CN106677336A - 一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造及作法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，该连接节点构造由方钢管混凝土柱、工字形截面钢梁、直角连接板、“T”形三角肋板、高强螺栓、钢梁顶面的栓钉组成。与现有技术相比，本发明所述梁柱连接节点构造用钢量少，而且可以仅在有梁的柱一侧设置，综合成本较低。本发明所述梁柱连接节点设计为梁端受拉破坏的延性破坏模式，破坏前有明显征兆和持续时间，局部破坏不会导致结构整体坍塌。钢梁与钢管混凝土柱连接牢固、整体性好、节点刚度大、装配简单而且工期短，不产生新的建筑垃圾，符合住宅产业化、绿色环保的要求，是适用于当前低层、多层轻钢框架住宅建筑梁柱连接的一种新型节点连接型式。

Description

一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造及 作法

技术领域

本发明涉及一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造及作法，属于建筑工程技术领域。

背景技术

近年来随着我国钢产量的提高和人们对环保节能、住宅产业化要求的日益提高，污染小、工期短、保温节能效果良好的装配式轻钢结构引起了政府和研究机构的高度重视，越来越多的学者对这种结构展开了深入的研究。在装配式轻钢结构中，传统的钢框架多为工字形截面钢柱，由于工字形截面两个主轴方向的惯性矩相差较大，在强轴方向其抗侧承载力及刚度较大，但在弱轴方向则较小，因此在长宽比较大的建筑中，把弱轴方向布置在建筑的长边方向，可有效避免建筑物在弱轴方向的过大侧移，这也是钢结构工业厂房、仓库等结构的习惯做法。

但是在多层装配式轻钢住宅中，长宽比接近1，如果采用工字形截面柱，柱在两个主轴方向的惯性矩差异对抗震是十分不利的。方钢管混凝土柱两个主轴方向惯性矩相同，是适用于多层装配式轻钢住宅的理想型式。方钢管混凝土柱代替了工字钢柱后，梁柱连接节点也要针对正方形截面柱进行设计，目前针对正方形截面柱的梁柱节点主要有内隔板式节点和外加强环式节点，主要适用于高层和大跨的钢结构中，而对于四层以下、荷载较小、跨度小、需要装配化施工的轻钢住宅结构，沿用上述节点构造型式的话会造成工期长、成本高的问题，而且不利于装配化施工。基于此，本发明提出了一种可以装配化施工的方钢管混凝土柱和工字形截面钢梁的连接节点构造及作法，具有构造简单、受力明确、延性好、装配工期短的特点，特别适用于多层轻钢框架结构住宅，可在保证建筑安全性的同时，提高轻钢框架的经济性和施工安装效率，为住宅产业化、建筑装配化提供技术参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造及作法，以解决在多层轻钢框架结构住宅中正方形截面钢柱与工字形截面钢梁连接节点成本高、工期长、不利于装配化施工等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，该节点构造包括方钢管混凝土柱(1)、工字形截面钢梁(2)、直角连接板(3)、“T”形三角肋板(4)、高强螺栓(5)、钢梁顶面的栓钉(6)；“T”形三角肋板(4)的竖直边和水平边都和直角连接板(3)用双面直角角焊缝连接，因而具有较大刚度；直角连接板(3)通过上焊缝(8)、下焊缝(10)、左焊缝(7)、右焊缝(9)四条焊缝和方钢管混凝土柱(1)的侧面连接；上下两个直角连接板(3)分别用高强螺栓和工字形截面钢梁(2)的上、下翼缘连接，直角连接板(3)对工字形截面钢梁(2)形成约束，钢梁顶面的栓钉(6)均匀等间距设置在工字形截面钢梁(2)上，整个节点构造具有较高的受弯和受剪承载力。

所述的方钢管混凝土柱(1)中的方钢管是在工厂中一次性热轧成型，截面为正方形，边长为100～200mm，壁厚为4mm～10mm，内灌普通混凝土或再生混凝土，粗骨料粒径应在5～20mm。所述的方钢管混凝土柱(1)能充分发挥两种材料的优点，利用钢管对混凝土的约束效应，提高了混凝土的承载能力；而内部混凝土的存在使钢管不会产生局部屈曲。在工程实践中，钢管混凝土柱具有刚度大、承载力高、耐火性能好、保温性能好等优点。

