CN112049254A - 柱全截面隔板形式无箍筋纤维增强混凝土混合框架节点 - Google Patents

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CN112049254A CN202010982235.0A CN202010982235A CN112049254A CN 112049254 A CN112049254 A CN 112049254A CN 202010982235 A CN202010982235 A CN 202010982235A CN 112049254 A CN112049254 A CN 112049254A
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Abstract

本发明涉及混凝土结构与组合结构建筑领域，提供一种采用柱全截面隔板形式及纤维增强混凝土的钢筋混凝土柱—钢梁混合框架节点。采用上下两枚柱全截面隔板形式的水平节点板；节点板周边开有圆孔并穿设柱纵向钢筋；节点板面设置水平方向剪力键；上下节点板之间不设箍筋，浇筑纤维增强混凝土；节点板向外延伸形成短梁，短梁的翼缘为变截面，翼缘之间焊接腹板，与跨中钢梁栓接或焊接；短梁腹板内端可垂直于腹板设置面承板，面承板与腹板及上下节点板焊接以增加节点抗剪承载力。本发明可以避免柱端承压破坏，改善节点受力性能；同时省略节点箍筋，简化节点制作流程，便于预制装配化施工。

Description

柱全截面隔板形式无箍筋纤维增强混凝土混合框架节点
技术领域
本发明涉及混凝土结构与组合结构建筑领域，具体涉及一种采用柱全截面隔板形式的钢筋混凝土柱—钢梁混合框架结构的节点。
背景技术
现有钢筋混凝土柱—钢梁混合框架结构的节点主要有梁贯通形式、柱贯通形式和端板高强螺栓连接形式，各自存在以下问题：
1.现有梁贯通形式节点(图5)中，由于钢梁翼缘较窄，杠杆反力导致柱端混凝土应力集中而发生承压破坏，节点耗能能力和延性较差，设计时需要通过复杂的构造措施来避免；同时，由于钢梁翼缘和腹板贯通节点，节点区抗剪箍筋须穿设腹板，导致箍筋配置困难；而且无论竖向浇筑或横向浇筑，混凝土浇筑空间都存在死角，难以保证浇筑质量。
2.现有柱贯通形式节点(图6)中，钢梁翼缘不贯通，在端板处产生应力集中，端板容易发生平面外翘曲变形，难以保证梁端应力从一侧向另一侧的有效传递；钢梁与端板的焊缝要求高，焊接影响区难以发展塑性变形；节点区不配抗剪箍筋，依靠腹板和柱面钢板抗剪，形成竖向贯通，横向封闭的节点空间，仅适合于竖向混凝土浇筑，难以实现需横向浇筑的节点与钢筋混凝土柱一体化预制。
3.端板高强螺栓连接节点的纵横向预留螺杆孔一定程度上削弱了节点区混凝土的抗剪能力，并且螺栓可能会随时间发生应力松弛，其长期可靠性需要进一步研究；节点混凝土的浇筑特性与柱贯通形式类似。
4.不论现有梁贯通形式还是现有柱贯通形式，节点区钢材布置均较为复杂，焊接工作量大，节点制作及拼装复杂，节点区箍筋难以配置，混凝土浇筑和振捣空间狭小，既不方便工厂预制，又不利于现场浇筑施工。
因此，需要研究设计一种性能更全面的混合框架结构节点。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种采用柱全截面隔板形式的混合框架节点，从而避免柱端发生承压破坏，保证有效传递水平剪力，改善节点的抗震性能；同时减少焊接工作量，简化节点配筋流程，降低节点施工难度，便于节点和柱一体化预制和体系的装配化施工，省工省力、提高建造速度和施工质量。
一种钢筋混凝土柱—钢梁混合框架节点，包括上、下两枚节点板，所述上、下节点板均为覆盖柱全截面的隔板，其上开有上下对应的避让孔，柱纵向钢筋穿设于所述避让孔内并贯穿节点；
