CN113323149B - 一种胶合木预应力套管螺栓节点及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种胶合木预应力套管螺栓节点，包括木柱(1)、木梁(2)、内圆外方套管(3)、T型钢夹板(4)和螺栓，所述的T型钢夹板(4)包括相互垂直的腹板(41)和翼板(42)，翼板(42)通过螺栓固定于木柱(1)侧壁，木梁(2)通过螺栓和内圆外方套管(3)与腹板(41)连接，所述的内圆外方套管(3)套设在螺栓外。与现有技术相比，本发明具有初始刚度高、强度延性兼备、施工便利有效、工业化程度高等优点。

Description

一种胶合木预应力套管螺栓节点及其施工方法
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，具体涉及一种胶合木预应力套管螺栓节点及其施工方法。
背景技术
近年来，木结构建筑由于其材料具有重量轻、强度高、加工性能好、美观可再生等优点，越来越受到人们的喜爱。传统梁柱式木结构的榫卯节点存在制作复杂、施工速度慢、机械化程度低、对构件截面削弱比较大、容易发生脆性破坏等问题。为提高节点强度以及工业化程度，钢填板螺栓群连接开始越来越广泛的应用在梁柱式木结构的连结之中，该节点通常将钢填板放置于木梁和木柱的开槽内，并使螺栓穿过钢板和木构件预留的螺栓孔。相比较榫卯连接，钢填板螺栓群连接具有制作、安装简单及传力明确等优点，可以将木构件连成整体，但该连接在梁柱式木结构建筑中的应用也存在一些问题。
现有的螺栓连接存在初始刚度较低的问题，这是由于安装需要与施工偏差，木构件上的螺栓孔直径大于螺栓直径，胶合木梁柱节点的初始刚度较低。此外由于木材本身横纹抗拉强度和顺纹抗剪强度较低，在满足规范规定的构造要求下，螺栓节点仍有可能发生木材劈裂等脆性破坏，导致节点提前失效。在梁上竖向荷载或风荷载、地震等侧向荷载作用下，梁柱节点处产生弯矩，节点处于弯剪复杂受力状态，螺栓孔周横纹拉应力和顺纹剪应力较大，节点易在孔周发生开裂，从而影响整体结构的延性和耗能能力，当螺栓个数较多、直径较大时这种现象尤其明显。
发明专利CN201110128265.6公开了一种木结构梁柱钢填板套管螺栓连接节点，由木梁、木柱、钢填板、套管、螺栓、垫片和螺母组成，是在木梁和木柱的凹槽中插入了钢填板形成了梁柱连接节点，并在梁柱连接节点上的螺栓孔中嵌入套管，套管中穿入螺栓后通过张拉螺栓使垫片压紧套管，从而使套管顶紧钢填板产生较大压力，利用压力产生的摩擦力抗剪以及利用压应力的增减抗弯。该发明套管的引入可防止垫片下木材的局部承压破坏以及减小木梁(柱)螺栓孔处的接触压应力，从而有力于发挥木材的强度。但是，该发明在实践中也存在一些问题，比如说采用圆套管的设计可以在一定程度上提高节点的初始刚度，但是圆套管依然会产生楔入效应，致使木材发生顺纹劈裂等脆性破坏；在木柱内开槽，对截面削弱较大，节点构造形式与梁柱节点以弯矩为主，抗剪为辅的特点不太符合等。
发明内容
本发明的目的是提供一种胶合木预应力套管螺栓节点及其施工方法，可设置较高的初始预应力水平，从而获取更高的节点强度以及初始刚度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种胶合木预应力套管螺栓节点，包括木柱、木梁、内圆外方套管、T型钢夹板和螺栓，所述的T型钢夹板包括相互垂直的腹板和翼板，翼板通过螺栓固定于木柱侧壁，木梁通过螺栓和内圆外方套管与腹板连接，所述的内圆外方套管套设在螺栓外。其中，木柱和木梁可采用层板胶合木。
本发明内圆外方套管采用浇铸方法制成，材质为高分子PVC、铅中任一种，采用浇铸方法制成，内圆外方套管形状为内部圆形开孔，外部圆角四方形，使得木孔和套管的承压面处的应力分布均匀，从而有效减少节点木材劈裂等脆性破坏，节点中内圆外方套管的引入可以使螺栓连接避免产生楔入效应，延缓木材的劈裂。T型钢夹板的引入既可以减少对木柱截面的削弱，也可以形成螺柱抗拉和局部木材抗压组合抵抗弯矩和以螺栓抗剪的受力模式，很好地适应梁柱节点的受力特点。
