CN107338873B - 单边屈曲约束式钢梁柱连接节点和钢结构建筑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单边屈曲约束式钢梁柱连接节点和钢结构建筑，属于建筑钢结构领域。所述连接节点包括钢梁和钢柱，所述钢梁与钢柱的接合处设置有上翼缘连接件和下翼缘连接件，所述上翼缘连接件包括水平设置的第一连接板和与第一连接板的端部连接且竖向设置的第二连接板，所述第一连接板与钢梁的上翼缘连接，所述第二连接板与钢柱的翼缘连接，所述第一连接板上距离第二连接板最近的螺栓孔与第二连接板之间形成板铰，所述下翼缘连接件同时与钢梁的下翼缘和钢柱的翼缘连接，所述下翼缘连接件的中部为削弱区。本发明抗震性能优越，能够控制连接节点的损伤；地震后钢梁和钢柱不损坏，在不破坏原有结构(如楼板)的前提下即可快速更换和修复连接件。

Description

单边屈曲约束式钢梁柱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，特别是指一种单边屈曲约束式钢梁柱连接节点和钢结构建筑。

背景技术

钢框架结构在现代建筑中应用广泛，与传统混凝土结构相比，具有自重轻、强度高、可加工性能好、工业化程度高、抗震性能好等优点。钢梁柱连接节点是钢结构中的关键部位。传统的钢梁柱节点连接多采用栓焊混合的连接方式，钢柱上焊接的抗剪板与钢梁的腹板通过摩擦型高强度螺栓进行连接，钢梁翼缘与钢柱翼缘之间采用全熔透焊缝焊接在一起。虽然该节点被广泛采用，但存在以下缺点：存在现场施工焊缝，施工工序多，施焊质量难控制；焊接处存在严重的应力集中，在地震荷载下，焊缝易开裂。这些不足使该节点的延性和耗能能力大幅下降，抗震能力不好。而且，若栓焊混合连接节点在地震荷载下上翼缘与钢柱的连接焊缝发生开裂，就需要用切割工具割开节点附近的楼板，再将上翼缘连接焊缝进行补焊，最后将割开的楼板重新浇筑。

后来，人们经过研究，提出了梁翼缘削弱型的梁柱节点，这大大提高了结构的抗震性能。但是，在地震发生后，由于钢梁削弱部位也是钢梁的一部分，这一部分发生破坏之后整根梁就必须全部更换。采用这种钢梁柱节点连接方式的钢框架结构建筑的修复成本依旧很高，修复难度大。

为了使得钢梁柱节点震后易于修复，同时也为了避免施工现场焊接，近些年来，借助于连接件，采用全螺栓式的连接方式成为一种发展方向。这类全螺栓的钢梁柱连接节点又分为全强连接和部分强度连接。地震中，全强连接节点的钢梁更容易发生破坏，修复难度大；部分强度连接节点的破坏主要发生在连接件部位，更好的保护了钢梁和钢柱，震后更容易修复。但是，在现有的诸多全螺栓钢梁柱节点连接方式中，由于钢梁上翼缘的连接件埋在楼板混凝土中，若钢梁上翼缘连接件在地震中发生破坏，修复时就必须清除覆盖在钢梁上翼缘连接件附近的混凝土，这给修复工作带来了不小的难度，同时，容易对钢结构造成二次破坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种单边屈曲约束式钢梁柱连接节点和钢结构建筑，其抗震性能优越，能够控制连接节点的损伤；地震后钢梁和钢柱不损坏，在不破坏原有结构(如楼板)的前提下即可快速更换和修复连接件。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种单边屈曲约束式钢梁柱连接节点，包括钢梁和钢柱，所述钢梁与钢柱的接合处设置有上翼缘连接件和下翼缘连接件，所述上翼缘连接件包括水平设置的第一连接板和与所述第一连接板的端部连接且竖向设置的第二连接板，所述第一连接板通过第一组螺栓与所述钢梁的上翼缘连接，所述第二连接板通过第二组螺栓与所述钢柱的翼缘连接，所述第一连接板上距离第二连接板最近的螺栓孔与第二连接板之间形成板铰，所述下翼缘连接件同时与所述钢梁的下翼缘和所述钢柱的翼缘连接，所述下翼缘连接件的中部为削弱区。

