CN105839776B - 屈曲约束式钢梁柱端板连接节点和钢结构建筑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种屈曲约束式钢梁柱端板连接节点和钢结构建筑，属于建筑钢结构领域，所述屈曲约束式钢梁柱端板连接节点包括钢梁和钢柱，所述钢梁和钢柱的接合处设置有端部连接件，所述端部连接件包括一对水平设置的翼缘连接板和设置于所述翼缘连接板末端的端板，所述翼缘连接板的自由端用于与所述钢梁的上下翼缘连接，所述端板的两端用于与所述钢柱的翼缘连接，所述翼缘连接板的中部为削弱区。本发明抗震性能优越，能显著提高钢框架结构的延性和耗能能力；并将塑性铰外移，避免出现在钢梁端部焊接处；地震后钢梁和钢柱不损坏，只需更换或修复端部连接件即可重复使用；并且安装方便。

Description

屈曲约束式钢梁柱端板连接节点和钢结构建筑

技术领域

本发明涉及建筑钢结构领域，特别是指一种屈曲约束式钢梁柱端板连接节点和钢结构建筑。

背景技术

在多、高层装配式钢结构住宅中，如何令钢梁柱有效而快速的连接日渐成为一个重要的研究课题。因为钢梁柱连接节点是影响钢结构住宅力学性能的关键。它同时受到轴力、弯矩和剪力的作用，如图9所示，N为轴力，M为弯矩，V为剪力，传力机制复杂，因此是结构设计的重、难点。

目前装配式钢结构住宅中最常用的梁柱连接节点是端板连接节点。端板连接节点是预先将钢梁端部和带有螺栓孔的钢板(端板)焊接，再将带有端板的钢梁和钢柱用螺栓连接。这种节点是装配式钢结构中最常见的连接形式，具有施工步骤少的优点。但这种节点的焊接处存在严重的应力集中。在地震荷载下，塑性铰在钢梁端部(焊缝处)出现，焊缝易开裂，使节点的延性和耗能能力大幅下降。

为减少焊缝，装配式钢结构还常用全栓接节点。全栓接节点是将钢梁的上下翼缘用连接件(T形或L形)与钢柱相连。该节点的特点是现场无需焊接，全部使用高强螺栓连接。相比于其他节点，全栓接节点装配快速，符合建筑工业化要求。但由于撬力作用，连接件(T形或L形)与钢柱翼缘的连接螺栓容易受拉破坏，在钢梁受弯产生塑性铰前，连接件就与柱翼缘脱开。

因此，急需一种抗震性能优越，施工便捷可靠，现场焊接作业少，符合建筑工业化要求的新型节点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种屈曲约束式钢梁柱端板连接节点和钢结构建筑，本发明抗震性能优越，能显著提高钢框架结构的延性和耗能能力；并将塑性铰外移，避免出现在钢梁端部焊接处；地震后钢梁和钢柱不损坏；并且安装方便。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，包括钢梁和钢柱，所述钢梁和钢柱的接合处设置有端部连接件，所述端部连接件包括一对水平设置的翼缘连接板和设置于所述翼缘连接板末端的端板，所述翼缘连接板的自由端用于与所述钢梁的上下翼缘连接，所述端板的两端用于与所述钢柱的翼缘连接，所述翼缘连接板的中部为削弱区。

进一步的，所述翼缘连接板的自由端用于通过第一组螺栓与所述钢梁的上下翼缘连接，所述端板的两端用于通过第二组螺栓与所述钢柱的翼缘连接。

进一步的，所述翼缘连接板中部两侧有切槽/切口，形成削弱区；或者，所述翼缘连接板中部开有长孔，形成削弱区。

进一步的，所述翼缘连接板和端板的连接处设置有竖向加劲肋，所述第一组螺栓和第二组螺栓为摩擦型高强螺栓。

进一步的，所述翼缘连接板的外侧在所述削弱区的上方设置有盖板，所述盖板通过第三组螺栓与所述钢梁的翼缘连接，其中，所述第三组螺栓穿过所述切槽/切口或长孔。

进一步的，所述翼缘连接板从钢柱侧面至所述削弱区的范围内，沿着从内到外的方向，其截面面积逐渐减小，所述翼缘连接板厚度为6～30mm，宽度为80～400mm，长度不超过1000mm；所述盖板的厚度为6～34mm，宽度为80～400mm，长度不超过1000mm。

