CN103806542A

CN103806542A - 用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件以及连接节点

Info

Publication number: CN103806542A
Application number: CN201410048043.7A
Authority: CN
Inventors: 陈颖智; 童乐为
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-02-11
Also published as: CN103806542B

Abstract

本发明提供一种用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件以及连接节点，包括与钢柱连接的竖肢和与钢梁连接的横肢，二者一体浇筑成横向放置的T型结构，竖肢包括两块平行设置的端部加厚板以及分别与其相连的开圆弧孔板和两块矩形板，开圆弧孔板包括与横肢固定相连的结合板和排列在结合板两侧的多个沙漏型组件，沙漏型组件的一端与端部加厚板的侧面相连并且另一端与结合板的侧面相连，两块矩形板排列在相同的平面上并且与开圆弧孔板排列在不同的平面上；该铸钢模块化连接件整体浇铸成型，冲击韧性高，具有很强的延性变形能力和稳定高效的耗能能力，抗震性能优越；本铸钢模块化连接件与钢梁和钢柱还通过高强螺栓连接，施工方便，震后更换容易。

Description

用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件以及连接节点

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，涉及一种梁柱连接件以及梁柱连接节点。

背景技术

钢结构具有强度高、重量轻、施工工期短等优点，在建筑行业中有着广泛的应用。

钢框架梁柱连接是钢结构设计的一个重要技术领域。传统的梁柱栓焊节点在1994年美国的北岭地震和1995年日本的阪神地震中，发生了大量的脆性断裂，严重影响了钢结构的抗震性能的发挥。震后，以美国、日本为主的各国进行了大量研究：一方面，提出了多种改进节点的形式，但是这些节点基本仍都是通过梁端形成塑性铰进行耗能，震后结构难以修复；另一方面，为了避免现场焊接质量难以保障等问题，螺栓连接受到重视，而通常采用的端板或T型件均是通过轧制钢材制作，其形状的规格化限制了连接件延性和耗能能力的发挥。

如图1所示，梁柱端板连接节点的连接端板板件具有一定的柔性，梁端弯矩作用产生的拉力经上翼缘通过高强螺栓传递给端板，外伸端板在较大拉力作用下会发生一定的弯曲变形，此时端板对于螺栓的作用相当于杠杆，端板由于弯曲变形的挤压产生接触力。该接触力即图2所示的螺栓撬力Q。螺栓撬力是由于T型件的受拉变形在螺栓上产生的一种附加轴力。理论上螺栓的拉力为2N的一半，即N_t=N；但由于螺栓撬力Q的存在，螺栓实际受到的拉力N_t=N+Q。因此，在杠杆作用的影响下，高强螺栓收到的拉力大于理论计算值，很可能造成螺栓承载力不足而破坏。因此，需要研制便于替换修复、延性和耗能能力优越的一种梁柱连接件。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种在保证连接强度和刚度基础上具有良好的延性和耗能能力并且震后方便替换的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件以及含有该种铸钢模块化连接件的钢结构梁柱连接节点。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

本发明提供一种用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，包括：与钢柱固定连接的竖肢和与钢梁固定连接的横肢，竖肢和横肢一体浇筑成横向放置的T型结构，竖肢包括两块平行设置的端部加厚板以及分别与两块端部加厚板相连的开圆弧孔板，端部加厚板的厚度大于开圆弧孔板的厚度，开圆弧孔板包含结合板和排列在结合板两侧的多个沙漏型组件，结合板的中间部分与横肢固定相连，沙漏型组件的一端与端部加厚板的侧面相连并且另一端与结合板的侧面相连。

上述沙漏型组件的端部宽度和高度之比为3～4:5，沙漏型组件的中央宽度和端部宽度之比为1～2:5。

上述结合板的中间部分与横肢通过圆弧过渡连接，圆弧的半径为15～30mm。进一步地，结合板的长度不小于多个沙漏型组件的端部宽度之和并且不大于横肢的长度。

上述铸钢模块化连接件，还包括分别设置在开圆弧孔板两侧的两块矩形板，矩形板沿自身长度方向的两端分别与两块端部加厚板相连并且其厚度小于端部加厚板的厚度，两块矩形板排列在相同的平面上并且与开圆弧孔板排列在不同的平面上。进一步地，上述两块矩形板的宽度之和与结合板的长度之和小于端部加厚板沿矩形板短边方向的长度，矩形板厚度和开圆弧孔板厚度之和小于端部加厚板的厚度。上述矩形板与端部加厚板通过圆角过渡相连。

