CN112196121A - 竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑构造领域，本发明竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点,其包括双钢管组件、连接组件和基础组件；双钢管组件包括下外钢管、下内钢管、上外钢管、上内钢管和中内钢管；连接组件包括内撑件Ⅰ、内撑件Ⅱ、连接筒和带折痕耗能装置；基础组件包括上基础钢板、下基础钢板和混凝土基础，上基础钢板中心开孔，套在下外钢管上，与下外钢管固定为一体，下外钢管固定于水平板上；内撑设计在双钢管柱内形成“竹节”作用，提高了柱子的整体强度，同时内撑设计加强了柱脚强度，在柱脚处提供内部支撑，防止了内部钢管发生屈曲；带折痕耗能装置作为一种能量吸收装置，在地震时通过钢管壁的折叠和展开消耗地震能量，保证柱和基础的整体性，提高抗震能力。

Description

竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点及安装方法

技术领域

本发明涉及建筑结构领域，具体而言，涉及一种建筑的节点以及采用该节点的安装方法。

背景技术

随着社会经济的发展，建筑结构不断向更高、更大的方向发展，钢管混凝土由于其承载力大、抗震能力强、较大的变形能力和施工方便等优势，使其在工程中得到广泛的应用。

目前，已经有大量关于钢管混凝土结构的研究，证实了钢管混凝土结构具有良好的抗震性能。

但柱脚处是柱与基础连接的关键部位，对于整个结构的安全和结构性能十分重要。现有柱脚连接方式多为钢管直接焊接，现场施工要求高，且质量不好控制，焊接残余应力使结构发生脆性破坏的可能性增大，并降低压杆稳定承载力，同时残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化，在地震作用时，可能会发生钢管的局部屈曲，导致节点的变形过大，造成结构失效。

发明内容

本发明的技术效果能够针对现有柱与基础连接结构的不足,提供一种竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，包括双钢管组件、连接组件和基础组件，双钢管组件与基础组件之间通过连接组件连接；

双钢管组件包括下外钢管、下内钢管、上外钢管和上内钢管；

连接组件包括内撑件Ⅰ、内撑件Ⅱ、连接筒和耗能装置；

内撑件Ⅰ包括圆钢柱Ⅰ，圆钢柱Ⅰ的上下两端分别固定连接方形连接块Ⅰ，方形连接块Ⅰ各个侧面上均设置有若干螺栓孔；

内撑件Ⅱ包括圆钢柱Ⅱ、方形连接块Ⅱ和底部支撑件，底部支撑件包括水平板和十字支撑板，十字支撑板固定于水平板的下侧面，水平板的上侧面中心处固定连接圆钢柱Ⅱ的一端，圆钢柱Ⅱ的另一端固定连接方形连接块Ⅱ，方形连接块Ⅱ的四个侧面上均设置有若干螺栓孔；

连接筒包括内筒和外筒，内筒设置在外筒内，且与外筒之间固定连接，内筒与外筒的各侧面均设置有对应的螺栓孔；

耗能装置设置在连接筒外侧；

基础组件包括上基础钢板、下基础钢板和混凝土基础，混凝土基础将上基础钢板和下基础钢板包裹；上基础钢板中心开孔，下外钢管固定设置在中心开孔内，下外钢管的下端卡在水平板上；下基础钢板上设置有与十字支撑板相匹配的十字形开孔，十字支撑板插在十字形开孔内；

下内钢管套在圆钢柱Ⅱ和方形连接块Ⅱ上，方形连接块Ⅱ上表面突出于下内钢管上表面；下内钢管上方依次设置内筒、上内钢管，内撑件Ⅰ放置于上内钢管内，上下两端的方形连接块Ⅰ皆突出于上内钢管的上下两表面；内筒的上端套在下方的方形连接块Ⅰ上，内筒的下端套在方形连接块Ⅱ上，下内钢管、内筒、上内钢管通过螺栓分别与方形连接块Ⅱ、方形连接块Ⅰ连接；

