CN110206231B - 一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点及方法，包括混凝土基础、耗能元件及竖直布置的混凝土柱，所述混凝土柱中设有贯穿自身中心轴线的安装孔道，所述安装孔道包括圆形孔道，所述圆形孔道的下方设有与其连通的方形孔道，所述混凝土柱中设有方形外管，所述方形外管的内腔形成所述方形孔道；所述基础设置于混凝土柱的下方，基础用于实现混凝土柱的支撑；所述基础中固定设有竖直方向的方形内管，所述方形内管插入方形孔道中，所述方形内管中沿竖直方向设有多个隔板，所述隔板中设有通孔，所述通孔中贯穿设置有自复位用钢筋。本发明能够避免混凝土柱脚节点在地震作用下出现过大的损伤，残余变形小，便于房屋震后修复及功能恢复。

Description

一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点及方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点及方法。

背景技术

装配式结构具有工业化程度高、节省材料、污染小、施工方便、现场湿作业量少、工人数量少、预制构件质量便于控制、建造周期短、投资回收快等优点，是新型建筑工业化发展的方向。

发明人认为，当前工程中的装配式混凝土结构仍以等同现浇的装配整体式混凝土结构为主，以构件的破坏和结构的损伤为代价耗散地震能量，在较大地震作用下构件及节点极易出现严重的破坏，造成修复困难，甚至难以修复，存在功能中断时间过长的问题。近年来，可恢复功能结构以结构损伤小，震后能快速恢复结构功能为特点，成为结构抗震研究的重点和发展方向。对于可恢复功能结构，混凝土柱脚节点的自复位性能及耗能性能是结构功能能否快速恢复并进行工程应用的关键。

现有的自复位结构均已预应力技术为基础，需由专业预应力工程施工队伍在施工现场采用液压千斤顶对预应力筋进行张拉，利用预应力筋产生的预压力保证混凝土柱脚的抗剪和抗扭能力，并利用预应力筋的高弹性使混凝土柱具有自复位能力。而这一做法通常需要施加较大的预应力，降低了预应力筋的变形性能，也降低了混凝土柱的自复位性能。同时，这一做法对锚具的性能要求很高，锚具的失效会使结构丧失自复位能力，甚至造成局部坍塌。预应力筋的张拉施工还会对施工顺序产生很大的影响，严重降低了结构的现场装配施工效率。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点，能够避免混凝土柱脚节点在地震作用下出现过大的损伤，残余变形小，便于房屋震后修复及功能恢复。

本发明的第二目的是提供一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点的施工方法，指导管接自复位耗能混凝土柱脚节点的施工操作。

一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点，包括基础、竖直布置的混凝土柱及竖直布置的耗能元件，所述基础设置于混凝土柱的下方，基础用于实现混凝土柱的支撑；所述耗能元件布置于混凝土柱外侧，耗能元件的上端与混凝土柱固定连接，下端与基础固定连接。

所述混凝土柱中设有贯穿自身中心轴线的安装孔道，所述安装孔道包括圆形孔道，所述圆形孔道的下方设有与其连通的方形孔道，所述混凝土柱中设有方形外管，所述方形外管的内腔形成所述方形孔道；

所述基础中固定设有竖直方向的方形内管，所述方形内管插入方形孔道中，所述方形内管中沿竖直方向设有多个隔板，每个隔板均水平布置，所述隔板中设有通孔，所述通孔中贯穿设置有钢筋，所述钢筋的下端伸出方形内管并与基础固定连接，所述钢筋的上端依次穿过方形内管及圆形孔道，所述钢筋的上端伸出混凝土柱并通过张拉元件实现张拉。

混凝土柱通过方形内管、方形外管与基础进行连接，方形内管、方形外管紧密配合，从而实现不需要对自复位用的钢筋施加过大预应力即可确保混凝土柱脚节点在地震作用下具有足够抗剪能力和抗扭能力。

