CN107587607B - 钢结构梁柱连接节点及其连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构梁柱连接节点及其连接方法，用于解决现有的连接节点容易发生脆性断裂的问题。用于钢柱和工字形钢梁的连接，所述钢梁两端的连接部为第一空间和第二空间，过渡连接件由钢板和插接槽组成，固定在钢柱上，插接槽与钢梁插接后形成关节结构；在连接部和底板之间的所述插接槽中设置有板状弹簧组件，在钢梁和过渡连接件之间设置有钢索；第二空间和插接槽侧壁之间灌浆。在强烈地震作用下，混凝土块发生损坏性破碎，然后钢梁和过渡连接件之间形成柔性连接，具有相对运动的能力，且在板状弹簧组件的作用和地震的作用下，高频往复振动，可以消耗大部分的地震能量，且能有效避免连接点的脆性断裂，起到抗震的作用。

Description

钢结构梁柱连接节点及其连接方法

技术领域

该发明涉及钢结构技术领域。

背景技术

在装配式钢结构技术领域中，钢结构节点处需要采用装配式连接的方式进行连接，传统的连接方式参考图9中所示的结构，即，在钢梁和钢柱之间采用L形连接件进行过度连接，其中L形连接件与钢柱之间通过高强螺栓进行连接，L形连接件与钢梁之间通过高强度螺栓进行连接。这种结构存在的主要问题在于，抗震性能不佳，当强震发生时，容易在连接件处发生脆性断裂。

为了解决钢梁和钢柱处连接节点的抗震问题，国内外专家学者进行了大量的实验和设计，其中，中国专利201410199919.8中公开了一种可变刚度的耗能钢结构梁柱节点，其主要设计要点在于，钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板上分别设有若干个条形螺栓孔和弧形螺栓孔；钢梁翼缘和腹板与所述的钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板采用高强度螺栓连接，钢梁翼缘连接板和钢梁腹板连接板与钢柱焊接连接，即，通过设置条形螺栓孔和弧形螺栓孔，留出活动空间，使得节点在罕遇地震下，梁端可在一定角度内双向转动，产生摩擦耗能作用，起到提高结构抗震性能的目的。实际应用中，这种依靠叠合区的钢板产生的摩擦力是有限的，尤其是，在震动过程中，螺栓的松动是不可避免的，螺栓松动后会使得摩擦效果急剧的降低，所以这种结构也是不可控的，且相对于地震产生的动能，摩擦效果较差，减震效果较差。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种钢结构建筑梁柱连接节点及其连接方法，要解决的技术问题是，保证在不同地震强度下的，节点处于有效的连接状态，做到大震不倒，中震可修。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

钢结构梁柱连接节点，用于钢柱和工字形钢梁的连接，其特征在于，

所述钢梁由梁腹板和梁翼缘组成，在钢梁的两端对称的设置有连接部，每一连接部和一根钢柱连接，所述连接部每侧钢槽中被三个隔板分割并形成第一空间和第二空间，所述第一空间所在的梁腹板上设置有椭圆孔，所述第二空间中为灌浆槽；

过渡连接件由焊接为一体钢板和插接槽组成，其中，所述钢板固定在钢柱上，所述插接槽是由底板和两侧的侧板组成的开口朝上的U形槽结构，所述连接部与所述插接槽插接连接，在插接槽的两侧壁上固定高强度长螺栓，所述高强度长螺栓与梁腹板之间通过椭圆孔进行非接触活动配合；

下侧梁翼缘和所述底板均为向下凸起的圆弧形，插接后形成关节结构；

在连接部和底板之间的所述插接槽中设置有板状弹簧组件，所述板状弹簧组件处于非压缩状态；

在钢梁的上侧梁翼缘和过渡连接件之间或者上侧梁翼缘和钢柱之间设置有钢索；在所述第二空间对应的上侧梁翼缘上设置灌浆孔和排气孔，所述第二空间和插接槽侧壁之间灌浆并硬化形成混凝土块。

在所述插接槽侧壁上设置有插入混凝土块中的螺栓。

所述钢柱是由柱腹板和柱翼缘组成的工字形结构，在钢柱的连接位置局部设置加强肋板。

在底板下侧和钢板之间焊接加强肋。

所述板状弹簧组件可以为一个或者多个板状弹簧。

在钢梁下侧梁翼缘和底板之间的关节配合面处设置聚四氟乙烯垫片，且所述聚四氟乙烯垫片的正反两面分别与梁翼缘和底板接触。

钢结构梁柱连接节点连接方法，其特征在于，顺序进行以下步骤：

第一步，在工厂中加工钢柱、钢梁和过渡连接件，并整体进行防腐处理；

第二步，运输至施工现场，在施工现场地面处完成过渡连接件与钢柱的组装，将聚四氟乙烯垫片粘接在过渡连接件的插接槽内部；

第三步，安装钢柱后进行钢梁的吊装，将连接部插入到插接槽中，插接的同时将板状弹簧组件放置在插接槽中，并使用高强度长螺栓将过渡连接件与钢梁进行初步紧固，然后使用钢索对钢梁进行固定，最后进行高强度长螺栓的紧固；