所述的工字形截面钢梁(2)是将楼板、填充墙等荷载传给柱子的构件，一般为热轧型钢，为增强其在端部的刚度，需要在端部设置两道加劲肋，加劲肋厚度应不小于工字形截面钢梁(2)的腹板厚度。第一道加劲肋设置在梁端，第二道设置在直角连接板(3)之外。由于直角连接板(3)的上连接板下边缘和下连接板上边缘需要与方钢管混凝土柱(1)焊接，焊缝处会有凸起，在装配施工前需要将工字形截面钢梁(2)的端部上下各打磨掉5～8mm三角形缺口。然后在工字形截面钢梁(2)的梁顶面均匀设置栓钉。

所述的直角连接板(3)是梁柱连接节点的关键部件，其钢板厚度应等于或稍大于工字形截面钢梁(2)的上下翼缘，水平外伸长度可为工字形截面钢梁(2)梁高的0.6～1倍；竖向高度可为工字形截面钢梁(2)梁高的0.4～0.8倍；其宽度一般与工字形截面钢梁(2)的翼缘宽度相同。直角连接板(3)应在工厂里和方钢管混凝土柱(1)预先焊好，每个节点由上下两片直角连接板(3)组成，而每片直角连接板与方钢管混凝土柱(1)由四条直角角焊缝连接，如图3所示，焊接时其焊缝质量控制等级应为一级或二级。

“T”形三角肋板(4)整体呈三角形，断面呈“T”形，斜边焊接有一道与三角形平面垂直的钢板条，三角形钢板与垂直钢板条的厚度和直角连接板(3)相同。其水平直角边与直角连接板(3)的水平面焊接，焊缝为双面直角角焊缝；其竖直直角边与直角连接板(3)的竖直面焊接，焊缝也为双面直角角焊缝。“T”形三角肋板(4)由于截面为“T”形，刚度远大于普通加劲肋，和直角连接板(3)焊接在一起，形成刚度较大的刚体，再通过高强螺栓(5)与工字形截面钢梁(2)连接，可对工字形截面钢梁(2)形成较强的约束，经试验证明，该梁柱链接节点型式的抗弯承载力、抗剪承载力都较普通连接节点有大幅提高。

高强螺栓(5)是整个梁柱连接节点的重要环节，其材料应为45#钢、合金钢(如20MnTiB、35VB)或其它优质钢材，制成后应进行热处理，其直径应通过计算和参考构造要求来确定，其螺栓级别应为8.8级或更高。其长度一般以在螺母外露出10～30mm为宜。为方便装配施工，装配上翼缘时螺母应安装在直角连接板(3)的顶面，装配下翼缘时螺母应安装在直角连接板(3)的底面。装配时为避免不同螺栓的松紧程度不同，应采用扭矩扳手进行装配，每个螺栓的设定扭矩应相同。

钢梁顶面的栓钉(6)是加强工字形截面钢梁(2)与混凝土楼板连接的重要构造，其长约40mm，直径5～8mm，沿梁顶中线设一道，水平间距可为80～150mm，施工楼板时与混凝土楼板整体浇注。

本发明涉及一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造及作法，其具体作法如下(如图1到图4所示)：

第一步：在钢构件车间加工直角连接板，需要切割、冷弯、焊接、打磨等工序，具体顺序为先焊接三角形肋板和钢板条形成“T”形三角肋板，再把“T”形三角肋板和直角连接板焊接。如图1所示。

第二步：在钢构件车间把直角连接板和方钢管柱在设计位置焊接连接。注意每个节点有上下两个直角连接板，每个直角连接板和柱侧面有上、下、左、右四条焊缝，分别如图2和图3所示。加工出方钢管柱的柱脚底板和柱脚加劲肋。