进一步的，所述第一连接板上距离第二连接板最近的螺栓孔与第二连接板之间距离为20～100mm。

进一步的，所述钢梁靠近钢柱的翼缘的端部沿钢柱的长度方向上为自上而下的楔形。

进一步的，所述下翼缘连接件为T型芯板或L型芯板，所述下翼缘连接件包括水平设置的第三连接板和与所述第三连接板的端部连接且竖向设置的第四连接板，所述第三连接板与钢梁的下翼缘连接，所述第四连接板与钢柱的翼缘连接，所述削弱区设置于所述第三连接板上。

进一步的，所述第三连接板中部两侧有切槽/切口，形成所述削弱区；

或者，所述第三连接板中部开有长孔，形成所述削弱区。

进一步的，所述第三连接板和第四连接板的连接处设置有竖向加劲肋，所述第三连接板通过第三组螺栓与所述钢梁的下翼缘连接，所述第四连接板通过第四组螺栓与所述钢柱的翼缘连接，所述第一组螺栓、第二组螺栓、第三组螺栓和第四组螺栓均为高强螺栓；

所述钢柱的翼缘之间对应所述钢梁的位置设置有水平加劲肋，所述钢柱的腹板上对应所述钢梁的位置设置有补强板。

进一步的，所述第三连接板的外侧在所述削弱区的外侧设置有盖板，所述盖板通过第五组螺栓与所述钢梁的下翼缘连接，所述第五组螺栓穿过所述切槽/切口或长孔。

进一步的，所述盖板与第三连接板之间在所述削弱区设置有垫块，所述垫块的厚度大于所述第三连接板的厚度1～5mm。

进一步的，所述钢柱的翼缘设置有用于通过第六组螺栓连接所述钢梁的腹板的剪力板，所述剪力板上开有至少两个上下排布的螺栓孔，所述上下排布的螺栓孔为水平方向的长圆孔，所述剪力板与钢柱的翼缘焊接连接，所述第六组螺栓为高强螺栓。

一种钢结构建筑，包括上述单边屈曲约束式钢梁柱连接节点。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点采用上翼缘连接件和下翼缘连接件将钢柱的翼缘分别与钢梁的上翼缘和下翼缘连接，其中上翼缘连接件的第一连接板上距离第二连接板最近的螺栓孔与第二连接板之间形成板铰，当发生地震时，在地震的反复载荷下，第一连接板在钢梁的带动下转动，并控制钢梁相对钢柱发生转动时的转动中心在第一连接板上靠近钢梁上翼缘的端部处，与钢梁的下翼缘连接的下翼缘连接件的削弱区发生塑性变形，而连接节点的其他部位保持弹性，以此达到连接节点损伤控制的作用。本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中，由于在上翼缘连接件上通过设置板铰，在发生地震时，上翼缘连接件中的第一连接板在板铰以外的区域不会发生明显的塑性变形，钢梁柱连接节点的损伤将集中在下翼缘连接件上，当需要更换或修复下翼缘连接件时无需破拆楼板，因此更换和修复时更易于施工，节约了钢材的用量，降低了装配成本。此外，当地震过后，由于连接节点的损伤主要集中在下翼缘连接件上，可以很容易地观察下翼缘连接件的损伤情况，有利于鉴定人员准确评估连接节点震后的损伤并选择合理的修复方法，在对下翼缘连接件进行更换时，无需破坏钢梁柱的主体结构，更换方便快捷。

附图说明

图1为本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点的结构示意图；

图2为图1所示的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点的仰视结构示意图

图3为本发明中的上翼缘连接件的结构示意图；

图4为本发明中的钢梁的俯视图；

图5为本发明中的下翼缘连接件的实施例1的示意图；

图6为本发明中的下翼缘连接件的实施例2的示意图；

图7为本发明中的下翼缘连接件的实施例3的示意图；

图8为本发明中的下翼缘连接件的实施例4的示意图；

图9为本发明中的下翼缘连接件的实施例5的示意图；

图10为本发明中的下翼缘连接件的实施例6的示意图。

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，本发明提供一种单边屈曲约束式钢梁柱连接节点，如图1至图10所示，包括钢梁1和钢柱2，钢梁1与钢柱2的接合处设置有上翼缘连接件3和下翼缘连接件4，上翼缘连接件3包括水平设置的第一连接板31和与第一连接板31的端部连接且竖向设置的第二连接板32，第一连接板31通过第一组螺栓33与钢梁1的上翼缘11连接，第二连接板32通过第二组螺栓34与钢柱2的翼缘21连接，第一连接板31上距离第二连接板32最近的螺栓孔311与第二连接板32之间形成板铰，下翼缘连接件4同时与钢梁1的下翼缘13和钢柱2的翼缘21连接，下翼缘连接件4的中部为削弱区43。

