CN104947802A - 一种钢管混凝土柱与外包u形钢混凝土组合梁连接节点 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，为了便于钢管内混凝土的浇筑，易于保证节点域内混凝土的浇筑质量，同时有利于焊接操作，易于确保焊缝质量，在U形钢底板处的钢管外侧焊接有外环板，所述外环板中沿组合梁长度方向的相对两端分别与切肢后的U形钢底板通过对接焊缝连接，其焊缝不易开裂，连接强度高，抗震性能好。所述钢管中沿组合梁长度方向的相对两端分别对应设置有可与负弯矩钢筋端部活动连接的套筒，套筒与钢管的外壁焊接，该结构形式可降低因在钢管侧壁上开孔造成对钢管承载力的削弱，同时又减少焊接工作量、便于施工与实现装配化。为了有效传递载荷，在钢管内腔与套筒位置对应处固定焊接有水平加劲板。

Description

一种钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点

技术领域

本发明涉及的是一种钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁，尤其是一种钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点。

背景技术

钢管混凝土柱是指在钢管内填充混凝土而形成的竖向构件，具有承载力高、塑性和延性好、刚度大、施工方便、耐火性能好等优点，近年来受到了工程界的广泛关注，在多高层建筑、桥梁工程中得到越来越多的应用。根据截面形式不同，钢管混凝土柱可以分为圆钢管混凝土柱、矩形钢管混凝土柱以及多边形钢管混凝土柱。外包U形钢混凝土组合梁是将钢板直接焊接或冷弯成带外翻边的U形钢，然后在U形钢内部及其上翼缘上部浇筑混凝土，并通过抗剪连接件将U形钢与T形截面混凝土连接在一起共同承担荷载，具有强度高、稳定性好、延性好、耐火性好、施工便捷等优越的性能。因而，由钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁形成的结构体系具有以下显著的优越性：

(1)能充分发挥钢材、混凝土两种材料的特性，材料消耗少：外包U形钢混凝土组合梁与钢管混凝土柱承载力高、刚度大，使得构件截面大幅度减小，不仅有效增大了空间使用面积，而且减少了钢材和混凝土的用量，有效降低了资源的消耗；

(2)工业化生产程度高：外包U形钢与钢管均可在工厂生产，其机械化、商品化程度较高，质量可靠稳定，有利于实现建筑技术的集成化和产业化；

(3)耐火性能增强：外包U形钢与钢管内填充的混凝土是较好的耐火材料，可吸收热量，延长构件的升温时间，增强结构的耐火性能；

(4)施工能耗低，施工速度快：外包U形钢与钢管不仅是受力构件，而且均可作为浇筑混凝土的模板，另外U形钢外伸的上翼缘可兼做楼板模板的支承，从而减少模板用量、脚手架搭设及支模工序，减少现场湿作业量、噪声和粉尘，符合绿色生态文明环保的建筑施工要求；

(5)材料回收利用率较高：该类结构部分材料是钢材，属于再生材料，当建筑物寿命周期结束时，其结构钢材可被回收利用；

(6)可采用与结构体系配套的轻质墙板、复合楼板等新型材料，具有良好的隔音保温性能，符合建筑节能的要求。

由此可见，钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁形成的结构体系具有良好的社会效益和经济效益。特别是随着国民经济建设的高速发展、住宅产业化的推广，这种绿色结构体系的应用前景将十分广阔。

在结构体系中，节点对结构来说无疑是最重要的，是结构构件间的传力枢纽，直接关系到结构的工作性能和安全性，合理的节点形式是开拓新型结构体系的前提。然而，目前国内外还没有外包U形钢混凝土组合梁与钢管混凝土柱形成的结构体系的应用实例和相关研究资料，主要是因为可用的节点形式非常匮乏。因此，随着对构件研究的不断深入，研究外包U形钢混凝土组合梁与钢管混凝土柱连接节点的合理构造形式，是开拓、推动这种绿色结构体系在工程中应用的关键技术，具有重要的理论意义和实用价值。

目前，有三种钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁的连接节点形式：(1)在组合梁底板位置处的钢管外侧设置下加强环板，并与组合梁底板搭接焊，组合梁侧板与钢管壁直接焊接，负弯矩钢筋通过在钢管壁上打孔连续贯通节点区；(2)在组合梁底板与翼板负弯矩钢筋位置处的钢管外侧设置上下加强环板，组合梁底板与下加强环板搭接焊，负弯矩钢筋在节点区断开，并与上加强环板焊接，组合梁侧板与钢管壁直接焊接；(3)对于宽扁梁，在节点上焊接类似“扁担”的负弯矩钢板，在组合梁底板位置处的钢管外侧设置外环板，组合梁底板与外环板焊接、上翼缘及侧板采用角焊缝与钢管壁直接连接。