第三步：首先在工字形截面钢梁的端部焊接加劲肋板，加劲肋厚度应不小于工字形截面钢梁的腹板厚度，加劲肋板在腹板两侧各有两道，第一道加劲肋设置在梁端，第二道设置在直角连接板外边缘处。然后按设计位置加工工字形截面钢梁的上下翼缘的螺栓孔。最后在钢构件车间焊接工字形截面钢梁顶面的栓钉。

第四步：在施工现场用螺栓安装带直角连接板的方钢管柱，浇筑普通混凝土或者再生粗骨料混凝土。在工字形截面钢梁的端部上下各切割出长和高均为6～8mm的三角型缺口，打磨光滑。然后把工字形截面钢梁水平滑入两侧方钢管柱的上下直角连接板之间。待滑到设计位置，用高强螺栓拧紧固定。如图4和图5所示。

第五步：待结构所有梁柱施工完成以后，在栓钉所在位置扎筋、支模，浇筑楼板。待楼板达到设计强度，就形成了装配式轻钢框架的梁板柱结构体系。

与现有技术相比，本发明涉及的方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造及作法，具有以下优势：

(1)节点构造简单，布置灵活。在钢框架结构中，中柱需要和四根梁连接，边柱连接三根梁，角柱连接两根梁。现有的内隔板式节点和外加强环式节点不管连接几根梁都需要整体设置，而本发明涉及的节点连接构造只需要在有梁的位置设置上下直角连接板，例如角柱可以只在柱的两侧设置直角连接板，边柱只在三边设置，而且每个柱的各个直角连接板用钢量之和明显小于现有连接技术，因而成本大大降低。

(2)受力明确，便于针对不同荷载进行设计，提高连接节点的可靠度。本发明涉及的节点连接构造中，每个节点把梁端的弯矩、剪力传递给上下8条焊缝，这8条焊缝布置规则均匀，可针对不同荷载调整其连接板钢板厚度和焊缝长度，以明确连接节点的受力和可靠性。而现有的内隔板式节点和外加强环式节点是整体式节点，难以根据单根梁的荷载变化作出调整，只能整体变厚变长，局部受力和可靠性难以明确，成本较高。

(3)工业化水平高。本发明涉及的节点连接构造包含的方钢管混凝土柱、直角连接板、“T”字形三角肋板等均为工厂规模化生产，生产精度高、质量容易控制、节省资源、方便运输，可针对不同梁柱截面生产出统一标准、不同规格的标准件进行装配，有利于实现住宅产业化。

(4)运输、安装方便。本发明涉及的预制连接件重量轻，体积小，运输安装方便。可显著减少施工现场工作量，加快施工进度，而且基本实现无废料。采用本发明提出的方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造可把焊接钢板、切割钢板等有严重噪音、光等污染的工序布置在构件工厂进行，节约资源、节省人工、减少管理费用，减少施工带来的建筑垃圾、噪音等环境污染，而且确保工程质量。

附图说明

图1是一种初步加工的方钢管柱、带“T”字形三角肋的上下直角连接板、工字形截面钢梁的立体示意图；

图2和图3是把方钢管柱和上下直角连接板焊接的立体示意图；

图4和图5是把带直角连接板的方钢管柱和工字形截面钢梁对齐、用高强螺栓装配的流程示意图。

图中：1、方钢管混凝土柱，2、工字形截面钢梁，3、直角连接板，4、“T”字形三角肋板，5、高强螺栓，6、钢梁顶面的栓钉。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，该连接节点包括方钢管混凝土柱(1)、工字形截面钢梁(2)、直角连接板(3)、“T”形三角肋板(4)、高强螺栓(5)、钢梁顶面的栓钉(6)。

方钢管混凝土柱可以根据所需要的承载力进行截面设计，包括改变截面边长、方钢管壁厚、内灌混凝土强度等级等。直角连接板和“T”形三角肋板也可以根据工字形截面钢梁梁端的弯矩和剪力进行设计，包括改变直角连接板的长度、高度、板厚以及三角肋板的板厚和数量。本发明涉及梁柱连接节点可由上述设计参数的变化而设计为刚性节点或半刚性节点。连接直角连接板和工字形截面钢梁的高强螺栓同时承受剪力和拉力，要按照剪拉同时作用的工况验算其承载力，来确定合适的螺栓直径和间距。

