CN114592597A - 一种预应力胶合木钢填板螺栓连接节点 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，包括：胶合木梁，其一端开槽、开孔，用于插入钢填板和安装螺栓；钢填板和螺栓，螺栓连接钢填板与胶合木梁构成胶合木钢填板螺栓连接节点；高强钢带和锁扣，将钢带围绕节点弯折并穿过锁扣拉出一段长度，利用气泵为拉紧器施加动力，使用拉紧器张拉钢带直至设计预拉力，同时利用锁扣机咬紧锁扣对钢带进行固定。本发明构造简单，安装方便，传力可靠，通过施加预拉力的高强钢带有效阻止了裂缝的出现和扩展，增强了胶合木梁和钢填板的协同工作性能，明显提高了节点的承载力和延性。

Description

一种预应力胶合木钢填板螺栓连接节点

技术领域

本发明属于建筑结构工程技术领域，具体涉及一种预应力胶合木钢填板螺栓连接节点。

背景技术

现代胶合木结构正在向更大跨度的方向发展，考虑到运输限制，通常需要在施工现场对木构件进行拼接组装，节点的受力性能对结构整体的受力性能至关重要，目前，胶合木结构常用的节点包括销式节点、粘接节点、榫卯节点、植筋节点，其中销式节点最为常用，其传力明确，安装方便，但是在满足规范规定边距的前提下仍然容易发生劈裂破坏，其低延性和低承载力性能大大限制了其在现代化胶合木结构中的应用。

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、有效提高节点承载力和延性的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点。技术方案如下：

一种预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，包括：

相互邻接的胶合木梁，每个所述胶合木梁的连接端的端部均设有开槽，钢填板容置于所述开槽内，螺栓穿过所述胶合木梁和所述钢填板并将两者固定；

高强钢带，所述高强钢带环绕成环状套设在所述连接端，所述高强钢带上施加有一定的预拉力，并通过夹紧锁扣将所述高强钢带两端固定。

进一步地，若干所述高强钢带均匀间隔环绕在所述螺栓之间，所述高强钢带间距越小，节点极限承载力越大。

进一步地，所述高强钢带的间距等于螺栓的列间距。

进一步地，随着预拉应力的增大，节点极限承载力先增大，达到峰值后减小，存在一个高强钢带预拉应力临界值。

进一步地，所述临界值与钢带厚度有关，与钢带宽度和钢带间距无关，钢带厚度越大，该预拉应力临界值越大。

进一步地，所述胶合木梁和所述钢填板上设有位置对应的贯穿孔，螺栓穿过所述贯穿孔并固定。

进一步地，所述开槽竖直设置在所述胶合木梁的连接面中部，所述钢填板的高度与所述胶合木梁的高度相等。

进一步地，所述锁扣布置在受弯节点的受压区域。

另一方面，本申请还保护前述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点的施工方法，包括以下步骤：

a.首先将钢填板插入胶合木梁的开槽部位，通过螺栓穿入钢填板与胶合木梁预先加工好的螺栓孔并进行连接；

b.对胶合木梁与高强钢带接触的部位进行画线定位；

c.利用打磨机对胶合木梁的所述接触部位表面的凸起棱角进行打磨，并去除表面杂质，使节点表面与高强钢带接触部位平整光滑，以保证高强钢带和胶合木梁表面可以充分接触；

d.根据胶合木梁的截面尺寸裁剪高强钢带，并在高强钢带的一端穿入锁扣，然后将高强钢带按照画线位置沿胶合木梁进行缠绕，将高强钢带穿过锁扣并拉出一段长度，然后利用气泵连接拉紧器张拉高强钢带至设计预拉力，同时利用锁扣机咬紧锁扣对钢带进行固定，之后不断重复以上步骤直至完成整个节点的钢带安装。

另一方面，本申请还保护前述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点的极限承载力和极限弯矩计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

假设简支梁跨度为2l，截面尺寸为b×h，节点位于跨中，取半边梁进行计算，以初始裂纹左边缘处为坐标原点，假设梁为无限长梁，以竖向位移函数y(x)为未知量，基于Winkler地基梁模型，将地基模拟为刚性制作上一系列独立的弹簧，地基表面任一点的沉降与该点单位面积上受到的压力成正比，即

则其基本微分方程如下：

其中，EI为梁的抗弯刚度，σ(x)为地基应力，q(x)为外荷载，虚拟断裂层的刚度K＝f_t,902/G_f，f_t,90为木材横纹抗拉强度，G_f为裂纹扩展断裂模式Ⅰ临界能量释放率；