优选地，所述的木梁上设有四边形孔，腹板上设有第一螺栓预留孔，连接木梁与腹板所使用的螺栓为高强螺栓，高强螺栓分别穿过四边形孔和第一螺栓预留孔，一端通过垫片和螺栓上的螺栓头锚固，另一端通过垫片和螺母锚固。高强螺栓、内圆外方套管、螺母和垫片共同构成预应力套管螺栓。当螺栓的垫片把压力传来时，内圆外方套管可以承受90％以上的压力。
进一步优选地，所述的内圆外方套管边长小于四边形孔的边长，两者边长之差不超过0.5mm。
更进一步优选地，所述的内圆外方套管周边涂满结构胶并压入四边形孔，高强螺栓穿入内圆外方套管并通过第一螺栓预留孔。
优选地，每根所述的高强螺栓外套设有两个内圆外方套管，两个内圆外方套管分别位于腹板两侧。
优选地，所述的木柱上开设有第二螺栓预留孔，连接翼板与木柱所使用的螺栓为化学浆锚螺栓，所述的化学浆锚螺栓通过第二螺栓预留孔穿进木柱并拧紧。拧紧后在T型钢夹板与螺孔接合处缝隙预设的灌浆孔灌入微膨胀灌浆料，等灌浆料达到一定强度后开始受力。
所述的化学浆锚螺栓和木柱的连接，首先在木柱上开设第二螺栓预留孔，随后将化学浆锚螺栓固定于第二螺栓预留孔中，并通过预留灌浆孔注入微膨胀化学浆料，待化学浆锚螺栓性能稳定后再与翼板连接。
进一步优选地，所述的木柱两侧均通过内圆外方套管、T型钢夹板和螺栓连接有木梁，木柱两侧T型钢夹板呈对称设置，化学浆锚螺栓两端均固定在翼板上。T型钢夹板和木柱通过植螺柱法(螺柱指的就是化学浆锚螺栓)完成连接，T型钢夹板和木柱通过化学浆锚螺栓连接于木柱的两侧。该节点采用对拉植筋螺柱的形式将嵌入木梁的T型钢夹板锚固在木柱两侧，并且由预应力套管螺栓来固定T型钢夹板。核心区对拉植筋螺柱的引入使节点更好适应梁和柱的连接，具有以弯矩为主、抗剪为辅的特点，形成以螺柱抗拉和局部木材抗压组合抵抗弯矩的受力机制。相比现有的胶合木梁柱螺栓节点，该节点可设置较高的初始预应力水平，从而获取更高的节点强度以及初始刚度。
优选地，所述的翼板上开设有与第二螺栓预留孔对应的第三螺栓预留孔，所述的第三螺栓预留孔在腹板两侧对称分布。
优选地，所述的木梁上设有容纳腹板的凹槽，所述的凹槽略长于腹板的长度。
所述的木梁端部设有螺栓端部容纳槽，保证木梁端部紧贴翼板。
一种上述胶合木预应力套管螺栓节点的施工方法，包括以下步骤：
S1：在木柱上钻第二螺栓预留孔，将T型钢夹板的翼板固定在相应位置，安装化学浆锚螺栓并施加预紧力，完成T型钢夹板和木柱的连接；
S2：将木梁套设在腹板上，再将内圆外方套管周边涂满结构胶压入四边形孔，待结构胶具有一定强度后将高强螺栓穿入内圆外方套管并通过腹板上的第一螺栓预留孔，随后依次在高强螺栓两侧安装垫片和螺母，施加合适的预应力，完成T型钢夹板与木梁的连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明节点通过内圆外方套管、T型钢夹板和螺栓的配合设置，使得节点具有刚度可控、强度延性兼备、木材无劈裂破坏和柱截面完整等优点；
2.本发明内圆外方套管的引入可以使螺栓连接避免产生楔入效应，延缓木材的劈裂，此外本发明通过对预应力套管螺栓施加预应力来将T型钢夹板固定于木梁之中，既可以减少对木柱截面的削弱，也可以形成螺柱抗拉和局部木材抗压组合抵抗弯矩和以螺栓抗剪的受力模式，很好地适应梁柱节点的受力特点；
3.本发明在梁柱节点核心区采用植螺柱法，即在节点核心区将螺柱植于木柱之中，然后螺柱两端均固定于T型钢夹板上，形成螺柱抗拉和局部木材抗压组合抵抗弯矩和以螺栓抗剪的受力模式；
4.相比已有的钢填板螺栓群连接节点，本发明节点所采用的内圆外方套管和高强螺栓组合，可预加一定的初始预应力，可设置较高的初始预应力水平，有效获取较高的节点初始刚度和强度，也可以延缓木材劈裂，使节点受力性能得到进一步改进；