进一步,所述张拉元件包括设置于混凝土柱上端的第一螺纹套筒和弹性垫片，所述第一螺纹套筒中设有内螺纹，钢筋上端设有外螺纹，第一螺纹套筒与钢筋通过螺纹连接，所述第一螺纹套筒能够旋转以实现钢筋的张拉，所述弹性垫片可减小张拉后的预应力损失。

因为钢筋不需要施加过大的预应力，因此不需要采用液压千斤顶等张拉设备对自复位用钢筋施加预应力，仅通过拧紧第一螺纹套筒使钢筋张紧并具有初始预应力，因此现场施工工艺简单，并且钢筋初始预应力较小，因而具有更大的变形能力，进而可提高节点的变形性能和自复位能力。

进一步,所述混凝土柱的底部固定设有混凝土柱脚靴板，所述混凝土柱脚靴板的外侧面固定设有安装支架，所述安装支架用于固定耗能元件的上端。

进一步,所述基础中设有第二螺纹套筒，所述耗能元件的上下两端设有外螺纹，所述耗能元件通过螺纹与第二螺纹套筒固定连接、通过螺栓与安装支架连接。

本实施例还提供一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点的施工方法,包括以下步骤：

步骤1，混凝土柱在工厂预制时，预埋入方形外管及波纹管，方形外管与波纹管间密封，方形外管及波纹管的内腔形成安装孔道，混凝土柱底部固定包覆混凝土柱脚靴板；

步骤2，对基础进行现浇施工时，预埋入方形内管及钢筋，钢筋底端安装第一钢板及双螺母，基础顶部预埋第二钢板；

步骤3，现场装配时，将混凝土柱吊至空中，方形内管、方形外管对齐后，利用自重克服方形内管、方形外管间的摩擦力，将混凝土柱吊放就位；

步骤4，安装耗能元件，先将耗能元件从上向下穿过安装支架，耗能元件下端旋转拧入第二螺纹套筒内，在耗能元件上端安装螺母，通过螺母锁紧耗能元件上端；安装支架中设有安装孔，安装孔的直径大于耗能元件直径，在将耗能元件下端拧入第二螺纹套筒后，在耗能元件上端与安装孔之间的空隙处填充环氧树脂。

步骤5，在钢筋顶部穿出混凝土柱的一端安装第一螺纹套筒和弹性垫片，将第一螺纹套筒拧紧，使钢筋被张紧。

本发明的有益效果：

1)本发明提供了一种适合于装配式混凝土框架结构及装配式桥梁结构中的管接自复位耗能混凝土柱脚节点及施工方法，该节点可避免结构构件在地震作用下出现过大的损伤，残余变形小，便于房屋震后修复及功能恢复。

2)混凝土柱通过方形内管、方形外管与基础进行连接，方形内管、方形外管紧密配合，从而实现不需要对自复位用的钢筋施加过大预应力即可确保混凝土柱脚节点在地震作用下具有足够抗剪能力和抗扭转能力。

3)由于不采用液压千斤顶等张拉设备对自复位用钢筋施加预应力，仅通过拧紧第一螺纹套筒使钢筋张紧并具有初始预应力，因此现场施工工艺简单，并且钢筋初始预应力较小，因而具有更大的变形能力，进而可提高节点的变形性能和自复位能力。

4)方形内管中设置隔板，提高了方形内管抵抗变形的能力，确保在大震作用下方形内管始终处于弹性阶段，进一步提高了混凝土柱脚节点的自复位能力，尤其是确保了小震作用下混凝土柱脚节点的自复位能力。

5)混凝土柱周边设置耗能元件，使混凝土柱脚节点具有一定的耗能能力，耗能元件与混凝土柱和基础分别采用栓接和第二螺纹套筒连接，具有较大的安装容许偏差，且便于拆换，有利于震后功能恢复。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例中整体结构正视图；

