CN113175259A - 基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点，以型钢替代的梁柱节点核心区并作为梁柱节点的连接节点，通过螺栓进行现场拼接，可以有效缩短预制柱高，便于运输及现场快速装配，梁柱节点的软钢发生塑性屈服滞回变形而耗散地震能量，从而达到消能减震的目的，并使塑性铰产生于指定的部位，实现塑性铰可控、可替换。本发明的梁柱节点克服了目前湿法作业在施工现场仍需进行支模，现浇混凝土，养护的缺点，提高施工效率，减少模板支架提高经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构技术领域，具体涉及一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点。
背景技术
随着我国城镇化的不断推进，工业化的不断深入，人民受教育程度的不断提高和人口老龄化的不断加剧，我国的人口红利正在逐渐消失。劳动强度大，劳动环境差的建筑施工工种正在逐渐被人们摈弃。同时，传统建筑施工企业所面临的用工量大，资源消耗大，生产效率低和环境污染严重，水资源浪费等突出问题直接制约着传统建筑业的发展。为了解决这些问题，以装配式混凝土为主的建筑结构体系走入了人们的视野，被作为建筑工业化的重要手段加以推广、应用。
装配式混凝土结构因其工厂预制，施工现场吊装、拼接的特点，其梁、板、柱等构件的拼接节点成为其受力的薄弱点，节点的连接方式、施工特点不仅影响结构的整体受力性能而且影响生产效率。因此，深入研究装配式混凝土节点的连接方式对推进建筑工业化具有重要意义。
由于我国装配式建筑起步晚，基础研究多区域空白，不能给工程实际提供指导。因装配式的特点，节点的连接方式、施工特点不仅影响结构的整体受力性能而且影响生产效率。目前，我国主要采用湿式连接，但湿式连接影响工期，不能完全发挥装配式的优点。干式连接虽有应用但构造复杂安装困难，同时耗能能力严重不足，且目前的研究多采用的是将数层楼高的柱子通长浇筑，并在柱中预埋连接构件或做连接孔，作为梁的连接手段从而实现预制梁的拼接。这种干连接方式柱的长度较大，适用于交通较为便利的普通区域，但对一些环境恶劣，运输不便的区域来说，有极大限制。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种构造简单、施工方便、提高生产效率且能有效提高地震过程中的耗能能力的一种多向连接钢质梁柱节点。
具体技术方案如下：
一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点，包括：
上部型钢、下部型钢和梁连接型钢；
所述上部型钢包括第一底板、箱型柱板、加劲肋板和上部H型钢，其中，所述第一底板固定在上柱上，所述十字型箱型柱板固定在所述第一底板上，所述加劲肋板固定在所述十字型箱型柱板内，所述上部H型钢固定在所述十字型箱型柱板的外壁；
所述下部型钢包括第二底板与角钢，四个所述角钢固定至所述第二底板上的相应位置，使得四个所述角钢分别适配于插入在所述十字型箱型柱板的角点处；
所述梁连接型钢包括第三底板和梁H型钢，所述梁H型钢固定至所述第三底板上；
所述上部型钢、所述下部型钢和所述梁连接型钢上适当位置设有螺栓孔，相互之间通过螺栓连接。
进一步地，所述第一底板、所述第二底板和所述第三底板分别通过与柱/梁内纵筋焊接的方式进行固定。
进一步地，所述加劲肋板在所述十字型箱型柱板内间隔布置，间距与上部H型钢上下翼缘间距相同。
进一步地，所述螺栓孔至少设置在所述角钢、所述十字型箱型柱板、所述上部H型钢和所述梁H型钢上。
另一方面，本申请还包括根据前述之一所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的施工方法，包括如下步骤：
步骤1：在工厂预制上部型钢、下部型钢和梁连接型钢；
步骤2：将梁柱纵筋分别与上部型钢、下部型钢和梁连接型钢焊接固定；
步骤3：将上部型钢、下部型钢和梁连接型钢分别与上柱、下柱和梁整浇；
