CN102444211B - 一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其施工方法，包括钢柱和H型钢梁，其特征在于：所述钢柱翼缘经摩擦型高强度螺栓与端板相连接，所述端板经钢梁腹板连接板与钢梁腹板相连接，所述端板经钢梁翼缘连接板与上、下两钢梁翼缘相连接，所述钢梁腹板连接板与钢梁翼缘连接板经坡口全熔透焊缝焊接在端板上，所述钢梁腹板连接板与钢梁翼缘连接板均开设有长圆孔，所述钢梁腹板连接板和钢梁翼缘连接板分别经摩擦型高强度螺栓与钢梁腹板和钢梁翼缘相连接，所述钢柱翼缘位于端板底部设置有抗剪的托板，本发明可显著提高节点在罕遇地震作用下的延性变形能力和耗能能力，同时具有施工方便且震后易修复等优点。

Description

一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其施工方法

技术领域

本发明涉及土木建筑技术领域，尤其是一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其施工方法。

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（如图1所示），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。

为了弥补目前已有钢结构梁柱节点的不足，本发明提出了一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其施工方法。

发明内容

为了进一步提高钢结构节点的延性，同时避免在钢梁或钢柱上发生焊接脆性破坏的可能，本发明提供了一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点及其施工方法。

本发明的特征在于：一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点，包括钢柱和H型钢梁，其特征在于：所述钢柱翼缘经摩擦型高强度螺栓与端板相连接，所述端板经钢梁腹板连接板与钢梁腹板相连接，所述端板经钢梁翼缘连接板与上、下两钢梁翼缘相连接，所述钢梁腹板连接板与钢梁翼缘连接板经坡口全熔透焊缝焊接在端板上，所述钢梁腹板连接板与钢梁翼缘连接板均开设有长圆孔，所述钢梁腹板连接板经钢梁腹板钢垫板和摩擦型高强度螺栓与钢梁腹板相连接，所述钢梁翼缘连接板经钢梁翼缘钢垫板和摩擦型高强度螺栓与钢梁翼缘相连接，所述长圆孔的扩孔方向均与钢梁纵向中轴线平行，所述长圆孔的中轴线与所用摩擦型高强度螺栓的中轴线相重合，所述钢柱翼缘位于端板底部设置有抗剪的托板，所述托板与端板的接触面刨平顶紧，且经三面围焊的角焊缝与钢柱翼缘相连接以使梁端剪力由托板周边的角焊缝承担，所述钢柱内设置有水平加劲肋，所述水平加劲肋与钢梁翼缘连接板处于同一水平面上且厚度相同，所述水平加劲肋与钢柱翼缘、钢柱腹板之间采用坡口全熔透焊缝焊接。

进一步地，用于连接钢梁腹板连接板与钢梁腹板的摩擦型高强度螺栓设置在远离钢梁腹板纵向中轴线的位置上，所述摩擦型高强度螺栓沿钢梁腹板的上边缘和下边缘分别单排设置。

本发明的另一特征在于：一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点的施工方法，其特征在于：

（一）在钢柱上确定钢梁翼缘连接板的连接位置，并在钢柱内设置有水平加劲肋，水平加劲肋与钢柱翼缘和钢柱腹板之间采用坡口全熔透焊缝焊接，水平加劲肋的中轴线应与钢梁翼缘连接板的中轴线对准以确保水平加劲肋与钢梁翼缘连接板处于同一水平面上，同时确定托板位置，并采用三面角焊缝与钢柱翼缘进行焊接，上述焊接工艺在工厂进行；

（二）在工厂，采用坡口全熔透焊缝将开有长圆孔的钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板预先焊接在端板的相应位置上，形成一个连接体；

（三）将端板底部与托板顶紧，并通过摩擦型高强度螺栓将焊接成形的连接体与钢柱翼缘连接；

（四）将钢梁放入连接体中，并通过摩擦型高强度螺栓、钢梁翼缘钢垫板、钢梁腹板钢垫板分别将钢梁翼缘、钢梁腹板与钢梁翼缘连接板、钢梁腹板连接板进行连接，在连接过程中长圆孔中轴线应与所用摩擦型高强度螺栓的中轴线重合。

