CN111962949A - 一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点及作法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢管混凝土柱‑H型钢梁‑钢支撑‑π形连接件组合式中柱中部节点及作法，包括轻型方钢管再生混凝土柱、H型钢梁、π形连接件、腹板连接板、高强螺栓、钢支撑、工字形板凳拉结钢筋、板柱拉结钢筋以及预制再生混凝土局部楼板。创造性提出π形连接件以及工字形板凳拉结钢筋等新型装配式节点连接与加强构造，有效的简化了节点区域梁‑柱‑支撑‑楼板的整体装配难度，节点的整体性、承载能力、变形能力得到显著提升。对比现有技术，构造简单，施工便捷，传力路径明确，具有两道抗震防线。该节点梁‑柱‑撑‑楼板连接牢固，整体性强，抗震性能优异，为装配式绿色住宅轻钢组合结构的工程设计提供了关键技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及适于钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点及作法，属于结构工程技术领域。
背景技术
随着建筑工业技术的发展，住宅产业化是未来建筑行业发展的趋势。装配式钢结构是建造方式的重大变革，由工厂加工的模块通过现场螺栓拼接而成。与传统的住宅结构相比，装配式钢结构住宅具有集成化程度高、抗震性能优越、环保节能、建造周期短、产品质量高等优点。从资源节约、绿色发展、循环经济角度考虑，装配式钢结构住宅具有较大优势，是我国装配式建筑的重要发展方向，同时也是村镇住宅产业化的理想结构体系。若结合钢管混凝土等组合结构构件，可使其承载力大大提高，具有良好的抗震性能，而且经济效果显著，施工简单，可大大缩短工期。
方钢管混凝土柱抗弯刚度大、承载能力高、钢管端头封闭后抗腐蚀性能好、外形规则，具有很好的建筑适用性。同时与H型钢柱组成的结构相比，其用钢量少，成本低等，且相较于圆形截面柱，方钢管混凝土柱与钢梁及装配式墙板的连接更加便捷可靠，已成为钢框架设计中常用的柱截面形式。方钢管混凝土柱与H型钢梁连接而成的装配式轻钢组合框架已成为钢结构住宅的一个发展方向。若在钢管内部浇筑再生混凝土形成方钢管再生混凝土柱，则达到了绿色循环可持续的目的，更有利于环境保护。另外，方钢管再生混凝土柱承载力高，柱截面宽度可以控制在100～150mm。柱截面的缩小造成结构整体抗侧刚度下降，因此需要采用设置层间支撑的方式提高结构整体刚度。目前没有任何适用于钢支撑装配的梁柱节点构造。
传统钢结构体系中方钢管柱与梁连接节点多采用套筒式节点、模块化节点、端板节点、带悬臂短梁和梁贯通式等节点类型。这些节点传力路径复杂，受力分析困难，也对设计人员有较高要求，不适合大范围推广。同时，传统钢结构节点由于节点部位构造复杂且形状不规则，一些标准化装配式楼板与墙板难以配套使用。预制墙板由于节点处加劲肋等构造的存在需要提前切割出相应空间，容易造成冷桥，不利于房屋保温节能。这一系列弊端都制约了装配式轻钢组合住宅的发展。
综上所述，设计一种构造简单、抗震性能可靠且适用于预制墙板、楼板，利于装配式钢支撑安装的轻型装配式方钢管混凝土柱-H型钢梁中部连接节点是目前村镇轻钢组合结构住宅体系发展中亟待解决的问题。基于此，本发明提出了一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点及作法，特别适用于低、多轻钢框架及轻钢桁架住宅建筑体系，在保证结构安全可靠的前提下，提高轻钢住宅的经济性和装配效率，为住宅产业化、建筑装配化提供技术参考。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点及作法，以解决轻钢框架中柱中部梁柱连接节点受力不合理、耗钢量大、构造复杂问题。解决了中柱中部位置预制楼板及钢支撑与梁柱节点装配连接构造难题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，该节点构造包括轻型方钢管再生混凝土柱(1)、柱板拉结筋(2)、H型钢梁(3)、π形连接件(4)、腹板连接板(5)、30mm长高强螺栓(6)、楼板抗剪栓钉(7)、π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)、矩形底板(10)、上层预制钢支撑(11)、下层预制钢支撑(12)、70mm贯通高强螺栓(13)、工字形板凳拉结钢筋(14)、灌浆料托板(15)、预制再生混凝土楼板(16)以及楼板钢筋(17)。
