CN102363978B

CN102363978B - 通过短t型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其连接方法

Info

Publication number: CN102363978B
Application number: CN201110359918.1A
Authority: CN
Inventors: 黄冀卓; 陈宝春
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: CN102363978A

Abstract

本发明涉及一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点，包括两短T型钢、钢柱以及其端部垂直连接在钢柱翼缘板上的H型钢梁，所述短T型钢腹板与H型钢梁翼缘板相连接，所述短T型钢翼缘板与钢柱翼缘板相连接，其特征在于：还包括翼缘钢垫板，所述翼缘钢垫板经摩擦型高强度螺栓将短T型钢腹板与H型钢梁翼缘板连接起来，所述短T型钢翼缘板经摩擦型高强度螺栓与钢柱翼缘板相连接，所述短T型钢腹板上的螺栓孔为长圆孔。本发明还涉及一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点的连接方法。本发明的钢结构梁柱节点具有很强的延性变形能力和良好的耗能能力，可防止罕遇地震作用下钢梁或钢柱在节点区发生脆性破坏。

Description

通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其连接方法

技术领域

本发明涉及一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其连接方法，属于土木建筑技术领域。

背景技术

良好的延性是保证结构在强震作用下不发生倒塌破坏的关键因素，而节点的延性是影响结构整体延性的一个关键因素。在1994年美国的Northridge（北岭）地震之前，栓焊连接（翼缘板焊接、腹板螺栓连接）是钢框架结构梁柱连接节点普遍采用的形式。然而在1994年美国的Northridge（北岭）地震和1995 年日本的阪神地震中，曾经被认为具有良好抗震性能的钢框架发生了不少的破坏，其中绝大多数破坏为梁柱栓焊连接节点处的脆性断裂（即焊接部位发生脆性破坏）。

为了提高连接节点的延性，震后美国、日本等国家对钢框架梁柱连接节点的抗震性能以及延性性能等开展了大量的研究工作，提出了多种改进的新型节点形式。这类新型节点的研究思路基本一致，都是将钢梁端部塑性铰外移到距柱面一定距离的梁上，从而避免节点发生脆性破坏，达到“强节点弱构件”的抗震设计原则。根据塑性铰外移形式的不同可将其分为两大类：一类是削弱型节点，如狗骨式节点（在梁的上下翼缘板靠近节点处进行截面削弱）和钢梁根部腹板开孔型节点；另一类为加强型节点，如加腋型节点、扩翼型节点、盖板式节点等。然而根据已有研究结果表明：削弱型节点在一定程度上使得梁承载力有所降低，而且梁柱翼缘板根部的连接焊缝仍然是削弱型节点的薄弱位置，焊缝质量直接影响到节点延性的充分发挥；而加强型节点由于会在原有焊接节点区域内增加板件的焊缝，从而导致连接部位残余应力情况变得更为严重，特别是当焊缝质量不高时，有可能非但不能提高节点的延性、而且还会加剧节点发生脆性破坏（王燕,郁有升,王悦,刘秀丽. 钢框架翼缘板削弱型和扩翼型节点受力性能研究. 力学与实践, 2010. 32(1): 46-53. [2] 郁有升,王燕.钢框架梁翼缘板削弱型节点力学性能的试验研究[J]. 工程力学, 2009. 26(2): 168-175. [3] , 杨娜, 杨庆山. 翼缘板削弱型钢框架梁柱节点的性能研究综述[J]. 工程力学, 2004, 21(1): 61-66.）。此外，上述塑性铰外移型节点还存在震后维修困难或维修费用昂贵等缺点（由于此时钢梁已发生了严重的变形）。

利用摩擦型高强螺栓在长圆螺栓孔中的摩擦滑动提高节点延性是一种全新的研究思路。同济大学马人乐教授等人（马人乐,杨阳,陈桥生等.长圆孔变型性高强螺栓节点抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2009, 30(1):101-106）将该思路应用于带悬臂梁段的钢结构梁柱刚接节点的钢梁拼接处，并申请了相关的专利（专利号：200820150748.X，200810040509.3）。该节点的长圆孔设置在钢梁翼缘板和腹板的拼接处，而钢梁根部与钢柱的连接依然是采用焊缝连接，因此在罕遇地震作用下，当钢梁拼接处的转动范围超出其极限转动能力时，仍有可能会引起钢梁根部和钢柱的焊接脆性破坏。