从整个梁柱连接节点构造来说，要设计为“强节点弱构件”，使构件破坏先于节点破坏。具体到本发明所涉及梁柱连接节点，直角连接板和钢管混凝土柱之间为焊接连接，因为焊缝破坏脆性特征较明显，所以基于延性破坏的目标，该焊缝应具有较高的安全储备；因为螺栓的剪断或拉断也是脆性破坏，故高强螺栓的设计也应具有较大的安全系数；钢梁在螺栓孔处的受拉变形、屈服直至最后拉断是一个缓慢的、有明显变形的过程，属于延性破坏，所以整个节点的破坏应该设计为梁端变形破坏。地震发生时在混凝土楼板的作用下，梁端螺栓孔处的梁翼缘和直角连接板会因为净面积较小而发生受拉变形，导致钢梁梁端出现转角，从而引起该区域的楼板相互挤压，耗散地震能量；随着水平地震作用的加大，梁端翼缘处的拉伸变形加大，梁端楼板和墙之间的裂缝会变宽甚至完全裂开，这个过程持续时间较长，可有利于人员疏散；梁柱节点最后的破坏源于钢梁梁端螺栓孔处被拉断，由于每个梁端螺栓孔共有12个，这种破坏最后一般不会导致梁段完全脱落，可以保证人民生命财产安全。这种破坏模式也符合“强柱弱梁”的抗震思想。而且不同梁柱节点之间没有关联，即使个别钢梁由于竖向荷载过大而提前脱落，也不会导致整个结构体系倒塌。采用本发明所述的方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，钢梁与钢管混凝土柱连接牢固、整体性好，装配简单而且工期短，装配施工时实现“零排放”而且不产生新的建筑垃圾，符合住宅产业化、绿色环保的要求，是适用于当前低层、多层轻钢框架住宅建筑梁柱连接的一种新型节点连接型式。

以上是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (8)

1.一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，其特征在于：该节点构造包括方钢管混凝土柱(1)、工字形截面钢梁(2)、直角连接板(3)、“T”形三角肋板(4)、高强螺栓(5)、钢梁顶面的栓钉(6)；“T”形三角肋板(4)的竖直边和水平边都和直角连接板(3)用双面直角角焊缝连接，因而具有较大刚度；直角连接板(3)通过上焊缝(8)、下焊缝(10)、左焊缝(7)、右焊缝(9)四条焊缝和方钢管混凝土柱(1)的侧面连接；上下两个直角连接板(3)分别用高强螺栓和工字形截面钢梁(2)的上、下翼缘连接，直角连接板(3)对工字形截面钢梁(2)形成约束，钢梁顶面的栓钉(6)均匀等间距设置在工字形截面钢梁(2)上，整个节点构造具有较高的受弯和受剪承载力。

2.根据权利要求1所述的一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，其特征在于：所述的方钢管混凝土柱(1)中的方钢管是在工厂中一次性热轧成型，截面为正方形，边长为100～200mm，壁厚为4mm～10mm，内灌普通混凝土或再生混凝土，粗骨料粒径应在5～20mm；所述的方钢管混凝土柱(1)能充分发挥两种材料的优点，利用钢管对混凝土的约束效应，提高了混凝土的承载能力；而内部混凝土的存在使钢管不会产生局部屈曲。

3.根据权利要求1所述的一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，其特征在于：所述的工字形截面钢梁(2)是将楼板、填充墙荷载传给柱子的热轧型钢；为增强其在端部的刚度，需要在端部设置两道加劲肋，加劲肋厚度应不小于工字形截面钢梁(2)的腹板厚度；第一道加劲肋设置在梁端，第二道设置在直角连接板(3)之外；由于直角连接板(3)的上连接板下边缘和下连接板上边缘需要与方钢管混凝土柱(1)焊接，焊缝处会有凸起，在装配施工前需要将工字形截面钢梁(2)的端部上下各打磨掉5～8mm三角形缺口；然后在工字形截面钢梁(2)的梁顶面均匀设置栓钉。

