CN110725406A - 复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法及一种整体式外加强环连接节点 - Google Patents

复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法及一种整体式外加强环连接节点 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法及一种整体式外加强环连接节点,包括方钢管、圆钢管、混凝土、H型钢梁、整体式外加强环等结构构件。本发明节点使钢框架梁‑柱节点的塑性变形仅发生在梁端非节点核心处,而钢框架梁‑柱等主体结构构件始终保持在弹性范围内,震后没有发生破坏,并整体式外加强环为预制结构,节省了施工时的支撑件,施工方便,节约了施工时间,经济适用,操作方便。

Description

复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法及一种整体式外加强环 连接节点
技术领域
本发明专利型属于工程结构耗能减震领域,涉及节点,具体涉及一种整体式外加强环钢管混凝土柱-梁节点。
背景技术
钢管混凝土柱与钢梁常采用节点的连接形式。在实际工程结构抗震中,节点是非常关键的部位,节点部位的抗震性能是研究的主要关注点之一,因此,必须保证节点具有较高的承载力与变形能力,满足“强节点,弱构件”的抗震要求。
基于对建筑梁柱节点的研究,可以发现在钢管混凝土柱-钢梁节点连接中,连接后易造成节点处承载力降低,初始刚度较低,在受力过程中容易较早地出现塑性变形,耗能能力不佳,并且节点区柱易出现应力集中现象,发生剪切破坏。因此,需要寻找一种新的节点连接方式能够克服上述问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和不足,本发明的目的是提供一种复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法及一种整体式外加强环连接节点,解决目前钢管混凝土柱-钢梁节点承载力低,容易发生剪切破坏的技术问题。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案予以实现:
一种复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法,该复式钢管混凝土柱包括外层方钢管和内层圆钢管,所述的内层圆钢管套在外层方钢管内,所述的外层方钢管与内层圆钢管之间以及内层圆钢管内均填充混凝土,该钢梁为H型钢梁,包括腹板以及与腹板连接的上翼缘和下翼缘,所述的复式钢管混凝土柱与钢梁的节点处采用外加强环进行连接,所述的外加强环包括第一加强环、第二加强环以及两个外肋环板,所述的第一加强环和第二加强环结构相同,均为正八面体结构,所述的第一加强环和第二加强环内部中空;所述的第一加强环和第二加强环通过两个外肋环板连接成一整体;
复式钢管混凝土柱与钢梁连接时,将所述的外加强环套于外层方钢管上,将所述的第一加强环和第二加强环与复式钢管混凝土柱的外层方钢管接触处进行焊接;同时,将所述的H型钢梁的腹板以平行于外肋环板所在平面的方向插入复式钢管混凝土柱的外层方钢管内,所述的腹板与外层方钢管接触处进行焊接,所述的上翼缘和下翼缘分别与第一加强环和第二加强环进行焊接。
具体的,将所述的H型钢梁的腹板以平行于外肋环板所在平面的方向插入复式钢管混凝土柱的外层方钢管内,具体包括,削除H型钢梁的上翼缘和下翼缘,只保留腹板,削除长度不小于腹板插入方钢管内的深度;在方钢管外侧加工有预留孔洞,该预留孔洞的高度和宽度与腹板的高度和宽度分别相同,将所述的H型钢梁的腹板以平行于外肋环板所在平面的方向通过所述的预留孔洞插入复式钢管混凝土柱的外层方钢管内。
