CN105821968A - 多腔钢管混凝土组合柱与钢梁u形连接节点及装配方法 - Google Patents
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Abstract
多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点及装配方法，包括焊接于多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板，钢板之间设置有边底板，钢梁上翼缘设置有上盖板，钢梁的腹板处设置有两根连接角钢，上盖板、边底板与钢板连接。梁、柱之间的物理隔离改变了传统节点的传力路径，消除了三轴应力集中，不仅能使塑性铰由节点处外移到梁上，而且消除了传统节点柱翼缘撕裂破坏和节点转动能力对柱腹板薄弱板区的依赖的缺陷。满足“强柱弱梁，强节点弱构件”的设计及原则。同时节点可以分为2部分分别在工厂预制完成，现场安装只需简单装配，节点构造简单装配化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑工程技术领域的多腔钢管混凝土组合柱结构体系，具体是一种多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形连接节点及装配方法。
背景技术
多腔钢管混凝土组合柱结构体系作为一种新型的钢管混凝土柱结构体系解决了住宅体系中柱脚外凸的问题，同时这种新型结构体系充分发挥了钢管和混凝土两种材料的长处，具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便等优点。
目前我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》(GECS159：2004)提供的用于钢管混凝土组合柱钢梁节点主要由内隔板式、外环板式等形式的节点。但到目前为止，现有技术中钢管混凝土组合柱与钢梁节点连接存在以下不足：
(1)内隔板式节点中的内隔板与梁的翼缘在同一水平面内时，节点满足刚性节点的要求，但这种节点当管柱边较长时才能使用。因为当边长较小时不仅焊接困难，而且将妨碍管内混凝土浇筑，另外梁翼缘与内隔板在柱壁同一处两侧熔透焊缝，钢材产生较大焊接残余应力，使得节点处的钢材容易产生分层或脆性破坏。
(2)影响建筑外观和使用。如外环板节点，该节点施工简单、传力明确，并不受钢管边长的限制，但需要足够大的水平环板保证节点的强度，用钢量比内隔板节点大。并应用于边角柱时，水平环板不仅妨碍墙板的安装，而且造成加强环突出建筑立面，使得室内外节点处有凸角，影响观感，需要靠装饰或吊顶来解决。
(3)节点力学性能和施工的简易性、经济性不能两全。在实际应用中，有些节点类型力学性能较好，节点的整体刚度也好，但材料用量大，施工复杂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形连接节点及装配方法，通过采用梁端与柱壁缘分离和全高度侧板，满足“强柱弱梁，强节点弱构件”的设计原则，同时该节点现场安装时避免了传统节点的熔透焊，均采用单一方向的角焊缝连接，焊缝质量高，节点构造简单，传力明确，装配程度高。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现。
多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点，包括焊接于多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板，多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板之间还设置有边底板，边底板的两侧分别与设置在多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板底部相连接，边底板与钢板组成U形空腔，钢梁上翼缘设置有上盖板，钢梁的腹板处两侧对称设置有连接角钢，钢梁下翼缘与边底板通过角焊缝相连接，上盖板与钢板通过角焊缝连接。
所述多腔钢管混凝土组合柱包括位于两端的暗柱，两个暗柱之间设置有相平行的腹板，腹板之间通过隔板连接。
所述钢板通过焊缝焊接于多腔钢管混凝土组合柱上。
所述上盖板通过角焊缝与钢板连接。