如图1、2、3、4所示该发明各部件连接与组成关系如下：柱板拉结筋(2)焊接在轻型方钢管再生混凝土柱(1)上用于连接预制再生混凝土楼板(16)；π形连接件(4)由π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)以及矩形底板(10)组成，其中矩形底板(10)为一中间开矩形孔的钢板，π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)分别满焊焊接在矩形底板(10)上，从而形成π形连接件(4)；轻型方钢管再生混凝土柱(1)与π形连接件(4)焊接，利用π形连接件(4)上矩形底板(10)的外边缘四边与轻型方钢管再生混凝土柱(1)钢管壁焊接形成外缘四条角焊缝，矩形底板(10)的内侧开孔出的四条边与轻型方钢管再生混凝土柱(1)钢管壁焊接形成内缘四条角焊缝，因此轻型方钢管再生混凝土柱(1)与单个π形连接件(4)通过内侧与外侧共八条角焊缝相连；腹板连接板(5)通过两条直角角焊缝透过矩形底板(10)内侧开孔与轻型方钢管再生混凝土柱(1)钢管壁焊接；H型钢梁(3)上下翼缘与π形连接件(4)的π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)通过30mm长高强螺栓(6)进行连接；H型钢梁(3)腹板与腹板连接板(5)通过30mm长高强螺栓(6)进行连接；上层预制钢支撑(11)通过30mm长高强螺栓(6)与70mm贯通高强螺栓(13)与π形连接件上肢(8)连接；预制再生混凝土楼板(16)通过楼板抗剪栓钉(7)以及高强灌浆料与H型钢梁(3)连接；预制再生混凝土楼板(16)通过柱板拉结筋(2)、工字形板凳拉结钢筋(14)、楼板钢筋(17)相互绑扎最后通过高强浇筑灌浆料相连；灌浆料托板(15)预埋在预制再生混凝土楼板(16)中；工字形板凳拉结钢筋(14)通过70mm贯通高强螺栓(13)固定在π形连接件上肢(8)的腹板处，并与楼板钢筋(17)进行绑扎，浇筑高强灌浆料后使π形连接件上肢(8)与预制再生混凝土楼板(16)形成一体。
所述的轻型方钢管再生混凝土柱(1)中的方钢管采用方形热轧无缝钢管。钢管外径为100mm～150mm，壁厚为4mm～8mm，内填再生混凝土，再生粗骨料粒径为5mm～20mm，混凝土强度为C30～C50。所述的轻型方钢管再生混凝土柱(1)具有以下优势：方钢管对内填再生混凝土具有约束作用，提高再生混凝土承载力的同时增强了混凝土的延性；内填再生混凝土限制钢管屈曲，可以有效避免钢管失稳破坏。由于薄壁钢管与内填混凝土的组合作用，柱截面尺寸相比混凝土结构可大大减小，相比钢结构柱用钢量进一步减少。钢管可以作为混凝土浇筑时的模板，施工更加方便、节省成本。在实际工程中，钢管混凝土柱具有施工刚度大、承载力高、抗火抗腐蚀性能好等优点。使用再生混凝土材料后，兼具环保优势。
所述柱板拉结筋(2)为带有弯折锚固端的钢筋。钢筋直径为8mm，强度等级HRB345级。长度为80mm，锚固端弯折长度为40mm。焊接在轻型方钢管再生混凝土柱(1)上，焊接位置与预制再生混凝土楼板(16)内的钢筋处于同一高度处，间距为50mm。装配时柱板拉结筋(2)与楼板钢筋(17)绑扎在一起，并在预制再生混凝土楼板(16)与轻型方钢管再生混凝土柱(1)间的预留孔洞位置浇筑高强灌浆料，其主要作用是将轻型方钢管再生混凝土柱(1)与预制再生混凝土楼板(16)进行有效拉结，增强节点整体性，提高各截面刚度和耗能能力。
所述H型钢梁(3)是轻钢框架结构中的主要承重构件，其主要承担墙体、楼板荷载并将其传递给轻型方钢管再生混凝土柱(1)。轻钢组合结构中一般采用热轧H型钢梁作为主梁或次梁。为避免H型钢梁(3)端部因与节点连接构造柱应力集中发生局部屈曲，在π形连接件(4)的π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)外侧设置厚度等于H型钢梁(3)腹板厚度的加劲肋以提高端部刚度。由于π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)需要与矩形底板(10)焊接，为防止焊缝处钢梁上下翼缘无法与钢管柱比贴合紧密，在装配前需要将H型钢梁(3)的端部上下各打磨7mm三角形缺口，保证各螺栓孔精确对正。在H型钢梁(3)顶面均匀布置抗剪栓钉，准备将其用以装配式楼板的安装。
所述π形连接件(4)是轻钢组合框架梁柱节点的关键部件，由π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)与中心开孔的矩形底板(10)构成。
所述腹板连接板(5)为矩形钢板，其长度与π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)长度相同，宽度为矩形底板(10)矩形孔洞高度的80％，厚度等于H型钢梁(3)腹板厚度。腹板连接板(5)一侧通过两条垂直角焊缝，透过矩形底板(9)中心的矩形孔洞垂直焊接在轻型方钢管再生混凝土柱(1)柱壁上。腹板连接板(4)通过、30mm长高强螺栓(6)与H型钢梁(3)腹板相连，形成节点抗震的第二道防线。试验证明，π形连接件(4)在地震作用下失效后腹板连接板(5)仍然可以为节点提供可靠的抗弯与抗剪承载力，因此可以有效防止轻钢框架由于π形连接件(4)破坏而造成梁柱节点失效，导致结构的连续倒塌。腹板连接板(5)的宽度小于矩形底板(10)矩形孔洞的高度，从而可以避开矩形底板(10)与轻型方钢管再生混凝土柱(1)的内侧角焊缝。腹板连接板(5)轴线偏离H型钢梁(2)腹板中心线0.5倍腹板连接板(5)厚度与0.5倍H型钢梁(2)腹板厚度之和。保证H型钢梁(2)安装时腹板中心线可以与轻型方钢管再生混凝土柱(1)截面宽度中心重合。焊缝质量控制等级应为一级或二级。
