CN115075599A - 一种可更换连梁连接节点及连梁更换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可更换连梁连接节点及连梁更换方法，属于土木工程技术领域，解决了现有技术中可更换连梁在实际应用过程中构件安装和节点更换难度大、质量不易保证的问题。本发明可更换连梁连接节点包括消能梁段端板和非消能梁段端板；所述消能梁段端板中部设置有键槽，所述非消能梁段端板中部设置有抗剪键，所述抗剪键设置在所述键槽内。本发明能够简单快速的实现损伤后消能梁段的更换。

Description

一种可更换连梁连接节点及连梁更换方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及建筑工程技术，特别涉及一种可更换连梁连接节点及连梁更换方法。

背景技术

近年来高层结构发展迅速，其中很多高层建筑已经成为了所在城市的标志性建筑。剪力墙结构体系由于受力性能良好、经济性较高，被广泛地应用于高层、超高层建筑，是我国城镇建筑中最主要的结构形式之一。在剪力墙结构体系中，单片墙的长度不宜过长，且在实际使用时也存在一些功能需求，如开设洞口等，因此需要通过设置连梁将剪力墙连接起来，其中连梁既起到连接作用又是剪力墙结构体系遭受地震作用时的主要耗能构件。

我国属于地震多发国家，据统计2007～2016年我国平均每年发生地震30余次，其中7级以上特大地震7次，给国家和人民带来了经济和精神的双重伤害。与中、低层建筑相比，高层建筑震后修复加固的经济和时间成本均较高。将可更换连梁应用于剪力墙结构体系，能够改善结构的抗震性能，且有助于震后功能的维持和恢复，在我国具备大规模推广的可行性。

然而，目前可更换连梁在实际应用过程中存在构件安装和节点更换难度大、质量不易保证的问题，这在一定程度上限制了该类构件的应用。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种可更换连梁连接节点及连梁更换方法，用以解决现有技术中可更换连梁在实际应用过程中构件安装和节点更换难度大、质量不易保证等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种可更换连梁连接节点，包括消能梁段端板和非消能梁段端板；

所述消能梁段端板中部设置有键槽，所述消能梁段端板上端部和下端部均设置有长孔槽螺栓孔；

所述非消能梁段端板中部设置有抗剪键，所述非消能梁段端板上端部和下端部均设置有圆孔槽螺栓孔；

所述圆孔槽螺栓孔与长孔槽螺栓孔一一对应；所述高强螺栓通过长孔槽螺栓孔和圆孔槽螺栓孔连接消能梁段端板和非消能梁段端板；

所述抗剪键设置在所述键槽内；

所述消能梁段端板与消能梁段固定连接。

进一步的，还包括钢塞；

所述抗剪键尺寸小于键槽尺寸，所述钢塞用于填充抗剪键与键槽的空隙。

进一步的，所述键槽为梯形或平行四边形。

进一步的，所述抗剪键为矩形。

进一步的，所述钢塞为楔形。

进一步的，所述消能梁段端板和非消能梁段端板材质均为钢材。

进一步的，所述消能梁段端板与消能梁段通过焊缝连接。

进一步的，所述消能梁段端板与非消能梁段端板的高、宽尺寸一致，所述钢塞的长度大于消能梁段端板与非消能梁段端板的宽度。

进一步的，所述钢塞设置有2个，分别打入抗剪键与键槽形成的上、下两个缝隙内；2个钢塞同向或对向的打入对应的缝隙内。

一种连梁更换方法，采用可更换连梁连接节点；

取下钢塞和高强螺栓后，将消能梁段损伤件沿所述抗剪键宽度方向取下；装入消能梁段更换件，插入高强螺栓和钢塞，完成消能梁段的更换。

本发明可更换连梁连接节点的工作原理：

1)在剪力墙结构体系中，连梁构件跨中区域的受力具有弯矩小、剪力大的特点，对于可更换连梁构件，其消能梁段与非消能梁段的连接区域同样具有上述的受力特点。本发明的可更换连梁连接节点通过在消能梁段端板及非消能梁段端板中部分别设置抗剪键及键槽进行剪力传递，通过在消能梁段端板及非消能梁段端板上下部设置螺栓进行弯矩传递，实现了弯矩和剪力的分离传力，力学途径明确，性能可靠。