进一步地，钢梁腹板上的连接螺栓位置远离钢梁腹板的纵向中轴线，并沿钢梁腹板上边缘和下边缘分别单排设置，用于保证钢梁端部具有良好的转动能力。

本发明的有益效果是：该钢结构梁柱节点不但可以通过钢梁上、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，而且还可以通过端板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；同时由于该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节点区域发生脆性破坏的可能；此外，该节点还具有施工方便且震后修复工作简单快捷、修复成本低廉等优点。

附图说明

图1是现有技术的结构示意图。

图2是本发明实施例的结构示意图。

图3是图2的I-I剖视图。

图4是图2的II-II剖视图。

图5是图2的III-III剖视图。

图6是本发明实施例中长圆孔与常规螺栓圆孔的关系示意图。

图7是本发明实施例中钢梁翼缘钢垫板的构造示意图。

图8是本发明实施例中钢梁腹板钢垫板的构造示意图。

图9是本发明实施例中钢梁腹板连接板的构造示意图。

图10是本发明实施例中钢梁翼缘连接板的构造示意图。

图中：1为钢柱，2为钢梁，3为摩擦型高强度螺栓，4为端板，5为长圆孔，6为托板，7为水平加劲肋，8为钢梁翼缘钢垫板，9为钢梁腹板钢垫板，10为常规螺栓圆孔，11为钢柱翼缘，12为钢柱腹板，21为钢梁腹板，22为钢梁翼缘，23为钢梁腹板连接板，24为钢梁翼缘连接板；A为长圆孔的扩孔方向。

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。

参见图例：一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点，包括钢柱1和H型钢梁2，其特征在于：所述钢柱翼缘11经摩擦型高强度螺栓3与端板4相连接，所述端板4经钢梁腹板连接板23与钢梁腹板21相连接，所述端板4经钢梁翼缘连接板24与上、下两钢梁翼缘22相连接，所述钢梁腹板连接板23与钢梁翼缘连接板24经坡口全熔透焊缝焊接在端板4上，所述钢梁腹板连接板23与钢梁翼缘连接板24均开设有长圆孔5，所述钢梁腹板连接板23和钢梁翼缘连接板24分别经摩擦型高强度螺栓3与钢梁腹板21和钢梁翼缘22相连接，所述钢柱翼缘11位于端板4底部设置有抗剪的托板6。

所述钢柱1内设置有水平加劲肋7，所述水平加劲肋7与钢梁翼缘连接板24处于同一水平面上且厚度相同，所述水平加劲肋7与钢柱翼缘11、钢柱腹板12之间采用坡口全熔透焊缝焊接。

用于连接钢梁腹板连接板23与钢梁腹板21的摩擦型高强度螺栓3设置在远离钢梁腹板21纵向中轴线的位置上，所述摩擦型高强度螺栓3沿钢梁腹板21的上边缘和下边缘分别单排设置。

上述长圆孔5的扩孔方向均与钢梁2纵向中轴线平行，所述长圆孔5的中轴线与所用摩擦型高强度螺栓3的中轴线相重合。

上述托板6与端板4的接触面刨平顶紧，且经三面围焊的角焊缝与钢柱翼缘11相连接以使梁端剪力由托板6周边的角焊缝承担。

本发明的另一特征在于：一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点的施工方法，其特征在于：

（一）在钢柱上确定钢梁翼缘连接板的连接位置，并在钢柱内设置有水平加劲肋，水平加劲肋与钢柱翼缘和钢柱腹板之间采用坡口全熔透焊缝焊接，水平加劲肋的中轴线应与钢梁翼缘连接板的中轴线对准以确保水平加劲肋与钢梁翼缘连接板处于同一水平面上，同时确定托板位置，并采用三面角焊缝与钢柱翼缘进行焊接；

（二）采用坡口全熔透焊缝将开有长圆孔的钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板焊接在端板的相应位置上，形成一个连接体；

（三）将端板底部与托板顶紧，并通过摩擦型高强度螺栓将焊接成形的连接体与钢柱翼缘连接；

（四）将钢梁放入连接体中，并通过摩擦型高强度螺栓、钢梁翼缘钢垫板、钢梁腹板钢垫板分别将钢梁翼缘、钢梁腹板与钢梁翼缘连接板、钢梁腹板连接板进行连接，在连接过程中长圆孔中轴线应与所用摩擦型高强度螺栓的中轴线重合。