进一步的，所述端板的中部设置有用于通过第四组螺栓连接所述钢梁的腹板的剪力板，所述第四组螺栓为高强螺栓。

进一步的，所述剪力板上开有至少三个上下排布的螺栓孔，中间的螺栓孔为圆孔，上方和下方的两个螺栓孔为水平方向的长圆孔。

进一步的，所述钢柱的腹板两侧设置有竖向加劲钢板，所述钢柱的两个翼缘之间对应翼缘连接板的位置设置有水平加劲肋。

另一方面，提供一种钢结构建筑，包括上述屈曲约束式钢梁柱端板连接节点。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，通过在翼缘连接板的中部设置削弱区的方式，使钢框架在地震载荷下的塑性铰发生在翼缘连接板的削弱区，实现塑性铰出现的位置可控，并且通过合理的设计，在翼缘连接板的削弱区出现塑性铰时，钢梁和钢柱还保持弹性，使得塑性铰出现的时机可控避，这就避免了塑性铰出现在应力集中严重的钢梁的翼缘端部，使连接焊缝不开裂，在节点工作过程中钢梁和钢柱始终保持弹性，提高了钢框架结构的延性和耗能能力；此外，翼缘连接板中部的削弱区能降低钢柱侧面的弯矩，减少端板与钢柱的翼缘的连接螺栓数量；通过合理设计可以保证震后的钢梁和钢柱仍处于弹性状态，只需更换或修复端部连接件，该节点仍能重复使用。

附图说明

图1为本发明的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明中的端部连接件的实施例1的示意图；

图3为本发明中的端部连接件的实施例2的示意图；

图4为本发明中的端部连接件的实施例3的示意图；

图5为本发明中的端部连接件的实施例4的示意图；

图6为本发明中的端部连接件的实施例5的示意图；

图7为本发明中的端部连接件的实施例6的示意图；

图8为本发明中的端部连接件的实施例7的示意图；

图9为钢梁柱连接节点的受力原理图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明实施例提供一种屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，包括钢梁1和钢柱2，钢梁1和钢柱2的接合处设置有端部连接件3，端部连接件3包括一对水平设置的翼缘连接板31和设置于翼缘连接板31末端的端板32，翼缘连接板31的自由端用于与钢梁1的上下翼缘11连接，端板32的两端用于与钢柱2的翼缘21连接，翼缘连接板31的中部为削弱区33。

优选的，翼缘连接板31与端板32可以为焊接连接，并且两翼缘连接板31外边缘的距离优选为钢梁1的高度。

本发明实施例中，通过在翼缘连接板31的中部设置削弱区33的方式，使钢框架在地震载荷下的塑性铰发生在翼缘连接板31的削弱区33，实现塑性铰出现的位置可控，并且通过合理的设计，在翼缘连接板31的削弱区33出现塑性铰时，钢梁1和钢柱2还保持弹性，使得塑性铰出现的时机可控避，这就避免了塑性铰出现在应力集中严重的钢梁1的翼缘11端部，使连接焊缝不开裂；此外，翼缘连接板31中部的削弱区33能降低钢柱侧面的弯矩，减少端板32与钢柱2的翼缘21的连接螺栓数量；通过合理设计翼缘连接板31的厚度和削弱区33的削弱程度，可以保证震后的钢梁1和钢柱2仍处于弹性状态。

进一步的，翼缘连接板31的自由端可以用于通过第一组螺栓311与钢梁1的上下翼缘11连接，端板32的两端可以用于通过第二组螺栓321与钢柱2的翼缘21连接。端板32和钢柱2的翼缘21上设置有对应的第二组螺栓孔322，这种连接方式使得端部连接件3分别与钢梁1和钢柱2之间安装方便。

作为本发明实施例的一种改进，翼缘连接板31中部两侧有切槽/切口331，形成削弱区33，或者，翼缘连接板31中部开有长孔332，形成削弱区33。通过切槽/切口331或开长孔332的方式得到削弱区33，这种方法简单方便，易根据设计要求计算削弱区33的削弱程度，使得削弱区33出现塑性铰时，钢梁1和钢柱2还保持弹性，令塑性铰出现的时机可控。

优选的，翼缘连接板31和端板32的连接处可以设置有竖向加劲肋34，第一组螺栓311和第二组螺栓321优选为摩擦型高强螺栓。

竖向加劲肋34的设置能够增加翼缘连接板31和端板32之间的连接强度和刚度。摩擦型高强螺栓能够保证节点的连接强度，还能避免第一螺栓孔312和第二螺栓孔322受压变形。此外，削弱区33能降低钢柱2侧面的弯矩，避免第二组螺栓321受拉破坏。

