CN110593401A - 一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法 - Google Patents

一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造，包括有以下部件：组合柱构件包括有普通段和加强段，加强段上沿水平方向设有贯穿加强段的穿心节点；组合梁构件包括第一梁段和第二梁段，第一梁段用以插入穿心节点的一端设有第一公榫及第一母槽，第二梁段用以插入穿心节点的一端设有第二公榫及第二母槽；卡齿键；托板。本发明进一步提供了一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造的建造方法、调控方法及其用途。本发明提供的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法，可应用于组合混凝土结构，优化、简化施工工艺，帮助实现建筑工业化生产。

Description

一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法
技术领域
本发明属于房屋建筑施工技术领域，涉及一种混凝土梁柱构件连接构造及其制备方法，具体涉及一种适用于组合混凝土结构中预制梁柱构件的双向榫卯连接构造及其建造方法。
背景技术
混凝土材料是以水泥作胶凝材料，砂、石作骨料，与水(可含外加剂和掺合料)按一定比例配合，经搅拌和养护而得。预制混凝土构件是使用混凝土材料在工厂或现场加工区加工制成的混凝土构件。采用预制混凝土构件进行混凝土结构施工的方法称为预制装配式施工方法，该方法可缩短混凝土结构施工时间，是房屋、桥梁等工程结构施工中常用的施工方式。然而，现有的装配式预制混凝土结构施工时需要浇筑大量的后浇混凝土，导致构件拆除时无法重复利用，且降低了施工速度。同时，如果采用钢板螺栓连接，其钢板与预制混凝土构件间界面的连接构造过于复杂。而采用水泥基材料与预制混凝土构件组合的构造可以简化其界面连接的构造，这个概念称为“组合混凝土”。为提高施工效率，减少现场湿作业，制成混凝土构件可重复利用的混凝土结构，需要设计一种无需现场湿作业，有利于拆除的预制混凝土构件节点。
榫卯是常用于木结构的一种连接方式，指的是一种通过构件外形上的凹凸设计，相互锁死完成连接，不通过任何其他的传力连接方式(如螺栓、铆钉、现浇混凝土、穿节点钢筋等)实现节点连接的施工与装配方式。但目前普通混凝土的材料性能并不能满足榫卯连接构造的受力要求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法，可最大限度地发挥组合混凝土结构与纤维增强水泥基材料的优势，免除现场后浇混凝土，节约现场施工工序、时间，帮助实现建筑工业化生产。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造，包括有以下部件：
组合柱构件，所述组合柱构件包括有普通段和加强段，所述普通段沿垂直方向分别设于所述加强段的上下两端，所述加强段上沿水平方向设有贯穿加强段的穿心节点，所述穿心节点中空且两侧开口；
组合梁构件，所述组合梁构件包括第一梁段和第二梁段，所述第一梁段用以插入穿心节点的一端设有第一公榫及第一母槽，所述第二梁段用以插入穿心节点的一端设有第二公榫及第二母槽，所述第一公榫及第二母槽分别设有向内缩进的第一卡齿半槽，所述第二公榫及第一母槽分别设有向内缩进的第二卡齿半槽，所述第一公榫与第二母槽上的第一卡齿半槽匹配形成第一卡齿槽，所述第二公榫及第一母槽上的第二卡齿半槽匹配形成第二卡齿槽，所述第一公榫与第二母槽匹配以形成榫卯连接，所述第二公榫与第一母槽匹配以形成榫卯连接；
至少一个卡齿键，所述卡齿键的形状与第一卡齿槽和/或第二卡齿槽相配合用于沿垂直方向插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽内连接第一梁段及第二梁段；
至少一个托板，所述托板用于填充第一梁段和第二梁段榫卯连接后与穿心节点的上下端遗留的空隙，并固定所述卡齿键。
优选地，所述组合柱构件、组合梁构件、卡齿键均为预制混凝土结构，所述组合柱构件、组合梁构件及卡齿键采用纤维增强水泥基材料制得。
更优选地，所述纤维增强水泥基材料，按重量份计，包括以下组分：
水泥317-319份；
粉煤灰317-319份；
砂153-155份；
减水剂6.3-6.5份；
纤维5-50份；
纳米二氧化硅0-15份；
水216-218份。
进一步优选地，所述纤维增强水泥基复合材料，按重量份计，包括以下组分：
水泥318份；
粉煤灰318份；
砂154份；
减水剂6.4份；
纤维12.7份；
纳米二氧化硅5份；
水217份。
进一步优选地，所述水泥为PO42.5硅酸盐水泥。
进一步优选地，所述粉煤灰为F类粉煤灰。
进一步优选地，所述砂为天然砂。
进一步优选地，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
进一步优选地，所述纤维为PE纤维，即聚乙烯纤维(polyethylene fiber)。
更优选地，所述纤维增强水泥基材料的抗拉强度ft≥10MPa。
更优选地，所述纤维增强水泥基材料的抗压强度fc≥30MPa。
更优选地，所述纤维增强水泥基材料的延性按公式(1)进行计算，所述公式(1)为：Δd≥8％，其中，Δd为混凝土抗拉试件达到承载力极限时的形变/试件受荷部分总长度。
优选地，所述托板为预制钢板。
更优选地，所述托板采用Q235钢材制得。
