CN110761406B - 一种全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构及其施工方法，在方钢管柱的连接节点处及内部加强件上各自先加工两组螺栓孔，将颈缩螺栓的锚固段插入第六组螺栓孔，调节插入深度，使露出的缩颈段的长度大于内部加强件的厚度，然后将内部加强件沿方钢管柱的轴向推向连接节点，当内部加强件的开放型长圆孔到达缩颈段，并插入缩颈段后，缩颈段起到限位作用，将内部加强件定位；将颈缩螺栓向外旋出，通过锚固段将内部加强段夹紧固定；向对齐的第一组螺栓孔和第四组螺栓孔中旋入第一组高强螺栓，进一步将内部加强件固定。然后同时制作内部加强件的第二组螺栓孔和钢管柱的第五组螺栓孔，并在孔内设置与高强螺栓配套的螺纹。

Description

一种全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及钢结构加工制造领域，具体涉及一种全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构及其施工方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

钢结构中，闭口截面柱比开口截面柱有着更加优越的力学性能，比如抗弯刚度和抗扭刚度大、不存在弱轴等。螺纹锚固单边螺栓可以从一侧安装并拧紧，实现闭口截面钢管柱节点的螺栓连接。但是由于钢管柱壁通常较薄，节点区容易出现因柱壁破坏导致的失效。因此没有采取加强措施的钢管柱，在节点处无法直接采用钢梁-钢柱单边螺栓端板连接方式。

目前常用的钢管柱节点加强方式有在钢管柱内焊接工字钢或其他形式的内部加强件。焊接前，通常先将钢管柱截断，完成内部加强件焊接后，再将钢管柱对接焊。但是该施工方法工序复杂，焊接量大；同时焊接位置在受力复杂的梁柱节点区域，影响结构安全和抗震耗能能力。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构及其施工方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构，包括：

内部加强件，自一端向另一端依次设置第一组螺栓孔，第二组螺栓孔和第三组螺栓孔，第一组螺栓孔和第二组螺栓孔均设置内螺纹，第三组螺栓孔均为开放型长圆孔；

方钢管柱，其连接节点处，沿轴线方向依次设置第四组螺栓孔、第五组螺栓孔和第六组螺栓孔，第五组和第六组螺栓孔加工内螺纹；

方钢管柱的三组螺栓孔的数量和布置方式依次与内部加强件的三组螺栓孔相对应；

内部加强件的第二组螺栓孔与方钢管柱的第五组螺栓孔，需在内部加强件安装固定后，才能制作。

颈缩螺栓依次设置螺纹段、缩颈段、锚固段和螺帽。螺纹段、锚固段、缩颈段的直径依次减小；颈缩螺栓的数量与第六组螺栓孔的数量相等，其螺纹段配合安装于第六组螺栓孔内，内部加强件的第三组螺栓孔插于缩颈段，并被锚固段紧固；

第一组高强螺栓，自外向内穿过第四组螺栓孔，与第一组螺栓孔配合，将内部加强件固定在方钢管柱上；

第二组高强螺栓，自外向内依次与第五组螺栓孔、第二组螺栓孔配合安装，用于将待连接钢梁及端板连接到方钢管柱上。

第一组螺栓孔和第二组螺栓孔加工内螺纹，可以与高强螺栓进行配对，可以实现单侧安装、单侧拧紧。

在实施例中，第三组螺栓孔和第六组螺栓孔的位置及数量相同。

进一步的，第一组螺栓孔和第四组螺栓孔的位置及数量相同。

安装内部加强件时，首先将颈缩螺栓的锚固端插入第六组螺栓孔，锚固于第六组螺栓孔内的螺纹，并拧到合适位置，使其露出方钢管内壁的缩颈段的长度大于内部加强件的厚度，然后将内部加强件沿着方钢管柱的轴向推向连接节点，当内部加强件的开放型长圆孔到达缩颈段，并插入缩颈段后，缩颈段起到限位作用，将内部加强件进行定位。

将颈缩螺栓设置锚固段，可以在对内部加强件定位后，向外旋出颈缩螺栓，通过锚固段将内部加强件夹紧固定。

所述第二组螺栓孔及第五组螺栓孔在内部加强件固定后统一制作，并且孔内加工内螺纹。高强螺栓依次与第五组螺栓孔和第二组螺栓孔配合连接，可以提高连接部位的连接强度，便于将待连接件牢固连接。