步骤4：将上部型钢与下部型钢插接并用高强摩擦型螺栓连接，再将梁吊装至合适位置，用高强摩擦型螺栓及夹板将所述上部H型钢和所述梁H型钢拼接。
进一步地，连接部位型钢承载力采用等同于现浇节点原则，即等强度原则，所述等强度原则由下列计算公式保证，同时也是所述十字型箱型柱板及所述上部H型钢、所述梁H型钢的尺寸规格选取依据：
1)柱为压弯构件，其节点连接部位的所述十字型箱型柱板抗弯承载力等同于相连的混凝土构件的抗弯承载力，实现抗弯承载力等同现浇，计算式如下所示：
式中：
Mx:截面弯矩设计值(N·mm)；
fd:钢材的抗弯强度设计值(N/mm2)；
γx:截面塑性发展系数；
N:轴心压力设计值(N)；
An:构件的净截面面积(mm2)；
Wn:构件的净截面模量(mm3)。
2)梁为受弯构件，其节点连接部位的所述上部H型钢和所述梁H型钢的抗弯承载力等同于相连的混凝土构件的抗弯承载力，实现抗弯承载力等同现浇，计算式如下所示：
Mx(H型钢)＝γxWnxfd＝Mx(现浇梁) (2)
3)下部型钢作为连接部件使用，不帮助梁柱节点区抗弯，因而其角钢厚度通过下式构造决定：
bz＝bf+4tf
式中：
t:角钢厚度；
tz:十字型箱型柱板腹板厚度；
bz:十字型箱型柱板翼缘板宽度；
bf:梁H型钢翼缘板宽度；
tf:梁H型钢翼缘板厚度。
4)通过对所述上部H型钢腹板尺寸的控制，保证其抗剪承载力大于所连接的混凝土梁，而连接螺栓的抗剪承载力又大于上部H型钢，从而保证节点不发生剪切破坏，实现强连接，保证强剪弱弯，所述强连接及强剪弱弯原则，通过下述关系保证，同时高强摩擦型螺栓间距排布应满足规范要求：
式中：
V梁螺栓:上部H型钢和梁H型钢拼接部位高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值；
VH型钢:上部H型钢和梁H型钢抗剪承载力设计值；
V现浇梁:与梁H型钢相连的混凝土构件的抗剪承载力设计值；
VGb:梁端剪力设计值；
VZGb:柱端剪力设计值；
V柱螺栓:上柱与下柱连接处高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值。
通过以上设计原则，即可确定上部型钢、下部型钢、梁连接型钢尺寸与高强摩擦型螺栓的规格、数量，保证强剪弱弯与塑性铰可控。
进一步地，所述上部型钢、下部型钢和梁连接型钢均采用软钢。
进一步地，所述型钢第一底板、第二底板、第三底板厚度取为1.5倍H型钢或十字型箱型柱板厚度，且不低于20mm。
进一步地，上部型钢的加劲肋板共有两块，其厚度与上部H型钢翼缘厚度相同，其所处高度与上部H型钢翼缘高度相同，用以防止十字型箱型柱板被H型钢翼缘压弯。
进一步地，所述上部H型钢和所述梁H型钢拼接处留出10mm空隙。
本发明的有益效果是：
本申请的基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点，克服了目前湿法作业在施工现场仍需进行支模，现浇混凝土，养护的缺点，提高施工效率，减少模板支架提高经济效益；另外，本发明优于预应力连接方式，降低施工专业性和精确性，不需要专业人员操作。同时，也一改螺栓连接节点耗能差，抗震能力不足的缺点，可以在工程使用中大面积推广。
本申请的基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点，一方面以型钢替代的梁柱节点核心区并作为梁柱节点的连接节点，通过螺栓进行现场拼接，可以有效缩短预制柱高，便于运输及现场快速装配，克服了目前湿法作业在施工现场仍需进行支模，现浇混凝土，养护的缺点，提高施工效率，减少模板支架提高经济效益；
另一方面，本申请的基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的软钢可以产生塑性屈服滞回变形从而耗散地震能量，进而达到消能减震的目的，并可使塑性铰产生于指定的部位，实现塑性铰可控、可替换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的构造示意图；
