CN101451379A - 带垫板的平端板连接梁柱节点结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

改进的平端板连接梁柱节点结构，包括：钢框架梁、端板、钢框架柱、垫板，通过高强螺栓将钢框架梁的端板与钢框架柱翼缘固定在一起，该端板与柱翼缘之间还设有垫板。改进的连接梁柱节点的制作方法，包括：(1)将钢框架梁中的翼缘和腹板和端板固定连接在一起；(2)在和梁翼缘同高度的位置将钢框架柱中的加劲肋和柱翼缘及柱腹板固定连接在一起；(3)通过高强螺栓，将端板、垫板和柱翼缘连接在一起，形成带垫板的平端板连接梁柱节点。本发明加入10mm厚度以内的垫板对节点的转动刚度、滞回性能、耗能能力、承载能力和破坏形式没有太大的影响，但是该种节点构造形式却可以极大地方便施工，加快施工进度。

Description

带垫板的平端板连接梁柱节点结构及其制作方法

技术领域

本发明属于建筑领域，涉及一种带垫板的平端板连接梁柱节点。

背景技术

1994年发生在美国的北岭地震和1995年发生在日本兵库县南部的阪神地震表明，采用全焊或栓焊连接的刚性梁柱节点延性较差，容易发生脆性破坏，而半刚性端板连接组合节点具有较好的延性和较高的强度与刚度，当框架结构采用该类节点时，能增加结构的阻尼，延长结构的自振周期，减小震幅，从而降低震害，是抗震设计中的优选节点形式之一。

在施工现场，经常会出现由于加工误差导致的钢框架中的梁长度过长或过短，从而无法安装。如果可以在梁端板与柱翼缘之间加入垫板进行连接，将会减少由于加工误差而引起的经济损失，避免施工时间的延长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便快捷的平端板连接梁柱节点及其施工方法。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

改进的平端板连接梁柱节点结构，包括：钢框架梁、端板、钢框架柱、垫板，通过高强螺栓将钢框架梁的端板与钢框架柱翼缘固定在一起，该端板与柱翼缘之间还设有垫板。

进一步，该端板设置在钢框架梁腹板的一端，梁腹板的两侧还设有梁翼缘。

该柱翼缘设置在钢框架柱腹板的两侧，在柱腹板上梁翼缘的同一水平位置上还设有加劲肋。

该垫板的厚度在10mm以内。

该垫板的数量在2块以内。

上述的改进的连接梁柱节点的制作方法，包括：

(1)将钢框架梁中的翼缘和腹板和端板固定连接在一起；

(2)在和梁翼缘同高度的位置将钢框架柱中的加劲肋和柱翼缘及柱腹板固定连接在一起；

(3)通过高强螺栓，将端板、垫板和柱翼缘连接在一起，形成带垫板的平端板连接梁柱节点。

进一步，该固定连接方式是焊接。

垫板的数量在2块以内，是沿高度方向放置，不是沿厚度方向叠加，厚度方向只有一块垫板。高度方向本来用一块整的垫板也可以，但是考虑到施工加工精度问题，怕8个或6个螺栓孔全都打在一块垫板上，稍有偏差整个板就都装不上去了，所以在高度方向上分成两块垫板，容易安装一些。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：通过对加垫板，无垫板的单调加载与循环加载试件的试验结果比较，可以认为，加入10mm厚度以内的垫板对节点的转动刚度、滞回性能、耗能能力、承载能力和破坏形式没有太大的影响。但是该种节点构造形式却可以极大地方便施工，加快施工进度。

