CN117513544A - 装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点及其施工方法 - Google Patents

装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点及其施工方法 Download PDF

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CN117513544A CN202311699668.5A CN202311699668A CN117513544A CN 117513544 A CN117513544 A CN 117513544A CN 202311699668 A CN202311699668 A CN 202311699668A CN 117513544 A CN117513544 A CN 117513544A
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张旋
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Abstract

本发明公开了一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点及其施工方法，钢圆木柱组合节点包括圆木柱和木梁，圆木柱与木梁的连接处设置预制钢套筒；预制钢套筒包括圆木柱钢套筒、木梁钢套筒和十字形钢板，圆木柱钢套筒套设在圆木柱上，木梁钢套筒套设在木梁上，圆木柱钢套筒、木梁钢套筒通过套箍耗能板相连；木梁通过木梁钢套筒、十字形钢板互相连接；圆木柱包括下圆木柱和上圆木柱，下圆木柱的上端设置下圆木柱十字形插槽、下圆木柱弧形插块和下圆木柱弧形插槽，上圆木柱下端设置上圆木柱十字形插槽、上圆木柱弧形插块和上圆木柱弧形插槽。本发明加强圆木柱与预制钢套筒之间整体力学性能，内力传递效果好；有效提高节点的抗震性能，方便更换。

Description

装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点及其施工方法
技术领域
本发明属于节点及其施工方法，具体为一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点及其施工方法。
背景技术
随着现代建筑行业发展的日新月异，施工技术不断改进，建筑材料逐渐多元化。木材作为唯一可再生的建筑材料，具有良好的阻燃性能、强重比高、加工方便等优点，但天然缺陷导致木材材性差异较大；钢材具有多样化的连接方式、质量轻、延性好等优点，但钢材易失稳和生锈。将木材与钢材组成钢圆木组合结构，木材为主体材料，科学地结合钢材，发挥出木材和钢材的优势，在质量轻的同时强度也得到提高。
但是，现有木结构建筑在实际建造过程中，对梁圆柱节点部分进行复杂的加工处理，加工精度要求高，加工周期长，且加工后梁圆柱节点部分存在整体性能、力学性能和抗震性能降低，节点局部小部件损坏后无法更换部件等问题。钢木组合结构比传统木结构的力学性能更好和应用范围更广，如申请公布号为CN112412088A的发明专利公开的用与加固木结构节点的耗能板件装置，通过削弱固接板件翼缘方式，使得木材晚于固接板件破坏，达到“强柱弱梁”效果，但箍体与固接板件并非形成整体，在梁柱节点处的内力传递效果不佳，抗震性能有待提高。申请公布号为CN112523351A的发明专利的震后可更换的钢框架屈曲约束耗能梁柱节点，通过加劲抗剪件提供面外强约束作用和耗能板的塑性变形，虽然节点的承载能力和抗震能力有所增强，但耗能件损坏后，更换耗能件时，只有把悬臂段钢梁和跨中段钢梁分开且支撑跨中段钢梁才可以更换部件，所以更换耗能件操作复杂，工作量较大。