现有的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点的可用形式很少。虽然钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁的连接可以借鉴上述三种连接节点的构造处理，但是这三种节点形式存在以下缺点。

1、结构形式(1)：负弯矩钢筋贯通型

(1)由于组合梁底板与下加强环板采用搭接焊，在地震荷载作用下，焊缝容易开裂，无法满足抗震要求；

(2)由于负弯矩钢筋全部贯通节点区，钢管壁上开洞数量多，因而对钢管承载力消弱较大，需要采取相应的补强措施，如补焊钢板、加劲肋、钢筋等，不仅增加了用钢量，而且增大了施工难度；

(3)由于组合梁侧板与钢管壁采用焊缝连接，现场焊接工作量大，不仅费力费时，而且焊缝质量难以保证，不利于大型工程使用。

2、结构形式(2)：负弯矩钢筋与加强环板焊接型

(1)由于组合梁底板与下加强环板采用搭接焊，在地震荷载作用下，焊缝容易开裂，无法满足抗震要求；

(2)由于负弯矩钢筋焊接在上加强环板上，以实现钢筋传递弯矩，所以这种焊接的质量要求很高。但是钢筋的焊接通常为现场焊，不仅焊接质量难以保证，而且由于钢筋的重力作用，焊接操作困难。另外，组合梁侧板与钢管壁也采用焊缝连接，进一步增加了现场的焊接工作量。这种需大量焊接操作的节点结构费力费时，导致施工周期长，不利于大型工程使用。

3、结构形式(3)：负弯矩钢板型

(1)由于节点中的负弯矩钢筋由类似“扁担”的负弯矩钢板代替，而负弯矩钢板需焊接在U形钢的外伸上翼缘及钢柱侧壁上，因此，该类型节点只适用于宽扁梁，无法适用于普通尺寸的外包U形钢混凝土组合梁，适用范围非常有限。另外，负弯矩钢板需焊接在组合梁和钢管上，进一步增加了现场的焊接工作量；

(2)由于组合梁侧板与钢管壁采用焊缝连接，现场焊接工作量大，不仅费力费时，而且焊缝质量难以保证，不利于大型工程使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，该节点便于钢管内混凝土的浇筑，易于保证节点域内混凝土的浇筑质量，同时有利于焊接操作，易于确保焊缝质量，可以避免钢管壁产生层状撕裂以及钢管外表面发生变形，避免了钢管侧壁开孔对其承载力的削弱，并能有效传递载荷，减少现场焊接工作量。

本方案是通过如下技术措施来实现的：该钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点包括外环板和水平加劲板，所述水平加劲板上设置有浇筑孔和透气孔，所述外环板与U形钢底板处的钢管外侧焊接，所述外环板中沿组合梁长度方向的相对两端分别与切肢后的U形钢底板通过对接焊缝连接；所述钢管中沿组合梁长度方向的相对两端分别对应设置有可与负弯矩钢筋端部活动连接的套筒，所述套筒与钢管的外壁焊接，所述水平加劲板位于钢管内腔与套筒位置对应处并与钢管内壁焊接固定。

上述套筒的中心线与负弯矩钢筋的中心线重合。

上述套筒与负弯矩钢筋端部的活动连接为螺纹连接。

上述U形钢的两侧板通过高强螺栓连接有连接板，所述连接板通过焊接方式与钢管混凝土柱中的钢管外壁连接。

上述外环板的四个角为坡面结构，所述坡面的坡度小于1：4。

上述U形钢底板的切肢长度为：沿组合梁的长度方向，外环板的一端伸出钢管外壁的长度。

上述外环板与U形钢底板处钢管外侧的焊接方式为带剖口的对接焊缝连接。

上述连接板与钢管混凝土柱中的钢管外壁的焊接方式为角焊。

上述套筒与钢管外壁采用的焊接方式为部分焊透与角接组合焊缝连接。

上述钢管的横截面为矩形、圆形或多边形。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，该钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点中，为了便于钢管内混凝土的浇筑，易于保证节点域内混凝土的浇筑质量，同时有利于焊接操作，易于确保焊缝质量，在U形钢底板处的钢管外侧焊接有外环板，所述外环板中沿组合梁长度方向的相对两端分别与切肢后的U形钢底板通过对接焊缝连接，其焊缝不易开裂，连接强度高，抗震性能好。所述钢管中沿组合梁长度方向的相对两端分别对应设置有可与负弯矩钢筋端部活动连接的套筒，所述套筒与钢管的外壁焊接，该焊接工作在工厂完成，从而减少了现场焊接工作量。这种结构形式可以降低因在钢管侧壁上开孔造成对钢管承载力的削弱，同时又减少焊接工作量、便于施工与实现装配化。为了进一步减少现场焊接工作量，U形钢侧板与钢管壁通过连接板采用高强螺栓连接，连接板通过角焊缝与钢管壁连接，焊接在工厂内完成。为了有效传递载荷，在钢管内腔与套筒位置对应处固定焊接有水平加劲板。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的主视结构示意图。

