CN121111018A - 一种装配式sma-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式SMA‑加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，本方案下预制柱的核心钢管外围对称焊接两两相对的四个T型钢板作为主要竖向承力与剪力传递构件，其能够有效提高上预制柱和下预制柱之间的结构强度，本方案在所述上预制柱、下预制柱的柱段交接处的节点空隙四角部位各设置SMA棒，该SMA棒下端通过螺纹套筒牢固连接于下预制柱的第一预制端板上，上端则向上延伸贯穿上预制柱的第二预制端板并通过螺母连接，以施加预应力，通过该预应力迫使SMA棒产生轴向弹性伸长，方便建立精确可控的初始拉应力状态，其提升了节点初始刚度；本方案节点结构巧妙融合了传统传力构造与智能材料性能，兼具承载力高、施工便捷及震后可恢复性强的显著优势。

Description

一种装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点

技术领域

本发明涉及建筑工程结构技术领域，尤其涉及一种装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点。

背景技术

建筑工业化发展推动装配式结构广泛应用，其节点连接性能尤为关键，直接影响结构的安全、耐久与抗震能力。高性能节点需具备充足承载力、刚度、延性以及优良的耗能能力和震后可恢复性。预制装配式钢管混凝土叠合柱体系结合了多种材料优势，承载能力与变形性能出色，其节点的可靠性更是实现其应用价值的重要保障。

目前常用连接方式存在局限。传统现浇节点湿作业繁重，效率低下，质量波动大，难以满足工业化建造核心诉求。预制节点虽然提高了效率，但刚性连接易显脆性且震后残余变形显著，损伤累积难以修复；铰接连接则难以满足刚度和强度需求。针对预制钢管混凝土叠合柱节点，已有研究围绕节点构造形式进行改进，优化连接件设计、加强区域构造以增强强度和整体性。然而，此类构造层面的优化方案本质上依赖钢材塑性屈服或混凝土受拉开裂实现耗能，耗能效率存在上限，伴随大变形后不可避免产生显著不可逆损伤，导致节点残余位移过大，根本上缺乏震后自我复位恢复变形的能力，制约了结构韧性的进一步提升。纯几何构造改进在解决可恢复性问题上遇到了瓶颈。

形状记忆合金，即SMA材料，凭借其卓越的超弹性和有效耗散能量的特性，为土木工程抗震设计提供了新思路。SMA能够承受大的非弹性变形并在卸载后几乎完全恢复原状，同时耗散相当能量。这一特性特别适合赋予结构关键部位损伤自限与自复位能力。尽管SMA在阻尼器或梁柱节点中已有探索，但将其核心功能部件——SMA棒材，直接集成至预制装配式加劲钢管混凝土叠合柱的节点核心受力区域的应用尚少。如何充分发挥SMA超弹性耗能与自复位效能，并使其与加劲钢管混凝土叠合柱固有的高强度、高刚度和变形能力优势协同互补，形成更高性能的节点连接方案，仍待深入探索。

基于上述分析，并针对原有节点构造改进在可恢复性方面的关键不足，本方案突破常规单一改进思路，提出一种创新组合策略。本方案的核心在于：在前期优化的节点构造基础上，创新性地将SMA棒材集成于节点关键传力与耗能部位。此举旨在显著提升节点的耗能效率和关键的自复位能力，有效控制强震后的结构残余变形，从而突破现有预制钢管混凝土叠合柱节点性能瓶颈，最终实现装配式结构更高水平的安全性与韧性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实施可靠、结构安全性佳且装配方便的装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点。

为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，包括上预制柱、下预制柱，所述下预制柱的端面上设有第一预制端板，所述第一预制端板中部设有第一钢管，所述第一预制端板的边角设有两两相对的SMA棒，所述SMA棒的一端与所述第一预制端板固定连接；所述上预制柱的端面上设有第二预制端板，所述第二预制端板中部设有第二钢管，所述第二钢管的外径小于所述第一钢管的内径且其与所述第一钢管插接配合，所述上预制柱还设有延伸至所述第二钢管内的混凝土柱；所述第二预制端板的边角对应所述SMA棒设有与其一一对应的通孔，所述上预制柱对应所述通孔设有避让部，所述SMA棒远离所述下预制柱的端部设有螺纹段，该螺纹段穿过所述通孔且延伸至所述避让部中，并通过螺母锁紧，以将所述上预制柱和所述下预制柱相对固定连接。

作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述第一预制端板的边角上设有与所述SMA棒配合的螺纹套筒，所述SMA棒接近所述第一预制端板的端部设有螺纹段，且通过螺纹段与所述螺纹套筒螺纹固定连接。