上、下节点板之间不设箍筋，上、下节点板之间浇筑纤维增强混凝土。
为了避免局部应力集中产生节点柱端的承压破坏，同时保证左右钢梁翼缘的连接具有足够的强度和刚度，同时便于节点和柱在工厂一体化预制，以混凝土横向浇筑为出发点，采用了柱全截面隔板形式的水平节点板(例如，图1-图4所示结构)；为了降低节点施工难度和保证配筋精度，节点板上开有上下对应的避让孔，柱纵向钢筋穿设于避让孔内并贯穿节点；进一步为了简化节点配筋流程，提高节点的适用性和可实施性，上下节点板之间不设箍筋；同时为了保证通常情况下节点核心区的抗剪强度，上下节点板之间浇筑抗剪强度较高的纤维增强混凝土。箍筋的存在会干扰和阻碍纤维的流动，影响纤维增强混凝土中纤维分布的均质性，省略箍筋不仅是为了简化流程，同时是为了消除箍筋对纤维增强混凝土均质性的不良影响。因此，本发明中，排除箍筋是使用纤维增强混凝土的必要条件。本发明中，节点板中部并非必须开孔，当需要竖向浇筑钢筋混凝土柱及节点核心区的混凝土时，可以在上下节点板中部开设较大的混凝土浇筑孔(例如，图4所示结构)。
为了防止穿设柱纵向钢筋的避让孔内混凝土没有填充密实而导致钢筋混凝土柱—水平节点板—节点核心区混凝土之间产生较大的相对滑移，影响节点抗震性能，在上、下节点板中部的外侧或内外两侧设置竖向栓钉(例如，图1、图3所示结构)或圆环形竖向凸起部(例如，图2所示结构)或节点板开孔(例如，图4所示结构)构成水平抗剪键，形成水平方向的柔性或刚性的抗剪键，有效减小滑移变形。
上、下节点板向外侧延伸形成短梁接头的翼缘，上、下翼缘之间固设有短梁腹板；短梁接头的翼缘和短梁腹板分别与钢梁的翼缘和腹板固定连接。
作为优选，所述短梁接头的翼缘为变宽度截面，所述短梁腹板与上、下翼缘焊接为一体。
作为优选，所述短梁接头的翼缘和短梁腹板分别与钢梁的翼缘和腹板进行螺栓连接或拼接板焊接连接。
为了保证梁端弯矩的有效传递和便于节点与梁的装配化连接，将节点板直接向外侧延伸形成短梁接头的翼缘，与钢梁的翼缘连接；短梁上下翼缘之间设置短梁腹板并与翼缘固定连接(如焊接)，与钢梁的腹板连接以传递梁端剪力；为了增加梁端抗弯能力，同时促使钢梁塑性铰区适当向跨中转移，短梁接头的翼缘采用变宽度截面(如由内向外宽度逐渐变小)。短梁接头与跨中钢梁可用高强螺栓连接或拼接板焊接连接。
在短梁腹板内端垂直于短梁腹板设置面承板，面承板与短梁腹板及上、下节点板固定连接。
作为优选，所述面承板为上、下节点板之间的节点核心区留有开口
纤维增强混凝土的抗剪强度虽高于一般混凝土，但是当单位体积的纤维用量超过一定水平后，纤维增强混凝土的抗剪强度将不再增加。因此，当作用于节点的剪力较大，节点内纤维增强混凝土所提供的抗剪强度不足时，需要增加钢材提供抗剪。本发明的宗旨是省略箍筋和简化节点施工流程，因此排除追加箍筋或节点内增设腹板，而是创造性地在短梁腹板内端垂直于短梁腹板设置面承板(例如，图3、图4所示结构)来进一步提高节点抗剪强度；增设面承板提高节点抗剪强度的作用有三方面：①钢板面平行于x方向(y方向)的面承板作为腹板直接承受x方向(y方向)的节点剪力，②在x方向(y方向)受力时，平行于y方向(x方向)的面承板将作为竖向玄杆为拱机构和桁架机构提供拉力，③平行于y方向(x方向)的面承板还将为节点核心区混凝土提供x方向(y方向)约束，增加混凝土的强度和延性；面承板与短梁腹板及上、下节点板固定连接(如焊接)，面承板的宽度及厚度可根据设计所需抗剪承载力确定，同时作为一部分节点区的模板，考虑为节点核心区预留一部分开口，便于横向浇筑节点核心区的纤维增强混凝土。