上述端部加厚板沿自身长度方向开设有多个第一类螺栓孔，端部加厚板通过多个贯穿第一类螺栓孔的第一类螺栓与钢柱相连，横肢上开设有多个第二类螺栓孔，横肢通过多个贯穿第二类螺栓孔的第二类螺栓与钢梁相连。进一步地，第一类螺栓和第二类螺栓为高强螺栓。

本发明还提供一种钢结构梁柱连接节点，包括钢柱、钢梁、用于连接钢梁的上翼缘和钢柱的柱翼缘的T型件以及用于连接钢梁的下翼缘和柱翼缘的梁柱连接件，梁柱连接件为上面提及的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，梁柱连接件的横肢与下翼缘相连并且其竖肢与柱翼缘相连。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

首先，开圆弧孔板由结合板和多个沙漏型组件构成，每个沙漏型组件的一端与端部加厚板的侧面相连并且另一端与结合板的侧面相连，相邻两个沙漏型组件之间形成镂空，在地震中，沙漏型组件易发生塑性变形，消耗地震输入结构的能量，使得钢柱和钢梁基本维持在弹性状态而不发生损坏，从而有效地保护了主体结构，起到了抗震效果。

其次，因为端部加厚板的厚度大于开圆弧孔板和矩形板的厚度之和，并且两块矩形板排列在相同的平面上并且与开圆弧孔板排列在不同的平面上，故两块端部加厚板、两块矩形板和开圆弧孔板之间能够围成空腔，由于该空腔的存在，用于连接钢梁的下翼缘和钢柱的柱翼缘的铸钢模块化连接件可以沿钢梁自身长度方向进行拉、压双向变形，使得钢梁靠近铸钢模块化连接件的端部可以双向转动，因此，在建造钢结构梁柱连接节点时，每根钢梁只需要采用一个铸钢模块化连接件与其下翼缘连接即可，其上翼缘则可采用传统的T型件与钢柱连接，这不仅显著降低了钢结构梁柱连接节点的建造成本，而且在震后只需要替换铸钢模块化连接件，而无需更换T型件并且也无需去除T型件附近的钢筋混凝土楼板，使得震后的修复工作更加快捷方便。

再者，铸钢模块化连接件的竖肢和横肢分别与钢柱和钢梁通过螺栓连接，可以容易地安装和拆卸，当原铸钢模块化连接件受损后，只需要将其拆卸并更换上新的铸钢模块化连接件即可重新恢复抗震性能，因此能够实现震后的快速修复并且有效地节约了维修成本。

最后，整个铸钢模块化连接件是通过铸钢工艺一体浇筑而成，不含有焊缝，冲击韧性高、质量易于保证。

附图说明

图1为现有技术的梁柱外伸式端板连接节点的立体图。

图2为现有技术的受拉螺栓的撬力示意图。

图3为本发明实施例的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件的立体图。

图4为本发明实施例的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件的后视立体图。

图5为本发明实施例的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件的主视图。

图6为本发明实施例的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件的后视图。

图7为本发明实施例的钢结构梁柱连接节点的立体图。

图8为本发明实施例的钢结构梁柱连接节点的主视图。

图9为本发明实施例的钢结构梁柱连接节点的左视图。

图10为本发明实施例的含有钢筋混凝土楼板的钢结构梁柱连接节点的立体图。

图11为本发明实施例的含有钢筋混凝土楼板的钢结构梁柱连接节点的主视图。

图12为本发明实施例的含有钢筋混凝土楼板的钢结构梁柱连接节点的左视图。

附图标记：

竖肢1、横肢2、开圆弧孔板3、矩形板4、第一类螺栓孔5、端部加厚板6、铸钢模块化连接件7、沙漏型组件8、柱翼缘9、下翼缘10、圆角11、上翼缘12、T型件13、第二类螺栓孔14、钢柱15、钢梁16、第一类螺栓17、第二类螺栓18、第三类螺栓19、第四类螺栓20、结合板21、钢筋混凝土楼板22和钢结构梁柱连接节点23。

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。

实施例

本实施例提供了一种用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，用于对由钢柱和钢梁组成的梁柱结构提供抗震支承。钢梁与水平地面平行，钢柱与水平地面垂直。如图3所示，该铸钢模块化连接件7包括固定连接在钢柱上的竖肢1和固定连接在钢梁上的横肢2，竖肢1和横肢2采用铸钢工艺一体浇筑成横向放置的T型结构，这样，竖肢1和横肢2的连接处不含有焊缝，使得铸钢模块化连接件冲击韧性高、质量易于保证。铸钢模块化连接件关于横肢2沿自身厚度方向的中心平面以及横肢2沿自身宽度方向的中心平面是对称的。