针对高烈度设防地震区，本申请人已申请且获得授权的专利（专利号：201020181041.2，201010164386.1）公开了一种新型的易修复钢结构梁柱节点，该专利可以较好地解决传统梁柱连接节点延性不足、易发生脆性破坏的问题，在震后也容易修复；但是该易修复钢结构梁柱节点还只是半刚性连接，其延性和耗能能力还可以进一步提高。故有必要在半刚性螺栓连接的基础上发明一种具备更好的延性变形能力和耗能能力的钢结构梁柱节点。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其连接方法，该扩孔型钢结构梁柱节点具备很强的延性变形能力和良好的耗能能力，可防止罕遇地震作用下钢梁或钢柱在节点区发生脆性破坏。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点，包括钢柱和其端部垂直连接在钢柱翼缘板上的H型钢梁，所述H型钢梁的上下两翼缘板分别经两短T型钢与钢柱翼缘板相连接，所述短T型钢腹板与H型钢梁翼缘板相连接，所述短T型钢翼缘板与钢柱翼缘板相连接，其特征在于：还包括翼缘钢垫板，所述翼缘钢垫板经摩擦型高强度螺栓将短T型钢腹板与H型钢梁翼缘板连接起来，所述短T型钢翼缘板经摩擦型高强度螺栓与钢柱翼缘板相连接，所述短T型钢腹板上的螺栓孔为长圆孔。

进一步地，所述钢柱内在短T型钢腹板的对应位置处设置有与短T型钢腹板等厚且中轴线对准的水平加劲肋，所述水平加劲肋与钢柱翼缘板和腹板之间采用坡口全熔透焊缝焊接。

进一步地，当钢梁端部剪力较大时，该钢结构梁柱节点还包括角钢和腹板钢垫板，所述腹板钢垫板经摩擦型高强度螺栓将角钢的一分肢与H型钢梁腹板连接起来，所述角钢的另一分肢经摩擦型高强度螺栓与钢柱翼缘板相连接，所述角钢与H型钢梁腹板相连接的分肢上螺栓孔为长圆孔；所述H型钢梁腹板与角钢相连接的螺栓孔远离H型钢梁腹板的中轴线且沿H型钢梁腹板的上下边缘单排设置。

进一步地，所述长圆孔的扩孔方向与H型钢梁的纵向中轴线相平行，所述长圆孔的中轴线与相应摩擦型高强度螺栓的中轴线相重合。

进一步地，所述钢柱为H型钢柱、箱型钢柱或十字形钢柱。

同时，本发明还提供一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点的连接方法，其特征在于，包括钢柱、H型钢梁、短T型钢、水平加劲肋、翼缘钢垫板和摩擦型高强度螺栓，并按以下步骤进行：（1）在竖直的钢柱翼缘板上确定上下两短T型钢的连接位置，并在钢柱内的相应位置处设置水平加劲肋；（2）在已确定的连接位置上，分别通过摩擦型高强度螺栓将两短T型钢翼缘板与钢柱翼缘板连接起来；（3）将H型钢梁的端部横插入两短T型钢之间，分别通过摩擦型高强度螺栓和翼缘钢垫板将两短T型钢腹板与H型钢梁的上下两翼缘板连接起来，在连接过程中摩擦型高强度螺栓的中轴线与短T型钢腹板上长圆孔的中轴线保持重合。

