CN211873350U - 一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式穿心螺栓不等高梁‑方钢管混凝土柱节点构造及作法，该梁柱节点由方钢管混凝土柱、不等高梁、带三角肋板节点连接件、高强螺栓以及钢梁上翼缘顶面栓钉构成。本发明构造合理、受力明确，因采用不等高梁设计使该节点在复杂结构中布置灵活。同时该节点具有较高的承载力，其在地震作用下具有良好的初期刚度以及耗能能力。该节点的各组成构件均可在工厂加工，施工现场拼装，避免了焊接与湿作业极大地提高了装配效率。该类节点运输方便、节能环保可以为钢管混凝土结构的装配式设计、施工提供参考。

Description

一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造

技术领域

本实用新型涉及一种用于装配式钢管混凝土结构的穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造及作法，属于结构工程技术领域。

背景技术

我国工程建设发展迅速，具有良好抗震性能、节能环保、施工便利等优势的装配式建筑成为我国工业及民用建筑的主流发展方向。混凝土结构因其自重较大且施工过程中难以避免进行湿作业等问题造成该类结构的装配化在实际推广中具有一定局限性，而木结构现阶段在我国多用于公园等观赏性建筑中在住宅及工业建筑中尚未推广。因此发展装配式钢结构及钢管混凝土结构适应我国当前装配式建筑结构体系的需求。钢管混凝土结构较普通钢结构具有稳定性强、承载力高、抗震性能好、防火性能好等优势，实现装配式钢管混凝土工程应用的重点是开发新型钢管混凝土柱-钢梁装配式连接节点及相应装配式构件。

《钢管混凝土结构技术规范》中，对钢管混凝土柱-钢梁节点建议采取以下连接形式：内隔板式节点、外环板式节点以及隔板贯通式节点。内隔板式节点构造简单、节省材料，但是由于内隔板的存在，给钢管内混凝土的浇筑带来了不便，隔板下方的混凝土密实度不易得到保证。外环板式节点构造较为复杂，占用空间较大、美观性较差，且节点用钢量较大。隔板贯通式节点承载力高、变形能力都较好，但施工复杂、用钢量大。以上三种节点形式均需在施工现场进行焊接。且焊缝工作量大，关键位置焊缝施工难度大焊接质量难以保证，因此上述节点不完全适用于装配式钢管混凝土结构的发展。与此同时，在设计跨度不等的框架结构时，当前通常在建筑整层采用截面高度相同的梁。这种方法虽然降低了设计和施工的难度，但存在以下问题：一方面造成了材料浪费；另一方面，此类设计中，部分柱在节点位置的承载力低于梁，因而使结构在地震作用下节点域易发生破坏形成柱铰机制，而使整体结构出现局部倒塌，不利于结构整体抗震性能的提升。因此，在保证结构体系安全的前提下，对于跨度较小的梁，可适当降低截面高度。

近年来有研究表明，端板式穿芯螺栓钢管混凝土梁柱节点与其他节点形式相比，具有更好的抗震性能和变形能力，该类装配式节点现场无需进行焊接，施工方便快捷，施工质量容易得到保障。同时通过调整螺栓分布位置可满足钢管混凝土柱两侧布置不等高梁的需求。

基于此，本实用新型提出了一种可用于装配式钢管混凝土结构的穿心螺栓式不等高梁-方钢管混凝土柱装配式节点构造及作法，该类节点可用于结构的梁柱连接处。该新型节点可通过调节螺栓开孔位置实现不同截面高度钢梁的安装，安装难度低、施工精度有较大提升。该节点具有构造简单、受力明确、抗震性能良好、施工便捷的优势，特别适用于钢管混凝土框架结构，在保证结构安全可靠的前提下，提高建筑结构的经济性和装配效率，为相关工业及民用建筑的产业化、装配化提供技术参考。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造及作法，以解决钢管混凝土结构梁柱连接节点耗钢量大、构造复杂、不利于装配化施工等问题。