进一步优选地，所述托板采用钢材的屈服强度fy＝215N·mm-2。
优选地，所述组合柱构件、组合梁构件内均配制有钢筋。
优选地，所述穿心节点的宽度bb≥300mm。
优选地，所述穿心节点的高度h0与组合梁构件的高度相等。
优选地，所述第一公榫包括有第一榫舌及第一榫肩，所述第一榫舌凸起于两侧的第一榫肩；第二母槽包括有第二槽眼和第二槽肩，所述第二槽眼相对于两侧的第二槽肩向内缩进；所述第一榫舌及第二槽眼上分别设有向内缩进的第一卡齿半槽，所述第一榫舌及第二槽眼上相对的第一卡齿半槽匹配形成第一卡齿槽。
优选地，第一母槽包括有第一槽眼和第一槽肩，所述第一槽眼相对于两侧的第一槽肩向内缩进；所述第二公榫包括有第二榫舌及第二榫肩，所述第二榫舌凸起于两侧的第二榫肩；所述第二榫舌及第一槽眼上分别设有向内缩进的第二卡齿半槽，所述第二榫舌及第一槽眼上相对的第二卡齿半槽匹配形成第二卡齿槽。
优选地，所述第一公榫、第二公榫、第一母槽及第二母槽的径向长度ls为700mm-1000mm。更优选地，所述第一公榫、第二公榫、第一母槽及第二母槽的径向长度ls为800mm。
优选地，所述第一卡齿半槽及第二卡齿半槽向内缩进的齿槽深度lt不小于200mm，所述第一卡齿半槽及第二卡齿半槽向内缩进的最大宽度bt不小于150mm。
更优选地，所述第一卡齿半槽及第二卡齿半槽向内缩进的齿槽深度lt为200mm，所述第一卡齿半槽及第二卡齿半槽向内缩进的最大宽度bt为150mm。
优选地，所述卡齿键的尺寸与第一卡齿槽和/或第二卡齿槽的形状相匹配。
优选地，所述托板的长度lb为700mm-1000mm，厚度tb为20mm-40mm。
优选地，所述托板的宽度与第一梁段和/或第二梁段的宽度相等。
本发明第二方面提供一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造的建造方法，包括以下步骤：
1)在安装位置，起吊放置组合柱构件，再起吊组合梁构件的第一梁段和第二梁段至组合柱构件的穿心节点的两端对齐插入，使第一公榫与第二母槽的形状相匹配且使第一卡齿半槽形成第一卡齿槽，使第二公榫及第一母槽的形状相匹配且使第二卡齿半槽形成第二卡齿槽；
2)将卡齿键插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽内，再移动匹配后的第一梁段和第二梁段使卡齿键所在位置处于穿心节点内；
3)将托板插入第一梁段和第二梁段在穿心节点内上侧和/或下侧遗留的空隙内，完成节点拼装。
优选地，步骤1)中，所述组合柱构件、组合梁构件、卡齿键、托板均为预制结构，可在工厂或工地现场进行批量生产。所述组合柱构件、组合梁构件、卡齿键、托板经运输至需要安装的位置。
优选地，步骤1)中，所述组合柱构件起吊时，要对组合柱构件的穿心节点截面进行保护，避免其受损导致连接效果下降。所述组合梁构件起吊时，第一梁段和第二梁段的插入穿心节点的截面要进行保护，避免其受损导致连接效果下降。
优选地，步骤1)中，所述第一公榫与第二母槽的形状匹配时误差不大于5mm，所述第二公榫及第一母槽的的形状匹配时误差不大于5mm。
优选地，步骤2)中，所述卡齿键插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽时，所述卡齿键与第一卡齿槽和/或第二卡齿槽之间的垂直误差不大于5mm，水平误差不大于2mm。
优选地，步骤3)中，所述托板插插入空隙时，所述托板与空隙之间的误差不大于5mm。所述托板插插入空隙时，不得提前压紧。
优选地，步骤3)中，所述托板插入后，其长度能够覆盖卡齿键所在位置。
优选地，步骤3)中，所述节点拼装后要保证所述托板做到压紧。防止组合梁构件的活动。
优选地，上述建造方法中，包括以下条件：
1)所述组合柱构件在穿心节点榫槽连接处的局部受压承载力F不小于柱的削弱截面承载力设计值Fhc，且Fhc符合公式(2)，所述公式(2)为：Fhc＝[h(b0-bb)fhc+fyAs]×10-3，其中Fhc为柱的削弱截面承载力，kN；h为柱截面高度，mm；b0为柱截面宽度，mm；bb为穿柱的梁截面宽度，mm；fhc为纤维增强水泥基复合材料抗压强度设计值，N/mm2；fy为穿节点纵向钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；As为穿节点纵向钢筋截面面积，mm2；
2)所述组合梁构件在穿心节点榫槽连接处的局部受剪承载力V不小于梁的削弱截面局部受剪承载力Vhc，且Vhc符合公式(3)，所述公式(3)为：Vhc＝0.7fhtbb(h0-hj)×10-3；其中，Vhc为梁的削弱截面局部受剪承载力，kN；fht为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度设计值，N/mm2；bb为梁截面宽度，mm；h0为梁截面高度，mm；hj为母槽削弱的截面高度，mm；
3)所述组合柱构件在穿心节点榫槽连接处的局部受弯承载力M不小于柱的削弱截面受弯承载力Mhc，且Mhc符合公式(4)，所述公式(4)为：其中，Mhc为柱的削弱截面受弯承载力，kN·m；h为柱截面高度，mm；b0为柱截面宽度，mm；bb为穿柱的梁截面宽度，mm；fht为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度设计值，N/mm2；