作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述第一预制端板上对应所述第一钢管周侧设有两两相对的加强钢板。

作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述加强钢板为T型钢板，其T形下侧与所述第一钢管的外壁焊接固定，所述加强钢板的上下两端分别与所述第一预制端板、所述第二预制端板焊接固定。

作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述混凝土柱的端部延伸至与所述第二钢管的端部相平，所述第一钢管内设有容置腔，所述容置腔的深度与所述第二钢管长度相适应。

作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述通孔为螺纹孔，所述SMA棒的端部螺纹连接穿过所述螺纹孔。

作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述下预制柱上的第一预制端板、第一钢管均为预埋固定在所述下预制柱上；所述上预制柱上的第二预制端板、第二钢管均为预埋固定在所述上预制柱上。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案连接节点位于上预制柱、下预制柱的柱段交接处，其中，下预制柱的核心钢管(第一钢管)外围对称焊接两两相对的四个T型钢板作为主要竖向承力与剪力传递构件，其能够有效提高上预制柱和下预制柱之间的结构强度，除此之外，本方案在所述上预制柱、下预制柱的柱段交接处的节点空隙四角部位各设置一根SMA棒，该SMA棒下端通过螺纹套筒牢固连接于下预制柱的第一预制端板上，上端则向上延伸贯穿上预制柱的第二预制端板并通过螺母连接，以施加预应力，通过该预应力迫使SMA棒产生轴向弹性伸长，方便建立精确可控的初始拉应力状态，其提升了节点初始刚度；在节点使用过程中，其所受到的竖向荷载和剪力直接由下预制柱的T型钢板翼缘与上预制柱的第二预制端板进行承压和高效传递，确保节点连接结构的刚度与强度；当节点受弯发生变形时(例如地震)，位于角部的SMA棒被拉伸进入超弹性变形阶段，其能够显著耗散地震能量；震后卸载时，凭借SMA棒优越的超弹性恢复特性，产生回复力驱使节点回位，从而实现优异的自复位功能并有效控制残余变形。本方案节点结构巧妙融合了传统传力构造与智能材料性能，兼具承载力高、耗能效率好、施工便捷及震后可恢复性强的显著优势。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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。

图1是本方案连接节点的三维结构示意简图；

图2是本方案连接节点中下预制柱所连接部件的简要三维视角示意图；

图3是本方案连接节点中上预制柱所连接部件的简要三维视角示意图；

图4是本方案进行连接节点部件加工的简要流程示意图；

图5是本方案SMA棒的应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3之一所示，本实施例方案一种装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，包括上预制柱100、下预制柱200，所述下预制柱200的端面上设有第一预制端板201，所述第一预制端板201中部设有第一钢管202，所述第一预制端板201的边角设有两两相对的SMA棒203，所述SMA棒203的一端与所述第一预制端板201固定连接；所述上预制柱100的端面上设有第二预制端板101，所述第二预制端板101中部设有第二钢管102，所述第二钢管102的外径小于所述第一钢管202的内径且其与所述第一钢管202插接配合，所述上预制柱100还设有延伸至所述第二钢管102内的混凝土柱103；所述第二预制端板101的边角对应所述SMA棒203设有与其一一对应的通孔1011，所述上预制柱100对应所述通孔1011设有避让部1012，所述SMA棒203远离所述下预制柱200的端部设有螺纹段，该螺纹段穿过所述通孔1011且延伸至所述避让部1012中，并通过螺母2031锁紧，以将所述上预制柱100和所述下预制柱200相对固定连接。

其中，为了方便连接，本方案中，本方案所述通孔1011为螺纹孔，所述SMA棒203的端部螺纹连接穿过所述螺纹孔。本方案所述第一预制端板201的边角上设有与所述SMA棒203配合的螺纹套筒205，所述SMA棒203接近所述第一预制端板201的端部设有螺纹段，且通过螺纹段与所述螺纹套筒205螺纹固定连接。

为了进一步提高上预制柱100、下预制柱200之间的连接节点结构强度，作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述第一预制端板201上对应所述第一钢管202周侧设有两两相对的加强钢板204；具体的，本方案所述加强钢板204为T型钢板，其T形下侧与所述第一钢管202的外壁焊接固定，所述加强钢板204的上下两端分别与所述第一预制端板201、所述第二预制端板101焊接固定。

而对于内部连接，作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述混凝土柱103的端部延伸至与所述第二钢管102的端部相平，所述第一钢管202内设有容置腔，所述容置腔的深度与所述第二钢管102长度相适应。

为了方便预制和装配，作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述下预制柱200上的第一预制端板201、第一钢管202均为预埋固定在所述下预制柱200上；所述上预制柱100上的第二预制端板101、第二钢管102均为预埋固定在所述上预制柱100上。