4.根据权利要求1所述的一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，其特征在于：所述的直角连接板(3)是梁柱连接节点的关键部件，其钢板厚度应等于或稍大于工字形截面钢梁(2)的上下翼缘，水平外伸长度可为工字形截面钢梁(2)梁高的0.6～1倍；竖向高度可为工字形截面钢梁(2)梁高的0.4～0.8倍；其宽度与工字形截面钢梁(2)的翼缘宽度相同；直角连接板(3)应在工厂里和方钢管混凝土柱(1)预先焊好，每个节点由上下两片直角连接板(3)组成，而每片直角连接板与方钢管混凝土柱(1)由四条直角角焊缝连接，焊接时其焊缝质量控制等级为一级或二级。

5.根据权利要求1所述的一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，其特征在于：“T”形三角肋板(4)整体呈三角形，断面呈“T”形，斜边焊接有一道与三角形平面垂直的钢板条，三角形钢板与垂直钢板条的厚度和直角连接板(3)相同；其水平直角边与直角连接板(3)的水平面焊接，焊缝为双面直角角焊缝；其竖直直角边与直角连接板(3)的竖直面焊接，焊缝也为双面直角角焊缝。

6.根据权利要求1所述的一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，其特征在于：高强螺栓(5)是整个梁柱连接节点的重要环节，其材料应为45#钢或合金钢，制成后进行热处理，其直径应通过计算和参考构造要求来确定，其螺栓级别应为8.8级或更高；高强螺栓(5)的长度在螺母外露出10～30mm；为方便装配施工，装配上翼缘时螺母应安装在直角连接板(3)的顶面，装配下翼缘时螺母安装在直角连接板(3)的底面；装配时为避免不同螺栓的松紧程度不同，采用扭矩扳手进行装配，每个螺栓的设定扭矩相同。

7.根据权利要求1所述的一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，其特征在于：钢梁顶面的栓钉(6)是加强工字形截面钢梁(2)与混凝土楼板连接，其长40mm，直径5～8mm，沿梁顶中线设一道，水平间距为80～150mm，施工楼板时与混凝土楼板整体浇注。

8.根据权利要求1所述的一种方钢管混凝土柱与工字形截面钢梁的连接节点构造，其特征在于：该节点构造的作法如下，

第一步：在钢构件车间加工直角连接板，需要切割、冷弯、焊接、打磨等工序，具体顺序为先焊接三角形肋板和钢板条形成“T”形三角肋板，再把“T”形三角肋板和直角连接板焊接；

第二步：在钢构件车间把直角连接板和方钢管柱在设计位置焊接连接；注意每个节点有上下两个直角连接板，每个直角连接板和柱侧面有上、下、左、右四条焊缝；加工出方钢管柱的柱脚底板和柱脚加劲肋；

第三步：首先在工字形截面钢梁的端部焊接加劲肋板，加劲肋厚度应不小于工字形截面钢梁的腹板厚度，加劲肋板在腹板两侧各有两道，第一道加劲肋设置在梁端，第二道设置在直角连接板外边缘处；然后按设计位置加工工字形截面钢梁的上下翼缘的螺栓孔；最后在钢构件车间焊接工字形截面钢梁顶面的栓钉；

第四步：在施工现场用螺栓安装带直角连接板的方钢管柱，浇筑普通混凝土或者再生粗骨料混凝土；在工字形截面钢梁的端部上下各切割出长和高均为6～8mm的三角型缺口，打磨光滑；然后把工字形截面钢梁水平滑入两侧方钢管柱的上下直角连接板之间；待滑到设计位置，用高强螺栓拧紧固定；

第五步：待结构所有梁柱施工完成以后，在栓钉所在位置扎筋、支模，浇筑楼板；待楼板达到设计强度，就形成了装配式轻钢框架的梁板柱结构体系。