CN110805130A - 内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统 - Google Patents

内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，包括钢柱(1)、钢梁(2)，耗能元件(3)，该耗能元件(3)包括一体成型的元件横部(31)、连接部(32)和元件竖部(33)，其中，元件横部(31)和元件竖部(33)相互垂直；钢梁(2)与钢柱(1)铰接，元件竖部(33)与钢梁(2)铰接，元件横部(31)与钢柱(1)刚接。与现有技术相比，本发明具有减少或消除现场焊接工作量，确保工程质量可靠，提高钢结构的预制装配化程度，满足钢结构的抗震耗能要求，方便震后结构加固和修复等优点。

Description

内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统
技术领域
本发明涉及预制装配式建筑钢结构梁柱节点抗震耗能设计领域，尤其涉及一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统。
背景技术
钢结构天然具有装配式特点，安装速度快，已被广泛应用于多高层工业厂房、住宅、商业、办公及构筑物等工程之中。当前，钢结构的安装还存在着较多的现场焊接和高空危险作业等现象，致使钢结构工程的质量时而出现不良问题，给环境带来污染。随着我国整体装配式混凝土结构的大力推广和新技术应用，钢结构主体虽还能以自重轻和延性好等处于优势，但其装配化的优势逐步减少。为进一步推进我国装配式钢结构的技术发展及其推广应用和国家去钢材产能政策，装配式钢结构梁柱节点将成为装配式钢结构的关键部分，其装配化程度和抗震性能直接影响整体结构。寻求一种改变传统节点的受力模式和耗能方式，满足梁柱节点本身及整体结构的安全下，抗震性能更加优良，这种梁柱节点势必是一种更好的途径。本发明正是基于这种的思路进行开发。
随着全球气候的日益恶化，世界对环境的要求日趋严格，装配式钢结构正是顺应这种形式下的建造方式，发达国家已大力推广多年。装配式钢结构中的大多构件在工厂加工制作完成，但节点安装还未完全实现工业化，其节点的抗震安全性能还存在一些不足，如全焊接梁柱节点在强震作用下易脆裂等。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减少或消除现场焊接工作量，确保工程质量可靠，提高钢结构的预制装配化程度，满足钢结构的抗震耗能要求，方便震后结构加固和修复的内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，包括钢柱、钢梁，耗能元件，该耗能元件包括一体成型的元件横部、连接部和元件竖部，其中，元件横部和元件竖部相互垂直；所述的钢梁与钢柱铰接，所述的元件竖部与钢梁铰接，所述的元件横部与钢柱刚接。系统遭遇多遇地震作用时，处于弹性阶段，耗能元件与钢梁和钢柱形成有机整体，提供侧向和竖向刚度，共同承受水平和竖向荷载，最大应力位于耗能元件；系统遭遇罕遇地震作用时，耗能元件开始进入塑性阶段，随着水平地震作用的不断增大，耗能元件率先形成塑性铰，耗散地震能量，直至发生破坏，钢梁和钢柱始终处于弹性阶段而不屈服或破坏；系统遭遇地震作用后，可以方便地将耗能元件进行拆卸，采用相同或同等耗能元件进行替换，从而系统可以恢复至初始同等受力水平。系统安装方便，预制装配化程度高，施工速度快；现场焊接工作少，质量可靠。
进一步地，所述的连接部为斜杆，并与元件竖部呈40-50°夹角，或者所述的连接部为圆弧状。
进一步地，所述的耗能元件的线刚度与钢梁的线刚度之比，即EIdg/Ldg：EIb/Lb＝0.3-0.6。所述的耗能元件的横向跨度与钢梁的跨度之比，即Ldg/Lb＝0.18-0.30。此时，节点系统的强度、刚度、延性和抗震性能可等同或高于普通钢框架的刚性梁柱节点，并随着耗能元件高度Hdg的增大，节点系统的强度、刚度、延性和抗震性能更佳。
进一步地，所述的钢柱上设有加劲板，该加劲板的一部分伸出钢柱，所述的加劲板的伸出部分与钢梁连接。
更进一步地，所述的加劲板的伸出部分上设有螺栓孔，所述的钢梁上设有相匹配的螺栓孔，采用高强螺栓将加劲板的伸出部分与钢梁连接，使钢梁与钢柱形成铰接。
进一步地，所述的钢梁上设有钢梁加劲板，该钢梁加劲板的一部分伸出钢梁，所述的钢梁加劲板的伸出部分与元件竖部连接。