4)所述卡齿键在穿心节点榫槽连接处的受拉承载力T0不小于卡齿键的薄弱截面受拉承载力T，且T符合公式(5)，所述公式(5)为：T＝α1fhtb1ht×10-3；其中，T为卡齿键的薄弱截面受拉承载力，kN；α1为无量纲参数，参照GB50010规范取值；fht为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度设计值，N/mm2；b1为卡齿键的薄弱截面宽度，mm；ht为卡齿键的截面高度，mm；
5)所述卡齿键在穿心节点榫槽连接处的局部受压承载力N不小于卡齿键的薄弱截面受压承载力N1，且N1符合公式(6)，所述公式(6)为：N1＝α1fhc(bt-b1)ht×10-3；其中，N1为卡齿键的薄弱截面受压承载力，kN；α1为无量纲参数，参照GB50010规范取值；fhc为用纤维增强水泥基复合材料抗压强度设计值，N/mm2；bt为卡齿键的最大截面宽度，mm；b1为卡齿键的薄弱截面宽度，mm；ht为卡齿键的截面高度，mm；
6)所述托板在穿心节点榫槽连接处的局部受压承载力N’不小于托板的截面受压承载力N2，且N2符合公式(7)，所述公式(7)为：N2＝fyb0h×10-3；其中，N2为托板的截面受压承载力，kN；fy为穿节点纵向钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；b0为托板截面宽度，mm；h为托板的承压截面高度，mm。
本发明第三方面提供一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造在组合混凝土结构中的用途。
优选地，所述组合混凝土结构为1～3层的组合框架结构的混凝土梁和/或混凝土柱。
如上所述，本发明提供的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法，结合“组合混凝土”的概念并使用榫卯式传力方法将预制构件连接成整体结构，所构造的榫卯式连接节点，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法，可以更充分地利用组合混凝土结构的优势，充分发挥材料性能，减少材料浪费。
(2)本发明提供的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法，现场操作工序简单，所需机械单一，免除了现场湿作业，可以在保证质量的同时加快预制结构的现场拼装速度，节省工期，降低成本。
(3)本发明提供的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法，将更需要精度的操作放在预制构件的过程中完成，更有效的保障构件质量，发挥装配式结构的优势，帮助实现建筑工业化。
(4)本发明提供的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法，采用具备高延性的纤维增强水泥基材料(Engineered cementitious composite，ECC)，克服了传统混凝土拉伸延性小的缺点，提高节点处混凝土的受力性能，使节点构造设计相对简单。
附图说明
图1显示为本发明的组合梁构件中第一梁段的结构示意图，其中，图1a为第一梁段的俯视图，图1b为第一梁段的侧视图。
图2显示为本发明的组合梁构件中第二梁段的结构示意图，其中，图2a为第二梁段的俯视图，图2b为第二梁段的侧视图。
图3显示为本发明的卡齿键的结构示意图，其中，图3a为卡齿键截面示意图，图3b为卡齿键的侧视图。
图4显示为本发明的托板的结构示意图。
图5显示为本发明的组合柱构件中穿心节点区域的结构示意图。
图6显示为本发明的梁柱构件双向榫卯连接前的构造三维示意图。
图7显示为本发明的梁柱构件双向榫卯连接后的构造三维俯视图。
图8显示为本发明的梁柱构件双向榫卯连接后的构造三维侧视意图。
图9显示为本发明的梁柱构件双向榫卯连接构造在工业厂房中应用实例的平面图。
图10显示为本发明的梁柱构件双向榫卯连接构造在框架结构中应用实例的平面图。
附图标记
1 组合梁构件
11 第一梁段
111 第一公榫
1111 第一榫舌
1112 第一榫肩
112 第一母槽
1121 第一槽眼
1122 第一槽肩
12 第二梁段
121 第二公榫
1211 第二榫舌
1212 第二榫肩
122 第二母槽
1221 第二槽眼
1222 第二槽肩
13 第一卡齿半槽
14 第二卡齿半槽
2 组合柱构件
21 普通段
22 加强段
23 穿心节点
3 卡齿键
4 托板
ls 公榫和/或母槽的径向长度
lt 卡齿半槽的深度
b1 卡齿键的薄弱截面宽度
ht 公榫的高度
hs 母槽的高度
bt 卡齿键的最大宽度
h 组合柱构件的截面高度
h0 在加强段中穿心节点区域的高度
b0 组合柱构件的截面宽度
bb 在加强段中穿心节点区域的宽度/组合梁构件的梁段截面宽度
lb 托板的长度
tb 托板的厚度
Z1 单层工业厂房柱
L1 单层工业厂房梁
Z2 1～3层建筑柱
L2 1～3层建筑梁
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图10。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明第一方面提供一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造，如图1-8所示，包括有以下部件：
组合柱构件，所述组合柱构件包括有普通段和加强段，所述普通段沿垂直方向分别设于所述加强段的上下两端，所述加强段上沿水平方向设有贯穿加强段的穿心节点，所述穿心节点中空且两侧开口；