本方案中，所述第一预制端板201、第二预制端板101可以对应所述第一钢管202、第二钢管102的内圈设有与其轮廓相适应的避让区域，以令下预制柱200主体的混凝土外露其中和上预制柱100的混凝土柱103成型其中。

作为一种举例，本方案连接节点的各部件结构可以参考图4所示的流程步骤进行实施、装配。

作为SMA棒的一种实施举例，本方案在上下预制柱的柱节点采用的4根SMA棒材，其均由直径D＝12㎜的Ni-Ti形状记忆合金棒材加工而来，通过将SMA棒两端加工为螺纹状，一端用带螺纹的套筒固定连接，一端利用M12高强螺母进行锚固，以便于安装，使所述上预制柱和所述下预制柱相对固定连接。此外，为保证SMA棒材拉伸状态下的稳定性，将其中部加工为削弱段(即SMA棒材两端直径大于中部削弱段，呈哑铃形或狗骨形)，以保证拉伸变形发生在削弱段内，防止SMA棒材于两端锚固段发生破坏。本方案中，SMA棒材全长L＝260㎜，削弱段直径D＝8㎜，削弱段长度为180mm，螺纹段长度为30mm，过渡段长度为10mm，弧度半径为30mm，其中，过渡段弧度与削弱段的尺寸参考规范《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T228.1-2021)中规定的尺寸要求。

作为一种选型或尺寸方案举例，本方案所述上预制柱和所述下预制柱的内部核心混凝土采用强度等级为C50的混凝土，外部混凝土采用强度等级为C30的混凝土，上下预制柱内部的纵筋及箍筋采用HRB400，钢管、预埋端板、T型板均采用Q345钢。通过拟采用的叠合柱外部截面尺寸为300*300㎜，上下柱高度为450㎜，预埋端板截面尺寸为300*300㎜、厚度10㎜，下柱钢管高度为640㎜，直径D＝110㎜，t＝5㎜，上柱钢管高度为640㎜，直径D＝90㎜，t＝5㎜。下柱核心混凝土高度为460㎜，上柱核心混凝土高度为640㎜。T型板尺寸为翼缘100*15*180㎜，腹板60*15*180㎜。

在SMA棒材的预应力施加方面，本方案SMA棒所用的材料是一种记忆合金材料，其能够承受较大的非弹性应变，并且可以通过加热或卸载恢复原状，其实质是SMA内部的两种稳定相-奥氏体和马氏体。两种体相可以通过温度和应力的改变而相互转换。在节点连接中，通过对SMA棒施加预应变来优化其力学性能。这一预应力设计的核心原理在于：通过机械预拉伸使SMA棒预先进入奥氏体相变平台区，从而提升节点初始刚度并建立初始恢复力储备。选定4％作为目标预应变值，是基于SMA材料的滞回曲线分析。由图5可知，较小的应变幅值(1％、2％)时，应力和应变可能主要处于奥氏体弹性变形阶段，或者只能在非常有限的范围的马氏体相变开始发生。中等应变幅值(3％、4％)时，施加的应变足以诱发并且完成主要的奥氏体到马氏体相变，会出现明显的平台区，在平台区，应力基本不变而应变急剧增大，卸载时也形成了一个较大的滞回环，峰值应力也相应提高。较大的应变幅值(大于5％)时，应变不仅诱发了完整的马氏体相变，还可能使材料产生塑性变形，产生较大的残余应变。所以选定4％作为目标预应变值是因为该应变值正处于奥氏体向马氏体完全相变的临界点(残余应变较小)，同时滞回环面积较大，还避开了大于5％应变区的塑形损伤风险。

在本方案实施过程中，可以采用M12高强螺母配合扭矩控制法实现精准加载，SMA棒两端螺纹段采用M12×1.25细牙滚压螺纹，螺纹表面经二硫化钼减摩涂层处理,装配时在螺纹接触面施加润滑剂。根据单根SMA棒材输出力公式：F_SMA＝σ_SMA*A_SMA，计算得出预紧力为20.1KN，再转化为螺母扭矩T＝K*F_SMA*d＝36.18(N·m)，并且还可以在SMA棒表面粘贴应变片，实时监测应变值。

在构件制作方面，本方案可以在工厂预制上段预制柱时，将外径D＝90mm的Q345钢管(第二钢管)垂直固定，核心区灌注C50混凝土至与钢管管口齐平(460mm高度)，外包C30混凝土浇筑时在柱底四角预留80×80×100mm操作空间，同步预埋300×300×10mm带孔端板(第二预制端板)。

