CN107386435A - 预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架‑支撑体系 - Google Patents

Abstract

预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架‑支撑体系，包括装配式节点Ⅰ、装配式节点Ⅱ、支撑结构和楼板；装配式节点Ⅰ为装配式预应力柱‑柱拼接节点，位于柱反弯点处，包括预应力拉杆支承板、加劲板、半焊接耳板、腹板拼接板和预应力拉杆；装配式节点Ⅱ为装配式预应力梁‑梁拼接节点，包括悬臂梁段法兰板、中间梁段法兰板和后张拉预应力拉索；支撑结构成对设置在上下相邻的两钢梁之间，每对支撑结构包括支撑杆、支撑杆套筒、下端连接件和上端连接件；楼板包括Ⅰ型板、Ⅱ型板和Ⅲ型板三种类型的预制混凝土楼板；本发明采用新型预应力钢梁及钢柱拼接节点，提高结构的装配率、实现快速施工，震后可快速修复，快速重建。

Description

预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系

技术领域

本发明属于结构工程领域，具体涉及一种预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，采用新型预应力钢梁及钢柱拼接节点，可以用于震后功能简单修复后即可使用的新型装配式结构。

背景技术

2013年1月国务院颁发的《绿色建筑行动方案》提出推动建筑工业化，开发成套的、系列化的、标准化的绿色、环保、节能、可重复利用的装配式结构体系。2016年2月《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》提出，力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例力争达到30% 。自汶川地震之后，国内专家建议学校、医院等公共建筑应提高其抗震设防要求并采用钢结构，针对布置规则、利于实现模数化的建筑形式，较为适合采用装配式钢框架结构，从而提高工业化生产效率，以适应灾后短期内快速实施重建工作的需求。

与其他建筑材料结构体系相比，钢结构是最适合实现设计标准化、构配件生产工厂化、施工装配化的重要结构类型。但我国对装配式钢框架结构，尤其是多高层装配式钢结构体系的研究仍然处于起步阶段。在装配式钢结构体系中，梁-梁拼接和柱-柱拼接方式是实现体系能否高效装配化的一个关键因素。现有的拼接方式多为H型钢的焊接、螺栓连接或栓焊混合连接。对焊接而言，现场操作效率低、焊接质量难以保证。而螺栓连接在翼缘和腹板处需要量很大，当工程量较大的时候，耗费的人力物力反而体现不出钢结构的优势。因此将传统连接形式用于装配式结构体系是无法满足工业化高效安装的需要的，耗钢量过大，与国家倡导的绿色建筑理念不符，因此对装配式钢结构体系的创新是未来几年的发展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，采用新型预应力钢梁及钢柱拼接节点，提高结构的装配率、实现快速施工，震后可快速修复，快速重建。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，包括装配式节点Ⅰ、装配式节点Ⅱ、支撑结构和楼板，装配式节点Ⅰ为装配式预应力柱-柱拼接节点，以连接上下相邻的两根钢柱，装配式节点Ⅱ为装配式预应力梁-梁拼接节点，连接悬臂梁段和中间梁段以构成钢梁，楼板体系包括Ⅰ型板、Ⅱ型板和Ⅲ型板三种类型的预制混凝土楼板；

装配式节点Ⅰ位于柱反弯点处，包括预应力拉杆支承板、加劲板、半焊接耳板、腹板拼接板和预应力拉杆，在两根钢柱连接处的前后腹板位置各设置相连接的腹板拼接板；在两根钢柱上各焊接一块预应力拉杆支承板，并在预应力拉杆支承板一侧焊接加劲板；预应力拉杆的两端分别固定在预应力拉杆支承板上，以施加预拉力，将两钢柱连接；在预应力拉杆支承板；所述半焊接耳板的两端分别连接在两钢柱同侧的翼缘上；

