CN108104273B - 装配式自恢复钢管混凝土组合节点及安装方法和结构体系 - Google Patents

装配式自恢复钢管混凝土组合节点及安装方法和结构体系 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑结构构件技术领域，公开了一种装配式自恢复钢管混凝土组合节点及结构体系，所述节点包括方钢管柱和H型钢梁，方钢管柱内贯穿钢筋；方钢管柱包括上段钢管柱、中心钢管柱和下段钢管柱，上段钢管柱与中心钢管柱之间、中心钢管柱与下段钢管柱之间均通过套筒连接件连接；中心钢管柱的侧边上固定有钢梁连接件，H型钢梁通过与钢梁连接件和套筒连接件连接来实现与钢管柱之间的连接。本发明的节点受力合理明确，方案简单，施工方便，可以很好的实现自恢复减震控制效果，保证结构在地震作用下的安全，可广泛应用于建筑结构消能减震技术领域。

Description

装配式自恢复钢管混凝土组合节点及安装方法和结构体系
技术领域
本发明涉及建筑结构构件技术领域，具体而言，涉及一种装配式自恢复钢管混凝土组合节点及安装方法和结构体系。
背景技术
钢结构建筑具有强度高、自重轻、施工速度快、抗震性能好及工业化程度高等特点。钢结构构件通过连接节点组成结构体系，节点形式的选择对于结构整体性、可靠度、建设周期以及附属构件设计施工有着直接的影响。
可恢复功能结构是一种新型的减震控制结构，它不仅能在地震时保护人们的生命财产安全，也能帮助人们在大地震之后，尽快恢复正常生活，是结构抗震设计的一个理想的新方向。可恢复结构体系主要包括可更换结构构件，摇摆结构，以及自复位结构等。结构的摇摆可以降低地震作用和结构本身的延性设计需求，减小地震破坏，节约结构造价，放松结构与基础间约束或构件间约束，使结构与基础或构件接触面处仅有受压能力而无受拉能力，则结构在地震作用下发生摇摆，通过预应力使结构复位，形成自复位结构。自复位结构是一种以减少建筑结构震后残余变形为目标的新型结构形式，该体系既能有效控制结构最大变形，又能减少甚至消除结构的残余变形，使建筑结构能在震后快速恢复使用功能，实现“中震可修”的抗震设防目标。
目前诸多学者在框架结构体系梁柱节点中框架梁处设置了预应力拉索来实现自复位，实现地震后结构恢复其原有功能，短梁段与柱通过在工厂张拉预应力索完成连接，在施工现场只需通过全栓接或栓焊混合连接安装中间梁段，现场无需张拉预应力拉索，方便了施工、提高了施工质量且减少了安装时间。但是对于在柱间采用高强钢筋的钢管混凝土组合节点实现柱间自恢复方面有待研究和开发。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种全装配式、具有自恢复功能的钢管混凝土组合节点及由其构成的结构体系。
为了实现上述目的，本发明所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点，包括方钢管柱Ⅰ和H型钢梁，方钢管柱Ⅰ内贯穿钢筋；
方钢管柱Ⅰ包括上段钢管柱、中心钢管柱和下段钢管柱，上段钢管柱与中心钢管柱之间、中心钢管柱与下段钢管柱之间均通过套筒连接件连接；
上段钢管柱上端和下段钢管柱下端均固定有钢筋固定板，钢筋固定板中心设置有通孔，通孔四周设置有钢筋孔；钢筋依次穿过上段钢管柱上端的钢筋固定板、方钢管柱Ⅰ和下段钢管柱下端的钢筋固定板；
