CN106988486A - 一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点及方法，它解决了现有技术中抗震效果差、容易产生裂缝的问题，具有施工便捷、承载力高且抗震效果好的优点，其方案如下：一种内置空间网格结构，至少两层网格板，相邻两层网格板之间间隔设定距离设置；沿着钢管混凝土柱长度方向设置的X型连接支撑，X型连接支撑包括两根交叉设置的杆件，每一根杆件的两端分别与相邻两层网格板的两个网格板连接；当地震作用较大时，为了提高节点的抗震性能，框架连接节点还包括竖向连接立柱，竖向连接立柱的端部与所述的相邻的两个网格板连接。

Description

一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点及方法

技术领域

本发明涉及建筑工程领域，特别是涉及一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点及方法。

背景技术

节点是框架连接中最关键的部位，它的受力模式和破坏特征比一般的梁、柱等构件都复杂，尤其在强震作用下，框架结构进入弹塑性阶段后，节点对于结构的稳定性和整体性都起着至关重要的作用，国内外的数次大地震都证明了这一点。在框架结构抗震性能研究中，框架节点应满足传力路径简洁明确、节点刚度大，承载力高的要求，实现“强柱弱梁、节点更强”的目标。

随着建筑结构的发展，钢-混凝土组合结构的研究和应用得到迅速展开。钢梁与矩形钢管混凝土柱的框架体系因平面布置灵活、结构简单、构件易于标准化、施工速度快、造价低等特点，应用相当普遍。但是，矩形钢管对核心混凝土的约束作用相对于圆钢管较弱，且内部核心混凝土受到的约束不均匀(如图9)，因此矩形钢管混凝土柱对核心混凝土的浇筑质量和密实性能要求更高。

在钢梁与矩形钢管混凝土柱的众多框架连接节点中，《矩形钢管混凝土结构技术规程》推荐的传统内隔板式节点因其节点构造简单、节省材料、制作安装方便且不影响建筑空间使用，是国内外公认的较为理想的钢管混凝土柱节点形式，其工作原理是利用上、下内隔板分别承受拉压力，形成力偶来抵抗梁端弯矩，利用腹板连接板传递剪力。但是传统内隔板式节点存在两个问题：第一、传统内隔板的设置方式影响了核心混凝土的浇筑，施工时振捣施工也不方便，导致核心混凝土的浇筑不够密实，特别是对核心混凝土的密实度本来就要求高的矩形钢管混凝土柱来说，矩形钢管与核心混凝土的协同工作无法良好地形成，极大的影响了矩形钢管混凝土柱的整体受力性能。第二、传统内隔板对节点域核心混凝土的受剪承载力的影响不大。位于矩形钢管混凝土柱内和上、下内隔板间的节点域核心混凝土，在周边剪力的作用下，原来为矩形的核心区将变成菱形(如图10)。在地震反复荷载作用下，菱形的方向将是交替的，节点域核心混凝土最终会产生X形的裂缝。节点域核心混凝土的裂缝一旦产生，就会逐渐脱离矩形钢管内壁和上、下内隔板，对核心混凝土约束逐渐减弱，矩形钢管与核心混凝土的组合协同作用也将会大大降低。

综上作述，传统型内隔板式节点用在矩形钢管混凝土柱框架节点之中的抗震效果并不理想，在地震作用下并不能起到控制核心混凝土裂缝、加强节点承载力的作用。

因此，工程实践中需要提供一种内置空间网格结构，形成一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点并提供简便的施工方法，使其具有较高的承载力和良好的抗震性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种内置空间网格结构，形成一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点。该节点施工便捷、承载力高且抗震效果好，能够提高核心混凝土浇筑密实度、有效阻止核心混凝土开裂、保证在地震作用下钢管混凝土柱与核心混凝土具有良好的协同工作性能的目的。

一种空间网格结构的具体方案如下：

一种空间网格结构，包括：

至少两层网格板，相邻两层网格板之间间隔设定距离设置；

沿着钢管混凝土柱长度方向设置的X型连接支撑，X型连接支撑包括两根交叉设置的杆件，每一根杆件的两端分别与相邻两层网格板连接。

当地震作用较大时，为了提高节点的抗震性能，该空间网格结构还包括竖向连接立柱，竖向连接立柱的端部与所述的相邻的两个网格板连接，其中，网格板的对角线处设置对角线肋杆，网格板的形式多样，镂空网格的大小及布置可以根据矩形钢管混凝土柱的截面大小及框架节点的受力情况进行调整；空间网格结构的加工制作，均可在工厂批量生产，生产效率高、质量可靠。

