CN116240978A - 可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点及其施工方法 - Google Patents

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马彦凯
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Abstract

可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点及其施工方法，属于结构工程技术领域，由预制混凝土柱、预制混凝土梁及连接件装配组成。本发明梁、柱及连接件在工厂制作完成，连接件腹板处设有摩擦耗能元件并通过高强螺栓连接，为避免翼缘盖板干扰其它结构和非结构构件、限制建筑的功能将翼缘盖板设置为内弧形，且具有良好的性能可视性及更换可判性；通过摩擦耗能元件与连接板摩擦滑移、弧形耗能盖板、高性能弹簧变形的多重耗能；钢绞线及高性能弹簧提供复位能力，震后只需更换弧形耗能板及高性能弹簧即可恢复主体结构使用功能；通过设计使塑形破坏发生在易于更换节点拼接区，便于震后修复，适应于可恢复功能的装配式结构的发展需求。

Description

可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点及其施工方法
技术领域
本发明涉及预制装配式框架结构的梁柱节点技术，属于结构工程技术领域。
背景技术
工业技术和要求的不断发展促进了建筑业的工业化，预制装配式混凝土结构符合建筑工业化的发展方向，是近年来各国大力研发推广的一种建筑结构形式。现行装配式混凝土结构，如专利技术“一种装配式混凝土梁柱节点结构”（申请号202120370705.8）将外露钢筋锚固后浇注混凝土完成节点区域的制作导致施工周期长；专利技术“装配式混凝土自复位梁柱节点连接结构及拼装方法”（申请号202010202727.3）存在预应力筋高空张拉问题；专利技术“一种基于T形连接件和长圆孔的全装配式混凝土梁柱节点”（申请号201911113328.3）设置T形连接件存在占用建筑空间影响建筑功能问题；专利技术“一种型钢螺栓连接的装配式混凝土梁柱节点”（申请号202120698703.1）存在震后残余变形较大，可恢复性能差，节点的不可恢复的塑性破坏直接影响建筑的使用寿命。为解决存在的后浇混凝土、预应力筋高空张拉、占用建筑空间影响建筑功能、可恢复性能差等问题，急需一种可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点技术，在地震后不需修复或稍加修复即可重新投人使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点及其施工方法。
本发明是可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点及其施工方法，可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点，由预制混凝土柱1、预制混凝土梁3及连接件2装配组成，所述预制混凝土柱1包括：四边形外包钢1-2；所述连接件2包括：H型钢二5、H型钢一4以及垂直焊接于H型钢一4端头的端板一4-1和垂直焊接于端板一4-1的预埋件4-3、垂直焊接于H型钢二5端头的端板二5-1、焊接于H型钢二5内部的预应力筋锚固板5-2及锚固板加劲肋5-3；
预制混凝土柱1与四边形外包钢1-2，用于实现与连接件2和预制混凝土梁3的组合装配体干连接；
所述的连接件2包括H型钢一4、垂直焊接于H型钢一4端头的端板一4-1、垂直焊接于端板一4-1的预埋件4-3；H型钢二5、垂直焊接于H型钢二5端头的端板二5-1、焊接于H型钢二5内部的预应力筋锚固板5-2及锚固板加劲肋5-3；H型钢一腹板4-2与H型钢二腹板5-4开有螺栓孔，连接件腹板连接位置设有摩擦耗能元件6与连接板7并通过高强螺栓8连接实现H型钢一4与H型钢二5的连接，翼缘盖板设置成内弧形耗能盖板9，实现与过渡连接件2干连接；