2)由于可更换连梁消能梁段一般采用低屈服点金属材料加工制成，或为经过特殊设计(如：开洞、引入阻尼器等)的型钢梁，故当应用可更换连梁构件的剪力墙结构体系遭遇地震作用时损伤主要集中于消能梁段，震后需要更换的也是消能梁段。当拆除发生损伤的消能梁段时，本发明由于消能梁段端板的键槽尺寸大于非消能梁段端板的抗剪键尺寸，故取下螺栓及钢塞后消能梁段沿抗剪键方向能够较为容易的取下；当安装新的消能梁段时，由于消能梁段端板设置了长孔槽螺栓孔，且消能梁段端板的键槽尺寸大于非消能梁段端板的抗剪键尺寸，故具有较充足的调整空间，能够显著降低新件的安装难度。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本发明通过抗剪键进行剪力传递，通过螺栓群进行弯矩传递，实现了弯矩和剪力的分离传力，力学途径明确，性能可靠。

2)本发明高强螺栓仅需要传递弯矩并起到连接作用，因此可以显著减少高强螺栓的用量，降低设计和施工难度。

3)本发明将消能梁段端板的键槽的尺寸大于非消能梁段端板抗剪键，能够为消能梁段的拆卸和安装提供较充足的调整空间，显著降低消能梁段的更换难度。

4)本发明设置了长孔槽螺栓孔，一方面可避免高强螺栓传递剪力，实现高强螺栓仅传递弯矩的效果，另一方面，使得消能梁段的可更换残余剪切角较大，特别适用于高烈度地区可能产生较大剪切变形的可更换连梁构件。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1是梯形键槽可更换连梁连接节点的结构示意图；

图2是梯形键槽可更换连梁连接节点的A-A视图；

图3是平行四边形键槽可更换连梁连接节点的结构示意图；

图4是平行四边形键槽可更换连梁连接节点的A-A视图；

图5是非消能梁段端板示意图；

图6是非消能梁段端板侧视图；

图7是梯形键槽的消能梁段端板示意图；

图8是梯形键槽的消能梁段端板侧视图；

图9是平行四边形键槽的消能梁段端板示意图；

图10是平行四边形键槽的消能梁段端板侧视图；

图11是实施例1剪切加载试验试件及加载设备实物图；

图12是实施例1剪切加载试验消能梁段荷载-对角线位移曲线；

图13是实施例1剪切加载试验后螺栓滑移情况实物图；

图14是实施例1剪切加载试验后，将消能梁段短板拆卸后长孔槽螺栓孔示意图。

附图标记：

1—消能梁段端板，101—键槽，102—长孔槽螺栓孔，2—非消能梁段端板，201—抗剪键，202—圆孔槽螺栓孔，3—高强螺栓，4—钢塞。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种可更换连梁连接节点及连梁更换方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

一种可更换连梁连接节点，包括消能梁段端板1、非消能梁段端板2和高强螺栓3；消能梁段端板1中部设置有键槽101，消能梁段端板1上端部和下端部均设置有长孔槽螺栓孔102；非消能梁段端板2中部设置有抗剪键201，非消能梁段端板2上端部和下端部均设置有圆孔槽螺栓孔202；圆孔槽螺栓孔202与长孔槽螺栓孔102一一对应；高强螺栓3通过长孔槽螺栓孔102和圆孔槽螺栓孔202连接消能梁段端板1和非消能梁段端板2；抗剪键201设置在键槽101内。消能梁段端板1和非消能梁段端板2通过高强螺栓3进行连接，连接方式为摩擦型连接。

在剪力墙结构体系中，连梁构件跨中区域的受力具有弯矩小、剪力大的特点，对于可更换连梁构件，其消能梁段与非消能梁段的连接区域同样具有上述的受力特点。本发明的可更换连梁连接节点通过在消能梁段端板1及非消能梁段端板2中部分别设置键槽101及抗剪键201进行剪力传递，通过在消能梁段端板1及非消能梁段端板2上下部设置高强螺栓3进行弯矩传递，实现了弯矩和剪力的分离传力，力学途径明确，性能可靠。

本发明可更换连梁连接节点充分利用了可更换连梁连接区域剪力大、弯矩小的受力特点，高强螺栓3仅需要传递弯矩并起到连接作用，因此可以显著减少高强螺栓3的用量，降低设计和施工难度。

消能梁段端板1上的螺栓孔为长孔槽螺栓孔102，一方面可避免高强螺栓3传递剪力，实现高强螺栓3仅传递弯矩的效果，另一方面，长孔槽螺栓孔102可使消能梁段的可更换残余剪切角较大，特别适用于高烈度地区可能产生较大剪切变形的可更换连梁构件。长孔槽螺栓孔102设置有多个，且相邻长孔槽螺栓孔102之间间隔均匀设置。

