CN108149792A - 一种圆钢管混凝土柱-钢梁外环板螺栓连接节点 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种圆钢管混凝土柱钢梁外环板螺栓连接节点，该节点包括圆钢管混凝土柱、钢梁、上下侧外环板、连接板、黄铜片、垫板、高强螺栓。其中，上下侧外环板和连接板分别与钢管柱焊接；上侧外环板上开槽将钢梁的腹板插入槽中并通过三面围焊保证连接强度并与上翼缘采用高强螺栓连接，钢梁腹板和下翼缘均开长槽孔分别与连接板和下侧外环板通过高强螺栓连接。本发明节点钢梁上翼缘与上侧外环板栓焊连接避免了环板内侧螺栓孔处及钢梁翼缘外侧螺栓孔处形成连贯塑性带，避免焊缝脆性断裂破坏；钢梁腹板和下翼缘螺栓孔为长槽孔，保证外环板螺栓连接节点在允许转动范围内充分滑动，提高节点延性，更好的发挥下翼缘螺栓连接处摩擦耗能能力。

Description

一种圆钢管混凝土柱-钢梁外环板螺栓连接节点
技术领域
本发明涉及建筑结构工程技术领域，具体地讲涉及一种圆钢管混凝土柱钢梁外环板螺栓连接节点。
背景技术
钢管混凝土结构是在薄壁钢管中灌入混凝土构成，钢管和混凝土协同作用，共同工作，使得钢管混凝土结构承载力高、延性耗能好、塑性韧性优越、耐火能力强，结构施工方便。
钢管混凝土柱与钢梁构成框架结构体系，结构简单、施工迅速、易于建筑布置。目前，我国规范《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）提供的常用节点形式包括外加强环式节点和内加强环式节点等。传统的外加强环式节点由于其传力路径明确，节点刚度大，耗能能力强，在我国及日本的规程中作为推荐的节点形式之一。
然而，美国北岭地震和日本阪神地震中，由于钢结构翼缘焊缝处存在质量缺陷，钢结构破坏严重，对破坏结构的调查表明，翼缘焊缝处现场焊接作业质量难以保证，导致结构失效。而且对于传统的钢管混凝土柱钢梁焊接节点或栓焊连接节点，节点延性不足，一旦焊缝出现撕裂破坏，节点承载力迅速下降。针对上述问题，有许多研究者对延性更好的螺栓连接节点进行试验研究，研究结果表明螺栓连接节点延性好，承载力高。螺栓连接节点具有更好的耗能机制及更多的耗能部件，但试验研究表明螺栓连接节点的耗能能力较传统的焊接连接节点低。
研究者对钢管混凝土柱-钢梁螺栓连接节点试验研究，采用的连接件包括外环板、内隔板、外伸内隔板及T型键等，试验研究表明，上述螺栓连接节点均能够使得节点塑性铰外移到连接件外侧，但是受拉侧钢梁翼缘外侧螺栓孔处应力集中严重。由于钢梁翼缘螺栓孔为圆孔，钢梁与连接件之间的摩擦耗能能力不能充分发挥，且钢梁翼缘在圆孔处截面面积削弱导致应力集中严重。
对于钢梁上翼缘与连接件仅仅采用螺栓连接的节点，并不利于工程实际使用。在承受较大荷载作用时，由于钢梁上翼缘与连接件的相对滑移，会导致楼板开裂，对楼板中的管线也会造成难以修复损伤。之前的研究者所研究的螺栓连接节点中，钢梁下翼缘螺栓孔往往为圆孔，限制了连接件与钢梁下翼缘的相对滑移耗能，节点耗能实际上仍然由钢材的塑性损伤耗能提供。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种圆钢管混凝土柱钢梁外环板螺栓连接节点。本发明连接节点延性耗能能力更好，改变节点连接处传力路径，保证连接处强度。钢梁上翼缘与上侧外环板采用高强螺栓连接并通过上侧外环板开槽将钢梁的腹板插入上侧外环板中然后进行三面围焊保证连接处强度，避免钢梁上翼缘与上侧外环板的相对滑动或者是仅仅由焊缝连接易导致的焊缝撕裂破坏。钢梁下翼缘采用长槽孔，提高节点延性和摩擦耗能能力。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种钢管混凝土柱钢梁外环板螺栓连接节点，包括圆钢管混凝土柱、与该柱连接的钢梁、上侧外环板、下侧外环板和连接板，钢梁包括上翼缘、下翼缘和腹板，所述上侧外环板上开槽，所述钢梁腹板插入槽中，钢梁上翼缘上开有圆形螺栓孔，所述上侧外环板在钢梁上翼缘上的圆形螺栓孔对应的位置也开有圆形螺栓孔，所述上侧外环板位于所述上翼缘下方并与所述上翼缘三面围焊固定连接同时通过高强螺栓连接。上侧外环板上开槽保证钢梁能够顺利布置，钢梁和钢管混凝土柱之间预留空隙，避免钢梁下翼缘的滑动影响外环板与圆钢管柱的焊缝。