附图说明

图1是本发明实施例所涉及的带垫板的平端板连接梁柱节点一个结构单元的构件布置示意图。

图2是4排螺栓垫板安装示意图。

图3是3排螺栓垫板安装示意图。

图4是试件A-00-0与A-04-0梁柱间转角比较曲线图。

图5是试件A-00-0与A-04-0柱节点域转角比较曲线图。

图6是试件A-04-1弯矩-梁柱间转角曲线图。

图7是试件A-04-1的耗能能力图。

图8是试件A-10-1弯矩-梁柱间转角曲线图。

图9是试件A-10-1最后3次加载的弯矩-柱节点域转角曲线图。

图10是试件A-10-1的耗能能力图。

图11是四排螺栓循环加载试件最后一级加载曲线比较图。

图12是四排螺栓循环加载试件骨架曲线比较图。

图13是试件B-00-0与B-08-0梁柱间转角比较图。

图14是试件B-00-0与B-08-0柱节点域转角比较图。

图15是试件B-08-1弯矩-梁柱间转角曲线图。

图16是试件B-08-1最后两次加载弯矩-柱节点域转角曲线图。

图17是试件B-08-1耗能能力图。

图18是三排螺栓连接循环加载试件最后一级荷载曲线比较图。

图19是试件B-00-1与试件B-08-1骨架曲线比较图。

图中数字符号所代表的组件为：

1—钢框架梁，11—梁翼缘，12—梁腹板；

2—钢框架柱，21—柱翼缘，22—柱腹板，23—柱腹板加劲肋；

3—端板；4—垫板；5—螺栓。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

带垫板的平端板连接梁柱节点，如图1-图3所示，钢框架梁1中间部分为梁腹板12，其一端焊接有端板3，两侧则分别焊有梁翼缘11。钢框架柱2的中间部分为柱腹板22，其两侧焊接有柱翼缘21。由于钢框架梁1与钢框架柱2是垂直相连。因此，在钢框架柱2的腹板22上梁翼缘11所对应的位置分别焊有与梁翼缘11保持同一水平位置的加劲肋23。钢框架梁1的端板3以及钢框架柱的翼缘21通过高强螺栓5固定，并在端板3与翼缘21之间放有垫板4。

梁和柱可以是焊接H型钢截面，也可以是轧制H型钢截面，如果是焊接H型钢截面，则其结构如上所述，如是轧制H型钢截面，则翼缘和腹板之间不是焊接的。

带垫板的平端板连接梁柱节点的制作方法：

(1)将钢框架梁1中的翼缘11和腹板12和端板3用角焊缝焊接在一起；

(2)在和梁翼缘同高度的位置将钢框架柱2中的加劲肋23和柱翼缘21及柱腹板22用角焊缝焊接在一起；

(3)在梁端板、垫板及柱腹板上预先开好螺栓孔；

(4)通过高强螺栓5，将端板3、垫板4和柱翼缘21连接在一起，形成带垫板的平端板连接梁柱节点。

(1)模型设计

平端板连接组合边节点试件取框架中在侧向荷载作用下边节点梁柱反弯点之间的组合体。取上下柱及梁的反弯点之比为1：1。

梁截面采用300×150×6.5×9，柱截面采用200×200×8×12，端板采用300×150×10。柱两端伸出长度各为1.4m，梁伸出长度为1.5m。螺栓采用8.8级M20高强螺栓，预拉力为110kN。垫板的尺寸为147×150×4，150×95×8，150×195×8和147×150×10四种。4mm和10mm板试件采用8螺栓连接，8mm厚垫板试件采用6螺栓连接。试件编号和加载方式见表1。

表1 试件编号和加载方式

Table1 Specimen number and loading mode

 

试件编号	螺栓排数	垫板厚度	试件数量	加载方式
					A-00-0	4	无	1	单调
A-04-0	4	4	1	单调
					A-10-0	4	10	1	单调
B-00-0	3	无	1	单调
					B-08-0	3	8	1	单调
A-00-1	4	无	1	循环
					A-04-1	4	4	1	循环
A-10-1	4	10	1	循环
					B-00-1	3	无	1	循环
B-08-1	3	8	1	循环

根据《建筑抗震设计规范》中对与板件宽厚比的要求：按7度抗震设防烈度时，对于Q345钢，梁翼缘伸出部分 $b_b/t_{\mathrm{bf}}\≤11\sqrt{235/345}=9.08,$ 梁腹板 $h_{b0}/t_{\mathrm{bw}}\≤85\sqrt{235/345},$ 工字形柱翼缘 $b_c/t_{\mathrm{cf}}\≤13\sqrt{235/345}=10.73,$ 柱腹板 $h_{c0}/t_{\mathrm{cw}}\≤52\sqrt{235/345}=42.92.$ 其中b_b和b_c分别代表梁和柱的翼缘伸出部分，t_bf和t_cf分别代表梁和柱翼缘厚度，h_b0和h_c0分别代表梁和柱翼缘的计算高度，t_bw和t_cw分别代表梁和柱的腹板厚度。

