CN103603433A - 一种钢结构柱脚免受拉连接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构柱脚免受拉连接装置及方法，该连接装置包括预应力拉杆副、组合节点板及预埋套管，其中所述预应力拉杆副由两头分别设置有螺纹的上下两段钢拉杆通过正反扣套筒连接成为一体；预应力拉杆副的下段钢拉杆穿过预先埋置于混凝土基础受拉侧的预埋套管与螺帽相连接；预应力拉杆副的上段钢拉杆穿过预先焊接在钢柱受拉侧的组合节点板开设的孔与螺帽相连接；预应力拉杆副的上下两段钢拉杆通过旋转正反扣套筒对钢拉杆施加预应力。本发明可以实现钢柱柱脚免于受拉，从而节省地脚锚栓用量，提高钢柱柱脚的连接刚度。

Description

一种钢结构柱脚免受拉连接装置及方法

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，更具体地说，是涉及一种钢结构柱脚免受拉连接装置及方法。

背景技术

随着环境保护及可持续发展日益成为各行各业的一票否决指标，钢结构由于其可回收、制造安装无污染等优点，被建设部作为关键技术重点推广应用于建筑工程。世界范围内看，钢结构成为各类建筑的发展趋势。

钢结构的重要优势在于制造安装快速，其钢柱与基础的连接，同上部结构一样，采用“螺栓”的安装方法，从而利于快速。目前，钢结构柱脚典型的安装构造如图1、图2所示。图1显示，左侧有限数量的地脚锚栓需要抵抗数值很大的拉力，这个拉力主要来自于柱脚弯矩。依靠有限数量的地脚锚栓抵抗拉力，至少产生两个问题：1）地脚锚栓的直径通常很粗，非常难以抵抗拉力，甚至于需要密布地脚锚栓，而不得不增大柱脚面积，耗费很多材料，更有潜在威胁的是，任何一根地脚锚栓出现问题，都将产生致命破坏，即柱脚的安全冗余度成为钢结构体系的薄弱环节。2）既然地脚锚栓受拉，就要伸长变形，柱脚底板就有脱离基础的趋势，造成钢柱与基础实际形成不了固定连接，而是弹簧连接。可是设计时却按照固定连接进行内力和变形分析，造成了整个钢结构体系存在安全隐患。

上述因为螺栓受拉造成的连接刚度弱化，不仅仅存在于柱脚，同样存在于上部的梁柱连接中，如图3所示。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有钢结构连接技术存在的不足，为节省连接材料，提高连接刚度，提供一种钢结构柱脚免受拉连接装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种钢结构柱脚免受拉连接装置，包括预应力拉杆副1、组合节点板2及预埋套管3，其中所述预应力拉杆副1由两头分别设置有螺纹的上下两段钢拉杆11通过正反扣套筒12连接成为一体；预应力拉杆副1的下段钢拉杆11穿过预先埋置于混凝土基础6受拉侧的预埋套管3与螺帽13相连接；预应力拉杆副1的上段钢拉杆11穿过预先焊接在钢柱受拉侧的组合节点板2开设的孔与螺帽13相连接；预应力拉杆副1的上下两段钢拉杆11通过旋转正反扣套筒12对钢拉杆11施加预应力。

上所述的组合节点板2由三块钢板组成，其中为直角三角形的两块钢板的直角边与为矩形的一块钢板成“∩”形连接成整体。

上所述的预埋套管3由钢管31和墩头钢板32成倒“T”字形连接组成，其中墩头钢板32开有与钢管31同轴线的中心孔，且孔径大于钢拉杆11的直径。

上所述的钢拉杆11的材质为高强度圆钢。

上所述的对钢拉杆11施加预应力的值P，按如下公式设计：

$\frac{6M-N\·h}{h+6e}\≤P\≤\frac{6M+N\·h}{6e-h}$

上式中，M为柱脚弯矩，N为柱脚轴力，h为柱脚底板5的长度，e为钢拉杆11至柱脚中心线的距离。

为了实现上述目的，本发明采取的另一技术方案是：

一种钢结构柱脚免受拉连接装置，连接步骤如下：

1、按设计图纸要求在工厂预制所有构件，并将组合节点板2固定连接到钢柱4的受拉侧表面上，将钢管31与墩头钢板32上下成倒“T”字形焊接成一体，以及将钢柱4与柱脚底板5上下成倒“T”字形焊接成一体成后运抵现场；