图2为本申请实施例的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的上柱示意图；
图3为本申请实施例的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的下柱示意图；
图4为本申请实施例的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的梁示意图；
图5为本申请实施例的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的上部型钢反转示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示，本申请实施例的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点，用于与上柱1、下柱2与和梁3进行连接，包括：
上部型钢4、下部型钢5和梁连接型钢6；
所述上部型钢4包括第一底板7、箱型柱板8、加劲肋板9和上部H型钢10，其中，所述第一底板7固定在上柱1上，所述十字型箱型柱板8固定在所述第一底板7上，所述加劲肋板9固定在所述十字型箱型柱板8内，所述上部H型钢10固定在所述十字型箱型柱板8的外壁；
所述下部型钢5包括第二底板11与角钢12，四个所述角钢12固定至所述第二底板11上的相应位置，使得四个所述角钢12分别适配于插入在所述十字型箱型柱板8的角点处；
所述梁连接型钢6包括第三底板13和梁H型钢14，所述梁H型钢14固定至所述第三底板13上；
所述上部型钢4、所述下部型钢5和所述梁连接型钢6上适当位置设有螺栓孔，相互之间通过螺栓连接。
所述第一底板7、所述第二底板11和所述第三底板13分别通过与柱/梁内纵筋焊接的方式进行固定。具体地，上柱1与上部型钢4相连，纵筋焊接(四面围焊)至第一底板7上，和钢筋混凝土一起整浇；第三底板13与梁3相连，纵筋四角与第三底板塞焊，其余纵筋焊接(四面围焊)至第三底板上，和钢筋混凝土一起整浇；下柱2与下部型钢5相连，纵筋焊接(四面围焊)至第二底板11上，和钢筋混凝土一起整浇。
所述加劲肋板9在所述十字型箱型柱板8内间隔布置，间距与上部H型钢10上下翼缘间距相同。
所述螺栓孔至少设置在所述角钢11、所述十字型箱型柱板8、所述上部H型钢10和所述梁H型钢14上。
在本申请的实施例中，所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的施工方法，包括如下步骤：
步骤1：在工厂预制上部型钢4、下部型钢5和梁连接型钢6；
步骤2：将梁柱纵筋分别与上部型钢4、下部型钢5和梁连接型钢6焊接固定；
步骤3：将上部型钢4、下部型钢5和梁连接型钢6分别与上柱、下柱和梁整浇；
步骤4：将上部型钢4与下部型钢5插接并用高强摩擦型螺栓15连接，再将梁吊装至合适位置，用高强摩擦型螺栓15及夹板16将所述上部H型钢10和所述梁H型钢14拼接。
采用此技术方案，连接部位型钢承载力采用等同于现浇节点原则，即等强度原则，在地震作用下，位于梁端部的上部H型钢10软钢率先出现塑性屈服，形成塑性铰，耗散能量，在具备足够的承载能力及刚度的同时实现良好的耗能能力，达到塑性可控，同时通过对上部H型钢10腹板尺寸的控制，保证其抗剪承载力大于所连接的混凝土梁，而连接螺栓的抗剪承载力又大于上部H型钢10，从而保证节点不发生剪切破坏，实现强连接，保证强剪弱弯。
上述等强度原则由下列计算公式保证，同时也是上部型钢的十字型箱型柱板8及上部H型钢10、梁H型钢14的尺寸规格选取依据：
1.柱为压弯构件,其节点连接部位上部型钢的十字型箱型柱板8抗弯承载力等同于相连的混凝土构件的抗弯承载力，实现抗弯承载力等同现浇，计算式如下所示：
式中：
Mx:截面弯矩设计值(N·mm)；
fd:钢材的抗弯强度设计值(N/mm2)；
γx:截面塑性发展系数；
N:轴心压力设计值(N)；