所述钢梁下翼缘上开有长槽形螺栓孔，所述下侧外环板上与钢梁下翼缘上的长槽形螺栓孔对应的位置开有圆形螺栓孔，所述下侧外环板位于下翼缘下方并与所述下翼缘通过高强螺栓连接。长槽形螺栓孔保证节点在允许转动的范围内充分滑动，提高节点的延性耗能能力，防止孔壁过早挤压产生塑性损伤。
所述连接板侧壁与所述圆钢管混凝土柱焊接连接，所述钢梁腹板上开有长槽形螺栓孔，所述连接板上与钢梁腹板上开有长槽形螺栓孔对应的位置开有圆形螺栓孔，所述连接板与钢梁腹板通过高强螺栓连接。
进一步地，所述下侧外环板与下翼缘螺栓连接处从上到下依次为垫板、黄铜片、钢梁下翼缘、黄铜片、下侧外环板；所述的钢梁腹板与连接板的螺栓连接处从左到右依次为垫板、黄铜片、钢梁腹板、黄铜片、连接板；所述连接板和黄铜片、垫板上均对应开有圆形螺栓孔。由于钢梁下翼缘螺栓孔为长槽形螺栓孔，为了避免螺栓预紧力施加后导致长圆孔处应力集中，在钢梁下翼缘上侧设置垫板，为了保证各板件之间具有稳定的摩擦耗能性能，在钢梁下翼缘板和下侧外环板、上侧垫板之间设置黄铜片。
进一步地，所述上侧外环板和下侧外环板为内凹弧形环板或内凹折线形环板。
进一步地，所述的钢管混凝土柱的圆形钢管为焊接圆钢管或热轧无缝钢管。
进一步地，所述的钢梁为工字钢或H型钢。
进一步地，所述圆钢管混凝土柱的混凝土为自密实混凝土、普通混凝土或高强混凝土。
进一步地，所述的上侧外环板和下侧外环板与圆钢管混凝土柱及连接板与圆钢管混凝土柱的焊缝为双面角焊缝或全熔透焊缝。
与现有技术相比，本发明具有有益效果为：
1.传统的钢管混凝土柱钢梁焊接节点或栓焊连接节点，焊接作用影响连接处钢材的三相组织结构，一旦翼缘焊缝出现脆性断裂破坏，节点承载力迅速下降。对于现有技术中的钢管混凝土柱钢梁螺栓连接节点，钢梁上翼缘与上侧连接件仅仅采用螺栓连接，没有考虑实际工程中螺栓滑移对楼板的影响，在承受较大荷载作用时，由于钢梁上翼缘与连接件的相对滑移，易导致楼板开裂，对楼板中的管线造成难以修复损伤。本发明节点上翼缘与上侧外环板采用高强螺栓连接，并通过三面围焊保证连接处强度。为了避免环板的应力集中和撕裂破坏，特别是为了避免在受力作用下，环板内侧螺栓孔处形成连贯塑性带，采用较梁翼缘厚的环板，环板的形状为应力分布更合理的内凹折线形环板和内凹弧形环板。
2.现有技术中的钢管混凝土柱钢梁螺栓连接节点，钢梁下翼缘螺栓孔往往为圆孔，他们认为在钢管混凝土柱和钢梁之间设置较梁翼缘强度更高的连接件，使得节点塑性铰外移到连接件外侧梁翼缘上，实现节点塑性铰外移。但实际上由于钢梁下翼缘最外侧螺栓孔处截面严重削弱，导致该处应力集中最突出。且下翼缘采用圆孔不能很好的发挥下侧外环板与连接件的摩擦耗能性能，限制了节点的延性耗能能力。本发明节点下翼缘螺栓孔采用长槽孔，保证外环板螺栓连接节点在允许转动范围内充分滑动，提高节点延性，更好的发挥钢梁下翼缘螺栓连接处摩擦耗能能力。在钢梁下翼缘和下侧外环板之间设置黄铜片，可以保证连接处的摩擦耗能作用更稳定。
3.上述钢管混凝土柱钢梁螺栓连接节点往往是将钢梁放置在上下侧连接件之间，构件在实际焊接连接过程中很难保证连接件之间的距离。如果距离不够，钢梁很难布置在上下侧连接件之间；如果距离太大，钢梁布置后，钢梁翼缘和连接板之间有较大缝隙，在对连接钢梁翼缘和连接板的高强螺栓施加螺栓预紧力之后，连接件与钢管混凝土柱的焊缝处会产生初始弯矩。实际生产的热轧型钢截面高度有2-3mm的几何尺寸误差，也会导致钢梁难以布置在连接件之间。通过设置不同厚度的黄铜片可以消除梁截面高度误差及连接件焊接变形导致的连接件之间的空隙太大或者距离不够的影响。