更进一步地，所述的钢梁加劲板的伸出部分上设有螺栓孔，所述的元件竖部上设有相匹配的螺栓孔，采用高强螺栓将钢梁加劲板的伸出部分与元件竖部连接，使元件竖部与钢梁形成铰接。
进一步地，所述的钢柱上还设有钢柱加劲板，该钢柱加劲板端部设有钢柱端板，所述的元件横部的端部设有元件端板，所述的元件端板与钢柱端板连接。
更进一步地，所述的钢柱端板上设有螺栓孔，钢柱端板与钢柱加劲板通过一块H型钢连接；元件端板上设有相匹配的螺栓孔，采用高强螺栓将钢柱端板与元件端板连接，使元件横部与钢柱形成刚接。
钢梁与钢柱、耗能元件与钢梁以及耗能元件与钢柱的连接均采用高强螺栓连接，现场没有焊接工作量，质量可控性强，有利于环境保护；施工操作简单、方便，施工速度快，预制装配化程度高，大大节省劳动力成本。耗能元件具有可拆卸性。节点系统在遭遇地震作用后，更换耗能元件，便可满足原始设计功能使用要求。修复方便，施工速度快，加固维护成本低。
通过在装配式钢结构中对不同形式连接，如铰接、半刚性连接和刚接，的节点增设不同的耗能元件，使铰接和半刚性连接的梁柱节点同等于或超越刚性连接的强度和抗震性能，刚性连接的梁柱节点具有更好的延性，钢结构的工业化程度大大提高，环境污染大大减少。因此，这种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统的发明便有着其深远的意义。
为达到上述意图，首先是钢梁与钢柱、耗能元件与钢梁以及耗能元件与钢柱之间均采用了高强螺栓连接，局部采用了加劲板加强，基本实现全螺栓连接方式，耗能元件完全可拆卸，避免了现场的焊接连接方式；其次，通过耗能元件形成塑性铰的耗能方式，实现钢梁和钢柱主要构件不发生屈服和破坏的模式，实现震后结构的可修复性和循环利用的可行性；再次，通过控制耗能元件的线刚度和空间位置等相关参数，实现耗能元件的最大效能可控性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)无现场焊接，减少高空焊接人工工作量，节省人力成本，且有利于环境保护；
(2)安装和拆卸便利，建设和损坏后修复的施工速度快，维修成本大大降低；
(3)耗能元件的耗能模式优良，体系的梁柱主要构件不屈服或破坏，循环利用的价值性更高，震后修复方便；
(4)配置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，在一定条件下，其强度、刚度和抗震性能等同或高于传统的钢框架结构刚性梁柱节点；
(5)耗能元件对建筑空间的影响程度减少。
附图说明
图1为节点系统立面图；
图2为钢梁与钢柱连接详图；
图3为耗能元件与钢梁连接详图；
图3a为1-1剖视图；
图4为耗能元件与钢柱连接详图；
图4a为2-2剖视图；
图中标号所示：钢柱1、钢柱加劲板11、钢柱端板111、加劲板12、钢梁2、钢梁加劲板21、耗能元件3、元件横部31、元件端板311、连接部32、元件竖部33。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，如图1所示，包括钢柱1、钢梁2，还包括耗能元件3，该耗能元件3包括一体成型的元件横部31、连接部32和元件竖部33，其中，元件横部31和元件竖部33相互垂直；钢梁2与钢柱1铰接，耗能元件3与钢梁2铰接，同时与钢柱1刚接。此时，连接部32为斜杆，并与元件竖部33呈40-50°夹角。耗能元件3的线刚度与钢梁2的线刚度之比，即EIdg/Ldg：EIb/Lb＝0.3-0.6。耗能元件3的横向跨度与钢梁2的跨度之比，即Ldg/Lb＝0.18-0.30。
钢柱1包括钢柱截面型钢、加劲板12和钢柱加劲板11，加劲板12的一部分伸出钢柱1，并在伸出部分设有螺栓孔，钢梁2包括钢梁截面型钢和钢梁加劲板21，该钢梁加劲板21的一部分伸出钢梁2，并在伸出部分设有螺栓孔；钢柱加劲板11端部设有钢柱端板111，并在钢柱端板111上设有螺栓孔，钢柱端板111与钢柱加劲板11通过一块H型钢连接；元件横部31的端部设有元件端板311，并在元件端板311上设有螺栓孔。
如图3和图3a所示，耗能元件3与钢梁2铰接具体指，采用高强螺栓将钢梁加劲板21的伸出部分与元件竖部33连接。
如图2所示，钢梁2与钢柱1铰接具体指，采用高强螺栓将加劲板12的伸出部分与钢梁截面型钢连接。
