CN110565821A - 一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半预制型钢混凝土柱‑型钢混凝土梁榫卯节点单元，属于建筑技术领域以及结构工程技术领域。本发明的半预制型钢混凝土柱‑型钢混凝土梁榫卯节点单元的节点处采取半预制及榫卯连接的方式，再进行一体化浇筑，加强了节点的刚度和抗震强度；半预制的钢梁与节点单元通过螺栓连接或者卡槽连接并且一体化浇筑，这样不仅加强了梁端的刚度，而且采用两种不同的连接方式可以适用于不同地缘的不同环境，进而体现了现代建筑的灵活度，有利于推广和应用。

Description

一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元

技术领域

本发明涉及一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元，属于建筑技术领域以及结构工程技术领域。

背景技术

在现代化社会发展的过程中，钢筋混凝土施工技术有了飞跃的发展，现浇混凝土施工技术也逐渐发展起来。由于现浇混凝土工程具有良好的性能以及优越性，因此在各种土木工程中得到了广泛的应用。但是现浇混凝土工程也存在着一些问题，比如养护混凝土需要大量的模板、在施工现场的作业量大、施工周期较长、需要大量的人工以及不够绿色环保。为了解决这些问题，预制混凝土结构也在同时发展。

我国对于预制混凝土结构探索与发展开始于20世纪50年代，直到20世纪80年代，在工业和民用建筑中都有着很好的应用。1990年以后，由于其他因素的影响，预制混凝土结构在民用建筑中的应用越来越少，迎来了一个萎缩的市场。随着我国经济的快速进步、对节能环保的要求越来越高、劳动力成本的持续上涨，近十年来我国在对预制装配式混凝土结构的研究开始增加。

现有的预制装配式混凝土结构仍旧存在以下几个很大的问题：

第一、工艺落后、工业化程度低、产品形式单一，相比发达国家来说比较落后，机械化工业化水平低，生产的构件远远达不到规定的质量标准。发达国家，像美国、加拿大、日本等，对装配式建筑的应用很广泛，高达百分之六十以上，相比之下，我国却达不到10％，这就造成了装配式建筑的优势很难发挥。

第二、连接的困难，在现场安装时，因为预制构件制造时的公差，安装人员的熟练程度，当时的环境因素等造成的连接问题，还有安装横向支撑梁的困难，预制结构无法像钢框架那样快速安装。

第三、整体性差，与全现浇模式相比装配式的整体性略低。主要体现在连接部分；连接处的刚度比全现浇模式相比较低。

除此之外，普通的钢混凝土柱-型钢混凝土梁节点存在着抗震性能较弱，刚度较低的问题，而榫卯节点，各个构件之间的结点以榫卯相吻合，构成富有弹性的框架。榫卯节点是极为精巧的，这种构件连接方式不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，在地震荷载下通过变形抵消一定的地震能量，减小结构的地震响应。

基于以上，急需设计出一种整体性强、安装简便、刚度高的预制结构体系。

发明内容

[技术问题]

现有的预制装配式混凝土结构存在工艺落后、工业化程度低、整体性差、连接困难、刚度差、抗震性能弱等问题。

[技术方案]

为解决上述技术问题，本发明提供了一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元，本发明的半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元的节点处采取半预制及榫卯连接的方式，再进行一体化浇筑，加强了节点的刚度和抗震强度；半预制的钢梁与节点单元通过螺栓连接或者卡槽连接并且一体化浇筑，这样不仅加强了梁端的刚度，而且采用两种不同的连接方式可以适用于不同地缘的不同环境，进而体现了现代建筑的灵活度。

具体的，本发明首先提供了一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元，

包括第一H型钢、填充于第一H型钢的第一混凝土、内置于第一混凝土内部的若干个第一纵筋和第一箍筋以及节点外伸半预制梁端；所述节点外伸半预制梁端包括由两个开口相对且平行的槽钢和与槽钢的腰相垂直的第二钢板组成的H型钢、垂直于槽钢的腰且与槽钢开口方向相反的第一钢板以及与槽钢的腰相连接的L型钢；