所述边底板通过双面角焊缝与钢板连接。
每个钢板上均开设有定位开孔，连接角钢上开设有孔，通过螺栓将钢板和连接角钢固定。
所述钢梁为工字钢梁。
所述钢梁端部设置有加劲肋。
一种多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点的装配方法，先将钢板通过焊缝固定在多腔钢管混凝土组合柱两侧，再将边底板与多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板底部连接，形成U形空腔，得到预制好的多腔钢管混凝土组合柱，再将上盖板焊接于带有加劲肋的工字钢梁上翼缘上，将连接角钢对称焊接于工字钢梁腹板两侧，得到预制好的钢梁；然后将预制好的多腔钢管混凝土组合柱和钢梁运输到现场，将混凝土浇筑于多腔钢管混凝土组合柱内，再将预制好的钢梁从上向下吊装到节点区域，使得钢梁下缘翼与边底板连接，并通过螺栓固定连接角钢与钢板，然后再采用角焊缝分别将钢板与上盖板连接，将连接角钢与钢板通过角焊缝连接，完成装配。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)多腔钢管混凝土组合柱—钢梁U形刚性连接节点连接方式以及传力方式独特，由于梁端与柱壁分离和全高度侧板的使用。梁、柱之间的物理隔离改变了传统节点的传力路径，消除了三轴应力集中，不仅能使塑性铰由节点处外移到梁上，而且消除了传统节点柱翼缘撕裂破坏和节点转动能力对柱腹板薄弱板区的依赖的缺陷，满足“强柱弱梁，强节点弱构件”的设计及原则。
(2)由于全高度钢板的使用，多腔钢管混凝土组合柱身保持完整性，使得钢管内混凝土浇筑更加方便，容易保证节点域混凝土的浇筑质量。
(3)由于钢板与钢管混凝土组合柱只在外柱壁通过焊缝连接，钢管混凝土内部没有焊缝，与传统节点相比，该节点构造简单，受力合理。
(4)由于钢梁只通过上盖板、边底板以及连接角钢将弯矩剪力传递给双侧板，使得钢梁可以与柱端分离，减少了钢梁的净跨，可以一定程度上降低钢梁的高度，满足住宅用户对住宅功能的需求。
(5)该节点装配化程度高，钢管柱、双侧板、边底板、钢梁、上盖板和连接角钢均可在工厂预制完成，减少安装的焊接工作量，现场安装只需定位装配。节点形式简单，装配化程度高，安装方便快捷。由于现场安装时避免采用传统的熔透焊，传统熔透焊容易使钢材产生较大焊接残余应力，使得节点处的钢材容易产生分层或脆性破坏。本发明节点现场安装时全部采用单边角焊缝连接，焊缝质量容易保证，节点连接可靠。
附图说明
图1为本发明的剖视图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明的双侧板节点构造图；
图4为预制多腔钢管混凝土组合柱的示意图；
图5为预制钢梁的示意图。
图6为本发明的装配示意图。
图7为梁上下翼缘屈服示意图。
图8为梁端出现塑性铰示意图。
图9为盖板破坏示意图。
图10为最终破坏示意图。
图11为滞回曲线图。
图中，1为多腔钢管混凝土组合柱，2为钢梁，3为钢板，4为上盖板，5为边底板，6为连接角钢，7为螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1、图2和图3，本发明包括设置在多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板3，即2个钢板设置在多腔钢管混凝土组合柱两侧，并且钢板3通过焊缝设置在多腔钢管混凝土组合柱上，多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板3之间还设置有边底板5，边底板5的两侧分别与设置在多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板3底部相连接，边底板5与钢板3组成U形空腔。
钢梁上翼缘设置有上盖板4，钢梁的腹板处设置有两根连接角钢6，两根连接角钢对称焊接于钢梁的腹板两侧，钢梁设置在空腔内，并且钢梁下翼缘与边底板5相连接，上盖板4通过角焊缝与钢板3连接，即钢梁上翼缘与上盖板焊接，钢梁下翼缘与边底板围焊，通过上盖板、边底板将钢梁连接于多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板3的外伸端，连接角钢将钢梁腹板与钢板3连接，钢梁梁端与柱端分离。