组合梁构件，所述组合梁构件包括第一梁段和第二梁段，所述第一梁段用以插入穿心节点的一端设有第一公榫及第一母槽，所述第二梁段用以插入穿心节点的一端设有第二公榫及第二母槽，所述第一公榫及第二母槽分别设有向内缩进的第一卡齿半槽，所述第二公榫及第一母槽分别设有向内缩进的第二卡齿半槽，所述第一公榫与第二母槽上的第一卡齿半槽匹配形成第一卡齿槽，所述第二公榫及第一母槽上的第二卡齿半槽匹配形成第二卡齿槽，所述第一公榫与第二母槽匹配以形成榫卯连接，所述第二公榫与第一母槽匹配以形成榫卯连接；
至少一个卡齿键，所述卡齿键的形状与第一卡齿槽和/或第二卡齿槽相配合用于沿垂直方向插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽内连接第一梁段及第二梁段；
至少一个托板，所述托板用于填充第一梁段和第二梁段榫卯连接后与穿心节点的上下端遗留的空隙，并固定所述卡齿键。
在一个优选的实施例中，所述组合柱构件、组合梁构件、卡齿键均为预制混凝土结构，所述组合柱构件、组合梁构件及卡齿键采用纤维增强水泥基材料(Engineeredcementitiouscomposite，ECC)制得。所述纤维增强水泥基材料为具有高抗拉强度、高延性的材料，能够传递、承担拉应力，并有一定的变形能力，可应用在普通混凝土梁柱构件的榫卯连接处，进行混凝土梁柱构件的榫卯连接。
具体来说，所述纤维增强水泥基材料，按重量份计，包括以下组分：水泥317-319份，优选为318份；粉煤灰317-319份，优选为318份；砂153-155份，优选为154份；减水剂6.3-6.5份，优选为6.4份；纤维5-50份，优选为12.7份；纳米二氧化硅0-15份，优选为5份；水216-218份，优选为217份。
其中，所述水泥为PO42.5硅酸盐水泥。所述粉煤灰为F类粉煤灰。所述砂为天然砂。所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。所述纤维为PE纤维，即聚乙烯纤维(polyethylenefiber)。所述纤维掺入混凝土配合比中可大幅提高混凝土抗拉、抗折强度与抗裂能力，提高水泥基复合材料延性。
具体来说，所述纤维增强水泥基材料的抗拉强度ft≥10MPa。所述纤维增强水泥基材料的抗压强度fc≥30MPa。
所述纤维增强水泥基材料的延性按公式(1)进行计算，所述公式(1)为：Δd≥8％，其中，Δd为混凝土抗拉试件达到承载力极限时的形变/试件受荷部分总长度。
在一个优选的实施例中，所述托板为预制钢板。所述托板采用Q235钢材制得。所述托板采用钢材的屈服强度fy＝215N·mm-2。
在一个优选的实施例中，所述组合柱构件、组合梁构件内均配制有钢筋。
在一个优选的实施例中，如图4所示，所述穿心节点的宽度bb≥300mm。所述穿心节点为组合柱构件与组合梁构件之间的连接空间。
在一个优选的实施例中，如图5所示，所述穿心节点的高度h0与组合梁构件的高度相等。
在一个优选的实施例中，如图6所示，所述第一公榫包括有第一榫舌及第一榫肩，所述第一榫舌凸起于两侧的第一榫肩；第二母槽包括有第二槽眼和第二槽肩，所述第二槽眼相对于两侧的第二槽肩向内缩进；所述第一榫舌及第二槽眼上分别设有向内缩进的第一卡齿半槽，所述第一榫舌及第二槽眼上相对的第一卡齿半槽匹配形成第一卡齿槽。
在一个优选的实施例中，如图6所示，第一母槽包括有第一槽眼和第一槽肩，所述第一槽眼相对于两侧的第一槽肩向内缩进；所述第二公榫包括有第二榫舌及第二榫肩，所述第二榫舌凸起于两侧的第二榫肩；所述第二榫舌及第一槽眼上分别设有向内缩进的第二卡齿半槽，所述第二榫舌及第一槽眼上相对的第二卡齿半槽匹配形成第二卡齿槽。
在一个优选的实施例中，如图1-2所示，所述第一公榫、第二公榫、第一母槽及第二母槽的径向长度ls为700mm-1000mm，优选为800mm。
在一个优选的实施例中，如图1-2所示，所述第一卡齿半槽及第二卡齿半槽向内缩进的齿槽深度lt不小于200mm，优选为200mm；所述第一卡齿半槽及第二卡齿半槽向内缩进的最大宽度bt不小于150mm，优选为150mm。
在一个优选的实施例中，如图1-3所示，所述卡齿键的尺寸与第一卡齿槽和/或第二卡齿槽的形状相匹配。所述卡齿键用于连接第一梁段及第二梁段，传递水平拉力或压力。
在一个优选的实施例中，如图4所示，所述托板的长度lb为700mm-1000mm，厚度tb20mm-40mm。
在一个优选的实施例中，如图4所示，所述托板的宽度与第一梁段和/或第二梁段的宽度相等。
实施例1
在工厂或工地现场生产预制混凝土构件，具体为组合柱构件、组合梁构件、卡齿键，组合柱构件、组合梁构件及卡齿键采用纤维增强水泥基材料制得。纤维增强水泥基材料，按重量份计，包括以下组分：水泥317-319份；粉煤灰317-319份；砂153-155份；减水剂6.3-6.5份；纤维5-50份；纳米二氧化硅0-15份；水216-218份。其中，水泥为PO42.5硅酸盐水泥。粉煤灰为F类粉煤灰。砂为天然砂。减水剂为聚羧酸高效减水剂。纤维为PE纤维。纤维增强水泥基材料的抗拉强度ft≥10MPa，抗压强度fc≥30MPa，延性按公式(1)进行计算，公式(1)为：Δd≥8％，其中，Δd为混凝土抗拉试件达到承载力极限时的形变/试件受荷部分总长度。组合柱构件、组合梁构件内均配制有钢筋。穿心节点的高度h0与组合梁构件的高度相等。第一公榫、第二公榫、第一母槽及第二母槽的径向长度ls为700mm-1000mm，第一卡齿半槽及第二卡齿半槽向内缩进的齿槽深度lt不小于200mm，第一卡齿半槽及第二卡齿半槽向内缩进的最大宽度bt不小于150mm。所述卡齿键的尺寸与第一卡齿槽和/或第二卡齿槽的形状相匹配。