耗能装置套在连接筒外，下外钢管的顶部以及上外钢管的底部分别通过螺栓与连接筒、耗能装置连接。

优选地，下基础钢板的四边设置纵横交错的肋条，起到加强下基础钢板强度的作用。

优选地，上基础钢板、下基础钢板和混凝土基础之间通过FRP筋连接，FRP为纤维增强复合材料，可大大提高上基础钢板、下基础钢板和混凝土基础之间的固定强度。

优选地，混凝土基础上开有方形孔，方形孔正对十字形开孔，这样下外钢管可从方形孔内穿出，且内撑件Ⅱ正好卡在十字形开孔内。

优选地，混凝土基础的侧边设置与肋条相匹配的凹槽，凹槽卡在肋条上，起到限位作用。

优选地，内筒上下两端的各侧面皆设有连接板，连接板支撑在内筒与外筒之间，内筒与外筒之间通过连接板固定连接。在内筒与外筒之间通过螺栓固定时，连接板起到支撑的作用，内筒与外筒不会向内产生凹陷变形。

优选地，耗能装置为方形筒状结构，四个侧面均为带折痕的钢板，四个侧面的上下两端均设置有螺栓孔；耗能装置内壁的上下两端皆设置有一圈凸台，便于上下外钢板与耗能装置之间的快速、准确定位。

优选地，内筒的内径与下内钢管、上内钢管的内径相同。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述柱脚节点的安装方法，包括如下步骤：

第一步：将内撑件Ⅱ放置于下基础钢板上，十字支撑板插入十字形开孔内；

第二步：将上基础钢板与下外钢管固定为一体，下外钢管下端卡在水平板上，将上基础钢板固定在下基础钢板上；

第三步，将混凝土基础安装于下基础钢板上，上基础钢板、下基础钢板和混凝土基础通过FRP筋连接；

第四步，将下内钢管套在内撑件Ⅱ上；

第五步：将连接筒安装于下内钢管上方，内筒下端卡在下内钢管上端，将耗能装置安装于下外钢管上侧，下外钢管的上端卡在耗能装置下端的凸台上，将螺栓依次穿过耗能装置、下外钢管、连接筒、下内钢管后固定于方形连接块Ⅱ上；

第六步：内筒上方安装上内钢管，上内钢管内插入内撑件Ⅰ，将上外钢管插入上内钢管外侧，上外钢管的下端卡在耗能装置上端的凸台上；连接筒上端，将螺栓依次穿过耗能装置、上外钢管、连接筒、上内钢管后固定于方形连接块Ⅰ上；

第七步：从上外钢管的上方向内部浇筑混凝土。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的内撑设计在双钢管柱内形成“竹节”作用，提高了柱子的整体强度，同时内撑设计加强了柱脚强度，在柱脚处提供内部支撑，防止了内部钢管发生屈曲；

(2)本发明的耗能装置作为一种能量吸收装置，在地震时通过钢管壁的折叠和展开消耗地震能量，保证柱和基础的整体性，提高抗震能力；

(3)本发明通过螺杆来连接整体，浇筑的混凝土加强了混凝土与双钢管的连接；

(4)本发明采用装配式设计，加快了施工进度，提高了施工质量。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是内钢管安装示意图；

图3是连接筒带耗能装置安装示意图；

图4是内撑件Ⅰ结构示意图；

图5是内撑件Ⅱ结构示意图；

图6是连接筒结构分解示意图；

图7是耗能装置结构示意图；

图8是本发明局部安装示意图；

图9是下基础钢板结构示意图；

图10是混凝土基础结构示意图；

图11是本发明安装步骤图。

其中，1、双钢管组件；11、下外钢管；12、下内钢管；13、上外钢管；14、上内钢管；

2、连接组件；21、内撑件Ⅰ；2101、圆钢柱Ⅰ；2102、方形连接块Ⅰ；22、内撑件Ⅱ；2201、圆钢柱Ⅱ；2202、方形连接块Ⅱ；2203、水平板；2204、十字支撑板；23、连接筒；2301、内筒；2302、外筒；2303、连接板；24、耗能装置；2401、凸台；