进一步地，在步骤（1）中：所述水平加劲肋与钢柱翼缘板和腹板之间宜采用坡口全熔透焊缝焊接，所述水平加劲肋的中轴线与短T型钢腹板的中轴线对准。

进一步地，当钢梁端部剪力较大时，该钢结构梁柱节点的连接方法还包括步骤（4）：在H型钢梁腹板与钢柱翼缘板的交界处增设角钢，所述角钢的一分肢经摩擦型高强度螺栓和腹板钢垫板与H型钢梁腹板相连接，所述角钢的另一分肢经摩擦型高强度螺栓与钢柱翼缘板相连接，所述角钢与H型钢梁腹板相连接的分肢上螺栓孔为长圆孔。

进一步地，在步骤（4）中，所述H型钢梁腹板与角钢相连接的螺栓孔远离H型钢梁腹板的中轴线且沿H型钢梁腹板的上下边缘单排设置，所述角钢上长圆孔的中轴线与相应摩擦型高强度螺栓的中轴线保持重合。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：（1）该钢结构梁柱节点不但可以通过H型钢梁上、下翼缘板（及腹板）上的摩擦型高强度螺栓在长圆螺栓孔中的摩擦滑动进行变形和耗能，而且还可以通过与H型钢梁翼缘板相连接的短T型钢、与H型钢梁腹板相连接的角钢等连接部件的变形进一步提高节点的延性变形能力和耗能能力，因此该钢结构梁柱节点在罕遇地震作用下具有很强的延性变形能力和良好的耗能能力；（2）该钢结构梁柱节点采用短T型钢连接，该短T型钢腹板所承受的来自于梁端弯矩的拉力分别由对称分布于短T型钢腹板两侧的短T型钢翼缘板连接高强度螺栓承担，且短T型钢的翼缘板厚度一般都大于其腹板厚度，因此在梁端弯矩作用下短T型钢翼缘板的变形较小，节点的初始刚度比较大；此外，由于短T型钢的可选规格较多、范围也比较广，因此该新型钢结构梁柱节点可适用于大多数的钢结构梁柱连接，特别是对初始刚度要求较高的梁柱连接节点；（3）由于该钢结构梁柱节点在梁柱构件上均未出现连接焊缝，因此也就避免了罕遇地震作用下钢梁或钢柱在焊接部位发生脆性破坏的可能；（4）该钢结构梁柱节点还具有施工方便且震后修复工作简单快捷且修复成本低廉等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的构造示意图。

图2为图1中的I-I剖视示意图。

图3为图1中的II-II剖视示意图。

图4为图1中的III-III剖视示意图。

图5为由常规螺栓圆孔扩成长圆孔的扩孔示意图。

图中：1-钢柱，2-H型钢梁，3-短T型钢，4-翼缘钢垫板，5-角钢，6-腹板钢垫板，7-摩擦型高强度螺栓，8-水平加劲肋，9-常规螺栓圆孔，10-长圆孔。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

参考图1~5，一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点，包括钢柱1和其端部垂直连接在钢柱1翼缘板上的H型钢梁2，所述H型钢梁2的上下两翼缘板分别经两短T型钢3与钢柱1翼缘板相连接，所述短T型钢3腹板与H型钢梁2翼缘板相连接，所述短T型钢3翼缘板与钢柱1翼缘板相连接；还包括翼缘钢垫板4，所述翼缘钢垫板4经摩擦型高强度螺栓7将短T型钢3腹板与H型钢梁2翼缘板连接起来，所述短T型钢3翼缘板经摩擦型高强度螺栓7与钢柱1翼缘板相连接；所述短T型钢3翼缘板上的螺栓孔为常规螺栓圆孔9，所述短T型钢3腹板上的螺栓孔为长圆孔10。

在本实施例中，所述钢柱1内在短T型钢3腹板的对应位置处设置有与短T型钢3腹板等厚且中轴线对准的水平加劲肋8，所述水平加劲肋8与钢柱1翼缘板和腹板之间采用坡口全熔透焊缝焊接，但不局限于此，当然还可以采用其他焊接方式。