可更换连梁连接节点还包括钢塞4；抗剪键201尺寸小于键槽101尺寸，钢塞4用于填充抗剪键201与键槽101的空隙。抗剪键201尺寸小于键槽101尺寸，能够为消能梁段的拆卸和安装提供较充足的调整空间，显著降低消能梁段的更换难度。

具体的，抗剪键201为矩形，键槽101为梯形或平行四边形，钢塞4为楔形，示例性的，可以是梯形钢塞4。钢塞4设置有2个，分别打入抗剪键201与键槽101形成的上、下两个缝隙内；2个钢塞4同向或对向的打入对应的缝隙内。当消能梁段键槽101为梯形时，采用上下同向的方式将两块钢塞4打入键槽101缝隙；当消能梁段键槽101为平行四边形时，采用上下对向的方式将两块钢塞4打入键槽101缝隙。消能梁段端板1与非消能梁段端板2的高、宽尺寸一致，钢塞4的长度略大于消能梁段端板1与非消能梁段端板2的宽度。优选的，钢塞4为直角梯形，钢塞4长度方向上的直角边与抗剪键201接触。

消能梁段端板1和非消能梁段端板2材质均为钢材。为实现屈服耗能集中于消能梁段的工作机制及震后连梁构件的可更换功能，可更换连梁的消能梁段一般采用低屈服点金属材料加工制成，或为经过特殊设计(如：开洞、引入阻尼器等)的型钢梁；非消能梁段则可为钢筋混凝土梁、型钢混凝土梁、钢管混凝土梁、型钢梁等多种形式。因此，消能梁段端板1可直接与消能梁段通过焊缝连接，而非消能梁段端板2与非消能梁段的连接方式则需视实际情况确定。当非消能梁段为型钢梁或钢管混凝土梁时，非消能梁段端板2可直接与非消能梁段通过焊缝连接；当非消能梁段为钢筋混凝土梁或型钢混凝土梁时，可先在非消能梁段端部设置钢埋件，随后再与非消能梁段端板2通过焊缝连接。

在进行连接节点设计时，由于可更换连梁连接节点剪力由抗剪键201承担、弯矩由高强螺栓3承担，故连接处抗剪键201尺寸和高强螺栓3数量可分别进行设计。抗剪键201需满足抗剪要求及局压要求，即：V/Vcr≤1及V/Ncr≤1，其中V为设计剪力，Vcr为抗剪键201的全截面屈服剪力，Ncr为抗剪键201的局压承载力。抗剪键201尺寸确定后即可确定键槽101尺寸，即：键槽体积＝δ·抗剪键体积，其中δ>1,可根据实际加工情况确定，本实施方式中取为2.3。高强螺栓3需满足抗弯要求，对于一种可更换连梁连接节点，设计弯矩可视为以拉(压)力的形式作用于螺栓群，即：(M/h)/(n·Ntb)≤1，其中M为设计弯矩，h为上下螺栓群合力点间距离，n为一侧螺栓数量，Ntb为单个螺栓抗拉承载力。

可更换连梁连接节点的安装过程如下：1)将抗剪键201沿宽度方向(垂直于纸面的方向)楔入键槽101；2)安装高强螺栓3；3)将键槽101的空隙通过打入钢塞4的方式填充密实。

本发明的一个实施方式，如图1、图2、图5-图8所示，消能梁段端板1中部设置的键槽101为梯形。本实施方式中连接节点的安装过程如下：将抗剪键201沿宽度方向楔入的键槽101，随后调整消能梁段端板1位置并安装高强螺栓3，最后将钢塞4上下同向打入抗剪键201与键槽101的空隙中，直至填充密实。

本发明的另一实施方式，如图3-图6、图9和图10所示，本实施例与实施例1基本相同，不同点是消能梁段端板1中部键槽101设置为平行四边形。本实施例中连接节点的安装过程如下：将抗剪键201沿水平方向楔入的键槽101，随后调整消能梁段端板1位置并安装高强螺栓3，最后将钢塞4上下对向打入抗剪键201与键槽101的空隙中，直至填充密实。

一种消能梁段更换方法，采用可更换连梁连接节点：取下钢塞4和高强螺栓3后，将消能梁段损伤件沿抗剪键201宽度方向取下；装入消能梁段更换件，插入高强螺栓3和钢塞4，完成消能梁段的更换。