3、基础组件；31、上基础钢板；32、下基础钢板；3201、十字形开孔；3202、肋条；33、混凝土基础；3301、方形孔；3302、凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，包括双钢管组件1、连接组件2和基础组件3。

双钢管组件1包括下外钢管11、下内钢管12、上外钢管13和上内钢管14。

连接组件2包括内撑件Ⅰ21、内撑件Ⅱ22、连接筒23和耗能装置24。

如图4所示，内撑件Ⅰ21包括圆钢柱Ⅰ2101，圆钢柱Ⅰ2101的上下两端分别固定连接方形连接块Ⅰ2102，方形连接块Ⅰ2102各个侧面上均设置有若干螺栓孔。

如图5所示，内撑件Ⅱ22包括圆钢柱Ⅱ2201、方形连接块Ⅱ2202和底部支撑件，底部支撑件包括水平板2203和十字支撑板2204，十字支撑板2204固定于水平板2203的下侧面，水平板2203的上侧面中心处固定连接圆钢柱Ⅱ2201的一端，圆钢柱Ⅱ2201的另一端固定连接方形连接块Ⅱ2202，方形连接块Ⅱ2202的四个侧面上均设置有若干螺栓孔。

如图6所示，连接筒23包括内筒2301和外筒2302，内筒2301上下两端的各侧面皆设有连接板2303，连接板2303支撑在内筒2301与外筒2302之间，内筒2301与外筒2302之间通过连接板2303固定连接。为了不影响混凝土的浇筑，连接板2303为十字形结构，连接板与外筒之间未接触处留有空隙，便于混凝土流动。

如图7所示，耗能装置24为方形筒状结构，四个侧面均为带折痕的钢板，钢板的上下两端均设置有螺栓孔；折痕的引入会显著降低带折痕耗能装置的初始刚度,但对极限承载力的削弱程度相对较小,带折痕耗能装置通过在地震时筒壁的折叠和展开消耗地震能量，保证柱和基础的连接，提高抗震能力。耗能装置24内壁的上下两端皆设置有一圈凸台2401。

基础组件3包括上基础钢板31、下基础钢板32和混凝土基础33，混凝土基础33将上基础钢板31和下基础钢板32包裹，上基础钢板、下基础钢板和混凝土基础通过FRP筋连接。

如图9所示，下基础钢板的中心处设置有与十字支撑板相匹配的十字形开孔3201，下基础钢板的四边设置有肋条3202。如图10所示，混凝土基础33上开有方形孔3301，混凝土基础底部设置有与肋条匹配的凹槽3302，将混凝土基础安装于下基础钢板上，下基础钢板的十字形开孔位于方形孔内。如图8所示，上基础钢板31中心开孔，下外钢管11固定设置在中心开孔内，下外钢管11的下端卡在水平板2203上；下基础钢板32上设置有与十字支撑板2204相匹配的十字形开孔3201，十字支撑板2204插在十字形开孔3201内。

如图2所示，下内钢管12套在圆钢柱Ⅱ2201和方形连接块Ⅱ2202上，方形连接块Ⅱ2202上表面突出于下内钢管12上表面；下内钢管12套在圆钢柱Ⅱ2201和方形连接块Ⅱ2202上，方形连接块Ⅱ2202上表面突出于下内钢管12上表面；下内钢管12上方依次设置内筒2301、上内钢管14，内撑件Ⅰ21放置于上内钢管14内，上下两端的方形连接块Ⅰ2102皆突出于上内钢管14的上下两表面；内筒2301的上端套在下方的方形连接块Ⅰ2102上，内筒2301的下端套在方形连接块Ⅱ2202上，下内钢管12、内筒2301、上内钢管14通过螺栓分别与方形连接块Ⅱ2202、方形连接块Ⅰ2102连接。

