CN114922286A - 一种装配式可更换耗能混合连接节点及安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种装配式可更换耗能混合连接节点及安装方法，包括钢管混凝土、预制混凝土梁和耗能连接件；钢管混凝土包括高强混凝土和钢管，钢管内部灌入高强混凝土形成钢管混凝土；所述钢管混凝土的外侧设置有柱端H型钢，所述柱端H型钢的侧面浇筑部分混凝土；预制混凝土梁包括预制混凝土、预制H型钢和纵筋；纵筋固定在预制H型钢的翼缘部位，浇筑预制混凝土后形成预制混凝土梁；预制H型钢和柱端H型钢上均设置有H型钢腹板，H型钢腹板之间通过销轴进行连接；耗能连接件通过高强螺栓连接设置在柱端H型钢和预制H型钢。可显著提升装配式建筑的施工效率、截面承载能力和耗能能力。

Description

一种装配式可更换耗能混合连接节点及安装方法
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，具体属于一种装配式可更换耗能混合连接节点及安装方法。
背景技术
装配式建筑所用构件需要提前在工厂中预制完成，在施工现场经过简单处理，即可在短时间内安装完成，极大的优化了建筑的施工周期，减少了现场安装过程中噪音、污染、养护和造价高等问题。然而，在装配式中，连接节点对于建筑的整体性能和抗震性能至关重要，不合理的节点设计和复杂的施工工序可能会使构件之间安装不牢固，导致建筑在地震作用下发生严重破坏甚至倒塌问题。
目前，常见的装配式建筑主要包括混凝土结构、钢结构和现代木结构建筑等，传统的装配式混凝土结构常采用套筒浆连接或机械连接，对施工精度要求较高，施工质量难以保证；在常见的装配式钢结构中，用钢量较大、造价高、防火和防锈等问题难以避免；现代木结构建筑存在材料腐蚀和承载力不足等问题，难以适用于高层建筑。建筑在地震作用下常常会发生局部损伤，由于构件塑性铰的产生，使得构件表面呈现出较大的裂缝和变形，难以通过简单的手段进行修复，且现浇式节点在地震作用下表现出的耗能能力较差，不利于改善建筑的抗震能力。
传统的钢管混凝土柱-混凝土梁采用完全湿式连接方案，对施工质量要求较高、养护周期长、施工效率难以提升，且这种结构形式的框架难以保证结构的整体性能和抗震性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种装配式可更换耗能混合连接节点及安装方法，可显著提升装配式建筑的施工效率、截面承载能力和耗能能力。本发明可有效改善传统现浇式或完全装配式钢管混凝土-混凝土梁节点由材料强度不足造成的“粗梁胖柱”、残余变形过大、施工效率低、整体性能和抗震性能差等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种装配式可更换耗能混合连接节点，包括钢管混凝土、预制混凝土梁和耗能连接件；
所述钢管混凝土包括高强混凝土和钢管，钢管内部灌入高强混凝土形成钢管混凝土；所述钢管混凝土的外侧设置有柱端H型钢，所述柱端H型钢的侧面浇筑部分混凝土；
所述预制混凝土梁包括预制混凝土、预制H型钢和纵筋；
所述纵筋固定在预制H型钢的翼缘部位，浇筑预制混凝土后形成预制混凝土梁；
所述预制H型钢和柱端H型钢上均设置有H型钢腹板，H型钢腹板之间通过销轴进行连接；
所述耗能连接件通过高强螺栓连接柱端H型钢和预制H型钢。
优选的，所述钢管混凝土的外侧设置有环板，柱端H型钢固定在环板上。
进一步的，所述环板焊接到钢管的外表面。
优选的，所述耗能连接件的中间部位开设有多个圆形孔洞，中间部位的两侧设置有弧形缺口。
