CN113250376B - 一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抬高式混凝土‑钢组合自复位柱脚节点及其组装方法，所构成的型钢混凝土柱与上部型钢柱使用螺栓通过具有超弹性的钢板、限位键、角钢将该两部分进行机械连接从而形成一个受力整体。通过抬高柱脚使柱反弯点提高，以有效的减小柱脚在地震下的损伤，在此基础上通长布置的高强预应力螺杆，不仅强化了这一受力整体的整体性和刚度，还使其耗能行为有了先后性，可有效地与具有超弹性的钢板协同工作，使得柱脚具备更优异的自复位性能。本发明还提供了一种抬高式混凝土‑钢组合自复位柱脚节点的组装方法。本发明的有益效果在于：受到地震作用时，具有良好自复位和耗能特性；螺栓连接的形式便于施工以及震后的元件更换与拆除。

Description

一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点及其组装方法

技术领域

本发明涉及预制装配式混凝土结构节点技术领域，具体涉及一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点及其组装方法。

背景技术

将钢材应用于装配式建筑中具有显著的优点，构件在工厂预制好并运抵现场后，可以降低现场施工难度并能有效缩短建造工期。但近年来历次震害表明，钢结构抗震设计已成为结构设计不可或缺的一部分。研发人员的设计理念已逐步从防止结构倒塌转变为抗震可恢复，而自复位的研究在其中有着举足轻重的作用。

当前研发人员对于自复位结构（构件）的研究主要聚焦于材料（如形状记忆合金）、后张预应力技术、以及基于上述途径的自复位阻尼器、支撑和节点等。框架柱作为建筑结构中至关重要的构件，起着传递竖向荷载与水平荷载的功能，其在地震作用下的性能关于整个结构在地震作用下的安全。在大震作用下，包括框架柱在内的结构构件会发展塑性以耗散地震能量，这样结构不可避免的产生残余变形，因此发展震后可恢复的自复位柱脚尤为关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有受力明确，具有高效传递竖向荷载与抵抗水平荷载的能力，同时又具备良好的耗能与自复位性能的抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，包括型钢混凝土柱、托板、高强预应力螺杆、连接构件、限位键、具有超弹性的钢板、型钢柱以及端板，所述型钢混凝土柱包括型钢和包裹所述型钢的混凝土柱，所述型钢的顶端露出于所述混凝土柱的顶表面，所述托板固设于所述型钢的顶端，所述连接构件固设于所述托板，所述型钢柱竖直向设置且底端固设于所述连接构件，所述端板固设于所述型钢柱的顶端，所述高强预应力螺杆一端与所述端板连接，另一端与所述托板连接；所述限位键一端与所述型钢柱连接，另一端与所述连接构件连接；所述具有超弹性的钢板一端与所述型钢柱连接，另一端与所述连接构件连接。

作为本发明的一种优选改进，所述型钢柱包括两块相对平行间隔设置的侧板和连接两块所述侧板的中间板，所述连接构件包括“工”字形的柱脚型钢和设置于所述柱脚型钢的相对两侧面的鳍形板，所述限位键一端与所述中间板连接，另一端与所述柱脚型钢连接，所述具有超弹性的钢板一端与所述侧板连接，另一端与所述柱脚型钢连接。

作为本发明的一种优选改进，还包括角钢和螺栓，所述具有超弹性的钢板通过所述角钢和螺栓与所述柱脚型钢以及所述侧板连接。

作为本发明的一种优选改进，所述连接构件还包括与所述托板固定连接的承压板，所述鳍形板和所述柱脚型钢分别垂直固设于所述承压板。

作为本发明的一种优选改进，所述型钢与所述托板焊接固定，所述柱脚型钢与所述承压板焊接固定，所述鳍形板与所述柱脚型钢以及所述承压板焊接固定。

作为本发明的一种优选改进，所述端板焊接固定于所述型钢柱的顶部。

作为本发明的一种优选改进，所述高强预应力螺杆的数量为四根，且两两对称分设于所述中间板的相对两侧。

作为本发明的一种优选改进，所述高强预应力螺杆通过螺母分别与所述端板以及所述托板锚固并施加预应力。

作为本发明的一种优选改进，所述托板和所述承压板的钢材强度均高于所述型钢。

本发明还提供了一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点的组装方法，包括如下步骤：

步骤一：在工厂标准化生产型钢、托板、高强预应力螺杆、鳍形板、承压板、柱脚型钢、限位键、具有超弹性的钢板、角钢、型钢柱以及端板，型钢的顶端焊接托板；

步骤二：将柱脚型钢和承压板焊接固定，再将鳍形板与柱脚型钢的腹板轴线对齐，将其与柱脚型钢和承压板对应的接触部分进行焊接；

步骤三：依据需求对具有超弹性的钢板进行开槽；各个板件在需要使用螺栓以及与高强预应力螺杆连接处进行开孔；

步骤四：按设计要求将螺栓依次通过柱脚型钢翼缘、角钢和具有超弹性的钢板的一端进行连接，将具有超弹性的钢板的另一端同样通过螺栓与柱脚型钢翼缘、角钢相连接；然后使用螺栓连接好腹板两侧的角钢，最后使用螺栓连接好同样设置在腹板两侧的限位键；