附图说明
图1为本发明实施例1采用内凹弧形环板节点的平面截面示意图；
图2为图1节点1-1剖面示意图；
图3为本发明实施例1钢梁螺栓孔形状示意图；
图4为本发明实施例1采用垫板和黄铜片的示意图；
图5为本发明实施例1采用内凹弧形环板上侧环板的示意图；
图6为本发明实施例2采用内凹折线形环板的平面截面示意图；
其中：1-圆钢管混凝土柱、2-钢梁、21-上翼缘、22-下翼缘、23-腹板、3-上侧外环板、31-槽、4-下侧外环板、5-连接板、6-黄铜片、7-垫板、8-高强螺栓、9-圆形螺栓孔、10-长槽形螺栓孔。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作出进一步的详细阐述。
在实施例1中，如图1-5所示，本发明为一种圆钢管混凝土柱-钢梁外环板螺栓连接节点, 包括圆钢管混凝土柱1、与该柱连接的钢梁2、上侧外环板3、下侧外环板4和连接板5，钢梁2包括上翼缘21、下翼缘22和腹板23,所述上侧外环板3和下侧外环板4为内凹弧形环板且上侧外环板3上开槽31，所述钢梁腹板23插入槽31中，钢梁上翼缘21上开有圆形螺栓孔9，所述上侧外环板3在钢梁上翼缘21上的圆形螺栓孔对应的位置也开有圆形螺栓孔9，所述上侧外环板3位于所述上翼缘21下方并与所述上翼缘21三面围焊固定连接同时通过高强螺栓8连接， 所述钢梁下翼缘22上开有长槽形螺栓孔10，所述下侧外环板4上与钢梁下翼缘22上的长槽形螺栓孔10对应的位置开有圆形螺栓孔9，所述下侧外环板4位于下翼缘22下方并与所述下翼缘22通过高强螺栓8连接， 所述下侧外环板4与下翼缘22螺栓连接处从上到下依次为垫板7、黄铜片6、钢梁下翼缘22、黄铜片6、下侧外环板4，所述黄铜片6、垫板7上均对应开有圆形螺栓孔9。所述连接板5侧壁与所述圆钢关混凝土柱1焊接连接，所述钢梁腹板23上开有长槽形螺栓孔10，所述连接板5上与钢梁腹板23上开有长槽形螺栓孔10对应的位置开有圆形螺栓孔9，所述连接板5与钢梁腹板23通过高强螺栓8连接。所述的钢梁腹板23与连接板5的螺栓连接处从左到右依次为垫板7、黄铜片6、钢梁腹板23、黄铜片6、连接板5，所述连接板5和黄铜片6、垫板7上均对应开有圆形螺栓孔9。
在实施例2 中，如图6所示，所述上侧外环板3和下侧外环板4为内凹折线形环板，通过改变外环板3的形状，减弱外环板3对建筑结构布置的影响。
本实施例在具体使用时，实施过程为：
（1）根据圆钢管混凝土柱1的尺寸和钢梁2的尺寸确定上侧外环板3和下侧外环板4的大圆半径和环板最小宽度、环板厚度，由钢梁2的截面抗弯强度确定梁翼缘螺栓孔数量、螺栓孔间距及布置，进而确定环板尺寸；
（2）根据钢梁2截面高度，钢梁2腹板螺栓孔位置确定连接板5的尺寸、连接板5上螺栓孔径及螺栓孔间距；
（3）将上侧外环板3、下侧外环板4和圆钢管混凝土柱1的柱壁焊接连接。连接板5与圆钢管混凝土柱1的柱壁焊接连接；
（4）钢梁2与圆钢管混凝土柱1的柱壁应留有一定间隙，间隙距离取值为上侧外环板3与钢管混凝土柱1的焊缝焊脚尺寸与钢梁2下翼缘22长槽孔孔径长度一半的和。保证钢梁2的布置不会影响圆钢管混凝土柱1与上侧外环板3、下侧外环板4的焊缝。
（5）将钢梁2布置在上侧外环板3和下侧外环板4之间。钢梁2下翼缘22和腹板23螺栓孔为长槽形螺栓孔10，钢梁2上翼缘21的螺栓孔为圆形螺栓孔9，上侧外环板3、下侧外环板4、连接板5、黄铜片6、垫板7的螺栓孔均为圆形螺栓孔9。上侧外环板3开槽31，钢梁2上翼缘21布置在上侧外环板3上面，通过高强螺栓8连接，并将钢梁2上翼缘21与上侧外环板3采用三面围焊。钢梁2下翼缘22螺栓连接处从上到下依次放置垫板7、黄铜片6、钢梁2下翼缘22、黄铜片6和下侧外环板4，钢梁2腹板连接处从左到右依次放置垫板7、黄铜片6、钢梁2腹板、黄铜片6和连接板5，均通过高强螺栓8连接。