5.本发明T型钢夹板与木梁的连接不同于以往的普通螺栓连接，该节点采用内圆外方套管，施加预应力产生的摩擦力来增强节点初始刚度，还可以控制材料的蠕变性，从而保证预应力的充分，并且十分便于现场施工，套管外方的形状可以使得木孔和套管的承压面处的应力分布均匀，从而有效减少节点木材劈裂等脆性破坏；
6.本发明在普通钢填板螺栓群连接节点的基础上，在核心区采用植螺柱法来连接两侧钢板，从而减少对于木柱的损伤并形成合理的受力模式；
7.本发明通过对预应力套管螺栓施加预应力来将T型钢夹板固定于木梁之中，同时使用化学浆锚螺栓锚固T型钢夹板于木柱两侧，形成稳定的结构体系，具有初始刚度高、强度延性兼备、施工便利有效、工业化程度高等优点；
8.本发明构造简单，易于施工，符合建筑工业化的发展趋势，在实际的工程应用中具有巨大的前景。
附图说明
图1为本发明胶合木预应力套管螺栓节点的立体图；
图2为本发明胶合木预应力套管螺栓节点的正视图；
图3为本发明胶合木预应力套管螺栓节点的爆炸图；
图4为本发明木梁和T型钢夹板的连接方式示意图；
图5为本发明木柱和T型钢夹板的连接方式示意图；
图6为本发明内圆外方套管和高强螺栓构造示意图；
图中：1-木柱，11-第二螺栓预留孔，2-木梁，21-四边形孔，22-凹槽，23-螺栓端部容纳槽，3-内圆外方套管，4-T型钢夹板，41-腹板，411-第一螺栓预留孔，42-翼板，421-第三螺栓预留孔，5-高强螺栓，6-垫片，7-螺母，8-化学浆锚螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种基于植螺柱的胶合木预应力套管螺栓节点，包括层板胶合木制成的木柱1、层板胶合木制成的木梁2、内圆外方套管3、T型钢夹板4、高强螺栓5、垫片6、螺母7和化学浆锚螺栓8，T型钢夹板4和木柱1通过植螺柱法完成连接。T型钢夹板4通过化学浆锚螺栓8连接于木柱1的两侧，木柱1上设有与化学浆锚螺栓8对应的第二螺栓预留孔11，方便化学浆锚螺栓8经过T型钢夹板4的翼板42上的第三螺栓预留孔421和第二螺栓预留孔11穿进木柱1并拧紧。T型钢夹板4与木梁2之间通过内圆外方套管3和高强螺栓5进行连接。通过节点核心区的对拉植筋螺柱形成螺柱抗拉和局部木材抗压组合抵抗弯矩和以螺栓抗剪的受力模式。
木梁2上设有四边形孔21和凹槽22，内圆外方套管3周边涂满结构胶并压入四边形孔7，木梁2从上往下套住T型钢夹板4的腹板，随后将高强螺栓5穿入内圆外方套管3并通过T型钢夹板4腹板41中的第一螺栓预留孔411，并在螺栓两端固定垫片6和螺母7，最后再施加预应力完成连接。圆外方套管3、高强螺栓5、螺母7和垫片6共同组成预应力套管螺栓。内圆外方套管3浇铸制得，形状为内部圆形开孔，外部圆角四方形，使得木孔和套管的承压面处的应力分布均匀，从而有效减少节点木材劈裂等脆性破坏，材质为高分子PVC、铅中任一种，满足当螺栓的垫片6把压力传来时，内圆外方套管3可以承受90％以上的压力。
实施例2
一种基于植螺柱的胶合木预应力套管螺栓节点，木梁2在工厂预制并按木材加工方式切凹槽22和钻四边形孔21，该凹槽22深度比T型钢夹板4腹板41长度略长。内圆外方套管3在工场通过浇铸制成，应保证与四边形孔21密切结合，套管边长小于孔边长，但误差小于0.5mm。具体安装时，将层板胶合木梁2从上往下套住T型钢夹板4，再将内圆外方套管3周边涂满结构胶压入四边形孔21，待结构胶具有一定强度之后将高强螺栓5穿入内圆外方套管3并通过T型钢夹板4腹板41中的第一螺栓预留孔411，随后依次在螺栓两侧安装垫片6、螺母7，最后施加合适的预应力，完成T型钢夹板4与木梁2的连接。圆外方套管3、高强螺栓5、螺母7和垫片6共同组成预应力套管螺栓，特点在于内圆外方套管3有一定大于木材的抗压能力，高强螺栓5和内圆外方套管3的精度要求较高，误差不超过0.5mm，而T型钢夹板4上的螺栓预留孔和螺栓直径误差不大于2mm，内圆外方套管3直径小于四边形孔21直径，精度要求不高以便现场施工。