优选的，所述钢管混凝土的内部设置有穿心纵筋，穿心纵筋穿过钢管混凝土连接柱端H型钢的翼缘部位。
优选的，所述纵筋通过箍筋固定并焊接在预制H型钢的翼缘部位。
优选的，所述钢管的强度等级不低于Q460。
优选的，所述高强混凝土的强度等级不低于C60。
一种装配式可更换耗能混合连接节点的安装方法，基于上述任意一项所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点，包括以下过程，
将纵筋固定在预制H型钢的，浇筑预制混凝土；
在预制H型钢的顶部采用高强螺栓固定一个耗能连接件；
在钢管上固定柱端H型钢，浇筑高强混凝土和部分混凝土；
在柱端H型钢的底部采用高强螺栓固定一个耗能连接件；
将销轴穿过柱端H型钢和预制H型钢上的H型钢腹板进行固定；
将预制H型钢和柱端H型钢上的耗能连接件通过高强螺栓相互固定。
优选的，将钢管进行架立，在设置纵筋的位置进行开洞处理，接着焊接环板和柱端H型钢到钢管的表面，将纵筋伸出部分焊接到环板的表面，浇筑高强混凝土和部分混凝土。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种装配式可更换耗能混合连接节点，通过在预制H型钢和柱端H型钢之间通过销轴设置铰接，并设置可更换耗能连接件，可以在地震作用下保护梁柱构件不受破坏，通过耗能连接件的塑性变形，增强节点的耗能能力；耗能连接件在地震作用下受损后，可及时更换，有利于中震可修方案的推行，并且在安装过程中，耗能连接件还可作为外接牛腿，在吊装试件的过程中，可将混凝土梁搭接在耗能连接件的表面，随后机械设备可进行下一构件的吊装工作，有利于提升吊装的施工速度，简化施工工序。本发明可在H型钢和混凝土梁的上部可设置钢筋和混凝土后浇段，有利于装配式楼板的安装，在减少施工周期和现场浇筑工序的同时，符合现代化绿色装配式建筑施工的需求。
进一步的，连接节点采用Q690高强薄壁方形钢管混凝土柱，高强材料的应用能够显著增强钢管的约束效应和抗屈曲能力，并且内部灌入的自密实混凝土，有利于改善钢管浇筑过程的密实性；
进一步的，将预制混凝土梁的纵筋焊接在H型钢的翼缘表面，采用箍筋固定焊接到一起，并在腹板表面设置带有弯钩的钢筋，提升腹板位置与混凝土的粘结性能。
进一步的，耗能连接件的构造形式采用圆形开洞方式制作而成，并在侧面开出弧形凹槽，更符合连接件的传力路径，中间的薄弱位置有利于钢板的塑性发展，避免了连接件处荷载的增大，保护构件不承受过大荷载。
进一步的，在预制钢管混凝土柱的内部设置多排钢筋连接，在外表面设置环板，并浇筑混凝土，以保护钢筋不受腐蚀，并能提升钢管混凝土柱与外部预制H型钢的整体性能，确保梁端传来的荷载可以传递到核心混凝土中，减少高强薄壁钢管表面应力集中和局部撕裂问题。
进一步的，穿心纵筋的设置，有利于提升节点核心区的整体性能，避免梁柱传力不协调等问题。
附图说明
图1是一种装配式可更换耗能混合连接节点示意图；
图2是可更换耗能混合连接节点连接构造示意图；
图3是钢管混凝土柱预制部分示意图；
图4是预制混凝土梁连接部分示意图；
图5是钢管混凝土柱内部构造示意图。
附图中：高强混凝土1；钢管2；环板3；预制混凝土4；销轴5；耗能连接件6；部分混凝土7；预制H型钢8；H型钢腹板9；纵筋10；箍筋11；柱端H型钢12；穿心纵筋13；高强螺栓14。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例
本发明提供一种装配式可更换耗能混合连接节点，可以在快速吊装梁柱构件的情况下，满足梁柱之间的整体性能和抗震性能，且损坏后可以快速更换。