上述施工步骤（一）中的焊接工艺在工厂进行。

上述施工步骤（二）中的焊接工艺在工厂进行。

钢梁腹板上的连接螺栓位置远离钢梁腹板的纵向中轴线，并沿钢梁腹板上边缘和下边缘分别单排设置，保证了钢梁端部具有良好的转动能力。

本发明的一较佳实施例中，使用的钢柱断面呈H型，所述钢梁腹板连接板与钢梁腹板的连接高强度螺栓位置宜远离钢梁腹板的纵向中轴线，并尽可能沿钢梁腹板上边缘和下边缘分别单排设置，所述长圆孔的扩孔方向均与钢梁纵向中心轴线（即钢梁的长度延伸方向）平行，并且所述长圆孔的中轴线应与所用摩擦型高强度螺栓的中轴线相重合。

在端板下面设有抗剪的托板，托板与端板的接触面要刨平顶紧，即托板的顶面要进行刨平处理，并通过两侧面和底面这三个面围焊的角焊缝与钢柱翼缘连接，梁端剪力由托板周边的角焊缝承担。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：钢梁与钢柱之间通过端板、钢梁翼缘连接板、钢梁腹板连接板和摩擦型高强度螺栓进行连接；端板通过摩擦型高强度螺栓与钢柱翼缘连接，钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板通过坡口全熔透焊缝焊接在端板上，钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板上开有长圆孔，长圆孔为由原来的常规螺栓圆孔10扩孔而成，长圆孔的扩孔方向A均与钢梁纵向中轴线平行；上、下钢梁翼缘分别通过钢梁翼缘钢垫板8、摩擦型高强度螺栓与上、下钢梁翼缘连接板栓接，而钢梁腹板则通过钢梁腹板钢垫板9、摩擦型高强度螺栓与钢梁腹板连接板栓接；在钢梁翼缘连接板处设置柱内水平加劲肋，水平加劲肋应与钢梁翼缘连接板等厚，水平加劲肋与钢柱翼缘和钢柱腹板之间宜采用坡口全熔透焊缝焊接，水平加劲肋中轴线应与钢梁翼缘连接板的中轴线对准；为了保证梁端具有良好的转动能力，所述钢梁腹板上的连接螺栓位置宜远离钢梁腹板的纵向中轴线，并尽可能沿钢梁腹板上边缘和下边缘分别单排设置；为了避免端板与钢柱翼缘连接处的摩擦型高强度螺栓受剪、充分发挥摩擦型高强度螺栓的抗拉强度，在端板下面增设用于抗剪的托板，其与端板的接触面刨平顶紧，并通过三面围焊的角焊缝与钢柱翼缘连接，梁端剪力由托板周边的角焊缝承担；除了钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板上的螺栓孔为长圆孔外，其余部位的螺栓孔均为常规螺栓圆孔。

为了保证钢梁具有最大的滑移空间，所述长圆孔的中轴线应与所用摩擦型高强度螺栓的中轴线相重合。

从方便施工和保证施工质量的角度考虑，该节点的端板、钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板可预先在工厂进行焊接，形成一个连接体，然后将该焊接成型的连接体运抵施工现场直接进行梁柱的螺栓连接。

本发明的施工步骤为：首先在钢柱上确定钢梁翼缘连接板的连接位置，并在相应位置处设置柱内水平加劲肋，水平加劲肋与钢柱翼缘和钢柱腹板之间宜采用坡口全熔透焊缝焊接，水平加劲肋的中轴线应与钢梁翼缘连接板的中轴线对准，同时确定托板位置，并采用三面角焊缝与钢柱翼缘进行焊接，上述相关的焊接工艺一般宜在工厂进行；接着，采用坡口全熔透焊缝将开有长圆孔的钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板焊接在端板的相应位置上，形成一个连接体；然后，将端板底部与托板顶紧，并通过摩擦型高强度螺栓将焊接成形的连接体与钢柱翼缘连接；最后，将钢梁放入连接体中，并通过摩擦型高强度螺栓、钢梁翼缘钢垫板、钢梁腹板钢垫板分别将钢梁翼缘、钢梁腹板与钢梁翼缘连接板、钢梁腹板连接板进行连接，在连接过程中长圆孔中轴线应与所用的摩擦型高强度螺栓的中轴线重合。为了保证梁端具有良好的转动能力，钢梁腹板上的连接螺栓位置宜远离钢梁腹板的纵向中轴线，并沿钢梁腹板上边缘和下边缘分别单排设置。