图2为图1中A-A剖面图。

图3为图1中B-B剖面图。

图4为图1的左视结构示意图。

图5为图1的俯视结构示意图。

图6为本发明具体实施方式的局部剖视立体结构示意图。

图7为外环板的结构示意图。

图8为水平加劲板的结构示意图。

图9为浇筑混凝土后节点的主视结构示意图。

图10为浇筑混凝土后节点的左视结构示意图。

图11为试件A-1的滞回曲线。

图12为试件B-1的滞回曲线。

图13为试件C-1的滞回曲线。

图14为三个试件的骨架曲线。

图中：1-钢管，2-U形钢，3-外环板，4-负弯矩钢筋，5-套筒，6-水平加劲板，7-连接板，8-高强螺栓，9-抗剪连接件，10-焊缝，11-透气孔，12-浇筑孔，13-钢管混凝土柱，14-组合梁，15-坡面。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

切肢：是指按要求将U形钢的底板切去一部分。

组合梁：是指外包U形钢混凝土组合梁的简称。

高强螺栓：是指高强度的螺栓，属于一种标准件。一般情况下，高强螺栓可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大。

一种钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，如图所示，它包括外环板3和水平加劲板6，所述水平加劲板6上设置有浇筑孔12和透气孔11，所述外环板3与U形钢2底板处的钢管1外侧焊接，优选外环板3与U形钢2底板处钢管1外侧的焊接方式为带剖口的对接焊。所述外环板3中沿组合梁14长度方向的相对两端分别与切肢后的U形钢2底板通过对接焊缝连接，优选U形钢2底板的切肢长度为：沿组合梁14的长度方向，外环板3的一端伸出钢管1外壁的长度，这种连接方式的连接强度高，焊缝10不易开裂，其抗震性能好，而且利于焊接操作。为了减缓外环板3与U形钢2底板连接处的应力水平，将外环板3的四个角制成坡面15的结构形式，所述坡面15的坡度小于1：4。

所述钢管1中沿组合梁14长度方向的相对两端分别对应设置有可与负弯矩钢筋4端部活动连接的套筒5，优选套筒5与负弯矩钢筋4端部的活动连接为螺纹连接，所述套筒5与钢管1的外壁焊接，优选套筒5与钢管1外壁采用的焊接方式为部分焊透与角接组合焊缝连接。套筒5的中心线与负弯矩钢筋4的中心线重合，套筒5与负弯矩钢筋4的端部螺纹连接，负弯矩钢筋4的端部进行车丝处理后直接拧入套筒5内，即与套筒5连接的负弯矩钢筋4在节点处断开，这种结构形式可以降低因在钢管1侧壁上开孔造成对钢管1承载力的削弱，同时又可以减少焊接工作量、便于施工与实现装配化。

所述水平加劲板6位于钢管1内腔与套筒5位置对应处，且水平加劲板6的周边与钢管1内壁焊接固定，通过水平加劲板6可以实现载荷的有效传递。

为了减少现场焊接工作量，所述U形钢2的两侧板通过高强螺栓8连接有连接板7，所述连接板7通过焊接方式与钢管混凝土柱13中的钢管1外壁连接,优选连接板7与钢管混凝土柱13中的钢管1外壁的焊接方式为角焊，该焊接工作在工厂内完成。

所述钢管1的横截面为矩形、圆形或多边形，该节点的适用范围比较广，且钢管1不断开，便于钢管1内混凝土的浇筑，易于保证节点域内混凝土的浇筑质量。

下面通过具体实验来说明本发明的有益效果。

一、试件说明

表1 试验试件尺寸

注：表中试件尺寸单位均为mm

表中的试件A-1为本发明中的外环板钢筋套筒式节点；试件B-1为外环板钢筋截断式节点，其与本发明的区别为负弯矩钢筋在节点区断开；试件C-1为外环板部分钢筋贯穿式节点，其与本发明的区别为一部分钢筋在节点区断开，一部分钢筋贯穿节点区。与试件A-1相比，试件B-1、C-1除了钢筋的连接方式不同之外，U形钢侧板与钢管壁的连接方式也不相同，即试件A-1与钢管壁通过连接板采用高强螺栓连接，而试件B-1、C-1与钢管壁直接采用角焊缝连接。

