多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點及裝配方法
【專利摘要】多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點及裝配方法，包括設置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側的鋼板，鋼梁上翼緣設置有上蓋板，下翼緣設置有下托板，鋼梁的腹板處設置有兩根連接角鋼，上蓋板、下托板均與鋼板連接。梁、柱之間的物理隔離改變了傳統節點的傳力路徑，消除了三軸應力集中，不僅能使塑性鉸由節點處外移到梁上，而且消除了傳統節點柱翼緣撕裂破壞和節點轉動能力對柱腹板薄弱板區的依賴的缺陷。滿足“強柱弱梁，強節點弱構件”的設計及原則。同時節點可以分為2部分分別在工廠預制完成，現場安裝只需簡單裝配，節點構造簡單裝配化程度高。
【專利說明】
多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點及裝配方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種建筑工程技術領域的多腔鋼管混凝土組合柱結構體系，具體涉及一種多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點及裝配方法。
【背景技術】
[0002]多腔鋼管混凝土組合柱組合結構體系作為一種新型的鋼管混凝土組合柱結構體系解決了住宅體系中柱腳外凸的問題，同時這種新型結構體系充分發揮了鋼管和混凝土兩種材料的長處，具有承載力高、塑性和韌性好、施工方便等優點。
[0003]目前我國《矩形鋼管混凝土結構技術規程》(GECS159:2004)提供的用于鋼管混凝土組合柱鋼梁節點主要由內隔板式、外環板式等形式的節點。但到目前為止，現有技術中鋼管混凝土組合柱與鋼梁節點連接存在以下不足:
[0004](I)內隔板式節點中的內隔板與梁的翼緣在同一水平面內時，節點滿足剛性節點的要求，但這種節點當管柱邊較長時才能使用。因為當邊長較小時不僅焊接困難，而且將妨礙管內混凝土澆筑，另外梁翼緣與內隔板在柱壁同一處兩側熔透焊縫，鋼材產生較大焊接殘余應力，使得節點處的鋼材容易產生分層或脆性破壞。
[0005](2)影響建筑外觀和使用。如外環板節點，該節點施工簡單、傳力明確，并不受鋼管邊長的限制，但需要足夠大的水平環板保證節點的強度，用鋼量比內隔板節點大。并應用于邊角柱時，水平環板不僅妨礙墻板的安裝，而且造成加強環突出建筑立面，使得室內外節點處有凸角，影響觀感，需要靠裝飾或吊頂來解決。
[0006](3)節點力學性能和施工的簡易性、經濟性不能兩全。在實際應用中，有些節點類型力學性能較好，節點的整體剛度也好，但材料用量大，施工復雜。

【發明內容】

[0007]本發明針對現有技術的不足，提供了一種多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點及裝配方法，通過采用梁端與柱壁緣分離和全高度側板，滿足“強柱弱梁，強節點弱構件”的設計原則，同時該節點現場安裝時避免了傳統節點的熔透焊，均采用單一方向的角焊縫連接，焊縫質量高，節點構造簡單，傳力明確，裝配程度高。
[0008]為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現。
[0009]多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，包括設置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側的鋼板，鋼梁上翼緣設置有上蓋板，下翼緣設置有下托板，鋼梁的腹板處設置有兩根連接角鋼，上蓋板、下托板均與鋼板連接。
[0010]所述多腔鋼管混凝土組合柱包括位于兩端的暗柱，兩個暗柱之間設置有相平行的腹板，腹板之間通過隔板連接。
[0011 ]所述鋼板通過焊縫焊接在多腔鋼管混凝土組合柱上。
[0012]所述上蓋板通過角焊縫與鋼板連接。
[0013]所述下托板通過角焊縫與鋼板連接。
[0014]每個鋼板上均開設有定位開孔，連接角鋼上開設有孔，通過螺栓將鋼板和連接角鋼固定。
[0015]連接角鋼通過焊縫與鋼板連接。
[0016]所述鋼梁為工字鋼梁。
[0017]所述鋼梁端部設置有加勁肋。
[0018]—種多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點的裝配方法，先將鋼板通過焊縫固定在多腔鋼管混凝土組合柱兩側，得到預制好的多腔鋼管混凝土組合柱，再將上蓋板焊接于帶有加勁肋的工字鋼梁上翼緣上，下托板設置在工字鋼梁下翼緣上，將兩根連接角鋼設置在工字鋼梁腹板處，得到預制好的鋼梁;然后將預制好的多腔鋼管混凝土組合柱和鋼梁運輸到現場，將混凝土澆筑于多腔鋼管混凝土組合柱內，再將預制好的鋼梁從下向上吊裝到節點區域，使得下托板與鋼板接觸，并通過螺栓固定連接角鋼與鋼板，再采用角焊縫分別將鋼板與上蓋板連接，鋼板與下托板連接，將連接角鋼與鋼板通過角焊縫連接，完成裝配。
