一种具有可恢复功能的装配式圆锥异型钢管柱脚及组装方法与流程

本发明涉及建筑工程技术领域，具体涉及一种具有可恢复功能的装配式圆锥异型钢管柱脚及组装方法。

背景技术：

钢框架结构是一种有效的抗震体系，为了能以相对较低的经济代价实现较优的抗震性能，传统设计的建筑钢结构在强震下经历非弹性变形，并以防止结构体系在地震作用下发生倒塌为根本出发点。然而，近年来国内外几次大地震灾害及研究表明，传统钢框架结构在经历强震后，结构中将留存显著的残余变形，随之而来的“修复”或“拆除—重建”工作将成为一项极为严峻的挑战。随着我国城镇建设的持续发展，建筑钢结构的分布广度和建设密度都在迅猛增大，地震作用下一旦发生大批量建筑钢结构的破坏，后果将不堪设想。随着社会的发展，人们对强震后建筑物的可修复性、快速恢复性和功能连续性的需求不断增加，促使人们研究开发抗震性能高、维修占用时间少、修复成本低的现代建筑。

为了实现强震后快速恢复结构的使用功能，有学者提出了“可恢复功能抗震结构”，即在遭受地震作用时保持可接受的功能、地震后不需修复或在部分使用状态下稍加修复即可恢复其使用功能的结构。其特点是结构体系易于建造和维护，全寿命成本效益高。目前，震后可恢复结构主要包括：1、可更换结构构件的结构体系(减少对结构使用功能影响的前提下，实现可更换、易更换和快速更换)；2、设置摇摆墙或摇摆框架的结构体系(改变结构固接于基础的约束形式)；3、自复位结构体系(消除结构构件因屈服耗能而导致的残余变形)，这几种方式并不是完全独立的,有时候可以两种甚至三种方式结合起来进行设计。

柱脚是抗震钢框架的基本构件，它影响钢结构建筑的层间位移、结构构件中的力和抗倒塌能力。可恢复的柱脚通过释放柱脚约束(设置间隙开口)，在地震作用下，柱与地基分离形成间隙，将地震后的损伤集中于可更换的耗能装置中，从而消除柱的结构损伤，提高结构的可恢复性功能。

因此，有必要研发一种能具有可恢复功能的高效耗能柱脚结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种安装方便、装配化程度高、具有可快速恢复性、震后修复工作量低的装配式圆锥异型钢管柱脚及组装方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种具有可恢复功能的装配式圆锥异型钢管柱脚，包括箱型地基、圆锥异型钢管短柱、工字钢柱、半圆弧角钢、预应力索和异型软钢环簧。

所述圆锥异型钢管短柱包括圆锥异型钢管和上端板，圆锥异型钢管竖直设置，水平的上端板焊接在圆锥异型钢管的上端。

所述圆锥异型钢管为圆台状管件，圆锥异型钢管的外壁和内壁分别记为圆锥形管壁和圆柱形曲面管壁。所述圆锥异型钢管靠近其下端的管段上设置有若干长圆形螺栓孔，长圆形螺栓孔的长轴方向为竖向。

所述半圆弧角钢包括平面板和圆锥形异型板面，平面板呈扇环形，平面板的圆心角为180°。所述圆锥形异型板面为轴线竖直的半圆筒结构，圆锥形异型板面的内壁记为圆锥形异型曲面，圆锥形异型曲面与圆锥形管壁相匹配。

所述平面板的内圆弧侧壁连接到圆锥形异型板面的外侧壁上，平面板的下表面与圆锥形异型板面的下端面齐平。所述圆锥形异型板面上设置有若干圆形螺栓孔。

所述异型软钢环簧包括内异型软钢环簧和外异型软钢环簧。

所述圆锥异型钢管短柱的下端放置在箱型地基的上表面，两个半圆弧角钢的圆锥形异型板面扣合在圆锥异型钢管短柱上，圆锥形异型曲面与圆锥形管壁紧密结合形成楔形摩擦副。每个所述半圆弧角钢的平面板通过若干高强螺栓固定在箱型地基的上表面。