套筒连接件包括中心方管和端板，端板垂直固定于中心方管侧边的中心位置上，将中心方管分成上下两部分，中心方管的边长小于方钢管柱Ⅰ的边长，一个套筒连接件的中心方管的上部分插入到上段钢管柱下端，下部分插入到中心钢管柱上端，另一个套筒连接件的中心方管的上部分插入到中心钢管柱下端，下部分插入到下段钢管柱上端，上下两个套筒连接件的端板之间的距离与H型钢梁的高度相同；
中心钢管柱的侧边上固定有钢梁连接件，钢梁连接件包括相互垂直的两边，一边固定在中心钢管柱上，另一边与H型钢梁的腹板连接，H型钢梁的上下翼缘板分别与上下两个套筒连接件的端板连接。
进一步的，中心钢管柱的侧边上固定有两个对称设置的钢梁连接件，H型钢梁的腹板插入到两个钢梁连接件之间，三者通过螺栓连接。
进一步的，套筒连接件为“十”字型，包括四个端板，与四个H型钢梁连接。
进一步的，套筒连接件为“T”型，包括三个端板，与三个H型钢梁连接。
进一步的，套筒连接件为“L”字型，包括两个端板，与两个H型钢梁连接。
进一步的，上段钢管柱与中心钢管柱、下段钢管柱与中心钢管柱之间的缝隙里填充有橡胶材料，用以防止混凝土溢出。
上述装配式自恢复钢管混凝土组合节点的安装方法，包括以下步骤：
第一步：将套筒连接件的下端插入下段钢管柱；
第二步：将预制好的中心钢管柱对准套筒连接件吊装到位，使套筒连接件插入到下段钢管柱中；
第三步：将另一个套筒连接件下端对准插入中心钢管柱；
第四步：将上段钢管柱对准套筒连接件吊装到位，使套筒连接件插入到上段钢管柱中；
第五步：通过高强螺栓将上下两个套筒连接件的端板与H型钢梁上、下翼缘实现固定连接，同时通过高强螺栓将钢梁连接件与H型钢梁腹板实现固定连接；
第六步：将高强钢筋插入上段钢管柱上端的钢筋固定板上预留的钢筋孔内，依次穿过上段钢管柱、中心钢管柱和下段钢管柱，最后穿过段钢管柱下端钢筋固定板上预留的钢筋孔。
第七步：通过钢筋固定板上预留的通孔向方钢管柱Ⅰ内浇筑混凝土，使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体。
上述装配式自恢复钢管混凝土组合节点组成的结构体系，包括独立基础和安装于独立基础上的若干所述节点，同一层节点的H型钢梁的两端分别与两个中心钢管柱上的钢梁连接件连接使同一层的节点形成一个整体，不同层的节点之间通过连接底座连接，连接底座包括上下两块方钢板和中间的肋板，两块方钢板上均设置有通孔，下层节点的钢筋穿过连接底座下层钢板上的通孔，上层节点的钢筋穿过拼接底座上层钢板上的通孔，钢筋端部通过螺母紧固。
进一步的，位于中间位置的节点的钢管柱采用套筒式钢管柱，套筒式钢管柱包括方钢管柱Ⅱ和圆钢管柱，圆钢管柱设置于方钢管柱Ⅱ内部；上下两层的套筒式钢管柱之间通过双套筒式连接件连接，双套筒式连接件包括方形外套筒和圆形内套筒，方形外套筒设置于方钢管柱Ⅱ外部，圆形内套筒设置于圆钢管柱内部，上层方钢管柱Ⅱ下端、下层方钢管柱Ⅱ上端、上层圆钢管柱下端和下层圆钢管柱上端均设置有螺栓孔，方形外套筒和圆形内套筒上均设置有相应的螺栓孔，方形外套筒、上下层方钢管柱Ⅱ、上下层圆钢管柱和圆形内套筒通过长螺栓连接。
进一步的，套筒式钢管柱和H型钢梁通过环板连接件连接，环板连接件包括上下两块方形环板，方形环板中间开有方形孔，固定在方钢管柱Ⅱ上，方形环板的四个角位于方钢管柱Ⅱ侧面的中间，上下两块方形环板之间的方钢管柱Ⅱ上还固定有竖板，H型钢梁的腹板与竖板连接，H型钢梁的上下翼缘板分别与方形环板的四个角连接。
本发明具有以下有益效果：
