一种带双重可更换耗能连接钢柱脚结构及其设计方法

本发明属于建筑工程和结构工程领域，具体涉及一种带双重可更换耗能连接钢柱脚结构及其设计方法。

背景技术：

1、频繁地震会造成建筑物的损坏，随着全球经济的发展和城镇化的加快，建筑行业的技术和理念的日益革新，建筑结构在震后的可恢复功能逐渐成为当前研究的热点。为解决建筑结构在遭受地震作用后难以修复的问题，国内外学者提出了可恢复功能结构，可恢复功能结构是指震后不需修复或稍加修复即可恢复其使用功能的结构。

2、目前主要通过可更换结构、自复位结构和摇摆结构三种方式进行实现?？筛唤峁故侵冈诮ㄖ峁乖谠庥龅卣鹱饔煤笫顾鹕思锌刂圃谀承┛筛坏暮哪懿考?，进而有效控制结构的响应和损伤，震后仅需更换受损耗能构件即可完成结构功能的快速恢复?？蚣芙峁故墙ㄖ峁褂τ米罟惴旱慕峁剐问街?，针对框架结构的震后功能可恢复的研究非常广泛?？蚣芙峁乖谠庥龅卣鹱饔檬甭恪扒恐趿骸钡那?，当梁柱节点作为第一道抗震防线出现塑性铰后，由于底层柱柱底弯矩明显大于柱顶弯矩，底层柱脚因其较大的弯矩分布将同样不可避免出现塑性铰，故可将可更换耗能构件设置在底层柱脚位置，使底层柱损伤可控，进而实现功能的快速恢复。

3、目前，国内外学者对钢柱脚的可更换构件研究多集中于在柱脚与基础界面接触上释放位移，并设置相应的耗能构件对其进行消能减震，从而实现结构的功能可恢复，但设置的耗能形式单一，单一耗能构件的失效时，会导致整个结构力学性能和抗震性能的显著降低，且由于将柱脚与基础交界面作为撬动面，基础表面混凝土极易被压溃，对基础表面混凝土造成破坏，不利于结构震后功能恢复，且对钢柱的抗震性能有较大影响。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种带双重可更换耗能连接钢柱脚结构及其设计方法，通过转移撬动面来?；せ『椭魈褰峁狗乐垢种谇硕嫔系目隙曰”砻婊炷猎斐善苹?；通过设置双重可更换耗能构件来提高钢柱的安全冗余度和抗震性能，防止单一耗能构件失效导致整体结构力学性能和抗震性能发生显著降低的现象；更换受损耗能构件可恢复结构功能，实现地震作用下结构性能的可控制、可恢复性。

2、本发明是通过下述技术方案来实现的。

3、根据本发明的一个方面，提供了一种带双重可更换耗能连接钢柱脚结构，包括钢柱、钢柱脚、双重可更换耗能构件和地梁；钢柱通过双重可更换耗能构件连接在钢柱脚上，钢柱脚通过高强螺栓杆连接在地梁上；

4、所述双重可更换耗能构件包括：

5、耗能钢板，用于连接钢柱底部两侧面和钢柱脚平台连接板，将撬动面从地梁顶面迁移至钢柱脚平台连接板处，防止钢柱在撬动面上的开合对基础表面混凝土产生破坏，耗能钢板优先耗散输入结构的地震能量；

6、耗能钢棒，用于连接钢柱与钢柱脚，在耗能钢板产生塑性变形时，耗能钢棒仍处于弹性状态。

7、作为优选，所述耗能钢板为l形板，耗能钢板侧部与钢柱之间垫有垫板，通过高强螺栓将耗能钢板和垫板与钢柱连接在一起，耗能钢板底部通过高强螺栓连接在钢柱脚的平台连接板上。

8、作为优选，钢柱翼缘上通过高强螺栓连接有防屈曲盖板，且防屈曲盖板不与耗能钢板连接。

9、作为优选，在钢柱上部和下部分别设有第一横向加劲肋和第二横向加劲肋，在第二横向加劲肋上方设有支撑板，支撑板下方设有第一短加劲肋，第二横向加劲肋与钢柱底板之间设有第二短加劲肋。