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为其中的一种实施例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，包括圆钢管混凝土柱(1)、与该柱连接的钢梁(2)、上侧外环板(3)、下侧外环板(4)和连接板(5)，钢梁(2)包括上翼缘(21)、下翼缘(22)和腹板(23)，其特征在于：所述上侧外环板(3)上开槽(31)，所述钢梁腹板(23)插入槽(31)中，钢梁上翼缘(21)上开有圆形螺栓孔(9)，所述上侧外环板(3)在钢梁上翼缘(21)上的圆形螺栓孔对应的位置也开有圆形螺栓孔(9)，所述上侧外环板(3)位于所述上翼缘(21)下方并与所述上翼缘(21)三面围焊固定连接同时通过高强螺栓(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，其特征在于：所述钢梁下翼缘(22)上开有长槽形螺栓孔(10)，所述下侧外环板(4)上与钢梁下翼缘(22)上的长槽形螺栓孔(10)对应的位置开有圆形螺栓孔(9)，所述下侧外环板(4)位于下翼缘(22)下方并与所述下翼缘(22)通过高强螺栓(8)连接。
3.根据权利要求2所述的一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，其特征在于：所述下侧外环板(4)与下翼缘(22)螺栓连接处从上到下依次为垫板(7)、黄铜片(6)、钢梁下翼缘(22)、黄铜片(6)、下侧外环板(4)，所述黄铜片(6)、垫板(7)上均对应开有圆形螺栓孔(9)。
4.根据权利要求1所述的一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，其特征在于：所述连接板(5)侧壁与所述圆钢管混凝土柱(1)焊接连接，所述钢梁腹板(23)上开有长槽形螺栓孔(10)，所述连接板(5)上与钢梁腹板(23)上开有长槽形螺栓孔(10)对应的位置开有圆形螺栓孔(9)，所述连接板(5)与钢梁腹板(23)通过高强螺栓(8)连接。
5.根据权利要求4所述的一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，其特征在于，所述的钢梁腹板(23)与连接板(5)的螺栓连接处从左到右依次为垫板(7)、黄铜片(6)、钢梁腹板(23)、黄铜片(6)、连接板(5)，所述连接板(5)和黄铜片(6)、垫板(7)上均对应开有圆形螺栓孔(9)。
6.根据权利要求1所述的一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，其特征在于：所述上侧外环板(3)和下侧外环板(4)为内凹弧形环板或内凹折线形环板。
7.根据权利要求1所述的一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，其特征在于：所述的钢管混凝土柱(1)的圆形钢管为焊接圆钢管或热轧无缝钢管。
8.根据权利要求1所述的一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，其特征在于：所述的钢梁(2)为工字钢或H型钢。
9.根据权利要求1所述的一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，其特征在于：所述圆钢管混凝土柱(1)的混凝土为自密实混凝土、普通混凝土或高强混凝土。
10.根据权利要求1所述的一种圆钢管混凝土柱－钢梁外环板螺栓连接节点，其特征在于：所述的上侧外环板(3)和下侧外环板(4)与圆钢管混凝土柱(1)及连接板(5)与圆钢管混凝土柱(1)的焊缝为双面角焊缝或全熔透焊缝。
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