装配式节点Ⅱ包括悬臂梁段法兰板、中间梁段法兰板和后张拉预应力拉索，悬臂梁段一端与钢柱焊接，另一端安装悬臂梁段法兰板；中间梁段的两端各安装中间梁段法兰板，并且悬臂梁段法兰板与中间梁段法兰板上设有相对应的预留孔，由螺栓将二者连接；所述后张拉预应力拉索一端依次穿过悬臂梁段法兰板和中间梁段法兰板上的预留孔，另一端穿过钢柱的翼缘或贯穿钢柱后依次穿过钢柱另一侧装配式节点Ⅱ中的悬臂梁段法兰板和中间梁段法兰板上的预留孔，在后张拉预应力拉索的两端施加预紧力，将悬臂梁段和中间梁段连接；

所述支撑结构成对设置在上下相邻的两钢梁之间，每对支撑结构包括支撑杆、支撑杆套筒、下端连接件和上端连接件，上端连接件固定在上方钢梁的中间梁段上，下端连接件固定在下方钢梁的梁柱节点处，支撑杆的两端安装支撑杆套筒后分别与下端连接件和上端连接件连接，以形成斜支撑。

进一步的，所述Ⅰ型板、Ⅱ型板和Ⅲ型板上均设有锚栓孔，供锚栓将其固定在钢梁上。

进一步的，所述的下端连接件的板面与梁柱节点处的钢梁和钢柱的翼缘两两垂直焊接。

进一步的，所述的上端连接件由两个L型支撑件与垂直连接板构成，两个L型支撑件固定连接后，在每个L型支撑件上焊接垂直连接板，并在垂直连接板上设有连接支撑杆套筒的连接孔；所述L型支撑件采用角钢或由两块钢板垂直焊接而成，角钢的肢尖、肢背或两块钢板上分别开孔。

进一步的，在所述楼板的上下两面的端部分别用螺栓连接压型钢板，并且相邻的楼板中，其中一块楼板上下两面的压型钢板构成收口结构，另一块楼板上下两面的压型钢板构成与所述收口结构相配合的开口结构，使两块楼板扣接卡合。

进一步的，所述连接腹板拼接板的螺栓为摩擦型的腹板抗剪高强度螺栓。

进一步的，所述半焊接耳板一端焊接在一根钢柱的一侧翼缘上，另一端通过螺栓固定在另一根钢柱同侧的翼缘上。

本发明所提的预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系是装配式钢框架结构体系的一种新型结构体系，采用上述技术方案后，本发明有如下有益效果：

1、装配式节点Ⅰ受力机制明确，对预应力拉杆施加预拉力后，将对翼缘铣平端面产生顶紧作用，并产生预压力；在对预应力拉杆施加预拉力时，会对螺栓孔周围的预应力拉杆支承板产生局部压应力，因此焊接在预应力拉杆支承板下部的加劲板可防止支承板发生屈曲变形；整个节点构造体系可以形成合力的传力路径，整体性好、变形较小，保证了柱抗弯刚度的连续性；拼接处采用的半焊接耳板，可以避免现场焊接质量的不可控性，又可以充分发挥耳板的加强作用。

2、装配式节点Ⅱ中所述的后张拉预应力拉索和法兰板连接方式共同发挥作用，简化了节点构造，便于安装时就位和调整,节省了拼装时间；同时克服了普通节点耗费现场劳动力的缺点，降低了施工成本并缩短了工期，符合工业化建筑发展的趋势；当大量节点同时施工时，此优点体现更为明显。

3、本发明所提的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系可以在大震后通过重新张拉后张拉预应力拉索使结构恢复原位，并更换支撑；采用这样的新型体系后即使结构在经历地震发展塑性后，仍然能够快速修复，并恢复到原来位置，实现震后快速重建。

4、将预制混凝土楼板划分为三种类型，安装时按照位置的不同选择相应的板块；先将板的洞口对准钢柱上端，之后下落支梁上，将梁翼缘和板上的预留孔对准后安装锚栓；之后将板边缘的压型钢板用锚栓连接并扣牢；板单元采用以上施工方法按照迅速，与装配式钢框架形成一个完整的装配式体系，大大缩短了安装时间。