如图1至图5所示，一种装配式可更换耗能混合连接节点由高强薄壁方钢管混凝土柱、预制混凝土梁、外包钢牛腿和连接装置组成。高强薄壁方钢管混凝土由钢管2和灌入内部的核心高强混凝土1组成；预制混凝土梁由工厂批量预制成型，通过现场搭接和安装高强螺栓14和销轴5即可完成节点部位的连接工作。
高强方钢管混凝土柱的钢管2的强度等级不低于Q460，核心高强混凝土1的特征在于强度等级不低于C60。
预制混凝土梁中梁的整体是在工厂完全预制的,在梁的端头安装预制H型钢8和加厚H型钢腹板9，梁的纵筋10和箍筋11焊接在预制H型钢8的翼缘部位，随后浇筑预制混凝土4。为了简便施工工序，在H型钢8的顶部提前采用高强螺栓14固定一个耗能连接件6。
预制高强方钢管混凝土柱中柱的整体是在工厂完全预制的，主要由核心高强混凝土1，钢管2，环板3，耗能连接件6和柱端H型钢12组成。环板3需要采用焊接技术焊接到钢管2的表面，柱端H型钢12与环板3也是采用焊接连接起来的，底部的耗能连接件6是通过高强螺栓14连接的。除此之外，在柱端H型钢12的侧表面还浇筑有部分混凝土7，以避免钢材翼缘发生局部屈曲。
耗能连接件6的中间部位开有三个圆形孔洞，并且在板的边缘也采用弧形进行削弱处理。采用削弱板件中间部位的有效截面面积，能够使局部钢材迅速进入达到屈服强度，从而进入塑性变形阶段，通过销轴5的转动为预制混凝土梁提供塑性铰，钢材的塑性变形能够提供较好的耗能能力。并且进入塑性阶段的钢材，其应力不会显著增高，趋于稳定的应力状态还能避免节点核心区所受荷载无限制增加，从而起到保护节点核心区的目的，更有利于实现“强节点弱构件”的设计目标。另外，耗能连接件6还满足可更换的要求，在地震作用下如果发生损坏，可以在现场通过拆卸高强螺栓14的方式，更换耗能连接件6，这有利于实现“中震可修”的抗震设计目标。
预制高强方钢管混凝土柱的内部构造采用多根穿心纵筋13穿过钢管2，并且焊接在柱端H型钢12翼缘的内侧表面。穿心纵筋13的设置，有利于提升节点核心区的整体性能，避免梁柱传力不协调等问题。为了保护外侧的穿心纵筋不受侵蚀，还在柱端H型钢12的侧面浇筑部分混凝土7，穿心纵筋13的存在也确保了部分混凝土7与柱端H型钢12具有良好的粘结性能，有利于两者共同工作。
本发明新型节点方案的施工顺序为预制高强方钢管混凝土柱在现场架立，其次吊装预制混凝土梁放到柱端底部的可更换耗能连接6上，随后可进行其他构件的吊装工作，不影响吊装机械的使用效率。待需要完全安装时，将销轴5穿过柱端H型钢12和预制H型钢8，采用耳板固定好销轴，使其在承受节点部位剪力的同时还能进行转动。除此之外，还需要将柱端和梁端的耗能连接件6采用高强螺栓14固定好。该发明适用于对建造速度快、机械利用率高、结构整体性能和抗震性能要求较高的结构。
本发明的新型连接节点采用Q690高强薄壁方形钢管混凝土柱，高强材料的应用能够显著增强钢管的约束效应和抗屈曲能力，并且内部灌入的自密实混凝土，有利于改善钢管浇筑过程的密实性；
本发明将预制混凝土梁的纵筋焊接在H型钢的翼缘表面，采用箍筋固定焊接到一起，并在腹板表面设置带有弯钩的钢筋，提升腹板位置与混凝土的粘结性能；
本发明在预制钢管混凝土柱的内部设置多排钢筋连接，在外表面设置环板，并浇筑混凝土，以保护钢筋不受腐蚀，并能提升钢管混凝土柱与外部预制H型钢的整体性能，确保梁端传来的荷载可以传递到核心混凝土中，减少高强薄壁钢管表面应力集中和局部撕裂问题；
本发明在预制H型钢和预制混凝土的H型钢端头之间设置铰接，并设置可更换耗能连接装置，这两种装置可以在地震作用下保护梁柱构件不受破坏，通过耗能连接件的塑性变形，增强节点的耗能能力；