所述的述钢绞线10一端通过第一锚具14设置于固定端锚固板5-2且将钢绞线10的一端固定，另一端通过第二锚具15用于将张拉端的钢绞线10锚固于锚垫板13；高性能弹簧12的数量和型号可根据耗能和恢复力需求选取，一端固定于锚固板5-2，另一端固定于端板一4-1，高性能弹簧12通过压缩拉伸实现耗能。
本发明的可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点的施工方法，其步骤为：
步骤（1）根据具体工程的设计尺寸，完成预制混凝土柱1、连接件2和预制混凝土梁3制作，完成H型钢一预埋板4-3与预制混凝土梁3、预制混凝土柱1与四边形外包钢1-2的组装预制，且对连接件2做防锈处理；
步骤（2）连接件的拼装：H型钢一腹板4-2与H型钢二腹板5-4开有椭圆长孔，对齐螺栓孔并将摩擦耗能元件6与连接板7并通过高强螺栓8连接实现H型钢一4与H型钢二5的临时固定连接，翼缘盖板设置成内弧形耗能盖板9；将高性能弹簧12通过焊接或铰接的方式连接在锚固板5-2和端板一4-1相应位置处；通过高强螺栓16将第二翼缘5-5和第一翼缘4-4将弧形耗能盖板9临时固定；校正核查各个螺栓扭矩，确保每个螺栓预紧力设计值；
步骤（3）张拉预应力：钢绞线10从固定端到张拉端依次穿过H型钢二端头的端板二5-1、H型钢一端头的端板一4-1、预制混凝土梁3、锚垫板13；将钢绞线10一端固定于H型钢二5内部的预应力筋锚固板5-2，其一端通过第一锚具14设置于固定端锚固板5-2且将钢绞线10的一端固定，另一端通过第二锚具15用于将张拉端的钢绞线10锚固于锚垫板13，通过使用低回缩锚具使得钢绞线10在张拉之后，保持其位置不变，确保张拉的效果持久，提供预紧力；在预制工厂通过预应力张拉机具，按具体工程设计需要张拉预应力至设计值，通过预应力锚固件锚固拉索单元，完成预应力张拉，实现连接件2和预制混凝土梁3模块连接和预制，补强第一高强螺栓8和第二高强螺栓16；
步骤（4）将混凝土梁3和连接件2的组合模块及其他构件运送至现场，预制混凝土柱1固定完毕，将混凝土梁3和连接件2的组合模块吊装就位，通过第三高强螺栓11将连接件端板5-1和混凝土柱1四边形外包钢1-2固定；
步骤（5）校正核查各个螺栓扭矩，确保每个螺栓预紧力设计值，安装完成后对节点再做整体防锈处理；
步骤（6）避免节点连接位置在火灾中迅速高温中发生形变塌落，对节点位置做防火处理，防火等级按实际工程确定。
本发明的有益之处是：安装方便、可在工厂预制。所有元件和构件全部工厂预制，工业化生产，避免现场湿作业，在施工和更换上有很高的效率，提高施工精度，缩短施工周期，节约人力资源。
附图说明
图1为可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点整体示意图，图2为H型钢一的结构示意图、图3为H型钢一与预制混凝土梁结构示意图、图4为H型钢二结构示意图、图5为摩擦耗能元件结构示意图、图6为连接板结构示意图、图7为弧形耗能盖板结构示意图、图8为H型钢二与H型钢一和预制混凝土梁组装体装配结构示意图、图9为四边形外包钢1-2结构示意图、图10为第一锚具示意图、图11为第二锚具示意图、图12为完成张拉预应力结构示意图、图13为完成张拉预应力H型钢二与H型钢一结构示意图、图14为混凝土柱与连接件和预制混凝土梁装配示意图；附图标记及对应名称为：图标：1-混凝土柱；2-连接件；3-预制混凝土梁；4-H型钢一；5-H型钢二；6-摩擦耗能元件；7-连接板；8-第一高强螺栓；9-弧形耗能盖板；10-预应力钢绞线；11-第三高强螺栓；12-高性能弹簧；13-锚垫板；14-第一锚具；15-第二锚具；16-第二高强螺栓，四边形外包钢1-2、H型钢一端板一4-1、腹板4-2、预埋板4-3、第一翼缘4-4；H型钢二端板二5-1、预应力筋锚固板5-2、锚固板加劲肋5-3、腹板5-4、第二翼缘5-5。
实施方式