其中，所述槽钢的腰与第一H型钢的腹板和翼缘相互垂直，所述L型钢其中一个钢板与槽钢的腰平行且相连，L型钢的另一个钢板与第一钢板远离第一H型钢的一端相垂直；所述槽钢的腰远离第一H型钢的一端设有若干个第一卡槽或若干个第一螺栓孔。

在本发明的一种实施方式中，所述槽钢、第一钢板和第二钢板与第一H型钢的腹板之间经过螺栓连接或焊接。

在本发明的一种实施方式中，第二钢板的长度小于槽钢的长度。

在本发明的一种实施方式中，所述第一钢板的设置用于加强梁端抗剪能力。

在本发明的一种实施方式中，所述第一卡槽或第一螺栓孔优选两个。

在本发明的一种实施方式中，所述第一卡槽(以及后续的第二卡槽)的横截面积呈环形跑道状，即中间呈矩形，两端为半圆形的结构，此结构有助于后续抓手连接卡槽时，在产生振动的过程中，能够相对运动，以达到耗能的目的。

在本发明的一种实施方式中，所述L型钢板的与槽钢的腰相垂直的钢板上设有若干个凹槽或者第三螺栓孔，用于和与节点外伸半预制梁端相连接的钢梁的纵筋相连或相固定。

第二，本发明提供了上述半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元与型钢混凝土梁的连接体，所述连接体上述的半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元和型钢混凝土梁；其中，所述型钢混凝土梁包括第二H型钢、填充于第二H型钢的第二混凝土以及内置于第二混凝土的若干第二纵筋和若干第二箍筋；所述第二H型钢的靠近节点单元的翼缘边缘设有若干个第二卡槽或若干个第二螺栓孔，尺寸分别与节点单元的第一卡槽或第一螺栓孔的尺寸一致，所述第二H型钢与节点单元的节点外伸半预制梁端之间通过抓手将第一、第二卡槽或通过螺栓将第一、第二螺栓孔连接。

在本发明的一种实施方式中，所述第二H型钢的翼缘宽度小于等于槽钢的腰的宽度，优选的，第二H型钢的翼缘可插入到槽钢的钢槽内部，槽钢的导槽结构(即开口处)有利于第二H型钢的安装，使得安装更加容易操作。

在本发明的一种实施方式中，所述抓手为槽钢形状，用于将第一卡槽和第二卡槽进行连接，可用来耗能和卡住榫和卯，所述榫为槽钢，所述卯为第二H型钢。

在本发明的一种实施方式中，连接第一、第二螺栓孔的第一螺栓的尺寸小于螺栓孔的尺寸，此处设置的作用是：当地震发生时，第一螺栓可在第一、第二螺栓孔之间左右移动，从而达到耗能减震的目的。

在本发明的一种实施方式中，所述第二H型钢的翼缘与槽钢重叠处对应的第二H型钢的翼缘之间安装有加劲肋，所述加劲肋靠近所述第二H型钢的腹板处，加劲肋的设置可以提高梁的稳定性和抗扭性能。

在本发明的一种实施方式中，所述第二纵筋穿过L型钢上的凹槽或者第三螺栓孔与L型钢相连。

第三，本发明提供了上述半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元与型钢混凝土梁的连接体的施工方法，先将第二H型钢的翼缘插入槽钢的钢槽中，将第一、第二卡槽或第一、第二螺栓孔对齐，将抓手或第一螺栓穿过第一、第二卡槽或第一、第二螺栓孔并进行锚固，在锚固处焊接加劲肋，最后用浇筑混凝土，即可获得所述连接体。

通过本发明的优化设计，该半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁柱榫卯节点单元及一般装配式型钢混凝土节点相比，具有以下优点：

1.本发明设计的半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁柱榫卯节点单元作为一个半预制整体榫卯单元，工业化、模块化程度高，并且柱间连接和梁间连接能够实现配件标准化，使得本设计在工厂加工效率高，更符合建筑行业未来工业化发展的模式。

2.本发明设计的半预制型钢混凝土柱榫卯节点单元内设有卡槽连接或螺栓连接，当使用卡槽连接时，卡槽由一个矩形和两个半圆组成，抓手可用来耗能和卡住榫和卯；当使用第一螺栓连接时，连接两个螺栓孔的螺栓的尺寸略小于螺栓孔，当地震发生时，连接件可在两个螺栓之间上下移动，从而达到耗能减震的目的。其中第二H型钢的翼缘靠近腹板处设有加劲肋，可以提高梁的稳定性和抗扭性能，从而能够提高建筑的抗震性能和稳定性。