图2是本发明实施例中现浇基础的正视图；

图3是本发明实施例中方形内管的主视图；

图4是本发明实施例中方形内管的俯视图；

图5是本发明实施例中预制混凝土柱的结构示意图；

图6是图5中A-A视向的剖面视图。

其中，1、混凝土柱；2、基础；3、方形外管；4、方形内管；5、钢筋；6、箍筋；7、第一钢板；8、耗能元件；9、混凝土柱脚靴板；10、安装支架；11、环氧树脂；12、第二螺纹套筒；13、锚固钢筋；14、栓钉；15、波纹管；16、第二钢板；17、螺母；18、第一螺纹套筒；19、隔板；20、弹性垫片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所述，现有的装配式混凝土结构以等同现浇的装配式整体混凝土结构为主，以构件的破坏和结构的损伤为代价耗散地震能量，在较大地震作用下构件及节点极易出现严重的破坏，造成修复困难。

现有自复位混凝土柱脚节点，完全由张拉的预应力钢筋来提供复位功能，需采用液压千斤顶施加较大的预应力，对施工顺序有很大的影响，严重降低了装配式结构的施工效率。结构的稳定及自复位功能完全依赖预应力钢筋，钢筋损坏或锚具损坏后无法提供自复位功能，甚至造成结构局部倒塌。

本申请的管接自复位耗能混凝土柱脚节点适用于装配式混凝土框架结构或装配式桥梁结构。

耗能元件在自复位框架结构中已得到运用，其可以采用低碳钢筋等高延性材料，可由本领域技术人员自行设置，此处不再赘述。

本发明的一种典型实施方式中，一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点，包括混凝土基础2、竖直布置的混凝土柱1、竖直布置的耗能元件8，所述基础2设置于混凝土柱1的下方，基础2用于实现混凝土柱1的支撑；所述耗能元件8布置于混凝土柱1外侧，耗能元件8的上端与混凝土柱1固定连接，下端与基础2固定连接。

此处的混凝土柱1在工厂预制，混凝土基础2在施工现场浇筑或在工厂预制，但混凝土浇筑前需预埋入钢筋5。

所述混凝土柱1中设有贯穿自身中心轴线的安装孔道，所述安装孔道包括圆形孔道，所述圆形孔道的下方设有与其连通的方形孔道，所述混凝土柱1中设有方形外管3，所述方形外管3的内腔形成所述方形孔道。

具体的，方形内管4的横截面外侧尺寸略小于方形外管3的横截面内腔尺寸，二者的尺寸差值可为0.1-1mm，方形内管4及方形外管3均采用方形钢管，其材料可以为高强度钢，以提高混凝土柱脚节点的抗剪切、扭转的能力。

所述基础2中固定设有竖直方向的方形内管4，所述方形内管4插入方形孔道中，所述方形内管4中沿竖直方向设有多个隔板19，每个隔板19均水平布置，所述隔板19中设有通孔，所述通孔中贯穿设置有钢筋5，所述钢筋5的下端伸出方形内管4锚入基础2内，所述钢筋5的上端依次穿过方形内管4及圆形孔道，所述钢筋5的上端伸出混凝土柱1并通过张拉元件实现张拉。

在方形外管3外部以及方形内管4位于基础2中的部分设置箍筋6以加强对钢管的约束，所述箍筋6可以为螺旋箍筋6。

具体的，钢筋5用于实现复位功能，钢筋5在安装孔道中的部分为无黏结段，与现浇的基础2中混凝土固定部分为黏结段。

钢筋5可采用高强精轧螺纹钢筋5或SMA记忆合金钢筋5(两端套丝)或其他高强高延性钢筋5，钢筋5在混凝土柱1混凝土柱高范围内无黏结。

所述张拉元件包括设置于混凝土柱1上端的第一螺纹套筒18，所述第一螺纹套筒18中设有内螺纹，钢筋5上端设有外螺纹，第一螺纹套筒18与钢筋5通过螺纹连接，所述第一螺纹套筒18能够旋转以实现钢筋5的张拉。