如图1~图14所示，本发明是可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点及其施工方法，可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点，由预制混凝土柱1、预制混凝土梁3及连接件2装配组成，所述预制混凝土柱1包括：四边形外包钢1-2；所述连接件2包括：H型钢二5、H型钢一4以及垂直焊接于H型钢一4端头的端板一4-1和垂直焊接于端板一4-1的预埋件4-3、垂直焊接于H型钢二5端头的端板二5-1、焊接于H型钢二5内部的预应力筋锚固板5-2及锚固板加劲肋5-3；
预制混凝土柱1与四边形外包钢1-2，用于实现与连接件2和预制混凝土梁3的组合装配体干连接；
所述的连接件2包括H型钢一4、垂直焊接于H型钢一4端头的端板一4-1、垂直焊接于端板一4-1的预埋件4-3；H型钢二5、垂直焊接于H型钢二5端头的端板二5-1、焊接于H型钢二5内部的预应力筋锚固板5-2及锚固板加劲肋5-3；H型钢一腹板4-2与H型钢二腹板5-4开有螺栓孔，连接件腹板连接位置设有摩擦耗能元件6与连接板7并通过高强螺栓8连接实现H型钢一4与H型钢二5的连接，翼缘盖板设置成内弧形耗能盖板9，实现与过渡连接件2干连接；
所述的述钢绞线10一端通过第一锚具14设置于固定端锚固板5-2且将钢绞线10的一端固定，另一端通过第二锚具15用于将张拉端的钢绞线10锚固于锚垫板13；高性能弹簧12的数量和型号可根据耗能和恢复力需求选取，一端固定于锚固板5-2，另一端固定于端板一4-1，高性能弹簧12通过压缩拉伸实现耗能。
以上所述的可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点，所述的弧形耗能盖板9相应位置设有固定螺栓孔，连接件2相应位置设有固定螺栓孔用于固定弧形耗能盖板9，翼缘盖板设置成内弧形耗能盖板9避免与楼板的相互干扰；H型钢一腹板4-2与H型钢二腹板5-4左右内侧设置摩擦耗能元件6，滑动螺栓用于位移变形时对连接板7和摩擦耗能元件6的限位作用，摩擦耗能元件6通过摩擦实现耗能。
以上所述的可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点，钢绞线10一端固定于H型钢二5内部的预应力筋锚固板5-2，另一端固定于锚垫板13；钢绞线10从固定端到张拉端依次穿过H型钢二端头的端板二5-1、H型钢一端头的端板一4-1、预制混凝土梁3、锚垫板13；第一锚具14设置于固定端的锚固板5-2且将所述钢绞线10的一端固定，第二锚具15将用于张拉端的所述钢绞线10的锚固，提供预紧力。
本发明的可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点的施工方法，其步骤为：
步骤（1）根据具体工程的设计尺寸，完成预制混凝土柱1、连接件2和预制混凝土梁3制作，完成H型钢一预埋板4-3与预制混凝土梁3、预制混凝土柱1与四边形外包钢1-2的组装预制，且对连接件2做防锈处理；
步骤（2）连接件的拼装：H型钢一腹板4-2与H型钢二腹板5-4开有椭圆长孔，对齐螺栓孔并将摩擦耗能元件6与连接板7并通过高强螺栓8连接实现H型钢一4与H型钢二5的临时固定连接，翼缘盖板设置成内弧形耗能盖板9；将高性能弹簧12通过焊接或铰接的方式连接在锚固板5-2和端板一4-1相应位置处；通过高强螺栓16将第二翼缘5-5和第一翼缘4-4将弧形耗能盖板9临时固定；校正核查各个螺栓扭矩，确保每个螺栓预紧力设计值；
步骤（3）张拉预应力：钢绞线10从固定端到张拉端依次穿过H型钢二端头的端板二5-1、H型钢一端头的端板一4-1、预制混凝土梁3、锚垫板13；将钢绞线10一端固定于H型钢二5内部的预应力筋锚固板5-2，其一端通过第一锚具14设置于固定端锚固板5-2且将钢绞线10的一端固定，另一端通过第二锚具15用于将张拉端的钢绞线10锚固于锚垫板13，通过使用低回缩锚具使得钢绞线10在张拉之后，保持其位置不变，确保张拉的效果持久，提供预紧力；在预制工厂通过预应力张拉机具，按具体工程设计需要张拉预应力至设计值，通过预应力锚固件锚固拉索单元，完成预应力张拉，实现连接件2和预制混凝土梁3模块连接和预制，补强第一高强螺栓8和第二高强螺栓16；