2、现场浇注混凝土基础6，并将预应力拉杆副1下段的钢拉杆11的一端穿过预埋套管3，采用螺帽13固定连接后埋置于混凝土基础6的受拉一侧的混凝土中，钢拉杆11的另一端伸出预埋套管3且连同预埋套管3伸出混凝土基础6的上表面；

3、安装钢柱4，将伸出预埋套管3的钢拉杆11穿过柱脚底板5开设的孔，使得预埋套管3的顶端面紧贴柱脚底板5的底面；

4、安装预应力拉杆副1的上段，先将正反扣套筒12通过螺纹孔连接到下段钢拉杆11上，再将上段钢拉杆11穿过组合节点板2开设的孔通过螺帽13固定其顶端，其底端则旋转连接到正反扣套筒12中，最后按照预应力设计值，旋转正反扣套筒12对钢拉杆11施加预应力；

5、在柱脚底板5的底面与混凝土基础6的上表面之间浇注调节标高的细石混凝土7，完成安装。

本发明具有的优点和有益效果：

1.节省地脚锚栓用量，提高安全冗余度。现有柱脚连接依赖有限数量的地脚锚栓承担数值很大的拉力，每根地脚锚栓都长期处于高应力状态，特别是当任意一根地脚锚栓或由于施工质量、或由于外界荷载增加，而处于破坏时，其他地脚锚栓由于陡然增加的拉力分量而很容易随之破坏，形成“多米诺骨牌”效应。采用本发明，基本可以消除柱脚底板的拉力，地脚锚栓只需按构造配置，以作为第二道安全防线。因此本发明将节省地脚锚栓用量，特别是提高了柱脚的安全冗余度。

2.大大提高了连接刚度。现有柱脚连接必然是一侧受拉，一侧受压，而且这种拉、压数值很大。既然地脚锚栓承受很大的拉力，则其必然伸长变形，因此柱脚底板有脱离基础的趋势，造成钢柱与基础不再是垂直关系，而是存在一定的转角，反映到整体钢结构体系中，柱脚不再是固定连接，而是弹簧连接。而钢结构体系内力和变形分析时，却按照柱脚固定连接计算，因此造成安全隐患。采用本发明技术，则几乎免除了柱脚受拉状态，柱脚底板与基础紧密连接，因此真正实现了钢柱的固定连接，提高了连接刚度，免除相关安全隐患。

附图说明

图1为现有钢结构柱脚连接图；

图2为图1的俯视图；

图3为现有钢结构梁柱连接图；

图4为本发明的钢结构柱脚连接图；

图5为图4的侧视图；

图6为预应力拉杆副1的构造示意图；

图7为预埋套管3的构造示意图；

图8为图7的俯视图；

图9为本发明的钢结构梁柱连接示意图；

图10为图9的俯视图；

图中：1—预应力拉杆副；11—钢拉杆；12-正反扣套筒；13－螺帽；

2—组合节点板；

3—预埋套管；31—钢管；32—墩头钢板；

4—钢柱；5—柱脚底板；6—基础；7—细石混凝土；

8—地脚锚栓；9—钢梁。

具体实施方式

实施例1

本发明的一种钢结构柱脚免受拉连接构件，如图4、5、6所示，由预应力拉杆副1、组合节点板2及预埋套管3组成。其中所述预应力拉杆副1由两头分别设置有螺纹的上下两段钢拉杆11通过正反扣套筒12连接成为一体；预应力拉杆副1的下段钢拉杆11穿过预先埋置于混凝土基础6受拉侧的预埋套管3与螺帽13相连接；预应力拉杆副1的上段钢拉杆11穿过预先焊接在钢柱受拉侧的组合节点板2开设的孔与螺帽13相连接；预应力拉杆副1的上下两段钢拉杆11通过旋转正反扣套筒12对钢拉杆11施加预应力。