所述的30mm长高强螺栓(6)是梁柱节点连接的重要环节，其材料应为高强度合金钢或其他优质钢材，在装配式轻钢住宅中多采用8.8和10.9两个强度等级。其长度一般为螺母外露出10～20mm。其主要作用为连接紧固H型钢梁(3)与π形连接件(4)、腹板连接板(5)，连接上层预制钢支撑(11)与π形连接件上肢(8)。同时为方便节点处高强螺栓安装，可先将螺母焊接在π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)螺栓孔处，在H型钢梁(3)上下翼缘间使用扭矩扳手装配螺栓，每个螺栓设定相同扭矩。
所述楼板抗剪栓钉(7)是加强H型钢梁(3)与装配式混凝土板连接的重要构造可充当楼板抗剪键，其长为40mm，其直径10mm，沿梁上翼缘顶面设置一道，节点段部设置两道用以加强。水平间距为80～150mm，预制再生混凝土楼板(16)装配完成后在楼板抗剪栓钉(7)预留孔洞处浇筑高强灌浆料，完成H型钢梁(3)与预制再生混凝土楼板(16)的连接。
所述π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)为两个材料、尺寸相同的短工字钢梁，其外伸长度为H型钢梁(3)梁高的1.0～1.5倍，梁高为H型钢梁(3)梁高的0.5～1.0倍，上下翼缘及腹板厚度为H型钢梁(3)翼缘厚度的0.8～1.0倍，翼缘宽度与H型钢梁(3)翼缘宽度相同。π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)通过角焊缝垂直焊接于矩形底板(10)上，π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)关于中心开孔的矩形底板(10)形心对称布置，上工字钢悬挑短梁下翼缘底部与下工字钢悬挑短梁上翼缘顶部距中心开孔的矩形底板(10)的形心距离分别为H型钢梁(3)的0.55倍梁高度。如此可以保证π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)保留一定空隙，保证H型钢梁(3)可以顺利拼装在π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)。π形连接件(4)通过外侧角焊缝及内侧角焊缝与轻型方钢管再生混凝土柱(1)通过贴焊连接，焊缝质量控制等级应为一级或二级。
所述矩形底板(10)为中心开孔的矩形钢板。其材料强度与轻型方钢管再生混凝土柱(1)所用钢材相同，在轻钢住宅建筑中可采用Q345钢。其高度为300mm，并且满足其与π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)直角角焊缝尺寸要求。其宽度为100mm，即与π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)等宽并满足外侧角焊缝尺寸要求。矩形底板(10)中间位置矩形孔洞宽60mm，高140mm，并满足内侧角焊缝尺寸要求。矩形底板(10)主要起到轻型方钢管再生混凝土柱(1)与π形连接件(4)的连接过渡作用，并且局部加强了轻型方钢管再生混凝土柱(1)钢管壁厚度，保护该部位钢管柱壁不受腐蚀。
所述上层预制钢支撑(11)与下层预制钢支撑(12)为热轧H型钢，一般以60°～45°角布置在两个相邻轻型方钢管再生混凝土柱(1)之间。翼缘宽度与π形连接件上肢(8)相等，腹板高度一般为60mm～100mm。采用Q345钢材。其下端通过开有螺栓孔的钢板与π形连接件上肢(8)的上翼缘通过30mm长高强螺栓(6)以及70mm贯通高强螺栓(13)连接。钢支撑与其下端的钢板焊接。钢支撑(11)主要起到提高框架抗侧刚度、承载力以及提高框架地震过程中的耗能能力。
所述70mm贯通高强螺栓(13)为S8.8S或S10.3级高强螺栓。其上端位于上层预制钢支撑(11)底部节点板上表面，下端位于H型钢梁(3)上翼缘下表面。70mm贯通高强螺栓(13)连接了上层预制钢支撑(11)底部节点板、π形连接件上肢(8)以及H型钢梁(3)上翼缘。将三者连接成一个整体，同时将工字形板凳拉结钢筋(14)一侧卡在π形连接件上肢(8)腹板位置，起到连接工字形板凳拉结钢筋(14)与π形连接件(4)的作用。