步骤五：将对称布置的高强预应力螺杆穿过端板、承压板、托板上对应预留的孔洞，通过螺母进行锚固，并施加预应力；

步骤六：将焊接有托板的一端置于混凝土模板的上方并高于模板高度，然后进行浇筑以形成型钢混凝土柱。

本发明的有益效果如下：

1、通过设置具有超弹性的钢板和限位键，可以实现节点在大变形下的复位和耗能的目的，并且震后可以通过更换元件进行修复，同时，将损伤控制在耗能部位，防止底部型钢混凝土柱的破坏；

2、通过设置高强预应力螺杆，使双向抗弯刚度都得到了提高，其中施加的预应力可以提供恢复力，进一步加强柱脚自复位性能；

3、采用底部型钢混凝土柱与上部钢构件连接的形式，同时保证了型钢混凝土柱的高承载力与上部钢构件高延性与自复位性能；

4、所有构件均可以由工厂进行预制，然后现场进行螺栓连接安装，极大的促进了生产效率，并便于灾后构件的更换与拆除。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图，其中：

图1为本发明抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点的立体结构图；

图2为图1所示抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点的分解图；

图3为本发明型钢混凝土柱与连接构件的装配结构图；

图4为本发明抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点的部分结构主视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1-4所示，本发明提供一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，包括型钢混凝土柱、托板3、高强预应力螺杆4、连接构件、限位键8、具有超弹性的钢板9、型钢柱11以及端板12，所述型钢混凝土柱包括型钢2和包裹所述型钢2的混凝土柱1，所述型钢2的顶端露出于所述混凝土柱1的顶表面，所述托板3固设于所述型钢2的顶端，具体的，所述型钢2与所述托板3焊接固定。另外，需要进一步说明的是，具体参阅图4所示，所述型钢2的顶端要伸出所述混凝土柱1，这样，可避免由于混凝土柱1与型钢2因为泊松比不一样而在耗能时对混凝土造成的损伤，同时可为高强预应力螺杆4的锚固留下了施工空间。

所述连接构件固设于所述托板3，所述型钢柱11竖直向设置且底端固设于所述连接构件，所述端板12固设于所述型钢柱11的顶端，具体的，所述端板12焊接固定于所述型钢柱2的顶端。所述限位键8一端与所述型钢柱11连接，另一端与所述连接构件连接，所述限位键8在振动时可分开所述连接构件与所述型钢柱7，所述具有超弹性的钢板9一端与所述型钢柱11连接，另一端与所述连接构件连接，所述具有超弹性的钢板9与所述高强预应力螺杆4用于在振动时进行自复位和耗能。需要具体说明的是，所述限位键8、所述具有超弹性的钢板9、所述型钢柱11以及所述连接构件7之间均采用螺栓13固定连接。

所述型钢柱11包括两块相对平行间隔设置的侧板111和连接两块所述侧板111的中间板112，所述侧板111与所述中间板112组成“工”字型的所述型钢柱11。

所述连接构件包括“工”字形的柱脚型钢7和设置于所述柱脚型钢7的两相对侧面的鳍形板5，所述柱脚型钢7的横截面形状与所述型钢柱11的横截面形状一致。通过给所述柱脚型钢7配置所示鳍形板5，可以提高所述柱脚型钢7的抗侧刚度。所述连接构件还包括与所述托板3通过螺栓13固定连接的承压板6，所述鳍形板5和所述柱脚型钢分别垂直固设于所述承压板6。需要进一步说明的是，所述柱脚型钢7与所述承压板6焊接固定，所述鳍形板5与所述柱脚型钢7以及所述承压板6焊接固定。

所述托板3和所述承压板6的钢材强度均高于所述型钢2，且所述托板3与所述承压板6的尺寸大小可不一致，但是，两者的开孔大小及位置必须一致，需满足开孔位置跟型钢2或柱脚型钢7中截面较大的一者的翼缘与腹板厚度相匹配，使得型钢2、柱脚型钢7的腹板分别到托板3、承压板6左右两排孔的距离相一致，上、下翼缘距托板3、承压板6上各自最近的一排孔距离一致。可在具体施工时采用轴线定位的方式使型钢2与托板3、承压板6与柱脚型钢7进行焊接，从而保证型钢2与柱脚型钢7的形心在竖向位置上一致，不会出现因断面连接而出现的偏心受力。