再预制托板，托板为Q235钢材制得钢板，fy＝215N·mm-2。托板的长度lb为700mm-1000mm，厚度tb20mm-40mm。托板的宽度与第一梁段和/或第二梁段的宽度相等。
选择安装位置，起吊放置组合柱构件，再起吊组合梁构件的第一梁段和第二梁段至组合柱构件的穿心节点的两端对齐插入，使第一公榫与第二母槽的形状相匹配且使第一卡齿半槽形成第一卡齿槽，使第二公榫及第一母槽的形状相匹配且使第二卡齿半槽形成第二卡齿槽。其中，第一公榫与第二母槽的形状匹配时误差不大于5mm，第二公榫及第一母槽的的形状匹配时误差不大于5mm。
将卡齿键插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽内，再移动匹配后的第一梁段和第二梁段使卡齿键所在位置处于穿心节点内。卡齿键插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽时，卡齿键与第一卡齿槽和/或第二卡齿槽之间的垂直误差不大于5mm，水平误差不大于2mm。
将托板插入第一梁段和第二梁段在穿心节点内上侧和/或下侧遗留的空隙内，完成节点拼装。托板插插入空隙时，托板与空隙之间的误差不大于5mm。托板能够覆盖卡齿键所在位置。节点拼装后要保证所述托板做到压紧。防止组合梁构件的活动。
完成节点拼装时，使组合柱构件在穿心节点榫槽连接处的局部受压承载力F不小于柱的削弱截面承载力设计值Fhc，且Fhc符合公式(2)，所述公式(2)为：Fhc＝[h(b0-bb)fhc+fyAs]×10-3，其中Fhc为柱的削弱截面承载力，kN；h为柱截面高度，mm；b0为柱截面宽度，mm；bb为穿柱的梁截面宽度，mm；fhc为纤维增强水泥基复合材料抗压强度设计值，N/mm2；fy为穿节点纵向钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；As为穿节点纵向钢筋截面面积，mm2。
同时，使组合梁构件在穿心节点榫槽连接处的局部受剪承载力V不小于梁的削弱截面局部受剪承载力Vhc，且Vhc符合公式(3)，所述公式(3)为：Vhc＝0.7fhtbb(h0-hj)×10-3；其中，Vhc为梁的削弱截面局部受剪承载力，kN；fht为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度设计值，N/mm2；bb为梁截面宽度，mm；h0为梁截面高度，mm；hj为母槽削弱的截面高度，mm。
使组合柱构件在穿心节点榫槽连接处的局部受弯承载力M不小于柱的削弱截面受弯承载力Mhc，且Mhc符合公式(4)，所述公式(4)为：其中，Mhc为柱的削弱截面受弯承载力，kN·m；h为柱截面高度，mm；b0为柱截面宽度，mm；bb为穿柱的梁截面宽度，mm；fht为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度设计值，N/mm2。
使卡齿键在穿心节点榫槽连接处的受拉承载力T0不小于卡齿键的薄弱截面受拉承载力T，且T符合公式(5)，所述公式(5)为：T＝α1fhtb1ht×10-3；其中，T为卡齿键的薄弱截面受拉承载力，kN；α1为无量纲参数，参照GB50010规范取值；fht为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度设计值，N/mm2；b1为卡齿键的薄弱截面宽度，mm；ht为卡齿键的截面高度，mm。
使齿键在穿心节点榫槽连接处的局部受压承载力N不小于卡齿键的薄弱截面受压承载力N1，且N1符合公式(6)，所述公式(6)为：N1＝α1fhc(bt-b1)ht×10-3；其中，N1为卡齿键的薄弱截面受压承载力，kN；α1为无量纲参数，参照GB50010规范取值；fhc为用纤维增强水泥基复合材料抗压强度设计值，N/mm2；bt为卡齿键的最大截面宽度，mm；b1为卡齿键的薄弱截面宽度，mm；ht为卡齿键的截面高度，mm。
使托板在穿心节点榫槽连接处的局部受压承载力N’不小于托板的截面受压承载力N2，且N2符合公式(7)，所述公式(7)为：N2＝fyb0h×10-3；其中，N2为托板的截面受压承载力，kN；fy为穿节点纵向钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；b0为托板截面宽度(同梁截面的穿心节点宽度)，mm；h为托板的承压截面高度(同柱截面高度)，mm。
实施例2
将实施例1的设计结构应用于小型单层工业厂房建筑中，柱距6.0m，跨度10.0m，高6.0m。在工厂或工地现场生产预制构件，如图6所示，包括两端的组合梁构件(如图1、图2)，卡齿键(如图3)、组合柱构件(如图5)，托板(如图4)。梁柱构件双向榫卯连接构造装配过程如图7，连接构造装配完成时如图8，应用于单层工业厂房建筑，其结构布置与受力状态如图9。将预制组合柱构件、组合梁构件、卡齿键、托板运输到需安装的部位，将组合柱构件起吊到安装位置，随后起吊组合梁构件的第一梁段和第二梁段至组合柱构件的穿心节点的两端对齐插入，使第一公榫与第二母槽的形状相匹配且使第一卡齿半槽形成第一卡齿槽，使第二公榫及第一母槽的形状相匹配且使第二卡齿半槽形成第二卡齿槽，将卡齿键插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽内，再移动匹配后的第一梁段和第二梁段使卡齿键所在位置处于穿心节点内，将托板插入第一梁段和第二梁段在穿心节点内上侧和/或下侧遗留的空隙内，完成节点拼装。