本实用新型采用的技术方案为一种穿心螺栓式不等高梁-方钢管混凝土柱装配式节点构造，该节点构造包括方钢管混凝土柱(1)、截面高度较高的工字钢梁(2)、截面高度较低的工字钢梁(3)、带三角肋板节点连接件(4)、穿芯高强螺栓(5)、连接高强螺栓(6)和钢梁上翼缘顶面栓钉(7)。带三角肋板节点连接件(4)是由翼缘连接板(8)、端板连接板(9)及三角肋板(10)通过直角角焊缝焊接而成，翼缘连接板(8)、端板连接板(9)分别焊接在三角肋板(10)的两端。如图1所示。

方钢管混凝土柱(1)通过穿芯高强螺栓(5)与带三角肋板节点连接件(4)螺栓连接；带三角肋板节点连接件(4)通过连接高强螺栓(6)与截面高度较高的工字钢梁(2)、截面高度较低的工字钢梁(3)螺栓连接；钢梁上翼缘顶面栓钉(7)焊接在截面高度较高的工字钢梁(2)、截面高度较低的工字钢梁(3)上作为抗剪键；翼缘连接板(8)、端板连接板(9)及三角肋板(10)焊接形成带三角肋板节点连接件(4)。

截面高度较低的工字钢梁(3)的截面高度为截面高度较高的工字钢梁(2)的50％～80％。截面高度较高的工字钢梁(2)的梁高依据具体结构设计确定，其高度为该梁设计跨度的1/10～1/15。

所述的方钢管混凝土柱(1)中的钢管采用一次性热轧成型的无缝钢管，钢管截面为方形。钢管外径为300mm～600mm，壁厚为5mm～15mm，内填混凝土或再生混凝土，粗骨料粒径为5mm～25mm。所述的方钢管混凝土柱(1)具有以下优势：钢管混凝土构件在受力过程中，钢管可以有效地约束核心混凝土，从而延缓其受压时的纵向开裂；核心混凝土的存在可有效延缓或避免薄壁钢管过早的的发生局部屈曲。在实际工程中，钢管混凝土柱具有刚度大、承载力高、抗震性能好、抗火抗腐蚀性能好、施工方便等优点。当钢管内填再生混凝土时还具有绿色节能等优点。

所述截面高度较高的工字钢梁(2)与截面高度较低的工字钢梁(3)是钢管混凝土结构中的主要承重构件，因结构跨度、荷载以及设计需求等因素影响，同一柱两侧所需梁高有所区别，受力较小的一侧梁高可适当降低，受较大荷载影响的一侧所需梁高较高，故出现了同一柱两侧梁高不同的需求。作为结构重要承重构件，其负责将楼板与墙体的荷载传递给柱，钢管混凝土结构中所使用的一般为热轧工字钢梁。为避免工字形截面钢梁端部因局部应力集中发生局部屈曲，可在带三角肋板节点连接件(4)的外侧设置厚度不小于工字形截面钢梁腹板厚度的加劲肋以提高端部刚度。由于翼缘连接板(8)与端板连接板(9)需焊接，焊缝位置会有凸起，在装配前需要将工字形截面钢梁的端部上下各打磨5mm-10mm三角形缺口，保证各螺栓孔精确对正。在工字形截面钢梁顶面均匀布置抗剪栓钉，准备安装装配式楼板。

所述带三角肋板节点连接件(4)是该节点的关键部件，其主要作用是将梁端所受轴力、剪力以及弯矩向方钢管混凝土柱(1)传递。翼缘连接板(8)、端板连接板(9)为矩形钢板采用Q345级以上钢材，钢板厚度不小于截面高度较高的工字钢梁(2)与截面高度较低的工字钢梁(3)翼缘厚度，并在相应位置开螺栓孔。端板连接板(9)为矩形钢板，采用Q345级以上钢材，钢板厚度不小于方钢管混凝土柱(1)柱壁厚度。三角肋板(10)为三角形钢板采用Q345级以上钢材，钢板厚度不小于翼缘连接板(8)或端板连接板(9)厚度。在实际工程中翼缘连接板(8)承载高度较高的工字钢梁(2)与截面高度较低的工字钢梁(3)翼缘传来的轴力以及剪力，端板连接板(9)将翼缘连接板(8)传来的荷载通过穿芯高强螺栓(5)传递给方钢管混凝土柱(1)。三角肋板(10)是三角肋板节点连接件(4)的主要加强措施，焊接三角肋板(10)后可以有效地提高节点抗弯刚度、承载能力、耗能能力以及抗疲劳能力等。由于三角肋板节点连接件(4)在实际工况下处于复杂应力状态因此需将焊缝质量控制等级应为一级。