如图4和图4a所示，耗能元件3与钢柱1刚接具体指，采用高强螺栓将元件横部31设有的元件端板311与钢柱加劲板11上设有的钢柱端板111连接。
在具体加工方面，钢柱1、钢梁2和耗能元件3分别依据设计要求进行放样，实行工厂预制加工制作。在工厂加工完成后，运输至现场，吊装钢柱1并按照现场空间位置就位，设置临时支撑固定，将耗能元件3通过高强螺栓与钢柱1连接，而后通过高强螺栓将钢梁2分别与钢柱1和耗能元件3连接就位，至此，便完成一种配置可拆卸式耗能元件3的预制装配钢结构梁柱节点系统。
上述对实施的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员可以容易地对这些实施做出适当修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，包括钢柱(1)、钢梁(2)，其特征在于，该系统还包括耗能元件(3)，该耗能元件(3)包括一体成型的元件横部(31)、连接部(32)和元件竖部(33)，其中，元件横部(31)和元件竖部(33)相互垂直；所述的钢梁(2)与钢柱(1)铰接，所述的元件竖部(33)与钢梁(2)铰接，所述的元件横部(31)与钢柱(1)刚接。
2.根据权利要求1所述的一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，其特征在于，所述的耗能元件(3)的线刚度与钢梁(2)的线刚度之比，即EIdg/Ldg：EIb/Lb＝0.3-0.6。
3.根据权利要求1所述的一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，其特征在于，所述的耗能元件(3)的横向跨度与钢梁(2)的跨度之比，即Ldg/Lb＝0.18-0.30。
4.根据权利要求1所述的一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，其特征在于，所述的连接部(32)为斜杆，并与元件竖部(33)呈40-50°夹角，或者所述的连接部(32)为圆弧状。
5.根据权利要求1所述的一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，其特征在于，所述的钢柱(1)上设有加劲板(12)，该加劲板(12)的一部分伸出钢柱(1)，所述的加劲板(12)的伸出部分与钢梁(2)连接。
6.根据权利要求5所述的一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，其特征在于，所述的加劲板(12)的伸出部分上设有螺栓孔，所述的钢梁(2)上设有相匹配的螺栓孔，采用高强螺栓将加劲板(12)的伸出部分与钢梁(2)连接，使钢梁(2)与钢柱(1)形成铰接。
7.根据权利要求1所述的一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，其特征在于，所述的钢梁(2)上设有钢梁加劲板(21)，该钢梁加劲板(21)的一部分伸出钢梁(2)，所述的钢梁加劲板(21)的伸出部分与元件竖部(33)连接。
8.根据权利要求7所述的一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，其特征在于，所述的钢梁加劲板(21)的伸出部分上设有螺栓孔，所述的元件竖部(33)上设有相匹配的螺栓孔，采用高强螺栓将钢梁加劲板(21)的伸出部分与元件竖部(33)连接，使元件竖部(33)与钢梁(2)形成铰接。
9.根据权利要求1所述的一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，其特征在于，所述的钢柱(1)上还设有钢柱加劲板(11)，该钢柱加劲板(11)端部设有钢柱端板(111)，所述的元件横部(31)的端部设有元件端板(311)，所述的元件端板(311)与钢柱端板(111)连接。
10.根据权利要求9所述的一种内置可拆卸式耗能元件的预制装配钢结构梁柱节点系统，其特征在于，所述的钢柱端板(111)上设有螺栓孔，钢柱端板(111)与钢柱加劲板(11)通过一块H型钢连接；元件端板(311)上设有相匹配的螺栓孔，采用高强螺栓将钢柱端板(111)与元件端板(311)连接，使元件横部(31)与钢柱(1)形成刚接。
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