通过取消节点内箍筋，节点内采用纤维增强混凝土，以及必要时在节点核心区外表面增设面承板等技术手段，在保证了节点核心区具有足够抗剪强度的同时，简化了节点施工流程，减小了节点核心区的混凝土浇筑难度，改善了混凝土浇筑质量，提高了节点的适用性和可实施性。同时，节点板向外侧延伸形成短梁接头，方便了与跨中钢梁的连接，形成了柱全截面隔板形式无箍筋纤维增强混凝土混合框架节点。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1.节点采用柱全截面隔板形式，可以避免局部应力集中，防止柱端承压破坏，同时保证了左右钢梁翼缘的连接具有足够的强度和刚度。柱全截面隔板形式的节点板为水平方向设置，有利于钢筋混凝土柱和节点一体化工厂预制时的混凝土横向浇筑；同时节点板中部可以开设较大的混凝土浇筑孔，满足混凝土竖向浇筑要求。
通过在节点板上开设上下对应的避让孔，方便钢筋混凝土柱的纵向钢筋贯穿节点定位穿设，方便了工厂预制，降低了节点施工难度，保证了配筋精度，减小了施工误差。
省略节点箍筋，上下节点板之间浇筑纤维增强混凝土，进一步简化了节点配筋流程，同时保证了节点具有一定的抗剪强度，消除了箍筋对纤维增强混凝土均质性的不良影响进而对纤维增强混凝土抗剪强度的不良影响。
2.通过在节点板外侧或内外两侧焊接栓钉(例如，图1、图3所示结构)或圆环形凸起(例如，图2所示结构)或节点板开孔(例如，图4所示结构)等形式的抗剪键，可以防止或减小钢筋混凝土柱—水平节点板—节点核心区混凝土之间的剪切滑移，减小柱纵向钢筋次生剪应力，改善节点滞回特性，提高体系的抗侧移刚度。
3.节点板外伸预留短梁，使节点与梁的连接分离，既简化了节点构造，避免了二者之间的相互影响，又容易满足连接精度要求，方便了与钢梁的连接；短梁的翼缘采用变宽度截面，可以实现对梁端抗弯能力的调节和控制，同时诱导钢梁塑性铰区适当向跨中方向转移，进一步确保节点的抗震性能。
4.通过在短梁腹板内端垂直于腹板设置面承板，为节点提供了更高的抗剪强度。一方面可以作为节点外侧的腹板直接承受节点剪力，另一方面可以形成拱机构和桁架机构的拉杆，同时不影响节点内部混凝土浇筑空间，还具有约束节点核心区混凝土，增加混凝土强度和延性的效果；此外，面承板还充当了一部分节点区的模板。
附图说明
图1是柱全截面隔板形式无箍筋纤维增强混凝土混合框架节点第一个实施例的节点构造三维示意图；
图2是柱全截面隔板形式无箍筋纤维增强混凝土混合框架节点第二个实施例的节点构造三维示意图；
图3是柱全截面隔板形式无箍筋纤维增强混凝土混合框架节点第三个实施例的节点构造三维示意图；
图4是柱全截面隔板形式无箍筋纤维增强混凝土混合框架节点第四个实施例的节点构造三维示意图；
图5是现有梁贯通形式的节点构造三维示意图；
图6是现有柱贯通形式的节点构造三维示意图；
图中：混合框架结构体系1；钢筋混凝土柱2；钢梁3；混合框架节点4；
节点板11；圆孔12；混凝土浇筑孔13；柱纵向钢筋14；柱箍筋15；短梁16；短梁翼缘17；短梁腹板18；螺栓孔19；钢梁翼缘20；钢梁腹板21；
栓钉31，圆环形凸起32；节点板开孔33；
面承板41；条形钢板箍42；加劲肋43；
节点内腹板51；端板52；斜拉板53；柱面钢板54；
纤维增强混凝土61；普通混凝土62。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照设计、预制构件生产或施工单位所建议的条件。
实施例1
如图1所示，本实施例的混合框架节点4是混合框架结构体系1中钢筋混凝土柱2和钢梁3相互连接的节点；