(1)采用本发明提供的装配式自恢复钢管混凝土组合节点，柱端通过套筒连接件实现连接，在小震作用下，节点与普通梁柱固接节点相同，中震或大震作用下，套筒连接件提供转动刚度，中心钢管柱和上、下段钢管柱有分离的趋势，混凝土不抗拉，但由于钢管柱和上下焊板的约束作用，钢管柱内的混凝土不会开裂，高强钢筋主要承受拉力，但始终处于弹性状态，结构出现大变形但不破坏，地震作用过后，钢管柱和H型钢梁没有破坏和残余变形，钢筋处于弹性阶段，在其作用下，整个钢管柱回到初始状态，达到小震下结构稳定，大震下结构出现大变形但不破坏，震后结构自恢复的效果；
(2)由本发明的装配式自恢复钢管混凝土组合节点组成的结构体系，中心位置的外方内圆钢管混凝土组合柱梁柱连接采用外环板式螺栓连接节点形式，柱间采用双套筒长螺栓连接，此种节点刚度大，可支撑整个结构不倒塌。
因此，本发明的新型全装配钢框架结构体系在小震作用下不破坏，中震作用下四周自复位框架柱耗能，震后可实现自恢复，大震作用下不倒塌，四周柱构件耗能破坏，可迅速更换构件恢复使用功能，大大节约了震后的修复的经济成本和时间成本，实现自恢复型抗震结构体系的一种创新。
(3)本发明的节点及体系拼装全部采用螺栓连接，满足了预制装配化钢结构施工工艺需要，有助于实现建筑结构工业化生产，且改善了焊接连接受力不合理以及施工速度慢的缺点，可以实现工厂中批量生产，极大地提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明组合节点结构示意图；
图2是本发明组合节点结构分解示意图；
图3是本发明组合节点套筒连接件结构示意图；
图4是本发明组合节点结构示意图之二；
图5是本发明组合节点结构示意图之三；
图6是本发明组合节点的中心钢管柱结构示意图；
图7是本发明组合节点的上段钢管柱结构示意图；
图8是本发明组合节点的安装步骤图；
图9是本发明结构体系实施例1的结构示意图；；
图10是连接底座结构示意图；
图11是本发明结构体系实施例2的结构示意图；
图12实施例2中套筒式钢管柱结构分解图；
图13是实施例2中套筒式钢管柱安装步骤图；
图14是实施例2中位于中间位置的梁柱节点结构示意图；
图15是实施例2中方形环板结构示意图；
其中，上述附图包括以下附图标记：1、方钢管柱Ⅰ；2、H型钢梁；3、钢筋；4、上段钢管柱；5、中心钢管柱；6、下段钢管柱；7、套筒连接件；8、中心方管；9、端板；10、钢梁连接件；11、通孔；12、钢筋固定板；13、独立基础；14、连接底座；15、方钢板；16、肋板；17、方钢管柱Ⅱ；18、圆钢管柱；19、方形外套筒；20、圆形内套筒；21、方形环板；22、竖板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1和图2所示，本发明所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点，包括方钢管柱Ⅰ1和四个H型钢梁2，方钢管柱Ⅰ内贯穿钢筋3，方钢管柱Ⅰ包括上段钢管柱4、中心钢管柱5和下段钢管柱6，上段钢管柱与中心钢管柱之间、中心钢管柱与下段钢管柱之间均通过套筒连接件7连接；
上段钢管柱上端和下段钢管柱下端均焊接有钢筋固定板12，钢筋固定板中心设置有通孔11，用来浇筑混凝土，通孔四周设置有钢筋孔，用来穿过钢筋。钢筋依次穿过上段钢管柱上端的钢筋固定板、方钢管柱Ⅰ和下段钢管柱下端的钢筋固定板。