其中，所述钢拉杆11采用高强圆钢。所述组合节点板2由三块板组成，其中为直角三角形的两块板的直角边与为矩形的一块板成“∏”形连接成整体。

如图7、8所示，所述的预埋套管3由钢管31和墩头钢板32成倒“T”字形焊接连接组成，其中墩头钢板32开有与钢管31同轴线的中心孔，且孔径大于钢拉杆11的直径。

所述预应力拉杆副1的下段钢拉杆11穿过预埋套管3，采用螺帽13固定底端，并预先埋置于混凝土基础6的受拉侧，预埋套管3顶端标高至柱脚底板5的底面，下段钢拉杆11还继续穿过柱脚底板5开设的孔，并露出200mm；预应力拉杆副1的上段钢拉杆11穿过预先焊接在钢柱4受拉侧的组合节点板2开设的孔通过螺帽13固定顶端；预应力拉杆副1的上下两段钢拉杆11通过正反扣套筒12连接，并旋转正反扣套筒12对钢拉杆11施加预应力。

钢拉杆11的预应力按照下式进行设计：

$\frac{6M-N\·h}{h+6e}\≤P\≤\frac{6M+N\·h}{6e-h}$

上式中，M为柱脚弯矩，N为柱脚轴力，h为柱脚底板5的长度，e为钢拉杆11至柱脚中心线的距离。

本发明的一种钢结构柱脚免受拉连接构件的连接方法，按如下步骤进行：

1、按设计图纸要求在工厂预制所有构件，并将组合节点板2固定连接到钢柱4的受拉侧表面上，将钢管31与墩头钢板32上下成倒“T”字形焊接成一体，以及将钢柱4与柱脚底板5上下成倒“T”字形焊接成一体成后运抵现场；

2、现场浇注混凝土基础6，并将预应力拉杆副1下段的钢拉杆11的一端穿过预埋套管3，采用螺帽13固定连接后埋置于混凝土基础6的受拉一侧的混凝土中，钢拉杆11的另一端伸出预埋套管3且连同预埋套管3伸出混凝土基础6的上表面；

3、安装钢柱4，将伸出预埋套管3的钢拉杆11穿过柱脚底板5开设的孔，使得预埋套管3的顶端面紧贴柱脚底板5的底面；

4、安装预应力拉杆副1的上段，先将正反扣套筒12通过螺纹孔连接到下段钢拉杆11上，再将上段钢拉杆11穿过组合节点板2开设的孔通过螺帽13固定其顶端，其底端则旋转连接到正反扣套筒12中，最后按照预应力设计值，旋转正反扣套筒12对钢拉杆11施加预应力；

5、在柱脚底板5的底面与混凝土基础6的上表面之间浇注调节标高的细石混凝土7，完成安装。

实施例2

本发明的一种钢结构柱脚免受拉连接构件及方法，应用于梁柱连接中。

如图9、10所示，本发明的一种钢结构柱脚免受拉连接构件，应用于梁柱连接，由预应力拉杆副1和组合节点板2构成。

如图6所示，预应力拉杆副1由两头均设置有螺纹的两段钢拉杆11通过正反扣套筒12连接成为一体，钢拉杆11采用高强圆钢。

组合节点板2由三块板组成，其中为直角三角形的两块板的直角边与为矩形的一块板成“∏”形焊接连接成整体。

组合节点板2预先焊接在钢梁9的受拉翼缘外侧。钢柱4两侧翼缘开设有比钢拉杆11直径大2mm的孔，且该孔与组合节点板2的孔处于同一水平线。

现场钢梁9与钢柱4按照传统方法安装完成后，预应力拉杆副1分别穿过组合节点板2开设的孔及钢柱4翼缘开设的孔，并通过螺帽13固定，然后旋转正反扣套筒12对钢拉杆11施加预应力。预应力值的大小按照实施例1中的计算公式确定，即确保最外侧螺栓不受拉。