所述高强预应力螺杆4一端与所述端板12连接，另一端穿过所述承压板6并与所述托板3连接，具体的，所述高强预应力螺杆4通过螺母（未图示）分别与所述端板12以及所述托板3锚固并施加预应力，以增大双向抗弯刚度，从而形成了柱脚型钢7与型钢柱11的第二道连接方式和自复位机制，不仅强化了这一受力整体的整体性和刚度，还使得在柱脚型钢7发生的自复位行为有了先后性，可有效的与具有超弹性的钢板9协同工作，更好的起到自复位的效果。需要进一步说明的是，所述高强预应力螺杆4的数量为四根，且两两对称分设于所述中间板112的相对两侧。所述端板12、承压板6、托板3上对应所述高强预应力螺杆4的位置预留孔洞。

所述限位键8一端与所述中间板112连接，另一端与所述鳍形板5连接，所述具有超弹性的钢板9一端与所述侧板111连接，另一端与所述柱脚型钢7连接。具体的，所述限位键8为矩形限位键，所述限位键8上开设有用于安装螺栓13的圆孔（未标号），所述型钢柱11与所述圆孔对应开设长圆孔，且孔径与螺栓孔径一致，螺栓13穿过所述限位键8上的圆孔和所述型钢柱11上的长圆孔，这样，在地震作用下，所述螺栓13会沿长圆孔移动，使得所述限位键8会分开所述柱脚型钢7和所述型钢柱11，实现所述具有超弹性的钢板9和所述高强预应力螺杆4主要受力，从而实现节点的自复位与耗能，需要进一步说明的是，所述具有超弹性的钢板9为具有超弹性性能的开槽矩形钢板。

该抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点还包括角钢10和螺栓13，所述具有超弹性的钢板9通过所述角钢10和螺栓13与所述柱脚型钢7以及所述侧板111连接。需要说明的是，所述角钢10作为垫层存在，其作用在于协调所述柱脚型钢7、型钢柱11的中翼缘与腹板的受力以及变形情况，保证在地震作用下同侧的具有超弹性的钢板9变形一致。

另外，需要进一步说明的是，在本发明中所提及的所述螺栓13均为高强度螺栓。

本发明还提供了一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点的组装方法，包括如下步骤：

步骤一：在工厂标准化生产型钢2、托板3、高强预应力螺杆4、鳍形板5、承压板6、柱脚型钢7、限位键8、具有超弹性的钢板9、角钢10、型钢柱11以及端板12，型钢2的顶端焊接托板3；

步骤二：将柱脚型钢7和承压板6焊接固定，再将鳍形板5与柱脚型钢7的腹板轴线对齐，将其与柱脚型钢7和承压板6对应的接触部分进行焊接；

步骤三：依据需求对具有超弹性的钢板9进行开槽；各个板件在需要使用螺栓以及与高强预应力螺杆连接处进行开孔；

步骤四：按设计要求将螺栓依次通过柱脚型钢7翼缘、角钢10和具有超弹性的钢板9的一端进行连接，将具有超弹性的钢板9的另一端同样通过螺栓与柱脚型钢7翼缘、角钢10相连接；然后使用螺栓连接好腹板两侧的角钢10，最后使用螺栓连接好同样设置在腹板两侧的限位键8；

步骤五：将对称布置的高强预应力螺杆4穿过端板12、承压板6、托板3上对应预留的孔洞，张拉施加预应力后并通过锚固进行锚固；

步骤六：将焊接有托板3的一端置于混凝土模板的上方并高于模板高度，然后进行浇筑以形成型钢混凝土柱。

本发明的有益效果如下：

1、通过设置具有超弹性的钢板和限位键，可以实现节点在大变形下的自复位和耗能的目的，并且震后可以通过更换元件进行修复，同时，将损伤控制在耗能部位，防止底部型钢混凝土柱的破坏；