综上所述，现有的钢木组合结构在梁柱节点处的内力传递效果不佳，抗震性能有待提高，更换耗能件操作复杂，工作量较大。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种节点整体性能好、抗震性能好、更换小部件简便的装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，本发明的另一目的是提供一种施工质量高、施工速度快的装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点的施工方法。
技术方案：本发明所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，包括圆木柱和木梁，圆木柱与木梁的连接处设置预制钢套筒；预制钢套筒包括圆木柱钢套筒、木梁钢套筒和十字形钢板，圆木柱钢套筒套设在圆木柱上，木梁钢套筒套设在木梁上，圆木柱钢套筒、木梁钢套筒通过套箍耗能板相连；木梁通过木梁钢套筒、十字形钢板互相连接；圆木柱包括下圆木柱和上圆木柱，下圆木柱的上设置下圆木柱十字形插槽、下圆木柱弧形插块和下圆木柱弧形插槽，上圆木柱的下端设置上圆木柱十字形插槽、上圆木柱弧形插块和上圆木柱弧形插槽，下圆木柱十字形插槽、上圆木柱十字形插槽与十字形钢板相匹配，下圆木柱弧形插块与上圆木柱弧形插槽相匹配，下圆木柱弧形插槽与上圆木柱弧形插块相匹配。
进一步地，木梁与圆木柱相接触的面为曲面，木梁上设置木梁插槽、木梁横向螺栓孔和木梁竖向螺栓孔，木梁插槽与十字形钢板相匹配。
进一步地，圆木柱钢套筒周围设置用于卡接十字形钢板的一字形插槽。
进一步地，木梁钢套筒上设置木梁钢套筒横向螺栓孔和木梁钢套筒竖向螺栓孔。
进一步地，套箍耗能板包括M形套箍和扇曲形耗能板，M形套箍沿圆木柱钢套筒周向通过螺栓一固定，M形套箍通过扇曲形耗能板与木梁钢套筒固定连接。扇曲形耗能板的宽度沿着远离M形套箍的方向逐渐增大。
进一步地，M形套箍两端各预留两个螺栓孔二，扇曲形耗能板的窄边与M形套箍进行焊接形成整体，扇曲形耗能板的宽边预留与木梁钢套筒竖向螺栓孔和木梁竖向螺栓孔对应位置的螺栓孔三。
进一步地，木梁钢套筒伸出圆木柱钢套筒的长度大于十字形钢板伸出的长度。
进一步地，木梁与预制钢套筒通过横向高强螺栓连接。
进一步地，预制钢套筒与套箍耗能板通过竖向高强螺栓连接。
进一步地，十字形钢板是由一块长钢板和两块短钢板穿过圆木柱钢套筒中的四条竖向一字形插槽进行焊接而成，并与圆木柱钢套筒和木梁钢套筒形成整体，且十字形钢板最外端预留与木梁钢套筒横向螺栓孔和木梁横向螺栓孔对应位置的螺栓孔一。
上述装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点的施工方法，包括以下步骤：
步骤一，将预制钢套筒放置下圆木柱上端，且预制钢套筒内置的十字形钢板和下圆木柱十字形插槽进行搭接；
步骤二，将木梁插入预制钢套筒；
步骤三，通过横向高强螺栓将木梁、预制钢套筒固定连接；
步骤四，将上圆木柱插入圆木柱钢套筒内，上圆木柱十字形插槽与十字形钢板进行搭接，且上圆木柱弧形插块、上圆木柱弧形插槽分别与下圆木柱弧形插槽、下圆木柱弧形插块进行榫卯连接；
步骤五，将套箍耗能板摆放在圆木柱钢套筒外侧；
步骤六，将套箍耗能板通过螺栓固定连接，用竖向高强螺栓将套箍耗能板、木梁钢套筒和木梁进行固定连接。
工作原理：当结构受到外荷载时，木梁与钢套筒之间开始挤压，木梁受到的内力逐渐传递给木梁钢套筒；当外荷载逐渐增大时，木梁钢套筒前端和木梁的应力也逐渐增大，随后内力传递给高强摩擦型螺栓；当外荷载继续增大时，高强摩擦型螺栓逐渐达到屈服，此时木梁与木梁钢套筒产生一定的竖向位移，最终通过套箍耗能板的变形来消耗能量。故本申请的节点在预制钢套筒作用下，钢圆木柱组合节点的传力效果明显增加，承载能力显著提高，并且通过套箍耗能板的变形来消耗能量，明显提高节点的抗震性能；与此同时，圆木柱在套箍耗能板的预紧力作用下，其竖向承载力有一定程度的提高。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、上、下圆木柱通过十字形钢板进行连接，且上、下圆木柱各预留对应的弧形插槽和弧形插块进行榫卯连接，加强圆木柱与预制钢套筒之间整体力学性能，内力传递效果好；
2、套箍耗能板可有效提高木结构节点的抗震性能，且在损坏后可以随时更换部件；
