CN102817413B - 一种震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点及加工工艺 - Google Patents

一种震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点及加工工艺 Download PDF

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Abstract

一种新型震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点，节点包括钢框架柱和短梁段、梁柱连接装置和耗能装置。所述钢框架柱包括钢柱、柱加劲肋和柱加强板。所述短梁段包括短梁段腹板、短梁段翼缘和短梁段翼缘加强板。所述梁柱连接装置包括短梁段腹板加劲肋、预应力拉索和梁端顶板。所述耗能装置包括两个槽钢和高强度螺栓。所述两短梁与柱在工厂通过张拉预应力索及两块短梁段腹板加劲肋连接成整体。当地震作用达到一定程度时，梁与柱的接触面张开，高强度螺栓摩擦耗能，从而避免了梁柱等主体构件的损坏。地震作用后，梁在预应力作用下恢复到原先的竖向位置。

Description

一种震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点及加工工艺
技术领域：
本发明专利涉及一种钢结构节点及加工工艺，尤其是建筑结构领域应用的一种震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点。
背景技术
钢框架梁柱节点刚接节点广泛应用于抗震钢结构中，传统的钢框架梁柱刚接节点分为两种形式，第一种为栓焊混合连接，这种连接方式为梁翼缘与钢柱翼缘采用工地焊接，梁腹板与拼接板通过高强螺栓连接，拼接板与钢柱翼缘工厂焊接；第二种为焊接短梁式，这种连接形式为短梁与钢柱在工厂全焊连接，短梁与框架梁在工地栓焊混合连接或全栓连接。但是这两种梁柱节点震后因梁端焊缝得不到保护容易发生脆性破坏，近年来广泛研究的加强和削弱等改进型钢框架梁柱节点能够达到强震时塑性铰外移的目的，保护了梁端焊缝而不发生脆性破坏，但在强震过后，钢框架都会产生较大的残余变形，结构和构件变形较大，震后难以修复或修复成本大大增加。人们重新审视并寻求更好的结构体系，提出了可恢复功能的钢框架梁柱节点的结构体系，其基本构成包括框架梁、柱、预应力构件和耗能装置，其中框架梁通过水平设置的预应力拉索和框架柱连接在一起。当地震作用达到一定程度时，梁柱的接触面张开，耗能装置耗能，从而避免了梁柱等主体构件的损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原先的竖向位置。研究表明这种震后可恢复功能的钢框架体系克服了传统钢结构梁柱节点和改进型梁柱节点的不足，能够避免现场焊接，发挥预应力钢结构的优势，在强震发生后控制结构损伤，减少或消除结构残余变形，震后结构容易修复。但是现有可恢复功能钢框架体系中需要现场张拉预应力拉索，不但会增加钢框架的施工难度，而且延长钢框架的施工时间，因此在一定程度上阻碍了可恢复功能钢框架结构体系在实际工程中的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服了传统钢框架梁柱节点、改进型梁柱节点和现有震后可恢复功能的钢框架梁柱连接节点的上述缺陷，提出了一种新型震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点，该节点具有良好的抗震性能，在中震或大震后结构可以恢复原有功能。同时实现了现场无需张拉预应力拉索，只需像普通钢梁一样采用焊接短梁式即采用螺栓和焊缝混合连接或全螺栓连接方法将两短梁段与中间梁段连接，从而减小了施工难度，提高了施工质量且减少了施工时间。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点，包括钢框架柱和钢框架柱之间的短梁段、梁柱连接装置和耗能装置；所述钢框架柱包括钢柱1、焊接在钢柱1与短梁段翼缘5齐平位置的柱加劲肋2和焊接在钢柱1翼缘外侧与梁对应位置的柱加强板3；所述短梁段包括短梁段腹板4和焊接在短梁段腹板边缘的短梁段翼缘5及连接在短梁段端部上、下翼缘位置的短梁段翼缘加强板6；所述梁柱连接装置包括沿着短梁段腹板4横向布置的短梁段腹板加劲肋7、预应力拉索8和位于钢柱翼缘与短梁接触位置的梁端顶板9；所述耗能装置包括位于短梁段腹板4端部两侧的槽钢10和用于穿过短梁段腹板4将两侧的槽钢10连接起来的高强度螺栓11；柱加强板3与短梁段腹板加劲肋7之间沿短梁段腹板4穿施加了预应力的预应力拉索8，通过预应力拉索8将短梁段与框架柱连接在一起，形成震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点。
所述槽钢10与短梁段腹板4之间夹有用来保证摩擦系数的黄铜片，或其他保证摩擦系数的措施。
所述钢柱1可以是H型、箱型截面或其他型式柱。
所述短梁段腹板4通过腹板拼接板14和高强螺栓15与中间梁段腹板12连接，短梁段翼缘5通过梁翼缘拼接板16和高强螺栓15与中间梁段翼缘13连接，或通过焊缝与中间梁段翼缘13连接。
所述钢框架柱和短梁段采用Q235、Q345普通强度等级钢材或采用Q420以上高性能钢材。
所述连接装置中短梁段腹板加劲肋7采用加强刚度的措施。
所述的预制预应力钢框架梁柱节点的加工工艺，步骤如下：
1)将柱加劲肋2和柱加强板3焊于钢柱1与梁翼缘齐平位置；
2)将两槽钢10和梁端顶板9焊于钢柱1翼缘内侧；
3)将短梁段翼缘加强板6焊于短梁段翼缘5与钢柱连接端上、下翼缘位置；
4)将两短梁段腹板加劲肋7焊于短梁段腹板4上；
5)在短梁段腹板4与高强度螺栓11对应位置设置长孔，两槽钢10与短梁段腹板4通过高强度螺栓11连接；