本发明实施例中的翼缘连接板31通过摩擦型高强螺栓与钢梁1和钢柱2连接，可拆卸，翼缘连接板31可在工厂预制，并能在现场快速安装，避免现场施工焊缝，大幅加快施工进度，缩减工人用量，符合建筑工业化要求。

作为本发明实施例的另一种改进，翼缘连接板31的外侧在削弱区33的上方可以设置有盖板4，盖板4通过第三组螺栓42与钢梁1的翼缘11连接，其中，第三组螺栓42穿过盖板4上的第三组螺栓孔41和削弱区33的切槽/切口331或长孔332。盖板4至少覆盖削弱区33，第三组螺栓42优选为普通螺栓；盖板4和钢梁1的翼缘11对削弱区33起到屈曲约束作用，使削弱区33在受拉和受压下均能进入材料的屈服状态，并避免削弱区33在较大节点转角下因为发生局部屈曲而造成刚度和承载力的急剧降低；同时使得节点耗能能力更优异、延性好、滞回曲线饱满；通过调节第三组螺栓42的预紧力可以控制盖板4屈曲约束的程度。

本发明实施例中，盖板4通过第三组螺栓42与钢梁1的翼缘11连接时，不需要在削弱区33上额外打孔(额外打孔会使得计算好的削弱区33的屈服强度发生变化，使得塑性铰出现的时机不好掌握)，只需要将第三组螺栓42穿过削弱区33的切槽/切口331或长孔332即可，并且长孔332与第三组螺栓42是过盈配合，保证了削弱区33在受拉和受压下均能顺利进入材料的屈服状态(若是与第三组螺栓42直径相同的圆孔的话，那么在第三组螺栓42的作用下，盖板4、翼缘连接件31和钢梁1的翼缘11紧密结合，成为一个整体，削弱区33不容易进入屈服状态)。

并且，在翼缘连接件31与盖板4之间、翼缘连接件31与钢梁1的翼缘11之间根据实际要求可以添加润滑剂或其它柔性材料。

进一步的，端板32的中部优选设置有用于通过第四组螺栓351连接钢梁1的腹板12的剪力板35，第四组螺栓351优选为高强螺栓。剪力板35的一端可以预先焊接在端板32上，再将剪力板35的侧面与钢梁1的腹板12通过第四组螺栓351连接，剪力板35主要起承受节点剪力的作用，同时能够承受一部分弯矩和轴力。

优选的，剪力板35上可以开有至少三个上下排布的螺栓孔，中间的螺栓孔352优选为圆孔，上方和下方的两个螺栓孔353优选为水平方向的长圆孔。长圆孔能够防止节点大变形转动时，第四组螺栓351受到的剪力骤然增大，保护螺栓孔353不变形。

上述的实施例中，翼缘连接板31从钢柱2的侧面至削弱区33的范围内，沿着从内到外的方向(图2中箭头方向)，优选截面面积逐渐减小的形式，这种形式可以增大翼缘连接板31和端板32之间连接焊缝的长度，延缓其开裂，提高节点的延性，并增加节点在地震载荷下的刚度。这里给出端部连接件3的几个实施例：

实例1：如图2所示，翼缘连接板31的端部采用扩大截面形式，翼缘连接板31中部的削弱区33采用圆弧和直线混合切割的方式，第一组螺栓孔312错列布置。

实例2：如图3所示，翼缘连接板31的端部采用不扩大截面形式，翼缘连接板31中部的削弱区33采用圆弧和直线混合切割的方式，第一组螺栓孔312并列布置。

实例3：如图4所示，翼缘连接板31的端部采用不扩大截面形式，翼缘连接板31中部的削弱区33采用直线切割的方式，第一组螺栓孔312并列布置。

实例4：如图5所示，翼缘连接板31的端部采用不扩大截面形式，翼缘连接板31中部的削弱区33采用圆弧切割的方式，第一组螺栓孔312并列布置。

实例5：如图6所示，翼缘连接板31的端部采用不扩大截面形式，翼缘连接板31中部的削弱区33采用梯形切割的方式，第一组螺栓孔312并列布置。

实例6：如图7所示，翼缘连接板31的端部采用不扩大截面形式，翼缘连接板31中部的削弱区33采用长圆孔332的开孔方式，第一组螺栓孔312并列布置。

实例7：如图8所示，翼缘连接板31的端部采用不扩大截面形式，翼缘连接板31中部的削弱区33采用长条孔332的开孔方式，第一组螺栓孔312并列布置。

上述的各个实施例中，翼缘连接板31和盖板4的厚度根据设计要求决定，这里给出一个实施例，翼缘连接板31的厚度为6～30mm，宽度为80～400mm，长度不超过1000mm；所述盖板的厚度为6～34mm，宽度为80～400mm，长度不超过1000mm。