所述工字形板凳拉结钢筋(14)为一种预制成型三维钢筋笼。工字形板凳拉结钢筋(14)主要由横向拉结弓形钢筋网与纵向拉结筋两部分组成。横向拉结弓形钢筋网由两侧两根带锚固端的弓形钢筋以及中间横向连接钢筋构成。两侧弓形钢筋长80mm，直角锚固端长30mm。中间两根横向连接钢筋长70mm，间距60mm。两端通过点焊或绑扎的形式将弓形钢筋与其进行固定，形成一个预制成型三维钢筋网。横向拉结弓形钢筋网布置在柱两侧π形连接件上肢(8)腹板处。纵向拉结筋则由两根300mm长钢筋组成，与两端弓形钢筋网进行点焊，使柱两侧弓形钢筋网拉结在一起。工字形板凳拉结钢筋(14)两部分都采用HRB335Φ8钢筋组成，弓形钢筋网延伸至预制再生混凝土楼板(16)的预留孔中并和露出的楼板钢筋(17)进行绑扎，另一端通过70mm贯通高强螺栓(13)固定在π形连接件上肢(8)腹板位置，π形连接件上肢(8)腹板两侧对称布置两个工字形板凳拉结钢筋(14)。将其设计为“板凳”形有利于其与楼板钢筋(17)以及灌浆料之间的锚固，同时锚固端朝下可以垫高钢筋网使其与楼板钢筋(17)位于同一高度处便于绑扎。纵向拉结筋在将两端弓形钢筋网拉结在一起的同时与楼板钢筋(17)以及柱板拉结筋(2)进行绑扎使预制再生混凝土楼板(16)、π形连接件(4)以及轻型方钢管再生混凝土柱(1)形成一个统一的整体，有效的提高了节点域整体性。
灌浆料托板(15)为三边焊接有预埋锚固钢筋弯钩的薄钢板，其厚度为3mm，矩形钢板尺寸长为390mm，宽为110mm。略大于预制再生混凝土楼板(16)在此处预留的长370mm，宽100mm的灌浆孔洞。灌浆料托板(15)在预制再生混凝土楼板(16)成型前埋入预留孔洞下部，钢板上表面与楼板下表面以及π形连接件上肢(8)下翼缘上表面平齐。钢板外边缘与π形连接件上肢(8)下翼缘边缘吻合，因此可以保证灌浆料倒入后底部不漏浆。
所述预制再生混凝土楼板(16)为工厂预制的钢筋混凝土楼板，其厚度味80mm～100mm与π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)高度相等，混凝土采用再生混凝土，混凝土强度为C40。根据设计要求内部配有单层或双层钢筋网一般采用HRB335级Φ8钢筋，钢筋间距为100mm。预制楼板在节点处为π形连接件上肢(8)预留长100mm、宽100mm灌浆孔，楼板上表面与π形连接件上肢(8)上翼缘表面平齐。灌浆孔内部放置板凳钢筋(14)后灌注高强灌浆料，使灌浆料填满预留孔洞以及π形连接件上肢(7)腹板两侧，从而达到楼板与装配式节点共同工作的目的。
所述楼板钢筋(17)即为预制再生混凝土楼板(16)内配置的分布钢筋，预留孔洞处露出的分布钢筋起到与工字形板凳拉结钢筋(14)连接的作用。
本发明涉及一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点及作法，其具体做法如下：
第一步：工厂预制轻型方钢管再生混凝土柱(1)、柱板拉结筋(2)，购买相应尺寸方钢管以及钢板，切割、打磨、开孔后在底部焊接基础连接板，随后在内部浇筑再生混凝土，经过养护完成方钢管再生混凝土柱(1)的制作。将制作完成的柱板拉结筋(2)焊接至轻型方钢管再生混凝土柱(1)两侧相应位置如图5所示。
第二步：在工厂车间加工π形连接件(4)以及腹板连接板(5)，先购买相应尺寸的成品热轧工字钢梁，进行切割、打磨、打孔等制作成π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)，将相应厚度热轧钢板切割、开孔，制作成矩形底板(10)。将π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)与矩形底板(10)进行焊接，制作成π形连接件(4)。购买相应尺寸与强度的钢板进行切割、开孔后制作成腹板连接板(5)。如图6所示。
第三步：在工厂车间将π形连接件(4)以及腹板连接板(5)焊接至轻型方钢管再生混凝土柱(1)的两侧相应位置。首先将π形连接件(4)焊接至轻型方钢管再生混凝土柱(1)上，应注意π形连接件(4)通过外侧角焊缝及内侧角焊缝与轻型方钢管再生混凝土柱(1)侧面贴焊连接，因此π形连接件(4)通过两圈矩形满焊角焊缝与方钢管柱连接这样充分保证了焊缝长度，充分满足节点处焊缝的抗剪承载力与抗弯承载力。然后将腹板连接板(5)通过矩形底板(10)中心孔洞焊接至方钢管柱上。将螺母焊接至π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)螺栓孔位置以备安装螺栓。如图7所示。
第四步：设置一道加劲肋焊接在H型钢梁(3)腹板端部位置，加劲肋厚度不小于H型钢梁(3)腹板厚度。按照设计位置加工H型钢梁(3)上下翼缘与腹板螺栓孔。最后在H型钢梁(3)顶面焊接栓钉。如图8所示。
第五步：工厂加工上层预制钢支撑(11)以及下层预制钢支撑，购买符合截面尺寸要求的热轧H型钢，打磨、切削成相应尺寸。购买钢板，经过切割、打磨、开孔等工序，加工制作钢支撑底部节点板。将加工成型的钢支撑焊接到底部节点板上。预制钢支撑加工完成。如图9所示。
第六步：制作灌浆料托板(15)和预制再生混凝土楼板(16)，工厂购买成品钢板切割成相应尺寸，通过切割、弯折等工序加工灌浆料托板(15)上的锚固用钢筋弯钩，将钢筋弯钩点焊到钢板上加工完成灌浆料托板。制作、绑扎楼板钢筋，支楼板模板，将灌浆料托板放置在开洞处，浇筑楼板再生混凝土，养护成型。如图10所示。