所述穿芯高强螺栓(5)为长高强螺栓。穿芯高强螺栓(5)穿过柱两侧端板连接板(9)与方钢管混凝土柱(1)柱壁所开螺栓孔使用螺母对接拧紧。穿芯高强螺栓(5)强度等级应采用S10.9，螺栓直径不应低于20mm。其长度应大于方钢管混凝土柱(1)宽度，并可以露出柱两侧端板连接板(9)一段距离，使螺母可以拧紧且伸出螺丝长度满足相关受力与构造要求，伸出长度一般为螺母外露出10～30mm。穿芯高强螺栓(5)是固定带三角肋板节点连接件(4)与方钢管混凝土柱(1)关键构件，其主要承担两侧钢梁传来的轴力与剪力，应采用质量合格且符合国家规定的产品以保证节点的安全性能。

所述的连接高强螺栓(6)是梁柱节点连接的重要环节，其材料应为高强度合金钢或其他优质钢材，在装配式钢管混凝土结构中多采用8.8和10.9两个强度等级。其长度一般为螺母外露出10～30mm。连接高强螺栓(6)将翼缘连接板(8)与高度较高的工字钢梁(2)以及截面高度较低的工字钢梁(3)翼缘紧固连接，通过抗剪作用将钢梁翼缘的轴力传递到翼缘连接板(8)上。其紧固过程中的预加扭矩大小应符合国家相关规范规定。

所述钢梁上翼缘顶面栓钉(6)是加强工字形截面钢梁(2)与装配式混凝土板的连接构造，用以充当楼板抗剪键。其长约40mm，其直径5～8mm，沿梁上翼缘顶面设置一道或者两道，水平间距为80～150mm，楼板施工时与混凝土楼板整体浇筑也能够置于装配式楼板后浇带处进行浇筑。

本实用新型涉及一种穿心螺栓式不等高梁-方钢管混凝土柱装配式节点构造的作法，其具体作法如下：

第一步：加工方钢管混凝土柱(1)以及高度较高的工字钢梁(2)与截面高度较低的工字钢梁(3)。购买所需不同尺寸的工字型钢梁与方钢管，在工厂将工字型钢梁端打磨约5mm宽的坡口以方便后期安装，焊接钢梁上翼缘顶面栓钉(7)。在工字型钢梁与方钢管柱的相应位置开螺栓孔。将穿芯高强螺栓(5)的螺杆插入方钢管的螺栓孔中，取少量堵漏胶封闭螺杆与螺栓孔间隙，并固定螺杆，螺杆在方钢管两侧露出的长度应按设计要求确定。螺杆固定后，向方钢管内浇筑混凝土或再生混凝土，振捣浇实养护备用。如图2所示。

第二步：加工带三角肋板节点连接件(4)。确定翼缘连接板(8)、端板连接板(9)尺寸后，在工厂下料将钢板剪裁至合适尺寸，打磨后(若翼缘连接板(8)与钢梁翼缘以及端板连接板(9)与方钢管混凝土(1)柱壁采用剪切型高强螺栓，可在其表面进行喷砂或抛丸处理)在相应位置开螺栓孔。将加工好后的翼缘连接板(8)、端板连接板(9)采用一级直角角焊缝焊接在一起。在工厂按照设计尺寸加工三角肋板(10)，将三角肋板(10)焊接至翼缘连接板(8)、端板连接板(9)的相应位置，每个带三角肋板节点连接件(4)上下对称共焊接四个三角肋板(10)。如图3所示。