其中，组合梁构件的第一梁段和第二梁段的截面尺寸为hb×bb＝600mm×250mm，组合柱构件的截面尺寸为h×b0＝500mm×600mm，组合梁构件的公榫、母槽径向长度ls＝750mm，卡齿槽深度lt＝300mm，组合梁构件的公榫、母槽高度ht＝hs＝300mm，卡齿槽最大宽度bt＝150mm，托板的长度lb＝1100mm，托板的厚度tb＝20mm，穿心节点的高度h0＝640mm。预制构件中普通混凝土强度等级C30(fc＝14.3N·mm-2,ft＝1.43N·mm-2)，在梁截面受拉区、受压区分别设置纵向带肋钢筋，两根直径20mm，强度等级HRB400(fy＝360N·mm-2)。根据说明书给定的取值范围选定强度，再根据试验情况确定纤维增强水泥基复合材料抗拉和抗压的设计强度，钢材设计强度根据GB50017《钢结构设计规范》选取。采用的纤维增强水泥基复合材料抗拉强度为fht＝10N·mm-2，抗压强度为fhc＝40N·mm-2，其设计抗拉强度取fht＝6.0N·mm-2，设计抗压强度取fhc＝19.1N·mm-2。托板所用Q235B钢材抗压强度设计值fy＝205N·mm-2。
根据GB50009《建筑结构荷载规范》，屋面恒载按5.0kN·m-2估算，活载按0.5kN·m-2估算，采用标准荷载组合，如图9，单柱受荷面积为30.0m2，计算荷载如下：
S1＝1.2G+1.4Q＝(1.2×5.0+1.4×0.5)×30＝201kN
梁端承受剪力(简支梁)：
NL1＝S1/2＝100.5kN
按公式(2)计算穿心节点榫槽连接处的组合柱构件的局部受压承载力F≥Fhc：
Fhc＝h(b0-bb)fhc×10-3+fyAs×10-3
＝500×(600-250)×19.1×10-3+360×615.44×10-3＝3564.1kN
按公式(3)计算穿心节点榫槽连接处的局部受剪承载力V≥Vhc：
Vhc＝0.7fhtbb(h0-hj)×10-3＝0.7×6.0×250×(600-300)×10-3＝315.0kN
按公式(4)计算穿心节点榫槽连接处的组合柱构件的局部受弯承载力M≥Mhc：
按公式(5)计算穿心节点榫槽连接处的卡齿键的受拉承载力T0≥T：
T＝α1fhtb1ht×10-3＝1.0×6×100×300×10-3＝180.0kN
按公式(6)计算穿心节点榫槽连接处的卡齿键的局部受压承载力N≥N1：
N1＝α1fhc(bt-b1)ht×10-3＝1.0×19.1×(150-100)×300×10-3＝286.5kN
按公式(7)计算穿心节点榫槽连接处的托板的局部受压承载力N’≥N2：
N2＝fybbh×10-3＝205×250×500×10-3＝25625kN
根据上述荷载、承载力计算结果，S1≤min{Fhc,N2},NL1≤N1，故榫卯式节点可以完成上述功能。
实施例3
将实施例1的设计结构应用于1～3层建筑中，柱距4.8m，跨度4.8m，结构平面见图10。在工厂或工地现场生产预制构件，如图6所示，包括两端的组合梁构件(如图1、图2)，卡齿键(如图3)、组合柱构件(如图5)，托板(如图4)。梁柱构件双向榫卯连接构造装配过程如图7，连接构造装配完成时如图8，应用于单层工业厂房建筑，其结构布置与受力状态如图10。将预制组合柱构件、组合梁构件、卡齿键、托板运输到需安装的部位，将组合柱构件起吊到安装位置，随后起吊组合梁构件的第一梁段和第二梁段至组合柱构件的穿心节点的两端对齐插入，使第一公榫与第二母槽的形状相匹配且使第一卡齿半槽形成第一卡齿槽，使第二公榫及第一母槽的形状相匹配且使第二卡齿半槽形成第二卡齿槽，将卡齿键插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽内，再移动匹配后的第一梁段和第二梁段使卡齿键所在位置处于穿心节点内，将托板插入第一梁段和第二梁段在穿心节点内上侧和/或下侧遗留的空隙内，完成节点拼装。
其中，组合梁构件的第一梁段和第二梁段的截面尺寸为hb×bb＝500mm×250mm，组合柱构件的截面尺寸为h×b0＝500mm×500mm，穿心节点部位上下各布置两根φ14的HRB400带肋钢筋；组合梁构件的公榫、母槽径向长度ls＝700mm，卡齿槽深度lt＝300mm，组合梁构件的公榫、母槽高度ht＝hs＝250mm，卡齿槽最大宽度bt＝150mm，托板的长度lb＝1100mm，托板的厚度tb＝20mm，穿心节点的高度h0＝540mm。预制构件中普通混凝土强度等级C30(fc＝14.3N·mm-2,ft＝1.43N·mm-2)，在梁截面受拉区、受压区分别设置纵向带肋钢筋，两根直径20mm，强度等级HRB400(fy＝360N·mm-2)，根据说明书给定的取值范围选定强度，再根据试验情况确定纤维增强水泥基复合材料抗拉和抗压的设计强度，钢材设计强度根据GB50017《钢结构设计规范》选取，采用的纤维增强水泥基复合材料抗拉强度为fht＝10N·mm-2，抗压强度为fhc＝40N·mm-2，其设计抗拉强度取fht＝6.0N·mm-2，设计抗压强度取fhc＝19.1N·mm-2。托板所用Q235B钢材抗压强度设计值fy＝205N·mm-2。
根据GB50009《建筑结构荷载规范》，屋面恒载按7.0kN·m-2估算，活载按2.5kN·m-2估算，采用标准荷载组合，如图10，单柱受荷面积为11.5m2，计算荷载如下：
S2＝1.2G+1.4Q＝(1.2×7.0+1.4×2.5)×11.5＝136.9kN
梁端承受剪力(简支梁)：
NL1＝S1/2＝68.5kN
按公式(2)计算穿心节点榫槽连接处的组合柱构件的局部受压承载力F≥Fhc：
Fhc＝h(b0-bb)fhc×10-3+fyAs×10-3
＝500×(500-250)×19.1×10-3+360×615.44×10-3＝2609.1kN