3、节点以木材为主体材料，科学的结合钢材，发挥两种材料的优势，提高了节点的强度和稳定性；
4、所有部件均可在工厂加工批量生产，现场采用全装配式安装，节省人力资源，加快施工速度和提高施工质量；
5、预制钢套筒与木梁通过横向高强螺栓、竖向高强螺栓和十字形钢板进行螺栓连接，增强木结构节点抵抗弯曲变形能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明上圆木柱12的结构示意图；
图3是本发明下圆木柱11的结构示意图；
图4是本发明木梁2的结构示意图；
图5是本发明圆木柱钢套筒31的结构示意图；
图6是本发明十字形钢板33的结构示意图；
图7是本发明圆木柱钢套筒31、十字形钢板33的连接示意图；
图8是本发明预制钢套筒3的结构示意图；
图9是本发明预制钢套筒3的主视图；
图10是本发明预制钢套筒3的俯视图；
图11是本发明套箍耗能板4的结构示意图；
图12是本发明的施工流程图；
图13是三类梁柱节点模型，其中，(a)为木材，(b)为木材+钢套筒，(c)为本申请的木材+钢套筒+耗能板；
图14是三类梁柱节点连接处的最终破坏变形应力图，其中，(a)为木材，(b)为木材+钢套筒，(c)为本申请的木材+钢套筒+耗能板；
图15是三类梁柱节点轴力-位移曲线图。
具体实施方式
如图1，装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，包括直径为150mm的圆木柱1、截面尺寸为100×150mm的木梁2、柱套筒和梁套筒长度分别为370mm和150mm且厚度为2mm的预制钢套筒3和厚度为3mm的套箍耗能板4，钢材类型均为Q235钢材。上圆木柱12和下圆木柱11之间通过厚度为2mm的预制钢套筒3进行连接，木梁2通过预制钢套筒3中的木梁钢套筒32和十字形钢板33进行连接，其中木梁钢套筒截面尺寸为110×160mm，十字形钢板截面为3×156mm，长钢板和短钢板的长度分别为440mm和220mm。在直径为160mm的圆木柱钢套筒31外侧套上厚度为3mm的套箍耗能板4组成装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点。
如图2～3，直径为150mm的圆木柱包括下圆木柱11和上圆木柱12，上圆木柱12的下端和下圆木柱11的上端分别设置与十字形钢板33对应的宽度均为3mm且深度为75mm的上圆木柱十字形插槽121和下圆木柱十字形插槽111；上圆木柱12的下端设置两个对角的上圆木柱弧形插块122和两个邻对角的上圆木柱弧形插槽123，下圆木柱11的上端设置与上圆木柱12对应的两个对角的下圆木柱弧形插槽113和两个邻对角的下圆木柱弧形插块112。
如图4，木梁2上设置有半径为75mm的曲面211和宽度为3mm的木梁插槽212，便与预制钢套筒3外侧和内置的十字形钢板33进行连接，且还预留了孔洞直径为12mm的木梁横向螺栓孔213和木梁竖向螺栓孔214，其中木梁横向螺栓孔213交错布置，不在同一平面，木梁竖向螺栓孔214平齐布置，在同一平面。
如图5～7，预制钢套筒3的圆木柱钢套筒31周围预留了截面尺寸为4×150mm四条竖向的一字形插槽311，由一块长钢板332和两块短钢板333穿过圆木柱钢套筒31中的四条竖向一字形插槽311进行焊接而成的十字形钢板33，与圆木钢套筒31形成整体，且十字形钢板33最外端预留孔径为12mm且与木梁横向螺栓孔213对应位置的螺栓孔一331。
如图8～10，木梁钢套筒32预留孔径为12mm且与木梁横向螺栓孔213和木梁竖向螺栓孔214对应的木梁钢套筒横向螺栓孔321和木梁钢套筒竖向螺栓孔322，与图6所示的圆木柱钢套筒31和十字形钢板33整体进行焊接，形成预制钢套筒3，十字形钢板33高度与木梁钢套筒32内部高度一致，十字形钢板33伸出长度小于木梁钢套筒32伸出的长度，便于预留木梁竖向螺栓孔214。
如图11，套箍耗能板4包括厚度为3mm的M形套箍41和厚度为3mm的扇曲形耗能板42，M形套箍两端各预留孔径为10mm的两个螺栓孔二411，扇曲形耗能板42的宽度为40mm的窄边与M形套箍41进行焊接形成整体，扇曲形耗能板42的的宽度为80mm的宽边预留与木梁竖向螺栓孔214对应位置的螺栓孔三421。