第三步：装配带三角肋板节点连接件(4)与方钢管混凝土柱(1)，所需构件在工程加工完成后运输至施工现场。将带螺杆的钢管混凝土柱安装至相应位置后，把带三角肋板节点连接件(4)通过端板连接板(9)上开的螺栓孔安装至方钢管混凝土柱(1)螺杆伸出位置，采用电动扭矩扳手按照设计扭矩将螺母预紧。如图4所示。

第四步：装配高度较高的工字钢梁(2)与截面高度较低的工字钢梁(3)。将工字钢梁放置在带三角肋板节点连接件(4)上下两翼缘连接板(8)间，使用电动扭矩扳手将螺栓在螺栓孔中预紧。如图5所示。

第五步：采用激光校准等措施，对梁柱进行校正。校正后将节点所有螺栓拧紧，节点装配完成。

与现有技术相比，本实用新型涉及一种穿心螺栓式不等高梁-方钢管混凝土柱装配式节点构造及作法，具有以下优势：

(1)节点构造设计简单，在复杂结构中布置灵活。本实用新型所述节点在装配式钢管混凝土结构中布置灵活。不等高梁柱节点在满足高层、超高层建筑在使用功能、设备安装、外观造型等一系列复杂设计要求的同时，又具有较好的抗震性能。同时在民用住宅中为防水等问题考虑，厨房、浴室标高与室内标高不同，同时错层设计在现在住房中广泛应用，该类节点可以较好的满足上述需求。因此，该节点形式将会在复杂结构体系以及民用住宅中得到应用。

(2)受力明确。本实用新型涉及的节点连接构造设计简便、可靠度高。工字形截面梁将建筑荷载传递给梁柱节点，工字形截面梁的轴力、剪力及弯矩通过螺栓传递给带三角肋板节点连接件(4)，最终由穿芯高强螺栓(5)实现工字钢梁与钢管柱的作用力传递。因此通过控制螺栓直径、强度等级及钢材厚度即可完成不同荷载作用下的节点设计，在现有分析理论基础上即可得到较为精确的承载能力预估。当节点遭遇地震时带三角肋板节点连接件(4)可以为结构提供较大的刚度与耗能能力，使结构整体在一定地震作用下不会产生过大变形，同时带三角肋板节点连接件(4)可以较好地防止节点疲劳破坏。同时，穿芯高强螺栓(5)螺杆在柱内的部分直接与混凝土浇筑在一起，不仅可以防止螺栓腐蚀，螺杆与混凝土间的粘结力可以为节点提供较大的初期刚度，节点的耗能能力也有所提升。

(3)装配化程度高、工业化水平高。本实用新型涉及的方钢管混凝土柱、带三角肋板节点连接件、工字形截面钢梁等均可以在工厂预制，施工现场拼装。工程规模化生产精度高、质量控制严格、节省资源。基本避免施工现场焊接与湿作业，可针对不同梁柱截面生产出标准统一、规格不同的标准件进行拼装，有利于实现装配式钢管混凝土结构产业化、装配化。

(4)节能环保、运输方便。本实用新型涉及的预制连接件耗钢量少，可采用再生混凝土等环保节能材料，节点组件多采用热轧型钢，材料易得并且可以基本实现无废料。本实用新型提出的节点构造作法将容易造成噪声污染、光污染以及大气污染的工序放在工厂进行，在保证施工质量的同时，可以做到绿色环保。

附图说明

图1节点构造图。

图2具体做法第一步示意图。

图3具体做法第二步示意图。

图4具体做法第三步示意图。

图5具体做法第四、五步示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对实用新型做进一步说明。

一种穿心螺栓式不等高梁-方钢管混凝土柱装配式节点构造，该节点构造包括方钢管混凝土柱(1)、截面高度较高的工字钢梁(2)、截面高度较低的工字钢梁(3)、带三角肋板节点连接件(4)、穿芯高强螺栓(5)、连接高强螺栓(6)、钢梁上翼缘顶面栓钉(7)。