其对应的齐次方程的通解为

y＝e^αx(A₁cosαx+A₂sinαx)+e^-αx(A₃cosαx+A₄sinαx) (3)

其中α为特征系数，其计算公式为

无限长梁上作用集中荷载P的边界条件为y|_x→∞＝0，

可以得出：A₁＝0,A₂＝0,A₃＝A₄＝A；

由地基反力、竖桩反力与外荷载P平衡，则有：

2KbA∫₀ ^∞e-^αx(cosαx+sinαx)dx+2K_sbd_sy|_x＝s＝P (4)

计算得

其中，s为钢带与螺栓的距离，d_s为钢带宽度；

可以得到位移y_r(x)的表达式如下：

而普通胶合木钢填板螺栓连接节点的位移y(x)的表达式如下：

则预应力胶合木钢填板螺栓连接节点的位移函数y_r(x)与普通胶合木钢填板螺栓连接节点的位移函数y(x)的关系为：

则任意截面的转角、弯矩和剪力表达式存在如下关系：

θ_r(x)＝ξθ，M_r(x)＝ξM，V_r(x)＝ξV

对于普通胶合木钢填板螺栓连接节点，基于已有的研究成果，考虑螺栓距梁端部的距离l_e和梁高h的影响，提出了如下计算公式：

因此，对于预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，单个螺栓横纹劈裂极限承载力按照下式计算：

对于节点最外侧位置的螺栓，其极限承载力为

F_d,max＝P_u/cosβ (10)

其中β为螺栓力臂与顺纹方向的夹角；

则当节点最外侧位置的螺栓达到极限承载力时，对应的节点极限弯矩为：

基于上述技术方案可知，本发明的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、本发明构造简单，钢带安装方便快捷，传力明确可靠；

2、预应力的施加使得钢带可以有效约束木材，预先使其处于受压状态，延缓了横纹受拉裂缝的出现；

3、钢带的合理布置可以有效限制裂缝的开展，延缓其向两侧延伸形成贯通裂缝，保证了节点在承载力不降低的情况下可以较长时间带裂缝工作，提高了节点的延性；

4、钢带所形成的外加封闭箍可以有效约束钢板和木梁，阻止钢板和木梁的相对错动，加强钢板和木梁的协同工作性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，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为本申请实施例的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点的构造示意图；

图2为本申请实施例的开槽、开孔和定位打磨后的胶合木梁的部件示意图；

图3为本申请实施例的开孔钢填板的部件示意图；

图4为本申请实施例的螺栓部件示意图；

图5为本申请实施例的高强钢带和闭式锁扣部件示意图；

图6为本申请实施例的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点装配后的构造示意图；

图7为本申请实施例的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点装配后的正视图。

图8为本申请考虑钢带加固的木结构简支梁螺栓连接受力分析示意图。

图9为本申请实施例的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点装配后的立体图。

1-胶合木梁；2-钢填板；3-螺栓；4-高强钢带；5-锁扣

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1-7和图9所示，本申请实施例的一种预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，包括胶合木梁1，钢填板2，螺栓3，高强钢带4，锁扣5(例如可以是闭式锁扣，也可以是开式锁扣)。

两根胶合木梁1，其一端开槽和开孔，钢填板2插入胶合木梁1的槽中，考虑到加工误差，胶合木梁1开槽宽度一般比钢填板2厚度大1～2mm。

通过螺栓3穿入钢填板2与胶合木梁1预先加工好的螺栓孔并进行连接，考虑到加工误差，螺栓孔直径一般比螺栓3的直径大1～2mm。

将高强钢带4围绕节点弯折并施加一定的预拉力，通过夹紧锁扣5将高强钢带4固定。

在本申请的一个实施例中，节点的上述各个结构以两根胶合木梁1的连接面对称设置在两根胶合木梁1的连接端上。

所述开槽竖直设置在所述胶合木梁1的连接面中部，所述钢填板2的高度与所述胶合木梁1的高度相等。

参见图8，申请人的进一步的研究和理论分析如下：

以木结构螺栓连接简支梁横纹受力的木材劈裂计算模型为例，简支梁跨度为2l，截面尺寸为b×h，节点位于跨中，初始裂纹在跨中对称分布，长度为2a，节点处横纹外荷载为P＝2P₀，钢带与螺栓的距离为s，钢带宽度为d_s。在节点潜在断裂位置处假设存在厚度无限小的虚拟断裂层，符合Winkler假设，假设虚拟断裂层为线弹性和脆性，将其特性等效为木材横纹抗拉强度f_t,90和裂纹扩展断裂模式Ⅰ临界能量释放率G_f，根据木材断裂能量释放的线性特性，虚拟断裂层的刚度为K＝f_t,902/G_f，假设虚拟断裂层下方高度h_e的梁为位于弹性地基上的Timoshenko梁，虚拟断裂层上方高度为h-h_e的梁为刚性基础，刚度趋于无穷大。对于有钢带的部位，由于存在钢带约束作用，虚拟断裂层的刚度较其他部位大，将钢带约束作用等同于虚拟竖桩支撑作用，其刚度为K_s。