3.本发明的半预制型钢混凝土柱榫卯节点单元半预制的钢梁与节点单元通过螺栓连接或者卡槽连接并且一体化浇筑，这样不仅加强了梁端的刚度，而且采用两种不同的连接方式可以适用于不同地源的不同环境，进而体现了现代建筑的灵活度。

4.本发明设计的半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁柱榫卯节点单元在节点处采取半预制的方式，半预制的钢梁与榫卯节点单元在上下翼缘和腹板处螺栓连接并且一体化浇筑，加强了梁端的刚度；柱间连接件和填充在柱间的混凝土加强了柱间的连接，本发明设计的预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁柱榫卯节点单元能有效地加强各连接处的刚度，使各连接处有了更好的受力性能和变形能力。

附图说明

图1为本发明的一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元的一种实施方式的结构示意图

图2为本发明的半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元与型钢混凝土梁的连接体的一种实施方式的示意图。

图3为本发明的半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元与型钢混凝土梁的连接体的卡槽连接的示意图。

图4为本发明的半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元与型钢混凝土梁的连接体的螺栓连接的示意图。

图5为本发明的螺栓连接处的示意图。

图6为本发明的加劲肋的安装示意图。

1—第一混凝土；2—第一钢板；3—槽钢；4—L型钢；5—第一卡槽；6—第二钢板；7—第一H型钢；8—第一纵筋；9—第一箍筋；10—第二纵筋；11—第二箍筋；12—加劲肋；13—抓手；14—第二H型钢；15—第二混凝土；16—凹槽；17—第二螺栓；18—第一螺栓；19—第一螺栓孔；20-第二卡槽；21-第二螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

为了对本发明的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图以及实施例对本发明进行进一步的阐述：

下述实施例中涉及的普通混凝土为C40混凝土，每1m³所述混凝土中含有水185kg、水泥420kg、沙572kg、石子1273kg。

下述实施例中涉及的检测方法如下：

节点极限承载力检测方法：

对半预制型钢混凝土梁柱节点单元进行极限承载力试验研究，采用拟静力加载实验。柱头和柱脚均采用平面铰连接方式模拟反弯点边界条件。利用安装在柱顶位置的竖向千斤顶对试件预压两次，然后分两级施加竖向轴压力至预定荷载，分别为0.5N、1.0N。每级荷载施加完毕后，保持荷载1min，采集数据。竖向预定轴力施加完毕后再安装梁端支座，确保在施加轴力的过程中梁端不会引入额外内力，梁端也采用铰接的连接方式。最后在柱端施加低周往复荷载直至试件失效，整个加载过程中柱顶轴力保持恒定。加载采用位移控制，位移转角为1/1000、1/800、1/500、1/400、1/300每级循环一次；位移角为1/200、1/150、1/100、1/75、1/50、1/35、1/30、1/25、1/20时每级循环3次。

试件柱顶布置1个位移计，以测得加载过程中柱端的位移；节点区域各纵筋、箍筋沿长度方向布置1个应变片，H型钢和钢梁每个侧面沿纵横向布置2个应变片，节点表面沿对角线方向布置3个应变花。

实施例1：一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元

如图1所示，本发明首先提供了一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元，包括第一H型钢7、填充于第一H型钢7的第一混凝土1、内置于第一混凝土1内部的若干个第一纵筋8和第一箍筋9以及节点外伸半预制梁端；节点外伸半预制梁端包括由两个开口相对且平行的槽钢3和第二钢板6组成的H型钢、垂直于槽钢3的腰且与槽钢3的开口方向相反的第一钢板2以及与槽钢3的腰相连接的L型钢4，槽钢3的腰与第一H型钢7的腹板和翼缘相互垂直，槽钢3的一端与第一H型钢7的腹板通过螺栓连接，所述L型钢其中一个钢板与槽钢的腰平行且相连，L型钢的另一钢板与第一钢板2的一端相垂直相连；所述节点外伸半预制梁端的钢槽的开口起导槽作用；所述槽钢3的腰远离第一H型钢7的一端设有两个第一卡槽5；所述L型钢板4的与槽钢3相垂直的钢板上设有若干个凹槽16，用于和与节点外伸半预制梁端相连接的钢梁的纵筋相连或相固定。