6)在柱加强板3与短梁段腹板加劲肋7之间沿短梁段腹板4穿预应力拉索8，对拉索施加预应力，通过预应力拉索8将短梁段与框架柱连接在一起，形成震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点。
7)所述震后可恢复功能的预制预应力梁柱节点与中间梁段的连接有两种体系：
短梁段腹板4通过腹板拼接板14和高强螺栓15与中间梁段腹板12连接，短梁段翼缘5通过翼缘拼接板16和高强螺栓17与中间梁段翼缘13连接；或短梁段腹板4通过腹板拼接板14和高强螺栓15与中间梁段腹板12连接，短梁段翼缘5通过焊缝与中间梁段翼缘13连接。
所述震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点与中间梁段的连接方式：短梁段腹板4通过梁腹板拼接板14和高强螺栓15与中间梁段腹板12连接，短梁段翼缘5通过梁翼缘拼接板16和高强螺栓15或焊缝与中间梁段翼缘13连接(详见附图3、5)
当地震作用达到一定程度时，短梁段和短梁段翼缘加强板6与梁端顶板5的接触面脱开(详见附图7)，高强度螺栓11摩擦耗能，从而避免了梁柱等主体构件的损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原先的竖向位置，恢复了结构原有功能。(详见附图3、5)
本发明可以取得如下有益效果：
本发明采用预制预应力钢框架梁柱节点，该节点可以实现地震后结构恢复其原有功能，但是短梁段与柱通过在工厂张拉预应力索完成连接，在施工现场只需像普通钢梁一样的方法通过全栓接或栓焊混合连接安装中间梁段，现场无需张拉预应力拉索，方便了施工、提高了施工质量且减少了安装时间。
附图说明
图1是本发明专利震后可恢复功能的预制预应力梁柱节点；
图2是本发明专利震后可恢复功能的预制预应力梁柱节点的三维图；
图3是本发明专利震后可恢复功能的预制预应力梁柱节点组成平面框架结构体系形式1；
图4是本发明专利震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点及其框架结构体系1三维整体图；
图5是本发明专利震后可恢复功能的预制预应力梁柱节点组成的平面框架结构体系形式2；
图6是本发明专利震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点组成的平面框架结构体系2三维整体图；
图7是当地震作用达到一定程度时，短梁段和短梁段翼缘加强板6与梁端顶板9的接触面脱开的情况；
图8是本发明专利震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点中的短梁段翼缘加强板6；
图9本发明专利震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点中短梁段腹板加劲肋7；
图10是本发明专利震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点中的预应力拉索8；
图11是本发明专利震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点中的梁端顶板9；
图12是本发明专利震后可恢复功能的钢框架预制预应力梁柱节点中用于摩擦耗能的槽钢10；
图中：1、钢柱；2、柱加劲肋；3、柱加强板；4、短梁段腹板；5、短梁段翼缘；6、短梁段翼缘加强板；7、短梁段腹板加劲肋；8、预应力拉索；9、梁端顶板；10、槽钢；11、高强度螺栓；12、中间梁段腹板；13、中间梁段翼缘；14、梁腹板拼接板；15、高强螺栓；16、梁翼缘拼接板。
具体实施方式：
如图1-12所示，一种震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点，包括钢框架柱和短梁段、梁柱连接装置和耗能装置；其特征在于：所述钢框架柱包括钢柱1、焊接在钢柱1与梁翼缘齐平位置的柱加劲肋2和焊接在钢柱1翼缘外侧与梁对应位置的柱加强板3；所述短梁段包括短梁段腹板4和焊接在短梁段腹板边缘的短梁段翼缘5及连接在短梁段端部上、下翼缘位置的短梁段翼缘加强板6；所述梁柱连接装置包括沿着短梁段腹板4横向布置的短梁段腹板加劲肋7、预应力拉索8和位于钢柱翼缘与短梁接触位置的梁端顶板9；所述耗能装置包括位于短梁段腹板4端部两侧的槽钢10和用于穿过短梁段腹板4将两侧的槽钢10连接起来的高强度螺栓11。
所述预制预应力钢框架梁柱节点在工厂安装工艺如下：
1)将柱加劲肋2和柱加强板3焊于钢柱1与梁翼缘齐平位置；
2)将两槽钢10和梁端顶板9焊于钢柱1翼缘内侧；
3)将短梁段翼缘加强板6焊于短梁段翼缘5与钢柱连接端上、下翼缘位置；
4)将两短梁段腹板加劲肋7焊于短梁段腹板4上；
5)在短梁段腹板4与高强度螺栓11对应位置设置长孔，两槽钢10与短梁段腹板4通过高强度螺栓11连接；
6)在柱加强板3与短梁段腹板加劲肋7之间沿短梁段腹板4穿预应力拉索8，对拉索施加预应力，通过预应力拉索8将短梁段与框架柱连接在一起，形成震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点。所述震后可恢复功能的预制预应力梁柱节点与中间梁段的连接有两种体系：
体系1为短梁段腹板4通过梁腹板拼接板14和高强螺栓15与中间梁段腹板12连接，短梁段翼缘5通过梁翼缘拼接板16和高强螺栓15与中间梁段翼缘13连接。
体系2为短梁段腹板4通过梁腹板拼接板14和高强螺栓15与中间梁段腹板12连接，短梁段翼缘5通过焊缝与中间梁段翼缘13连接。(详见附图3、5)
当地震作用达到一定程度时，短梁段和短梁翼缘加强板6与梁端顶板5的接触面脱开(详见附图7)，高强螺栓11摩擦耗能，从而避免了梁柱等主体构件的损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原先的竖向位置，恢复了结构原有功能。