第四步，将第二空间内灌浆，直至灌满；

第五步，养护直至砂浆完全硬化，完成安装。

本发明的有益效果是：

1、通过灌浆的方法，在钢梁和过渡连接件之间形成刚性连接，可以保证非地震状态下的刚性连接，和现有技术中的刚性连接性能相当。

2、在强烈地震作用下，混凝土块发生损坏性破碎，然后钢梁和过渡连接件之间形成柔性连接，具有相对运动的能力，且在板状弹簧组件的作用和地震的作用下，高频往复振动，可以消耗大部分的地震能量，且能有效避免连接点的脆性断裂，起到抗震的作用。

3、刚性连接和柔性连接，分别在不同的地震强度下发挥各自的优势，能够起到根据地震强度自适应调节的目的。

4、便于施工，大部分焊接和机加工都是在工厂中完成的，施工现场仅仅具有机械装配和灌浆操作，是一种模块化的装配模式。

附图说明

图1为本发明的节点立体图。

图2为过渡连接件的示意图。

图3为钢梁端部的局部示意图。

图4为板状弹簧的立体图。

图5为混凝土块与螺钉的示意图。

图6为聚四氟乙烯板立体图。

图7为钢索两端的连接示意图。

图8为高强度长螺栓与椭圆孔的配合示意图。

图9为现有技术中钢柱、钢梁节点连接图。

图中：100钢柱，110加强肋板，200钢梁，210连接部，211第一隔板，212第二隔板，213第三隔板，221第一空间，222第二空间，230下侧梁翼缘，240上侧梁翼缘，241灌浆孔，242排气孔，250椭圆孔，260高强度长螺栓，300过渡连接件，310钢板，320插接槽，321底板，322侧板，324螺栓孔，325螺栓，326圆孔，330加强肋，400板状弹簧组件，500聚四氟乙烯垫片，600钢索，610钢索固定孔，620连接侧耳，混凝土块700。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细的介绍。

装配式钢结构梁柱连接节点，适用于钢梁和钢柱的连接，本发明中所述的钢柱是指，通常处于竖直状态的，或者接近于竖直状态的钢柱，通常建筑中以垂直于地面为主，倾斜的也是稍微倾斜，通常倾斜角度不超过15度。本处的钢梁，在钢结构建筑中通常指处于水平状态。

本处的钢梁、钢柱仅仅包含钢结构中常用的工字形钢材，其他结构，例如方形钢、槽钢不在本发明的范围之内。

基于工字钢钢梁、钢柱的研究，工字钢具有良好的抗扭、抗折弯性能，而且比较节省钢材，广泛应用于钢结构中。关于工字钢的性能，可以参考现有技术介绍。

钢柱100，由柱腹板和柱翼缘组成的工字形结构，首先在钢柱的连接位置局部进行加强，加强的方式为在钢柱工字钢的钢槽中增加加强肋板110，形成局部强化，加强肋板的存在样式通常为焊接，焊接工作在工厂中完成。在钢柱的柱翼缘上钻孔，用于高强螺栓和钢索的安装。

钢梁200，由梁腹板和梁翼缘组成的工字形结构，在钢梁200的两端对称的设置有连接部210，用于和两个不同的钢柱进行连接，在连接部中的钢槽中设置有三个隔板，标记为第一、第二和第三隔板211/212/213，三个隔板将钢槽中分割形成两个日字形的空间，钢梁的第一隔板211的外端面用于和板状弹簧组件400进行接触，第一空间221中安装限位高强度螺栓，第二空间222中为灌浆灌浆槽，用于灌浆作业，参考图3，其作用将在下面进行介绍。

钢梁200的下侧梁翼缘230为向下凸起的圆弧形，圆弧形的直径较大，具有良好的关节减震性能，具有三维空间内毫米级别的调整能力。

过渡连接件300，由钢板310和插接槽320组成，其中钢板310上设有螺栓孔，插接槽320由底板321和两侧的侧板322组成的，形成开口朝上的U形槽结构，参考图2，插接槽中的一端与钢板焊接形成一体，另一端为敞开结构。插接槽320用于和钢梁端部进行配合，也就是说，插接槽的内部空间足以容钢梁端部插入。插接槽320垂直焊接在钢板上，形成一种类T字形结构。特色优势之处是，插接槽的底板321为向下凸起的圆弧状，该底板与钢梁端部的下侧梁翼缘进行配合，形成关节结构O，关节结构O的存在可以在强震作用下形成关节活动，安全性能更高。