步骤（4）将混凝土梁3和连接件2的组合模块及其他构件运送至现场，预制混凝土柱1固定完毕，将混凝土梁3和连接件2的组合模块吊装就位，通过第三高强螺栓11将连接件端板5-1和混凝土柱1四边形外包钢1-2固定；
步骤（5）校正核查各个螺栓扭矩，确保每个螺栓预紧力设计值，安装完成后对节点再做整体防锈处理；
步骤（6）避免节点连接位置在火灾中迅速高温中发生形变塌落，对节点位置做防火处理，防火等级按实际工程确定。
本发明在梁柱连接柱接触面设置四边形外包钢，使节点不仅适用于边角梁柱节点也适用于中柱梁柱节点，更具用普遍适用性；同时也避免受力作用下混凝土压碎导致承载力下降。
本发明的构件损伤可控，耗能机理明确。将梁端塑性区预设至节点连接处，将变形集中于节点处，节点位置采用钢节点并设置在梁反弯点处，使塑性铰外移，并且节点处通过拉索单元分段连接，地震作用下通过接缝处的张开与闭合，可有效避免节点塑性变形，通过摩擦耗能元件与连接板摩擦滑移、螺栓、弧形耗能盖板，高性能弹簧塑形变形的多重耗能，使塑形破坏发生在拼接处区，其余部分基本保持弹性，弧形耗能盖板和高性能弹簧在地震激励下吸收地震能量，塑形损伤主要集中在弧形耗能盖板上与高性能弹簧上面，震后只需更换弧形耗能板及高性能弹簧即可恢复主体结构使用功能，降低了震后修复成本，延长结构的使用寿命。
本发明相较于传统节点，本发明将梁端塑性铰区预设到节点连接处，将变形集中到节点处，同时通过弧形耗能盖板、摩擦耗能元件与连接板摩擦滑移和高性能弹簧在地震激励下吸收地震能量，塑形损伤主要集中在弧形耗能盖板上与高性能弹簧上面，震后只需更换弧形耗能板及高性能弹簧即可恢复主体结构使用功能，为震后可修复节点形式，可以有效降低构件塑性损伤，通过合理设计能够满足节点耗能以及损伤可控的要求。本发明连接件所涉及的厚度、宽度、强度等各设计参数和高性能弹簧、钢绞线的数量和强度可根据具体工程需要计算选取。
本发明的节点抗弯刚度随变形变化。本发明节点发生变形时，连接件上的钢绞线会产生相对转动，随着转动变形增大约束力逐渐增大，同时节点的高性能弹簧发生形变以限制节点变形过大，小震下节点能提供足够的抗弯刚度，大震下在耗能的同时能提供更大的抗弯刚度，实现了不同强度外荷载作用下结构整体的调控。
本发明在震后无残余位移，可以实现自复位。对于部分现有节点震后塑性变形大、残余位移难恢复的问题，本发明通过设置钢绞线和高性能弹簧，当受外荷载作用时钢绞线相对转动偏离水平位置，当外荷载消失后在钢绞线和高性能弹簧作用下能够迅速恢复到平衡位置，预紧力钢绞线可为节点提供恢复力，在增加耗能的同时，能为节点提供更好的恢复力，实现节点可恢复功能的作用震后无残余位移，并且可以实现自复位。
本发明在梁柱连接柱接触面设置四边形外包钢，使节点不仅适用于边角梁柱节点也适用于中柱梁柱节点，更具用普遍适用性；同时也避免受力作用下混凝土压碎导致承载力下降。

Claims (4)

1.可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点，由预制混凝土柱（1）、预制混凝土梁（3）及连
接件（2）装配组成，其特征在于：所述预制混凝土柱（1）包括：四边形外包钢（1-2）；所述连接件（2）包括：H型钢二（5）、H型钢一（4）以及垂直焊接于H型钢一（4）端头的端板一（4-1）和垂直焊接于端板一（4-1）的预埋件（4-3）、垂直焊接于H型钢二（5）端头的端板二（5-1）、焊接于H型钢二（5）内部的预应力筋锚固板（5-2）及锚固板加劲肋（5-3）；
预制混凝土柱（1）与四边形外包钢（1-2），用于实现与连接件（2）和预制混凝土梁（3）的组合装配体干连接；
所述的连接件（2）包括H型钢一（4）、垂直焊接于H型钢一（4）端头的端板一（4-1）、垂直焊接于端板一（4-1）的预埋件（4-3）；H型钢二（5）、垂直焊接于H型钢二（5）端头的端板二（5-1）、焊接于H型钢二（5）内部的预应力筋锚固板（5-2）及锚固板加劲肋（5-3）；H型钢一腹板（4-2）与H型钢二腹板（5-4）开有螺栓孔，连接件腹板连接位置设有摩擦耗能元件（6）与连接板（7）并通过高强螺栓（8）连接实现H型钢一（4）与H型钢二（5）的连接，翼缘盖板设置成内弧形耗能盖板（9），实现与过渡连接件（2）干连接；