以上结合附图对本发明的较佳实施例进行了详细描述，但本技术领域中的普通技术人员可以认识到，前述实施例只是为了说明本发明的构件特点和优点，而非限定本发明，所以根据本发明构思所作的等效变化或变型，都应属于本发明权利要求书限定的范围内。

Claims (6)

1.一种钢结构柱脚免受拉连接装置，包括预应力拉杆副（1）、组合节点板（2）及预埋套管（3），其特征在于：所述预应力拉杆副（1）由两头分别设置有螺纹的上下两段钢拉杆（11）通过正反扣套筒（12）连接成为一体；所述预应力拉杆副（1）的下段钢拉杆（11）穿过预先埋置于混凝土基础（6）受拉侧的预埋套管（3）与螺帽（13）相连接；所述预应力拉杆副（1）的上段钢拉杆（11）穿过预先焊接在钢柱（4）受拉侧的组合节点板（2）开设的孔与螺帽（13）相连接；预应力拉杆副（1）的上下两段钢拉杆（11）通过旋转正反扣套筒（12）对钢拉杆（11）施加预应力。

2.根据权利要求1所述的钢结构柱脚免受拉连接装置，其特征在于：所述的组合节点板（2）由三块钢板组成，其中为直角三角形的两块钢板的直角边与为矩形的一块钢板成“∩”形连接成整体。

3.根据权利要求1所述的钢结构柱脚免受拉连接装置，其特征在于：所述的预埋套管（3）由钢管（31）和墩头钢板（32）成倒“T”字形连接组成，其中墩头钢板（32）开有与钢管（31）同轴线的中心孔，且孔径大于钢拉杆（11）的直径。

4.根据权利要求1所述的钢结构柱脚免受拉连接装置，其特征在于：所述的钢拉杆（11）的材质为高强度圆钢。

5.根据权利要求1所述的钢结构柱脚免受拉连接装置，其特征在于：所述的钢拉杆（11）施加预应力的值P按如下公式设计：

$\frac{6M-N\·h}{h+6e}\≤P\≤\frac{6M+N\·h}{6e-h}$

式中：M为柱脚弯矩，N为柱脚轴力，h为柱脚底板（5）的长度，e为钢拉杆（11）至柱脚中心线的距离。

6.一种如权利要求1所述的钢结构柱脚免受拉连接装置的连接方法，其特征在于：连接步骤如下：

1）、按设计图纸要求在工厂预制所有构件，并将组合节点板（2）固定连接到钢柱（4）的受拉侧表面上，将钢管（31）与墩头钢板（32）上下成倒“T”字形焊接成一体，以及将钢柱（4）与柱脚底板（5）上下成倒“T”字形焊接成一体成后运抵现场；

2）、现场浇注混凝土基础（6），并将预应力拉杆副（1）下段的钢拉杆（11）的一端穿过预埋套管（3），采用螺帽（13）固定连接后埋置于混凝土基础（6）的受拉一侧的混凝土中，钢拉杆（11）的另一端伸出预埋套管（3），且连同预埋套管（3）伸出混凝土基础（6）的上表面；

3）、安装钢柱（4），将伸出预埋套管（3）的钢拉杆（11）穿过柱脚底板（5）开设的孔，使得预埋套管（3）的顶端面紧贴柱脚底板（5）的底面；

4）、安装预应力拉杆副（1）的上段，先将正反扣套筒（12）通过螺纹孔连接到下段钢拉杆（11）上，再将上段钢拉杆（11）穿过组合节点板（2）开设的孔通过螺帽（13）固定其顶端，其底端则旋转连接到正反扣套筒（12）中，最后按照预应力设计值，旋转正反扣套筒（12）对钢拉杆（11）施加预应力；

5）、在柱脚底板（5）的底面与混凝土基础（6）的上表面之间浇注调节标高的细石混凝土（7），完成安装。

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