为了增加钢柱2的受力性能，钢柱2的腹板22两侧优选设置有竖向加劲钢板23，钢柱2的两个翼缘21之间对应翼缘连接板31的位置优选设置有水平加劲肋24。竖向加劲钢板23的设置避免了钢柱节点域受剪屈服，水平加劲肋24的设置可以防止钢柱2的翼缘21局部变形过大。

另一方面，本发明提供一种钢结构建筑，包括上述屈曲约束式钢梁柱端板连接节点。本发明的钢结构建筑能显著提高钢结构建筑节点的延性和耗能能力，抗震性能优越；地震后损伤集中在端部连接件，钢梁和钢柱不损坏；并且设计计算简单，节点安装方便。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，其性能优越、加工方便；所有构件均可在工厂预制，并能在现场快速拼装，避免现场施工焊缝，大幅加快施工进度，缩减工人用量，符合建筑工业化要求。

2.本发明的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点通过在翼缘连接板的中部切口或开孔形成削弱区的方式，使塑性铰发生在翼缘连接板的削弱区，使得塑性铰出现的位置可控；并且通过合理的设计，在翼缘连接板的削弱区出现塑性铰时，钢梁和钢柱还保持弹性，使得塑性铰出现的时机可控避，这就避免了塑性铰出现在应力集中严重的钢梁的翼缘端部，使连接焊缝不开裂；此外，翼缘连接板中部的削弱区能降低柱面弯矩，减少端板与钢柱的翼缘的连接螺栓数量。

3.本发明的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点使得钢梁上的荷载仅由端部连接件传递至钢柱，盖板和钢梁的上、下翼缘对翼缘连接板的削弱部分起到屈曲约束作用，削弱区在较大节点转角下不发生局部屈曲，使钢材强度高，塑性变形能力强的性能充分发挥；因而本发明所述的节点抗震性能好，延性大、耗能能力强。

4.本发明的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点与全栓接节点(采用T型或L型连接件连接)相比，第二组螺栓(与钢柱的翼缘的连接螺栓)的布置数量、位置更加灵活，适用的钢梁高度范围增加，且设计更简易。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，包括钢梁和钢柱，其特征在于，所述钢梁和钢柱的接合处设置有端部连接件，所述端部连接件包括一对水平设置的翼缘连接板和设置于所述翼缘连接板末端的端板，所述翼缘连接板的自由端用于与所述钢梁的上下翼缘连接，所述端板的两端用于与所述钢柱的翼缘连接，所述翼缘连接板的中部为削弱区，所述翼缘连接板的外侧在所述削弱区的上方设置有盖板，所述盖板通过第三组螺栓与所述钢梁的翼缘连接，所述翼缘连接板在沿着钢柱侧面至所述削弱区的范围内，其截面面积逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，其特征在于，所述翼缘连接板的自由端用于通过第一组螺栓与所述钢梁的上下翼缘连接，所述端板的两端用于通过第二组螺栓与所述钢柱的翼缘连接。

3.根据权利要求2所述的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，其特征在于，所述翼缘连接板中部两侧有切槽/切口，形成削弱区；或者，所述翼缘连接板中部开有长孔，形成削弱区。

4.根据权利要求3所述的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，其特征在于，所述翼缘连接板和端板的连接处设置有竖向加劲肋，所述第一组螺栓和第二组螺栓为摩擦型高强螺栓。

5.根据权利要求1-4中任一所述的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，其特征在于，所述端板的中部设置有用于通过第四组螺栓连接所述钢梁的腹板的剪力板，所述第四组螺栓为高强螺栓。

6.根据权利要求5所述的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，其特征在于，所述剪力板上开有至少三个上下排布的螺栓孔，中间的螺栓孔为圆孔，上方和下方的两个螺栓孔为水平方向的长圆孔。

7.根据权利要求6所述的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点，其特征在于，所述钢柱的腹板两侧设置有竖向加劲钢板，所述钢柱的两个翼缘之间对应翼缘连接板的位置设置有水平加劲肋。

8.一种钢结构建筑，其特征在于，包括权利要求1-7中任一所述的屈曲约束式钢梁柱端板连接节点。