CN109113189B - 一种腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点 - Google Patents

一种腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，包括圆钢管混凝土柱、H型钢梁、耗能部件、柱体连接件、槽型连接件、预应力钢绞线和锚固板；预应力钢绞线的一端锚固在槽型连接件的底部，另一端锚固在锚固板上；耗能部件的两端连接在H型短梁的腹板和H型钢梁的腹板上。本发明将耗能板设置在腹板上，对楼板的施工无影响，震损后易更换，不会产生耗能板形变而导致楼板开裂的现象，本发明的柱体部分和槽型连接件的焊接等各种工序皆在工厂完成，工厂预制后再运至现场直径拼装，实现了装配化，减少了人力成本，降低了高空作业的危险性。

Description

一种腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点
技术领域
本发明属于建筑结构防震减灾技术领域，具体涉及一种腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点。
背景技术
自复位结构具有耗散地震能量和减小地震作用、减小或避免主体结构损伤和最小化结构残余变形等优点，通过设置可更换的耗能损伤元件，可有效避免主体结构构件的损坏，震后只需更换耗能部件，即可使结构快速恢复至正常工作状态，可显著减少震后修复费用。满足了国民经济发展的需要和业主对结构的抗震性能要求。近年来，自复位结构的研究受到研究者们的广泛关注。
由于圆钢管对混凝土的约束是最理想的，所以实际工程中圆钢管混凝土的应用最广泛，但目前传统的圆钢管混凝土柱连接框架并没有自复位功能。而对于传统的自复位功能的框架节点几乎全部采用穿芯式框架节点，这种节点存在预应力筋在两个方向(X向、Y向)交叉碰撞的问题，内设套筒大大影响混凝土的浇筑质量；另一方面，预应力筋穿过柱子时将削弱柱截面，导致柱子在往复荷载作用下有拉断的危险，尤其应用于中柱时，对柱截面的削弱更显著。另外，传统的框架节点通常将耗能部件设置于梁端上、下翼缘处，但是梁端上翼缘位置的耗能构件一方面影响楼板的施工，且耗能部件不易更换，且耗能部件变形后的“起拱效应”还会导致楼板开裂。因此，急需提出一种具有自复位功能的圆钢管混凝土框架梁柱连接节点，以满足实际工程的需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，以适应建筑结构中所广泛采用的圆钢管混凝土框架，解决现有圆钢管混凝土框架梁柱节点不具备自复位功能、震损难修复、现场焊接工作量大、内隔板影响混凝土浇筑质量、耗能部件不易更换及耗能部件变形破坏楼板的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，包括圆钢管混凝土柱、H型钢梁、耗能部件、柱体连接件、槽型连接件、预应力钢绞线和锚固板；所述的柱体连接件包括环形板和柱贯通板，所述的圆钢管混凝土柱包括依次连接的上柱、中柱和下柱，两个环形板分别插接在上柱与中柱、中柱与下柱的连接处，所述的柱贯通板呈十字交叉状设置在两个环形板之间，所述的柱贯通板和柱贯通板上下端面处的环形板穿过圆钢管混凝土柱的柱壁向柱外延伸形成与H型钢梁的端面匹配的H型短梁结构；所述的槽型连接件对称设置在H型短梁腹板的两侧，所述的槽型连接件的槽壁连接在H型短梁的腹板上，槽型连接件的槽口端焊接在圆钢管混凝土柱的柱壁上；两个槽型连接件的连接在H型短梁腹板上的槽壁向远离圆钢管混凝土柱的方向延伸形成夹持端，所述的夹持端具有供H型钢梁腹板插入的间隙，所述的夹持端与H型钢梁的腹板之间通过抗剪螺栓固定；所述的锚固板固定在H型钢梁的腹板上，所述的预应力钢绞线的一端锚固在槽型连接件的底部，预应力钢绞线的另一端锚固在所述的锚固板上；所述的耗能部件的两端分别连接在H型短梁的腹板和H型钢梁的腹板上。
进一步的，所述的耗能部件设置在靠近H型钢梁的上下翼缘板处，所述的槽型连接件设置在两个耗能部件之间。
进一步的，所述的耗能部件为H型板件，该H型板件的两端分别通过高强螺栓连接在H型短梁的腹板和H型钢梁的腹板上。