每个所述圆形螺栓孔均对应着一个长圆形螺栓孔，每个圆形螺栓孔的外侧均设置有外异型软钢环簧，每个长圆形螺栓孔的内侧均设置有内异型软钢环簧，高强螺栓从圆锥异型钢管的内部依次穿过内异型软钢环簧、长圆形螺栓孔、圆形螺栓孔和外异型软钢环簧，每个高强螺栓旋入螺母。

所述工字钢柱竖直设置在上端板的上方，工字钢柱下端焊接有水平的下端板，下端板与上端板通过若干高强螺栓连接。

若干所述预应力索的上端固定在下端板上，下端穿过上端板和圆锥异型钢管内部空腔并固定在箱型地基上。

进一步，所述内异型软钢环簧面向圆锥异型钢管轴心的一侧记为平面ⅰ，面向长圆形螺栓孔的一侧记为圆柱形曲面ⅰ，圆柱形曲面ⅰ与圆柱形曲面管壁相匹配，圆柱形曲面ⅰ与圆柱形曲面管壁紧密贴合，平面ⅰ与高强螺栓的螺帽紧密贴合。

所述外异型软钢环簧背离圆形螺栓孔的一侧记为平面ⅱ，面向圆形螺栓孔的一侧记为圆柱形曲面ⅱ，圆柱形曲面ⅱ与圆锥形异型板面的外壁相匹配，圆柱形曲面ⅱ与锥形异型板面的外壁紧密贴合，平面ⅱ与螺母紧密贴合。

基于上述的一种具有可恢复功能的装配式圆锥异型钢管柱脚的组装方法，包括以下步骤：

1)在工厂生产出所述箱型地基、圆锥异型钢管短柱、工字钢柱、半圆弧角钢、预应力索和异型软钢环簧。其中，所述箱型地基包括上翼缘、腹板和下翼缘，上翼缘开设若干螺栓孔ⅰ和预应力索锚固孔ⅰ，圆锥异型钢管开设若干长圆形螺栓孔，上端板开设若干螺栓孔ⅱ和若干预应力索穿插孔，平面板开设若干螺栓孔ⅲ，圆锥形异型板面开设若干圆形螺栓孔，下端板开设若干螺栓孔ⅳ和若干预应力索锚固孔ⅱ。

2)若干高强螺栓从所述圆锥异型钢管内部依次穿过内异型软钢环簧、长圆形螺栓孔、圆形螺栓孔和外异型软钢环簧，每个高强螺栓旋入螺母，将两个半圆弧角钢对称固定在圆锥异型钢管上。

3)通过所述预应力索锚固孔ⅱ将若干预应力索的上端锚固在下端板上，预应力索穿过预应力索穿插孔、圆锥异型钢管并通过预应力索锚固孔ⅰ锚固在上翼缘上。

4)将若干高强螺栓穿过所述螺栓孔ⅲ和螺栓孔ⅰ，再旋入螺母，完成平面板与上翼缘的连接。

5)将若干高强螺栓穿过螺栓孔ⅳ和螺栓孔ⅱ，再旋入螺母，完成下端板与上端板的连接。

本发明的有益效果在于：

1.本发明利用圆锥异型钢管短柱和半圆弧角钢楔形结合面的摩擦耗能，预应力索提供自复位能力，显著减小柱脚的残余变形，减少甚至避免工字钢柱的损伤，震后也可通过更换少量损坏元件快速恢复柱脚的使用功能，实现震后可恢复功能，是可更换结构体系和自复位体系的结合；

2.圆锥异型钢管短柱和半圆弧角钢的楔形结合面形成楔形摩擦副，在圆锥异型钢管短柱设置竖向长圆形螺栓孔实现两者间的相对滑动，随着变形的增加，异型软钢环簧被压缩变形耗散能量，同时也加大了楔形结合面的压力，楔形摩擦副间的摩擦力不断增加，从而提高节点的耗能能力，解决了现有柱脚自复位和耗能能力难以同时兼顾的缺点，实现了耗能能力和自复位的有机平衡，较好地实现基于性能的抗震设计要求；