按公式(3)计算穿心节点榫槽连接处的局部受剪承载力V≥Vhc：
Vhc＝0.7fhtbb(h0-hj)×10-3＝0.7×6.0×250×(500-250)×10-3＝262.5kN
按公式(4)计算穿心节点榫槽连接处的组合柱构件的局部受弯承载力M≥Mhc：
按公式(5)计算穿心节点榫槽连接处的卡齿键的受拉承载力T0≥T：
T＝α1fhtb1ht×10-3＝1.0×6×100×300×10-3＝180kN
按公式(6)计算穿心节点榫槽连接处的卡齿键的局部受压承载力N≥N1：
N1＝α1fhc(bt-b1)ht×10-3＝1.0×19.1×(150-100)×300×10-3＝286.5kN
按公式(7)计算穿心节点榫槽连接处的托板的局部受压承载力N’≥N2：
N2＝fybbh×10-3＝205×250×500×10-3＝25625kN根据上述荷载、承载力计算结果，S2≤min{Fhc,N2},NL2≤N1，故榫卯式节点可以完成上述功能。
实施例4
混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造与普通整浇混凝土节点(按构造配筋)承载力进行对比，依据实施例3，取柱截面尺寸500mm×500mm，梁截面尺寸500mm×250mm，梁柱铰接，柱按构造配筋上下各布置两根φ14的HRB400带肋钢筋，梁按构造配筋上下各布置两根φ10的HRB400带肋钢筋，箍筋布置φ8@150。其各个承载力对比如下表1：
表1
本发明中的榫卯连接节点承载力可作为铰接节点使用，其承载力可达到普通整浇节点承载力的73％以上。
综上所述，本发明提供的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造及其建造方法，可进行快速施工，相比于普通混凝土预制构件施工更为简便。所以，本专利有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本专利的原理及其功效，而非用于限制本专利。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造，其特征在于，包括有以下部件：
组合柱构件(2)，所述组合柱构件(2)包括有普通段(21)和加强段(22)，所述普通段(21)沿垂直方向分别设于所述加强段(22)的上下两端，所述加强段(22)上沿水平方向设有贯穿加强段(22)的穿心节点(23)，所述穿心节点(23)中空且两侧开口；
组合梁构件(1)，所述组合梁构件(1)包括第一梁段(11)和第二梁段(12)，所述第一梁段(11)用以插入穿心节点(23)的一端设有第一公榫(111)及第一母槽(112)，所述第二梁段(12)用以插入穿心节点(23)的一端设有第二公榫(121)及第二母槽(122)，所述第一公榫(111)及第二母槽(122)分别设有向内缩进的第一卡齿半槽(13)，所述第二公榫(121)及第一母槽(112)分别设有向内缩进的第二卡齿半槽(14)，所述第一公榫(111)与第二母槽(122)上的第一卡齿半槽(13)匹配形成第一卡齿槽，所述第二公榫(121)及第一母槽(112)上的第二卡齿半槽(14)匹配形成第二卡齿槽，所述第一公榫(111)与第二母槽(122)匹配以形成榫卯连接，所述第二公榫(121)与第一母槽(112)匹配以形成榫卯连接；
至少一个卡齿键(3)，所述卡齿键(3)的形状与第一卡齿槽和/或第二卡齿槽相配合用于沿垂直方向插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽内连接第一梁段(11)及第二梁段(12)；
至少一个托板(4)，所述托板(4)用于填充第一梁段(11)和第二梁段(12)榫卯连接后与穿心节点(23)的上下端遗留的空隙，并固定所述卡齿键(3)。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造，其特征在于，所述组合柱构件(2)、组合梁构件(1)及卡齿键(3)采用纤维增强水泥基材料制得；所述纤维增强水泥基材料，按重量份计，包括以下组分：
水泥317-319份；
粉煤灰317-319份；
砂153-155份；
减水剂6.3-6.5份；
纤维5-50份；
纳米二氧化硅0-15份；
水216-218份。
3.根据权利要求2所述的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造，其特征在于，所述纤维增强水泥基材料包括以下条件中的任一项或多项：
A1)所述纤维增强水泥基材料的抗拉强度ft≥10MPa；
A2)所述纤维增强水泥基材料的抗压强度fc≥30MPa；
A3)所述纤维增强水泥基材料的延性按公式(1)进行计算，所述公式(1)为：Δd≥8％，其中，Δd为混凝土抗拉试件达到承载力极限时的形变/试件受荷部分总长度。
4.根据权利要求1所述的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造，其特征在于，所述第一公榫(111)包括有第一榫舌(1111)及第一榫肩(1112)，所述第一榫舌(1111)凸起于两侧的第一榫肩(1112)；第二母槽(122)包括有第二槽眼(1221)和第二槽肩(1222)，所述第二槽眼(1221)相对于两侧的第二槽肩(1222)向内缩进；所述第一榫舌(1111)及第二槽眼(1221)上分别设有向内缩进的第一卡齿半槽(13)，所述第一榫舌(1111)及第二槽眼(1221)上相对的第一卡齿半槽(13)匹配形成第一卡齿槽。