节点板11由上下两枚钢板组成，为了避免局部应力集中产生节点柱端的承压破坏，同时保证左右钢梁翼缘20的连接具有足够的强度和刚度，同时便于节点4和钢筋混凝土柱2一体化预制，采用了柱全截面隔板形式的水平节点板11；为了降低节点4的施工难度和保证配筋精度，节点板11上开有上下对应的圆孔12，柱纵向钢筋14穿设于圆孔12内并贯穿节点4；进一步为了简化节点配筋流程，上下节点板11之间不设箍筋；同时为了保证通常情况下节点核心区的抗剪强度，上下节点板11之间浇筑抗剪强度较高的纤维增强混凝土61。箍筋的存在会干扰和阻碍纤维的流动，影响纤维增强混凝土61中纤维分布的均质性，省略箍筋不仅是为了简化流程，同时是为了消除箍筋对纤维增强混凝土61均质性的不良影响；因此，本发明中，排除箍筋是使用纤维增强混凝土61的必要条件。
为了防止穿设柱纵向钢筋14的圆孔12内混凝土没有填充密实而导致钢筋混凝土柱2—水平节点板11—节点核心区混凝土61之间产生较大的相对滑移，影响节点4的抗震性能，在上下节点板11的外侧或内外两侧焊接设置竖向栓钉31，形成水平方向抗剪键，有效减小滑移变形。
为了保证钢梁3梁端弯矩的有效传递和便于节点与梁的装配化连接，将节点板11直接向外侧延伸形成短梁16接头的翼缘17，与钢梁3的翼缘20连接；短梁16的上下翼缘17之间设置腹板18并与翼缘17焊接，与钢梁3的腹板21连接以传递梁端剪力；为了增加梁端抗弯能力，同时促使钢梁塑性铰区适当向跨中转移，短梁16的翼缘17采用变宽度截面。短梁16与跨中钢梁3用高强螺栓连接或拼接板焊接连接。
实施例2
如图2所示，与实施例1相同，柱全截面隔板形式，节点核心区不设箍筋，采用纤维增强混凝土61。
与实施例1不同的是，为了防止穿设柱纵向钢筋14的圆孔12内混凝土没有填充密实而导致钢筋混凝土柱2—水平节点板11—节点核心区混凝土61之间产生较大的相对滑移，影响节点4的抗震性能，在上下节点板11的外侧或内外两侧焊接设置竖向圆钢管凸起部32，形成水平方向抗剪键，有效减小滑移变形。其余部分结构与实施例1类似。
实施例3
如图3所示，与实施例1相同，柱全截面隔板形式，节点核心区不设箍筋，采用纤维增强混凝土61，上下节点板外侧焊接设置竖向栓钉31抗剪键。
与实施例1不同的是，纤维增强混凝土61的抗剪强度虽高于一般混凝土，但是当单位体积的纤维用量超过一定水平后，纤维增强混凝土61的抗剪强度将不再增加。因此，当作用于节点的剪力较大，节点内纤维增强混凝土61所提供的抗剪强度不足时，需要增加钢材提供抗剪。本发明的宗旨是省略箍筋和简化节点施工流程，因此排除追加箍筋或节点内增设腹板，采用在短梁腹板18的内端垂直于腹板18增设面承板41来进一步提高节点4抗剪强度的方法；增设面承板提高节点抗剪强度的作用有三方面：①钢板面平行于x方向(y方向)的面承板41x(41y)作为腹板直接承受x方向(y方向)的节点剪力，②在x方向(y方向)受力时，平行于y方向(x方向)的面承板41y(41x)将作为竖向玄杆为拱机构和桁架机构提供拉力，③平行于y方向(x方向)的面承板41y(41x)还将为节点核心区混凝土61提供x方向(y方向)约束，增加混凝土61的强度和延性；面承板41与短梁腹板18及上下节点板11焊接，面承板41的宽度及厚度根据设计所需抗剪承载力确定，同时作为一部分节点核心区的模板，考虑为节点核心区预留一部分开口，便于横向浇筑节点核心区的纤维增强混凝土61。其余部分结构与实施例1类似。
实施例4
如图4所示，与实施例3不同的是，为了防止穿设柱纵向钢筋14的圆孔12内混凝土没有填充密实而导致钢筋混凝土柱2—水平节点板11—节点核心区混凝土61之间产生较大的相对滑移，影响节点4的抗震性能，在上下节点板11中部开孔33，形成水平方向抗剪键，有效减小滑移变形。其余部分结构与实施例3类似
与实施例3相同，柱全截面隔板形式，节点核心区不设箍筋，采用纤维增强混凝土61，增设面承板41。
当需要竖向浇筑钢筋混凝土柱2及节点4核心区的混凝土时，可以在上下节点板11中部开设较大的混凝土浇筑孔13兼作节点板开孔33，形成水平方向抗剪键。