第七步：在施工现场安装带有π形连接件(4)及腹板连接板(5)的轻型方钢管再生混凝土柱(1)，将钢管混凝土柱通过基础连接板安装至基础上。在H型钢梁(6)端部上下切割长约5mm的三角形缺口，将H型钢梁(3)滑入两侧方钢管柱π形连接件(4)之间，使π形连接件(4)及腹板连接板(5)上的螺栓孔与H型钢梁(3)螺栓孔对正，用高强螺栓拧紧固定。如图11所示。
第八步：将预制再生混凝土楼板安装到相应位置。然后将上层预制钢支撑(11)以及下层预制钢支撑(12)通过高强螺栓安装到相应位置上。如图12所示。
第九步：将工字形板凳拉结钢筋(14)放置到相应位置，拧紧70mm贯通高强螺栓(13)将工字形板凳拉结钢筋(14)固定在π形连接件上肢(8)腹板位置。并将工字形板凳拉结钢筋(14)两端横向弓形拉结筋绑扎到楼板钢筋(17)上。将纵向拉结筋与柱板拉结筋(2)以及楼板钢筋(17)进行绑扎。如图13所示。
第十步：在楼板抗剪栓钉(7)、π形连接件上肢(8)、工字形板凳拉结钢筋(14)以及灌浆料托板(15)等位置浇筑高强灌浆料，待养护完成即可进行后续施工。如图14所示。
与现有技术相比，本发明涉及一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点及作法，具有以下优势：
1、本发明创造性的采用π形连接件(4)这一构造进行梁柱间的装配连接：π形连接件(4)增大了梁柱节点域高度，提高了节点抗剪承载力。同时中心开孔的矩形底板(9)贴焊在轻型方钢管再生混凝土柱(1)上使节点处柱壁钢材不会直接暴露在空气中，提高了节点抗腐蚀性能。整个节点有较强的受弯、受剪承载能力。同时π形连接件只需要在有梁的一侧进行布置，同一柱上不同位置的π形连接件并不连续。如中柱两侧π连接件无直接联系，其中一侧节点失效，另一侧节点不会受到影响。降低了结构连续倒塌的风险。
2、本发明创造性的将节点连接构造与钢支撑构造进行装配：π形连接件(4)中π形连接件上肢(8)上翼缘开螺栓孔与上层预制钢支撑(11)的底部连接板采用螺栓进行连接。这种构造形式使钢支撑在框架装配式阶段即可进行装配，无需后期增设其他部件即可进行支撑安装。大大简化了施工步骤，节省成本且提高了施工效率。
3、本发明创造性的将装配式楼板通过板凳拉结筋钢筋、柱板拉结筋实现了板-柱-节点域以及中柱两侧节点域的整体化设计：预制再生混凝土楼板(16)在与π形连接件上肢(8)连接部位开孔，内部露出楼板钢筋(17)，楼板钢筋(17)与工字形板凳拉结钢筋(14)进行绑扎。工字形板凳拉结钢筋(14)通过70mm贯通高强螺栓(13)与π形连接件上肢(8)进行固定。最后在开洞部位浇筑高强灌浆料，即形成了预制楼板-板凳形拉结钢筋-π形连接件连接构造。
同时板凳形拉结钢筋纵向钢筋与板柱拉结钢筋进行绑扎，并通过灌浆料将楼板与轻型钢管混凝土柱进行拉结，增强了板-柱-节点域协调变形能力。同时，纵向钢筋构造将中柱两侧π形连接件上肢(8)进行有效拉结，提高了中柱两侧节点域整体性，一定程度上提高了板柱-节点域的延性。
同时，π形连接件内部灌注钢管灌浆料后大大增强了其抗弯、抗压能力及稳定性。进一步保证了钢支撑与π形节点连接构造的可靠性。
4、本发明创造性的实现了中柱位置楼板的整体安装，在装配式传统钢结构房屋中，由于梁柱节点区域构造较为复杂，很难实现中柱梁柱节点区域楼板的整体化装配，只能在该区域将楼板进行分割拼装，这极大地削弱了楼板整体性以及节点与楼板组合工作的性能。该发明中由于楼板和节点π形连接件是整体浇筑的，通过在楼板上预留孔洞可以跨中柱装配在两侧的H型钢梁上，通过板凳形拉结钢筋以及板柱拉结筋有效的将节点-柱-板结合为一个整体。节点处刚度大大提高，节点在复杂状态下承载力提升。同时将原中柱节点处的2～4块楼板装配量降低到了1块，大大提升了施工效率。
5、本发明创造性的将中柱中部节点处节点构造预制楼板进行了一体化设计，更有利于后期装配式墙板的安装。由于现在通用的标准预制墙板多为剪跨比较小的矩形墙板，四角为直角居多。在本节点中π形连接件上肢与楼板浇筑在一起，无其他不规则形状的构造阻碍墙板安装，因此更加方便了外部墙体及保温结构的安装，一定程度上避免了冷桥产生，利于房屋保温节能。
6、节点构造设计简单，在装配式轻钢框架及轻钢桁架结构中布置灵活。现有节点构造中不管是外环板式还是内隔板式梁柱节点，对于边柱、角柱以及中柱都采用整体式设计，不仅耗费大量钢材而且会造成梁柱节点裸露的设计问题。而本发明涉及的节点构造只需要安装在梁柱连接一侧，只需在有梁的一侧设置π形连接件及腹板连接板大大提高了节点布置的灵活性并且降低了钢材、螺栓的损耗。同时π形连接件有利于装配式墙板及楼板的施工安装。目前常采用的带三角形肋板节点虽提高了节点刚度与抗震性能但三角肋板节点处装配式墙板与楼板的安装较为复杂，不免出现墙板及楼板局部切角等处理。本发明中设计的π形连接件构造形式更加规则，工字钢悬挑短梁高度均小于或接近于楼板厚度，工字钢悬挑短梁腹板处可设置抗剪键或拉接筋与楼板浇筑为一个整体，也可隐藏于装配式墙体或外墙保温中，较好的解决了装配式钢结构房屋露梁、露柱的弊端。