如图3所示，套筒连接件包括中心方管8和四个端板9，端板垂直固定于中心方管侧边的中心位置上，将中心方管分成上下两部分。中心方管的边长小于方钢管柱Ⅰ的边长，连接时，一个套筒连接件的中心方管的上部分插入到上段钢管柱下端，下部分插入到中心钢管柱上端，另一个套筒连接件的中心方管的上部分插入到中心钢管柱下端，下部分插入到下段钢管柱上端，连接好后，上下两个套筒连接件的端板之间的距离与H型钢梁的高度相同；
根据节点所处的位置不同，套筒连接件有三种形式，第一种，如图一所示，方钢管柱Ⅰ与四个H型钢梁连接，因此套筒连接件为“十”字型，包括四个端板；第二种，如图4所示，方钢管柱Ⅰ与三个H型钢梁连接，因此套筒连接件为“T”型，包括三个端板；第三种，如图5所示，方钢管柱Ⅰ与两个H型钢梁连接，因此套筒连接件为“L”字型，包括两个端板。
如图6所示，中心钢管柱的侧边上固定有两个对称设置的钢梁连接件10，钢梁连接件包括相互垂直的两边，其中一边固定在中心钢管柱上，另一边与中心钢管柱垂直，两个钢梁连接件之间间隔一定的距离。连接时，将H型钢梁的腹板插入到两个钢梁连接件之间，三者通过螺栓连接，H型钢梁的上下翼缘板分别与上下两个套筒连接件的端板螺栓连接。
图3的套筒连接件、图7的上段钢管柱或下段钢管柱和图6的中心钢管柱均提前在工厂预制好，现场只需安装即可，如图8所示，具体安装步骤如下：
第一步：将套筒连接件的下端插入下段钢管柱；
第二部：将预制好的中心钢管柱对准套筒连接件吊装到位，使套筒连接件插入到下段钢管柱中；
第三部：将另一个套筒连接件下端对准插入中心钢管柱；
第四部：将上段钢管柱对准套筒连接件吊装到位，使套筒连接件插入到上段钢管柱中；
第五步：通过高强螺栓将上下两个套筒连接件的端板与H型钢梁上、下翼缘实现固定连接，同时通过高强螺栓将钢梁连接件与H型钢梁腹板实现固定连接；
第六步：将高强钢筋插入上段钢管柱上端的钢筋固定板上预留的钢筋孔内，依次穿过上段钢管柱、中心钢管柱和下段钢管柱，最后穿过段钢管柱下端钢筋固定板上预留的钢筋孔。
第七步：通过钢筋固定板上预留的通孔向方钢管柱Ⅰ内浇筑混凝土，使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体。
为了防止混凝土溢出，上段钢管柱与中心钢管柱、下段钢管柱与中心钢管柱之间的缝隙里均填充有橡胶材料。
如图9所示，由上述装配式自恢复钢管混凝土组合节点组成的结构体系，包括独立基础13和安装于独立基础上的若干所述节点，同一层节点的H型钢梁的两端分别与两个中心钢管柱上的钢梁连接件连接使同一层的节点形成一个整体，不同层的节点之间通过连接底座14连接。如图10所示，连接底座包括上下两块方钢板15和中间的十字形肋板16，两块方钢板上均设置有通孔。连接时，下层节点的钢筋穿过连接底座下层方钢板上的通孔，上层节点的钢筋穿过拼接底座上层钢板上的通孔，钢筋端部通过螺母紧固。
实施例2
如图11、12所示，本实施例与实施例1的区别在于，位于中间位置的梁柱节点的钢管柱采用套筒式钢管柱，套筒式钢管柱包括方钢管柱Ⅱ17和圆钢管柱18，圆钢管柱设置于方钢管柱Ⅱ内部；上下两层的套筒式钢管柱之间通过双套筒式连接件连接，双套筒式连接件包括方形外套筒19和圆形内套筒20，方形外套筒设置于方钢管柱Ⅱ外部，圆形内套筒设置于圆钢管柱内部，上层方钢管柱Ⅱ下端、下层方钢管柱Ⅱ上端、上层圆钢管柱下端和下层圆钢管柱上端均设置有螺栓孔，方形外套筒和圆形内套筒上均设置有相应的螺栓孔，方形外套筒、上下层方钢管柱Ⅱ、上下层圆钢管柱和圆形内套筒通过长螺栓连接。其安装过程如图13所示。