本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点采用上翼缘连接件3和下翼缘连接件4将钢柱2的翼缘21分别与钢梁1的上翼缘11和下翼缘13连接，其中上翼缘连接件3的第一连接板31上距离第二连接板32最近的螺栓孔与第二连接板32之间形成板铰，当发生地震时，在地震的反复载荷下，第一连接板31在钢梁1的带动下转动，并控制钢梁1相对钢柱2发生转动时的转动中心在第一连接板31上靠近钢梁1上翼缘11的端部处，与钢梁1的下翼缘13连接的下翼缘连接件4的削弱区43发生塑性变形，而连接节点的其他部位保持弹性，以此达到连接节点损伤控制的作用。本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中，由于在上翼缘连接件3上通过设置板铰代替削弱区，在发生地震时，上翼缘连接件中的第一连接板31在板铰以外的区域不会发生明显的塑性变形，即上翼缘连接件3不会产生损伤，钢梁柱连接节点的损伤将集中在下翼缘连接件4上，当需要更换或修复下翼缘连接件4时无需破拆楼板，因此更换和修复时更易于施工，节约了钢材的用量，降低了装配成本。此外，当地震过后，由于连接节点的损伤主要集中在下翼缘连接件上，可以很容易地观察下翼缘连接件的损伤情况，有利于鉴定人员准确评估连接节点震后的损伤并选择合理的修复方法，在对下翼缘连接件进行更换时，无需破坏钢梁柱的主体结构，更换方便快捷。

进一步的，第一连接板31上距离第二连接板32最近的螺栓孔311与第二连接板32之间距离优选为20～100mm。在该距离范围内的第一连接板31部分能够最大限度的达到作为板铰的作用。

由于控制钢梁1相对钢柱2转动时的转动中心在上翼缘连接件3上靠近钢梁1上翼缘11的端部处，钢梁1靠近钢柱2的翼缘21的端部沿钢柱的长度方向上优选为自上而下的楔形，如图4所示。

其中，钢梁1上的楔形角α根据钢梁1的具体高度，连接节点的设计转角具体设计。

本发明实施例中，下翼缘连接件4可以有多种结构，优选为T型芯板或L型芯板，图5至图10中给出了T型芯板的多种结构，L型芯板类似。T型芯板包括水平设置的第三连接板41和与第三连接板41的端部连接且竖向设置的第四连接板42，第三连接板41与钢梁1的下翼缘13连接，第四连接板42与钢柱2的翼缘21连接，削弱区43设置于第三连接板41上。

T型芯板或L型芯板结构简单，方便制作，并且安装方便。

在T型芯板或L型芯板上的削弱区可以通过各种方式制得，优选的，第三连接板41中部两侧有切槽/切口431，形成削弱区43；或者，第三连接板41中部开有长孔432，形成削弱区43。通过切槽/切口或开长孔的方式得到削弱区，这种方法简单方便，易根据设计要求计算削弱区43的削弱程度，使得削弱区43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。

进一步的，第三连接板41和第四连接板42的连接处也优选设置有竖向加劲肋44，第三连接板41通过第三组螺栓45与钢梁1的下翼缘13连接，第四连接板42通过第四组螺栓46与钢柱2的翼缘21连接，第一组螺栓33、第二组螺栓34、第三组螺栓45和第四组螺栓46均优选为高强螺栓。竖向加劲肋44的设置能够增加第三连接板41和第四连接板42之间的连接强度和刚度。高强螺栓能够保证节点的连接强度，还能避免第一螺栓孔311、第二螺栓孔321、第三螺栓孔411和第四螺栓孔421变形，影响钢梁1和钢柱2的二次使用。

本发明中的上翼缘连接件3和下翼缘连接件4通过高强螺栓与钢梁1和钢柱2连接，可拆卸，上翼缘连接件3和翼缘连接件4均可在工厂预制，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。

为了改善钢柱2的受力性能，钢柱2的两个翼缘21之间对应钢梁1的位置优选设置有水平加劲肋24，钢柱2的腹板22上对应钢梁1的位置优选设置有补强板23。补强板23的设置避免了钢柱节点域受剪屈服，水平加劲肋24的设置能够防止钢柱2的翼缘21局部变形过大。