本发明耗能连接件在地震作用下受损后，可及时更换，有利于中震可修方案的推行，并且在安装过程中，耗能连接件还可作为外接牛腿，在吊装试件的过程中，可将混凝土梁搭接在耗能连接件的表面，随后机械设备可进行下一构件的吊装工作，有利于提升吊装的施工速度，简化施工工序。
本发明耗能连接件的构造形式采用圆形开洞方式制作而成，并在侧面开出弧形凹槽，更符合连接件的传力路径，中间的薄弱位置有利于钢板的塑性发展，避免了连接件处荷载的增大，保护构件不承受过大荷载。
本发明可在H型钢和混凝土梁的上部可设置钢筋和混凝土后浇段，有利于装配式楼板的安装，在减少施工周期和现场浇筑工序的同时，符合现代化绿色装配式建筑施工的需求。
本发明一种装配式可更换耗能混合连接节点的安装方法，包括以下过程，主要分为：工厂预制部件、现场架立钢管混凝土柱、吊装预制混凝土梁、现场整体安装。
(1)工厂预制试件
工厂在制作预制混凝土梁时，将预制H型钢8安装在梁的端部，通过纵筋10和箍筋11焊接好预制H型钢8，确保将梁所受荷载传递到预制H型钢8，随后浇筑预制混凝土4。为了简便施工工序，在H型钢8的顶部提前采用高强螺栓14固定一个耗能连接件6。工厂预制高强方钢管混凝土柱时，先将钢管2进行架立，在设置纵筋13的位置进行开洞处理，接着焊接环板3和柱端H型钢12到钢管2的表面，将纵筋13伸出的部分焊接到环板3的表面，随后浇筑核心高强混凝土1和部分混凝土7，并拧紧高强螺栓14固定底部的耗能连接件6到柱端H型钢12。
(2)现场架立钢管混凝土柱
将工厂制作好的钢管混凝土柱吊装到现场的地基上，可采用高强螺栓固定钢管混凝土柱的底部。
(3)吊装预制(预应力)混凝土梁
将预制混凝土梁构件由工厂运至施工现场进行吊装，放置在耗能连接件6的表面，并迅速将销轴5穿过柱端H型钢12和预制H型钢8，避免其长时间承受较大的竖向荷载而导致弯曲。
(4)现场整体安装
采用耳板固定好销轴，使其在承受节点部位剪力的同时还能进行转动，并且将柱端和梁端的耗能连接件6采用高强螺栓14固定好，实现梁柱共同传力。
本发明的一种装配式可更换耗能混合连接节点，采用完全装配式安装可提高施工效率，销轴的连接方式可以提升机械的使用效率，耗能连接件的设置能够保证节点或框架结构具有良好的抗震性能，并实现可修复的目标。
高强薄壁方钢管混凝土采用的高强钢材和高强混凝土可克服传统材料强度不足造成截面过大问题，并且高强钢材对于核心混凝土的约束效应较大，能够充分发挥高强材料的承载力，有利于减少建筑材料的使用和施工成本过高等问题。此种节点带有销轴的连接形式，可以实现快速吊装后便捷施工，提高现场机械的施工效率。在节点核心区设置环板-钢板-纵筋的传力模式，有利于提升结构的整体性能。在预制混凝土梁设有耗能连接件，有利于改善框架的抗震性能。
本发明提供的装配式可更换耗能混合连接节点，满足当今的装配式结构施工的装配率要求，并能有效克服传统现浇式或完全装配式钢管混凝土柱-混凝土梁截面设计较大、承载力低、建造效率低、养护周期长和抗震性能差等问题。采用新型的截面形式和节点构造方案能够有效提升钢管混凝土柱-预制混凝土梁新型混合结构的建造效率和结构性能，在现代民用建筑、工业用建筑、特种建筑及其他多层重要建筑中应用具有较好的经济效益和技术优势。
本发明提供了一种装配式可更换耗能混合连接节点，可克服传统材料强度不足造成截面过大的问题，并且高强钢对核心混凝土的约束效应较大，能够充分发挥高强材料的承载力，有利于减少建筑材料的使用和施工成本过高等问题。

Claims (10)

1.一种装配式可更换耗能混合连接节点，其特征在于，包括钢管混凝土、预制混凝土梁和耗能连接件(6)；