所述X型连接支撑中两根杆件之间的角度在60-90o。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点，包括矩形钢管混凝土柱和内置空间网格结构，在矩形钢管混凝土柱内设置所述的一种内置空间网格结构，在矩形钢管柱的内部也就是在空间网格结构的内部及四周均灌注核心混凝土，这样节点内混凝土与空间网格结构相互嵌固、共同作用，以提高抗震作用。

在所述矩形钢管混凝土柱外侧且与内置空间网格结构相应位置处设置与矩形钢管混凝土柱连接的钢梁；

进一步地，在钢梁与钢管混凝土柱的外侧之间连接有腹部连接板。

为了克服现有技术的方法，本发明还提供了一种增强钢管混凝土柱节点抗震性能的方法，采用所述的一种内置空间网格结构。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种增强钢管混凝土柱节点抗震性能的安装方法，具体步骤如下：

1)制作多个网格板、杆件；

2)将杆件焊接成X型连接支撑，X型连接支撑具有四个，并将X型连接支撑的端部分别与相邻的两个网格板的角部进行焊接；

3)设置矩形钢管混凝土柱的三面钢板壁；

4)对应钢梁的上、下翼缘的水平位置处，将步骤2)完成的空间网格结构安装就位，并将网格板与三面钢板壁的内壁焊接；

5)对应于网格板及杆件的交叉处，预先在矩形钢管第四块钢板壁上分段开设洞槽；

6)对矩形钢管第四块钢板壁进行安装，并在预留的洞槽处，进行网格板与矩形钢管第四块钢板壁的缝焊缝施工，将内置空间网格结构与矩形钢管的第四块壁板连接，最后形成内置空间网格结构加强节点。

所述步骤1)中网格板的制作方法如下：

通过在块状钢板上切割加工完成；

或者，由多条条状钢板或者钢筋焊接而成。

在所述步骤2)中完成后，可设置竖向连接立柱，竖向连接立柱的两端分别与相邻的两个网格板焊接连接；

进一步地，最顶层网格板与最底层网格板之间的高度与钢梁的高度相同。

根据钢梁的高度，确定网格板的数量，当钢梁高度大于设定值时，所述网格板的数量为3。

其特征在于，所述步骤3)可与步骤1)同时进行，

进一步地，在步骤2)中，X型连接支撑和相邻网格板的连接可以与竖向连接立柱和相邻网格板的连接同时进行，但应优先保证X型连接支撑和相邻网格板的可靠连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的连接节点，内置空间网格结构为高次超静定的空间结构构件，在荷载作用下具有三维受力特性、呈立体工作状态。内置空间网格结构的受力机理是以上、下弦网格板的对角线肋杆与X型连接支撑形成八个斜向立体三角形几何不变体来抵抗地震作用的剪力，同时，上、下弦网格板的外框在两端对这些几何不变体加以约束，再联合上、下弦网格板的其他肋杆及竖向连接立柱共同抵抗外部受力，呈现空间立体受力模式。内置空间网格结构的所有杆件同时承载外力、杆件布置合理、传力清晰、受力均匀，比平面受力的传统内隔板节点更加优越；整个连接节点传力明清晰、连接可靠、抗震性能好，特别适用于地震烈度高的地区。

2.本发明的连接节点，内置空间网格结构与核心混凝土材料相互填充、相互嵌固、共同工作：钢梁翼缘传来的拉力作用主要由内置空间网格结构承担，钢梁翼缘传来的压力主要由钢管内部的核心混凝土和内置空间网格结构共同承担；核心混凝土填充嵌固在内置空间网格结构的立体空间内，在上、下弦网格板的对角线肋杆与X型连接支撑所形成八个斜向立体三角形几何不变体的加劲作用下，核心混凝土的抗剪和抗压性能大大提高，有效阻止地震剪力作用下节点域核心混凝土的开裂。同时浇筑密实的核心混凝土还给内置空间网格结构提供了一定的刚度，有效防止内置空间网格结构杆件和矩形钢管管壁的失稳和变形，整个框架节点的承载力大大增强。