在一些实施例中，所述内部加强件为平面构件钢板，或立体构件H型钢或钢管。

一种全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构的施工方法，包括如下步骤：

首先在方钢管柱的连接节点处预先加工第四组螺栓孔和第六组螺栓孔，其中第四组螺栓孔内无螺纹，第六组螺栓孔内有与颈缩螺栓配套的螺纹；内部加强件预先加工第一组螺栓孔及第四组螺栓孔，其中第一组螺栓孔内有螺纹，第三组螺栓孔为开放型长圆孔。将颈缩螺栓的锚固段拧入第六组螺栓孔，调节插入深度，使露出的缩颈段的长度大于内部加强件的厚度，然后将内部加强件沿方钢管柱的轴向推向连接节点，当内部加强件的开放型长圆孔到达缩颈段，并插入缩颈段后，缩颈段起到限位作用，将内部加强件定位；

将颈缩螺栓向外旋出，通过锚固段将内部加强段夹紧固定；

向对齐的第一组螺栓孔和第四组螺栓孔中旋入第一组高强螺栓，将内部加强件进一步固定，为制作第二组螺栓孔和第五组螺栓孔提供条件。

然后同时制作钢管柱的第五组螺栓孔和加强件的第二组螺栓孔，孔内均有螺纹。在施工现场，将钢梁的端板，通过第二组高强螺栓，固定于钢管柱第五组螺栓孔和加强件第二组螺栓孔。

本发明的有益效果为：

(1)施工方法全部通过螺栓连接进行，避免了传统的焊接过程，提高了加工的精度，保证了加工质量。且施工方法简单，可操作性强，提高了施工效率。

(2)所有构件全部在工厂预制且无需焊接，现场拼装也无需焊接，实现了全装配化的加工过程。施工过程绿色环保，保证了构件质量、提高了施工效率，预制化水平大大提升。

(3)本发明的加强结构，构造简单，受力合理。使用普通的高强螺栓即可实现单边连接。不仅解决了一般钢管柱节点难以用螺栓进行连接的问题，且通过内部设置加强构件增加了螺栓的锚固深度，解决了单边螺栓在钢结构节点中适用性的难题。同时所述结构布置形式灵活，可以根据实际需要选择加强构件的形式和位置，节点的适用性强。

(4)内部加强件也是对柱壁的加强构件，柱壁在节点区的刚度及抗弯能力得到了明显的增强，避免了柱壁屈曲等不良破坏模式的出现。当采用立体的内部加强件时，节点区的抗力可进一步提升。节点的整体构造符合“强节点、弱构件”以及“强柱弱梁”的抗震设计原则，提高了结构的抗震性能。

(5)钢管柱结构采用内部加强的方式，不影响节点的外部结构。因此造型美观，且充分利用了空间。

(6)由于加强构件对于节点的加强作用，节点区域可以不需要额外设置加劲肋。同时，由于节点使用螺纹锚固单边螺栓，无需螺母。因此这种节点构造形式节省了材料用量，降低了造价。

(7)本发明的施工方法可以避免工厂预制环节及现场施工环节的焊接，并且能够简化加工步骤，提高加工的精度。加强后的钢管柱结构，能够解决钢梁-钢管柱端板连接节点处，钢管强度和刚度不足的问题。并且这种加强后的钢管柱结构，节点处可以使用螺纹锚固单边螺栓实现全螺栓连接，能够增加节点处单边螺栓的锚固深度，解决螺纹锚固型单边螺栓在实际工程中的适用性问题。

附图说明

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

图1为本发明实施例中钢管柱结构所用钢管柱示意图；

图2是本发明实施例1中钢管柱结构所用内部加强件示意图；

图3是本发明实施例中颈缩螺栓示意图；

图4是本发明实施例1中钢管柱结构连接施工方法示意图；

图5是本发明实施例1中钢管柱结构安装完成后节点正视图；

图6是本发明实施例1中钢管柱结构安装完成后的节点内部构造剖面图；

图7是本发明实施例1中钢管柱结构安装完成后的内部加强件结构示意图；

图8是本发明实施例1中钢管柱结构安装完成后的钢管柱结构示意图；

图9是本发明实施例2中钢管柱结构所用H型钢式内部加强件示意图。

其中，1、颈缩螺栓，11、螺帽，12、螺纹段，13、缩颈段，14、锚固段，21、第一组高强螺栓，22、第二组高强螺栓，3、方钢管柱，31、第六组螺栓孔，32、第四组螺栓孔，33、第五组螺栓孔，4、内部加强件，41、第二组螺栓孔，42、第一组螺栓孔，43、开放型长圆孔，5、内部加强件，52、内部加强件第二螺栓孔，53、第二开放型长圆孔，6、端板，7、钢梁。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

实施例1

如图1至图8所示，全螺栓连接内部加强件，包括颈缩螺栓1、第一组高强螺栓21、第二组高强螺栓22、方钢管柱3、钢板式内部加强件4等构件。

如图3所示，颈缩螺栓1为特制的单边螺栓，是内部加强件4的定位装置及锚固装置。其结构通过轴向的直径的变化形成四部分：螺帽11、螺纹段12、缩颈段13、尾部的锚固段14。缩颈段13直径小于螺纹段12的直径及尾部的锚固段14的直径，且略小于内部加强件4的开放型长圆孔43的端部的直径，缩颈段13长度大于开放型长圆孔43的厚度。通过钢管柱第六组螺栓孔31内的螺纹为其提供锚固力。通过螺栓孔43与缩颈段13接触定位内部加强件4；接触定位后，通过旋转颈缩螺栓1，使内部加强件4与螺栓尾部的锚固段14挤压摩擦，初步固定内部加强件4。