进一步的，所述第一卡槽5的横截面积呈环形跑道状，即中间呈矩形，两端为半圆形的结构。

进一步的，所述槽钢3的腰远离第一H型钢7的一端还可以设置为两个第一螺栓孔19。

实施例2：一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元与半预制型钢混凝土梁的连接体及其施工方法

如图2～4所示，本发明提供了实施例1所述的半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元与型钢混凝土梁的连接体，所述型钢混凝土梁包括第二H型钢14、填充于第二H型钢的第二混凝土15以及内置于第二混凝土15的若干第二纵筋10和若干第二箍筋11，所述第二H型钢14的靠近节点单元的翼端边缘设有若干个第二卡槽20或若干个第二螺栓孔21，尺寸分别与节点单元的第一卡槽5或第一螺栓孔19的尺寸一致，所述第二H型钢14与节点单元的节点外伸半预制梁端之间通过抓手13将第一卡槽5、第二卡槽20或通过第一螺栓18将第一螺栓孔19、第二螺栓孔21连接；当为卡槽时，槽钢形状的抓手13的长度较第一卡槽5的总长度较短，优选的，与矩形和半圆的交点处距离两毫米，用于将第一卡槽5和第二卡槽20进行连接，可用来耗能和卡住榫和卯(如图3所示)。当为螺栓孔时，第一螺栓18的尺寸小于第一螺栓孔19和第二螺栓孔21的尺寸，此处设置的作用是：当地震发生时，第一螺栓18可在第一螺栓孔19、第二螺栓孔21之间左右移动，从而达到耗能减震的目的(如图4-5所示)。

优选的，所述第二H型钢14的翼缘与槽钢3重叠的两处之间安装有加劲肋12，加劲肋12靠近述第二H型钢14的腹板处，可以提高梁的稳定性和抗扭性能(图6)。

优选的，所述第二纵筋10安装于L型钢4的凹槽16中或者第三螺栓孔中。

上述连接体的施工方法的具体步骤如下：先将第二H型钢14的翼缘插入槽钢3组成的导槽中，将第一卡槽5、第二卡槽20或第一螺栓孔19、第二螺栓孔21对齐，将抓手3或第一螺栓18穿过第一卡槽5、第二卡槽20或第一螺栓孔19、第二螺栓孔21并进行锚固，在锚固处焊接加劲肋12，最后用浇筑混凝土15，即可使得半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元和半预制型钢混凝土梁连接为一个整体。

实施例3：一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土连接体的检测

具体步骤如下：

柱中纵筋选取4根直径为16mm的钢筋，梁中纵筋选取上下均为2根12mm直径的钢筋，纵筋采用HRB400钢筋，对称布置；柱中箍筋采用直径为8mm的HPB235级光圆钢筋，箍筋间距为100mm，柱端加密区为50mm；梁中箍筋采用直径为8mm的HPB235级光圆钢筋，箍筋间距为100mm，梁端加密区为50mm，箍筋在上部纵筋处根据纵筋直径弯起一定长度。按实施例1，制备得到一种半预制型钢混凝土梁柱节点单元高度为2100mm，柱截面尺寸为400mm×400mm，梁截面尺寸为250mm×450mm，H型钢的截面尺寸为260mm×260mm×10mm×10mm,钢梁的截面尺寸为150mm×300mm×10mm×10mm。按实施例2，与半预制型钢混凝土梁相连。混凝土采用C40普通混凝土进行一体化浇筑。

进行试验，检测结果为：柱端极限承载力为54.83kN、极限位移为95.52mm。

对比例1：现有型钢混凝土梁柱节点的施工方法及检测

具体步骤如下：

在工厂加工预制和预制梁，在工厂中先布置预设钢筋和箍筋，钢筋长度一般要超出柱长一段距离，用于柱间套筒连接使用，然后布置模板，浇筑而成，将预制钢筋混凝土柱搬运到现场，之后将上下柱段外伸的钢筋通过套筒连接，使得两个柱相连，如果需要和梁相连，则将梁的纵筋钩挂在突出的柱的钢筋上，或者与相对的梁的纵筋之间通过套筒连接，再在节点处(各个纵筋连接处)现场浇筑成一个整体。

