CN113863492B - 基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点及拼装方法 - Google Patents

基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点及拼装方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点及拼装方法，该自复位节点的横向摩擦钢板键安装在预制混凝土梁的端头上下侧，纵向摩擦钢板键安装在柱内预埋钢板的上下部，其中纵向摩擦钢板键与横向摩擦钢板键在梁柱节点交界处通过转轴螺栓相连，二者间的梯形摩擦钢板Ⅰ和梯形摩擦钢板Ⅱ两翼内外板壁紧密接触，并通过锚固螺栓相连，无粘结预应力筋横向穿过预制混凝土柱与预制混凝土梁形成的整体，且在端部通过若干预应力筋锚具进行固定。解决了干式连接节点耗能不佳，且在强震作用下变形严重的技术问题，本发明实现预制混凝土梁和预制混凝土柱间的连接，以满足实际设计与施工中的需要。

Description

基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点及拼装方法
技术领域
本发明涉及一种基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点及拼装方法，属于装配式混凝土建筑技术领域。
背景技术
自二十一世纪以来，随着我国社会和经济的不断发展，建筑工程行业的发展速度也在逐年加快，各种新型建筑和结构体系不断涌现。其中，装配式混凝土结构以其绿色环保、省时高效、施工方便等优点，近年来在我国得到了大力推广。作为装配式混凝土结构的核心部位，节点及其连接方式一直是学界和工程界研究关注的重要课题。
传统的装配式混凝土结构，梁柱在工厂预制完成后即可运输至施工现场进行组装。为了实现结构整体“等同现浇”的目标，节点仍需采用现浇或二次浇筑的连接方式。现浇做法固然能保证节点具有足够的强度，刚度和良好的耗能能力，但施工现场仍需要大量的混凝土湿作业，无法满足装配式建筑绿色环保，节能高效的发展理念。随着施工技术的进步和发展，以套筒灌浆连接、约束浆锚连接和后浇带连接等方式为代表的干式连接技术逐渐兴起。大量试验研究结果表明，此类连接方式能够保证节点连接区域的刚度和承载力，受力可靠，但耗能较差，在反复地震荷载作用下灌浆处容易发生脆性破坏。因此，如何有效解决干式连接节点耗能不佳，且在强震作用下变形严重的问题，是当前装配式混凝土结构节点研究领域需要关注的重点。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中提到的如何有效解决干式连接节点耗能不佳，且在强震作用下变形严重的技术问题，提出一种基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点及拼装方法，实现预制混凝土梁和预制混凝土柱间的连接，以满足实际设计与施工中的需要。
本发明提出一种基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点，包括两块柱内预埋钢板、梁端预埋钢套、两个纵向摩擦钢板键、两个横向摩擦钢板键、无粘结预应力筋和预应力筋锚具，两块柱内预埋钢板安装在预制混凝土柱的左右两侧，梁端预埋钢套安装在预制混凝土梁与预制混凝土柱连接侧，所述横向摩擦钢板键安装在预制混凝土梁的端头上下侧，所述纵向摩擦钢板键安装在柱内预埋钢板的上下部，其中纵向摩擦钢板键与横向摩擦钢板键在梁柱节点交界处通过转轴螺栓相连，二者间的梯形摩擦钢板Ⅰ和梯形摩擦钢板Ⅱ两翼内外板壁紧密接触，并通过锚固螺栓相连，对转轴螺栓和锚固螺栓施加的预紧力能够有效保证节点的抗弯刚度，使节点在地震作用较小时保持弹性状态，所述无粘结预应力筋横向穿过预制混凝土柱与预制混凝土梁形成的整体，且在端部通过若干预应力筋锚具进行固定。
优选地，所述柱内预埋钢板包括矩形钢板、预应力筋孔Ⅰ和螺栓孔Ⅰ，所述矩形钢板上设置有若干预应力筋孔Ⅰ和螺栓孔Ⅰ，其中预应力筋孔Ⅰ的位置、个数和尺寸由穿过孔内的无粘结预应力筋的位置、根数和尺寸确定，螺栓孔Ⅰ的位置、个数和尺寸由穿过孔内的柱端固定螺栓的位置、根数和尺寸确定。