5、本发明采用高延性的金属杆件作为支撑杆件，与后张拉预应力拉索共同组成装配式体系的耗能元件，有效地提高了装配式钢框架的整体抗震性能。

6、本发明所有构件全部在工厂加工完成，现场吊装拼接效率高；节点和体系设计合理，大大提高了结构的整体装配率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是楼板三种类型的拼装图；

图3是装配式节点Ⅰ的结构示意图；

图4是装配式节点Ⅰ在钢框架边柱处的结构拆分图；

图5是装配式节点Ⅰ在钢框架中柱处的结构拆分图；

图6是装配式节点Ⅱ的结构及拼装示意图；

图7是支撑结构上部的结构拆分图；

图8是Ⅰ型板连接三维图；

图9是Ⅱ型板连接三维图；

图10是Ⅲ型板连接三维图；

图11是楼板与梁的连接示意图；

图12是楼板之间的连接示意图；

图中标记：1、装配式节点Ⅰ，101、预应力拉杆支承板，102、加劲板，103、半焊接耳板，104、腹板拼接板，105、腹板抗剪高强度螺栓，106、预应力拉杆，107、柱加劲板；

2、装配式节点Ⅱ，201、悬臂梁段法兰板，202、中间梁段法兰板，203、后张拉预应力拉索；

3、支撑结构，301、支撑杆，302、支撑杆套筒，303、上端连接件，303-1、L型支撑件，303-2、垂直连接板，304、下端连接件；

4、楼板，401、Ⅰ型板，402、Ⅱ型板，403、Ⅲ型板，404，连接锚栓，405、预制混凝土板钢筋，406、压型钢板，407、收口结构，408、开口结构；

5、钢柱，501、上钢柱，502、下钢柱；

6、钢梁，601、悬臂梁段，602、中间梁段，603、梁加劲肋。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体的实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明钢框架所用的钢柱5、钢梁6均为工字钢；

如图1、图2所示，预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，由装配式节点Ⅰ1、装配式节点Ⅱ2、支撑结构3和楼板4构成，楼板4包括Ⅰ型板401、Ⅱ型板402和Ⅲ型板403三种类型的预制混凝土楼板。

如图3、图4、图5所示，装配式节点Ⅰ1为装配式预应力柱-柱拼接节点，以连接上下相邻的两根钢柱5，并位于柱反弯点处，约为层高的1/3～1/4处；包括预应力拉杆支承板101、加劲板102、半焊接耳板103、腹板拼接板104和预应力拉杆106；在上下两根钢柱5连接处的前后腹板位置各设置腹板拼接板104，并通过腹板抗剪高强度螺栓105连接前后两块腹板拼接板104，腹板抗剪高强度螺栓105为摩擦型；在两根钢柱5上距离拼接处一定距离处各对称设置预应力拉杆支承板101和加劲板102，两个预应力拉杆支承板101上预留孔洞并通过预应力拉杆106连接，并对预应力拉杆106施加预拉力，从而将两钢柱5连接；所述半焊接耳板103的两端分别连接在两钢柱5同侧的翼缘上，半焊接耳板103的一端焊接在其中上钢柱501一侧的翼缘上，另一端通过高强度螺栓连接在下钢柱502同侧的翼缘上，从而完成钢柱节段的拼接；如图4所示，在梁柱连接处的钢柱5上焊接柱加劲板107。