如图12，本实施例的装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，包括如下步骤：
步骤一：将预制钢套筒3放置下圆木柱11上端，且预制钢套筒3内置的十字形钢板33的一半高度与下圆木柱十字形插槽111进行搭接；
步骤二：将带有曲面211一端的木梁2插入预制钢套筒3的木梁钢套筒32内，且木梁2的木梁插槽212与十字形钢板33进行搭接；
步骤三：将10.9级M10的横向高强螺栓3211通过木梁钢套筒横向螺栓孔321、木梁横向螺栓孔213和十字形钢板33上的螺栓孔一331进行螺栓连接；
步骤四：将上圆木柱12插入预制钢套筒3的圆木柱钢套筒31内，上圆木柱十字形插槽121与十字形钢板33的另一半高度进行搭接，且上圆木柱12的两个对角的上圆木柱弧形插块122和两个邻对角的上圆木柱弧形插槽123分别与下圆木柱11的两个对角下的圆木柱弧形插槽113和两个邻对角的下圆木柱弧形插块112进行榫卯连接；
步骤五：将四块套箍耗能板4摆放在圆木柱钢套筒31外侧，扇曲形耗能板42宽边的螺栓孔三421与木梁钢套筒竖向螺栓孔322和木梁竖向螺栓孔214对齐；
步骤六：用8.8级M8的螺栓一4111将相邻套箍耗能板4进行螺栓连接，用10.9级M10的竖向高强螺栓4211将扇曲形耗能板42、木梁钢套筒32和木梁2进行螺栓连接，形成装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点。
设计附加耗能板的钢套筒加固钢木组合梁柱节点构件，木梁截面尺寸为100×150mm，长度为600mm；木柱直径为150mm，长度为800mm；钢套筒柱长度为370mm、钢套筒梁长度为150mm，厚度均为2mm；耗能板厚度为3mm；所采用到的钢材类型均为Q235钢材；对拉螺栓类型均采用摩擦型高强螺栓10.9级M10。木梁与木柱是半榫连接，榫头截面尺寸为50×150mm，伸入木柱深度为75mm。采用ABAQUS有限元软件进行建模，在梁端施加单调荷载并进行分析其力学性能。建立三类梁柱节点模型如图13所示。
在三类梁柱节点模型中的梁端参考点RP-2施加60mm的竖向位移荷载，梁柱节点连接处的最终破坏变形和应力图如图14所示，单位为MPa。图14(a)中木梁榫头已经拔出，应力大的区域主要集中在木梁靠近榫头端部位置。图14(b)在木材基础上增加了钢套筒，在梁柱钢套筒交界直角处出现应力集中现象，并且梁端钢套筒在螺栓连接位置发生严重的坍陷现象。图14(c)在木材与钢套筒组合的基础上增加了耗能板，可以观察到，耗能板通过自身的塑性变形来吸收部分能量，明显减小大应力区域和应力集中现象，同时在梁端钢套筒的螺栓连接位置的坍陷现象也有效减轻。
三类梁柱节点的轴力-位移曲线如图15所示。从图中可观察到，木材能承受的荷载很小，其最大承受的轴力仅为3.94kN。“木材+钢套筒”组合梁柱节点和“木材+钢套筒+耗能板”组合梁柱节点的轴力-位移曲线变化趋势相近，均为随位移逐渐增加，轴力先急剧增大后缓慢增大，到最后趋于水平不变，两者最大轴力值分别为25.79kN和25.87kN；在弹性阶段，由于耗能板的存在，“木材+钢套筒+耗能板”组合梁柱节点的初始刚度大于“木材+钢套筒”组合梁柱节点的初始刚度；进入塑性阶段时，耗能板通过自身塑性变形能力而吸收了部分能量，从而提高了梁柱节点的承载能力，故此时的“木材+钢套筒+耗能板”组合梁柱节点的承载能力高于“木材+钢套筒”组合梁柱节点的承载能力。因此，本实施例的节点承载能力最优。

Claims (10)

