CN107386462B - 单边屈曲约束式钢梁柱连接节点和钢结构建筑 - Google Patents

单边屈曲约束式钢梁柱连接节点和钢结构建筑 Download PDF

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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铰接连接件和耗能元件,所述铰接连接件包括第一连接板和与所述第一连接板的端部铰接连接的第二连接板,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,所述耗能元件同时与所述钢梁的下翼缘和所述钢柱的翼缘连接,所述耗能元件的中部为削弱区。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耗能元件。

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
钢结构住宅中最常用的梁柱连接节点是栓焊混合连接节点。它是将钢梁翼缘与钢柱翼缘用全熔透焊缝连接,钢梁腹板与焊于钢柱翼缘上的剪力板用摩擦型高强螺栓连接。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。
全栓连接节点是将钢梁的上、下翼缘用连接件(T型芯板或者L型芯板)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,全栓连接节点装配快速,符合建筑工业化要求。但是,在地震荷载下若全栓连接节点的上耗能元件屈服或断裂,同样需要割开节点附近的楼板,然后松开上耗能元件的螺栓,再更换上耗能元件,最后将割开的楼板重新浇筑。
上述栓焊混合连接节点和全栓连接节点的震后修复异常繁琐,而且对大地震后原本脆弱的结构造成二次损伤。
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耗能元件。
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铰接连接件和耗能元件,所述铰接连接件包括第一连接板和与所述第一连接板的端部铰接连接的第二连接板,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,所述耗能元件同时与所述钢梁的下翼缘和所述钢柱的翼缘连接,所述耗能元件的中部为削弱区。
进一步的,所述第一连接板的端部设置有若干均匀分布的第一圆柱体,所述第二连接板上设置有若干与所述第一圆柱体交错的且相互配合的第二圆柱体,所述第一圆柱体和第二圆柱体上均设置有用于穿设螺栓或销轴的通孔。
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,所述耗能元件为T型芯板或L型芯板,所述耗能元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,所述第一组螺栓和第二组螺栓为高强螺栓,或者所述第一连接板与钢梁的上翼缘之间以及所述第二连接板与钢柱的翼缘之间均采用焊接连接;
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,所述第三组螺栓和第四组螺栓为高强螺栓。
进一步的,所述第三连接板的外侧在所述削弱区的下方设置有盖板,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,所述盖板与第三连接板之间在所述切槽/切口或长孔设置有垫块,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,所述第六组螺栓为高强螺栓。
进一步的,所述钢柱的两个翼缘之间对应所述钢梁的位置设置有水平加劲肋。
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铰接连接件将钢柱的翼缘与钢梁的上翼缘连接,其中铰接连接件的第一连接板与第二连接板之间铰接连接,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围绕第一连接板与第二连接板之间的铰点转动,与钢梁下翼缘连接的耗能元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的损伤将集中在耗能元件上,当需要更换或修复耗能元件时无需破拆楼板,因此更换和修复时更易于施工,并且节约了钢材的用量,降低了装配成本。此外,地震过后,由于连接节点的损伤主要集中在耗能元件上,可以很容易地观察耗能元件的损伤情况,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,在对耗能元件进行更换时,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一个实施例的结构示意图;
图2为图1所示的单边屈曲约束式钢梁柱单边连接节点的仰视结构示意图;
图3为本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中铰接连接件的结构示意图;
图4为本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中的钢梁的俯视图;
图5为本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中的耗能元件的实施例1的示意图,其中图5(a)为耗能元件为T形时的结构示意图,图5(b)为耗能元件为L形时的结构示意图;
图6为本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中的耗能元件的实施例2的示意图;
图7为本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中的耗能元件的实施例3的示意图;
图8为本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中的耗能元件的实施例4的示意图;
图9为本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中的耗能元件的实施例5的示意图;
图10为本发明的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点中的耗能元件的实施例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的接合处设置有铰接连接件3和耗能元件4,铰接连接件3包括第一连接板31和与第一连接板31的端部铰接连接的第二连接板33,第一连接板31与钢梁1的上翼缘11连接,第二连接板33与钢柱2的翼缘21连接,耗能元件4同时与钢梁1的下翼缘13和钢柱2的翼缘21连接,耗能元件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铰接连接件将钢柱的翼缘与钢梁的上翼缘连接,其中铰接连接件的第一连接板与第二连接板之间铰接连接,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围绕第一连接板与第二连接板之间的铰点转动,与钢梁下翼缘连接的耗能元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的损伤将集中在耗能元件上,当需要更换或修复耗能元件时无需破拆楼板,因此更换和修复时更易于施工,并且节约了钢材的用量,降低了装配成本。此外,地震过后,由于连接节点的损伤主要集中在耗能元件上,可以很容易地观察耗能元件的损伤情况,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,在对耗能元件进行更换时,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的端部优选设置有若干均匀分布的第一圆柱体32,第二连接板33上设置有若干与第一圆柱体32交错的且相互配合的第二圆柱体34,第一圆柱体32和第二圆柱体34上均设置有用于穿设螺栓35或销轴的通孔。铰接连接件3在本发明的连接节点受地震力转动时绕螺栓35或销轴转动,第一连接板31和第二连接板33不发生塑性变形,耗能元件4的削弱区43发生塑性变形并参与耗能。其中第一连接板31与第二连接板33之间采用螺栓或销轴穿设在两者的圆柱体的通孔内形成铰接连接,在保证强度的前提下,结构简单,节约材料。