下段预制柱加工时，将外径D＝110mm钢管(第一钢管)与端板(第一预制端板)焊接后垂直定位，核心混凝土分层浇筑至460mm高度形成180mm空腔，外部C30混凝土包裹成型，上表面预埋带孔钢板(与上段柱钢板匹配)，上下柱钢管采取插接式连接，下柱钢管内径与上柱钢管外径间设置5㎜设计间隙。

在上下预制柱的工厂预制流程中，同步执行节点连接组件的制作与装配。将M12×1.25细牙螺纹套筒(材质Q345)从预埋带孔钢板背面穿孔，采用D＝14mm塞焊孔进行双面满焊，SMA棒下端旋入套筒，螺纹间隙涂抹二硫化钼螺纹锁固剂。将4组T型板按十字对称布局焊接于下段预制柱核心钢管侧壁。

在节点承载力验算方面，本方案根据《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014),《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(TCECS188-2019),《钢结构设计标准》(GB50017-2017)要求对构件进行了承载力验算。轴压承载力公式为：

N＝1·[0.9(14.3·80745+360·616)+769462]＝2008.23KN

其中，节点处受弯承载力包括：

T型板：

M_T＝f_y·W

W＝I/y_max＝1089141/53.44＝20382mm³

M_T＝345·20382·4＝28.12Kn·m

SMA棒复位力矩：M_复位＝n·σ_pre·A_SMA·d

M＝4·400(π/4·8²)·130＝10.45Kn·m

钢管混凝土：

M_u＝γ_mW_scf_sc

实心圆形截面取1.2；

W_SC＝π·55⁴/4·55＝130670.62

f_sc＝(1.212+Bθ+Cθ)·f_c＝(1.212+1.26·5.21-0.2·5.21²)·32.4＝76.07Mpa

M_u＝γ_mW_scf_sc＝1.2·130670.62·76.07＝11.92Kn·m

节点处受弯承载力为50.49Kn·m,采用SMA棒，施加4％预应变后在节点处产生10.45kN·m的复位力矩，该复位力矩占节点极限承载力20％，主要起自复位预耗能辅助作用，不作为主要抗弯承载力来源。

节点处抗剪承载力为：

其中，λ₁取最不利边界值3计算，确保安全储备；

V_t＝h_w·t_w·f_v＝(180-2·15)·15·295·4＝2655KN

V＝60.8+2008.3·0.07+2655＝2856.31KN

本方案通过四向对称布置T型板提供了核心抗剪承载力。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，包括上预制柱、下预制柱，其特征在于，所述下预制柱的端面上设有第一预制端板，所述第一预制端板中部设有第一钢管，所述第一预制端板的边角设有两两相对的SMA棒，所述SMA棒的一端与所述第一预制端板固定连接；所述上预制柱的端面上设有第二预制端板，所述第二预制端板中部设有第二钢管，所述第二钢管的外径小于所述第一钢管的内径且其与所述第一钢管插接配合，所述上预制柱还设有延伸至所述第二钢管内的混凝土柱；所述第二预制端板的边角对应所述SMA棒设有与其一一对应的通孔，所述上预制柱对应所述通孔设有避让部，所述SMA棒远离所述下预制柱的端部设有螺纹段，该螺纹段穿过所述通孔且延伸至所述避让部中，并通过螺母锁紧，以将所述上预制柱和所述下预制柱相对固定连接。

2.如权利要求1所述的装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，其特征在于，所述第一预制端板的边角上设有与所述SMA棒配合的螺纹套筒，所述SMA棒接近所述第一预制端板的端部设有螺纹段，且通过螺纹段与所述螺纹套筒螺纹固定连接。

3.如权利要求1所述的装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，其特征在于，所述第一预制端板上对应所述第一钢管周侧设有两两相对的加强钢板。

4.如权利要求3所述的装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，其特征在于，所述加强钢板为T型钢板，其T形下侧与所述第一钢管的外壁焊接固定，所述加强钢板的上下两端分别与所述第一预制端板、所述第二预制端板焊接固定。

5.如权利要求1所述的装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，其特征在于，所述混凝土柱的端部延伸至与所述第二钢管的端部相平，所述第一钢管内设有容置腔，所述容置腔的深度与所述第二钢管长度相适应。

6.如权利要求1所述的装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，其特征在于，所述通孔为螺纹孔，所述SMA棒的端部螺纹连接穿过所述螺纹孔。

7.如权利要求1所述的装配式SMA-加劲钢管混凝土叠合柱自复位耗能连接节点，其特征在于，所述下预制柱上的第一预制端板、第一钢管均为预埋固定在所述下预制柱上；所述上预制柱上的第二预制端板、第二钢管均为预埋固定在所述上预制柱上。