3.本发明的连接节点，内置空间网格结构与矩形钢管混凝土柱的连接，采用合理的施工焊接顺序，均可以在工厂预制完成，施工质量可靠，安装装配简单易行，更加适应装配式结构的要求。

4.本发明的连接节点在施工时，通过所述内置空间网格结构来浇筑核心混凝土，能够保证矩形钢管混凝土柱内混凝土的密实度，极大改善了矩形钢管对内部核心混凝土的约束，使矩形钢管混凝土柱的优势得以充分发挥出来。

5.本发明的连接节点，凝固后的核心混凝土可以有效支撑内置空间网格结构，可相应减少连接焊缝的数量，焊接均可采用常用的对接焊缝、角焊缝以及缝焊缝等焊接方法，避免采用“熔化嘴电渣焊”等复杂的施工焊接方法，降低了焊缝附近钢材的脆性，保证整个节点的塑性性能。

6.本发明的连接节点，在所述内置空间网格结构中的竖向连接立柱及X型连接支撑的设置，增强了核心混凝土与矩形钢管的粘结作用，对节点域的矩形钢管壁也有一定的加劲作用。

7.本发明所述的内置空间网格结构，在地震作用下，传力清晰、杆件布置合理、受力均匀。因此，内置空间网格结构的用钢量较传统的内隔板节点有所降低，加之施工方式、安装方式的优化，将进一步节省工程的综合造价。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是有竖向连接立柱的内置空间网格结构立体示意图；

图2是无竖向连接立柱的内置空间网格结构立体示意图；

图3是上、下弦网格板平面示意图；

图4是一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点的俯视平面示意图；

图5是图4的有竖向连接立柱的A-A剖面示意图；

图6是图4的无竖向连接立柱的A-A剖面示意图；

图7是内置空间网格结构斜向立体三角形几何不变体示意图；

图8是一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点的立体示意图；

图9是矩形钢管混凝土柱约束示意图；

图10是节点域的剪切变形示意图；

图中：1为矩形钢管，1a、1b、1c、1d四面钢壁板，2为钢梁，3为上弦网格板，4为下弦网格板，5为X型连接支撑，6为竖向连接立柱，7为核心混凝土，8为镂空网格孔，9水平洞槽，10为腹板连接板，11为外框，12对角线肋杆，13平行肋杆，14斜向立体三角形几何不变体，21全熔透坡口对接焊缝，22全熔透坡口对接焊缝，23全熔透坡口对接焊缝，24全熔透坡口对接焊缝，25为缝焊缝。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，一种空间网格结构，如图2所示，至少包括下弦网格板3和下弦网格板4，相互平行并垂直于矩形钢管混凝土柱长度方向、相邻两层网格板之间间隔设定距离设置；沿着钢管混凝土柱长度方向设置的X型连接支撑5，X型连接支撑5包括两根交叉设置的杆件，每一根杆件的两端分别与相邻两层网格板的角部连接。

当地震作用较大时，为了提高节点的抗震性能，框架连接节点还包括竖向连接立柱，如图1所示，竖向连接立柱6的端部与所述的相邻的两个网格板的角部连接，并与矩形钢管1内壁进行角焊缝连接。

如图1～图3所示，上弦网格板3和下弦网格板4的网格形式多样，包括外框11、对角线肋杆12及平行肋杆13，镂空网格的大小及布置可以根据矩形钢管混凝土柱的截面大小及框架节点的受力情况进行调整，网格板外形平面尺寸应与矩形钢管1内径尺寸相匹配。上弦网格板3和下弦网格板4的制作可以在轧制钢板上切割加工而成，或由条状钢板或者钢筋焊接而成，均可以在工厂加工制作并批量生产，生产效率高、质量可靠。

如图3～图4所示，为便于矩形钢管混凝土柱核心混凝土的浇捣施工，可加大上、下弦网格板周边的镂空网格孔8的尺寸。

当梁高较大时，为保证内置空间网格结构的X型连接支撑5的角度能够可靠传力，上弦网格板3和下弦网格板4中间可以增加一层网格板。

如图4所示，上、下弦网格板的平行肋杆13的平面位置应与钢梁2翼缘位置对应，便于钢梁2翼缘弯矩的传递。

如图4所示，在制作内置空间网格结构的X型连接支撑5及竖向连接立柱6时，应根据钢梁2的高度进行，确保内置空间网格结构的完成高度应与钢梁2高度一致：上弦网格板3位于钢梁2上翼缘水平位置处、下弦网格板4位于钢梁2下翼缘水平位置处，便于钢梁2翼缘弯矩的传递。