上述的过渡连接件采用与钢柱等厚度的钢板焊接而成。进一步地，可以在底板321下侧和钢板310之间焊接加强肋330，提高矩形钢管的抗扭性能，提高矩形钢管与钢板之间的焊接强度。

板状弹簧组件400，每一组板状弹簧中可以为一个或者多个板状弹簧，板状弹簧为弧形，参考图4，具有良好的弹性形变空间，自由的设置在插接槽中，处于竖直状态，板状弹簧组件400的一个端面贴合在钢板310上，另一个面贴合在钢梁的第一隔板211上，水平方向上具有调节能力，板状弹簧组件起到隔震减震的作用。

在板状弹簧组件处于自由状态，地震强震发生时，在第一隔板和底板之间处于反复的压缩和释放状态，主要吸收钢梁长度方向上的震动能。

进一步的方案中，参考图1至图8，在钢梁下侧梁翼缘230和底板321之间的关节配合面处设置聚四氟乙烯垫片500，且聚四氟乙烯垫片500的正反两面分别与梁翼缘和底板接触，也就是说，正常情况下，聚四氟乙烯垫片起到隔离、隔热和缓冲的性能。在钢梁剧烈运动时(中强地震状态)，通过设置在钢梁和过渡连接件之间的聚四氟乙烯垫片起到摩擦、缓冲、减震的作用。

钢梁端部插入过渡连接件中的插接槽320中，在钢梁200的上侧梁翼缘上设置有钢索固定孔610，钢索固定孔610中固定钢索600一端，采用钢套压缩固定方式固定，A端。钢索600另一端固定在钢板上端的连接侧耳620上，弯曲后采用油压套管固定，B端，参考图1和图7，当然连接侧耳也可以设置在钢柱上，但必须设置在钢梁的上方位置，至于是固定在钢板上还是钢梁上，对本发明的实现没有根本影响。也就是说，连接侧耳是直接还是间接的与钢柱进行固定连接，都是可取的。

在插接槽320的侧比上设置有圆孔326，在钢梁的梁腹板上设置有椭圆孔250，其中椭圆孔的尺寸远远大于圆孔的尺寸，使用高强度长螺栓260穿入圆孔和椭圆孔，并锁紧，实现辅助连接。在强震的情况下，椭圆孔与高强度长螺栓之间为非接触配合，具有一定的活动空间，参考图8。

钢索600拉紧的作用，在于在钢梁和钢柱之间建立一道安全屏障，在非地震状态下，起到拉紧的作用，分担钢梁的重力，在强震作用下，钢梁端部会有上下方向的小距离震动，通常，形成2毫米-5毫米的弹性伸缩空间，钢索本身的弹性可以对震动能量进行消耗，并防止过渡连接件完全失效情况下的钢梁端部崩塌，起到安全保险的作用。

并在板状弹簧组件作用下实现水平方向上的柔性与弹性连接，钢索本身具有一定的柔性，例如，在完全张紧和半张紧情况下，是存在长度差的。钢梁和过渡连接件插接后，在钢梁和插接槽内壁之间之间形成一个灌浆的第二空间，在钢梁200的上侧梁翼缘240上设置灌浆孔241和排气孔242，实现向上排气，保证灌满。在插接槽320侧面设置有螺栓孔324，用于固定螺栓325，砂浆硬化后，该插接槽侧壁上的螺栓325内端插入到混凝土块中，参考图5，实现过渡连接件与钢梁的半刚性连接。混凝土砂浆硬化后形成混凝土块700，通过螺栓325和混凝土块700的共同作用，常规情况下，例如没有强震情况下，钢梁200和钢柱100之间是半刚性连接，此种状态下，板状弹簧组件不受力，可以保证在长期服役阶段，钢索和板状弹簧处于有效状态。

上述节点的连接方法，

第一步，在工厂中机加工钢柱，并整体进行防腐处理；在工厂中机加工钢梁并焊接第一、第二、第三隔板，机加工椭圆孔、灌浆孔和排气孔整体进行防腐护理；在工厂中机加工过渡连接件，并钻螺栓孔、拉锚孔，整体进行防腐处理；

第二步，在地面处完成过渡连接件与钢柱的组装，将聚四氟乙烯垫片粘接在过渡连接件的插接槽内部；安装钢柱，

第三步，进行钢梁的吊装，将连接部插入到插接槽中，插接的同时将板状弹簧组件放置在插接槽中，并使用高强度长螺栓将过渡连接件与钢梁进行初步紧固，然后对钢索进行端部进行固定，最后进行高强度长螺栓的紧固。