本发明中多腔钢管混凝土组合柱包括位于两端的暗柱，两个暗柱之间设置有相平行的腹板，腹板之间通过隔板连接，混凝土浇筑其中。
每个钢板3上均开设有定位开孔，连接角钢6上开设有孔，通过螺栓7穿过钢板上的定位开孔和连接角钢上的孔，将钢板和连接角钢固定。
所述钢梁为工字钢梁，并且钢梁端部设置有加劲肋。
上述多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点的装配方法，参见图4，预先在钢板按照设计定位开孔，再将钢板3通过焊缝固定在多腔钢管混凝土组合柱两侧，再将边底板5与多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板3底部连接，具体通过双面角焊缝连接，形成U形空腔，得到预制好的多腔钢管混凝土组合柱，参见图5，先在连接角钢6上开设孔洞，再将上盖板4焊接于带有加劲肋的工字钢梁上翼缘上，将两根连接角钢6设置在工字钢梁腹板处，得到预制好的钢梁；参见图6，然后将预制好的多腔钢管混凝土组合柱和钢梁运输到现场，将混凝土浇筑于多腔钢管混凝土组合柱内，再将预制好的钢梁从上向下吊装到节点区域，使得钢梁下缘翼与边底板5连接，并通过安装螺栓固定连接角钢6与钢板3，安装螺栓起临时固定的作用，再采用角焊缝分别将钢板3与上盖板4连接，钢板3与边底板5连接，将连接角钢6与钢板3进行焊接，完成装配。
本发明中可以在工厂预制完成钢板和边底板，按照定位焊接于多腔钢管混凝土组合柱两侧。在工厂内先预制钢梁、上盖板和连接角钢，然后再于工厂内将上盖板按照设计尺寸焊接于钢梁上翼缘将连接角钢焊接按照定位尺寸在钢梁腹板处，上述过程均是在工厂中提前预制好的，节省了现场制作的不便，提高了效率。现场安装时，将钢梁自上而下吊装定位于节点区域，连接角钢和多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板通过安装螺丝连接，固定钢梁的位置。本发明节点有两大创新：梁端与柱壁缘分离和全高度侧板的使用。梁、柱之间的物理隔离改变了传统节点的传力路径，消除了三轴应力集中，不仅能使塑性铰由节点处外移到梁上，而且消除了传统节点柱翼缘撕裂破坏和节点转动能力对柱腹板薄弱板区的依赖的缺陷。满足“强柱弱梁，强节点弱构件”的设计及原则。同时节点可以分为2部分分别在工厂预制完成，现场安装只需简单装配，节点构造简单装配化程度高。
下面对本发明的破坏模式和节点的抗震性能进行说明。
现以多腔钢管混凝土组合柱—钢梁U形刚接节点为列说明新型节点的力学性能。利用ABAQUS软件对节点进行有限元分析，节点柱为200x600的多腔钢管混凝土组合柱，梁采用H350x150x6x10的焊接工字钢，节点处双侧板以及盖板厚度均与梁翼缘同厚。有限元分析结果如下。
1.破坏模式
本发明的多腔钢管混凝土组合柱—钢梁刚性连接节点，由于采用多腔钢管混凝土组合柱，钢管对混凝土有较强的约束作用，柱身整体的承载力以及延性均比较好，实现了强柱弱梁，强节点弱构件的设计要求。本发明的连接节点的破坏顺序如图7-11所示。(1)当水平外力作用时，节点区域梁端上下翼缘首先进入塑性，而盖板和侧板除了少部分应力集中区域屈服外，其余大部分区域钢材仍处于弹性阶段(如图7所示)。(2)随着外力增大,梁端先于其他部分首先出现塑性铰(如图8所示)，此时盖板部分区域钢材屈服进入塑性阶段，而侧板除少部分应力集中区域外，大部分区域钢材仍处于弹性阶段。(3)由于钢材材料的强化作用，当外力荷载持续增大时，盖板两侧与侧板连接区域钢板剪切屈服，钢材进入塑性发展阶段，此时节点侧板大部分区域仍处于弹性阶段，只有少部分应力集中处钢板屈服(如图9所示)。(4)如图10所示，随着荷载的不断增加，结构最终破坏，此时梁端上下翼缘屈曲，而侧板仍只有部分进入塑性阶段，节点区域的侧板大部分仍处于弹性阶段。
2.节点的抗震性能
根据抗震概念设计原则，结构应具备多道抗震设防线，避免因部分构件破坏而导致整体体系破坏，同时也要求结构应具备必要的强度、良好的变形能力和耗能能力。本发明的刚性连接节点，采用柱与梁端隔离的方式，通过全高度侧板以及盖板构成的节点连接件来传递梁端弯矩以及剪力。
由于上述的破坏顺序，当地震作用时，梁端首先出现塑性铰，消耗一定的地震能量，之后盖板剪切屈服，进一步耗散地震能量，最终破坏时，节点区域侧板只是部分屈服进入塑性，大部分仍处于弹性阶段。整体结构满足“强柱弱梁，强节点弱构件”的设计原则。
