CN111851738A - 插销式模块化装配式结构节点 - Google Patents

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范进
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Abstract

本发明公开了一种插销式模块化装配式结构节点，包括上角件、下角件、连接板、连接件；所述上角件下端设有安装孔；所述下角件上端设有销体；所述连接板设置在上角件和下角件之间；所述连接板上设有多个定位孔，用于定位多个上角件和下角件；所述销体穿过连接板上的定位孔插入上角件下端的安装孔；所述上角件和销体上均设有插孔，所述连接件插入插孔将上角件和销体相连；本发明可实现上部模块立柱和下部模块立柱的快速装配，同时保证了节点连接的可靠性。

Description

插销式模块化装配式结构节点
技术领域
本发明属于装配式建筑领域，特别是一种插销式模块化装配式结构节点。
背景技术
当今世界是一个人口急速增长的时代，伴随着人口的爆炸式的增长，所带来的房屋短缺的问题也日益严重。原先慢节奏、高成本的房屋建造方式已渐渐满足不了人口日益增长的需要，高效快捷的装配式建筑应运而生。模块化结构施工快捷便利，而且可以给周围环境带来的影响降至最小，是一种发达的建造方式。现有很多模块化结构的节点普遍采用焊接的方式进行模块间的连接固定，即上部模块立柱直接或间接通过焊接下部模块立柱进行连接，这样的连接方式存在以下几个缺点：
(1)一栋模块化建筑结构存在众多的连接部位，如果采用直接现场焊接节点的方式进行连接固定，不同节点连接的定位需要进行频繁的调整，则会耗费大量的人力物力，施工环节较为繁琐。
(2)在结构受力方面，由于现场焊接施工，会将本身已经定位在同一轴线上的立柱由于焊接应力而发生偏移或者变形，在竖向压力作用下会使得结构发生失稳，严重影响结构整体的稳定性。
(3)一般焊接节点在外力作用下特别是在焊缝处容易发生脆性破坏，延性很差。
(4)节点在发生严重变形或者破坏时通常波及周围的梁柱构件，往往需要更换或维修整个模块体系，非常浪费资源及时间。
由于此类问题的存在，现有的焊接型节点已经不能适应日益发展的建筑需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种插销式模块化装配式结构节点，以实现上部模块立柱和下部模块立柱的快速装配，同时保证节点连接的可靠性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种插销式模块化装配式结构节点，包括上角件、下角件、连接板、连接件；所述上角件下端设有安装孔；所述下角件上端设有销体；所述连接板设置在上角件和下角件之间；所述连接板上设有多个定位孔，用于定位多个上角件和下角件；所述销体穿过连接板上的定位孔插入上角件下端的安装孔；所述上角件和销体上均设有插孔，所述连接件3插入插孔将上角件和销体相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)由于本发明节点的角件属于梁柱模块单元的一部分，在施工现场无须再进行加工，更无须焊接等操作，有效的提高了施工效率，使得施工工艺更加简便快捷。
(2)由于该节点在工地可以直接定位连接，通过插入连接件即可使上、下梁柱模块单元固定，通过连接板使相邻的梁柱模块单元固定，不会由于热加工产生的应力而导致节点的变形或者偏移，具有很好的稳定性。
(3)通过连接件承载剪切力，由于连接件由高强度合金制作，不易发生脆性破坏，使得节点具有很好的延性性能。
(4)由于节点为间接受力，结构荷载通过梁转导至节点角件，对角件产生一个偏转弯矩，但由于连接件的存在使节点可以抵抗弯矩作用。所以结构的最终承载构件为内部的强度更高的连接件，使结构整体具有很好的承载能力。
(5)通常装配该种节点的结构在承受较大荷载并产生较大变形时基本只是连接件发生弯曲变形，所以结构只需更换连接件即可继续使用，维护成本更低。
附图说明
图1为本发明的插销式模块化装配式结构节点的总体结构示意图。
图2为上角件结构示意图。
图3为下角件结构示意图。
图4为单个梁柱模块单元的结构示意图。
图5为节点应力应变云图。
图6为插销螺栓应力应变云图。
图7为新旧节点承载力对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种插销式模块化装配式结构节点，包括上角件1、下角件2、连接板4、连接件3；所述上角件1下端设有安装孔11；所述下角件2上端设有销体21；所述连接板4设置在上角件1和下角件2之间；所述连接板4上设有多个定位孔41，用于定位多个上角件1和下角件2，保证相邻的上下立柱的定位准确，同时连接板4可避免上角件1、下角件2发生挤压破坏；所述销体21穿过连接板4上的定位孔41插入上角件1下端的安装孔11；所述上角件1和销体21上均设有插孔，所述连接件3插入插孔将上角件1和销体21相连。
进一步的，所述上角件1和下角件2均为中空结构，便于减轻重量。
在一些实施方式中，所述连接件3为插销。
在另外一些实施方式中，所述连接件3为螺栓和螺母，螺栓插入插孔后，通过螺栓锁死，避免连接件从插孔中脱离。
进一步的，所述插销或螺栓采用高强度合金，优选的采用锰钛合金，或可以采用铬钛合金等，具有较强的抗剪能力。
进一步的，所述销体21上端呈锥形，便于销体21插入定位孔41和安装孔11内。
使用时，结合图4，将本发明的上角件1与梁柱的上端或下端固连，将下角件2与相对应梁柱的下端或上端固连；形成单个梁柱模块单元。上个梁柱模块单元的上、下角件与下一个梁柱模块单元的上、下角件连接。通过上、下角件的固定连接使得上下两个梁柱模块单元紧密连接。连接板4可了防止上、下角件发生挤压破坏，且为了方便定位固定梁柱模块单元，此外通过定位孔可保证梁柱模块单元位置相对固定。特别是在水平风载和地震荷载作用下相邻模块单元不会发生相对滑移。主要的受力构件为连接件3承受剪切力，间接受力可以极大提高节点的稳定性与承载力；不会产生焊接方式的焊接变形和应力。
对上述结构建立仿真模型，模型采用有限元软件ABAQUS建立，横梁、立柱、角件、节点板、螺栓均采用C3D8R单元，其中对于一些重点部位进行网格加密处理。设置接触，对于梁柱与角件间的焊缝采用Tie约束处理。此外，对受力端部添加刚性板防止节点受力集中。上下角件、梁柱及连接板均采用Q345B型钢材，螺栓使用HTB-16型高强螺栓，采用MnTiB型高强合金，材料参数见表1。该节点模型中，横梁为150×120×6钢方管，立柱为150×100×6钢方管。钢材本构关系采用考虑包辛格效应的双线性随动强化模型，考虑应力强化作用，选用Von Mises屈服准则，泊松比取0.3。模型中的接触定义为面面接触，包括连接板与上角件的接触、连接板与下角件接触、上角件销头与连接板孔洞内壁的接触、螺杆与上下角件的抗剪切接触、螺帽下表面与下角件上表面的接触。摩擦面之间的接触关系采取库伦摩擦定律，根据前人关于钢结构截面内容，接触的切向抗滑移系数取为0.1。
表1材料参数表
Figure BDA0002046613930000041
对立柱两端进行铰接约束，在横梁端部添加一块刚性板，将荷载施加于刚性板上以防止应力集中，同时在横梁两侧施加侧向滑动铰防止其侧向位移。静力分析中在垂直于梁端施加200mm的位移荷载，研究其转动刚度及承载力。应力应变云图如下图5及图6所示。
转动刚度是衡量节点抵抗转动变形能力的一项重要指标。分析表明，该节点的变形分为两个阶段：弹性阶段和塑性阶段。可分别得到弹性转动刚度和塑性转动刚度。转动刚度根据数值模拟下的弯矩-转角曲线求得。在弹性性阶段，弯矩和转角呈现出线性关系，根据式(1)计算弹性转动刚度。
Ke＝Me/θe (1)
式中，Ke—弹性转动刚度
Me—弹性阶段某时刻的转动弯矩
θe-与Me相同时刻的转角
在塑性阶段，弯矩与转角不再是线性关系，根据日本学者的研究结论，过原点画一条斜率为Ke的0.4倍的直线，该直线与曲线的交点的切线斜率即为节点的塑性转角刚度Kp。经计算得出该节点的弹性转动刚度为0.474KN·m/mrad，塑性转动刚度为0.0157KN·m/mrad。而一般焊接节点的在弹性阶段的转动刚度为0.386kN·m/mrad，塑性阶段转动刚度为0.017kN·m/mrad。对比可以发现插销式节点拥有更高的转动刚度，即存在更高的承载力或抵抗弯矩。通过弯矩-转角曲线可以更明显的看出这一点，如图7。
此外，在节点研究中，转角延性系数采用节点承受塑性极限荷载时最大转角与达到弹性极限应变时转角的比值，如下式(2)：
μθ＝θu/θy (2)
式中μθ-----转角延性系数
θu------节点达到塑性极限形变时的最大转角
θy------节点到达弹性极限应变时的转角
经计算，插销式型节点θu为11.569mrad，节点θy为59.152mard，求得该节点的转角延性系数为5.112，；普通焊接型节点θu为10.782mrad，θy为37.486mard，求得该节点的转角延性系数为3.476。对比可以得出插销式节点的延性高于普通焊接型节点。
由此可以得出插销式节点的各项性能优于普通焊接型节点。

