CN110106974A - 垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点，包括：铝合金工字型梁，铝合金柱，角形不锈钢连接件，环槽铆钉和加强型垫板，4个角形不锈钢连接件成对布置在梁与柱的连接处，分别置于梁上下翼缘处及梁腹板的两侧，均与柱翼缘相连接，垫板对称置于柱翼缘内侧。该节点除了拥有普通梁柱节点拥有的优良性能，比如：可以在施工现场快速进行拼装；可克服焊接节点的强度折减问题和解决螺栓连接节点的电化学腐蚀问题之外，还使得节点拥有很高的承载能力和初始转动刚度。环槽铆钉作为新型连接紧固件可以提供较高的预紧力，并且防松动、抗震动。该新型节点可以大大改善铝合金结构的力学性能、加速铝合金结构的施工速度。

Description

垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点
技术领域
本发明属于结构工程中金属结构的技术领域，涉及一种铝合金结构件的拼装组合连接节点。
背景技术
随着我国铝合金冶炼技术的发展，铝合金结构逐渐成为结构工程领域研究与应用的热点。由于铝合金良好的抗腐蚀性能，较高的比强度和易于挤压成型的性能，世界范围内至今已有超过6000座铝合金结构投入使用，其中包括大跨屋面结构、铝合金桥梁、高耸结构等。而随着对铝合金构件及整体结构的研究逐步成熟，它也将应用在框架结构当中。
在框架结构中使用铝合金作为结构材料所面临的最大问题就是构件之间的连接，也就是节点问题。铝合金材料的焊接性能较差，我国《铝合金结构设计规范》GB 50429-2007中规定：对工程中最常使用的两类铝合金结构材料：6061-T6和6063-T5的焊接热影响区需要进行50％的强度折减。中国专利公开文献CN201610057712及CN201610057710中虽然也涉及了一种铝合金梁柱节点，但其通过螺栓连接梁柱，而上述两个专利中提及的铝合金螺栓无法承受较大的荷载而且无法制成高强螺栓，而在诸多学术文献和实验中发现不锈钢螺栓常常发生咬扣现象，无法施加合理的预紧力。不仅如此，上述专利在铝合金柱子上增设了加劲肋，这在铝合金结构中几乎无法做到，因为铝合金无法进行焊接(焊接折减强度非常大)，自然就无法像钢结构那样设置加劲肋。上述专利中涉及的柱子包含箱型柱，而实际情况下箱型柱无法通过螺栓与外部连接(闭口截面)，因为不具备施工空间，这是结构工程领域基本常识。最后，角形连接件与柱翼缘相连接处，只适合布置单排铆钉(在上述专利中为螺栓)，因为通过实验和学术研究发现：多排铆钉也不会同时受力，反而浪费材料。
同时由于铝合金材料本身的弹性模量较小，在相同荷载下相对于钢结构产生更大的变形，如何使梁柱节点保持较高的承载能力和初始刚度从而提升结构的整体性和稳定性也成为关键的问题。
发明内容
为了实现框架结构中铝合金梁和柱的有效连接，解决铝合金连接节点承载能力不足和初始转动刚度较小的问题，本发明提供了一种垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点及其安装方法。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点，包括：铝合金工字型梁，铝合金柱，角形不锈钢连接件，环槽铆钉，4个角形不锈钢连接件成对布置在梁与柱的连接处，分别置于梁上下翼缘处及梁腹板的两侧，均与柱翼缘通过环槽铆钉相连接，铝合金柱内侧设置有垫板，垫板与不锈钢连接件分别位于铝合金柱翼缘的内外两侧通过环槽铆钉连接。
所述铝合金柱为工字型柱，所述翼缘为工字型柱翼缘。
垫板为铝合金或不锈钢。
垫板共计2块，对称布置于柱腹板两侧。
垫板长度为上下角形不锈钢端部之间的距离，厚度与柱翼缘厚度相同。
环槽铆钉孔径比环槽铆钉的直径大0.5～1.0mm。
一种垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点安装方法，在节点拼装之前，首先进行梁柱节点域处的打孔，进而对角形不锈钢连接件和垫板进行打孔，并确保所有连接孔完全对齐；
进一步的，将梁柱与角形不锈钢以及垫板按照拼装位置组合起来，用铆钉穿过对应的铆接孔，进行预拼装；
进一步的，进行环槽铆钉的锁紧；
节点组件按顺序拼装；
该垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点拼装完成。
节点组件的拼装顺序如下，
将角形不锈钢连接件与工字型梁下翼缘在位置1处铆合，
将角形不锈钢连接件与工字型梁上翼缘在位置2处铆合，
将角形不锈钢连接件与柱连同垫板在位置3处铆合，