在本实施例中，当钢梁端部剪力较大时，该钢结构梁柱节点还包括角钢5和腹板钢垫板6，所述角钢5为单角钢，当然也可以是双角钢，所述腹板钢垫板6经摩擦型高强度螺栓7将角钢5的一分肢与H型钢梁2腹板连接起来，所述角钢5的另一分肢经摩擦型高强度螺栓7与钢柱1翼缘板相连接，所述角钢5与H型钢梁2腹板相连接的分肢上螺栓孔为长圆孔10；所述H型钢梁2腹板与角钢5相连接的螺栓孔远离H型钢梁2腹板的中轴线且沿H型钢梁2腹板的上下边缘单排设置。

在本实施例中，所述长圆孔10的扩孔方向（即由圆孔扩成长圆孔的方向）与H型钢梁2的纵向中轴线（即H型钢梁长度的延伸方向）相平行，所述长圆孔10的中轴线与相应摩擦型高强度螺栓7的中轴线相重合，可保证H型钢梁2具有最大的滑移空间；参考图5，将半径为R的常规螺栓圆孔（a）扩成长度为（2R+d）的长圆孔（b）。

在本实施例中，所述钢柱为H型钢柱，当然钢柱还可以是箱型钢柱或十字形钢柱等其他截面钢柱。

参考图1~5，本发明还提供一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点的连接方法，包括钢柱1、H型钢梁2、短T型钢3、水平加劲肋8、翼缘钢垫板4和摩擦型高强度螺栓7，并按以下步骤进行：（1）在竖直的钢柱1翼缘板上确定上下两短T型钢3的连接位置，并在钢柱1内的相应位置处设置水平加劲肋8，所述水平加劲肋8与钢柱1翼缘板和腹板之间宜采用坡口全熔透焊缝焊接，所述水平加劲肋8的中轴线与短T型钢3腹板的中轴线对准，上述有关水平加劲肋8的焊接工艺一般宜在工厂进行；（2）在已确定的连接位置上，分别通过摩擦型高强度螺栓7将两短T型钢3翼缘板与钢柱1翼缘板连接起来；（3）将H型钢梁2的端部横插入两短T型钢3之间，分别通过摩擦型高强度螺栓7和翼缘钢垫板4将两短T型钢3腹板与H型钢梁2的上下两翼缘板连接起来，在连接过程中摩擦型高强度螺栓7的中轴线与短T型钢3腹板上长圆孔10的中轴线保持重合；（4）当H型钢梁端部剪力较大时，在H型钢梁2腹板与钢柱1翼缘板的交界处增设角钢5，所述角钢5的一分肢经摩擦型高强度螺栓7和腹板钢垫板6与H型钢梁2腹板相连接，所述角钢5的另一分肢经摩擦型高强度螺栓7与钢柱1翼缘板相连接，所述角钢5与H型钢梁2腹板相连接的分肢上螺栓孔为长圆孔10。

在本实施例中，在步骤（4）中，所述H型钢梁2腹板与角钢5相连接的螺栓孔远离H型钢梁2腹板的中轴线且沿H型钢梁2腹板的上下边缘单排设置，所述角钢5上长圆孔10的中轴线与相应摩擦型高强度螺栓7的中轴线保持重合；所述角钢5为单角钢，在H型钢梁2上下两翼缘板连接完成后进行H型钢梁2腹板的单角钢连接，开有常规螺栓圆孔9的单角钢分肢通过摩擦型高强度螺栓7与钢柱1翼缘板连接，而开有长圆孔10的另一单角钢分肢则与H型钢梁2腹板通过摩擦型高强度螺栓7和腹板钢垫板6进行连接。当H型钢梁2腹板采用单角钢连接无法满足传递剪力的要求时，可改为双角钢连接，其连接方法与单角钢情形相同。

在本实施例中，所述钢柱为H型钢柱，当然钢柱还可以是箱型钢柱或十字形钢柱等其他截面钢柱，其连接方法与H型钢柱一样。

本发明通过短T型钢连接的钢结构梁柱节点的设计原则如下。

第一阶段：在常规设计荷载（包括地震荷载、风荷载等）作用下，按最不利荷载组合设计值进行设计。该阶段必须保证H型钢梁上的摩擦型高强度螺栓不发生滑移；短T型钢和角钢处于弹性状态；钢柱上的摩擦型高强度螺栓不超过承载力设计值。