[0019]與現有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0020](I)多腔鋼管混凝土柱與鋼梁雙側板剛性連接節點連接方式以及傳力方式獨特，由于梁端與柱壁分離和全高度側板的使用。梁、柱之間的物理隔離改變了傳統節點的傳力路徑，消除了三軸應力集中，不僅能使塑性鉸由節點處外移到梁上，而且消除了傳統節點柱翼緣撕裂破壞和節點轉動能力對柱腹板薄弱板區的依賴的缺陷。滿足“強柱弱梁，強節點弱構件”的設計及原則。
[0021](2)由于全高度雙側板(即鋼板)的使用，多腔鋼管混凝土組合柱身保持完整性，使得鋼管內混凝土澆筑更加方便，容易保證節點域混凝土的澆筑質量。
[0022](3)由于側板與鋼管混凝土組合柱只在外柱壁通過焊縫連接，鋼管混凝土內部沒有焊縫，與傳統節點相比，該節點構造簡單，受力合理。
[0023](4)由于鋼梁只通過上蓋板、下托板以及連接角鋼將彎矩剪力傳遞給雙側板，使得鋼梁可以與柱端分離，減少了鋼梁的凈跨，可以一定程度上降低鋼梁的高度，滿足住宅用戶對住宅功能的需求。
[0024](5)本發明的節點裝配化程度高，鋼管柱、鋼板、鋼梁、上蓋板、下托板和連接角鋼均可在工廠預制完成，減少安裝的焊接工作量，現場安裝只需定位裝配。節點形式簡單，裝配化程度高，安裝方便快捷。由于現場安裝時避免采用傳統的熔透焊，傳統熔透焊容易使鋼材產生較大焊接殘余應力，使得節點處的鋼材容易產生分層或脆性破壞。本發明節點現場安裝時全部采用單邊角焊縫連接，焊縫質量容易保證，節點連接可靠。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的剖視圖；
[0026]圖2為本發明的二維結構示意圖；
[0027]圖3為本發明的側視圖；
[0028]圖4為本發明的雙側板節點構造圖；
[0029]圖5為預制多腔鋼管混凝土組合柱的示意圖；
[0030]圖6為預制鋼梁的示意圖。[0031 ]圖7為本發明的裝配示意圖。
[0032]圖8為梁上下翼緣屈服示意圖。
[0033]圖9為梁端出現塑性鉸示意圖。
[0034]圖10為蓋板破壞示意圖。
[0035]圖11為最終破壞示意圖。
[0036]圖12為滯回曲線圖。
[0037]圖中，I為多腔鋼管混凝土組合柱，2為鋼梁，3為鋼板，4為上蓋板，5為下托板，6為連接角鋼，7為螺栓。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0039]參見圖1、圖2、圖3和圖4，本發明包括設置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側的鋼板3，即2個鋼板設置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側，并且鋼板3通過焊縫設置在多腔鋼管混凝土組合柱上。
[0040]鋼梁上翼緣設置有上蓋板4，下翼緣設置有下托板5，鋼梁的腹板處設置有兩根連接角鋼6，上蓋板4、下托板5均通過角焊縫與鋼板3連接，即鋼梁上下翼緣分別與上蓋板和下托板焊接，通過上、下托板連接于多腔鋼管混凝土組合柱兩側的鋼板3的外伸端，連接角鋼將鋼梁腹板與鋼板3連接，鋼梁梁端與柱端分離。
[0041]本發明中多腔鋼管混凝土組合柱包括位于兩端的暗柱，兩個暗柱之間設置有相平行的腹板，腹板之間通過隔板連接，混凝土澆筑其中。
[0042]每個鋼板3上均開設有定位開孔，連接角鋼6上開設有孔，通過螺栓7穿過鋼板上的定位開孔和連接角鋼上的孔，將鋼板和連接角鋼固定。
[0043]所述鋼梁為工字鋼梁，并且鋼梁的端部設置有加勁肋。
[0044]上述多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點的裝配方法，參見圖5，預先在鋼板按照設計定位開孔，再將鋼板3通過焊縫固定在多腔鋼管混凝土組合柱兩側，得到預制好的多腔鋼管混凝土組合柱，參見圖6，先在連接角鋼6上開設孔洞，再將上蓋板4焊接于帶有加勁肋的工字鋼梁上翼緣上，下托板5設置在工字鋼梁下翼緣上，將兩根連接角鋼6設置在工字鋼梁腹板處，得到預制好的鋼梁;參見圖7，然后將預制好的多腔鋼管混凝土組合柱和鋼梁運輸到現場，將混凝土澆筑于多腔鋼管混凝土組合柱內，再將預制好的鋼梁從下向上吊裝到節點區域，使得下托板5與鋼板3緊密結合，并通過螺栓固定連接角鋼6與鋼板3，起到臨時固定作用，然后再采用角焊縫分別將鋼板3與上蓋板4連接，鋼板3與下托板5連接，將連接角鋼6與鋼板3通過焊縫連接，具體的是:連接角鋼一側邊與工字鋼梁的腹板相接觸，另一側邊與鋼板3焊接，完成裝配。