进一步,所述的第一加强环和第二加强环的结构满足D/B为1.85~2.38,B/td为6~12,h/td不超过22,其中,D为方形钢管边长,B为第一加强环或第二加强环沿H型钢梁方向的外伸长度,td为第一加强环或第二加强环的厚度,h为H型钢梁高度。
进一步,所述的H型钢梁的结构满足bf/tf为15.4~19.2,其中bf为H型钢梁上翼缘或下翼缘的宽度、tf为H型钢梁上翼缘或下翼缘的厚度。
此外,所述的H型钢梁上翼缘或下翼缘的削除长度b满足0.65h<b<0.85h,h为H型钢梁高度;
所述的H型钢梁上翼缘或下翼缘削弱区距H型钢梁端的距离a取值范围为0.1bf+B<a<0.2bf+B,B为第一加强环或第二加强环沿H型钢梁方向的外伸长度;
所述的H型钢梁上翼缘或下翼缘削弱深度c取值范围为0.13bf<c<0.26bf
本发明同时公开一种整体式外加强环连接节点,用于复式钢管混凝土柱与钢梁连接,该钢梁为H型钢梁,包括腹板以及与腹板连接的上翼缘和下翼缘,其特征在于,所述的外加强环包括第一加强环、第二加强环以及外肋环板,所述的第一加强环或第二加强环为正八面体结构,在第一加强环、第二加强环内均加工有方形槽,所述的第一加强环和第二加强环通过两个外肋环板连接成一整体;所述的第一加强环和第二加强环的结构满足D/B为1.85~2.38,B/td为6~12,h/td不超过22,其中,D为方形钢管边长,B为第一加强环或第二加强环沿钢梁方向的外伸长度,td为第一加强环或第二加强环的厚度,h为钢梁高度。
具体的,连接时,将所述的外加强环套于复式钢管混凝土柱上,将所述的第一加强环和第二加强环与复式钢管混凝土柱接触处进行焊接;同时,将所述的H型钢梁的腹板以平行于外肋环板所在平面的方向插入复式钢管混凝土柱内,所述的腹板与复式钢管混凝土柱接触处进行焊接,所述的上翼缘和下翼缘分别与第一加强环和第二加强环接触处进行焊接。
可选的,复式钢管混凝土柱与钢梁连接节点的轴压比为0.3~0.5。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)按照本发明的连接方法,当地震发生时,节点处进入弹性阶段,应力-应变曲线迅速上升,在梁柱结构构件应力应变曲线没有达到弹塑性阶段之前,节点处的梁端非节点核心区已经达到塑性阶段,出现明显变形,耗散了能量,成功的转移了塑性并避免了节点核心区出现应力集中现象,发生脆性断裂。
(2)按照本发明的连接方法,复式钢管混凝土柱可以更好地限制核心混凝土的受力性能,它具有较高的承载能力,其最大承载力能够达到6583kN,延性系数为1.52,表现出良好的延性性能,刚度退化速度缓慢,具有较高的抗震性能,能够满足结构在动力荷载作用下的设计要求,可以在抗震设防烈度高的地区应用。
(3)本发明的整体式外加强环连接节点,可以加强节点的刚度,提高节点的承载力,能够使节点塑性铰发生明显的外移,同时可消耗一部分地震能量,其中该加强环的存在,能够使节点的耗能系数达到3.191,表现出较好的耗能性能。
(4)此外,本发明的整体式外加强环连接节点,为一体结构,在工厂内预制好,在建筑结构施工时,能加快建筑施工速度,并且施工时钢梁可以不用焊接支撑件,直接放入整体式外加强环中间进行焊接,便于施工。
附图说明
图1为本发明整体式外加强环连接节点的整体结构示意图。
图2为本发明整体式外加强环连接节点的剖面图。
图3为本发明整体式外加强环连接节点的整体式外加强环结构正视图。
图4为本发明整体式外加强环连接节点的复式钢管混凝土柱结构剖面图。
图5为本发明整体式外加强环连接节点的H型钢梁结构剖面图。
图6为本发明整体式外加强环连接节点的立面图。
图7为本发明整体式外加强环连接节点中方钢管平面图。