优选地，所述梁端预埋钢套包括槽形钢板、预应力筋孔Ⅱ和螺栓孔Ⅱ，所述槽型钢板上设置预应力筋孔Ⅱ和螺栓孔Ⅱ，其中，预应力筋孔Ⅱ的位置、个数和尺寸由穿过孔内的无粘结预应力筋的位置、根数和尺寸确定，螺栓孔Ⅱ的位置、个数和尺寸由穿过孔内的梁端固定螺栓的位置、根数和尺寸确定。
优选地，所述预制混凝土柱包括若干柱纵向受力钢筋、若干柱箍筋、金属波纹管Ⅰ和预应力筋孔道Ⅰ，若干柱纵向受力钢筋和若干柱箍筋相互垂直围成纵向钢筋笼，在纵向钢筋笼中部区域绑扎若干根金属波纹管Ⅰ，金属波纹管Ⅰ的内部空心区域作为预应力筋孔道Ⅰ，用以穿过无粘结预应力筋。
优选地，所述预制混凝土梁包括若干梁负弯矩筋、若干梁正弯矩筋、梁箍筋、若干定位钢筋、若干金属波纹管Ⅱ和预应力筋孔道Ⅱ；若干梁负弯矩筋和若干梁正弯矩筋相互垂直围成横向钢筋笼，横向钢筋笼中部通过定位钢筋横向固定若干金属波纹管Ⅱ，金属波纹管Ⅱ的内部空心区域作为预应力筋孔道Ⅱ，用以穿过无粘结预应力筋。
优选地，所述纵向摩擦钢板键包括纵向锚固钢板、四个梯形摩擦钢板Ⅰ、转轴Ⅰ、螺栓孔Ⅲ、螺栓转动槽和转轴螺栓孔Ⅰ，所述纵向锚固钢板板壁一侧左右区域分别设置两个梯形摩擦钢板Ⅰ，两个梯形摩擦钢板Ⅰ间预留一定的空隙，空隙间距大小与梯形摩擦钢板Ⅱ的板壁厚度相同，所述纵向锚固钢板上设置有螺栓孔Ⅲ，其中螺栓孔Ⅲ的位置、个数和尺寸由穿过孔内的柱端固定螺栓的位置、根数和尺寸确定，所述梯形摩擦钢板Ⅰ的板壁两侧靠近斜边的区域设置螺栓转动槽，其宽度等于穿过槽内的锚固螺栓的螺杆外径，所述纵向锚固钢板的底部设置转轴Ⅰ。
优选地，所述横向摩擦钢板键包括横向锚固钢板、两个梯形摩擦钢板Ⅱ、转轴Ⅱ、螺栓孔Ⅳ、螺栓转动孔和转轴螺栓孔Ⅱ，所述横向锚固钢板的左右区域板壁两侧设置有螺栓孔Ⅳ，螺栓孔Ⅳ的位置、个数和尺寸由穿过孔内的梁端固定螺栓的位置、根数和尺寸确定；所述横向锚固钢板的板壁一侧左右区域分别设置梯形摩擦钢板Ⅱ，梯形摩擦钢板Ⅱ的板壁两侧靠近斜边的区域设置螺栓转动孔，所述横向锚固钢板的底部设置有转轴Ⅱ，所述转轴Ⅱ的直径与转轴Ⅰ的直径相同，长度与转轴Ⅰ沿轴线方向的长度相同，转轴Ⅱ沿轴线方向设置转轴螺栓孔Ⅱ，转轴螺栓孔Ⅱ的直径与转轴螺栓的螺杆外径相同。
优选地，在螺栓转动槽的两侧放置矩形锚固件，确保锚固螺栓孔与螺栓转动槽的切向边界对齐，然后将锚固螺栓穿过锚固螺栓孔、螺栓转动槽和螺栓转动孔，并用扭矩扳手拧紧螺母，扭矩扳手施加的预紧力由预制构件间传递的剪力计算确定。
优选地，所述矩形锚固件包括锚固垫片和锚固螺栓孔，所述锚固垫片为铜制材料，与梯形摩擦钢板Ⅰ接触的一侧进行粗糙处理以增加摩擦阻力，锚固螺栓孔的尺寸由锚固螺栓的螺杆外径确定。
一种所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点的拼装方法，具体包括以下步骤：
(1)将纵向摩擦钢板键的外壁紧贴预制混凝土柱外表面柱内预埋钢板的上下区域，确保螺栓孔Ⅲ和柱预留螺栓孔对齐，然后将柱端固定螺栓沿螺栓孔Ⅲ和柱预留螺栓孔贯通插入并穿过纵向摩擦钢板键和预制混凝土柱，柱端固定螺栓在预制混凝土柱另一侧外表面伸出的螺杆部分，通过柱端固定螺母拧紧固定；
(2)将横向摩擦钢板键的外壁紧贴预制混凝土梁的上下外表面，确保螺栓孔Ⅳ和梁预留螺栓孔对齐，然后将梁端固定螺栓沿螺栓孔Ⅳ和梁预留螺栓孔由下至上贯通插入并穿过横向摩擦钢板键和预制混凝土梁，梁端固定螺栓在横向摩擦钢板键上方伸出的螺杆部分，通过梁端固定螺母拧紧固定；
(3)将预制混凝土柱和预制混凝土梁吊装至预定位置，缓慢移动预制混凝土梁，使横向摩擦钢板键的梯形摩擦钢板Ⅱ插入到纵向摩擦钢板键的梯形摩擦钢板Ⅰ间预留的空隙中，确保梯形摩擦钢板Ⅱ和梯形摩擦钢板Ⅰ的边界区域，转轴Ⅱ和转轴Ⅰ的边界区域，以及螺栓转动孔和螺栓转动槽在切向边界上彼此对齐，在这一过程中，还应确保预制混凝土梁和预制混凝土柱的接触界面紧贴对齐，预应力筋孔Ⅰ和预应力筋孔Ⅱ的孔位彼此对齐，然后将转轴螺栓穿过转轴螺栓孔Ⅰ和转轴螺栓孔Ⅱ，并用扭矩扳手拧紧转轴螺母，扭矩扳手施加的预紧力由预制构件间传递的弯矩计算确定；