进一步的，所述的槽型连接件的夹持端与槽型连接件的槽底之间设置有第一加劲肋。
进一步的，所述的锚固板与H型钢梁的腹板之间设置有第二加劲肋，所述的第三加劲肋与预应力钢绞线平行。
具体的，所述的槽型连接件的夹持端和H型钢梁的腹板上均设置长圆孔，所述的抗剪螺栓连接在长圆孔中。
具体的，所述的中柱由四个四分之一圆弧钢板拼接而成，两个相邻圆弧钢板的连接接口处夹设有十字交叉状的柱贯通板的一端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明将耗能板设置在腹板上，对楼板的施工无影响，震损后易更换，不会产生耗能板形变而导致楼板开裂的现象；
(2)本发明的预应力钢绞线通过一槽型连接件固定在H型钢梁内，避免了预应力钢绞线对钢柱产生附加的弯矩，不会削弱柱体；同时也避免了传统穿芯式自复位节点混凝土和中柱节点核心区两向预应力钢绞线相交碰撞的问题；
(3)本发明的圆钢管混凝土柱上设置外环板使得节点核心区受力分散均匀，不会使柱子局部受压屈服；
(4)本发明的柱体部分和槽型连接件的焊接等各种工序皆在工厂完成，工厂预制后再运至现场直径拼装，实现了装配化，减少了人力成本，降低了高空作业的危险性。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的圆钢管混凝土柱与槽型钢连接的结构示意图。
图3是本发明的圆钢管混凝土柱的俯视图。
图4为荷载-位移滞回曲线图。
图5为预应力钢绞线应力-位移曲线图。
图6为2％层间位移角时T形节点应力云图。
图7为2％层间位移角时四个耗能板的应力云图。
图8为2％层间位移角时高强螺栓和抗剪螺栓应力云图。
图9为2％层间位移角时预应力钢绞线应力云图。
图中各标号表示为：1-圆钢管混凝土柱，2-H型钢梁，3-耗能部件，4-柱体连接件，5-槽型连接件，6-预应力钢绞线，7-锚固板，8-抗剪螺栓，9-高强螺栓，10-第一加劲肋，11-第二加劲肋，12-锚具；
(1-1)-上柱，(1-2)-中柱，(1-3)-下柱；
(4-1)-环形板，(4-2)-柱贯通板，(4-3)-H型短梁；
(5-1)-夹持端；(5-1-1)-间隙。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的。
如图1所示，本发明公开了一种腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，包括圆钢管混凝土柱1、H型钢梁2、耗能部件3、柱体连接件4、槽型连接件5、预应力钢绞线6和锚固板7；柱体连接件4包括环形板4-1和柱贯通板4-2，圆钢管混凝土柱1包括依次连接的上柱1-1、中柱1-2和下柱1-3，两个环形板4-1分别插接在上柱1-1与中柱1-2、中柱1-2与下柱1-3的连接处，柱贯通板4-2呈十字交叉状设置在两个环形板4-1之间，柱贯通板4-2和柱贯通板上下端面处的环形板4-1穿过圆钢管混凝土柱1的柱壁向柱外延伸形成与H型钢梁2的端面匹配的H型短梁4-3结构，其中环形板4-1的厚度不应小于梁翼缘厚度，且其端部应刨平。在三段柱体焊接时，首先焊接中柱1-2(节点核心区)部分，中柱1-2由四个四分之一圆弧钢板组成，这四个圆弧钢板分别与十字交叉状的柱贯通板4-2焊接，然后再焊接两个上下环形板4-1；本发明的圆钢管混凝土柱上设置环形板4-1使得节点核心区受力分散均匀，不会使柱子局部受压屈服。
槽型连接件5对称设置在H型短梁4-3腹板的两侧，槽型连接件5的槽壁连接在H型短梁4-3的腹板上，槽型连接件5的槽口端焊接在圆钢管混凝土柱1的柱壁上；两个槽型连接件5的连接在H型短梁4-3腹板上的槽壁向远离圆钢管混凝土柱1的方向延伸形成夹持端5-1，夹持端5-1具有供H型钢梁腹板插入的间隙5-1-1，夹持端5-1与H型钢梁2的腹板之间通过抗剪螺栓8固定。锚固板7固定在H型钢梁2的腹板上，预应力钢绞线6的一端通过锚具12锚固在槽型连接件5的底部，预应力钢绞线的另一端通过锚具12锚固在锚固板7上，预应力钢绞线6在H型钢梁2的腹板两侧对称设置，在震后由预应力钢绞线7提供的自复位力使结构恢复到初始状态。