所述的述钢绞线（10）一端通过第一锚具（14）设置于固定端锚固板（5-2）且将钢绞线（10）的一端固定，另一端通过第二锚具（15）用于将张拉端的钢绞线（10）锚固于锚垫板（13）；高性能弹簧（12）的数量和型号可根据耗能和恢复力需求选取，一端固定于锚固板（5-2），另一端固定于端板一（4-1），高性能弹簧（12）通过压缩拉伸实现耗能。
2.根据权利要求1所述的可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点，其特征在于：所述的弧形耗能盖板（9）相应位置设有固定螺栓孔，连接件（2）相应位置设有固定螺栓孔用于固定弧形耗能盖板（9），翼缘盖板设置成内弧形耗能盖板（9）避免与楼板的相互干扰；H型钢一腹板（4-2）与H型钢二腹板（5-4）左右内侧设置摩擦耗能元件（6），滑动螺栓用于位移变形时对连接板（7）和摩擦耗能元件（6）的限位作用，摩擦耗能元件（6）通过摩擦实现耗能。
3.根据权利要求1所述的可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点，其特征在于：钢绞线（10）一端固定于H型钢二（5）内部的预应力筋锚固板（5-2），另一端固定于锚垫板（13）；钢绞线（10）从固定端到张拉端依次穿过H型钢二端头的端板二（5-1）、H型钢一端头的端板一（4-1）、预制混凝土梁（3）、锚垫板（13）；第一锚具（14）设置于固定端的锚固板（5-2）且将所述钢绞线（10）的一端固定，第二锚具（15）将用于张拉端的所述钢绞线（10）的锚固，提供预紧力。
4.权利要求1所述的可更换耗能元件自复位装配式梁柱节点的施工方法，其特征在于，其步骤为：
步骤（1）根据具体工程的设计尺寸，完成预制混凝土柱（1）、连接件（2）和预制混凝土梁（3）制作，完成H型钢一预埋板（4-3）与预制混凝土梁（3）、预制混凝土柱（1）与四边形外包钢（1-2）的组装预制，且对连接件（2）做防锈处理；
步骤（2）连接件的拼装：H型钢一腹板（4-2）与H型钢二腹板（5-4）开有椭圆长孔，对齐螺栓孔并将摩擦耗能元件（6）与连接板（7）并通过高强螺栓（8）连接实现H型钢一（4）与H型钢二（5）的临时固定连接，翼缘盖板设置成内弧形耗能盖板（9）；将高性能弹簧（12）通过焊接或铰接的方式连接在锚固板（5-2）和端板一（4-1）相应位置处；通过高强螺栓（16）将翼缘（5-5）和翼缘（4-4）将弧形耗能盖板（9）临时固定；校正核查各个螺栓扭矩，确保每个螺栓预紧力设计值；
步骤（3）张拉预应力：钢绞线（10）从固定端到张拉端依次穿过H型钢二端头的端板二（5-1）、H型钢一端头的端板一（4-1）、预制混凝土梁（3）、锚垫板（13）；将钢绞线（10）一端固定于H型钢二（5）内部的预应力筋锚固板（5-2），其一端通过第一锚具（14）设置于固定端锚固板（5-2）且将钢绞线（10）的一端固定，另一端通过第二锚具（15）用于将张拉端的钢绞线（10）锚固于锚垫板（13），通过使用低回缩锚具使得钢绞线（10）在张拉之后，保持其位置不变，确保张拉的效果持久，提供预紧力；在预制工厂通过预应力张拉机具，按具体工程设计需要张拉预应力至设计值，通过预应力锚固件锚固拉索单元，完成预应力张拉，实现连接件（2）和预制混凝土梁（3）模块连接和预制，补强高强螺栓（8）和高强螺栓（16）；
步骤（4）将混凝土梁（3）和连接件（2）的组合模块及其他构件运送至现场，预制混凝土柱（1）固定完毕，将混凝土梁（3）和连接件（2）的组合模块吊装就位，通过高强螺栓（11）将连接件端板（5-1）和混凝土柱（1）四边形外包钢（1-2）固定；
步骤（5）校正核查各个螺栓扭矩，确保每个螺栓预紧力设计值，安装完成后对节点再做整体防锈处理；
步骤（6）避免节点连接位置在火灾中迅速高温中发生形变塌落，对节点位置做防火处理，防火等级按实际工程确定。
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