将角形不锈钢连接件与柱连同垫板在位置4处铆合，
将两角形不锈钢连接件与工字型梁腹板在位置5处铆合，
将两角形不锈钢连接件与柱及垫板分别在位置6和位置7处铆合。
环槽铆钉锁紧过程为：首先将铆钉穿过待紧固板件的铆钉孔并套上套环；第二步，将铆钉枪的枪口插入铆钉的尾部，使铆钉枪与铆钉尾部的螺纹咬合吃力；第三步与第四步将由铆钉枪自己自动完成，在扣动扳机后铆钉枪将自行把铆钉尾部向后拉断，并通过拉断的力产生铆钉与板件之间的紧固力。
铆接孔铆接顺序为：先中心铆接、后两边铆接、铆接沿对角进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明在普通“环槽铆钉连接的铝合金梁柱半刚性节点”的基础上，提出了一种垫板加强型的新型梁柱节点。该节点除了拥有普通梁柱节点拥有的优良性能，比如：可以在施工现场快速进行拼装；可克服焊接节点的强度折减问题和解决螺栓连接节点的电化学腐蚀问题之外，还使得节点拥有很高的承载能力和初始转动刚度。环槽铆钉作为新型连接紧固件可以提供较高的预紧力，并且防松动、抗震动。该新型节点可以大大改善铝合金结构的力学性能、加速铝合金结构的施工速度，在工程中大量使用可以帮助消化我国电解铝的过剩产能问题。
附图说明
图1是T型节点正视图。
图2是十字型节点正视图。
图3是节点的侧视图。
图4是节点的俯视图。
图5是垫板示意图。
图6是节点各个组件拼装顺序。
图7是环槽铆钉锁紧过程示意图。
图8是铆接顺序说明图。
图9是有垫板和无垫板的铝合金梁柱节点在实验中的破坏形态对比图。
附图标记：11、铝合金柱；12、铝合金梁；13、角形不锈钢连接件；14、环槽铆钉；15、垫板；21、铆钉枪；22、铆钉杆；23、套环；24、待紧固板件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过附图说明和具体实施实例对本发明进行进一步详细说明。
本发明涉及一种有高承载力和高初始转动刚度的由环槽铆钉连接的加强型铝合金梁柱节点，可以广泛应用于铝合金框架甚至重载铝合金结构当中。
本发明所包含的组成部分有：铝合金工字型梁，铝合金工字型柱，连接梁柱构件所用的角形不锈钢连接件、垫板(铝合金材料或不锈钢材料)和环槽铆钉。按照节点在框架结构中所处位置的不同，可以应用在T型节点(也即边柱节点)或十字型节点(也即中柱节点)当中。
4个角形不锈钢连接件成对布置在梁与柱的连接处，分别置于梁上下翼缘处及梁腹板的两侧，均与柱翼缘相连接。考虑到和铝合金结构的强度相匹配以及造价，不锈钢材料选择奥氏体为最佳。用不锈钢作为连接件将比采用铝合金能大幅提高节点的力学性能，根据相关实验，其承载力的提升达30％以上，初始转动刚度提升达10％以上。
垫板是此加强型梁柱节点最重要的结构组成部分，垫板共计2块，对称布置，它增强了柱翼缘的抗压、抗拉以及抗弯能力，从而间接地增加了梁柱之间环槽铆钉的协同工作能力，避免了两端的铆钉受力过大而远早于中部铆钉的破坏。正常情况下，垫板材料使用铝合金即可，若梁柱节点使用在承受动力荷载或结构关键位置时，可视情况将垫板材料更换为不锈钢。垫板长度Lb一般为上下角形不锈钢端部之间的距离，厚度t一般与柱翼缘厚度相同。经过足尺实验研究，增加铝合金垫板后的节点承载能力相比于普通节点，将提高20％左右。图9对比了有垫板和无垫板的铝合金梁柱节点在实验中的破坏形态，显而易见在无垫板情况下整个节点域柱翼缘处于严重受弯状态，而增加垫板后，节点变形较为理想，主要集中于角形连接件的变形。不仅如此，无垫板状态下柱翼缘处的抗拉铆钉变形不均匀，成弧线，使得中心处铆钉受力过大而先破坏，降低了多个铆钉的共同受力的整体性。
在节点拼装之前，首先进行梁柱节点域处的打孔。根据环槽铆钉的实际直径和工程情况，孔径一般比环槽铆钉的直径大0.5～1.0mm，由于环槽铆钉加工精度较高，不需要预留过大的铆钉孔。进而对角形不锈钢连接件和垫板进行打孔，并确保所有连接孔完全对齐。
进一步的，将梁柱与角不锈钢以及垫板按照拼装位置组合起来，用铆钉穿过对应的螺栓孔，进行预拼装。预拼装可起到定位的作用并再次检验事先打好的螺栓孔是否满足拼装要求。
进一步的，进行环槽铆钉的锁紧。环槽铆钉的锁紧使用的是专用的铆钉枪，锁紧过程大致分为四步。节点组件的拼装顺序如图6所示。
节点组件的拼装顺序如下，
将角形不锈钢连接件与工字型梁下翼缘在位置1处铆合，
将角形不锈钢连接件与工字型梁上翼缘在位置2处铆合，
将角形不锈钢连接件与柱连同垫板在位置3处铆合，
将角形不锈钢连接件与柱连同垫板在位置4处铆合，
将两角形不锈钢连接件与工字型梁腹板在位置5处铆合，