如图6所示，装配式节点Ⅱ2为装配式预应力梁-梁拼接节点，框架钢梁6被两个装配式节点Ⅱ2划分为两段悬臂梁段601和一段中间梁段602，中间梁段602为安装支撑体系3的节间；装配式节点Ⅱ2以连接悬臂梁段601和中间梁段602，包括悬臂梁段法兰板201、中间梁段法兰板202和后张拉预应力拉索203，悬臂梁段601一端与钢柱5焊接，另一端安装悬臂梁段法兰板201；中间梁段602的两端各安装中间梁段法兰板202，并且悬臂梁段法兰板201与中间梁段法兰板202上设有相对应的预留孔，由高强度螺栓将二者连接；根据装配式节点Ⅱ2所在的位置，所述后张拉预应力拉索203具有两种设置方式，具体如下：

1、当装配式节点Ⅱ2位于整个钢框架边缘时，即梁柱之间呈T型连接时，所述后张拉预应力拉索203一端依次穿过悬臂梁段法兰板201和中间梁段法兰板202上的预留孔，另一端固定在钢柱5的翼缘上，在后张拉预应力拉索203的两端施加预紧力，将悬臂梁段601和中间梁段602连接；

2、当装配式节点Ⅱ2位于整个钢框架内部，即梁柱之间呈十字交叉时，所述后张拉预应力拉索203一端依次穿过悬臂梁段法兰板201和中间梁段法兰板202上的预留孔，另一端贯穿钢柱5后依次穿过钢柱另一侧装配式节点Ⅱ2中的悬臂梁段法兰板201和中间梁段法兰板202上的预留孔，在后张拉预应力拉索203的两端施加预紧力，将悬臂梁段201和中间梁段202连接；

从而将悬臂梁段601和中间梁段602连接，以完成整个钢梁段的拼接安装。

如图7所示，所述的支撑结构3设置在整个框架结构的中间位置，不需每个节间都设置，并成对设置；每对支撑结构3均包括支撑杆301、支撑杆套筒302、上端连接件303和下端连接件304，上端连接件303通过螺栓固定在上方钢梁6的中间梁段602上，下端连接件304固定在下方钢梁6的梁柱节点处，支撑杆301的两端安装支撑杆套筒302后分别与下端连接件304和上端连接件303连接，以形成斜支撑；所述的下端连接件304的板面与梁柱节点处的钢柱5和钢梁6的翼缘两两垂直焊接；所述的上端连接件303由L型支撑件303-1与垂直连接板303-2构成，L型支撑件303-1采用两个并由螺栓固定连接，在每个L型支撑件303-1上焊接垂直连接板303-2，并在垂直连接板303-2上设有连接支撑杆套筒302的连接孔；所述L型支撑件303-1采用角钢或由两块钢板垂直焊接而成，角钢的肢尖、肢背或两块钢板上分别开孔；所述支撑杆301可以采用金属材质的螺杆，要求具备较高的耗能能力；支撑杆301端部加工为螺纹段，有效长度为45mm以上；支撑杆301两端是支撑杆套筒302，支撑杆套筒302内也有螺纹，与支撑杆301端部的螺纹相对应连接。

所述楼板4采用预制混凝土楼板，根据楼板4与钢柱5的相对位置分为三类：Ⅰ型板401、Ⅱ型板402、Ⅲ型板403；其中Ⅰ型板401沿着中柱四周，每边延伸半个跨度，即Ⅰ型板401正中间挖正方形或长方形孔，孔尺寸基本与钢柱5截面高和宽尺寸吻合，以能使钢柱5穿过为宜，如图8所示；Ⅱ型板402沿着边柱设置，如图9所示；Ⅲ型板403为角柱周围板，如图10所示；三种类型的楼板4分布图如图2所示。

如图11所示，以上三种类型的楼板4均预留有孔洞，孔洞间距300mm，深度约为连接锚栓404的长度，楼板4通过连接锚栓404与钢梁6的翼缘连接；如图12所示，在预制混凝土楼板的上下面的端部分别螺栓连接压型钢板406，并且相邻的预制混凝土楼板中，其中一块预制混凝土楼板上的压型钢板406构成收口结构407，另一块预制混凝土楼板上的压型钢板406构成与所述收口结构407相配合的开口结构408，通过收口结构407卡入开口结构408中，使两块预制混凝土楼板扣接卡合。