10、作为优选，耗能钢棒两端有套丝，耗能钢棒穿过预留孔洞通过两端小垫板和高强螺帽一端连接在钢柱的支撑板上，另一端连接在钢柱脚的平台连接板上。

11、作为优选，所述钢柱脚顶部设有平台连接板，侧部焊有纵向加劲肋，钢柱脚翼缘上焊有靴梁，靴梁上焊有靴梁加劲肋。

12、作为优选，平台连接板的下方设有支撑板，支撑板与平台连接板之间设有短加劲肋。

13、作为优选，钢柱脚高度高于靴梁的高度。

14、根据本发明的另一个方面，提供了一种所述的带双重可更换耗能连接钢柱脚结构的设计方法，包括：

15、根据钢柱所需抵抗的最大弯矩和轴力确定钢柱截面尺寸和双重可更换耗能构件的结构参数和材料强度；

16、模拟实际地震作用时的受力状态，在钢柱柱顶施加轴向力和水平力，根据钢柱转动一定角度时受拉侧耗能钢板刚屈服时的状态，得到耗能钢板和耗能钢棒对撬动点产生的抵抗弯矩；进而得到耗能钢棒和耗能钢板在钢柱转动角度后的轴向拉伸量；

17、根据耗能钢棒和耗能钢板在钢柱转动角度后的轴向拉伸量，计算得到双重可更换耗能构件的耗能钢板和耗能钢棒的弹性屈服荷载；

18、根据耗能钢板和耗能钢棒的弹性屈服荷载，得到耗能钢板和耗能钢棒刚达到屈服时的位移角；

19、根据耗能钢板和耗能钢棒刚达到屈服时的位移角，调整钢柱截面尺寸和耗能钢板和耗能钢棒的结构参数。

20、作为优选，得到耗能钢板和耗能钢棒刚达到屈服时的位移角，包括：

21、(a)在钢柱柱顶施加轴向力和水平力，根据钢柱转动θ角时受拉侧耗能钢板刚屈服时的状态，得到耗能钢板和耗能钢棒对撬动点产生的抵抗弯矩；

22、(b)进而到得到耗能钢棒在钢柱转动角度后的轴向拉伸量和耗能钢板在钢柱转动角度后的轴向压缩量；

23、(c)根据耗能钢板耗能段和过渡段的长度、耗能钢板在钢柱转动角度后的轴向拉伸量和耗能钢棒在钢柱转动角度后的轴向拉伸量，分别得到耗能钢板和耗能钢棒受轴向拉力时达到屈服荷载时的屈服应变，由此得到耗能钢板和耗能钢棒的弹性屈服荷载；

24、(d)根据耗能钢板初始的弹性模量，耗能钢板和耗能钢棒的弹性屈服荷载，得到耗能钢板和耗能钢棒刚达到屈服时的位移角。

25、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

26、本带双重可更换耗能连接钢柱脚结构中通过将撬动面上移避免了对基础表面混凝土造成破坏，?；ち嘶『椭魈褰峁?。并设置双重可更换耗能构件提高钢柱的安全冗余度和抗震性能，对耗能钢板受压易屈曲导致耗能不充分问题进行了解决，通过附加盖板约束耗能钢板的面外屈曲使其能够充分发挥材料作用；由于双重可更换耗能构件布置位置、材料强度和构件尺寸不同，耗能钢板会先于耗能钢棒屈服，使结构在不同等级的地震作用下分阶段耗能；并且震后损伤集中在可更换耗能构件上，主体结构无损伤或轻微损伤，可以通过更换耗能构件使整体结构的功能快速恢复。

27、该结构有以下优点：

28、1.上移撬动面位置，避免了撬动面的开合对基础表面混凝土造成破坏，?；ち嘶『椭魈褰峁?。

29、2.对耗能钢板受压易屈曲导致耗能不充分问题进行了解决，通过附加盖板约束耗能钢板的面外屈曲使其能够充分发挥材料作用。

30、3.设置双重可更换耗能构件提高钢柱的安全冗余度和抗震性能，双重可更换耗能构件由耗能钢板和耗能钢棒组成，由于双重可更换耗能构件布置位置、材料强度和构件尺寸不同，耗能钢板会先于耗能钢棒屈服，使结构能够在不同等级的地震作用下分阶段耗能。

31、4.结构在遭遇地震作用时，能够实现塑性损伤都集中在双重可更换耗能构件，震后能够通过更换受损耗能构件实现结构功能的快速恢复。