如图14、15所示，套筒式钢管柱和H型钢梁通过环板连接件连接，环板连接件包括上下两块方形环板21，方形环板中间开有方形孔，固定在方钢管柱Ⅱ上，方形环板的四个角位于方钢管柱Ⅱ侧面的中间，上下两块方形环板之间的方钢管柱Ⅱ上还固定有竖板22，H型钢梁的腹板与竖板连接，H型钢梁的上下翼缘板分别与方形环板的四个角连接。腹板与竖板的连接方式和上下翼缘板与方形环板的连接方式均采用连接板搭接。
采用该结构的节点刚度大，可支撑整个结构不倒塌。
本申请中所提到的连接均采用高强螺栓连接。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种装配式自恢复钢管混凝土组合节点，包括方钢管柱Ⅰ(1)和H型钢梁(2)，其特征在于,
方钢管柱Ⅰ(1)内贯穿钢筋(3)，方钢管柱Ⅰ(1)包括上段钢管柱(4)、中心钢管柱(5)和下段钢管柱(6)，上段钢管柱(4)与中心钢管柱(5)之间、中心钢管柱(5)与下段钢管柱(6)之间均通过套筒连接件(7)连接；
上段钢管柱(4)上端和下段钢管柱(6)下端均固定有钢筋固定板(12)，钢筋固定板(12)中心设置有通孔(11)，通孔(11)四周设置有钢筋孔；钢筋(3)依次穿过上段钢管柱(4)上端的钢筋固定板(12)、方钢管柱Ⅰ(1)和下段钢管柱(6)下端的钢筋固定板(12)；
套筒连接件(7)包括上下两个，套筒连接件(7)包括中心方管(8)和端板(9)，端板(9)垂直固定于中心方管(8)侧边的中心位置上，将中心方管(8)分成上下两部分，中心方管(8)的边长小于方钢管柱Ⅰ(1)的边长，上套筒连接件(7)的中心方管(8)的上部分插入到上段钢管柱(4)下端，下部分插入到中心钢管柱(5)上端，下套筒连接件(7)的中心方管(8)的上部分插入到中心钢管柱(5)下端，下部分插入到下段钢管柱(6)上端，上下两个套筒连接件(7)的端板(9)之间的距离与H型钢梁(2)的高度相同；
中心钢管柱(5)的侧边上固定有钢梁连接件(10)，钢梁连接件(10)包括相互垂直的两边，一边固定在中心钢管柱(5)上，另一边与H型钢梁(2)的腹板连接，H型钢梁(2)的上下翼缘板分别与上下两个套筒连接件(7)的端板(9)连接。
2.根据权利要求1所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点，其特征在于，中心钢管柱(5)的侧边上固定有两个对称设置的钢梁连接件(10)，H型钢梁(2)的腹板插入到两个钢梁连接件(10)之间，三者通过螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点，其特征在于，套筒连接件(7)为“十”字型，包括四个端板(9)，与四个H型钢梁(2)连接。
4.根据权利要求1所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点，其特征在于，套筒连接件(7)为“T”型，包括三个端板(9)，与三个H型钢梁(2)连接。
5.根据权利要求1所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点，其特征在于，套筒连接件(7)为“L”字型，包括两个端板(9)，与两个H型钢梁(2)连接。
6.根据权利要求1所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点，其特征在于，上段钢管柱(4)与中心钢管柱(5)、下段钢管柱(6)与中心钢管柱(5)之间的缝隙里填充有橡胶材料，用以防止混凝土溢出。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将下套筒连接件(7)的下端插入下段钢管柱(6)；