通过取消节点内箍筋，节点内采用纤维增强混凝土61，以及必要时在节点核心区外表面增设面承板41等技术手段，在保证了节点核心区具有足够抗剪强度的同时，简化了节点施工流程，减小了节点核心区的混凝土浇筑难度，改善了混凝土浇筑质量，提高了节点的适用性和可实施性。同时，节点板11向外侧延伸形成短梁16接头，方便了与跨中钢梁3的连接，形成了柱全截面隔板形式无箍筋纤维增强混凝土混合框架节点。
对比例1
现有梁贯通形式节点：
如图5所示，现有梁贯通形式的混合框架节点4，由于钢梁翼缘20较窄，杠杆反力导致柱端混凝土发生承压破坏，节点耗能能力和延性较差，设计时需要通过设置条形钢板箍42和加劲肋43等复杂的构造措施来避免；当节点抗剪强度不足时需配置箍筋15，由于钢梁翼缘20和腹板21贯通节点，节点区抗剪箍筋15须穿设钢梁腹板21，导致箍筋15配置极为繁琐和困难；而且无论竖向浇筑或横向浇筑，混凝土浇筑空间都存在死角，难以保证浇筑质量。
对比例2
现有柱贯通形式节点：
如图6所示，现有柱贯通形式的混合框架节点4，由于钢梁翼缘20不贯通，端板52容易发生平面外翘曲变形，难以保证梁端应力从一侧向另一侧的有效传递，不得已须加焊斜拉板53加以改善；钢梁3与端板52的焊缝要求高，焊接影响区难以发展塑性变形；节点区不配抗剪箍筋，依靠腹板51和柱面钢板54抗剪，形成竖向贯通，横向封闭的分仓型节点空间。采用纤维增强混凝土可以提高节点的抗剪强度，然而分仓导致纤维不连续，难以发挥纤维增强混凝土的抗剪效果；同时横向封闭的分仓型节点空间仅适合于竖向混凝土浇筑，无法满足节点4与钢筋混凝土柱2一体化预制时的混凝土横向浇筑要求。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种钢筋混凝土柱—钢梁混合框架节点，其特征在于，包括上、下两枚节点板，所述上、下节点板均为覆盖柱全截面的隔板，其上开有上下对应的避让孔，柱纵向钢筋穿设于所述避让孔内并贯穿节点；
上、下节点板之间不设箍筋，上、下节点板之间浇筑纤维增强混凝土。
2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土柱—钢梁混合框架节点，其特征在于，在上、下节点板中部的外侧或内外两侧设置竖向栓钉或圆环形竖向凸起部或节点板开孔构成水平抗剪键。
3.根据权利要求1所述的钢筋混凝土柱—钢梁混合框架节点，其特征在于，上、下节点板向外侧延伸形成短梁接头的翼缘，上、下翼缘之间固设有短梁腹板；短梁接头的翼缘和短梁腹板分别与钢梁的翼缘和腹板固定连接。
4.根据权利要求3所述的钢筋混凝土柱—钢梁混合框架节点，其特征在于，所述短梁接头的翼缘为变宽度截面，所述短梁腹板与上、下翼缘焊接为一体。
5.根据权利要求3所述的钢筋混凝土柱—钢梁混合框架节点，其特征在于，所述短梁接头的翼缘和短梁腹板分别与钢梁的翼缘和腹板进行螺栓连接或拼接板焊接连接。
6.根据权利要求3所述的钢筋混凝土柱—钢梁混合框架节点，其特征在于，在短梁腹板内端垂直于短梁腹板设置面承板，面承板与短梁腹板及上、下节点板固定连接。
7.根据权利要求6所述的钢筋混凝土柱—钢梁混合框架节点，其特征在于，所述面承板为上、下节点板之间的节点核心区留有开口。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113737966A (zh) * 2021-09-13 2021-12-03 浙江大学 一种装配式rcs莲藕梁柱连接节点及其应用
CN115095020A (zh) * 2022-07-29 2022-09-23 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种柱梁节点结构及其施工方法

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