第二阶段：按基于极限强度最小值的连接最大承载力进行验算，弯矩设计值取1.2Mp（Mp为钢梁的全塑性弯矩值），剪力设计值取1.3(2Mp/l)（l为钢梁的净跨度）。该阶段允许H型钢梁上的摩擦型高强度螺栓发生滑移并且与孔壁接触，但必须保证摩擦型高强度螺栓或孔壁接触处的板件不发生破坏；允许短T型钢和角钢进入弹塑性或塑性状态，但不允许发生破坏；保证钢柱上的摩擦型高强度螺栓不发生破坏。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点，包括钢柱和其端部垂直连接在钢柱翼缘板上的H型钢梁，所述H型钢梁的上下两翼缘板分别经两短T型钢与钢柱翼缘板相连接，所述短T型钢腹板与H型钢梁翼缘板相连接，所述短T型钢翼缘板与钢柱翼缘板相连接，其特征在于：所述钢柱内在短T型钢腹板的对应位置处设置有与短T型钢腹板等厚且中轴线对准的水平加劲肋，所述水平加劲肋与钢柱翼缘板和腹板之间采用坡口全熔透焊缝焊接；还包括翼缘钢垫板，所述翼缘钢垫板经摩擦型高强度螺栓将短T型钢腹板与H型钢梁翼缘板连接起来，所述短T型钢翼缘板经摩擦型高强度螺栓与钢柱翼缘板相连接，所述短T型钢腹板上的螺栓孔为长圆孔；还包括角钢和腹板钢垫板，所述腹板钢垫板经摩擦型高强度螺栓将角钢的一分肢与H型钢梁腹板连接起来，所述H型钢梁腹板与角钢相连接的螺栓孔远离H型钢梁腹板的中轴线且沿H型钢梁腹板的上下边缘单排设置，所述角钢的另一分肢经摩擦型高强度螺栓与钢柱翼缘板相连接，所述角钢与H型钢梁腹板相连接的分肢上螺栓孔为长圆孔；所述长圆孔的扩孔方向与H型钢梁的纵向中轴线相平行，所述长圆孔的中轴线与相应摩擦型高强度螺栓的中轴线相重合。

2.根据权利要求1所述的通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点，其特征在于：所述钢柱为H型钢柱、箱型钢柱或十字形钢柱。

3.一种通过短T型钢连接的扩孔型钢结构梁柱节点的连接方法，其特征在于，包括钢柱、H型钢梁、短T型钢、水平加劲肋、翼缘钢垫板和摩擦型高强度螺栓，并按以下步骤进行：（1）在竖直的钢柱翼缘板上确定上下两短T型钢的连接位置，并在钢柱内的相应位置处设置水平加劲肋；所述水平加劲肋与钢柱翼缘板和腹板之间宜采用坡口全熔透焊缝焊接，所述水平加劲肋的中轴线与短T型钢腹板的中轴线对准；（2）在已确定的连接位置上，分别通过摩擦型高强度螺栓将两短T型钢翼缘板与钢柱翼缘板连接起来；（3）将H型钢梁的端部横插入两短T型钢之间，分别通过摩擦型高强度螺栓和翼缘钢垫板将两短T型钢腹板与H型钢梁的上下两翼缘板连接起来，在连接过程中摩擦型高强度螺栓的中轴线与短T型钢腹板上长圆孔的中轴线保持重合；（4）在H型钢梁腹板与钢柱翼缘板的交界处增设角钢，所述角钢的一分肢经摩擦型高强度螺栓和腹板钢垫板与H型钢梁腹板相连接，所述角钢的另一分肢经摩擦型高强度螺栓与钢柱翼缘板相连接，所述角钢与H型钢梁腹板相连接的分肢上螺栓孔为长圆孔；所述H型钢梁腹板与角钢相连接的螺栓孔远离H型钢梁腹板的中轴线且沿H型钢梁腹板的上下边缘单排设置，所述角钢上长圆孔的中轴线与相应摩擦型高强度螺栓的中轴线保持重合。