7、受力明确，具备两道抗震防线。本发明涉及的节点连接构造设计简便、可靠度高。工字形截面梁将建筑荷载传递给梁柱节点，工字形截面梁的轴力、剪力及弯矩通过螺栓传递给π形连接件及腹板连接板，最终由矩形底板及腹板连接板的焊缝实现二者与钢管柱的作用力传递。因此通过控制焊缝长度及钢材厚度即可完成不同荷载作用下的节点设计，其设计可靠性更加明确。在地震往复荷载作用下π形连接件作为第一道防线耗散大部分地震能量，π形连接件失效后腹板连接板仍可承担剪力与弯矩作用，整个节点仍可继续工作。这对于装配式结构地震作用下抗连续倒塌及震后修复具有积极意义。
8、装配化程度高、工业化水平高。本发明涉及的方钢管再生混凝土柱、π形连接件、腹板连接板、H型钢梁等均可以在工厂预制，施工现场拼装。工程规模化生产精度高、质量控制严格、节省资源。减少了施工现场焊接与湿作业工作量，可针对不同梁柱截面生产出标准统一、规格不同的标准件进行拼装，有利于实现住宅产业化。
9、节能环保、运输方便。本发明涉及的预制连接件耗钢量少，采用再生混凝土等环保节能材料，节点组件多采用热轧型钢，材料易得并且可以基本实现无废料。本发明提出的节点构造作法将容易造成噪声污染、光污染的工序放在工厂进行，在保证施工质量的同时，可以做到绿色环保。
附图说明
图1节点构造拆解图。
图2节点整体俯视图。
图3节点整体轴测图。
图4节点整体仰视图。
图5步骤1—制作再生钢管混凝土柱。
图6步骤2—制作π形连接件与腹板连接板。
图7步骤3—焊接π形连接件。
图8步骤4—制作工字钢底梁。
图9步骤5—制作钢支撑。
图10步骤6—制作预制再生混凝土楼板。
图11步骤7—装配梁柱。
图12步骤8—装配楼板以及钢支撑。
图13步骤10—绑扎固定板凳钢筋。
图14步骤11—浇筑灌浆料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明做进一步说明。
一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，该节点包括轻型方钢管再生混凝土柱(1)、柱板拉结筋(2)、H型钢梁(3)、π形连接件(4)、腹板连接板(5)、30mm长高强螺栓(6)、楼板抗剪栓钉(7)、π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)、矩形底板(10)、上层预制钢支撑(11)、70mm贯通高强螺栓(13)、工字形板凳拉结钢筋(14)、灌浆料托板(15)、预制再生混凝土楼板(16)以及楼板钢筋(17)。
承载力是结构应用最重要的设计参数。根据《建筑结构荷载规范》、《建筑抗震设计规范》及建筑荷载的大小可确定方钢管再生混凝土柱的承载力，进而根据《钢结构设计规范》初步估计钢管外径及壁厚，根据《混凝土设计规范》初步选择再生混凝土强度，通过调整钢管外径、厚度以及再生混凝土强度等对方钢管再生混凝土柱进行调整。
H型钢梁设计一般应满足强度、整体稳定和刚度的要求。H型钢梁腹板和翼缘的宽厚比都不太大，局部稳定常可得到保证，不需进行验算。根据H型钢梁的内力确定其截面尺寸及对π形连接件的上下翼缘连接件的翼缘与腹板厚度、梁高、悬挑长度等主要参数进行设计。
H型钢梁腹板两侧在π形连接件的π形连接件上肢、π形连接件下肢外侧设置加劲肋，为避免H型钢梁端部因与节点连接构造柱应力集中发生局部屈曲，提高梁的稳定性和抗扭性能。
根据H型钢梁和π形连接件尺寸确定矩形底板的长度与厚度以及中心开孔尺寸。
根据H型钢梁端轴力、剪力与弯矩调整腹板连接板长度与厚度，计算节点域所需螺栓数量以及焊缝长度等。
本发明所涉及梁柱节点可通过上述参数设计变化控制节点连接刚度，实现刚性节点或半刚性节点的设计目标。
根据楼面荷载设计楼板厚度、混凝土强度、分布钢筋直径、分布钢筋间距等参数。
根据π形连接件尺寸以及梁上抗剪螺栓布置确定预留孔洞位置及大小，继而确定灌浆料托板的厚度及尺寸。
根据结构抗震设计相关理论，确定预制钢支撑截面尺寸以及布置角度等参数。
根据轻型钢管再生混凝土柱截面宽度以及预制楼板开洞大小设计板柱拉结钢筋以及工字形板凳拉结钢筋。
以上数据确定后即可进行下料、生产、施工、装配等程序。
在正常使用阶段，π形连接件的存在使得梁柱节点域的高度增大了，根据刚度与截面尺寸和形状有关这一原理，本发明所述节点在弹性工作阶段具有较大的刚度，整个节点有较强的受弯、受剪承载能力。
板凳形拉结钢筋纵向钢筋与板柱拉结钢筋进行绑扎，并通过灌浆料将楼板与轻型钢管混凝土柱进行拉结，因此使得板-柱-节点域协调变形能力增强了。同时，π形连接件上肢腹板周围浇筑灌浆料后，使得节点域的抗弯刚度得到提升，抗剪承载力提高。同时，纵向钢筋构造将中柱两侧π形连接件上肢进行有效拉结，因此提高了中柱两侧节点域整体性，一定程度上提高了板柱-节点域的延性。
根据“强柱弱梁”的设计原则，即梁柱节点处，柱端实际受弯承载力大于梁端实际受弯承载力，π形连接件只需要在有梁的一侧进行布置，同一柱上不同位置的π形连接件并不连续。如中柱两侧π连接件无直接联系，其中一侧节点失效，另一侧节点不会受到影响。