耗能部件3的两端连接在H型短梁4-3的腹板和H型钢梁2的腹板上。本发明将耗能板设置在H型梁的腹板上，对楼板的施工无影响，震损后易更换，不会产生耗能板形变而导致楼板开裂的现象；而且本发明的预应力钢绞线通过一槽型连接件固定在H型钢梁内，避免了预应力钢绞线对钢柱产生附加的弯矩，不会削弱柱体；同时也避免了传统穿芯式自复位节点混凝土和中柱节点核心区两向预应力钢绞线相交碰撞的问题。在柱体部分焊接完成后，将槽型连接件5焊接在H型短梁4-3腹板的两侧，再在H型梁2上焊接锚固板7，然后运抵现场，将H型梁2插入H型短梁4-3中，张拉预应力钢绞线7，安装抗剪螺栓及耗能钢板，本发明的柱体部分和槽型连接件的焊接等各种工序皆在工厂完成，工厂预制后再运至现场直径拼装，实现了装配化，减少了人力成本，降低了高空作业的危险性。
具体的，如图2所示，槽型连接件5包括一个底板和垂直于底板设置在三个侧板，底板为长方形板，其中两个侧板对称连接在底板的两个短边上，另外一个侧板连接在底板的长边上，且该侧板焊接在H型短梁43的腹板上。底板垂直钢梁的腹板焊接，连接在底板短边上的侧边可起到锚固底板的作用。焊接在底板长边上的侧边向H型钢梁2的方向延伸一段距离，使得两个侧边之间形成能够夹持H型钢梁2的腹板的夹持端5-1。
具体的，如图1所示，耗能部件3设置在靠近H型钢梁2的上下翼缘板处，槽型连接件5设置在两个耗能部件3之间。
具体的，槽型连接件的夹持端5-1和H型钢梁2的腹板上均设置长圆孔(图中未标出)，抗剪螺栓8连接在长圆孔中。使得槽型连接件的夹持端5-1和H型钢梁2的腹板铰接，以适应节点的转动。
具体的，如图1所示，耗能部件3为H型板件，该H型板件的两端分别连通过高强螺栓9连接在H型短梁4-3的腹板和H型钢梁2的腹板上。该耗能板在节点转动过程中通过塑性变形耗能，从而保证主体结构在地震过程中始终处于弹性状态，避免主体结构损伤。
具体的，本发明使用的锚具12可选用挤压式锚具、夹片式锚具、压制式锚具或支撑式锚具。
进一步的，在本发明的一个实施例中，槽型连接件的夹持端5-1与槽型连接件的槽底之间设置有第一加劲肋10，以保证槽底连接刚度。
进一步的，在本发明的一个实施例中，锚固板7与H型钢梁2的腹板之间设置有第二加劲肋11，第二加劲肋11与预应力钢绞线6平行，以保证锚固板处的刚度，防止发生局部破坏。
以下通过建立有限元模型来模拟本发明的节点受力：
(1)模型建立
采用有限元软件ABAQUS 6.13对本发明专利进行足尺有限元模拟分析，建立T形节点模型，梁长取跨度的一半为3000mm，柱高取上下层高各一半(反弯点)为3000mm，模型构件尺寸如表1所示。
表1模型构件尺寸
Figure GDA0002229676970000071
Figure GDA0002229676970000081
钢材采用线性强化模型，屈服强度取fy＝345MPa，弹性模量E＝206000MPa，强化模量Et＝2％E，泊松比取v＝0.3。钢绞线的弹性模量EPT＝195000MPa，抗拉强度为Ts＝1860MPa。螺栓采用10.9级高强螺栓，屈服强度为900MPa，模拟过程中施加150kN的螺栓荷载(预紧力)。混凝土等级为C40，采用塑性损伤模型，其塑性参数取值如表2所示。
表2混凝土材料塑性参数
Figure GDA0002229676970000082
H型钢板作为耗能部件，屈服强度取235MPa。预应力钢绞线的预应力通过降温法施加，初始预应力值T0＝0.3Ts。
钢材和混凝土均选用C3D8R单元，预应力钢绞线选用T3D2单元，考虑构件的几何非线性、材料非线性和接触非线性。螺栓与孔壁之间的接触关系法向定义为硬接触，切向采用库伦摩擦模型，摩擦系数为0.32。为防止结构发生面外变形，在钢梁上、下翼缘施加面外约束。柱脚和柱顶采用铰接，按位移控制加载方法在梁端施加位移荷载，取极限位移角为2％，即极限位移取为60mm。
(2)结果分析
节点的荷载-位移曲线如图4所示。由曲线可得，结构残余变形约0.2mm，对应残余变形层间位移角为0.0067％，远小于容许残余变形层间位移角0.2％。因此，本发明的节点具有非常好的自复位能力。