二、试验条件和方法

试验采用在钢管1顶部施加竖向荷载，组合梁14端施加低周反复荷载的方式测试节点的抗震性能。试验时，将节点试件安装在反力架内，钢管1的下端放于与地面相连的球铰支座，该支座约束钢管1底部的水平、竖向移动及平面外转动，允许钢管1底部在试件平面内自由转动。为了避免钢管底部与支座偏心引起节点的附加弯矩，安装试件时，尽量使钢管1截面形心与球铰支座中心对齐。加载过程中，为了防止钢管1发生侧向偏移，在钢管1的顶部设置水平支撑，同时为了不约束钢管1顶部的转动，在支撑与钢管1壁连接处设置线铰，即在左右支撑前端的角钢背面焊接圆钢，并设置长圆孔用紧固螺栓连接两支撑。钢管1顶部竖向荷载由支承于加载短柱上的200吨油压千斤顶提供，组合梁14端低周反复荷载由两个支承于反力架横梁上的50吨MTS作动器施加，作动器的行程为±350mm。

三、三种试件的试验数据对比

通过对三种不同构造的节点进行低周反复荷载作用下的抗震性能试验研究，完整记录节点在弹性、屈服、强化和破坏阶段的P-Δ滞回曲线、骨架曲线等试验数据，考察各类节点的承载力、延性、耗能能力等抗震性能指标，对比分析不同构造节点的抗震性能。

1、荷载(P)-位移(Δ)滞回曲线：

由三种节点试件的滞回曲线可以看出，试件A-1的滞回曲线最为饱满，节点破坏时的位移较大，表现出了较好的延性和耗能能力；而试件B-1由于部分钢筋与外环板的连接焊缝开裂，试件C-1由于贯穿钢筋发生滑移、两节点的变形发展都不充分，节点达到极限荷载时位移较小。

2、荷载(P)-位移(Δ)骨架曲线：

由各节点试件骨架曲线确定的特征荷载和特征位移如表2所示，表中的正荷载值表示梁承受正弯矩，负值表示梁承受负弯矩。

表2 各节点的特征荷载和特征位移

由图11、图12、图13和表2可以看出，试件A-1的承载能力明显高于试件B-1、C-1。

3、延性和耗能能力：

表3 试件的延性与耗能

试件编号	μ	E	he
				A-1	2.48	1.19	0.189
B-1	1.91	0.92	0.147
				C-1	2.04	0.86	0.137

试件A-1的延性系数μ、能量耗散系数E、等效粘滞阻尼系数he明显大于试件B-1、C-1，由此可见，试件A-1的延性和耗能能力明显优于试件B-1、C-1，具有较好的抗震性能。

本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：它包括外环板和水平加劲板，所述水平加劲板上设置有浇筑孔和透气孔，所述外环板与U形钢底板处的钢管外侧焊接，所述外环板中沿组合梁长度方向的相对两端分别与切肢后的U形钢底板通过对接焊缝连接；所述钢管中沿组合梁长度方向的相对两端分别对应设置有可与负弯矩钢筋端部活动连接的套筒，所述套筒与钢管的外壁焊接，所述水平加劲板位于钢管内腔与套筒位置对应处并与钢管内壁焊接固定。

2.根据权利要求1所述的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：所述套筒的中心线与负弯矩钢筋的中心线重合。

3.根据权利要求1或2所述的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：所述套筒与负弯矩钢筋端部的活动连接为螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：所述U形钢的两侧板通过高强螺栓连接有连接板，所述连接板通过焊接方式与钢管混凝土柱中的钢管外壁连接。

5.根据权利要求4所述的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：所述外环板的四个角为坡面结构，所述坡面的坡度小于1：4。

6.根据权利要求5所述的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：所述U形钢底板的切肢长度为：沿组合梁的长度方向，外环板的一端伸出钢管外壁的长度。

7.根据权利要求6所述的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：所述外环板与U形钢底板处钢管外侧的焊接方式为带剖口的对接焊缝连接。

8.根据权利要求7所述的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：所述连接板与钢管混凝土柱中的钢管外壁的焊接方式为角焊。

9.根据权利要求8所述的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：所述套筒与钢管外壁采用的焊接方式为部分焊透与角接组合焊缝连接。

10.根据权利要求9所述的钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点，其特征在于：所述钢管的横截面为矩形、圆形或多边形。