第四步，将灌浆空间内灌浆，直至灌满，然后使用螺钉封堵灌浆孔。

第五步，养护直至砂浆完全硬化，完成安装。

通过施工过程可以明确的看出，所有的机加工和焊接工作都是在工厂中完成的，精度高，一致性好，现成仅仅含有吊装、紧固件紧固和局部灌浆作业，可以实现完全转配式施工。

下面通过服役期间的性能表现进一步地说明其优越性：

正常服役情况下，钢柱和过渡连接件之间通过多组高强度螺栓组进行刚性连接，过渡连接件和钢梁之间为半刚性连接，半刚性连接是指，这种连接在一定程度上是可以产生微小位移的，例如，混凝土块在螺钉剪力作用下发生微崩塌，聚四氟乙烯垫片的摩擦。通常这种情况下，依据钢柱和钢梁等自身钢材的柔性和延展性进行微小变形。强震发生时，由于强烈的晃动，首先灌浆处发生损坏性破坏，然后钢梁相对于过渡连接件会在关节处会有一个横向(水平方向)和竖向(竖直方向)的复合运动，在钢梁的运动过程中，需要克服板状弹簧组件的阻力，同时需要可以混凝土块的阻尼，以及聚四氟乙烯块的阻尼，以及混凝土块与插接槽内表面之间的摩擦力，在此过程中，多种阻尼的存在可以有效的消耗掉水平方向的震动能量(建筑物的达倒塌，绝大多数与水平震动过渡强烈有关)，其中，板状弹簧组件还具有一定的恢复力，通过钢梁与过渡连接件之间的高频、往复运动实现消耗地震能量的目的，地震过后，维护也非常方便。

在发生超强地震时，由于钢梁和过渡连接件之间套装长度的存在，以及悬吊钢索的存在，可以保证钢梁和钢柱之间不发生脆性坍塌，做到强震不倒，为逃生争取更多时间。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.钢结构梁柱连接节点，用于钢柱和工字形钢梁的连接，其特征在于，

所述钢梁由梁腹板和梁翼缘组成，在钢梁的两端对称的设置有连接部，每一连接部和一根钢柱连接，所述连接部每侧钢槽中被三个隔板分割并形成第一空间和第二空间，所述第一空间所在的梁腹板上设置有椭圆孔，所述第二空间中为灌浆槽；

过渡连接件由焊接为一体的钢板和插接槽组成，其中，所述钢板固定在钢柱上，所述插接槽是由底板和两侧的侧板组成的开口朝上的U形槽结构，所述连接部与所述插接槽插接连接，在插接槽的两侧壁上固定高强度长螺栓，所述高强度长螺栓与梁腹板之间通过椭圆孔进行非接触活动配合；

下侧梁翼缘和所述底板均为向下凸起的圆弧形，插接后形成关节结构；

在连接部和底板之间的所述插接槽中设置有板状弹簧组件，所述板状弹簧组件处于非压缩状态；

在钢梁的上侧梁翼缘和过渡连接件之间或者上侧梁翼缘和钢柱之间设置有钢索；在所述第二空间对应的上侧梁翼缘上设置灌浆孔和排气孔，所述第二空间和插接槽侧壁之间灌浆并硬化形成混凝土块。

2.根据权利要求1所述的钢结构梁柱连接节点，其特征在于，在所述插接槽侧壁上设置有插入混凝土块中的螺栓。

3.根据权利要求1所述的钢结构梁柱连接节点，其特征在于，所述钢柱为由柱腹板和柱翼缘组成的工字形结构，在钢柱的连接位置局部设置加强肋板。

4.根据权利要求1所述的钢结构梁柱连接节点，其特征在于，在底板下侧和钢板之间焊接加强肋。

5.根据权利要求1所述的钢结构梁柱连接节点，其特征在于，所述板状弹簧组件为一个或者多个板状弹簧。

6.根据权利要求1所述的钢结构梁柱连接节点，其特征在于，在钢梁下侧梁翼缘和底板之间的关节配合面处设置聚四氟乙烯垫片，且所述聚四氟乙烯垫片的正反两面分别与梁翼缘和底板接触。

7.根据权利要求1所述的钢结构梁柱连接节点的连接方法，其特征在于，顺序进行以下步骤：

第一步，在工厂中加工钢柱、钢梁和过渡连接件，并整体进行防腐处理；

第二步，运输至施工现场，在施工现场地面处完成过渡连接件与钢柱的组装，将聚四氟乙烯垫片粘接在过渡连接件的插接槽内部；

第三步，安装钢柱后进行钢梁的吊装，将连接部插入到插接槽中，插接的同时将板状弹簧组件放置在插接槽中，并使用高强度长螺栓将过渡连接件与钢梁进行初步紧固，然后使用钢索对钢梁进行固定，最后进行高强度长螺栓的紧固；

第四步，将第二空间内灌浆，直至灌满；

第五步，养护直至砂浆完全硬化，完成安装。