取半边梁进行计算，以初始裂纹左边缘处为坐标原点，假设梁为无限长梁，以竖向位移函数y(x)为未知量，基于Winkler地基梁模型，将地基模拟为刚性制作上一系列独立的弹簧，地基表面任一点的沉降与该点单位面积上受到的压力成正比，即

则其基本微分方程如下：

其中，EI为梁的抗弯刚度，σ(x)为地基应力，q(x)为外荷载。

其对应的齐次方程的通解为

y＝e^αx(A₁cosαx+A₂sinαx)+e^-αx(A₃cosαx+A₄sinαx) (3)

其中α为特征系数，其计算公式为

无限长梁上作用集中荷载P的边界条件为y|_x→∞＝0，

可以得出：A₁＝0,A₂＝0,A₃＝A₄＝A。

由地基反力、竖桩反力与外荷载P平衡，则有：

2KbA∫₀ ^∞e^-αx(cosαx+sinαx)dx+2K_sbd_sy|_x＝s＝P (4)

计算得

其中，s为钢带与螺栓的距离，d_s为钢带宽度。

可以得到位移y_r(x)的表达式如下：

而普通胶合木钢填板螺栓连接节点的位移y(x)的表达式如下：

则预应力胶合木钢填板螺栓连接节点的位移函数y_r(x)与普通胶合木钢填板螺栓连接节点的位移函数y(x)的关系为：

则任意截面的转角、弯矩和剪力表达式也存在如下关系：

θ_r(x)＝ξθ，M_r(x)＝ξM，V_r(x)＝ξV

对于普通胶合木钢填板螺栓连接节点已有许多研究成果，其中Jensen通过考虑螺栓距梁端部的距离l_e和梁高h的影响，提出了如下计算公式：

因此，对于预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，单个螺栓横纹劈裂极限承载力建议按照下式计算：

对于节点最外侧位置的螺栓，其极限承载力为

F_d,max＝P_u/cosβ (10)

其中β为螺栓力臂与顺纹方向的夹角。

则当节点最外侧位置的螺栓达到极限承载力时，对应的节点极限弯矩为：

依照上述公式，考虑不同钢带宽度、厚度和钢带间距，分析钢带预拉应变对节点受力性能的影响，可以得出：

随着预拉应变的增大，预应力胶合木钢填板螺栓连接节点极限承载力先增大，达到峰值后减小，存在一个钢带预拉应变临界值，而该值与钢带厚度有关，与钢带宽度和钢带间距无关，在实际工程中，应综合考虑设备限制、钢带强度和钢带厚度进行选择；钢带间距对预应力胶合木钢填板螺栓连接节点极限承载力的影响最大，钢带间距越小，节点极限承载力越大，但是随着钢带间距的减小，这种提高效果越来越不明显，考虑到经济效果和美观效果，建立将钢带间距控制在螺栓列间距的1倍左右；钢带宽度越大，预应力胶合木钢填板螺栓连接节点极限承载力提高越大，且随着钢带宽度的增大，此种提高效果也随之增加。

锁扣5应尽量布置在节点受压区域，这是由于固定锁扣5时难以避免对高强钢带4造成一定损伤，导致高强钢带4存在薄弱环节，相较于更为危险的受拉区，为安全和受力性能考虑，应将锁扣5布置在节点受压区域。

由于钢带的约束作用使得节点的变形能力增大，钢填板2和胶合木梁1之间相对错动会变大，钢带应采用具有高强度、高延性的高强钢带，而钢填板可以采用普通低合金钢，如Q355。

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)

1.一种预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，其特征在于，包括：

相互邻接的胶合木梁(1)，每个所述胶合木梁(1)的连接端的端部均设有开槽，钢填板(2)容置于所述开槽内，螺栓(3)穿过所述胶合木梁(1)和所述钢填板(2)并将两者固定；