梁截面尺寸为250mm×450mm，柱截面尺寸为400mm×400mm，纵筋采用HRB400级钢筋，采用对称配筋，梁中配筋上下均为2根12mm直径的钢筋，柱中截面为4根16mm直径的钢筋。梁、柱中预埋H型钢的截面尺寸均为260mm×260mm×10mm×10mm；柱中箍筋采用直径为8mm的HPB235级光圆钢筋，箍筋间距为100mm，柱端加密区为50mm；梁中箍筋采用直径为8mm的HPB235级光圆钢筋，箍筋间距为100mm，梁端加密区为50mm，箍筋在上部纵筋处根据纵筋直径弯起一定长度。试件高度为2100mm，混凝土采用C40普通混凝土。

进行试验，检测结果为：节点滞回曲线荷载峰值为53.93kN、位移峰值为92.32mm。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元，其特征在于，包括第一H型钢、填充于第一H型钢的第一混凝土、内置于第一混凝土内部的若干个第一纵筋和第一箍筋以及节点外伸半预制梁端；所述节点外伸半预制梁端包括由两个开口相对且平行的槽钢和与槽钢的腰相垂直的第二钢板组成的H型钢、垂直于槽钢的腰且与槽钢开口方向相反的第一钢板以及与槽钢的腰相连接的L型钢；

其中，所述槽钢的腰与第一H型钢的腹板和翼缘相互垂直，所述L型钢其中一个钢板与槽钢的腰平行且相连，L型钢的另一个钢板与第一钢板远离第一H型钢的一端相垂直；所述槽钢的腰远离第一H型钢的一端设有若干个第一卡槽或若干个第一螺栓孔。

2.根据权利要求1所述的一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元，其特征在于，所述槽钢、第一钢板和第二钢板与第一H型钢的腹板之间经过螺栓连接或焊接。

3.根据权利要求1或2所述的一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元，其特征在于，所述L型钢板的与槽钢的腰相垂直的钢板上设有若干个凹槽或者第三螺栓孔。

4.一种半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元与型钢混凝土梁的连接体，其特征在于，所述连接体包括权利要求1～3任一所述的半预制型钢混凝土柱-型钢混凝土梁榫卯节点单元和型钢混凝土梁；其中，所述型钢混凝土梁包括第二H型钢、填充于第二H型钢的第二混凝土以及内置于第二混凝土的若干第二纵筋和若干第二箍筋；所述第二H型钢的靠近节点单元的翼缘边缘设有若干个第二卡槽或若干个第二螺栓孔，其尺寸分别与节点单元的第一卡槽或第一螺栓孔的尺寸一致，所述第二H型钢与节点单元的节点外伸半预制梁端之间通过抓手将第一、第二卡槽或通过螺栓将第一、第二螺栓孔连接。

5.根据权利要求4所述的连接体，其特征在于，所述第二H型钢的翼缘宽度小于等于槽钢的腰的宽度，所述第二H型钢的翼缘可插入到槽钢的钢槽内部。

6.根据权利要求4或5所述的连接体，其特征在于，所述抓手为槽钢形状，用于将第一卡槽和第二卡槽进行连接。

7.根据权利要求4～6任一所述的连接体，其特征在于，连接第一、第二螺栓孔的第一螺栓的尺寸小于螺栓孔的尺寸，用于耗能减震。

8.根据权利要求4～7任一所述的连接体，其特征在于，所述第二H型钢的翼缘与槽钢重叠处之间安装有加劲肋，所述加劲肋靠近所述第二H型钢的腹板处。

9.根据权利要求4～8任一所述的连接体，其特征在于，所述第二纵筋穿过L型钢上的凹槽或者第三螺栓孔与L型钢相连。

10.权利要求4～9任一所述的连接体的施工方法，其特征在于，先将第二H型钢的翼缘插入槽钢的钢槽中，将第一、第二卡槽或第一、第二螺栓孔对齐，将抓手或第一螺栓穿过第一、第二卡槽或第一、第二螺栓孔并进行锚固，在锚固处焊接加劲肋，最后用浇筑混凝土，即可获得所述连接体。