An:构件的净截面面积(mm2)；
Wn:构件的净截面模量(mm3)。
2.梁为受弯构件，其节点连接部位的上部H型钢10和梁H型钢14的抗弯承载力等同于相连的混凝土构件的抗弯承载力，实现抗弯承载力等同现浇，计算式如下所示，：
Mx(H型钢)＝γxWnxfd＝Mx(现浇梁) (2)
3.下部型钢作为连接部件使用，不帮助梁柱节点区抗弯，因而其角钢12厚度通过下式构造决定：
bz＝bf+4tf
式中：
t:角钢厚度；
tz:十字型箱型柱板腹板厚度；
bz:十字型箱型柱板翼缘板宽度；
bf:梁H型钢翼缘板宽度；
tf:梁H型钢翼缘板厚度。
4.上述强连接及强剪弱弯原则，通过下述关系保证，同时高强摩擦型螺栓15间距排布应满足规范要求：
式中：
V梁螺栓:上部H型钢和梁H型钢拼接部位高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值；
VH型钢:上部H型钢和梁H型钢抗剪承载力设计值；
V现浇梁:与梁H型钢相连的混凝土构件的抗剪承载力设计值；
VGb:梁端剪力设计值；
VZGb:柱端剪力设计值；
V柱螺栓:上柱与下柱连接处高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值。
通过以上设计原则，即可确定上部型钢4、下部型钢5、梁连接型钢6尺寸与高强摩擦型螺栓15的规格、数量，保证强剪弱弯与塑性铰可控。
在本申请中，所述上部型钢4、下部型钢5和梁连接型钢6均采用软钢。
所述型钢第一底板7、第二底板11、第三底板13厚度取为1.5倍H型钢或十字型箱型柱板8厚度，且不低于20mm。
上部型钢的加劲肋板9共有两块，其厚度与上部H型钢10翼缘厚度相同，其所处高度与上部H型钢翼缘高度相同，用以防止十字型箱型柱板8被H型钢翼缘压弯。
所述上部H型钢10和所述梁H型钢14拼接处留出10mm空隙。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点，其特征在于，包括：
上部型钢(4)、下部型钢(5)和梁连接型钢(6)；
所述上部型钢(4)包括第一底板(7)、箱型柱板(8)、加劲肋板(9)和上部H型钢(10)，其中，所述第一底板(7)固定在上柱(1)上，所述十字型箱型柱板(8)固定在所述第一底板(7)上，所述加劲肋板(9)固定在所述十字型箱型柱板(8)内，所述上部H型钢(10)固定在所述十字型箱型柱板(8)的外壁；
所述下部型钢(5)包括第二底板(11)与角钢(12)，四个所述角钢(12)固定至所述第二底板(11)上的相应位置，使得四个所述角钢(12)分别适配于插入在所述十字型箱型柱板(8)的角点处；
所述梁连接型钢(6)包括第三底板(13)和梁H型钢(14)，所述梁H型钢(14)固定至所述第三底板(13)上；
所述上部型钢(4)、所述下部型钢(5)和所述梁连接型钢(6)上适当位置设有螺栓孔，相互之间通过螺栓连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点，其特征在于，所述第一底板(7)、所述第二底板(11)和所述第三底板(13)分别通过与柱/梁内纵筋焊接的方式进行固定。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点，其特征在于，所述加劲肋板(9)在所述十字型箱型柱板(8)内间隔布置，间距与上部H型钢(10)上下翼缘间距相同。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点，其特征在于，所述螺栓孔至少设置在所述角钢(11)、所述十字型箱型柱板(8)、所述上部H型钢(10)和所述梁H型钢(14)上。
5.根据权利要求1-4之一所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在工厂预制上部型钢(4)、下部型钢(5)和梁连接型钢(6)；
步骤2：将梁柱纵筋分别与上部型钢(4)、下部型钢(5)和梁连接型钢(6)焊接固定；