下面通过具体的安装方法，对本发明的结构特征作进一步的描述。

上述预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系的装配方法，包括以下步骤：

一、进行框架柱工地安装时，即施工装配式节点Ⅰ1时，先将上下钢柱5对位，之后安装腹板处的腹板拼接板4，此处的腹板抗剪高强度螺栓105应按普通螺栓要求拧紧，再纵向穿预应力拉杆106并张拉，待其张拉完毕，对腹板处腹板抗剪高强度螺栓105施加预拉力，完成后进行半焊接耳板103处的螺栓安装并最终拧紧；节点安装时，先将柱翼缘对齐，注意不要有错边；在给预应力拉杆106施加预拉力时，推荐使用两种方法：液压张拉和扭矩法；这两种方法都是通过预应力拉杆106挤压预应力拉杆支承板101产生反作用力从而完成预拉力的施加；

二、进行框架梁工地安装时，即施工装配式节点Ⅱ2；此时由于此层的钢柱5已完成安装，因此悬臂梁段601的位置已经固定；将中间梁段602吊装至设计标高，与悬臂梁段601对接；将悬臂梁段法兰板201和中间梁段法兰板202对准位置后，穿螺栓，进行一般拧紧；之后将后张拉预应力拉索203的一端穿过钢柱5内侧翼缘，另一端穿过悬臂梁段法兰板201和中间梁段法兰板202上的剩余预留孔；对中间框架梁柱位置即梁柱十字交叉处的装配式节点Ⅱ2安装方法与边框一致，均为钢柱5安装后，将中间梁段602与悬臂梁段601对接，将悬臂梁段法兰板201和中间梁段法兰板202对准位置后，穿螺栓；后张拉预应力拉索203的一端穿过中间框架梁柱左侧的法兰板201和202，另一端穿过中间框架梁柱右侧的法兰板201和202，在中间框架梁柱连接处的柱翼缘两侧均设孔，以便后张拉预应力拉索203贯穿柱翼缘，最后后张拉预应力拉索203的两端同时施加预紧力，从而将中间框架梁柱连接处两侧的悬臂梁段601和中间梁段602连接，进而完成整个钢梁段的拼接安装；

三、当不需要安装支撑结构3时，按照不同的位置，安装楼板4；从已完成的安装层的钢柱5上端将预制混凝土楼板下放至钢梁6上，对准预制混凝土楼板和钢梁6翼缘上预留孔的位置，穿连接锚栓404以连接；同时将两个楼板4之间的收口结构407与开口结构408对位卡牢；

四、当遇到需要安装支撑结构3的节间，可以先施工支撑结构3的安装之后再进行楼板4的安装，楼板4的安装按照步骤三的方法进行；安装支撑结构3时，将支撑杆301和支撑杆套筒302的螺纹和螺丝对准拧紧即可，之后支撑杆套筒302与上端连接件303的垂直连接板303-2和下端连接件304连接板用螺栓连接；L形支撑件303-1与中间梁段602的连接、L形支撑件303-1之间的连接依靠高强度螺栓，可以快速安装。

Claims (7)

1.预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，包括装配式节点Ⅰ（1）、装配式节点Ⅱ（2）、支撑结构（3）和楼板（4），装配式节点Ⅰ（1）为装配式预应力柱-柱拼接节点，以连接上下相邻的两根钢柱（5），装配式节点Ⅱ（2）为装配式预应力梁-梁拼接节点，连接悬臂梁段（601）和中间梁段（602）以构成钢梁（6），楼板（4）包括Ⅰ型板（401）、Ⅱ型板（402）和Ⅲ型板（403）三种类型的预制混凝土楼板；其特征在于：

