CN110206140A - 矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点 - Google Patents

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朱筱俊
梁书亭
赵婉
杨简
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Abstract

本发明公开了一种矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，包括矩形钢管混凝土柱、以及分别与其两侧通过搭接系统连接的两混凝土梁，所述搭接系统包括若干层设于矩形钢管混凝土柱内并与混凝土梁位置对应的横隔板、设于所述混凝土梁内并与横隔板连接的钢牛腿、以及与钢牛腿搭接的钢筋笼。本发明质量有保证、方便施工、传力路径明确、适用性较强。

Description

矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点
技术领域
本发明涉及钢管混凝土结构技术领域，尤其涉及矩形钢管混凝土柱-混凝土梁的搭接节点结构。
背景技术
钢管混凝土结构现在已经被广泛地用于工业厂房柱、设备构架柱、多高层建筑以及桥梁等各种结构中。钢管混凝土在构件层次上的理论和设计相关研究已经较为成熟，并也有多项优秀工程已在我国实现，而在钢管混凝土结构节点层次上的研究却是一直滞后于构件的研究。
节点作为结构中构件间的传力枢纽，设计中需要考虑诸多问题，如：在正常使用状态下，节点应具有足够的强度和刚度，将梁和柱连成一体，共同抵抗外部荷载作用，以避免结构产生过大的位移和内力；在强烈地震作用中，节点除了需要保证结构的有效传力和不破坏之外，还应该具有一定的延性，通过形成梁端塑性铰，吸收和耗散地震引起的能量，使得结构不致发生倒塌或者倾覆。
目前对于钢管混凝土柱-混凝土梁节点的研究还相对较少，且很大部分都集中在钢管混凝土柱-钢梁节点上，对钢管混凝土柱-混凝土梁节点的研究不多，现有的规范对钢管混凝土柱-混凝土梁节点的设计规定也较为粗略，这在一定程度上影响了钢管混凝土结构的应用和推广。
现有的钢管混凝土柱-混凝土梁节点的形式多种多样，大致可分为钢筋混凝土环梁式节点、加强环式节点、钢筋环绕式节点、柱非贯通式节点等。
钢筋混凝土环梁式节点受力合理明确、构造简单、造价低，但是由于钢筋混凝土环梁材料为各向异性，某些截面将有可能过早破坏或裂缝。
加强环式节点是在梁端上下各焊接一块钢板加强环与纵筋连接(焊接或机械锚固)来传递弯矩，在两个加强环间均匀设置放射状的加强筋和肋板结构与环板链接从而进行剪力传递。节点刚度大、承载力高，但是当柱直径较大时，施工复杂，且梁端纵筋与钢板加强环间的现场焊接工作量大，焊缝要求高。
钢筋环绕式节点是利用连续的钢筋绕过钢管混凝土柱来传递弯矩，利用明暗牛腿来传递剪力。该节点无需进行钢筋焊接，施工方便，经济有效，但是节点刚度小，只适用于柱截面较小的钢管混凝土结构。
柱非贯通式节点包括钢管开孔式穿筋节点和钢管完全断开式节点。穿筋式节点是在梁端纵筋穿过节点区域的位置在钢管上打孔，让纵筋直接穿过钢管，并在钢管内壁焊接环形板以加强开孔造成的削弱。该节点的整体性好，但施工难度大，穿筋困难。钢管完全断开式节点则在节点区将钢管完全断开，节点区的混凝土强度同楼板混凝土强度，在节点区设置环形箍筋对节点区进行加强，在钢管断开处设置插筋保证钢管断开处荷载的传递，该节点的整体性相对削弱。
另外还有钢管混凝土柱-组合梁节点，主要包括U型钢、角钢、工字钢等型钢组合梁节点，该类节点的连接是通过在节点域设置上、下外加强环，并分别与型钢的翼缘或底板进行焊接，梁中的弯矩钢筋则在通过钢管的开孔、焊接或设置机械连接进行连接。节点依靠纵筋、型钢、混凝土共同承担弯矩，依靠型钢腹板与钢管柱壁焊接传递剪力。该类型节点受力合理、承载力高、刚度大、防火性能好，但是施工工艺复杂，焊接工作量大，且钢管上的开孔削弱了钢管柱的截面，可能引起应力集中问题。
综合评价以上各种节点形式，其力学性能与施工的简易性和经济性不能兼顾，且节点的应用不灵活。
钢管混凝土柱-混凝土梁节点的设计必须具有较大的刚度和强度，能满足“强柱弱梁、节点更强”的原则；受力机理须明确，传力路径要简单；应改善节点区域混凝土的抗裂性能，提高节点的正常使用范围；应避免钢管直接承受弯矩造成的钢管壁撕裂，避免钢管表面出现因开孔造成的明显的应力集中。
镇江苏宁广场的东塔楼部分框架柱采用钢管混凝土柱，结构上部的框架梁采用型钢梁与钢管混凝土柱连接，而在地下室部分由于腐蚀以及柱截面巨大等原因，需对框架梁及与柱的连接作出调整。
在满足力学性能的条件下，力求构造简单，制作方便，节约钢材；钢管内部的穿心构件尽可能不影响混凝土的浇筑，并尽量避免或减少现场的焊接工作。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，解决了现有技术中经济效益、施工简易性和节点应用灵活性无法兼顾的问题，同时解决了现有节点影响承载能力和抗震性能的问题。