第一组高强螺栓21、第二组高强螺栓22的结构无特殊要求，可以采用一般的大六角头高强螺栓。通过方钢管柱3及内部加强件4的螺孔内的螺纹为第一组和第二组高强螺栓提供锚固力，而无须传统的螺母，以实现闭口截面钢管柱节点处的单边连接。第一组高强螺栓21是固定内部加强件4的装置，在节点中不起到传力的作用；而第二组高强螺栓22是相应的钢管柱节点中的传力构件。

在方钢管柱3上预先开两种螺栓孔：第一种为特制螺栓孔-第六组螺栓孔31，位置与节点中颈缩螺栓1的位置对应，孔内有螺纹，且螺纹尺寸与颈缩螺栓1的螺纹段12的螺纹对应；第二种为标准螺栓孔-第四组螺栓孔32，孔内无螺纹且孔径略大于其对应第一组高强螺栓21的直径，以避免加工误差造成的第六组螺栓孔31与内部加强件的第一组螺栓孔42的螺孔不对正带来的螺栓拧入困难。

内部加强件4上预开有两种螺栓孔：开放型长圆孔43及带螺纹的第一组螺栓孔42。第一组螺栓孔42与第一组高强螺栓21配套，孔内有螺纹，且螺栓孔直径和螺纹与高强螺栓的直径和螺纹相应；下部还有开放式的开放型长圆孔43作为限位孔，开放型长圆孔43端部的直径略大于颈缩螺栓1的缩颈段13的直径，小于尾部锚固段14的直径，通过长圆孔43与颈缩螺栓1缩颈段13接触卡紧，为内部加强件4提供定位。

全螺栓连接内部加强钢管柱及相应端板连接节点的具体加工方法如下：首先旋入颈缩螺栓1于方钢管柱3上的第六组螺栓孔31，通过锚固段12的螺纹与第六组螺栓孔31里面的螺纹相连，锚固颈缩螺栓1；其中缩颈段13伸出柱壁的长度要大于开放型长圆孔43的厚度。然后将内部加强件4放入方钢管柱3中，使开放型长圆孔43卡入带螺纹的缩颈段13，初步定位内部加强件4；定位后可从外部旋转颈缩螺栓1，通过螺栓的轴向位移微调内部加强件4的位置，使内部加强件4与方钢管柱3紧密贴合。颈缩螺栓1可以根据实际需要，采用一个或多个。

待内部加强件4定位及安装完成后，安装高强螺栓21，进一步固定内部加强件4，通过颈缩螺栓1及高强螺栓21可靠固定内部加强件4于方钢管柱3，为后续开孔和攻丝提供条件；高强螺栓21依次穿过不带螺纹的钢管柱第四组螺栓孔32及内部加强件第一组螺栓孔42，其锚固力由内部加强件第一组螺栓孔42内螺纹提供。

随后对方钢管柱3及内部加强件4统一开孔并攻丝，制作带螺纹的内部加强件第二组螺栓孔41、带螺纹的钢管柱第五组螺栓孔33，且孔内螺纹均与高强螺栓的螺纹相配套，至此内部加强的钢管柱制作完成。

将各部分预制构件运输至现场，用高强螺栓将端板连接至方钢管柱3及内部加强件4，高强螺栓的锚固力由第二组螺栓孔41和第五组螺栓孔33共同提供，完成节点的安装。

上述实施例对应的施工方法过程的示意图，如图4所示。

实施例2

如图1、图3、图9所示，全螺栓连接内部加强钢管施工方法中，需要的第二种构件包括颈缩螺栓1、第一组高强螺栓21、第二组高强螺栓22、方钢管柱3、H型钢式内部加强件5等构件。

实施例2中的内部加强钢管柱的施工方法，所需要的颈缩螺栓1、第一组高强螺栓21、第二组高强螺栓22、方钢管柱3与实施例1相同。区别仅在于内部加强件的形式不同：实施例2中的内部加强件5为H型钢，是能够进一步加强钢管柱的空间构件，如图9所示。内部加强件5上也预设有两种螺栓孔：第二开放型长圆孔53及带螺纹的螺栓孔52。在一侧或两侧翼缘上预先设有与高强螺栓配套的螺栓孔52，且螺栓孔直径和螺纹与第二组高强螺栓22的直径和螺纹相应；下部还有开放式的第二开放型长圆孔53作为限位孔，第二开放型长圆孔53端部的直径略大于颈缩螺栓1的缩颈段13的直径，但小于尾部锚固段14的直径，通过长圆孔43与颈缩螺栓1缩颈段13接触，为内部加强件5提供定位。