5.根据权利要求1所述的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造，其特征在于，第一母槽(112)包括有第一槽眼(1121)和第一槽肩(1122)，所述第一槽眼(1121)相对于两侧的第一槽肩(1122)向内缩进；所述第二公榫(121)包括有第二榫舌(1211)及第二榫肩(1212)，所述第二榫舌(1211)凸起于两侧的第二榫肩(1212)；所述第二榫舌(1211)及第一槽眼(1121)上分别设有向内缩进的第二卡齿半槽(14)，所述第二榫舌(1211)及第一槽眼(1121)上相对的第二卡齿半槽(14)匹配形成第二卡齿槽。
6.根据权利要求1所述的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造，其特征在于，还包括以下条件中的任一项或多项：
A1)所述第一公榫(111)、第二公榫(121)、第一母槽(112)及第二母槽(122)的径向长度ls为700mm-1000mm；
A2)所述第一卡齿半槽(13)及第二卡齿半槽(14)向内缩进的齿槽深度lt不小于200mm，所述第一卡齿半槽(13)及第二卡齿半槽(14)向内缩进的最大宽度bt不小于150mm。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造的建造方法，包括以下步骤：
1)在安装位置，起吊放置组合柱构件，再起吊组合梁构件的第一梁段和第二梁段至组合柱构件的穿心节点的两端对齐插入，使第一公榫与第二母槽的形状相匹配且使第一卡齿半槽形成第一卡齿槽，使第二公榫及第一母槽的形状相匹配且使第二卡齿半槽形成第二卡齿槽；
2)将卡齿键插入第一卡齿槽和/或第二卡齿槽内，再移动匹配后的第一梁段和第二梁段使卡齿键所在位置处于穿心节点内；
3)将托板插入第一梁段和第二梁段在穿心节点内上侧和/或下侧遗留的空隙内，完成节点拼装。
8.根据权利要求7所述的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造的建造方法，包括以下条件中的任一项或多项：
A)所述组合柱构件在穿心节点榫槽连接处的局部受压承载力F不小于柱的削弱截面承载力设计值Fhc，且Fhc符合公式(2)，所述公式(2)为：Fhc＝[h(b0-bb)fhc+fyAs]×10-3，其中Fhc为柱的削弱截面承载力，kN；h为柱截面高度，mm；b0为柱截面宽度，mm；bb为穿柱的梁截面宽度，mm；fhc为纤维增强水泥基复合材料抗压强度设计值，N/mm2；fy为穿节点纵向钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；As为穿节点纵向钢筋截面面积，mm2；
B)所述组合梁构件在穿心节点榫槽连接处的局部受剪承载力V不小于梁的削弱截面局部受剪承载力Vhc，且Vhc符合公式(3)，所述公式(3)为：Vhc＝0.7fhtbb(h0-hj)×10-3；其中，Vhc为梁的削弱截面局部受剪承载力，kN；fht为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度设计值，N/mm2；bb为梁截面宽度，mm；h0为梁截面高度，mm；hj为母槽削弱的截面高度，mm；
C)所述组合柱构件在穿心节点榫槽连接处的局部受弯承载力M不小于柱的削弱截面受弯承载力Mhc，且Mhc符合公式(4)，所述公式(4)为：其中，Mhc为柱的削弱截面受弯承载力，kN·m；h为柱截面高度，mm；b0为柱截面宽度，mm；bb为穿柱的梁截面宽度，mm；fht为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度设计值，N/mm2；
D)所述卡齿键在穿心节点榫槽连接处的受拉承载力T0不小于卡齿键的薄弱截面受拉承载力T，且T符合公式(5)，所述公式(5)为：T＝α1fhtb1ht×10-3；其中，T为卡齿键的薄弱截面受拉承载力，kN；α1为无量纲参数，参照GB50010规范取值；fht为纤维增强水泥基复合材料抗拉强度设计值，N/mm2；b1为卡齿键的薄弱截面宽度，mm；ht为卡齿键的截面高度，mm；
E)所述卡齿键在穿心节点榫槽连接处的局部受压承载力N不小于卡齿键的薄弱截面受压承载力N1，且N1符合公式(6)，所述公式(6)为：N1＝α1fhc(bt-b1)ht×10-3；其中，N1为卡齿键的薄弱截面受压承载力，kN；α1为无量纲参数，参照GB50010规范取值；fhc为用纤维增强水泥基复合材料抗压强度设计值，N/mm2；bt为卡齿键的最大截面宽度，mm；b1为卡齿键的薄弱截面宽度，mm；ht为卡齿键的截面高度，mm；
F)所述托板在穿心节点榫槽连接处的局部受压承载力N’不小于托板的截面受压承载力N2，且N2符合公式(7)，所述公式(7)为：N2＝fyb0h×10-3；其中，N2为托板的截面受压承载力，kN；fy为穿节点纵向钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；b0为托板截面宽度，mm；h为托板的承压截面高度，mm。
9.根据权利要求1-6任一所述的一种混凝土梁柱构件双向榫卯连接构造在组合混凝土结构中的用途。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，所述组合混凝土结构为1～3层的组合框架结构的混凝土梁和/或混凝土柱。
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