3.柱脚构件在工厂生产后便可以装配成一个小型连接装置，既可以在工厂里批量化生产和装配，又可以运输到现场随用随装，安装简单方便，装配化程度高，满足现代社会快速建造的需求；

4.整个柱脚连接的构造对称，任意方向的抗震性能一致，可以抵抗任意方向的地震作用，并且在安装的时候无需考虑其方向上的复杂要求，安装简单方便，对安装工人的技术要求低。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的拆分细节图；

图3为箱型地基示意图；

图4为圆锥异型钢管短柱示意图；

图5为图4的b-b剖视图；

图6为工字钢柱示意图；

图7为半圆弧角钢三维图；

图8为半圆弧角钢正视图；

图9为预应力索示意图；

图10为外异型软钢环簧和内异型软钢环簧的示意图；

图11为外异型软钢环簧和内异型软钢环簧的俯视图；

图12为图1的a-a剖视图。

图中：箱型地基1、上翼缘11、腹板12、下翼缘13、螺栓孔ⅰ101、预应力索锚固孔ⅰ102、圆锥异型钢管短柱2、圆锥异型钢管21、圆锥形管壁211、圆柱形曲面管壁212、长圆形螺栓孔213、上端板22、螺栓孔ⅱ202、预应力索穿插孔203、工字钢柱3、下端板31、螺栓孔ⅳ301、预应力索锚固孔ⅱ302、半圆弧角钢4、平面板41、圆锥形异型板面42、圆锥形异型曲面421、圆形螺栓孔422、螺栓孔ⅲ401、预应力索5、内异型软钢环簧61、平面ⅰ6111、圆柱形曲面ⅰ6112、外异型软钢环簧62、平面ⅱ6211和圆柱形曲面ⅱ6212。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例公开了一种具有可恢复功能的装配式圆锥异型钢管柱脚，包括箱型地基1、圆锥异型钢管短柱2、工字钢柱3、半圆弧角钢4、预应力索5和异型软钢环簧。

参见图4，所述圆锥异型钢管短柱2包括圆锥异型钢管21和上端板22，圆锥异型钢管21竖直设置，水平的上端板22焊接在圆锥异型钢管21的上端，焊缝为双面角焊缝。

参见图5，所述圆锥异型钢管21为圆台状管件，圆锥异型钢管21的外壁和内壁分别记为圆锥形管壁211和圆柱形曲面管壁212。所述圆锥异型钢管21靠近其下端的管段上设置有若干长圆形螺栓孔213，长圆形螺栓孔213的长轴方向为竖向。

参见图7或8，所述半圆弧角钢4包括平面板41和圆锥形异型板面42，平面板41呈扇环形，平面板41的圆心角为180°。所述圆锥形异型板面42为轴线竖直的半圆筒结构，圆锥形异型板面42的内壁记为圆锥形异型曲面421，圆锥形异型曲面421与圆锥形管壁211相匹配。

所述平面板41的内圆弧侧壁连接到圆锥形异型板面42的外侧壁上，平面板41的下表面与圆锥形异型板面42的下端面齐平。所述圆锥形异型板面42上设置有若干圆形螺栓孔422。

所述异型软钢环簧包括内异型软钢环簧61和外异型软钢环簧62。

参见2或12，所述圆锥异型钢管短柱2的下端放置在箱型地基1的上表面，两个半圆弧角钢4的圆锥形异型板面42扣合在圆锥异型钢管短柱2上，圆锥形异型曲面421与圆锥形管壁211紧密结合形成楔形摩擦副。每个所述半圆弧角钢4的平面板41通过若干高强螺栓固定在箱型地基1的上表面。

每个所述圆形螺栓孔422均对应着一个长圆形螺栓孔213，每个圆形螺栓孔422的外侧均设置有外异型软钢环簧62，每个长圆形螺栓孔213的内侧均设置有内异型软钢环簧61，高强螺栓从圆锥异型钢管21的内部依次穿过内异型软钢环簧61、长圆形螺栓孔213、圆形螺栓孔422和外异型软钢环簧62，每个高强螺栓旋入螺母。