根据建筑荷载大小可对方钢管混凝土柱所需承载力进行计算，通过调整钢管尺寸、钢管壁厚度以及混凝土强度等对方钢管混凝土柱进行调整。根据工字形截面梁端的弯矩和剪力对带三角肋板节点连接件对翼缘连接板的厚度、长度以及端板连接板的厚度、长度等主要参数进行设计，同时确定三角肋板的高度、厚度以及长度等。同时根据工字形截面梁所受弯矩、剪力以及轴力对梁翼缘宽度、截面高度等设计参数进行调整。穿芯螺栓数量、强度、直径以及布置位置等设计参数根据设计荷载以及功能需求进行确定。本实用新型所涉及梁柱节点也可通过上述参数设计变化控制节点连接刚度。

在正常使用阶段，带三角肋板节点连接件增加了钢管混凝土柱的节点抗剪高度有效地增强了节点域的抗剪能力，其在正常使用阶段具有较大的刚度，有效控制了工字型截面梁的变形，从而避免了梁挠度过大以及外界震动荷载激励下梁震幅过大的缺陷。

同时，作为装配式钢管混凝土结构梁柱节点需要满足“强节点弱构件”的设计原则，即加强梁柱节点并使节点所连接的工字形钢梁先于节点破坏。本实用新型所涉及的梁柱节点，带三角肋板节点连接件中的翼缘连接板、端板连接板以及三件肋板连接板均为焊接，与两侧不等高工字形截面钢梁采用螺栓连接，若梁端剪力与弯矩使节点域焊缝拉断或螺栓剪断均会造成脆性破坏，这在实际地震作用下会造成严重后果。因此需要在设计是需保证焊缝与螺栓有充足的安全储备。节点的破坏形式应设计为梁端变形破坏或节点域钢管混凝土柱剪切破坏，梁翼缘螺栓孔处是地震作用下钢梁破坏相对集中之处，此处钢梁翼缘截面将会经历从屈服到断裂的过程，这是一个较为缓慢的、有显著变形的过程，具有理想的延性破坏特征。节点域处钢管混凝土柱的剪切破坏也是一个逐渐损伤累积、承载力逐渐退化的过程，这对于结构的延性具有重要意义。本实用新型所述节点在地震作用下主要耗能区域为带三角肋板节点连接件，在往复荷载作用下带三角肋板节点连接件上的三角肋板受到往复拉压作用形成连接梁端的拉压杆桁架体系有效地耗散了地震能量，穿芯螺栓杆与钢管内部混凝土黏结滑移也会对地震能量的耗散起到一定作用。

随着水平地震作用的增大，穿心螺杆滑移、带三角肋板节点连接件中的三角肋板屈服，端板连接板发生翘曲。在这个破坏过程中节点区域楼板相互挤压，梁端楼板和墙之间的裂缝变宽甚至完全开裂，此过程持续时间较长，利于人员疏散。由于相邻两工字钢梁之间均有穿芯螺栓连接，某一节点失效不会引起该处其他节点失效，因此符合“强柱弱梁”的设计原则。

采用本实用新型所述的穿心螺栓式不等高梁-方钢管混凝土柱装配式节点构造连接牢固、整体性好、装配便捷、绿色环保，是适用于高层复杂结构体系以及民用住宅体系梁柱装配一种新型节点连接型式。

以上是本实用新型的一个典型实施例，本实用新型的实施不限于此。

Claims (8)

1.一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造，其特征在于：该节点构造包括方钢管混凝土柱(1)、截面高度较高的工字钢梁(2)、截面高度较低的工字钢梁(3)、带三角肋板节点连接件(4)、穿芯高强螺栓(5)、连接高强螺栓(6)和钢梁上翼缘顶面栓钉(7)；带三角肋板节点连接件(4)是由翼缘连接板(8)、端板连接板(9)及三角肋板(10)通过直角角焊缝焊接而成，翼缘连接板(8)、端板连接板(9)分别焊接在三角肋板(10)的两端；

方钢管混凝土柱(1)通过穿芯高强螺栓(5)与带三角肋板节点连接件(4)螺栓连接；带三角肋板节点连接件(4)通过连接高强螺栓(6)与截面高度较高的工字钢梁(2)、截面高度较低的工字钢梁(3)螺栓连接；钢梁上翼缘顶面栓钉(7)焊接在截面高度较高的工字钢梁(2)、截面高度较低的工字钢梁(3)上作为抗剪键；翼缘连接板(8)、端板连接板(9)及三角肋板(10)焊接形成带三角肋板节点连接件(4)。