2、通过设置高强预应力螺杆，使双向抗弯刚度都得到了提高同时增加了构件的整体性，其中施加的预应力可以提供恢复力可以进一步加强柱脚自复位性能；

3、采用底部型钢混凝土柱与上部钢构件连接的形式，同时保证了型钢混凝土柱的高承载力与上部钢构件高延性与自复位性能；

4、所有构件均可以由工厂进行预制，然后现场进行螺栓连接安装，极大的促进了生产效率，并便于灾后构件的更换与拆除；

5、通过将柱脚（型钢7与所述型钢11的交汇部分）抬高可以使得底柱反弯点位置变高，这样可以减小柱脚在地震作用下的倾覆力矩与变形，进而减小柱脚在地震作用下的损伤，同时在抬高后的底柱反弯处设置自复位元件，使得构件损伤集中于自复位元件，从而实现柱脚节点在地震作用下的集中损伤与自复位特性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，其特征在于，包括型钢混凝土柱、托板（3）、高强预应力螺杆（4）、连接构件、限位键（8）、具有超弹性的钢板（9）、型钢柱（11）以及端板（12），所述型钢混凝土柱包括型钢（2）和包裹所述型钢（2）的混凝土柱（1），所述型钢（2）的顶端露出于所述混凝土柱（1）的顶表面，所述托板（3）固设于所述型钢（2）的顶端，所述连接构件固设于所述托板（3），所述型钢柱（11）竖直向设置且底端固设于所述连接构件，所述端板（12）固设于所述型钢柱（11）的顶端，所述高强预应力螺杆（4）一端与所述端板（12）连接，另一端与所述托板（3）连接；所述型钢柱（11）包括两块相对平行间隔设置的侧板（111）和连接两块所述侧板（111）的中间板（112），所述连接构件包括“工”字形的柱脚型钢（7）和设置于所述柱脚型钢（7）的相对两侧面的鳍形板（5），所述限位键（8）一端与所述中间板（112）连接，另一端与所述柱脚型钢（7）连接，所述具有超弹性的钢板（9）一端与所述侧板（111）连接，另一端与所述柱脚型钢（7）连接，所述限位键（8）上开设有用于安装螺栓（13）的圆孔，所述型钢柱（11）与所述圆孔对应开设长圆孔，且孔径与螺栓孔径一致，螺栓（13）穿过所述限位键（8）上的圆孔和所述型钢柱（11）上的长圆孔，在地震作用下，所述螺栓（13）会沿长圆孔移动，使得所述限位键（8）在振动时可分开所述连接构件与所述型钢柱（11）。

2.根据权利要求1所述的一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，其特征在于：还包括角钢（10）和螺栓（13），所述具有超弹性的钢板（9）通过所述角钢（10）和螺栓（13）与所述柱脚型钢（7）以及所述侧板（111）连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，其特征在于：所述连接构件还包括与所述托板（3）固定连接的承压板（6），所述鳍形板（5）和所述柱脚型钢（7）分别垂直固设于所述承压板（6）。

4.根据权利要求3所述的一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，其特征在于：所述型钢（2）与所述托板（3）焊接固定，所述柱脚型钢（7）与所述承压板（6）焊接固定，所述鳍形板（5）与所述柱脚型钢（7）以及所述承压板（6）焊接固定。

5.根据权利要求4所述的一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，其特征在于：所述端板（12）焊接固定于所述型钢柱（11）的顶部。

6.根据权利要求1所述的一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，其特征在于：所述高强预应力螺杆（4）的数量为四根，且两两对称分设于所述中间板（112）的相对两侧。

7.根据权利要求1或6所述的一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，其特征在于：所述高强预应力螺杆（4）通过螺母分别与所述端板（12）以及所述托板（3）锚固并施加预应力。

8.根据权利要求3所述的一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点，其特征在于：所述托板（3）和所述承压板（6）的钢材强度均高于所述型钢（2）。

9.一种抬高式混凝土-钢组合自复位柱脚节点的组装方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：在工厂标准化生产型钢（2）、托板（3）、高强预应力螺杆（4）、鳍形板（5）、承压板（6）、柱脚型钢（7）、限位键（8）、具有超弹性的钢板（9）、角钢（10）、型钢柱（11）以及端板（12），型钢（2）的顶端焊接托板（3）；

步骤二：将柱脚型钢（7）和承压板（6）焊接固定，再将鳍形板（5）与柱脚型钢（7）的腹板轴线对齐，将其与柱脚型钢（7）和承压板（6）对应的接触部分进行焊接；

步骤三：依据需求对具有超弹性的钢板（9）进行开槽；各个板件在需要使用螺栓以及与高强预应力螺杆连接处进行开孔；

步骤四：按设计要求将螺栓依次通过柱脚型钢（7）翼缘、角钢（10）和具有超弹性的钢板（9）的一端进行连接，将具有超弹性的钢板（9）的另一端同样通过螺栓与柱脚型钢（7）翼缘、角钢（10）相连接；然后使用螺栓连接好腹板两侧的角钢（10），最后使用螺栓连接好同样设置在腹板两侧的限位键（8）；

步骤五：将对称布置的高强预应力螺杆（4）穿过端板（12）、承压板（6）、托板（3）上对应预留的孔洞，通过螺母进行锚固，并施加预应力；

步骤六：将焊接有托板（3）的一端置于混凝土模板的上方并高于模板高度，然后进行浇筑以形成型钢混凝土柱。

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