(4)引导无粘结预应力筋穿过预制混凝土柱和预制混凝土梁以及其中的预制构件，然后在预制混凝土梁的一侧对无粘结预应力筋进行张拉，同时在预制混凝土柱的一侧采用预应力筋锚具固定无粘结预应力筋；
(5)待无粘结预应力筋张拉并锚固完毕后，在螺栓转动槽的两侧放置矩形锚固件，确保锚固螺栓孔与螺栓转动槽的切向边界对齐，然后将锚固螺栓穿过锚固螺栓孔、螺栓转动槽和螺栓转动孔，并用扭矩扳手拧紧螺母，扭矩扳手施加的预紧力由预制构件间传递的剪力计算确定。
本发明所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点及拼装方法的有益效果为：
1、本发明在预制混凝土柱和预制混凝土梁内通过设置柱内预埋钢板和梁端预埋钢套，能有效防止在地震作用较大时，预制构件的接触面处因相对转动可能产生的混凝土压碎剥落现象，增强了结构的整体性。
2、本发明用以连接预制混凝土柱和预制混凝土梁间的纵向摩擦钢板键和横向摩擦钢板键通过转轴螺栓和锚固螺栓拧紧连接，对螺栓施加的预紧力能够有效保证节点的抗弯刚度，使节点在地震作用较小时保持弹性状态。
3、本发明中预制混凝土梁在中等地震作用下，根据受力方向的不同，能够以转轴螺栓为转动中心，以转轴螺栓与锚固螺栓间的直线距离为转动半径，在螺栓转动槽的切向宽度范围内向上或向下转动。在此过程中，梯形摩擦钢板两翼内外板壁间，矩形锚固件和梯形摩擦钢板两翼板壁间发生摩擦并耗散能量，可避免预制梁柱出现明显的塑性变形，起到第一阶段自复位的作用。相比于传统的角钢与螺栓连接的梁柱节点，由于彼此分开，纵向摩擦钢板键和横向摩擦钢板键的塑性铰主要在靠近转轴的区域发展，而不会出现在螺栓孔区域，从而避免了钢板沿螺栓孔边缘处过度拉伸变形甚至断裂的情况。同时，根据实际情况，在修复过程中仅需拆除并更换受损的钢板键，修复效率更高。此外，转轴螺栓、锚固螺栓和矩形锚固件也可根据实际需求进行更换，操作快捷方便。
4、本发明预制构件间传递的弯矩由无粘结预应力筋承担。在强震作用下，当预制混凝土梁相对于预制混凝土柱达到可控的最大转动状态时，无粘结预应力筋开始承担第二阶段的自复位作用，以保证预制梁柱在震后恢复至原来的初始状态。
5、本发明制作要求较高的部分，包括预制混凝土柱、预制混凝土梁、纵向摩擦钢板键以及横向摩擦钢板键的制作，均可在工厂完成，运输到现场后按顺序拼装，安装和拆卸过程简单明了，对工人的学习要求较低，且施工现场无混凝土湿作业，符合装配式建筑绿色环保，高效节能的发展理念。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是柱内预埋钢板的三维图；
图2是预制混凝土柱内的钢筋布置三维图；
图3是预制混凝土柱的三维图；
图4是梁端预埋钢套的三维图；
图5是预制混凝土梁内的钢筋布置三维图；
图6是预制混凝土梁的三维图；
图7是纵向摩擦钢板键的三维图；
图8是柱端固定螺栓的三维图；
图9是柱端固定螺母的三维图；
图10是横向摩擦钢板键的三维图；
图11是梁端固定螺栓的三维图；
图12是梁端固定螺母的三维图；
图13是转轴螺栓的三维图；
图14是转轴螺母的三维图；
图15是矩形锚固件的三维图；
图16是锚固螺栓的三维图；
图17是螺母的三维图；
图18是预应力筋的三维图；
图19是预应力筋锚具的三维图；
图20是纵向摩擦钢板键与预制混凝土柱组装完成的三维图；
图21是横向摩擦钢板键与预制混凝土梁组装完成的三维图；
图22是将转轴螺栓与纵向摩擦钢板键和横向摩擦钢板键组装完成的三维图；
图23是无粘结预应力筋穿过预制混凝土构件后的三维图；
图24是无粘结预应力筋张拉完毕，用预应力筋锚具固定后的三维图；
图25是将矩形锚固件通过锚固螺栓固定在纵向摩擦钢板键和横向摩擦钢板键上的三维图。