所述钢筋5在顶端设置弹性垫片20，弹性垫片20设置在混凝土柱1与第一螺纹套筒18之间，通过拧紧第一螺纹套筒18使钢筋5张紧，并具有初始预应力，弹性垫片20可避免自复位钢筋5出现预应力损失。

所述方形内管4和方形外管3的顶部标高不允许在同一截面，应相互错开，避免形成刚度突变。混凝土柱脚靴板9顶部和方形内管4的顶部标高不允许在同一截面，避免形成刚度突变。

所述混凝土柱1中设有波纹管15，所述波纹管15的内腔形成所述圆形孔道。

所述方形外管3的外侧面设有多个栓钉14，所述方形内管4与基础2连接部分的外侧面设有多个栓钉14。

所述方形内管及方形外管的横截面均为回字形结构。即所述方形内管4及方形外管3为正方形钢管。在另一些实施方式中，方形内管及方形外管可以为矩形钢管。

所述混凝土柱1的底部固定设有混凝土柱脚靴板9，所述混凝土柱脚靴板的材质为高强度钢；所述混凝土柱脚靴板9为桶形结构，所述混凝土柱脚靴板9包括底板及圆筒，底板设置于混凝土柱1下端面，圆筒固定套设于混凝土柱1外部，所述钢筋5穿过底板，所述圆筒的外侧面固定设有安装支架10，所述安装支架10用于固定耗能元件8的上端。

所述基础2中设有第二螺纹套筒12，所述第二螺纹套筒12下部设有锚固钢筋13，所述耗能元件8的上下两端设有外螺纹，所述耗能元件8通过螺纹与第二螺纹套筒12固定连接、通过螺栓与安装支架10连接。

所述钢筋5的底端设有两个第一钢板7，所述第一钢板7固定设有于基础2中，位于下方的第一钢板7通过双螺母17与钢筋5固定；位于上方的第一钢板与方形内管的下端固定连接，优选的固定方式为焊接。

所述混凝土柱1的顶端及基础2的顶端均固定设有第二钢板16，所述第二钢板16中设有贯穿孔，所述贯穿孔用于穿过钢筋5。

本实施例还提供一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点的施工方法,包括以下步骤：

步骤1，混凝土柱1在工厂预制时，预埋入方形外管3、箍筋6及波纹管15，方形外管3与波纹管15间密封，方形外管3及波纹管15的内腔形成安装孔道，混凝土柱1底部固定包覆混凝土柱脚靴板9；

步骤2，对基础2进行现浇施工时，预埋入方形内管4、箍筋6及钢筋5，钢筋5底端安装第一钢板7及双螺母17，基础2顶部预埋第二钢板16；

步骤3，现场装配时，将混凝土柱1吊至空中，方形内管4、方形外管3对齐后，利用自重克服方形内管4、方形外管3间的摩擦力，将混凝土柱1吊放就位；

步骤4，安装耗能元件8，先将耗能元件8从上向下穿过安装支架10，耗能元件8下端旋转拧入第二螺纹套筒12内，在耗能元件8上端安装螺母，通过螺母锁紧耗能元件8上端；安装支架10中设有安装孔，安装孔的直径大于耗能元件8直径，在将耗能元件8下端拧入第二螺纹套筒12后，在耗能元件8上端与安装孔之间的空隙处填充环氧树脂11。

步骤5，在钢筋5顶部穿出混凝土柱1的一端安装第一螺纹套筒18和弹性垫片20，将第一螺纹套筒18拧紧，使钢筋5被张紧。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点，其特征在于，包括：

竖直布置的混凝土柱，所述混凝土柱中设有贯穿自身中心轴线的安装孔道，所述安装孔道包括圆形孔道，所述圆形孔道的下方设有与其连通的方形孔道，所述混凝土柱中设有方形外管，所述方形外管的内腔形成所述方形孔道；所述混凝土柱中设有波纹管，波纹管形成圆形孔道；

