芯板摩擦型螺栓连接或水平芯板摩擦型螺栓连接；
[0027]水平芯板摩擦型螺栓连接：一侧的芯板可由型钢支撑的腹板替代，而另一侧的芯板可由焊接在梁柱节点处的连接板替代；
[0028]交错芯板摩擦型螺栓连接：芯板可由钢支撑腹板或钢连接板替代；
[0029]步骤3：对于中心支撑钢框架结构的任意一层，取该层支撑屈服荷载F
y,min
与压弯承载力P
cr
中的最小值，作为摩擦型高强螺栓连接的设计荷载Fd，螺栓数目和规格可由下式确定，
[0030]F
d
＝0.75μ
d
n
f
Pn
[0031]式中，μd为摩擦材料的摩擦系数；nf为传力摩擦面数；P表示螺栓预紧力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置，其特征在于，支撑连接装置(2)包括：芯板(4)、连接挂环(5)、摩擦片(6)、SMA棒(7)和高强螺栓(10)；每两个所述芯板(4)之间交错设置、且交错的表面之间通过高强螺栓(10)固定连接；所述摩擦片(6)至少为一个，位于两个所述芯板(4)交错处安装有摩擦片(6)、且摩擦片(6)的两侧表面均与芯板(4)接触安装，所述摩擦片(6)开设有槽孔二，且摩擦片(6)的槽孔二开孔尺寸与芯板(4)对应位置设置的开槽孔一(9)尺寸一致，以供高强螺栓(10)穿过；两个所述芯板(4)位于交错处的同向平面分别固定若干个连接挂环(5)、且连接挂环(5)垂直焊接在芯板(4)平面上，两个所述芯板(4)同向一侧的连接挂环(5)之间通过SMA棒(7)固定连接；交错设置的两个芯板(4)之间发生相对滑移，通过摩擦片(6)的摩擦作用耗能。2.根据权利要求1所述一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置，其特征在于，还包括盖板(3)，两个所述芯板(4)处在同一水平面上，两个所述芯板(4)之间呈相接或间隔布置，位于两个所述芯板(4)相接部或间隔部的上、下端面分别设有桥接两个所述芯板(4)的盖板(3)；盖板(3)相对于上方芯板(4)端面与下方芯板(4)端面之间分别设有摩擦片(6)；盖板(3)与芯板(4)同向平面上分别固定连接若干个连接挂环(5)、且连接挂环(5)分布在盖板(3)水平方向两侧端处，连接挂环(5)垂直焊接在盖板(3)、芯板(4)平面上，所述盖板(3)与芯板(4)同向平面上、且相互临近的连接挂环(5)之间通过SMA棒(7)固定连接；所述摩擦片(6)为若干组，每组为两片摩擦片，其中一片开设圆孔、另一片开设槽孔二；开设圆孔的摩擦片(6)粘连接固定在盖板(3)表面，且摩擦片(6)上的开设圆孔开孔尺寸与盖板(3)对应位置开孔尺寸一致，以供高强螺栓(10)穿过；开设槽孔二的摩擦片(6)通过粘连接固定在芯板(4)表面，且摩擦片(6)上的开设槽孔二开孔尺寸与芯板(4)对应位置设置的开槽孔一(9)尺寸一致，以供高强螺栓(10)穿过。3.根据权利要求2所述一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置，其特征在于，还包括用于加持连接SMA棒(7)的防屈曲紧固件(8)，防屈曲紧固件(8)包括两个防曲夹板(11)，两个防曲夹板(11)通过螺栓紧固加持连接SMA棒(7)。4.根据权利要求3所述一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置，其特征在于，所述防曲夹板(11)上开设有半圆柱体(12)，用以相互配合加持固定SMA棒，半圆柱体(12)的水平面与防曲夹板(11)的平面相重合。5.根据权利要求3或4所述一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置，其特征在于，防曲夹板(11)材质为不锈钢材料。6.根据权利要求3所述一种多灾韧性摩擦耗能自复位螺栓连接装置，其特征在于，防屈曲紧固件(8)长度l
夹具
关系式为：l
夹具
＝l
SMA棒
‑
l
槽孔
/2防屈曲紧固件(8)的宽度W
夹具
、高度h
夹具
和开口半径R
夹具
的数值，依据SM...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑晓伟，张营营，陈圣刚，周淑春，李贤，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：