所述钢管混凝土包括高强混凝土(1)和钢管(2)，钢管(2)内部灌入高强混凝土(1)形成钢管混凝土；所述钢管混凝土的外侧设置有柱端H型钢(12)，所述柱端H型钢(12)的侧面浇筑部分混凝土(7)；
所述预制混凝土梁包括预制混凝土(4)、预制H型钢(8)和纵筋(10)；
所述纵筋(10)固定在预制H型钢(8)的翼缘部位，浇筑预制混凝土(4)后形成预制混凝土梁；
所述预制H型钢(8)和柱端H型钢(12)上均设置有H型钢腹板(9)，H型钢腹板(9)之间通过销轴(5)进行连接；
所述耗能连接件(6)通过高强螺栓(14)连接柱端H型钢(12)和预制H型钢(8)。
2.根据权利要求1所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点，其特征在于，所述钢管混凝土的外侧设置有环板(3)，柱端H型钢(12)固定在环板(3)上。
3.根据权利要求2所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点，其特征在于，所述环板(3)焊接到钢管(2)的外表面。
4.根据权利要求1所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点，其特征在于，所述耗能连接件(6)的中间部位开设有多个圆形孔洞，中间部位的两侧设置有弧形缺口。
5.根据权利要求1所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点，其特征在于，所述钢管混凝土的内部设置有穿心纵筋(13)，穿心纵筋(13)穿过钢管混凝土连接柱端H型钢(12)的翼缘部位。
6.根据权利要求1所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点，其特征在于，所述纵筋(10)通过箍筋(11)固定并焊接在预制H型钢(8)的翼缘部位。
7.根据权利要求1所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点，其特征在于，所述钢管(2)的强度等级不低于Q460。
8.根据权利要求1所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点，其特征在于，所述高强混凝土(1)的强度等级不低于C60。
9.一种装配式可更换耗能混合连接节点的安装方法，其特征在于，基于权利要求1-8任意一项所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点，包括以下过程，
将纵筋(10)固定在预制H型钢(8)的，浇筑预制混凝土(4)；
在预制H型钢(8)的顶部采用高强螺栓(14)固定一个耗能连接件(6)；
在钢管(2)上固定柱端H型钢(12)，浇筑高强混凝土(1)和部分混凝土(7)；
在柱端H型钢(12)的底部采用高强螺栓(14)固定一个耗能连接件(6)；
将销轴(5)穿过柱端H型钢(12)和预制H型钢(8)上的H型钢腹板(9)进行固定；
将预制H型钢(8)和柱端H型钢(12)上的耗能连接件(6)通过高强螺栓(14)相互固定。
10.根据权利要求9所述的一种装配式可更换耗能混合连接节点的安装方法，其特征在于，将钢管(2)进行架立，在设置纵筋(13)的位置进行开洞处理，接着焊接环板(3)和柱端H型钢(12)到钢管(2)的表面，将纵筋(13)伸出部分焊接到环板(3)的表面，浇筑高强混凝土(1)和部分混凝土(7)。
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