如图4所示，X型连接支撑5是采用两根钢筋、钢板或者角钢通过全熔透坡口对接焊缝23互相成X型交叉焊接而成，杆件夹角在60-90°，X型连接支撑5的两端与上弦网格板3及下弦网格板4通过全熔透坡口对接焊缝22连接。

如图1、图6所示，竖向连接立柱6可采用焊接L型板或者角钢，通过焊缝与上弦网格板3及下弦网格板4的角部连接。当连接节点受力较小时，也可以取消竖向连接立柱6。

如图4、图8所示，矩形钢管混凝土柱是在矩形钢管1内浇筑核心混凝土7形成，其中矩形钢管1由1a，1b，1c及1d四块壁板按一定焊接顺序连接而成。

如图1～图3及图7所示，内置空间网格结构为高次超静定的空间结构构件，在荷载作用下具有三维受力特性、呈立体工作状态。内置空间网格结构的上弦网格板3和下弦网格板4中的对角线肋杆12和X型连接支撑5，所形成八个斜向立体三角形几何不变体14，对节点域核心混凝土立方体的各个角部都进行了约束，对地震作用下约束节点域核心混凝土7、控制核心混凝土7的开裂、加强节点延性和承载力起到非常关键的作用，同时，外框11又在两端对八个斜向立体三角形几何不变体14加以约束，内置空间网格结构空间立体受力的优越性更加明显。形成斜向立体三角形几何不变体14的关键杆件——外框11、对角线肋杆12和X型连接支撑5应予以加强。

如图4～图6及图8所示，内置空间网格结构各杆件完成连接拼装后，再整体焊接于所述的矩形钢管1的内壁。

如图1～图6及图8所示，矩形钢管1、钢梁2与内置空间网格结构组装形成矩形钢管混凝土柱框架连接节点的施工顺序，具体如下：

1.制作上、下弦网格板，平面尺寸与矩形钢管1的内壁匹配。

2.如图4所示，根据钢梁2的高度，进行X型连接支撑5及竖向连接立柱6的制作，X型连接支撑5由两根杆件X型采用全熔透坡口对接焊缝23交叉焊接而成，杆件夹角在60-90o；

3.平行于矩形钢管1长度方向的四个面上，将制作完成的X型连接支撑5的端部分别与上弦网格板3、下弦网格板4的角部采用全熔透坡口对接焊缝22焊接；

4.将竖向连接立柱6分别与上弦网格板3、下弦网格板4的角部焊接，组装成内置空间网格结构，内置空间网格结构的完成高度应与钢梁2高度一致；

5.采用全熔透坡口对接焊缝21分别焊接矩形钢管1的壁板1a与壁板1b，及壁板1b与壁板1c；

6.对应于钢梁2翼缘的位置，将内置空间网格结构安装就位，并采用全熔透坡口对接焊缝24将内置空间网格结构的上弦网格板3和下弦网格板4分别与矩形钢管1的壁板1a、壁板1b及壁板1c焊接；采用角焊缝将竖向连接立柱6与矩形钢管1的壁板1a、壁板1b及壁板1c焊接。

7.如图8所示，预先在矩形钢管1的壁板1d、对应于内置空间网格结构的上弦网格板3和下弦网格板4的杆件集中位置处，分段开设水平洞槽9；

8.如图8所示，矩形钢管1的壁板1d确认对位后，分别与壁板1a和壁板1c采用全熔透坡口对接焊缝21焊接；

9.如图8所示，在水平洞槽9处，进行缝焊缝25的施工，分别将内置空间网格结构的上弦网格板3及下弦网格板4与矩形钢管1的壁板1d连接，形成矩形钢管1与内置空间网格结构的整体节点。

10.如图3～图6及图8所示，通过内置空间网格结构的镂空网格孔8往矩形钢管1内浇筑核心混凝土7，浇筑更加均匀、与矩形钢管壁板贴合紧密，核心混凝土7的密实度显著提高，大大改善了矩形钢管1对核心混凝土7的约束，增强了矩形钢管混凝土柱的整体受力性能。

11.如图8所示，腹板连接板10，采用对接焊缝焊接在矩形钢管1的外壁，且处于钢梁2的腹板连接位置上，通过高强螺栓使钢梁2腹板与腹板连接板10连接在一起；钢梁2的上、下翼缘采用全熔透坡口对接焊缝焊接于矩形钢管1的外壁，且与内置空间网格结构的竖向高度一致。