T型钢夹板4和木柱1通过化学浆锚螺栓8进行连接，其中：木柱1在工厂预制并按木材加工方式钻第二螺栓预留孔11，随后安装化学浆锚螺栓8并灌浆。具体安装时，将T型钢夹板4固定于木柱1的相应位置，安装化学浆锚螺栓8并施加一定预紧力，完成T型钢夹板4和层板胶合木柱1的连接。
实施例3
一种基于植螺柱的胶合木预应力套管螺栓节点，在木梁2与T型钢夹板4连接侧端部设有螺栓端部容纳槽23，保证T型钢夹板4与木梁2连接后木梁2的端部可以紧贴T型钢夹板4的翼板42，进一步提高木梁2和T型钢夹板4的连接强度和稳定性，其余结构与实施例1相同。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种胶合木预应力套管螺栓节点，其特征在于，包括木柱（1）、木梁（2）、内圆外方套管（3）、T型钢夹板（4）和螺栓，所述的T型钢夹板（4）包括相互垂直的腹板（41）和翼板（42），翼板（42）通过螺栓固定于木柱（1）侧壁，木梁（2）通过螺栓和内圆外方套管（3）与腹板（41）连接，所述的内圆外方套管（3）套设在螺栓外；
所述的木梁（2）上设有四边形孔（21），腹板（41）上设有第一螺栓预留孔（411），连接木梁（2）与腹板（41）所使用的螺栓为高强螺栓（5），高强螺栓（5）分别穿过四边形孔（21）和第一螺栓预留孔（411），一端通过垫片（6）和螺栓上的螺栓头锚固，另一端通过垫片（6）和螺母（7）锚固。
2.根据权利要求1所述的胶合木预应力套管螺栓节点，其特征在于，所述的内圆外方套管（3）边长小于四边形孔（21）的边长，两者边长之差不超过0.5mm。
3.根据权利要求2所述的胶合木预应力套管螺栓节点，其特征在于，所述的内圆外方套管（3）周边涂满结构胶并压入四边形孔（21），高强螺栓（5）穿入内圆外方套管（3）并通过第一螺栓预留孔（411）。
4.根据权利要求1所述的胶合木预应力套管螺栓节点，其特征在于，每根所述的高强螺栓（5）外套设有两个内圆外方套管（3），两个内圆外方套管（3）分别位于腹板（41）两侧。
5.根据权利要求1所述的胶合木预应力套管螺栓节点，其特征在于，所述的木柱（1）上开设有第二螺栓预留孔（11），连接翼板（42）与木柱（1）所使用的螺栓为化学浆锚螺栓（8），所述的化学浆锚螺栓（8）通过第二螺栓预留孔（11）穿进木柱（1）并拧紧。
6.根据权利要求5所述的胶合木预应力套管螺栓节点，其特征在于，所述的木柱（1）两侧均通过内圆外方套管（3）、T型钢夹板（4）和螺栓连接有木梁（2），木柱（1）两侧T型钢夹板（4）呈对称设置，化学浆锚螺栓（8）两端均固定在翼板（42）上。
7.根据权利要求5所述的胶合木预应力套管螺栓节点，其特征在于，所述的翼板（42）上开设有与第二螺栓预留孔（11）对应的第三螺栓预留孔（421），所述的第三螺栓预留孔（421）在腹板（41）两侧对称分布。
8.根据权利要求1所述的胶合木预应力套管螺栓节点，其特征在于，所述的木梁（2）上设有容纳腹板（41）的凹槽（22），所述的凹槽（22）略长于腹板（41）的长度；所述的木梁（2）端部设有螺栓端部容纳槽（23），保证木梁（2）端部紧贴翼板（42）。
9.一种如权利要求1~8任一项所述的胶合木预应力套管螺栓节点的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在木柱（1）上钻第二螺栓预留孔（11），将T型钢夹板（4）的翼板（42）固定在相应位置，安装化学浆锚螺栓（8）并施加预紧力，完成T型钢夹板（4）和木柱（1）的连接；
S2：将木梁（2）套设在腹板（41）上，再将内圆外方套管（3）周边涂满结构胶压入四边形孔（21），待结构胶变硬后将高强螺栓（5）穿入内圆外方套管（3）并通过腹板（41）上的第一螺栓预留孔（411），随后依次在高强螺栓（5）两侧安装垫片（6）和螺母（7），施加预应力，完成T型钢夹板（4）与木梁（2）的连接。
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