图中，1-矩形钢板；2-预应力筋孔Ⅰ；3-螺栓孔Ⅰ；4-柱纵向受力钢筋；5-柱箍筋；6-金属波纹管Ⅰ；7-预应力筋孔道Ⅰ；8-柱预留螺栓孔；9-槽形钢板；10-预应力筋孔Ⅱ；11-螺栓孔Ⅱ；12-梁负弯矩筋；13-梁正弯矩筋；14-梁箍筋；15-定位钢筋；16-金属波纹管Ⅱ；17-预应力筋孔道Ⅱ；18-梁预留螺栓孔；19-纵向锚固钢板；20-梯形摩擦钢板Ⅰ；21-转轴Ⅰ；22-螺栓孔Ⅲ；23-螺栓转动槽；24-转轴螺栓孔Ⅰ；25-柱端固定螺栓；26-柱端固定螺母；27-横向锚固钢板；28-梯形摩擦钢板Ⅱ；29-转轴Ⅱ；30-螺栓孔Ⅳ；31-螺栓转动孔；32-转轴螺栓孔Ⅱ；33-梁端固定螺栓；34-梁端固定螺母；35-转轴螺栓；36-转轴螺母；37-锚固垫片；38-锚固螺栓孔；39-锚固螺栓；40-螺母；41-无粘结预应力筋；42-预应力筋锚具。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-25说明本实施方式。本实施方式所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点，主要包括：柱内预埋钢板(图1)、梁端预埋钢套(图4)、预制钢筋混凝土柱(图3)、预制钢筋混凝土梁(图6)，用于二者间进行连接的纵向摩擦钢板键(图7)、横向摩擦钢板键(图10)、无粘结预应力筋41(图18)和预应力筋锚具42(图19)，两块柱内预埋钢板安装在预制混凝土柱的左右两侧，梁端预埋钢套安装在预制混凝土梁与预制混凝土柱连接侧，所述横向摩擦钢板键安装在预制混凝土梁的端头上下侧，所述纵向摩擦钢板键安装在柱内预埋钢板的上下部，其中纵向摩擦钢板键与横向摩擦钢板键在梁柱节点交界处通过转轴螺栓35相连，二者间的梯形摩擦钢板Ⅰ20和梯形摩擦钢板Ⅱ28两翼内外板壁紧密接触，并通过锚固螺栓39相连，对转轴螺栓35和锚固螺栓39施加的预紧力能够有效保证节点的抗弯刚度，使节点在地震作用较小时保持弹性状态，所述无粘结预应力筋41横向穿过预制混凝土柱与预制混凝土梁形成的整体，且在端部通过若干预应力筋锚具42进行固定。
(1)如图1所示，柱内预埋钢板的具体结构及制作过程如下：
柱内预埋钢板(图1)由矩形钢板1、预应力筋孔Ⅰ2和螺栓孔Ⅰ3组成。
矩形钢板1的板壁两侧通过双面贯通钻孔的方式设置预应力筋孔Ⅰ2和螺栓孔Ⅰ3，预应力筋孔Ⅰ2的位置、个数和尺寸由穿过孔内的无粘结预应力筋41的位置、根数和尺寸确定，螺栓孔Ⅰ3的位置、个数和尺寸由穿过孔内的柱端固定螺栓25的位置、根数和尺寸确定。矩形钢板1的厚度由预制梁柱间的相对转动刚度确定，其余尺寸由预制钢筋混凝土柱(图3)的尺寸确定。
(2)如图2-图3所示，预制混凝土柱的具体结构和制作过程如下：
柱内的钢筋由柱纵向受力钢筋4和柱箍筋5组成。钢筋绑扎完毕后，根据设计需求，在钢筋骨架的中部区域绑扎若干根金属波纹管Ⅰ6(图2)，金属波纹管Ⅰ6的内部空心区域作为预应力筋孔道Ⅰ7，用以穿过无粘结预应力筋41。
在柱内的钢筋骨架外支撑模板，并将柱内预埋钢板(图1)通过模板固定在钢筋骨架的两侧，保证预应力筋孔Ⅰ2与预应力筋孔道Ⅰ7对齐。在浇筑混凝土的过程中，可通过钢筋骨架两侧柱内预埋钢板(图1)的螺栓孔Ⅰ3插入若干根钢棒，贯通穿过整个钢筋骨架。混凝土在模板内的保护层浇筑厚度不低于柱内预埋钢板(图1)的厚度，二者的两侧外表面沿竖向彼此平齐。待混凝土凝固后，拔出钢棒，形成柱预留螺栓孔8，然后拆除模板，完成预制钢筋混凝土柱(图3)的制作。
(3)如图4所示，梁端预埋钢套的具体结构及制作过程如下：
梁端预埋钢套(图4)由槽型钢板9、预应力筋孔Ⅱ10和螺栓孔Ⅱ11组成。
槽型钢板9的竖向板壁左右两侧和水平板壁上下两侧通过双面贯通钻孔的方式分别设置预应力筋孔Ⅱ10和螺栓孔Ⅱ11，预应力筋孔Ⅱ10的位置、个数和尺寸由穿过孔内的无粘结预应力筋41的位置、根数和尺寸确定。螺栓孔Ⅱ11的位置、个数和尺寸由穿过孔内的梁端固定螺栓33的位置、根数和尺寸确定。槽型钢板9的厚度由预制梁柱间的相对转动刚度确定，其余尺寸由预制钢筋混凝土梁(图6)的尺寸确定。
(4)如图5-图6所示，预制混凝土梁的具体结构和制作过程如下：
梁内的钢筋由梁负弯矩筋12、梁正弯矩筋13、梁箍筋14和定位钢筋15组成。定位钢筋15的作用在于固定金属波纹管Ⅱ16，其位置可灵活调整。钢筋绑扎完毕后，根据预制钢筋混凝土柱(图3)内金属波纹管Ⅰ6的位置和根数，在钢筋骨架内绑扎相同数量的金属波纹管Ⅱ16。金属波纹管Ⅱ16的内部空心区域作为预应力筋孔道Ⅱ17，用以穿过无粘结预应力筋41。