如图3和图4所示，竖肢1包括两块平行设置的端部加厚板6、一块开圆弧孔板3和两块矩形板4。

开圆弧孔板3位于两块端部加厚板6之间并且分别与这两块端部加厚板6相对向的两个侧面相连。开圆弧孔板3由一块结合板21和排列该结合板21两侧的多个沙漏型组件8构成。

结合板21外形为长方体，其中间部分与横肢2通过圆弧过渡连接，圆弧的半径可以为15～30mm。因为竖肢1和横肢2采用铸钢工艺一体浇筑成型，所以结合板18和横肢2之间没有焊缝。如图5和图6所示，结合板21的长度L₃一般不大于横肢2的长度L₁。

沙漏型组件8的一端与端部加厚板6的侧面相连并且另一端与结合板21的侧面相连。如图6所示，沙漏型组件8的宽度从中央到端部按照一定趋势逐渐增大，因此相邻两个沙漏型组件8之间形成镂空。每个沙漏型组件8的中央宽度W₁为25mm，端部宽度W₂为75mm，高度H为100mm，中央宽度W₁和端部宽度W₂之比为1:3，中央宽度W₁和高度H之比为1:4，端部宽度W₂和高度H之比为3:4。然而，中央宽度W₁和端部宽度W₂之比在1～2:5的范围内均可以，端部宽度W₂和高度H之比在3～4:5的范围内均可以。沙漏型组件8的数量根据实际工程要求确定，最终保证位于结合板21一侧的所有沙漏型组件8的端部宽度W₂之和不大于结合板21的长度L₃。沙漏型组件8的易发生塑性变形的性质使开圆弧孔板3具有很强的延性变形能力和稳定高效的耗能能力。一旦发生地震，沙漏型组件8发生的塑性变形能够消耗地震输入结构的能量，同时也降低了螺栓撬力，使得钢柱和钢梁基本维持在弹性状态而不发生损坏，从而有效地保护了主体结构，取得了比传统梁柱连接更优越的抗震效果。

两块矩形板4分别设置在开圆弧孔板3的两侧，每块矩形板4沿自身长度方向的两端分别与两块端部加厚板6相连。如图6所示，两块矩形板4的宽度W₃之和与结合板21的长度L₃之和小于端部加厚板6沿矩形板4短边方向的长度L₂。如图3所示，矩形板4的厚度T₁和开圆弧孔板3的厚度T₃之和小于端部加厚板6的厚度T₂。矩形板4和开圆弧孔板3分别与端部加厚板6沿自身厚度方向（即Y方向）的两侧相结合，故这两块矩形板4排列在相同的平面上并且与开圆弧孔板3排列在不同的平面上，从而两块矩形板4、两块端部加厚板6和开圆弧孔板3之间能够围成空腔。矩形板4与端部加厚板6也是一体浇铸成型的，二者通过圆角11过渡相连。

端部加厚板6外形为长方体，其沿自身长度方向（X方向）开设有多个第一类螺栓孔5。横肢2上开设有多个第二类螺栓孔14，第一类螺栓孔5和第二类螺栓孔14通过机械加工制作。

如图7、图8和图9所示，本实施例还提供一种钢结构梁柱连接节点23包括钢柱15、钢梁16、用于连接钢梁16的上翼缘12和钢柱15的柱翼缘9的T型件13以及用于连接钢梁16的下翼缘10和柱翼缘9的梁柱连接件。该梁柱连接件为上面提及的铸钢模块化连接件7。T型件13（剖分T型钢或轧钢钢板焊接而成）通过多个第三类螺栓19与钢柱15的柱翼缘9相连并且通过多个第四类螺栓20与钢梁15的上翼缘12相连。梁柱连接件7的竖肢1通过多个贯穿第一类螺栓孔5的第一类螺栓17与钢柱15的柱翼缘9相连，其横肢2通过多个贯穿第二类螺栓孔14的第二类螺栓18与钢梁16的下翼缘10相连。第一类螺栓17、第二类螺栓18、第三类螺栓19和第四类螺栓20均为高强螺栓。

如图10、11和12所示，在施工过程中，当T型件13和梁柱连接件与钢梁15和钢柱15分别连接完毕后，再在钢梁15的上翼缘12周围浇筑钢筋混凝土楼板19，将T型件13埋在钢筋混凝土楼板19中。