基础，所述基础设置于混凝土柱的下方，基础用于实现混凝土柱的支撑；

所述基础中固定设有竖直方向的方形内管，所述方形内管插入方形孔道中，所述方形内管中沿竖直方向设有多个隔板，每个隔板均水平布置，所述隔板中设有通孔，所述通孔中贯穿设置有钢筋，所述钢筋的下端伸出方形内管并与基础固定连接，所述钢筋的上端依次穿过方形内管及圆形孔道，所述钢筋的上端伸出混凝土柱并通过张拉元件实现张拉，所述张拉元件包括设置于混凝土柱上端的第一螺纹套筒和弹性垫片，所述第一螺纹套筒中设有内螺纹，钢筋上端设有外螺纹，第一螺纹套筒与钢筋通过螺纹连接，所述第一螺纹套筒能够旋转以实现钢筋的张拉；

所述方形内管和所述方形外管均采用方形钢管；

竖直布置的耗能元件，所述耗能元件布置于混凝土柱外侧，耗能元件的上端与混凝土柱固定连接，下端与基础固定连接；

所述混凝土柱的底部固定设有混凝土柱脚靴板，所述混凝土柱脚靴板的外侧面固定设有安装支架，所述安装支架用于固定耗能元件的上端；安装支架设有安装孔，安装孔的直径大于耗能元件的直径；

所述基础中设有第二螺纹套筒，所述耗能元件的上下两端设有外螺纹，所述耗能元件通过螺纹与第二螺纹套筒固定连接、通过螺栓与安装支架连接。

2.根据权利要求 1 所述的管接自复位耗能混凝土柱脚节点，其特征在于,所述方形内管及方形外管的横截面均为回字形结构。

3.根据权利要求 1 所述的管接自复位耗能混凝土柱脚节点，其特征在于，

所述钢筋的底端设有两个第一钢板，所述第一钢板固定设有于基础中，位于下方的第一钢板通过双螺母结构与钢筋固定，位于上方的第一钢板与方形内管固定连接；

所述混凝土柱的顶端及基础的顶端均固定设有第二钢板，所述第二钢板中设有贯穿孔，所述贯穿孔用于穿过钢筋。

4.根据权利要求 1 所述的管接自复位耗能混凝土柱脚节点，其特征在于，所述混凝土柱中设有波纹管，所述波纹管的内腔形成所述圆形孔道。

5.根据权利要求 1 所述的管接自复位耗能混凝土柱脚节点，其特征在于，所述方形外管的外侧面设有多个栓钉，所述方形内管与基础连接部分的外侧面设有多个栓钉。

6.一种管接自复位耗能混凝土柱脚节点的施工方法，利用了权利要求 1-5中任意一项管接自复位耗能混凝土柱脚节点，其特征在于,包括以下步骤：

步骤 1，混凝土柱在工厂预制时，预埋入方形外管及波纹管，方形外管与波纹管间密封，方形外管及波纹管的内腔形成安装孔道，混凝土柱底部固定包覆混凝土柱脚靴板；

步骤 2，对基础进行现浇施工时，预埋入方形内管及钢筋，钢筋底端安装第一钢板及双螺母，基础顶部预埋第二钢板；

步骤 3，现场装配时，将混凝土柱吊至空中，方形内管、方形外管对齐后，利用自重克服方形内管、方形外管间的摩擦力，将混凝土柱吊放就位；

步骤 4，安装耗能元件，先将耗能元件从上向下穿过安装支架，耗能元件下端旋转拧入第二螺纹套筒内，在耗能元件上端安装螺母，通过螺母锁紧耗能元件上端；

步骤 5，在钢筋顶部穿出混凝土柱的一端安装第一螺纹套筒，将第一螺纹套筒拧紧，使钢筋被张紧。

7.根据权利要求 6所述的管接自复位耗能混凝土柱脚节点的施工方法，其特征在于,所述步骤 4 中，安装支架中设有安装孔，安装孔的直径大于耗能元件直径，在将耗能元件下端拧入第二螺纹套筒后，在耗能元件上端与安装孔之间的空隙处填充环氧树脂。