实施例1

一种可更换连梁连接节点，包括消能梁段端板1、非消能梁段端板2、高强螺栓3和钢塞4。其中消能梁段端板1、非消能梁段端板2、钢塞4采用Q345钢，高强螺栓选用6个M27高强螺栓(消能梁段左右两侧的两个连接节点共12个高强螺栓)。消能梁段端板1与非消能梁段端板2尺寸如下：高×宽＝620mm×300mm，消能梁段端板1厚度40mm，非消能梁段端板2厚度30mm；矩形抗剪键201尺寸高×宽×厚＝60mm×300mm×20mm。梯形键槽101尺寸下底×上底×高＝170mm×110mm×300mm。钢塞4为梯形钢塞，尺寸分两种，位于上部的尺寸下底×上底×高＝50mm×15mm×350mm，位于下部的尺寸下底×上底×高＝55mm×20mm×350mm。2个消能梁段端板1分别固定设置在消能梁段的两端，2个消能梁段端板1并分别与对应的非消能梁段端板连接，制成试件。试验中可更换连梁的消能梁段及非消能梁段采用H型钢，其中非消能梁段采用采用Q345钢，非消能梁段翼缘和腹板分别采用Q345钢和Q235钢。

针对实施例1的试件分别开展剪切加载试验及损伤后更换试验。

剪切加载试验：如图11所示，对实施例1得到的试件进行剪切加载试验。加载速度为消能梁段屈服前0.02mm/min，消能梁段屈服后0.01mm/min。通过力传感器采集荷载，电阻式应变片监测消能梁段和非消能梁段应变发展，对角布置的位移计采集消能梁段对角线位移并计算剪切角。整个试验过程中，非消能梁段处于弹性状态，消能梁段的剪切屈服荷载约为690kN，与剪切屈服荷载计算值680kN吻合良好；由图12可知消能梁段两对角线变形同步且对称，说明主要发生剪切变形；由图13可知，加载完成后节点高强螺栓3基本无滑移。综上所述，本发明可更换连梁连接节点各部分受力合理、传力可靠。

更换试验：通过对实施例得到的试件反复加载、卸载，直至残余剪切角为0.01rad时进行消能梁段的拆卸和更换，整个拆装过程由两人完成。拆卸过程中，取下钢塞4和高强螺栓3后，消能梁段损伤件沿抗剪键宽度方向可轻松取下，拆卸后观察消能梁段端板螺栓孔，如图14所示，发现无划痕，证明高强螺栓3基本无滑移。更换过程中，由于键槽的尺寸大于抗剪键尺寸，可将消能梁段更换件轻松装入，无需机械干预，且所有高强螺栓3均可插入栓孔，钢塞4可填实键槽空隙。整个拆卸和安装过程用时50min，其中拆卸用时15min，安装用时35min。综上所述，本发明可更换连梁连接节点受加工误差和焊接变形影响小，螺栓数量少且受力合理，能够简单快速的实现损伤后消能梁段的更换。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可更换连梁连接节点，其特征在于，包括消能梁段端板和非消能梁段端板；

所述消能梁段端板中部设置有键槽，所述非消能梁段端板中部设置有抗剪键，所述抗剪键设置在所述键槽内。

2.根据权利要求1所述的可更换连梁连接节点，其特征在于，所述消能梁段端板上端部和下端部均设置有长孔槽螺栓孔；

所述非消能梁段端板上端部和下端部均设置有圆孔槽螺栓孔；

所述圆孔槽螺栓孔与长孔槽螺栓孔一一对应。

3.根据权利要求1所述的可更换连梁连接节点，其特征在于，还包括高强螺栓，所述高强螺栓通过长孔槽螺栓孔和圆孔槽螺栓孔连接消能梁段端板和非消能梁段端板。

4.根据权利要求1所述的可更换连梁连接节点，其特征在于，所述抗剪键尺寸小于键槽尺寸。

5.根据权利要求1所述的可更换连梁连接节点，其特征在于，所述键槽为梯形或平行四边形。

6.根据权利要求5所述的可更换连梁连接节点，其特征在于，所述抗剪键为矩形。

7.根据权利要求1所述的可更换连梁连接节点，其特征在于，所述消能梁段端板和非消能梁段端板材质均为钢材。

8.根据权利要求1-7所述的可更换连梁连接节点，其特征在于，所述消能梁段端板与消能梁段通过焊缝连接。

9.根据权利要求1-7所述的可更换连梁连接节点，其特征在于，所述消能梁段端板与非消能梁段端板的高、宽尺寸一致。

10.一种连梁更换方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的可更换连梁连接节点；

取下高强螺栓后，将消能梁段损伤件沿所述抗剪键宽度方向取下；装入消能梁段更换件，插入高强螺栓，完成消能梁段的更换。

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