装配式节点Ⅰ（1）位于柱反弯点处，包括预应力拉杆支承板（101）、加劲板（102）、半焊接耳板（103）、腹板拼接板（104）和预应力拉杆（106），在两根钢柱（5）连接处的前后腹板位置各设置相连接的腹板拼接板（104）；在两根钢柱（5）上各焊接一块预应力拉杆支承板（101），在预应力拉杆支承板（101）一侧设置加劲板（102）；预应力拉杆（106）的两端分别固定在预应力拉杆支承板（101）上，以施加预拉力，将两钢柱（5）连接；所述半焊接耳板（103）的两端分别连接在两钢柱（5）同侧的翼缘上；

装配式节点Ⅱ（2）包括悬臂梁段法兰板（201）、中间梁段法兰板（202）和后张拉预应力拉索（203），悬臂梁段（601）一端与钢柱（5）焊接，另一端安装悬臂梁段法兰板（201）；中间梁段（602）的两端各安装中间梁段法兰板（202），并且悬臂梁段法兰板（201）与中间梁段法兰板（202）上设有相对应的预留孔，由螺栓将二者连接；所述后张拉预应力拉索（203）一端依次穿过悬臂梁段法兰板（201）和中间梁段法兰板（202）上的预留孔，另一端穿过钢柱（5）的翼缘或贯穿钢柱（5）后依次穿过钢柱（5）另一侧装配式节点Ⅱ（2）中的悬臂梁段法兰板（201）和中间梁段法兰板（202）上的预留孔，在后张拉预应力拉索（203）的两端施加预紧力，将悬臂梁段（601）和中间梁段（602）连接；

所述支撑结构（3）成对设置在上下相邻的两钢梁（6）之间，每对支撑结构（3）包括支撑杆（301）、支撑杆套筒（302）、上端连接件（303）和下端连接件（304），上端连接件（303）固定在上方钢梁（6）的中间梁段（602）上，下端连接件（304）固定在下方钢梁（6）的梁柱节点处，支撑杆（301）的两端安装支撑杆套筒（302）后分别与上端连接件（301）和下端连接件（302）连接，以形成斜支撑。

2.根据权利要求1所述的预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，其特征在于：所述Ⅰ型板（401）、Ⅱ型板（402）和Ⅲ型板（403）上均设有锚栓孔，供连接锚栓（404）将其固定在钢梁（6）上。

3.根据权利要求1所述的预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，其特征在于：所述的下端连接件（304）的板面与梁柱节点处的钢梁（6）和钢柱（5）的翼缘两两垂直焊接。

4.根据权利要求1所述的预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，其特征在于：所述的上端连接件（303）由L型支撑件（303-1）与垂直连接板（303-2）构成，两个L型支撑件（303-1）固定连接后，在每个L型支撑件（303-1）上焊接垂直连接板（303-2），并在垂直连接板（303-2）上设有连接支撑杆套筒（302）的连接孔；所述L型支撑件（303-1）采用角钢或由两块钢板垂直焊接而成，角钢的肢尖、肢背或两块钢板上分别开孔。

5.根据权利要求1所述的预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，其特征在于：在所述楼板（4）的上下两面的端部分别焊接压型钢板（406），并且相邻的楼板（4）中，其中一块楼板（4）上下两面的压型钢板（406）构成收口结构（407），另一块楼板（4）上下两面的压型钢板（406）构成与所述收口结构（407）相配合的开口结构（408），通过收口结构（407）卡入开口结构（408）中，使两块楼板（4）扣接卡合。

6.根据权利要求1所述的预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，其特征在于：所述连接腹板拼接板（104）的螺栓为摩擦型的腹板抗剪高强度螺栓（105）。

7.根据权利要求1所述的预应力节点连接的装配式可恢复功能钢框架-支撑体系，其特征在于：所述半焊接耳板（103）一端焊接在一根钢柱（5）的一侧翼缘上，另一端通过螺栓固定在另一根钢柱（5）同侧的翼缘上。