Claims (7)

1.一种震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点，包括钢框架柱和与钢框架柱连接的短梁段、梁柱连接装置和耗能装置；其特征在于：所述钢框架柱包括钢柱(1)、焊接在钢柱(1)与短梁段翼缘(5)齐平位置的柱加劲肋(2)和焊接在钢柱(1)翼缘外侧与梁对应位置的柱加强板(3)；所述短梁段包括短梁段腹板(4)和焊接在短梁段腹板边缘的短梁段翼缘(5)及连接在短梁段端部上、下翼缘位置的短梁段翼缘加强板(6)；所述梁柱连接装置包括沿着短梁段腹板(4)横向布置的短梁段腹板加劲肋(7)、预应力拉索(8)和位于钢柱翼缘与短梁接触位置的梁端顶板(9)；所述耗能装置包括位于短梁段腹板(4)端部两侧的槽钢(10)和用于穿过短梁段腹板(4)将两侧的槽钢(10)连接起来的高强度螺栓(11)；柱加强板(3)与短梁段腹板加劲肋(7)之间沿短梁段腹板(4)穿施加了预应力的预应力拉索(8)，通过预应力拉索(8)将短梁段与框架柱连接在一起，形成震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点；短梁段之间连接有中间梁段，短梁段的短梁段翼缘(5)与中间梁段翼缘相连接，或者短梁段腹板(4)与中间梁段腹板相连接。
2.根据权利要求1所述的一种震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点，其特征在于：所述槽钢(10)与短梁段腹板(4)之间夹有用来保证摩擦系数的黄铜片，或其他保证摩擦系数的措施。
3.根据权利要求1所述的一种震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点，其特征在于：所述钢柱(1)可以是H型、箱型截面或其他型式柱。
4.根据权利要求1所述的一种震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点，其特征在于：所述短梁段腹板(4)通过腹板拼接板(14)和高强螺栓(15)与中间梁段腹板(12)连接，短梁段翼缘(5)通过梁翼缘拼接板(16)和高强螺栓(15)与中间梁段翼缘(13)连接，或通过焊缝与中间梁段翼缘(13)连接。
5.根据权利要求1所述的一种震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点，其特征在于：所述钢框架柱和短梁段采用Q235、Q345普通强度等级钢材或采用Q420以上高性能钢材。
6.根据权利要求1所述的一种震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点，其特征在于：所述连接装置中短梁段腹板加劲肋(7)采用加强刚度的措施。
7.权利要求1至权利要求5任一权利要求所述的预制预应力钢框架梁柱节点的加工工艺，其特征在于：步骤如下：
1)将柱加劲肋(2)和柱加强板(3)焊于钢柱(1)与短梁段翼缘(5)齐平位置；
2)将两槽钢(10)和梁端顶板(9)焊于钢柱(1)翼缘内侧；
3)将短梁段翼缘加强板(6)焊于短梁段翼缘(5)与钢柱连接端上、下翼缘位置；
4)将两短梁段腹板加劲肋(7)焊于短梁段腹板(4)上；
5)在短梁段腹板(4)与高强度螺栓(11)对应位置设置长孔，两槽钢(10)与短梁段腹板(4)通过高强度螺栓(11)连接；
6)在柱加强板(3)与短梁段腹板加劲肋(7)之间沿短梁段腹板(4)穿预应力拉索(8)，对拉索施加预应力，通过预应力拉索(8)将短梁段与框架柱连接在一起，形成震后可恢复功能的预制预应力钢框架梁柱节点；
7)所述震后可恢复功能的预制预应力梁柱节点与中间梁段的连接有两种体系：
短梁段腹板(4)通过腹板拼接板(14)和高强螺栓(15)与中间梁段腹板(12)连接，短梁段翼缘(5)通过翼缘拼接板(16)和高强螺栓(17)与中间梁段翼缘(13)连接；或短梁段腹板(4)通过腹板拼接板(14)和高强螺栓(15)与中间梁段腹板(12)连接，短梁段翼缘(5)通过焊缝与中间梁段翼缘(13)连接。
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