在梁内的钢筋骨架外支撑模板，并将梁端预埋钢套(图4)通过模板固定在钢筋骨架的一端，保证预应力筋孔Ⅱ10与预应力筋孔道Ⅱ17对齐。在浇筑混凝土的过程中，可通过梁端预埋钢套(图4)上下两侧的螺栓孔Ⅱ11插入若干根钢棒，贯通穿过整个钢筋骨架。混凝土在模板内的保护层浇筑厚度不低于梁端预埋钢套(图4)的厚度，二者的上下两侧外表面沿横向彼此平齐。待混凝土凝固后，拔出钢棒，形成梁预留螺栓孔18，然后拆除模板，完成预制钢筋混凝土梁(图6)的制作。
(5)如图7所示，纵向摩擦钢板键的具体结构及制作过程如下：
纵向摩擦钢板键(图7)由纵向锚固钢板19、梯形摩擦钢板Ⅰ20、转轴Ⅰ21、螺栓孔Ⅲ22、螺栓转动槽23和转轴螺栓孔Ⅰ24组成。
纵向锚固钢板19的左右区域板壁两侧通过双面贯通钻孔的方式设置螺栓孔Ⅲ22，螺栓孔Ⅲ22的位置、个数和尺寸由穿过孔内的柱端固定螺栓25的位置、根数和尺寸确定。
纵向锚固钢板19的板壁一侧左右区域分别设置两个梯形摩擦钢板Ⅰ20，两个梯形摩擦钢板Ⅰ20间预留一定的空隙，空隙间距大小与梯形摩擦钢板Ⅱ28的板壁厚度相同。梯形摩擦钢板Ⅰ20的板壁两侧靠近斜边的区域采用车槽或铣床加工的方式设置螺栓转动槽23，螺栓转动槽23的中心位置和长度根据设计需求确定，宽度等于穿过槽内的锚固螺栓39的螺杆外径。
纵向锚固钢板19沿长边方向的板端一侧左右三分之一区域分别设置转轴Ⅰ21，转轴Ⅰ21的直径根据设计需求确定。转轴Ⅰ21沿轴线方向通过钻孔的方式设置转轴螺栓孔Ⅰ24，转轴螺栓孔Ⅰ24的直径与转轴螺栓35的螺杆外径相同。
纵向锚固钢板19和梯形摩擦钢板Ⅰ20的板壁厚度由预制构件间传递的弯矩和剪力计算确定。
(6)如图8-图9所示，柱端固定螺栓和柱端固定螺母的具体结构及制作过程如下：
柱端固定螺栓25的根数和尺寸可根据实际设计需求确定。
柱端固定螺母26的数量和尺寸由柱端固定螺栓25的根数和尺寸确定。
(7)如图10所示，横向摩擦钢板键的具体结构及制作过程如下：
横向摩擦钢板键(图10)由横向锚固钢板27、梯形摩擦钢板Ⅱ28、转轴Ⅱ29、螺栓孔Ⅳ30、螺栓转动孔31和转轴螺栓孔Ⅱ32组成。
横向锚固钢板27的左右区域板壁两侧通过双面贯通钻孔的方式设置螺栓孔Ⅳ30，螺栓孔Ⅳ30的位置、个数和尺寸由穿过孔内的梁端固定螺栓33的位置、根数和尺寸确定。
横向锚固钢板27的板壁一侧左右区域分别设置梯形摩擦钢板Ⅱ28。梯形摩擦钢板Ⅱ28的板壁两侧靠近斜边的区域通过双面贯通钻孔的方式设置螺栓转动孔31，螺栓转动孔31的尺寸由穿过孔内的锚固螺栓39的尺寸确定，位置则根据设计需求，由梯形摩擦钢板Ⅰ20内螺栓转动槽23的位置以及梯形摩擦钢板Ⅰ20与梯形摩擦钢板Ⅱ28间预留的相对转动空隙大小确定。
横向锚固钢板27沿长边方向的板端一侧中间三分之一区域设置转轴Ⅱ29，转轴Ⅱ29的直径与转轴Ⅰ21的直径相同，长度与转轴Ⅰ21沿轴线方向的长度相同。转轴Ⅱ29沿轴线方向通过钻孔的方式设置转轴螺栓孔Ⅱ32，转轴螺栓孔Ⅱ32的直径与转轴螺栓35的螺杆外径相同。
横向锚固钢板27和梯形摩擦钢板Ⅱ28的板壁厚度由预制构件间传递的弯矩和剪力计算确定。
(8)如图11-图12所示，梁端固定螺栓和梁端固定螺母的具体结构及制作过程如下：
梁端固定螺栓33的根数和尺寸可根据实际设计需求确定。
梁端固定螺母34的数量和尺寸由梁端固定螺栓33的根数和尺寸确定。
(9)如图13-图14所示，转轴螺栓和转轴螺母的具体结构及制作过程如下：
转轴螺栓35的尺寸可根据实际设计需求确定。
转轴螺母36的尺寸由转轴螺栓35的尺寸确定。
(10)如图15所示，矩形锚固件的具体结构及制作过程如下：
矩形锚固件(图15)由锚固垫片37和锚固螺栓孔38组成。
锚固垫片37优选铜制材料，与梯形摩擦钢板Ⅰ20接触的一侧可进行粗糙处理以增加摩擦阻力。
锚固螺栓孔38的尺寸由锚固螺栓39的螺杆外径确定。
(11)如图16-图17所示，锚固螺栓和螺母的具体结构及制作过程如下：
锚固螺栓39的螺杆长度不小于位于外侧的梯形摩擦钢板Ⅰ20两翼板壁净间距和螺母40的厚度之和。
锚固螺栓39的螺杆外径由预制构件间传递的剪力计算确定。