根据“强节点弱构件”的设计原则，即节点区域的实际承载力大于构件的实际承载力，节点的破坏形式应设计为梁端变形破坏，地震作用下钢梁破坏位置集中于梁翼缘螺栓孔处，此处钢梁翼缘截面将会经历从屈服到断裂的过程，具有理想的延性破坏特征。
采用本发明所述的一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点节能环保、运输方便、设计简便、装配化程度高、工业化水平高，是适用于低、多轻钢框架及轻钢桁架住宅建筑体系梁柱装配一种新型节点连接形式。
最后需要指出的是：尽管上述通过举例说明，已经描述了本发明优选的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述说明，本领域一般技术人员可以理解的是，在不背离本发明所教导的实质和精髓的前提下，任何修改和变化都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，其特征在于：柱板拉结筋(2)焊接在轻型方钢管再生混凝土柱(1)上用于连接预制再生混凝土楼板(16)；π形连接件(4)由π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)以及矩形底板(10)组成，其中矩形底板(10)为一中间开矩形孔的钢板，π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)分别满焊焊接在矩形底板(10)上，从而形成π形连接件(4)；轻型方钢管再生混凝土柱(1)与π形连接件(4)焊接，利用π形连接件(4)上矩形底板(10)的外边缘四边与轻型方钢管再生混凝土柱(1)钢管壁焊接形成外缘四条角焊缝，矩形底板(10)的内侧开孔出的四条边与轻型方钢管再生混凝土柱(1)钢管壁焊接形成内缘四条角焊缝，轻型方钢管再生混凝土柱(1)与单个π形连接件(4)通过内侧与外侧共八条角焊缝相连；腹板连接板(5)通过两条直角角焊缝透过矩形底板(10)内侧开孔与轻型方钢管再生混凝土柱(1)钢管壁焊接；H型钢梁(3)上下翼缘与π形连接件(4)的π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)通过30mm长高强螺栓(6)进行连接；H型钢梁(3)腹板与腹板连接板(5)通过30mm长高强螺栓(6)进行连接；上层预制钢支撑(11)通过30mm长高强螺栓(6)与70mm贯通高强螺栓(13)与π形连接件上肢(8)连接；预制再生混凝土楼板(16)通过楼板抗剪栓钉(7)以及高强灌浆料与H型钢梁(3)连接；预制再生混凝土楼板(16)通过柱板拉结筋(2)、工字形板凳拉结钢筋(14)、楼板钢筋(17)相互绑扎最后通过高强浇筑灌浆料相连；灌浆料托板(15)预埋在预制再生混凝土楼板(16)中；工字形板凳拉结钢筋(14)通过70mm贯通高强螺栓(13)固定在π形连接件上肢(8)的腹板处，并与楼板钢筋(17)进行绑扎，浇筑高强灌浆料后使π形连接件上肢(8)与预制再生混凝土楼板(16)形成一体。
2.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，其特征在于：所述的轻型方钢管再生混凝土柱(1)中的方钢管采用方形热轧无缝钢管。
3.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，其特征在于：所述柱板拉结筋(2)为带有弯折锚固端的钢筋。
4.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，其特征在于：所述腹板连接板(5)为矩形钢板，长度与π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)长度相同，宽度为矩形底板(10)矩形孔洞高度的80％，厚度等于H型钢梁(3)腹板厚度；腹板连接板(5)一侧通过两条垂直角焊缝，透过矩形底板(9)中心的矩形孔洞垂直焊接在轻型方钢管再生混凝土柱(1)柱壁上；腹板连接板(4)通过、30mm长高强螺栓(6)与H型钢梁(3)腹板相连。
5.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，其特征在于：所述π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)为两个材料、尺寸相同的短工字钢梁，其外伸长度为H型钢梁(3)梁高的1.0～1.5倍，梁高为H型钢梁(3)梁高的0.5～1.0倍，上下翼缘及腹板厚度为H型钢梁(3)翼缘厚度的0.8～1.0倍，翼缘宽度与H型钢梁(3)翼缘宽度相同；π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)通过角焊缝垂直焊接于矩形底板(10)上，π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)关于中心开孔的矩形底板(10)形心对称布置，上工字钢悬挑短梁下翼缘底部与下工字钢悬挑短梁上翼缘顶部距中心开孔的矩形底板(10)的形心距离分别为H型钢梁(3)的0.55倍梁高度。