如图4～图6和图8所示，矩形钢管混凝土柱浇筑完成后，节点处内置空间网格结构填充嵌固了核心混凝土7。钢梁2翼缘传来的拉力作用主要由内置空间网格结构承担，钢梁2翼缘传来的压力主要由钢管内部的核心混凝土7和内置空间网格结构共同承担；核心混凝土7填充嵌固在内置空间网格结构的立体空间内，通过所述X型连接支撑5与上、下弦网格板中的对角线肋杆12组成的斜向立体三角形几何不变体14，提高了核心混凝土7的抗剪和抗压性能，有效阻止节点域核心混凝土7的开裂，整个框架节点的延性承载力大大增强；同时核心混凝土7还给上、下弦网格板以及矩形钢管1板壁提供了一定的刚度，有效防止失稳和变形。两种组合材料的性能相互补充、充分发挥，整个连接节点传力明确、连接可靠、承载力高、整体性能优越，抗震性能好，特别适用于地震烈度高的地区。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间网格结构，其特征在于，包括：

至少两层网格板，相邻两层网格板之间间隔设定距离设置；

沿着钢管混凝土柱长度方向设置的X型连接支撑，X型连接支撑包括两根交叉设置的杆件，每一根杆件的两端分别与相邻两层网格板的连接。

2.根据权利要求1所述的一种空间网格结构，其特征在于，还包括竖向连接立柱，竖向连接立柱的端部与所述的相邻的两个网格板连接。

3.根据权利要求1所述的一种空间网格结构，其特征在于，所述X型连接支撑中两根杆件之间的角度在60-90°。

4.一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点，其特征在于，包括矩形钢管混凝土柱和根据权利要求1-3中任一项所述的一种内置空间网格结构，在矩形钢管混凝土柱内设置内置空间网格结构，在空间网格结构的内部及四周均灌注核心混凝土。

5.根据权利要求4所述的一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点，其特征在于，在所述矩形钢管混凝土柱外侧且与内置空间网格结构相应位置处设置与矩形钢管混凝土柱连接的钢梁；

进一步地，在钢梁腹板与钢管混凝土柱的外侧之间连接有腹部连接板。

6.一种增强钢管混凝土柱节点抗震性能的方法，其特征在于，采用根据权利要求4或5所述的一种空间网格型钢管混凝土柱连接节点。

7.一种增强钢管混凝土柱连接节点抗震性能的安装方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)制作多个网格板、杆件；

2)将杆件焊接成X型连接支撑，X型连接支撑具有四个，并将X型连接支撑的端部分别与相邻的两个网格板的角部进行焊接，形成一种空间网格结构；

3)设置矩形钢管混凝土柱的三面钢板壁；

4)对应钢梁的上、下翼缘的水平位置处，将步骤2)完成的空间网格结构安装就位，并将网格板与三面钢板壁的内壁焊接；

5)对应于网格板及杆件的交叉处，预先在矩形钢管第四块钢板壁上分段开设洞槽；

6)对矩形钢管第四块钢板壁进行安装，并在预留的洞槽处，进行网格板与矩形钢管第四块钢板壁的缝焊缝施工，将内置空间网格结构与矩形钢管的第四块壁板连接，最后形成内置空间网格结构加强节点。

8.根据权利要求7所述的一种增强钢管混凝土柱连接节点抗震性能的安装方法，其特征在于，所述步骤1)中网格板的制作方法如下：

通过在块状钢板上切割加工完成；

或者，由多条条状钢板或者钢筋焊接而成。

9.根据权利要求7所述的一种增强钢管混凝土柱节点抗震性能的安装方法，其特征在于，在所述步骤2)中完成后，可设置竖向连接立柱，竖向连接立柱的两端分别与相邻的两个网格板焊接连接；

进一步地，最顶层网格板与最底层网格板之间的高度与钢梁的高度相同。

10.根据权利要求7所述的一种增强钢管混凝土柱节点抗震性能的安装方法，其特征在于，所述步骤3)可与步骤1)同时进行，

进一步地，在步骤2)中，X型连接支撑和相邻网格板的连接可以与竖向连接立柱和相邻网格板的连接同时进行，但应优先保证X型连接支撑和相邻网格板的可靠连接。