优选的，第三连接板41的外侧在削弱区43的外侧可以设置有盖板5，盖板5通过第五组螺栓51与钢梁1的下翼缘13连接，其中，第五组螺栓51穿过切槽/切口431或长孔432。盖板5至少覆盖削弱区43，第五组螺栓51优选为普通螺栓；盖板5和钢梁1的下翼缘13对削弱区43起到屈曲约束作用，使削弱区43在受拉和受压下均能进入材料的屈服状态，并避免削弱区43受压局部屈曲；同时使得节点耗能能力更优异、延性好、滞回曲线饱满；通过调节第五组螺栓51的预紧力可以控制盖板5屈曲约束的程度。

盖板5通过第五组螺栓51与钢梁1的下翼缘13连接时，只需要将第五组螺栓51穿过削弱区43的切槽/切口431或长孔432即可，并且长孔432与第五组螺栓51是过盈配合，保证削弱区43在受拉和受压下均能顺利进入材料的屈服状态(若是与第五组螺栓51直径相同的圆孔的话，那么在第五组螺栓51的作用下，盖板5、翼缘连接件3和钢梁1的下翼缘13紧密结合，成为一个整体，削弱区43不容易进入屈服状态)。

为了便于第三连接板41的削弱区43受压发生高阶模态的屈曲，需使盖板5与钢梁1的下翼缘13之间的间隙大于第三连接板41的厚度，盖板5与第三连接41之间在切槽/切口431或长孔432处优选设置有垫块7，垫块7的厚度优选为大于第三连接板41的厚度1～5mm。

此外，在第三连接板41与盖板5之间、第三连接板41与钢梁1的下翼缘13之间根据实际要求可以添加润滑剂或其它柔性材料。

这里给出下翼缘连接件4的几个实施例：

实例1：

如图5所示，第三连接板41的端部采用扩大截面形式，第三连接板41中部的削弱区43采用圆弧和直线混合切割的方式，第三组螺栓孔411错列布置。

实例2：

如图6所示，第一连接板41的端部采用不扩大截面形式，第一连接板41中部的削弱区43采用直线和斜线切割的方式，第三组螺栓孔411错列布置。

实例3：

如图7所示，第一连接板41的端部采用不扩大截面形式，第一连接板41中部的削弱区43采用斜线切割的方式，第三组螺栓孔411错列布置。

实例4：

如图8所示，第一连接板41的端部采用不扩大截面形式，第一连接板41中部的削弱区43采用圆弧切割的方式，第三组螺栓孔411错列布置。

实例5：

如图9所示，第一连接板41的端部采用不扩大截面形式，第一连接板31中部的削弱区33采用矩形切割的方式，第三组螺栓孔411错列布置。

实例6：

如图10所示，第一连接板41的端部采用不扩大截面形式，第一连接板41中部的削弱区43采用长条孔的开孔方式，第三组螺栓孔411错列布置。

上述的实施例中，下翼缘连接件4和盖板5的厚度根据设计要求决定，这里给出一个实施例，第三连接板41的厚度为6～30mm，宽度为80～400mm，长度不超过1000mm；盖板5的厚度为6～34mm，宽度为80～400mm，长度不超过1000mm。

进一步的，钢柱2的翼缘21优选设置有用于通过第六组螺栓61连接钢梁1的腹板12的剪力板6，剪力板6上开有至少两个上下排布的螺栓孔，上下排布的螺栓孔为水平方向的长圆孔，第六组螺栓61为高强螺栓。剪力板6主要承受节点剪力，剪力板6的一端可以预先焊接在钢柱2的翼缘21上，再将剪力板6的侧面与钢梁1的腹板12通过第六组螺栓61连接。长圆孔能够允许节点大变形转动，防止第六组螺栓61变形，使剪力板61在震后亦可重复使用。上下排布的螺栓孔在水平方向的开孔长度可以根据节点的最大塑性转角来确定。

另一方面，本发明提供一种钢结构建筑，包括上述单边屈曲约束式钢梁柱连接节点。

本发明的钢结构中的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点采用上翼缘连接件和下翼缘连接件将钢柱的翼缘分别与钢梁的上翼缘和下翼缘连接，其中上翼缘连接件的第一连接板上距离第二连接板最近的螺栓孔与第二连接板之间形成板铰，当发生地震时，在地震的反复载荷下，第一连接板在钢梁的带动下转动，并控制钢梁相对钢柱发生转动时的转动中心在第一连接板上靠近钢柱翼缘的端部处，与钢梁的下翼缘连接的下翼缘连接件的削弱区发生塑性变形，而连接节点的其他部位保持弹性，以此达到连接节点损伤控制的作用。本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中，由于上翼缘连接件上通过设置板铰，在发生地震时，上翼缘连接件中的第一连接板在板铰以外的区域不会发生明显的塑性变形，钢梁柱连接节点的损伤将集中在下翼缘连接件上，当需要更换或修复下翼缘连接件时无需破拆楼板，因此更换和修复时更易于施工，节约了钢材的用量，降低了装配成本。此外，当地震过后，由于连接节点的损伤主要集中在下翼缘连接件上，可以很容易地观察下翼缘连接件的损伤情况，有利于鉴定人员准确评估连接节点震后的损伤并选择合理的修复方法，在对下翼缘连接件进行更换时，无需破坏钢梁柱的主体结构，更换方便快捷。