6.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，其特征在于：所述矩形底板(10)为中心开孔的矩形钢板。
7.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，其特征在于：所述上层预制钢支撑(11)与下层预制钢支撑(12)为热轧H型钢，以60°～45°角布置在两个相邻轻型方钢管再生混凝土柱(1)之间；翼缘宽度与π形连接件上肢(8)相等。
8.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，其特征在于：所述工字形板凳拉结钢筋(14)为一种预制成型三维钢筋笼；工字形板凳拉结钢筋(14)由横向拉结弓形钢筋网与纵向拉结筋两部分组成；横向拉结弓形钢筋网由两侧两根带锚固端的弓形钢筋以及中间横向连接钢筋构成；两端通过点焊或绑扎的形式将弓形钢筋与其进行固定，形成一个预制成型三维钢筋网；横向拉结弓形钢筋网布置在柱两侧π形连接件上肢(8)腹板处。
9.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点，其特征在于：灌浆料托板(15)为三边焊接有预埋锚固钢筋弯钩的薄钢板；
所述预制再生混凝土楼板(16)为工厂预制的钢筋混凝土楼板；
所述楼板钢筋(17)为预制再生混凝土楼板(16)内配置的分布钢筋。
10.一种钢管混凝土柱-H型钢梁-钢支撑-π形连接件组合式中柱中部节点作法，其特征在于：该作法的具体做法如下，
第一步：工厂预制轻型方钢管再生混凝土柱(1)、柱板拉结筋(2)，选择相应尺寸方钢管以及钢板，切割、打磨、开孔后在底部焊接基础连接板，随后在内部浇筑再生混凝土，经过养护完成方钢管再生混凝土柱(1)的制作；将制作完成的柱板拉结筋(2)焊接至轻型方钢管再生混凝土柱(1)两侧相应位置；
第二步：在工厂车间加工π形连接件(4)以及腹板连接板(5)，先选择相应尺寸的成品热轧工字钢梁，进行切割、打磨、打孔等制作成π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)，将相应厚度热轧钢板切割、开孔，制作成矩形底板(10)；将π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)与矩形底板(10)进行焊接，制作成π形连接件(4)；选择相应尺寸与强度的钢板进行切割、开孔后制作成腹板连接板(5)；
第三步：在工厂车间将π形连接件(4)以及腹板连接板(5)焊接至轻型方钢管再生混凝土柱(1)的两侧相应位置；将π形连接件(4)焊接至轻型方钢管再生混凝土柱(1)上，应注意π形连接件(4)通过外侧角焊缝及内侧角焊缝与轻型方钢管再生混凝土柱(1)侧面贴焊连接；然后将腹板连接板(5)通过矩形底板(10)中心孔洞焊接至方钢管柱上；将螺母焊接至π形连接件上肢(8)、π形连接件下肢(9)螺栓孔位置以备安装螺栓；
第四步：设置一道加劲肋焊接在H型钢梁(3)腹板端部位置，加劲肋厚度不小于H型钢梁(3)腹板厚度；按照设计位置加工H型钢梁(3)上下翼缘与腹板螺栓孔；最后在H型钢梁(3)顶面焊接栓钉；
第五步：工厂加工上层预制钢支撑(11)以及下层预制钢支撑，选择符合截面尺寸要求的热轧H型钢，打磨、切削成相应尺寸；选择钢板，经过切割、打磨、开孔等工序，加工制作钢支撑底部节点板；将加工成型的钢支撑焊接到底部节点板上；预制钢支撑加工完成；
第六步：制作灌浆料托板(15)和预制再生混凝土楼板(16)，工厂选择成品钢板切割成相应尺寸，通过切割、弯折等工序加工灌浆料托板(15)上的锚固用钢筋弯钩，将钢筋弯钩点焊到钢板上加工完成灌浆料托板；制作、绑扎楼板钢筋，支楼板模板，将灌浆料托板放置在开洞处，浇筑楼板再生混凝土，养护成型；
第七步：在施工现场安装带有π形连接件(4)及腹板连接板(5)的轻型方钢管再生混凝土柱(1)，将钢管混凝土柱通过基础连接板安装至基础上；在H型钢梁(6)端部上下切割长三角形缺口，将H型钢梁(3)滑入两侧方钢管柱π形连接件(4)之间，使π形连接件(4)及腹板连接板(5)上的螺栓孔与H型钢梁(3)螺栓孔对正，用高强螺栓拧紧固定；
第八步：将预制再生混凝土楼板安装到相应位置；然后将上层预制钢支撑(11)以及下层预制钢支撑(12)通过高强螺栓安装到相应位置上；
第九步：将工字形板凳拉结钢筋(14)放置到相应位置，拧紧70mm贯通高强螺栓(13)将工字形板凳拉结钢筋(14)固定在π形连接件上肢(8)腹板位置；并将工字形板凳拉结钢筋(14)两端横向弓形拉结筋绑扎到楼板钢筋(17)上；将纵向拉结筋与柱板拉结筋(2)以及楼板钢筋(17)进行绑扎；
第十步：在楼板抗剪栓钉(7)、π形连接件上肢(8)、工字形板凳拉结钢筋(14)以及灌浆料托板(15)位置浇筑高强灌浆料，待养护完成进行后续施工。
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