将两角形不锈钢连接件与柱及垫板分别在位置6和位置7处铆合。
环槽铆钉锁紧过程为：首先将铆钉穿过待紧固板件的铆钉孔并套上套环；第二步，将铆钉枪的枪口插入铆钉的尾部，使铆钉枪与铆钉尾部的螺纹咬合吃力；第三步与第四步将由铆钉枪自己自动完成，在扣动扳机后铆钉枪将自行把铆钉尾部向后拉断，并通过拉断的力产生铆钉与板件之间的紧固力。
同时，为了减小环槽铆钉的预紧力损失，在每一块板件的拼装过程中，铆钉锁紧的顺序应有所注意，根据大量试验及相关研究成果，环槽铆钉的锁紧顺序按照“先中心、后两边、沿对角”的原则进行。
穿过垫板处的环槽铆钉由于锁紧的板件厚度相比于普通节点有所增加，应换成较长型号的环槽铆钉。
至此，该垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点拼装完成。
该节点的拼装过程可以广泛应用在各类铝合金框架结构中，包括单层铝合金框架和多层铝合金框架，铝合金门式钢架的梁柱节点也可以参考本发明专利。在对节点域进行正式拼装之前应先将铝合金框架柱的一端进行固定或与下层结构进行连接。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点，包括：铝合金工字型梁，铝合金柱，角形不锈钢连接件，环槽铆钉，4个角形不锈钢连接件成对布置在梁与柱的连接处，分别置于梁上下翼缘处及梁腹板的两侧，均与柱翼缘通过环槽铆钉相连接，其特征在于：铝合金柱内侧设置有垫板，垫板与不锈钢连接件分别位于铝合金柱翼缘的内外两侧通过环槽铆钉连接。
2.根据权利要求1所述的垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点，其特征在于：所述垫板的材料为铝合金或不锈钢。
3.根据权利要求2所述的垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点，其特征在于：垫板共计2块，对称布置于柱腹板两侧。
4.根据权利要求1所述的垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点，其特征在于：垫板长度为上下角形不锈钢端部之间的距离，厚度与柱翼缘厚度相同。
5.根据权利要求1所述的垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点，其特征在于：环槽铆钉孔径比环槽铆钉的直径大0.5～1.0mm。
6.一种垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点安装方法，其特征在于：
在节点拼装之前，首先进行梁柱节点域处的打孔，进而对角形不锈钢连接件和垫板进行打孔，并确保所有连接孔完全对齐；
进一步的，将梁柱与角形不锈钢以及垫板按照拼装位置组合起来，用铆钉穿过对应的铆接孔，进行预拼装；
进一步的，进行环槽铆钉的锁紧；
节点组件按顺序拼装；
该垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点拼装完成。
7.根据权利要求6所述的垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点安装方法，其特征在于：节点组件的拼装顺序如下，
将角形不锈钢连接件与工字型梁下翼缘在位置1处铆合，
将角形不锈钢连接件与工字型梁上翼缘在位置2处铆合，
将角形不锈钢连接件与柱连同垫板在位置3处铆合，
将角形不锈钢连接件与柱连同垫板在位置4处铆合，
将两角形不锈钢连接件与工字型梁腹板在位置5处铆合，
将两角形不锈钢连接件与柱及垫板分别在位置6和位置7处铆合。
8.根据权利要求7所述的垫板加强型环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点安装方法，其特征在于：环槽铆钉锁紧过程为：首先将铆钉穿过待紧固板件的铆钉孔并套上套环；第二步，将铆钉枪的枪口插入铆钉的尾部，使铆钉枪与铆钉尾部的螺纹咬合吃力；第三步与第四步将由铆钉枪自己自动完成，在扣动扳机后铆钉枪将自行把铆钉尾部向后拉断，并通过拉断的力产生铆钉与板件之间的紧固力。
9.根据权利要求7所述的环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点安装方法，其特征在于：铆接孔铆接顺序为：先中心铆接、后两边铆接、铆接沿对角进行。
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