附图中各标号的含义:1-复式钢管混凝土柱,2-外加强环,3-钢梁,4-第一加强环,5-第二加强环,6-外层方钢管,7-外层方钢管内混凝土,8-内层圆钢管,9-内层圆钢管内混凝土,10-外肋环板,11-腹板,12-上翼缘,13-预留孔洞,14-下翼缘,D为外层方型钢管边长、C为内层圆型钢管直径、tc为外层方型钢管壁厚度、tb为内层圆型钢管壁厚度、A为加强环与钢梁梁垂直方向的外伸长度、B为加强环沿钢梁方向的外伸长度、ta为加强环外肋环板厚度、td为第一加强环厚度,h为钢梁梁高、bf为钢梁上翼缘或下翼缘、tf为钢梁上翼缘或下翼缘高度、tw为腹板厚度。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例,需要说明的是本发明专利并不局限于以下具体实施例中,凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
本发明的复式钢管混凝土柱与钢梁连接方法,涉及的构件主要有钢管混凝土柱和H型钢梁,所述的H型钢梁的一端与复式钢管混凝土柱的柱用整体式外加强环进行连接,其中,复式钢管混凝土柱是由方钢管、方钢管内混凝土、圆钢管和圆钢管内混凝土(其中方管和圆钢管中混凝土均采用强度等级为C60的混凝土)组合而成,整体式外加强环是由上加强环、下加强环和外肋环板组合预制而成,H型钢梁根据整体式外加强环中上外加强环和下外加强环的长度B把上翼缘和下翼缘进行去除相应的长度,只保留H型钢梁中的腹板(其中外加强环为八边形,其中八边形的具体尺寸根据柱环径长比D/B进行确定),连接时,将预制的整体式外加强环套入到复式钢管混凝土柱的相应位置,并且围绕复式钢管混凝土柱四周进行焊接;然后将H型钢梁插入到上下两个外加强环和之间,该H型钢梁的腹板一部分插入到预留在外层的方钢管预留孔洞中,并与外层方钢管的预留孔洞进行焊接;再将H型钢梁中的上翼缘和下翼缘分别与整体式外加强环中的上加强环和下加强环进行焊接固定,其中方钢管中的预留孔洞的高度和宽度与H型钢梁的腹板的高度和宽度保持一致,预留孔洞的位置在方钢管的中间位置,H型钢梁的翼缘不与复式钢管混凝土柱的外方钢管)焊接,主要是减小节点连接处的初始刚度,以便于节点在地震来临时有充足的变形耗能能力。
发明人研究发现,柱环径长比在1.52~3.33变化时,节点破坏模式均为梁端塑性铰破坏。随着柱环径长比的增大,节点的承载力、耗能系数和割线刚度均逐渐减小,滞回曲线越来越不饱满;柱环径长比为1.52时,节点核心区应力和初始刚度很大,节点抗震性能不理想。因此柱环径长比D/B需在1.85~2.38。
同时,研究还发现,当整体式外加强环长厚比不大于24时,节点破坏模式均为梁端塑性铰的破坏。随着整体式外加强环长厚比的减小,节点核心区的最大应力逐渐减小,梁端塑性铰处等效塑性应变逐渐增大,整体式外加强环最大应力和等效塑性应变逐渐减小,承载力变化不明显,延性系数与初始刚度越来越大,耗能系数逐渐增大后又逐渐减小。因此整体式外加强环长厚比B/td需在6~12。
进一步研究发现,当梁翼缘宽厚比为23.1时,节点因梁翼缘厚度过大,在加强环处容易出现应力集中,初始刚度较大,节点延性性能较差;梁翼缘宽厚比小于11.5时,节点极限承载力较小,耗能能力不佳。因此梁翼缘宽厚比bf/tf需在15.4~19.2。梁-加强环高厚比在11~25变化时,随着梁-加强环高厚比的增大,节点最大应力与等效塑性应变逐渐增大,初始刚度和极限承载力越来越大,耗能系数先增大后减小;但是当梁-加强环高厚比大于25时,节点处会出现应力集中现象,节点的滞回曲线饱满度不佳,初始刚度过大,延性性能和耗能性能较差。因此梁-加强环高厚比h/td需在22以下。
梁端削弱长度与削弱区距梁端的距离对节点的抗震性能影响比较小,但削弱长度与削弱区距梁端的距离过小会导致应力集中现象发生,因此削弱长度b取0.65h<b<0.85h,梁翼缘削弱区距梁端的距离a取值为0.1bf+B<a<0.2bf+B。梁翼缘削弱深度对节点的抗震性能影响比较大,随着梁翼缘削弱深度的增大,节点的延性性能和耗能能力增强,刚度和承载力下降;当削弱深度过大时,削弱区变形很大,承载力直线下降,因此,梁翼缘削弱深度c取值为:0.13bf<c<0.26bf。梁翼缘削弱是节点削弱的一种方式,削弱长度b、梁翼缘削弱区距梁端的距离a、以及梁翼缘削弱深度c均属于削弱参数,限定了削弱尺寸,目前已经是这些参数的研究已经成熟,作为优选方案,本发明中进一步限定了参数的尺寸范围,避免削弱长度与削弱区距梁端的距离过小。需要清楚的是,这些参数的限定不作为本发明技术方案的必要技术特征。