本试验中梁截面宽度B_b＝150mm，高度H_b＝300mm，翼缘厚度t_bf＝9mm，腹板厚度t_bw＝6.5mm。梁翼缘宽厚比b_b/t_bf＝7.97≤9.08，腹板宽厚比h_b0/t_bw＝43.4≤85。柱截面宽度B_c＝200mm，高度H_c＝200mm，翼缘厚度t_cf＝12mm，腹板厚度t_cw＝8mm。柱翼缘宽厚比b_c/t_cf＝8≤10.73，腹板宽厚比h_c0/t_cw＝23.5≤42.92。

节点域验算：

当柱节点域厚度不小于梁、柱截面高度之和的1/70时，可不验算节点域的稳定性。

$t_w=8>\frac{176+282}{70}=6.5$

不验算节点域的稳定性。

螺栓抗剪验算：

a.无垫板节点：

单个高强螺栓抗剪设计值

${N_v}^b{=n}_v\×\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}{f_v}^b=78.5\mathrm{KN}$

${N_c}^b=\mathrm{d\Σt}\·{f_c}^b=128\mathrm{KN}$

1.3×0.9n_fμP＝45KN

N^b _Vmin＝45KN

8个螺栓传递的剪力值为

V₁＝8×45＝360KN

b.4mm厚垫板节点：

单个高强螺栓抗剪设计值

${N_v}^b{=n}_v\×\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}{f_v}^b=78.5\mathrm{KN}$

${N_c}^b=\mathrm{d\Σt}\·{f_c}^b=128\mathrm{KN}$

1.3×0.9n_fμP＝45KN

N^b _Vmin＝45KN

8个螺栓传递的剪力值为

V₁＝8×45＝360KN

c.8mm厚垫板节点：

单个高强螺栓抗剪设计值

${N_v}^b{=n}_v\×\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}{f_v}^b=78.5\mathrm{KN}$

${N_c}^b=\mathrm{d\Σt}\·{f_c}^b=128\mathrm{KN}$

1.3×0.9n_fμP＝45KN

N^b _Vmin＝45KN

6个螺栓传递的剪力值为

V₁＝6×45＝270KN

钢梁的全塑性受弯承载力为

M_pb＝522076×315＝164.5KN·m

加载点距离梁1400mm，所需力为164.5/1.4＝117.5KN，截面抗剪能力充足，受弯破坏之前不会发生受剪破坏。

钢材材性试验为单向拉伸试验，主要用来测定钢材的弹性模量E、屈服强度σ_y、屈服应变σ_y、抗拉强度σ_u和伸长率，为分析试验结果和理论计算提供相关依据。由材性试验所得试件中钢材的力学参数见表2。

表2 钢材的材料力学属性

Table2 Material mechanical properties of steel

 

试件厚度	σy(Mpa)	σu(Mpa)	εy(Mpa)	E(Mpa)	伸长率
						4	364.1	636.3	0.4394％	219715	33％
6.5	332.6	490.3	0.7908％	203379	35％
						8	400.7	539.1	0.2560％	176222	33％
9	282.9	460.9	0.2409％	208135	36％
						10	393.4	526.3	0.2543％	203770	26％
12	362.3	536.8	0.3840％	233163	29％
						平均	356.0	531.6	0.3926％	207397

(2)试件结果

(一)四排螺栓单调加载试件之间的比较

试件A-00-0与A-04-0均为4排螺栓连接，区别在于后者加入了两块厚度为4mm的垫板。从弯矩-梁柱间转角曲线来看(如图4所示)，加入垫板后的梁柱间初始转动刚度变大，但在弯矩达到120kN·m后，曲线趋于一致。从弯矩-柱节点域转角曲线(见图5)中可以看到，两条曲线几乎重合，垫板的加入对柱子的影响很小。