本发明中：在梁端弯矩作用下，端板产生以受压区合力点为转动中心的转动，端板的受拉区与钢柱翼缘之间呈现分离趋势，但由于受到了受拉区连接高强度螺栓的约束作用，端板受拉区的变形得到了有效的抑制，因此该钢结构梁柱节点具有较大的初始刚度。此外，该钢结构梁柱节点的连接部件（除摩擦型高强度螺栓外）均为钢板，取材方便，而且连接方式简单，因此其适用范围很广，几乎适用于所有的钢结构梁柱连接。

本发明中节点可按以下两阶段方法进行设计：

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。该阶段必须保证钢梁上的摩擦型高强度螺栓不发生滑移；端板处于弹性状态；托板周边的连接角焊缝和钢柱上的摩擦型高强度螺栓均不超过相应的连接承载力设计值。

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；允许端板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和托板周边的连接角焊缝不发生破坏。

在本发明中，所述钢柱可为H型钢柱，当然钢柱还可以是箱形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。

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 (4)

1.一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点，包括钢柱和H型钢梁，其特征在于：所述钢柱翼缘经摩擦型高强度螺栓与端板相连接，所述端板经钢梁腹板连接板与钢梁腹板相连接，所述端板经钢梁翼缘连接板与上、下两钢梁翼缘相连接，所述钢梁腹板连接板与钢梁翼缘连接板经坡口全熔透焊缝焊接在端板上，所述钢梁腹板连接板与钢梁翼缘连接板均开设有长圆孔，所述钢梁腹板连接板经钢梁腹板钢垫板和摩擦型高强度螺栓与钢梁腹板相连接，所述钢梁翼缘连接板经钢梁翼缘钢垫板和摩擦型高强度螺栓与钢梁翼缘相连接，所述长圆孔的扩孔方向均与钢梁纵向中轴线平行，所述长圆孔的中轴线与所用摩擦型高强度螺栓的中轴线相重合，所述钢柱翼缘位于端板底部设置有抗剪的托板，所述托板与端板的接触面刨平顶紧，且经三面围焊的角焊缝与钢柱翼缘相连接以使梁端剪力由托板周边的角焊缝承担，所述钢柱内设置有水平加劲肋，所述水平加劲肋与钢梁翼缘连接板处于同一水平面上且厚度相同，所述水平加劲肋与钢柱翼缘、钢柱腹板之间采用坡口全熔透焊缝焊接。

2.根据权利要求1所述的一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点，其特征在于：用于连接钢梁腹板连接板与钢梁腹板的摩擦型高强度螺栓设置在远离钢梁腹板纵向中轴线的位置上；所述摩擦型高强度螺栓沿钢梁腹板的上边缘和下边缘分别单排设置。

3.一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点的施工方法，其特征在于：

（一）在钢柱上确定钢梁翼缘连接板的连接位置，并在钢柱内设置有水平加劲肋，水平加劲肋与钢柱翼缘和钢柱腹板之间采用坡口全熔透焊缝焊接，水平加劲肋的中轴线应与钢梁翼缘连接板的中轴线对准以确保水平加劲肋与钢梁翼缘连接板处于同一水平面上，同时确定托板位置，并采用三面角焊缝与钢柱翼缘进行焊接，上述焊接工艺在工厂进行；

（二）在工厂，采用坡口全熔透焊缝将开有长圆孔的钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板预先焊接在端板的相应位置上，形成一个连接体；

（三）将端板底部与托板顶紧，并通过摩擦型高强度螺栓将焊接成形的连接体与钢柱翼缘连接；

（四）将钢梁放入连接体中，并通过摩擦型高强度螺栓、钢梁翼缘钢垫板、钢梁腹板钢垫板分别将钢梁翼缘、钢梁腹板与钢梁翼缘连接板、钢梁腹板连接板进行连接，在连接过程中长圆孔中轴线应与所用摩擦型高强度螺栓的中轴线重合。

4.根据权利要求3所述的一种通过端板连接的扩孔型钢结构梁柱节点的施工方法，其特征在于：钢梁腹板上的连接螺栓位置远离钢梁腹板的纵向中轴线，并沿钢梁腹板上边缘和下边缘分别单排设置，用于保证钢梁端部具有良好的转动能力。

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