所述内异型软钢环簧61面向圆锥异型钢管21轴心的一侧记为平面ⅰ6111，面向长圆形螺栓孔213的一侧记为圆柱形曲面ⅰ6112，圆柱形曲面ⅰ6112与圆柱形曲面管壁212相匹配，圆柱形曲面ⅰ6112与圆柱形曲面管壁212紧密贴合，平面ⅰ6111与高强螺栓的螺帽紧密贴合。参见图10中的(2)图和图11中的(2)图，分别为内异型软钢环簧61的三维图和俯视图；

所述外异型软钢环簧62背离圆形螺栓孔422的一侧记为平面ⅱ6211，面向圆形螺栓孔422的一侧记为圆柱形曲面ⅱ6212，圆柱形曲面ⅱ6212与圆锥形异型板面42的外壁相匹配，圆柱形曲面ⅱ6212与锥形异型板面42的外壁紧密贴合，平面ⅱ6211与螺母紧密贴合。参见图10中的(1)图和图11中的(1)图，分别为外异型软钢环簧62的三维图和俯视图；

所述工字钢柱3竖直设置在上端板22的上方，参见图6，工字钢柱3下端焊接有水平的下端板31，下端板31与上端板22通过若干高强螺栓连接。

参见图12，若干所述预应力索5的上端固定在下端板31上，下端穿过上端板22和圆锥异型钢管21内部空腔并固定在箱型地基1上。参见图9，为预应力索5的示意图。

地震发生时，由于连接所述圆锥异型钢管短柱2和半圆弧角钢4的高强螺栓穿过长圆形螺栓孔213，圆锥异型钢管短柱2和半圆弧角钢4在地震作用下进行上下相对移动，圆锥形异型曲面421与圆锥形管壁211形成的楔形摩擦副摩擦力增大，用于消耗地震能量。随地震的持续，所述内异型软钢环簧61和外异型软钢环簧62受压变形耗散能量，同时也加大了楔形摩擦副的压力，使得楔形摩擦副间的摩擦力进一步增加。地震力减弱或停止后，若干所述预应力索5将工字钢柱3和箱型地基1拉回到初始状态，实现柱脚的恢复功能。

实施例2：

本实施例公开了基于实施例1所述的一种具有可恢复功能的装配式圆锥异型钢管柱脚的组装方法，包括以下步骤：

1)在工厂生产出所述箱型地基1、圆锥异型钢管短柱2、工字钢柱3、半圆弧角钢4、预应力索5和异型软钢环簧。其中，参见图3，所述箱型地基1包括上翼缘11、腹板12和下翼缘13，上翼缘11开设若干螺栓孔ⅰ101和预应力索锚固孔ⅰ102，圆锥异型钢管21开设若干长圆形螺栓孔213，上端板22开设若干螺栓孔ⅱ202和若干预应力索穿插孔203，平面板41开设若干螺栓孔ⅲ401，圆锥形异型板面42开设若干圆形螺栓孔422，下端板31开设若干螺栓孔ⅳ301和若干预应力索锚固孔ⅱ302。

2)若干高强螺栓从所述圆锥异型钢管21内部依次穿过内异型软钢环簧61、长圆形螺栓孔213、圆形螺栓孔422和外异型软钢环簧62，每个高强螺栓旋入螺母，将两个半圆弧角钢4对称固定在圆锥异型钢管21上。

3)通过所述预应力索锚固孔ⅱ302将若干预应力索5的上端锚固在下端板31上，预应力索5穿过预应力索穿插孔203、圆锥异型钢管21并通过预应力索锚固孔ⅰ102锚固在上翼缘11上。

4)将若干高强螺栓穿过所述螺栓孔ⅲ401和螺栓孔ⅰ101，再旋入螺母，完成平面板41与上翼缘11的连接。

5)将若干高强螺栓穿过螺栓孔ⅳ301和螺栓孔ⅱ202，再旋入螺母，完成下端板31与上端板22的连接。

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