当然,第一连接板31与第二连接板33之间的铰接连接方式除了采用上述结构形式外,还可以采用本领域技术人员能够想到的符合上述原则的各种结构,均不影响本发明技术方案的实现。
由于控制钢梁1相对钢柱2转动时的转动中心在铰接连接件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,耗能元件4可以有多种方案,优选为T型芯板或L型芯板,图5(a)为耗能元件4为T型芯板的结构示意图,图5(b)为耗能元件4为L型芯板的结构示意图,图6至图9中给出了T型芯板的多种设计,L型芯板结构类似。T型芯板包括第三连接板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43区设置于第三连接板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。
优选的,第一连接板31可以通过第一组螺栓36与钢梁1的上翼缘11连接,第二连接板33可以通过第二组螺栓37与钢柱2的翼缘21连接,第三连接板41和第四连接板42的连接处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36、第二组螺栓37、第三组螺栓45和第四组螺栓46均选为高强螺栓。
此外,第一连接板31与钢梁1的上翼缘11之间以及第二连接板33与钢柱2的翼缘21之间还可以采用焊接的方式进行连接,也可以实现本发明的技术方案的实现。
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。
本发明中的耗能元件4通过高强螺栓与钢梁1和钢柱2连接,可拆卸,铰接连接件3和耗能元件4均可在工厂预制,并能在现场快速安装,减少了现场施工焊缝,大幅加快施工进度,缩减工人用量,符合建筑工业化要求。
优选的,第三连接板41的外侧在削弱区43的下方可以设置有盖板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由局部屈曲导致的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;通过调节第五组螺栓51的预紧力可以控制盖板5屈曲约束的程度。
此外,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、耗能元件4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发生屈曲,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。
这里给出耗能元件4的几个实施例:
实例1:
如图2和图5所示,第一连接板41的端部采用扩大截面形式,第一连接板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。
上述六个实施例中,耗能元件4和盖板5的厚度需根据设计要求决定,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时,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。
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钢板23。水平加劲钢板23的设置能够防止钢柱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,包括上述单边屈曲约束式钢梁柱连接节点。
本发明的钢结构建筑中的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点采用铰接连接件将钢柱的翼缘与钢梁的上翼缘连接,其中铰接连接件的第一连接板与第二连接板之间铰接连接,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围绕第一连接板与第二连接板之间的铰点转动,与钢梁下翼缘连接的耗能元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的损伤将集中在耗能元件上,当需要更换或修复耗能元件时无需破拆楼板,因此更换和修复时更易于施工,并且节约了钢材的用量,降低了装配成本。此外,地震过后,由于连接节点的损伤主要集中在耗能元件上,可以很容易地观察耗能元件的损伤情况,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,在对耗能元件进行更换时,无需破坏钢梁柱的主体结构,更换方便快捷。
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铰接连接件和耗能元件,所述铰接连接件包括第一连接板和与所述第一连接板的端部铰接连接的第二连接板,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,所述耗能元件同时与所述钢梁的下翼缘和所述钢柱的翼缘连接,所述耗能元件的中部为削弱区;
所述第一连接板的端部设置有若干均匀分布的第一圆柱体,所述第二连接板上设置有若干与所述第一圆柱体交错的且相互配合的第二圆柱体,所述第一圆柱体和第二圆柱体上均设置有用于穿设螺栓或销轴的通孔;
所述耗能元件为T型芯板或L型芯板,所述耗能元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;
所述第三连接板的外侧在所述削弱区的下方设置有盖板,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。
3.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。
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,所述第一组螺栓和第二组螺栓为高强螺栓,或者所述第一连接板与钢梁的上翼缘之间以及所述第二连接板与钢柱的翼缘之间均采用焊接连接;
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,所述第三组螺栓和第四组螺栓为高强螺栓。
5.根据权利要求1-4中任一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,所述第六组螺栓为高强螺栓。
6.根据权利要求5所述的单边屈曲约束式钢梁柱连接节点,其特征在于,所述钢柱的两个翼缘之间对应所述钢梁的位置设置有水平加劲肋。
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。
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JPH084112A (ja) * 1994-06-17 1996-01-09 Natl Sci Council 鉄骨構造物の柱梁接合部
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CN207260341U (zh) * 2017-08-28 2018-04-20 山东大学 单边屈曲约束式钢梁柱连接节点和钢结构建筑

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