1.一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，其特征在于：包括圆木柱(1)和木梁(2)，所述圆木柱(1)与木梁(2)的连接处设置预制钢套筒(3)；所述预制钢套筒(3)包括圆木柱钢套筒(31)、木梁钢套筒(32)和十字形钢板(33)，所述圆木柱钢套筒(31)套设在圆木柱(1)上，所述木梁钢套筒(32)套设在木梁(2)上，所述圆木柱钢套筒(31)、木梁钢套筒(32)通过套箍耗能板(4)相连；所述木梁(2)通过木梁钢套筒(32)、十字形钢板(33)互相连接；所述圆木柱(1)包括下圆木柱(11)和上圆木柱(12)，所述下圆木柱(11)的上端设置下圆木柱十字形插槽(111)、下圆木柱弧形插块(112)和下圆木柱弧形插槽(113)，所述上圆木柱(12)的下端设置上圆木柱十字形插槽(121)、上圆木柱弧形插块(122)和上圆木柱弧形插槽(123)，所述下圆木柱十字形插槽(111)、上圆木柱十字形插槽(121)与十字形钢板(33)相匹配，所述下圆木柱弧形插块(112)与上圆木柱弧形插槽(123)相匹配，所述下圆木柱弧形插槽(113)与上圆木柱弧形插块(122)相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，其特征在于：所述木梁(2)与圆木柱(1)相接触的面为曲面(211)，所述木梁(2)上设置木梁插槽(212)、木梁横向螺栓孔(213)和木梁竖向螺栓孔(214)，所述木梁插槽(212)与十字形钢板(33)相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，其特征在于：所述圆木柱钢套筒(31)周围设置用于卡接十字形钢板(33)的一字形插槽(311)。
4.根据权利要求1所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，其特征在于：所述木梁钢套筒(32)上设置木梁钢套筒横向螺栓孔(321)和木梁钢套筒竖向螺栓孔(322)。
5.根据权利要求1所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，其特征在于：所述套箍耗能板(4)包括M形套箍(41)和扇曲形耗能板(42)，所述M形套箍(41)沿圆木柱钢套筒(31)周向通过螺栓一(4111)固定，所述M形套箍(41)通过扇曲形耗能板(42)与木梁钢套筒(32)固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，其特征在于：所述扇曲形耗能板(42)的宽度沿着远离M形套箍(41)的方向逐渐增大。
7.根据权利要求1所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，其特征在于：所述木梁钢套筒(32)伸出圆木柱钢套筒(31)的长度大于十字形钢板(33)伸出的长度。
8.根据权利要求1所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，其特征在于：所述木梁(2)与预制钢套筒(3)通过横向高强螺栓(3211)连接。
9.根据权利要求1所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点，其特征在于：所述预制钢套筒(3)与套箍耗能板(4)通过竖向高强螺栓(4211)连接。
10.根据权利要求1～9任一所述的一种装配式带套箍耗能板的钢圆木柱组合节点的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将预制钢套筒(3)放置下圆木柱(11)上端，且预制钢套筒(3)内置的十字形钢板(33)和下圆木柱十字形插槽(111)进行搭接；
步骤二，将木梁(2)插入预制钢套筒(3)；
步骤三，通过横向高强螺栓(3211)将木梁(2)、预制钢套筒(3)固定连接；
步骤四，将上圆木柱(12)插入圆木柱钢套筒(31)内，上圆木柱十字形插槽(121)与十字形钢板(33)进行搭接，且上圆木柱弧形插块(122)、上圆木柱弧形插槽(123)分别与下圆木柱弧形插槽(113)、下圆木柱弧形插块(112)进行榫卯连接；
步骤五，将套箍耗能板(4)摆放在圆木柱钢套筒(31)外侧；
步骤六，将套箍耗能板(4)通过螺栓固定连接，用竖向高强螺栓(4211)将套箍耗能板(4)、木梁钢套筒(32)和木梁(2)进行固定连接。
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