图5为预应力钢绞线应力-位移曲线图，由图5可知，预应力钢绞线始终处于弹性阶段，且始终小于0.8Ts(0.8Ts＝0.8×1860＝1488MPa)，有较大的安全余度。
由图6可知，在2％层间位移角时，钢梁基本保持弹性。由图7可知，层间位移角达到2％时，四个耗能板基本全部进入塑性。由图8可知，节点处的高强螺栓和抗剪螺栓均处于弹性阶段，其中，最上两排和最下两排为高强螺栓，中间的为抗剪螺栓。由图9可以看出，在层间位移角达到2％时，腹板两侧的六个预应力钢绞线保持弹性。
综上所述，本发明的圆钢管混凝框架梁柱节点具有良好的自复位能力和耗能能力，达到了设计目标。
在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，包括圆钢管混凝土柱(1)、H型钢梁(2)以及耗能部件(3)，其特征在于，
还包括柱体连接件(4)、槽型连接件(5)、预应力钢绞线(6)和锚固板(7)；所述的柱体连接件(4)包括环形板(4-1)和柱贯通板(4-2)，所述的圆钢管混凝土柱(1)包括依次连接的上柱(1-1)、中柱(1-2)和下柱(1-3)，两个环形板(4-1)分别插接在上柱(1-1)与中柱(1-2)、中柱(1-2)与下柱(1-3)的连接处，所述的柱贯通板(4-2)呈十字交叉状设置在两个环形板(4-1)之间，所述的柱贯通板(4-2)和柱贯通板上下端面处的环形板(4-1)穿过圆钢管混凝土柱(1)的柱壁向柱外延伸形成与H型钢梁(2)的端面匹配的H型短梁(4-3)结构；
所述的槽型连接件(5)对称设置在H型短梁(4-3)腹板的两侧，所述的槽型连接件(5)的槽壁连接在H型短梁(4-3)的腹板上，槽型连接件(5)的槽口端焊接在圆钢管混凝土柱(1)的柱壁上；两个槽型连接件(5)的连接在H型短梁(4-3)腹板上的槽壁向远离圆钢管混凝土柱(1)的方向延伸形成夹持端(5-1)，所述的夹持端(5-1)具有供H型钢梁腹板插入的间隙(5-1-1)，所述的夹持端(5-1)与H型钢梁(2)的腹板之间通过抗剪螺栓(8)固定；
所述的锚固板(7)固定在H型钢梁(2)的腹板上，所述的预应力钢绞线(6)的一端锚固在槽型连接件(5)的底部，预应力钢绞线的另一端锚固在所述的锚固板(7)上；
所述的耗能部件(3)的两端分别连接在H型短梁(4-3)的腹板和H型钢梁(2)的腹板上。
2.如权利要求1所述的腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，其特征在于，所述的耗能部件(3)设置在靠近H型钢梁(2)的上下翼缘板处，所述的槽型连接件(5)设置在两个耗能部件(3)之间。
3.如权利要求1或2所述的腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，其特征在于，所述的耗能部件(3)为H型板件，该H型板件的两端分别通过高强螺栓(9)连接在H型短梁(4-3)的腹板和H型钢梁(2)的腹板上。
4.如权利要求1所述的腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，其特征在于，所述的槽型连接件的夹持端(5-1)与槽型连接件的槽底之间设置有第一加劲肋(10)。
5.如权利要求1所述的腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，其特征在于，所述的锚固板(7)与H型钢梁(2)的腹板之间设置有第二加劲肋(11)，所述的第二加劲肋(11)与预应力钢绞线(6)平行。
6.如权利要求1所述的腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，其特征在于，所述的槽型连接件的夹持端(5-1)和H型钢梁(2)的腹板上均设置长圆孔，所述的抗剪螺栓(8)连接在长圆孔中。
7.如权利要求1所述的腹板带耗能件的自复位圆钢管混凝土框架梁柱节点，其特征在于，所述的中柱(1-2)由四个四分之一圆弧钢板拼接而成，两个相邻圆弧钢板的连接接口处夹设有十字交叉状的柱贯通板(4-2)的一端。
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