第二步：将预制好的中心钢管柱(5)对准下套筒连接件(7)吊装到位，使下套筒连接件(7)插入到下段钢管柱(6)中；
第三步：将上套筒连接件(7)下端对准插入中心钢管柱(5)；
第四步：将上段钢管柱(4)对准第三步中的上套筒连接件(7)吊装到位，使上套筒连接件(7)插入到上段钢管柱(4)中；
第五步：通过高强螺栓将上下两个套筒连接件(7)的端板(9)与H型钢梁(2)上、下翼缘实现固定连接，同时通过高强螺栓将钢梁连接件(10)与H型钢梁(2)腹板实现固定连接；
第六步：将钢筋(3)插入上段钢管柱(4)上端的钢筋固定板(12)上预留的钢筋孔内，依次穿过上段钢管柱(4)、中心钢管柱(5)和下段钢管柱(6)，最后穿过下段钢管柱(6)下端钢筋固定板(12)上预留的钢筋孔；
第七步：通过钢筋固定板(12)上预留的通孔(11)向方钢管柱Ⅰ(1)内浇筑混凝土，使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体。
8.一种装配式自恢复钢管混凝土组合节点组成的结构体系，其特征在于，包括独立基础(13)和安装于独立基础(13)上的若干权利要求1-6任一所述节点，同一层节点的H型钢梁(2)的两端分别与两个中心钢管柱(5)上的钢梁连接件(10)连接使同一层的节点形成一个整体，不同层的节点之间通过连接底座(14)连接，连接底座(14)包括上下两块方钢板(15)和中间的肋板(16)，两块方钢板(15)上均设置有通孔，下层节点的钢筋(3)穿过连接底座(14)下层方钢板(15)上的通孔，上层节点的钢筋(3)穿过拼接底座上层方钢板(15)上的通孔，钢筋(3)端部通过螺母紧固。
9.根据权利要求8所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点组成的结构体系，其特征在于，位于中间位置的节点的钢管柱采用套筒式钢管柱，套筒式钢管柱包括方钢管柱Ⅱ(17)和圆钢管柱(18)，圆钢管柱(18)设置于方钢管柱Ⅱ(17)内部；上下两层的套筒式钢管柱之间通过双套筒式连接件连接，双套筒式连接件包括方形外套筒(19)和圆形内套筒(20)，方形外套筒(19)设置于方钢管柱Ⅱ(17)外部，圆形内套筒(20)设置于圆钢管柱(18)内部，上层方钢管柱Ⅱ(17)下端、下层方钢管柱Ⅱ(17)上端、上层圆钢管柱(18)下端和下层圆钢管柱(18)上端均设置有螺栓孔，方形外套筒(19)和圆形内套筒(20)上均设置有相应的螺栓孔，方形外套筒(19)、上下层方钢管柱Ⅱ(17)、上下层圆钢管柱(18)和圆形内套筒(20)通过长螺栓连接。
10.根据权利要求9所述的装配式自恢复钢管混凝土组合节点组成的结构体系，其特征在于，套筒式钢管柱和H型钢梁通过环板连接件连接，环板连接件包括上下两块方形环板(21)，方形环板(21)中间开有方形孔，固定在方钢管柱Ⅱ(17)上，方形环板(21)的四个角位于方钢管柱Ⅱ(17)侧面的中间，上下两块方形环板(21)之间的方钢管柱Ⅱ(17)上还固定有竖板(22)，H型钢梁的腹板与竖板(22)连接，H型钢梁的上下翼缘板分别与方形环板(21)的四个角连接。
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