在上述的钢结构梁柱连接节点23中，钢梁16的上翼缘12和下翼缘10分别通过T型件13和铸钢模块化连接件7与钢柱15的柱翼缘9相连，并且铸钢模块化连接件7中的两块矩形板4、两块端部加厚板6和开圆弧孔板3之间围成空腔。当发生地震时，钢梁16的靠近柱翼缘9的端部将以钢梁16的下翼缘10与柱翼缘9的交点为转动中心，空腔的存在使得铸钢模块化连接件7在沿钢梁16长度方向进行拉、压双向变形的幅度比两块矩形板4、两块端部加厚板6和开圆弧孔板3之间不围成空腔要大，从而，钢梁16靠近铸钢模块化连接件7的端部双向转动的幅度更大，因此，在建造钢结构梁柱连接节点时，每根钢梁16的下翼缘10只需要通过一个铸钢模块化连接件与钢柱15连接，而其上翼缘12则使用传统的T型件13与钢柱15连接，这种连接方式完全能够保证单个铸钢模块化连接件7通过重复受拉变形就足以较好地耗散地震输入结构的能量，同时也能够保证钢梁14端部的转动能力，并进一步减少甚至抵消螺栓撬力，从而使得钢柱15、钢梁16和T型件13基本保持弹性状态，结构上不易损坏，从而取得了比传统梁柱连接更优越的抗震效果，并且能够使得钢结构梁柱连接节点23的建造成本显著降低。另外，地震后，只需要替换模块化的铸钢模块化连接件7便可修复钢结构梁柱连接节点，使其恢复抗震性能，而不必对T型件13进行替换，更不必清除T型件13附近的钢筋混凝土，从而使得震后的修复工作更加快捷方便。

本实施例的铸钢模块化连接件可以在对抗震性能要求较高的装配式钢框架结构中使用，适合在对抗震性能要求较高且节点修复时间相对紧张的结构中使用。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，包括：与钢柱固定连接的竖肢和与钢梁固定连接的横肢，所述竖肢和所述横肢一体浇筑成横向放置的T型结构，其特征在于：所述竖肢包括两块平行设置的端部加厚板以及分别与两块所述端部加厚板相连的开圆弧孔板，所述端部加厚板的厚度大于所述开圆弧孔板的厚度，所述开圆弧孔板包含结合板和排列在所述结合板两侧的多个沙漏型组件，所述结合板的中间部分与所述横肢固定相连，所述沙漏型组件的一端与所述端部加厚板的侧面相连并且另一端与所述结合板的侧面相连。

2.根据权利要求1所述的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，其特征在于：所述沙漏型组件的端部宽度和高度之比为3～4:5，所述沙漏型组件的中央宽度和端部宽度之比为1～2:5。

3.根据权利要求1所述的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，其特征在于：所述结合板的中间部分与所述横肢通过圆弧过渡连接，所述圆弧的半径为15～30mm。

4.根据权利要求3所述的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，其特征在于：所述结合板的长度不小于多个所述沙漏型组件的端部宽度之和并且不大于所述横肢的长度。

5.根据权利要求1所述的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，其特征在于：还包括分别设置在所述开圆弧孔板两侧的两块矩形板，所述矩形板沿自身长度方向的两端分别与两块端部加厚板相连并且其厚度小于所述端部加厚板的厚度，所述两块矩形板排列在相同的平面上并且与所述开圆弧孔板排列在不同的平面上，所述矩形板厚度和所述开圆弧孔板厚度之和小于所述端部加厚板的厚度。

6.根据权利要求5所述的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，其特征在于：所述两块矩形板的宽度之和与所述结合板的长度之和小于所述端部加厚板沿所述矩形板短边方向的长度。

7.根据权利要求5所述的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，其特征在于：所述矩形板与所述端部加厚板通过圆角过渡相连。

8.根据权利要求1至7中任一所述的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，其特征在于：所述端部加厚板沿自身长度方向开设有多个第一类螺栓孔，所述端部加厚板通过多个贯穿第一类螺栓孔的第一类螺栓与所述钢柱相连，所述横肢上开设有多个第二类螺栓孔，所述横肢通过多个贯穿第二类螺栓孔的第二类螺栓与所述钢梁相连。

9.根据权利要求8所述的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，其特征在于：第一类螺栓和第二类螺栓为高强螺栓。

10.一种钢结构梁柱连接节点，包括钢柱、钢梁、用于连接所述钢梁的上翼缘和所述钢柱的柱翼缘的T型件以及用于连接所述钢梁的下翼缘和所述柱翼缘的梁柱连接件，其特征在于：所述梁柱连接件为权利要求1至9中任一所述的用于钢结构梁柱连接的铸钢模块化连接件，所述梁柱连接件的横肢与所述下翼缘相连并且其竖肢与所述柱翼缘相连。