步骤3：将上部型钢(4)、下部型钢(5)和梁连接型钢(6)分别与上柱、下柱和梁整浇；
步骤4：将上部型钢(4)与下部型钢(5)插接并用高强摩擦型螺栓(15)连接，再将梁吊装至合适位置，用高强摩擦型螺栓(15)及夹板(16)将所述上部H型钢(10)和所述梁H型钢(14)拼接。
6.根据权利要求5所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的施工方法，其特征在于，连接部位型钢承载力采用等同于现浇节点原则，即等强度原则，所述等强度原则由下列计算公式保证，同时也是所述十字型箱型柱板(8)及所述上部H型钢(10)、所述梁H型钢(14)的尺寸规格选取依据：
1)柱为压弯构件，其节点连接部位的所述十字型箱型柱板(8)抗弯承载力等同于相连的混凝土构件的抗弯承载力，实现抗弯承载力等同现浇，计算式如下所示：
式中：
Mx:截面弯矩设计值(N·mm)；
fd:钢材的抗弯强度设计值(N/mm2)；
γx:截面塑性发展系数；
N:轴心压力设计值(N)；
An:构件的净截面面积(mm2)；
Wn:构件的净截面模量(mm3)。
2)梁为受弯构件，其节点连接部位的所述上部H型钢(10)和所述梁H型钢(14)的抗弯承载力等同于相连的混凝土构件的抗弯承载力，实现抗弯承载力等同现浇，计算式如下所示：
Mx(H型钢)＝γxWnxfd＝Mx(现浇梁) (2)
3)下部型钢作为连接部件使用，不帮助梁柱节点区抗弯，因而其角钢(12)厚度通过下式构造决定：
bz＝bf+4tf
式中：
t:角钢厚度；
tz:十字型箱型柱板腹板厚度；
bz:十字型箱型柱板翼缘板宽度；
bf:梁H型钢翼缘板宽度；
tf:梁H型钢翼缘板厚度。
4)通过对所述上部H型钢(10)腹板尺寸的控制，保证其抗剪承载力大于所连接的混凝土梁，而连接螺栓的抗剪承载力又大于上部H型钢(10)，从而保证节点不发生剪切破坏，实现强连接，保证强剪弱弯，所述强连接及强剪弱弯原则，通过下述关系保证，同时高强摩擦型螺栓(15)间距排布应满足规范要求：
式中：
V梁螺栓:上部H型钢和梁H型钢拼接部位高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值；
VH型钢:上部H型钢和梁H型钢抗剪承载力设计值；
V现浇梁:与梁H型钢相连的混凝土构件的抗剪承载力设计值；
VGb:梁端剪力设计值；
VZGb:柱端剪力设计值；
V柱螺栓:上柱与下柱连接处高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值。
通过以上设计原则，即可确定上部型钢(4)、下部型钢(5)、梁连接型钢(6)尺寸与高强摩擦型螺栓(15)的规格、数量，保证强剪弱弯与塑性铰可控。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的施工方法，其特征在于，所述上部型钢(4)、下部型钢(5)和梁连接型钢(6)均采用软钢。
8.根据权利要求5或6所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的施工方法，其特征在于，所述型钢第一底板(7)、第二底板(11)、第三底板(13)厚度取为1.5倍H型钢或十字型箱型柱板(8)厚度，且不低于20mm。
9.根据权利要求5或6所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的施工方法，其特征在于，上部型钢的加劲肋板(9)共有两块，其厚度与上部H型钢(10)翼缘厚度相同，其所处高度与上部H型钢翼缘高度相同，用以防止十字型箱型柱板(8)被H型钢翼缘压弯。
10.根据权利要求5或6所述的一种基于干法连接的多向连接钢质梁柱节点的施工方法，其特征在于，所述上部H型钢(10)和所述梁H型钢(14)拼接处留出10mm空隙。
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