技术方案：本发明的矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，包括矩形钢管混凝土柱、以及分别与其两侧通过搭接系统连接的两混凝土梁，所述搭接系统包括若干层设于矩形钢管混凝土柱内并与混凝土梁位置对应的横隔板、设于所述混凝土梁内并与横隔板连接的钢牛腿、以及与钢牛腿搭接的钢筋笼；其中，所述矩形钢管混凝土柱的柱截面为矩形，包括四块闭合环接的矩形钢板，且中间填充有混凝土。
其中，所述钢牛腿包括由H型钢材质制成的H型钢牛腿。H型钢牛腿的截面形状经济合理，侧向刚度大，抗弯能力强。
所述横隔板设有四层，且所述H型钢牛腿其中一端的两侧翼缘分别与位置对应的两横隔板连接。将横隔板与H型钢牛腿进行固定并焊接，以保证梁端剪力和弯矩可以有效地传递到矩形钢管混凝土柱上。
所述横隔板的板厚与H型钢牛腿上、下翼缘的板厚相同，均略小于矩形钢管混凝土柱的板厚。
所述矩形钢管混凝土柱内开设有能够供横隔板插入的孔洞，且所述横隔板、钢牛腿以及矩形钢管混凝土柱共同组成钢结构部分。所述的矩形钢管混凝土柱左、右两侧钢板在与混凝土梁相邻界面的梁轮廓线内分别设有两个矩形的孔洞，所述矩形的孔洞与横隔板位置一一对应，尺寸略大于横隔板的横截面的尺寸。所述横隔板通过矩形的孔洞插入矩形钢管混凝土柱内，完全置于矩形钢管混凝土柱中，水平放置，H型钢牛腿横截面紧贴柱壁，与H型钢牛腿、矩形钢管混凝土柱共同组成钢结构部分。
所述钢筋笼设于所述混凝土梁内，包括纵向设置的若干钢筋和箍筋。通过纵向钢筋和箍筋形成的钢筋笼与H型钢牛腿的搭接，实现混凝土柱与矩形钢管混凝土柱的连接，避免了现场钢筋焊接的繁琐，使得阴雨天气施工不受影响；其中，所述H型钢牛腿和钢筋笼的材质和尺寸均相同。
所述横隔板设有双排抗剪栓钉，且相邻两横隔板上的抗剪栓钉错位设置；所述H型钢牛腿的两侧翼缘均设有双排抗剪栓钉，并位于所述钢筋笼内。双排抗剪栓钉以保证钢板与混凝土之间不出现粘结滑移，其中，所述H型钢牛腿和横隔板上的抗剪栓钉为相同的材质和高度。
有益效果：1、本发明质量有保证：钢结构部分可以在工厂内制作完成再运送到现场拼装，焊接工作量减少，且节点的质量能够得到保证；2、方便施工：钢筋采用搭接的形式，免去了现场钢筋焊接工作量以及钢筋焊接质量难控制的难题；3、传力路径明确：设置合理的搭接长度后，梁端传来的弯矩和剪力可以依靠搭接钢筋和加密的箍筋传递至H型钢牛腿，再由H型钢牛腿及横隔板传递至钢管混凝土柱；4、适用性较强：尤其是当柱截面较大时，节点区不会显得臃肿而影响建筑美观。
附图说明
图1是本发明的立面图；
图2是附图1中的A-A剖面结构示意图；
图3是本发明中不含混凝土梁中钢筋笼的平面结构示意图；
图4是本发明中矩形钢管混凝土柱的矩形钢板开孔示意图。
具体实施方式
参见图1至图4，本发明一实施例所述的矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，包括矩形钢管混凝土柱1、与矩形钢管混凝土柱1两侧分别连接的两混凝土梁2和各设于混凝土梁2内的H型钢牛腿3。
矩形钢管混凝土柱1为四块矩形钢板焊接，柱截面为矩形，中间填充混凝土；矩形钢管混凝土柱1左、右两侧钢板在与混凝土梁2相邻界面的梁轮廓线9内分别设有两个矩形孔洞8，横隔板4通过矩形孔洞8插入矩形钢管混凝土柱1内，水平放置，其中横隔板4设有4层，H型钢牛腿3的一端上、下翼缘分别与横隔板4连接。
两混凝土梁2通过设置的纵向钢筋7和箍筋6形成的钢筋笼与H型钢牛腿3的搭接，实现与矩形钢管混凝土柱1的连接。
横隔板4和H型钢牛腿3的上、下翼缘均设置双排抗剪栓钉5，H型钢牛腿3上、下翼缘上的双排抗剪栓钉5位于钢筋笼内，相邻横隔板4上的抗剪栓钉5上、下错开布置；横隔板4、H型钢牛腿3、矩形钢管混凝土柱1共同组成钢结构部分。
混凝土梁2左、右梁中的H型钢牛腿3、钢筋笼的材质和尺寸均相同；H型钢牛腿3和横隔板4上抗剪栓钉5的材质和高度均相同；横隔板5的板厚与H型钢牛腿3上、下翼缘的板厚相同，均略小于矩形钢管混凝土柱1的板厚；矩形孔洞8的尺寸略大于横隔板4的横截面的尺寸；矩形孔洞8与横隔板4为位置和数量一一对应，横隔板4完全置于矩形钢管混凝土柱1中，H型钢牛腿3横截面紧贴柱壁；混凝土梁2通过钢筋与H型钢牛腿3的搭接实现与矩形钢管混凝土柱1的连接。
本发明矩形钢管混凝土柱-混凝土梁搭接节点的施工方法如下：
如图3所示，在H型钢牛腿3的上、下翼缘和横隔板4上分别施焊双排抗剪栓钉5，以保证钢板与混凝土之间不出现粘结滑移。
在两块矩形钢板上分别设置尺寸稍大于横隔板横截面的矩形孔洞8，注意左右两边的矩形孔洞8位置与横隔板4的位置一一对应。
将横隔板4插入矩形孔洞8，并与H型钢牛腿3进行固定并焊接，以保证梁端剪力和弯矩可以有效地传递到矩形钢管混凝土柱1上。
将开孔的两块钢板与其余未开孔的两块钢板固定并焊接，连同H型钢牛腿3和横隔板4形成节点的钢结构部分。整个焊接过程中为减小温度产生的残余应力和残余变形，对焊缝较长的区域建议采取分段焊接。为确保焊缝质量，该过程可在工厂加工制作后再运至施工现场。
制作好的钢结构部分在现场放置好之后，按设计要求将若干箍筋6与纵向钢筋7绑扎成混凝土梁钢筋骨架，绑扎完成后将钢筋笼套在H型钢牛腿3的外面固定好。
在梁下部和两侧支模板，浇筑混凝土时，用硬化泡沫对接缝处进行填充以免漏浆，养护至混凝土强度达到设计强度时制作完成。