(二)四排螺栓循环加载试件之间的比较

4排螺栓循环试件共有3个，分别为A-00-1，A-04-1和A-10-1。其中试件A-00-1为无垫板试件，A-04-1为加入4mm厚垫板的试件，A-10-1为加入10mm厚垫板的试件。

试件A-04-1与试件A-00-1的区别在于该试件柱翼缘与端板之间加入了垫板。该试件最终的破坏形式与A-00-1十分相似，只是刚度退化出现在转角为负的一侧。该试件在最后一级荷载循环两次后，端板开裂已十分严重，梁有脱落的危险，所以试验最后一级荷载循环两次后即终止。从弯矩-梁柱间转角曲线(如图6)中可以看出，在最后两次加载中，试件在转角为负的一侧已经出现了明显的刚度退化现象。与A-00-1相似，在端板开裂后，节点的转动主要由梁柱间的转角引起，而柱节点域的转角会变小。在最后一次加载中，节点的转动几乎全部由端板的转动来完成，柱节点域的转角接近于零。

试件A-04-1在进入屈服后，试件所消耗的能量随着加载等级的增加而增大，呈跳跃式变化(如图7所示)。试件所消耗的能量没有明显的下降，试件端板与梁连接处虽然有裂缝，但并没有完全断裂。

A-10-1试件与A-00-1试件的区别在于A-10-1试件的柱翼缘与端板之间加入了10mm厚的垫板。该试件的破坏形式与A-00-1，A-04-1相似。该试件的弯矩-梁柱间转角曲线(如图8)中可以看到，正负转角两个方向都出现了刚度退化，但远不如前两个试件明显。最后3次加载中，柱节点域的变形也比较稳定(如图9)。

试件A-10-1屈服后，试件所消耗的能量随着加载等级的增大而增大，呈跳跃式变化(如图10)。在梁端位移达到80mm后，第三次循环造成了试件消耗能量的减少，这与这一荷载等级中梁与端板连接处出现裂缝的试验现象相符。在达到下一荷载等级后，该试件并没有出现在其他试件重观察到的明显的消耗能量减少的现象，这可能是由两个因素引起的：①在梁端位移达到120mm后，由于钢柱在制作时存在初始缺陷，这一荷载等级中钢柱腹板出现了局部屈曲现象。②由于钢柱的初始扭转，导致梁端初始位置与其它试件有差别，所以位移荷载最大只能达到120mm，而不是其它试件的135mm。

试件A-00-1、A-04-1与A-10-1这3个试件中，试件A-00-1的端板在弯矩为正的一侧发生破坏，试件A-04-1的端板在弯矩为负的一侧循环加载两次后就已彻底破坏，而试件A-10-1由于最后一级荷载略小于前两个试件，未发生彻底的破坏。在试件A-00-1、A-04-1与A-10-1最后一级荷载的弯矩-梁柱间转角曲线(如图11)中可以看出，A-00-1与A-04-1未发生破坏的一侧在每次加载时路径基本没有变化，而在发生破坏的一侧，每次加载都伴随着转角增大和承载力的下降。A-10-1试件由于未发生破坏，三次加载的曲线基本上吻合，并且与前两个试件未发生破坏一侧的曲线也基本吻合。这说明垫板的加入对于节点接近最终破坏时的整体性能没有太大的影响。

从试件A-00-1，A-04-1，A-10-1的弯矩-梁柱间转角骨架曲线(如图12)来看，三条曲线基本重合。不同的是，A-10-1试件在与前两个试件最终梁端位移相同的情况下，没有出现明显的刚度退化。这时由于该试件制作时存在初始缺陷，梁的初始位置比其他试件略低，梁端位移只能加载到120mm。从该曲线中可以看到，在转角大小不超过0.03rad时，正负转角方向的曲线保持对称。而在转角超过0.03rad之后，同样大小的转角，负转角方向的荷载要大一些。本试验中，规定千斤顶向上推出的方向所产生的转角为负，所以产生这种现象可能的原因有两个：①由于试件预留孔洞与销轴之间存在空隙，所以当梁端位移超过一定数值时，千斤顶需克服构件自重才能使位移继续增加②当梁端位移过大后，千斤顶会产生一个很小的转角，从而使得千斤顶推出时内部产生摩擦力。由于转角为负时千斤顶长度变长，而转角为正时千斤顶长度变小，所以这种影响在千斤顶推出时要大一些，从而导致梁柱间转角超过0.03rad后弯矩-转角曲线不对称。