如图3所示，耗能装置24套在连接筒23外，下外钢管11的顶部以及上外钢管13的底部分别通过螺栓与连接筒23、耗能装置24连接。

如图11所示，本发明的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点的安装过程如下：

第一步：将内撑件Ⅱ22放置于下基础钢板32上，十字支撑板2204插入十字形开孔3201内；

第二步：将上基础钢板31与下外钢管11固定为一体，下外钢管11下端卡在水平板2203上，将上基础钢板31固定在下基础钢板32上；

第三步，将混凝土基础33安装于下基础钢板32上，上基础钢板31、下基础钢板32和混凝土基础33通过FRP筋连接；

第四步，将下内钢管12套在内撑件Ⅱ22上；

第五步：将连接筒23安装于下内钢管12上方，内筒2301下端卡在下内钢管12上端，将耗能装置24安装于下外钢管11上侧，下外钢管11的上端卡在耗能装置24下端的凸台2401上，将螺栓依次穿过耗能装置24、下外钢管11、连接筒23、下内钢管12后固定于方形连接块Ⅱ2202上；

第六步：内筒2301上方安装上内钢管14，上内钢管14内插入内撑件Ⅰ21，将上外钢管13插入上内钢管14外侧，上外钢管13的下端卡在耗能装置24上端的凸台2401上；连接筒23上端，将螺栓依次穿过耗能装置24、上外钢管13、连接筒23、上内钢管14后固定于方形连接块Ⅰ2102上；

第七步：从上外钢管13的上方向内部浇筑混凝土。

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 (10)

1.一种竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，其特征在于，

包括双钢管组件(1)、连接组件(2)和基础组件(3)，双钢管组件(1)与基础组件(3)之间通过连接组件(2)连接；

双钢管组件(1)包括下外钢管(11)、下内钢管(12)、上外钢管(13)和上内钢管(14)；

连接组件(2)包括内撑件Ⅰ(21)、内撑件Ⅱ(22)、连接筒(23)和耗能装置(24)；

内撑件Ⅰ(21)包括圆钢柱Ⅰ(2101)，圆钢柱Ⅰ(2101)的上下两端分别固定连接方形连接块Ⅰ(2102)，方形连接块Ⅰ(2102)各个侧面上均设置有若干螺栓孔；

内撑件Ⅱ(22)包括圆钢柱Ⅱ(2201)、方形连接块Ⅱ(2202)和底部支撑件，底部支撑件包括水平板(2203)和十字支撑板(2204)，十字支撑板(2204)固定于水平板(2203)的下侧面，水平板(2203)的上侧面中心处固定连接圆钢柱Ⅱ(2201)的一端，圆钢柱Ⅱ(2201)的另一端固定连接方形连接块Ⅱ(2202)，方形连接块Ⅱ(2202)的四个侧面上均设置有若干螺栓孔；

连接筒(23)包括内筒(2301)和外筒(2302)，内筒(2301)设置在外筒(2302)内，且与外筒(2302)之间固定连接，内筒(2301)与外筒(2302)的各侧面均设置有对应的螺栓孔；

耗能装置(24)设置在连接筒(23)外侧；

基础组件(3)包括上基础钢板(31)、下基础钢板(32)和混凝土基础(33)，混凝土基础(33)将上基础钢板(31)和下基础钢板(32)包裹；上基础钢板(31)中心开孔，下外钢管(11)固定设置在中心开孔内且其下端卡在水平板(2203)上；下基础钢板(32)上设置有十字形开孔(3201)，十字支撑板(2204)插在十字形开孔(3201)内；