Claims (8)

1.一种矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，其特征在于：包括矩形钢管混凝土柱、以及分别与其两侧通过搭接系统连接的两混凝土梁，所述搭接系统包括若干层设于矩形钢管混凝土柱内并与混凝土梁位置对应的横隔板、设于所述混凝土梁内并与横隔板连接的钢牛腿、以及与钢牛腿搭接的钢筋笼。
2.根据权利要求1所述的矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，其特征在于：所述钢牛腿包括由H型钢材质制成的H型钢牛腿。
3.根据权利要求2所述的矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，其特征在于：所述横隔板设有四层，且所述H型钢牛腿其中一端的两侧翼缘分别与位置对应的两横隔板连接。
4.根据权利要求1所述的矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，其特征在于：所述矩形钢管混凝土柱内开设有能够供横隔板插入的孔洞，且所述横隔板、钢牛腿以及矩形钢管混凝土柱共同组成钢结构部分。
5.根据权利要求1所述的矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，其特征在于：所述钢筋笼设于所述混凝土梁内并套设于所述钢牛腿外周，包括纵向设置的若干钢筋和箍筋。
6.根据权利要求1所述的矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，其特征在于：所述横隔板设有双排抗剪栓钉，且相邻两横隔板上的抗剪栓钉错位设置。
7.根据权利要求2所述的矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，其特征在于：所述H型钢牛腿的两侧翼缘均设有双排抗剪栓钉，并位于所述钢筋笼内。
8.根据权利要求1所述的矩形钢管混凝土柱与混凝土梁的搭接节点，其特征在于：所述矩形钢管混凝土柱的柱截面为矩形，包括四块闭合环接的矩形钢板，且中间填充有混凝土。
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