综上，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点具有损伤控制的优点，通过合理的设计，将上翼缘连接件设计成板铰的结构形式，并对下翼缘连接件进行有效的削弱，使该部分比其它部分更加薄弱，地震发生时，下翼缘连接件的削弱区发生屈服，连接节点的其余部分保持弹性，从而将损伤有效的控制在削弱区。

2.本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点具有良好的延性，在钢梁柱发生较大幅度的相对转动时，可以保证节点的强度不下降。

3.钢梁上的荷载由翼缘连接件和腹板连接件传递至钢柱，盖板和钢梁的下翼缘对下翼缘连接件的削弱区起到屈曲约束作用，使削弱区在受拉和受压下均能进入材料的屈服状态，因而本发明的节点抗震性能好，耗能能力强。

4.本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点具有震后易修复、可快速更换的特点。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，只需更换翼缘连接件和腹板连接件，该节点仍能重复使用。而且更换时无需破拆楼板，不对结构二次损坏，更换安全便捷。

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 (7)

1.一种单边屈曲约束式钢梁柱连接节点，包括钢梁和钢柱，其特征在于，所述钢梁与钢柱的接合处设置有上翼缘连接件和下翼缘连接件，所述上翼缘连接件包括水平设置的第一连接板和与所述第一连接板的端部连接且竖向设置的第二连接板，所述第一连接板通过第一组螺栓与所述钢梁的上翼缘连接，所述第二连接板通过第二组螺栓与所述钢柱的翼缘连接，所述第一连接板上距离第二连接板最近的螺栓孔与第二连接板之间形成板铰，所述下翼缘连接件同时与所述钢梁的下翼缘和所述钢柱的翼缘连接，所述下翼缘连接件的中部为削弱区；

所述下翼缘连接件为T型芯板或L型芯板，所述下翼缘连接件包括水平设置的第三连接板和与所述第三连接板的端部连接且竖向设置的第四连接板，所述第三连接板与钢梁的下翼缘连接，所述第四连接板与钢柱的翼缘连接，所述削弱区设置于所述第三连接板上；

所述第三连接板和第四连接板的连接处设置有竖向加劲肋，所述第三连接板通过第三组螺栓与所述钢梁的下翼缘连接，所述第四连接板通过第四组螺栓与所述钢柱的翼缘连接；

所述钢柱的翼缘之间对应所述钢梁的位置设置有水平加劲肋，所述钢柱的腹板上对应所述钢梁的位置设置有补强板；

所述第三连接板的外侧在所述削弱区的外侧设置有盖板，所述盖板通过第五组螺栓与所述钢梁的下翼缘连接，所述第五组螺栓穿过所述削弱区；所述盖板与第三连接板之间在所述削弱区设置有垫块，所述垫块的厚度大于所述第三连接板的厚度1～5mm。

2.根据权利要求1所述的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点，其特征在于，所述第一连接板上距离第二连接板最近的螺栓孔与第二连接板之间距离为20～100mm。

3.根据权利要求2所述的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点，其特征在于，所述钢梁靠近钢柱的翼缘的端部沿钢柱的长度方向上为自上而下的楔形。

4.根据权利要求1所述的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点，其特征在于，所述第三连接板中部两侧有切槽/切口，形成所述削弱区；

或者，所述第三连接板中部开有长孔，形成所述削弱区。

5.根据权利要求1所述的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点，其特征在于，所述第一组螺栓、第二组螺栓、第三组螺栓和第四组螺栓均为高强螺栓。

6.根据权利要求1所述的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点，其特征在于，所述钢柱的翼缘设置有用于通过第六组螺栓连接所述钢梁的腹板的剪力板，所述剪力板上开有至少两个上下排布的螺栓孔，所述上下排布的螺栓孔为水平方向的长圆孔，所述剪力板与钢柱的翼缘焊接连接，所述第六组螺栓为高强螺栓。

7.一种钢结构建筑，其特征在于，包括权利要求1-6任一所述的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点。