螺母40的尺寸由锚固螺栓39的螺杆外径确定。
(12)如图18-图19所示，无粘结预应力筋与锚头的具体结构及制作过程如下：
无粘结预应力筋41的材质、根数和尺寸可根据实际设计需求确定。
预应力筋锚具42可结合实际情况，选用夹片式锚具、支承式锚具或锥塞式锚具。
上述构件均可在工厂内预制完成或采购，然后运输到施工现场组装，具体组装过程如下：
(1)如图20所示，将纵向摩擦钢板键(图7)的外壁紧贴预制混凝土柱(图3)外表面柱内预埋钢板(图1)的上下区域，确保螺栓孔Ⅲ22和柱预留螺栓孔8对齐，然后将柱端固定螺栓25沿螺栓孔Ⅲ22和柱预留螺栓孔8贯通插入并穿过纵向摩擦钢板键(图7)和预制混凝土柱(图3)，柱端固定螺栓25在预制混凝土柱(图3)另一侧外表面伸出的螺杆部分，通过柱端固定螺母26拧紧固定。
(2)如图21所示，将横向摩擦钢板键(图10)的外壁紧贴预制混凝土梁(图6)的上下外表面，确保螺栓孔Ⅳ30和梁预留螺栓孔18对齐，然后将梁端固定螺栓33沿螺栓孔Ⅳ30和梁预留螺栓孔18由下至上贯通插入并穿过横向摩擦钢板键(图10)和预制混凝土梁(图6)，梁端固定螺栓33在横向摩擦钢板键(图10)上方伸出的螺杆部分，通过梁端固定螺母34拧紧固定。
(3)如图22所示，将预制混凝土柱(图3)和预制混凝土梁(图6)吊装至预定位置，缓慢移动预制混凝土梁(图6)，使横向摩擦钢板键(图10)的梯形摩擦钢板Ⅱ28插入到纵向摩擦钢板键(图7)的梯形摩擦钢板Ⅰ20间预留的空隙中，确保梯形摩擦钢板Ⅱ28和梯形摩擦钢板Ⅰ20的边界区域，转轴Ⅱ29和转轴Ⅰ21的边界区域，以及螺栓转动孔31和螺栓转动槽23在切向边界上彼此对齐。在这一过程中，还应确保预制混凝土梁(图6)和预制混凝土柱(图3)的接触界面紧贴对齐，预应力筋孔Ⅰ2和预应力筋孔Ⅱ10的孔位彼此对齐。然后将转轴螺栓35穿过转轴螺栓孔Ⅰ24和转轴螺栓孔Ⅱ32，并用扭矩扳手拧紧转轴螺母36，扭矩扳手施加的预紧力由预制构件间传递的弯矩计算确定。
(4)如图23-图24所示，引导无粘结预应力筋41穿过全部预制构件(图23)，然后在预制混凝土梁(图6)的一侧对无粘结预应力筋41进行张拉，同时在预制混凝土柱(图3)的一侧采用预应力筋锚具42固定无粘结预应力筋41(图24)。
(5)如图25所示，待无粘结预应力筋41张拉并锚固完毕后，在螺栓转动槽23的两侧放置矩形锚固件(图15)，确保锚固螺栓孔38与螺栓转动槽23的切向边界对齐。然后将锚固螺栓39穿过锚固螺栓孔38、螺栓转动槽23和螺栓转动孔31，并用扭矩扳手拧紧螺母40，扭矩扳手施加的预紧力由预制构件间传递的剪力计算确定。
本实施例中，柱内预埋钢板(图1)和梁端预埋钢套(图4)能有效防止预制混凝土柱(图3)和预制混凝土梁(图6)在地震作用较大时，接触面处因相对转动可能产生的混凝土压碎剥落现象，增强了结构的整体性。
本实施例中，纵向摩擦钢板键(图7)与横向摩擦钢板键(图10)在梁柱节点交界处通过转轴螺栓35相连，二者间的梯形摩擦钢板Ⅰ20和梯形摩擦钢板Ⅱ28两翼内外板壁紧密接触，并通过锚固螺栓39相连。对转轴螺栓35和锚固螺栓39施加的预紧力能够有效保证节点的抗弯刚度，使节点在地震作用较小时保持弹性状态。
本实施例中，在中等地震作用下，根据受力方向的不同，预制混凝土梁(图6)能够以转轴螺栓35为转动中心，以转轴螺栓35与锚固螺栓39间的直线距离为转动半径，在螺栓转动槽23的切向宽度范围内向上或向下转动。在此过程中，梯形摩擦钢板Ⅰ20和梯形摩擦钢板Ⅱ28两翼内外板壁间，矩形锚固件(图15)和梯形摩擦钢板Ⅰ20两翼板壁间发生摩擦并耗散能量，可避免预制梁柱出现明显的塑性变形，起到第一阶段自复位的作用。
本实施例中，相比于传统的角钢与螺栓连接的梁柱节点，由于彼此分开，纵向摩擦钢板键(图7)和横向摩擦钢板键(图10)的塑性铰主要在靠近转轴的区域发展，而不会出现在螺栓孔区域，从而避免了钢板沿螺栓孔边缘处过度拉伸变形甚至断裂的情况。同时，根据实际情况，在修复过程中仅需拆除并更换受损的钢板键，修复效率更高。