实施例1:
按照复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法,本实施例提供一种整体式外加强环连接节点,用于复式钢管混凝土柱与钢梁连接,该钢梁为H型钢梁,包括腹板以及与腹板连接的上翼缘和下翼缘,外加强环包括第一加强环、第二加强环以及外肋环板,所述的第一加强环或第二加强环为正八面体结构,在第一加强环、第二加强环内均加工有方形槽,所述的第一加强环和第二加强环通过两个外肋环板连接成一整体;所述的第一加强环和第二加强环的结构满足D/B为1.85~2.38,B/td为6~12,h/td不超过22,其中,D为方形钢管边长,B为第一加强环或第二加强环沿钢梁方向的外伸长度,td为第一加强环或第二加强环的厚度,h为钢梁高度。
本实施例中H型梁柱或工字型钢梁材料取Q235钢,复式钢管混凝土柱中方钢管的截面尺寸为500mm×500mm,壁厚为16mm,圆钢管的直径尺寸为266mm,壁厚为12mm,工字型梁的截面尺寸为HW350mm×488mm,腹板和翼缘的厚度分别为14mm和22mm,焊缝采用E40焊条,方钢管混凝土和圆钢管混凝土等级采用C60,整体式外加强环上下加强环的厚度为30mm,加强环外肋板厚度为16mm,加强环与梁垂直方向的外伸长度为240mm,加强环沿梁外伸长度为240mm。
复式钢管混凝土柱与钢梁连接节点的轴压比为0.3~0.5。轴压比是指轴向压力设计值与节点全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值,限定轴压比范围是为了更好地控制延性。
经检测,本发明的整体式外加强环连接节点,能够使节点的耗能系数达到3.191,表现出较好的耗能性能。
本实施例整体式外加强环连接节点施工方法为:先把第一加强环和第二加强环4和5用两个外肋环板10连接,在工厂进行预制,加工成整体式外加强环2。在施工时,先将工厂预制的整体式外加强环2套入到复式钢管混凝土柱1的相应位置,并且围绕复式钢管混凝土柱1四周进行焊接;然后将H型钢梁3插入到上下两个外加强环4和5之间,该H型钢梁3的腹板一部分插入到预留在外层的方钢管6预留洞13中,并与外层方钢管6进行焊接;再将H型钢梁3的上翼缘12和下翼缘14分别与整体式外加强环2中的上下加强环4和5进行焊接固定,H型钢梁3的上翼缘12和下翼缘14不与复式钢管混凝土柱1的外方钢管6焊接,至此复式钢管混凝土柱与钢梁连接完成。

Claims (8)

1.一种复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法,该复式钢管混凝土柱包括外层方钢管和内层圆钢管,所述的内层圆钢管套在外层方钢管内,所述的外层方钢管与内层圆钢管之间以及内层圆钢管内均填充混凝土,该钢梁为H型钢梁,包括腹板以及与腹板连接的上翼缘和下翼缘,其特征在于:
所述的复式钢管混凝土柱与钢梁的节点处采用外加强环进行连接,所述的外加强环包括第一加强环、第二加强环以及两个外肋环板,所述的第一加强环和第二加强环结构相同,均为正八面体结构,所述的第一加强环和第二加强环内部中空;所述的第一加强环和第二加强环通过两个外肋环板连接成一整体;
复式钢管混凝土柱与钢梁连接时,将所述的外加强环套于外层方钢管上,将所述的第一加强环和第二加强环与复式钢管混凝土柱的外层方钢管接触处进行焊接;同时,将所述的H型钢梁的腹板以平行于外肋环板所在平面的方向插入复式钢管混凝土柱的外层方钢管内,所述的腹板与外层方钢管接触处进行焊接,所述的上翼缘和下翼缘分别与第一加强环和第二加强环进行焊接。