Claims (7)

1.一种插销式模块化装配式结构节点，其特征在于，包括上角件（1）、下角件（2）、连接板（4）、连接件（3）（；所述上角件（1）下端设有安装孔（11）；所述下角件（2）上端设有销体（21）；所述连接板（4）设置在上角件（1）和下角件（2）之间；所述连接板（4）上设有多个定位孔（41），用于定位多个上角件（1）和下角件（2）；所述销体（21）穿过连接板（4）上的定位孔（41）插入上角件（1）下端的安装孔（11）；所述上角件（1）和销体（21）上均设有插孔，所述连接件（3）插入插孔将上角件（1）和销体（21）相连。
2.根据权利要求1所述的插销式模块化装配式结构节点，其特征在于，所述上角件（1）和下角件（2）均为中空结构。
3.根据权利要求1所述的插销式模块化装配式结构节点，其特征在于，所述连接件（3）为插销。
4.根据权利要求1所述的插销式模块化装配式结构节点，其特征在于，所述连接件（3）为螺栓和螺母，螺栓插入插孔后，通过螺栓锁死。
5.根据权利要求1所述的插销式模块化装配式结构节点，其特征在于，所述连接件（3）采用高强度合金。
6.根据权利要求1所述的插销式模块化装配式结构节点，其特征在于，所述高强度合金采用锰钛合金。
7.根据权利要求1所述的插销式模块化装配式结构节点，其特征在于，所述销体（21）上端呈锥形。
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