本实施例中，预制构件间传递的弯矩由无粘结预应力筋41承担。通过对无粘结预应力筋41施加预应力，将全部预制构件连接起来并产生预压力。在强震作用下，当预制混凝土梁(图6)达到可控的最大转动状态时，无粘结预应力筋41开始承担第二阶段的自复位作用，以保证预制梁柱在震后恢复至原来的初始状态。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点，其特征在于，包括两块柱内预埋钢板、梁端预埋钢套、两个纵向摩擦钢板键、两个横向摩擦钢板键、无粘结预应力筋(41)和预应力筋锚具(42)，两块柱内预埋钢板安装在预制混凝土柱的左右两侧，梁端预埋钢套安装在预制混凝土梁与预制混凝土柱连接侧，所述横向摩擦钢板键安装在预制混凝土梁的端头上下侧，所述纵向摩擦钢板键安装在柱内预埋钢板的上下部，其中纵向摩擦钢板键与横向摩擦钢板键在梁柱节点交界处通过转轴螺栓(35)相连，二者间的梯形摩擦钢板Ⅰ(20)和梯形摩擦钢板Ⅱ(28)两翼内外板壁紧密接触，并通过锚固螺栓(39)相连，对转轴螺栓(35)和锚固螺栓(39)施加的预紧力能够有效保证节点的抗弯刚度，使节点在地震作用较小时保持弹性状态，所述无粘结预应力筋(41)横向穿过预制混凝土柱与预制混凝土梁形成的整体，且在端部通过若干预应力筋锚具(42)进行固定；
所述纵向摩擦钢板键包括纵向锚固钢板(19)、四个梯形摩擦钢板Ⅰ(20)、转轴Ⅰ(21)、螺栓孔Ⅲ(22)、螺栓转动槽(23)和转轴螺栓孔Ⅰ(24)，所述纵向锚固钢板(19)板壁一侧左右区域分别设置两个梯形摩擦钢板Ⅰ(20)，两个梯形摩擦钢板Ⅰ(20)间预留一定的空隙，空隙间距大小与梯形摩擦钢板Ⅱ(28)的板壁厚度相同，所述纵向锚固钢板(19)上设置有螺栓孔Ⅲ(22)，其中螺栓孔Ⅲ(22)的位置、个数和尺寸由穿过孔内的柱端固定螺栓(25)的位置、根数和尺寸确定，所述梯形摩擦钢板Ⅰ(20)的板壁两侧靠近斜边的区域设置螺栓转动槽(23)，其宽度等于穿过槽内的锚固螺栓(39)的螺杆外径，所述纵向锚固钢板(19)的底部设置转轴Ⅰ(21)；
所述横向摩擦钢板键包括横向锚固钢板(27)、两个梯形摩擦钢板Ⅱ(28)、转轴Ⅱ(29)、螺栓孔Ⅳ(30)、螺栓转动孔(31)和转轴螺栓孔Ⅱ(32)，所述横向锚固钢板(27)的左右区域板壁两侧设置有螺栓孔Ⅳ(30)，螺栓孔Ⅳ(30)的位置、个数和尺寸由穿过孔内的梁端固定螺栓(33)的位置、根数和尺寸确定；所述横向锚固钢板(27)的板壁一侧左右区域分别设置梯形摩擦钢板Ⅱ(28)，梯形摩擦钢板Ⅱ(28)的板壁两侧靠近斜边的区域设置螺栓转动孔(31)，所述横向锚固钢板(27)的底部设置有转轴Ⅱ(29)，所述转轴Ⅱ(29)的直径与转轴Ⅰ(21)的直径相同，长度与转轴Ⅰ(21)沿轴线方向的长度相同，转轴Ⅱ(29)沿轴线方向设置转轴螺栓孔Ⅱ(32)，转轴螺栓孔Ⅱ(32)的直径与转轴螺栓(35)的螺杆外径相同。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点，其特征在于，所述柱内预埋钢板包括矩形钢板(1)、预应力筋孔Ⅰ(2)和螺栓孔Ⅰ(3)，所述矩形钢板(1)上设置有若干预应力筋孔Ⅰ(2)和螺栓孔Ⅰ(3)，其中预应力筋孔Ⅰ(2)的位置、个数和尺寸由穿过孔内的无粘结预应力筋(41)的位置、根数和尺寸确定，螺栓孔Ⅰ(3)的位置、个数和尺寸由穿过孔内的柱端固定螺栓(25)的位置、根数和尺寸确定。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点，其特征在于，所述梁端预埋钢套包括槽形钢板(9)、预应力筋孔Ⅱ(10)和螺栓孔Ⅱ(11)，所述槽形钢板(9)上设置预应力筋孔Ⅱ(10)和螺栓孔Ⅱ(11)，其中，预应力筋孔Ⅱ(10)的位置、个数和尺寸由穿过孔内的无粘结预应力筋(41)的位置、根数和尺寸确定，螺栓孔Ⅱ(11)的位置、个数和尺寸由穿过孔内的梁端固定螺栓(33)的位置、根数和尺寸确定。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点，其特征在于，所述预制混凝土柱包括若干柱纵向受力钢筋(4)、若干柱箍筋(5)、金属波纹管Ⅰ(6)和预应力筋孔道Ⅰ(7)，若干柱纵向受力钢筋(4)和若干柱箍筋(5)相互垂直围成纵向钢筋笼，在纵向钢筋笼中部区域绑扎若干根金属波纹管Ⅰ(6)，金属波纹管Ⅰ(6)的内部空心区域作为预应力筋孔道Ⅰ(7)，用以穿过无粘结预应力筋(41)。