高强钢带(4)，所述高强钢带(4)环绕成环状套设在所述连接端，所述高强钢带(4)上施加有一定的预拉力，并通过夹紧锁扣(5)将所述高强钢带(4)两端固定。

2.根据权利要求1所述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，其特征在于：

若干所述高强钢带(4)均匀间隔环绕在所述螺栓(3)之间，所述高强钢带(4)间距越小，节点极限承载力越大。

3.根据权利要求2所述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，其特征在于：

所述高强钢带(4)的间距等于螺栓的列间距。

4.根据权利要求1或2所述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，其特征在于：

随着预拉应力的增大，节点极限承载力先增大，达到峰值后减小，存在一个高强钢带(4)预拉应力临界值。

5.根据权利要求4所述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，其特征在于：所述临界值与钢带厚度有关，与钢带宽度和钢带间距无关，钢带厚度越大，该预拉应力临界值越大。

6.根据权利要求1或2所述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，其特征在于：

所述胶合木梁(1)和所述钢填板(2)上设有位置对应的贯穿孔，螺栓(3)穿过所述贯穿孔并固定。

7.根据权利要求1或2所述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，其特征在于：所述开槽竖直设置在所述胶合木梁(1)的连接面中部，所述钢填板(2)的高度与所述胶合木梁(1)的高度相等。

8.根据权利要求1-7之一所述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，其特征在于：

所述锁扣(5)布置在受弯节点的受压区域。

9.根据权利要求1所述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.首先将钢填板(2)插入胶合木梁(1)的开槽部位，通过螺栓(3)穿入钢填板(2)与胶合木梁(1)预先加工好的螺栓孔并进行连接；

b.对胶合木梁(1)与高强钢带(4)接触的部位进行画线定位；

c.利用打磨机对胶合木梁(1)的所述接触部位表面的凸起棱角进行打磨，并去除表面杂质，使节点表面与高强钢带(4)接触部位平整光滑，以保证高强钢带(4)和胶合木梁(1)表面可以充分接触；

d.根据胶合木梁(1)的截面尺寸裁剪高强钢带(4)，并在高强钢带(4)的一端穿入锁扣(5)，然后将高强钢带(4)按照画线位置沿胶合木梁(1)进行缠绕，将高强钢带(4)穿过锁扣(5)并拉出一段长度，然后利用气泵连接拉紧器张拉高强钢带(4)至设计预拉力，同时利用锁扣机咬紧锁扣(5)对钢带进行固定，之后不断重复以上步骤直至完成整个节点的钢带安装。

10.根据权利要求1所述的预应力胶合木钢填板螺栓连接节点的极限承载力和极限弯矩计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

假设简支梁跨度为2l，截面尺寸为b×h，节点位于跨中，取半边梁进行计算，以初始裂纹左边缘处为坐标原点，假设梁为无限长梁，以竖向位移函数y(x)为未知量，基于Winkler地基梁模型，将地基模拟为刚性制作上一系列独立的弹簧，地基表面任一点的沉降与该点单位面积上受到的压力成正比，即

则其基本微分方程如下：

其中，EI为梁的抗弯刚度，σ(x)为地基应力，q(x)为外荷载，虚拟断裂层的刚度K＝f_t,90 ²/G_f，f_t,90为木材横纹抗拉强度，G_f为裂纹扩展断裂模式Ⅰ临界能量释放率；

其对应的齐次方程的通解为

y＝e^αx(A₁cosαx+A₂sinαx)+e^-αx(A₃cosαx+A₄sinαx) (3)

其中α为特征系数，其计算公式为

无限长梁上作用集中荷载P的边界条件为y|_x→∞＝0，

可以得出：A₁＝0,A₂＝0,A₃＝A₄＝A；

由地基反力、竖桩反力与外荷载P平衡，则有：

计算得

其中，s为钢带与螺栓的距离，d_s为钢带宽度；

可以得到位移y_r(x)的表达式如下：

而普通胶合木钢填板螺栓连接节点的位移y(x)的表达式如下：

则预应力胶合木钢填板螺栓连接节点的位移函数y_r(x)与普通胶合木钢填板螺栓连接节点的位移函数y(x)的关系为：

则任意截面的转角、弯矩和剪力表达式存在如下关系：

θ_r(x)＝ξθ，M_r(x)＝ξM，V_r(x)＝ξV

对于普通胶合木钢填板螺栓连接节点，基于已有的研究成果，考虑螺栓距梁端部的距离l_e和梁高h的影响，提出了如下计算公式：

因此，对于预应力胶合木钢填板螺栓连接节点，单个螺栓横纹劈裂极限承载力按照下式计算：

对于节点最外侧位置的螺栓，其极限承载力为

F_d,max＝P_u/cosβ (10)

其中β为螺栓力臂与顺纹方向的夹角；

则当节点最外侧位置的螺栓达到极限承载力时，对应的节点极限弯矩为：

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