延性是指结构或破坏之前，其承载力无显著降低的条件下经受非弹性变形能力，在结构的抗震设计中，延性指标是一个重要特性。多腔钢管混凝土组合柱—钢梁U形刚接节点的层间位移角为7％—10％，满足我国规范要求。
当结构处于地震作用时，结构有一个能量吸收和耗散的持续过程。当结构进入弹塑性状态时，其抗震性能主要取决于构件耗能能力。滞回曲线中加载阶段曲线所包围的面积可以反映结构吸收能量的大小；而卸载时的曲线与加载时曲线所包围的面积即为耗散能量。这些能量是通过材料的内摩阻或局部损伤而将能量变为热能散失到空间中去。散失的能量越多，结构破坏的可能性越小。由于上述的节点破坏顺序，梁端以及盖板先后耗散大量地震能量，最终保证节点的具有较好的耗能能力。如图11所示，节点的滞回曲线饱满，没有明显的捏缩现象，耗散大量地震能量，节点的耗能能力好，具有较强的抗震性能。
Claims (9)
1.多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点，其特征在于，包括焊接于多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板(3)，多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板(3)之间还设置有边底板(5)，边底板(5)的两侧分别与设置在多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板(3)底部相连接，边底板(5)与钢板(3)组成U形空腔，钢梁上翼缘设置有上盖板(4)，钢梁的腹板处两侧对称设置有连接角钢(6)，钢梁下翼缘与边底板(5)通过角焊缝相连接，上盖板(4)与钢板(3)通过角焊缝连接。
2.根据权利要求1所述的多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点，其特征在于，所述多腔钢管混凝土组合柱包括位于两端的暗柱，两个暗柱之间设置有相平行的腹板，腹板之间通过隔板连接。
3.根据权利要求1所述的多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点，其特征在于，所述钢板(3)通过焊缝焊接于多腔钢管混凝土组合柱上。
4.根据权利要求1所述的多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点，其特征在于，所述上盖板(4)通过角焊缝与钢板(3)连接。
5.根据权利要求1所述的多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点，其特征在于，所述边底板(5)通过双面角焊缝与钢板(3)连接。
6.根据权利要求1所述的多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点，其特征在于，每个钢板(3)上均开设有定位开孔，连接角钢(6)上开设有孔，通过螺栓(7)将钢板和连接角钢固定。
7.根据权利要求1所述的多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点，其特征在于，所述钢梁为工字钢梁。
8.根据权利要求1所述的多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点，其特征在于，所述钢梁端部设置有加劲肋。
9.一种多腔钢管混凝土组合柱与钢梁U形刚性连接节点的装配方法，其特征在于，先将钢板(3)通过焊缝固定在多腔钢管混凝土组合柱两侧，再将边底板(5)与多腔钢管混凝土组合柱两侧的钢板(3)底部连接，形成U形空腔，得到预制好的多腔钢管混凝土组合柱，再将上盖板(4)焊接于带有加劲肋的工字钢梁上翼缘上，将连接角钢(6)对称焊接于工字钢梁腹板两侧，得到预制好的钢梁；然后将预制好的多腔钢管混凝土组合柱和钢梁运输到现场，将混凝土浇筑于多腔钢管混凝土组合柱内，再将预制好的钢梁从上向下吊装到节点区域，使得钢梁下缘翼与边底板(5)连接，并通过螺栓固定连接角钢(6)与钢板(3)，然后再采用角焊缝分别将钢板(3)与上盖板(4)连接，将连接角钢(6)与钢板(3)通过角焊缝连接，完成装配。
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