2.根据权利要求1所述的一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造，其特征在于：截面高度较低的工字钢梁(3)的截面高度为截面高度较高的工字钢梁(2)的50％～80％；截面高度较高的工字钢梁(2)的梁高依据具体结构设计确定，其高度为；截面高度较高的工字钢梁(2)设计跨度的1/10～1/15。

3.根据权利要求1所述的一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造，其特征在于：所述的方钢管混凝土柱(1)中的钢管采用一次性热轧成型的无缝钢管，钢管截面为方形；钢管外径为300mm～600mm，壁厚为5mm～15mm，内填混凝土或再生混凝土，粗骨料粒径为5mm～25mm。

4.根据权利要求1所述的一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造，其特征在于：所述截面高度较高的工字钢梁(2)与截面高度较低的工字钢梁(3)是钢管混凝土结构中的承重构件，在带三角肋板节点连接件(4)的外侧设置厚度不小于工字形截面钢梁腹板厚度的加劲肋以提高端部刚度；由于翼缘连接板(8)与端板连接板(9)需焊接，焊缝位置会有凸起，在装配前需要将工字形截面钢梁的端部上下各打磨5mm-10mm三角形缺口；在工字形截面钢梁顶面均匀布置抗剪栓钉，准备安装装配式楼板。

5.根据权利要求1所述的一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造，其特征在于：所述带三角肋板节点连接件(4)作用是将梁端所受轴力、剪力以及弯矩向方钢管混凝土柱(1)传递；翼缘连接板(8)、端板连接板(9)为矩形钢板采用Q345级以上钢材，钢板厚度不小于截面高度较高的工字钢梁(2)与截面高度较低的工字钢梁(3)翼缘厚度，并在相应位置开螺栓孔；端板连接板(9)为矩形钢板，采用Q345级以上钢材，钢板厚度不小于方钢管混凝土柱(1)柱壁厚度；三角肋板(10)为三角形钢板采用Q345级以上钢材，钢板厚度不小于翼缘连接板(8)或端板连接板(9)厚度；在实际工程中翼缘连接板(8)承载高度较高的工字钢梁(2)与截面高度较低的工字钢梁(3)翼缘传来的轴力以及剪力，端板连接板(9)将翼缘连接板(8)传来的荷载通过穿芯高强螺栓(5)传递给方钢管混凝土柱(1)。

6.根据权利要求1所述的一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造，其特征在于：所述穿芯高强螺栓(5)为长高强螺栓；穿芯高强螺栓(5)穿过柱两侧端板连接板(9)与方钢管混凝土柱(1)柱壁所开螺栓孔使用螺母对接拧紧；穿芯高强螺栓(5)强度等级采用S10.9，螺栓直径不低于20mm；其长度大于方钢管混凝土柱(1)宽度，并露出柱两侧端板连接板(9)一段距离，使螺母拧紧且伸出螺丝长度满足相关受力与构造要求，伸出长度为螺母外露出10～30mm；穿芯高强螺栓(5)是固定带三角肋板节点连接件(4)与方钢管混凝土柱(1)关键构件。

7.根据权利要求1所述的一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造，其特征在于：所述的连接高强螺栓(6)是梁柱节点连接的重要环节，其材料为高强度合金钢，在装配式钢管混凝土结构中采用8.8和10.9两个强度等级；长度为螺母外露出10～30mm；连接高强螺栓(6)将翼缘连接板(8)与截面高度较高的工字钢梁(2)以及截面高度较低的工字钢梁(3)翼缘紧固连接，通过抗剪作用将钢梁翼缘的轴力传递到翼缘连接板(8)上。

8.根据权利要求1所述的一种装配式穿心螺栓不等高梁-方钢管混凝土柱节点构造，其特征在于：所述钢梁上翼缘顶面栓钉(7)是截面高度较高的工字钢梁(2)与装配式混凝土板的连接构造，充当楼板抗剪键；楼板施工时与混凝土楼板整体浇筑也能够置于装配式楼板后浇带处进行浇筑。

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