2.如权利要求1所述的复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法,其特征在于:将所述的H型钢梁的腹板以平行于外肋环板所在平面的方向插入复式钢管混凝土柱的外层方钢管内,具体包括,削除H型钢梁的上翼缘和下翼缘,只保留腹板,削除长度不小于腹板插入方钢管内的深度;在方钢管外侧加工有预留孔洞,该预留孔洞的高度和宽度与腹板的高度和宽度分别相同,将所述的H型钢梁的腹板以平行于外肋环板所在平面的方向通过所述的预留孔洞插入复式钢管混凝土柱的外层方钢管内。
3.如权利要求1所述的复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法,其特征在于:所述的第一加强环和第二加强环的结构满足D/B为1.85~2.38,B/td为6~12,h/td不超过22,其中,D为方形钢管边长,B为第一加强环或第二加强环沿H型钢梁方向的外伸长度,td为第一加强环或第二加强环的厚度,h为H型钢梁高度。
4.如权利要求1所述的复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法,其特征在于:所述的H型钢梁的结构满足bf/tf为15.4~19.2,其中bf为H型钢梁上翼缘或下翼缘的宽度、tf为H型钢梁上翼缘或下翼缘的厚度。
5.如权利要求4所述的复式钢管混凝土柱与钢梁的连接方法,其特征在于:所述的H型钢梁上翼缘或下翼缘的削除长度b满足0.65h<b<0.85h,h为H型钢梁高度;
所述的H型钢梁上翼缘或下翼缘削弱区距H型钢梁端的距离a取值范围为0.1bf+B<a<0.2bf+B,B为第一加强环或第二加强环沿H型钢梁方向的外伸长度;
所述的H型钢梁上翼缘或下翼缘削弱深度c取值范围为0.13bf<c<0.26bf
6.一种整体式外加强环连接节点,用于复式钢管混凝土柱(1)与钢梁(3)连接,该钢梁为H型钢梁,包括腹板(11)以及与腹板(11)连接的上翼缘(12)和下翼缘(14),复式钢管混凝土柱(1)为方形钢管,其特征在于,按照权利要求1所述连接方法,所述的外加强环(2)包括第一加强环(4)、第二加强环(5)以及外肋环板(10),所述的第一加强环(4)或第二加强环(5)为正八面体结构,在第一加强环(4)、第二加强环(5)内均加工有方形槽,所述的第一加强环(4)和第二加强环(5)通过两个外肋环板(10)连接成一整体;所述的第一加强环(4)和第二加强环(5)的结构满足D/B为1.85~2.38,B/td为6~12,h/td不超过22,其中,D为方形钢管边长,B为第一加强环(4)或第二加强环(5)沿钢梁(3)方向的外伸长度,td为第一加强环(4)或第二加强环(5)的厚度,h为钢梁(3)高度。
7.如权利要求6所述的整体式外加强环连接节点,其特征在于:连接时,将所述的外加强环(2)套于复式钢管混凝土柱(1)上,将所述的第一加强环(4)和第二加强环(5)与复式钢管混凝土柱(1)接触处进行焊接;同时,将所述的H型钢梁的腹板(11)以平行于外肋环板(10)所在平面的方向插入复式钢管混凝土柱(1)内,所述的腹板(11)与复式钢管混凝土柱(1)接触处进行焊接,所述的上翼缘(12)和下翼缘(14)分别与第一加强环(4)和第二加强环(5)接触处进行焊接。
8.如权利要求6所述的整体式外加强环连接节点,其特征在于:复式钢管混凝土柱(1)与钢梁(3)连接节点的轴压比为0.3~0.5。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112196122A (zh) * 2020-09-27 2021-01-08 青岛理工大学 竹节式耗能钢管混凝土节点及安装方法

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