内部加强钢管柱及相应端板连接节点的具体加工方法如下：首先旋入颈缩螺栓1于方钢管柱3上的第六组螺栓孔31，通过锚固段12的螺纹与第六组螺栓孔31里面的螺纹相连，锚固颈缩螺栓1；其中缩颈段13伸出柱壁的长度要大于第二开放型长圆孔53的厚度。然后放入内部加强件5，使第二开放型长圆孔53卡入带螺纹的缩颈段13，初步定位内部加强件5；定位后可从外部旋转颈缩螺栓1，通过螺栓的轴向位移微调内部加强件5的位置，使内部加强件5与方钢管柱3紧密贴合。颈缩螺栓1可以根据实际需要，采用一个或多个。

待内部加强件5定位及安装完成后，安装第一组高强螺栓21，进一步固定内部加强件5，使方钢管柱3及内部加强件5形成可靠整体构件，为后续的开孔和攻丝提供条件；第一组高强螺栓21依次穿过不带螺纹的钢管柱第四组螺栓孔32及内部加强件第二螺栓孔52，其锚固力由内部加强件第二螺栓孔52提供。

随后，对方钢管柱3的两侧柱壁及内部加强件5的两侧翼缘统一开孔并攻丝，制作带螺纹的内部加强件第一螺栓孔51、带螺纹的钢管柱第五组螺栓孔33，且螺纹与高强螺栓的螺纹相配套，至此内部加强的钢管柱制作完成。

将各部分预制构件运输至现场，用高强螺栓将端板连接至方钢管柱3及内部加强件4，高强螺栓的锚固力由螺栓孔51和第五组螺栓孔33共同提供，完成节点安装。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构的施工方法，其特征在于：

全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构，包括：

内部加强件，自一端向另一端依次设置第一组螺栓孔，第二组螺栓孔和第三组螺栓孔，第一组螺栓孔和第二组螺栓孔均设置内螺纹，第三组螺栓孔均为开放型长圆孔；

方钢管柱，其连接节点处，沿轴线方向依次设置第四组螺栓孔、第五组螺栓孔和第六组螺栓孔，第五组螺栓孔和第六组螺栓孔加工内螺纹；

方钢管柱的三组螺栓孔的数量和布置方式依次与内部加强件的三组螺栓孔相对应；

颈缩螺栓依次设置螺帽、螺纹段、缩颈段和锚固段，螺纹段、锚固段、缩颈段的直径依次减小；颈缩螺栓的数量与第六组螺栓孔的数量相等，其螺纹段配合安装于第六组螺栓孔内，内部加强件的第三组螺栓孔插于缩颈段，并被锚固段紧固；

第一组高强螺栓，自外向内穿过第四组螺栓孔，与第一组螺栓孔配合，将内部加强件固定在方钢管柱上；

第二组高强螺栓，自外向内依次与第五组螺栓孔、第二组螺栓孔配合安装，用于将待连接件连接到方钢管柱上；

施工方法包括如下步骤：

首先在方钢管柱的连接节点处预先加工第四组螺栓孔和第六组螺栓孔，其中第四组螺栓孔内无螺纹，第六组螺栓孔内有与颈缩螺栓配套的螺纹；内部加强件预先加工第一组螺栓孔及第三组螺栓孔，其中第一组螺栓孔内有螺纹，第三组螺栓孔为开放型长圆孔；将颈缩螺栓的锚固段拧入第六组螺栓孔，调节插入深度，使露出的缩颈段的长度大于内部加强件的厚度，然后将内部加强件沿方钢管柱的轴向推向连接节点，当内部加强件的开放型长圆孔到达缩颈段，并插入缩颈段后，缩颈段起到限位作用，将内部加强件定位；

将颈缩螺栓向外旋出，通过锚固段将内部加强段夹紧固定；

向对齐的第一组螺栓孔和第四组螺栓孔中旋入第一组高强螺栓，将内部加强件进一步固定。

2.根据权利要求1所述的全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构的施工方法，其特征在于：在内部加强件固定后，再同时制作内部加强件的第二组螺栓孔和钢管柱的第五组螺栓孔。

3.根据权利要求1所述的全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构的施工方法，其特征在于：第三组螺栓孔和第六组螺栓孔的位置及数量相同。

4.根据权利要求1所述的全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构的施工方法，其特征在于：所述第一组螺栓孔和第四组螺栓孔的位置及数量相等。

5.根据权利要求1所述的全螺栓连接的方钢管柱内部加强结构的施工方法，其特征在于：所述第一组、第二组、第五组及第六组螺栓孔内加工内螺纹。