(三)三排螺栓单调加载试件之间的比较

试件B-00-0与试件B-08-0的区别在于，后者柱翼缘与梁之间加入了厚度为8mm的垫板。从弯矩-梁柱间转角曲线(如图13)来看，二者基本吻合，只是试件B-00-0在转角超过0.04rad后承载力已无法提高，而试件B-08-0则在转角超过0.05rad之后仍可提高，最后由于千斤顶的行程到达极限而停止加载。从弯矩-柱节点域转角曲线(如图14)来看，垫板的加入并没有影响到柱的变形，两条曲线基本重合。

(四)三排螺栓循环加载试件之间的比较

3排螺栓的循环加载试件共有2个，其中B-00-1试件为无垫板试件，B-08-1试件为柱翼缘与梁端板之间加入8mm厚垫板试件。从试件B-08-1的弯矩-梁柱间转角曲线(如图15)来看，在转角为正的一侧出现了明显的刚度退化。最后两次加载在梁端位移相同的情况下，如图16，梁柱间转角加大，而柱节点域转角变小。

从试件B-08-1所消耗的能量变化图(如图17)中可以看出，在试件屈服后，试件所消耗的能量随着加载等级的增大而增大，呈跳跃式变化。在梁端位移达到130mm后，第二次循环造成了明显的试件消耗能量的减少，说明在这一级加载中，试件的破坏比较严重。

从试件B-00-1和B-08-1最后一级加载的弯矩-梁柱间转角曲线(如图18)中可以看出，试件B-00-1在最后一级加载第一次循环中就已经破坏，试件B-08-1在最后一级加载第二次循环后彻底破坏。从图中可以看出，试件B-00-1与试件B-08-1在最后一级加载中弯矩-梁柱间转角曲线基本吻合，这说明垫板的加入对节点接近破坏时的整体性能没有太大的影响。

从试件B-00-1和试件B-08-1的弯矩-梁柱间转角骨架曲线(如图19)来看，二者在转角为正的一侧基本完全重合，而在转角为负的一侧，试件B-00-1的刚度要略大些。

(3)结论

通过对加垫板，无垫板的单调加载与循环加载试件的试验结果比较，可以认为，加入10mm厚度以内的垫板对节点的转动刚度、滞回性能、耗能能力、承载能力和破坏形式没有太大的影响。

Claims (7)

1、改进的平端板连接梁柱节点结构，包括：钢框架梁、端板、钢框架柱、垫板，其特征在于：通过高强螺栓将钢框架梁的端板与钢框架柱翼缘固定在一起，该端板与柱翼缘之间还设有垫板。

2、如权利要求1所述的改进的平端板连接梁柱节点，其特征在于：该端板设置在钢框架梁腹板的一端，梁腹板的两侧还设有梁翼缘。

3、如权利要求1所述的改进的平端板连接梁柱节点，其特征在于：该柱翼缘设置在钢框架柱腹板的两侧，在柱腹板上梁翼缘的同一水平位置上还设有加劲肋。

4、如权利要求1所述的改进的平端板连接梁柱节点，其特征在于：该垫板的厚度在10mm以内。

5、如权利要求1所述的改进的平端板连接梁柱节点，其特征在于：该垫板的数量在2块以内。

6、权利要求1至5中任一所述的改进的连接梁柱节点的制作方法，其特征在于：包括：

(1)将钢框架梁中的翼缘和腹板和端板固定连接在一起；

(2)在和梁翼缘同高度的位置将钢框架柱中的加劲肋和柱翼缘及柱腹板固定连接在一起；

(3)通过高强螺栓，将端板、垫板和柱翼缘连接在一起，形成带垫板的平端板连接梁柱节点。

7、如权利要求6所述的改进的连接梁柱节点的制作方法，其特征在于：该固定连接方式是焊接。

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