下内钢管(12)套在圆钢柱Ⅱ(2201)和方形连接块Ⅱ(2202)上，方形连接块Ⅱ(2202)上表面突出于下内钢管(12)上表面；下内钢管(12)上方依次设置内筒(2301)、上内钢管(14)，内撑件Ⅰ(21)放置于上内钢管(14)内，上下两端的方形连接块Ⅰ(2102)皆突出于上内钢管(14)的上下两表面；内筒(2301)的上端套在下方的方形连接块Ⅰ(2102)上，内筒(2301)的下端套在方形连接块Ⅱ(2202)上，下内钢管(12)、内筒(2301)、上内钢管(14)通过螺栓分别与方形连接块Ⅱ(2202)、方形连接块Ⅰ(2102)连接；

耗能装置(24)套在连接筒(23)外，下外钢管(11)的顶部以及上外钢管(13)的底部分别通过螺栓与连接筒(23)、耗能装置(24)连接。

2.根据权利要求1所述的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，其特征在于，下基础钢板(32)的四边设置纵横交错的肋条(3202)。

3.根据权利要求2所述的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，其特征在于，上基础钢板(31)、下基础钢板(32)和混凝土基础(33)之间通过FRP筋连接。

4.根据权利要求2所述的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，其特征在于，混凝土基础(33)上开有方形孔(3301)，方形孔(3301)正对十字形开孔(3201)。

5.根据权利要求4所述的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，其特征在于，混凝土基础(33)的侧边设置与肋条(3202)相匹配的凹槽(3302)。

6.根据权利要求2所述的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，其特征在于，内筒(2301)上下两端的各侧面皆设有连接板(2303)，连接板(2303)支撑在内筒(2301)与外筒(2302)之间，内筒(2301)与外筒(2302)之间通过连接板(2303)固定连接。

7.根据权利要求6所述的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，其特征在于，每端的四块连接板(2303)呈十字形结构。

8.根据权利要求2所述的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，其特征在于，耗能装置(24)为方形筒状结构，四个侧面均为带折痕的钢板，四个侧面的上下两端均设置有螺栓孔；耗能装置(24)内壁的上下两端皆设置有一圈凸台(2401)。

9.根据权利要求2所述的竹节式耗能钢管混凝土柱脚节点，其特征在于，内筒(2301)的内径与下内钢管(12)、上内钢管(14)的内径相同。

10.一种采用上述任一权利要求所述柱脚节点的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：将内撑件Ⅱ(22)放置于下基础钢板(32)上，十字支撑板(2204)插入十字形开孔(3201)内；

第二步：将上基础钢板(31)与下外钢管(11)固定为一体，下外钢管(11)下端卡在水平板(2203)上，将上基础钢板(31)固定在下基础钢板(32)上；

第三步，将混凝土基础(33)安装于下基础钢板(32)上，上基础钢板(31)、下基础钢板(32)和混凝土基础(33)通过FRP筋连接；

第四步，将下内钢管(12)套在内撑件Ⅱ(22)上；

第五步：将连接筒(23)安装于下内钢管(12)上方，内筒(2301)下端卡在下内钢管(12)上端，将耗能装置(24)安装于下外钢管(11)上侧，下外钢管(11)的上端卡在耗能装置(24)下端的凸台(2401)上，将螺栓依次穿过耗能装置(24)、下外钢管(11)、连接筒(23)、下内钢管(12)后固定于方形连接块Ⅱ(2202)上；

第六步：内筒(2301)上方安装上内钢管(14)，上内钢管(14)内插入内撑件Ⅰ(21)，将上外钢管(13)插入上内钢管(14)外侧，上外钢管(13)的下端卡在耗能装置(24)上端的凸台(2401)上；连接筒(23)上端，将螺栓依次穿过耗能装置(24)、上外钢管(13)、连接筒(23)、上内钢管(14)后固定于方形连接块Ⅰ(2102)上；

第七步：从上外钢管(13)的上方向内部浇筑混凝土。

Images