5.根据权利要求1所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点，其特征在于，所述预制混凝土梁包括若干梁负弯矩筋(12)、若干梁正弯矩筋(13)、梁箍筋(14)、若干定位钢筋(15)、若干金属波纹管Ⅱ(16)和预应力筋孔道Ⅱ(17)；若干梁负弯矩筋(12)和若干梁正弯矩筋(13)相互垂直围成横向钢筋笼，横向钢筋笼中部通过定位钢筋(15)横向固定若干金属波纹管Ⅱ(16)，金属波纹管Ⅱ(16)的内部空心区域作为预应力筋孔道Ⅱ(17)，用以穿过无粘结预应力筋(41)。
6.根据权利要求1所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点，其特征在于，在螺栓转动槽(23)的两侧放置矩形锚固件，确保锚固螺栓孔(38)与螺栓转动槽(23)的切向边界对齐。
7.根据权利要求6所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点，其特征在于，所述矩形锚固件包括锚固垫片(37)和锚固螺栓孔(38)，所述锚固垫片(37)为铜制材料，与梯形摩擦钢板Ⅰ(20)接触的一侧进行粗糙处理以增加摩擦阻力，锚固螺栓孔(38)的尺寸由锚固螺栓(39)的螺杆外径确定。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的基于摩擦钢板连接的装配式混凝土梁柱自复位节点的拼装方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将纵向摩擦钢板键的外壁紧贴预制混凝土柱外表面柱内预埋钢板的上下区域，确保螺栓孔Ⅲ(22)和柱预留螺栓孔(8)对齐，然后将柱端固定螺栓(25)沿螺栓孔Ⅲ(22)和柱预留螺栓孔(8)贯通插入并穿过纵向摩擦钢板键和预制混凝土柱，柱端固定螺栓(25)在预制混凝土柱另一侧外表面伸出的螺杆部分，通过柱端固定螺母(26)拧紧固定；
(2)将横向摩擦钢板键的外壁紧贴预制混凝土梁的上下外表面，确保螺栓孔Ⅳ(30)和梁预留螺栓孔(18)对齐，然后将梁端固定螺栓(33)沿螺栓孔Ⅳ(30)和梁预留螺栓孔(18)由下至上贯通插入并穿过横向摩擦钢板键和预制混凝土梁，梁端固定螺栓(33)在横向摩擦钢板键上方伸出的螺杆部分，通过梁端固定螺母(34)拧紧固定；
(3)将预制混凝土柱和预制混凝土梁吊装至预定位置，缓慢移动预制混凝土梁，使横向摩擦钢板键的梯形摩擦钢板Ⅱ(28)插入到纵向摩擦钢板键的梯形摩擦钢板Ⅰ(20)间预留的空隙中，确保梯形摩擦钢板Ⅱ(28)和梯形摩擦钢板Ⅰ(20)的边界区域，转轴Ⅱ(29)和转轴Ⅰ(21)的边界区域，以及螺栓转动孔(31)和螺栓转动槽(23)在切向边界上彼此对齐，在这一过程中，还应确保预制混凝土梁和预制混凝土柱的接触界面紧贴对齐，预应力筋孔Ⅰ(2)和预应力筋孔Ⅱ(10)的孔位彼此对齐，然后将转轴螺栓(35)穿过转轴螺栓孔Ⅰ(24)和转轴螺栓孔Ⅱ(32)，并用扭矩扳手拧紧转轴螺母36，扭矩扳手施加的预紧力由预制构件间传递的弯矩计算确定；
(4)引导无粘结预应力筋(41)穿过预制混凝土柱和预制混凝土梁以及其中的预制构件，然后在预制混凝土梁的一侧对无粘结预应力筋(41)进行张拉，同时在预制混凝土柱的一侧采用预应力筋锚具(42)固定无粘结预应力筋(41)；
(5)待无粘结预应力筋(41)张拉并锚固完毕后，在螺栓转动槽(23)的两侧放置矩形锚固件，确保锚固螺栓孔(38)与螺栓转动槽(23)的切向边界对齐，然后将锚固螺栓(39)穿过锚固螺栓孔(38)、螺栓转动槽(23)和螺栓转动孔(31)，并用扭矩扳手拧紧螺母(40)，扭矩扳手施加的预紧力由预制构件间传递的剪力计算确定。
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