[0045]本發明中可以在工廠預制完成鋼板按照定位焊接于多腔鋼管混凝土組合柱兩側。在工廠內先預制鋼梁、上蓋板、下托板和連接角鋼，然后再于工廠內將上蓋板按照設計尺寸焊接于鋼梁上翼緣和下托板按照設計尺寸焊接在鋼梁下翼緣，將連接角鋼焊接按照定位尺寸在鋼梁腹板處，上述過程均是在工廠中提前預制好的，節省了現場制作的不便，提高了效率。現場安裝時，將鋼梁自下而上吊裝定位于節點區域，連接角鋼和多腔鋼管混凝土組合柱兩側的鋼板通過安裝螺絲連接，固定鋼梁的位置。
[0046]本發明節點有兩大創新:梁端與柱壁緣分離和全高度側板的使用。梁、柱之間的物理隔離改變了傳統節點的傳力路徑，消除了三軸應力集中，不僅能使塑性鉸由節點處外移到梁上，而且消除了傳統節點柱翼緣撕裂破壞和節點轉動能力對柱腹板薄弱板區的依賴的缺陷。滿足“強柱弱梁，強節點弱構件”的設計及原則。同時節點可以分為2部分分別在工廠預制完成，現場安裝只需簡單裝配，節點構造簡單裝配化程度高。
[0047]下面對本發明的破壞模式和節點的抗震性能進行說明。
[0048]現以多腔鋼管混凝土組合柱一鋼梁U形剛接節點為列說明新型節點的力學性能。利用ABAQUS軟件對節點進行有限元分析，節點柱為200x600的多腔鋼管混凝土組合柱，梁采用H350xl50x6xl0的焊接工字鋼，節點處雙側板以及蓋板厚度均與梁翼緣同厚。有限元分析結果如下。
[0049]1.破壞模式
[0050]本發明的多腔鋼管混凝土組合柱一鋼梁剛性連接節點，由于采用多腔鋼管混凝土組合柱，鋼管對混凝土有較強的約束作用，柱身整體的承載力以及延性均比較好，實現了強柱弱梁，強節點弱構件的設計要求。本發明的連接節點的破壞順序如圖8-12所示。(I)當水平外力作用時，節點區域梁端上下翼緣首先進入塑性，而蓋板和側板除了少部分應力集中區域屈服外，其余大部分區域鋼材仍處于彈性階段(如圖8所示)。(2)隨著外力增大，梁端先于其他部分首先出現塑性鉸(如圖9所示)，此時蓋板部分區域鋼材屈服進入塑性階段，而側板除少部分應力集中區域外，大部分區域鋼材仍處于彈性階段。(3)由于鋼材材料的強化作用，當外力荷載持續增大時，蓋板兩側與側板連接區域鋼板剪切屈服，鋼材進入塑性發展階段，此時節點側板大部分區域仍處于彈性階段，只有少部分應力集中處鋼板屈服(如圖10所示)。(4)如圖11所示，隨著荷載的不斷增加，結構最終破壞，此時梁端上下翼緣屈曲，而側板仍只有部分進入塑性階段，節點區域的側板大部分仍處于彈性階段。
[0051 ] 2.節點的抗震性能
[0052]根據抗震概念設計原則，結構應具備多道抗震設防線，避免因部分構件破壞而導致整體體系破壞，同時也要求結構應具備必要的強度、良好的變形能力和耗能能力。本發明的剛性連接節點，采用柱與梁端隔離的方式，通過全高度側板以及蓋板構成的節點連接件來傳遞梁端彎矩以及剪力。
[0053]由于上述的破壞順序，當地震作用時，梁端首先出現塑性鉸，消耗一定的地震能量，之后蓋板剪切屈服，進一步耗散地震能量，最終破壞時，節點區域側板只是部分屈服進入塑性，大部分仍處于彈性階段。整體結構滿足“強柱弱梁，強節點弱構件”的設計原則。
[0054]延性是指結構或破壞之前，其承載力無顯著降低的條件下經受非彈性變形能力，在結構的抗震設計中，延性指標是一個重要特性。多腔鋼管混凝土組合柱一鋼梁U形剛接節點的層間位移角為7%—10% ,滿足我國規范要求。
[0055]當結構處于地震作用時，結構有一個能量吸收和耗散的持續過程。當結構進入彈塑性狀態時，其抗震性能主要取決于構件耗能能力。滯回曲線中加載階段曲線所包圍的面積可以反映結構吸收能量的大小;而卸載時的曲線與加載時曲線所包圍的面積即為耗散能量。這些能量是通過材料的內摩阻或局部損傷而將能量變為熱能散失到空間中去。散失的能量越多，結構破壞的可能性越小。由于上述的節點破壞順序，梁端以及蓋板先后耗散大量地震能量，最終保證節點的具有較好的耗能能力。如圖12所示，節點的滯回曲線飽滿，沒有明顯的捏縮現象，耗散大量地震能量，節點的耗能能力好，具有較強的抗震性能。
【主權項】
1.多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，其特征在于，包括設置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側的鋼板(3)，鋼梁上翼緣設置有上蓋板(4)，下翼緣設置有下托板(5)，鋼梁的腹板處設置有兩根連接角鋼(6)，上蓋板(4)、下托板(5)均與鋼板(3)連接。2.根據權利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，其特征在于，所述多腔鋼管混凝土組合柱包括位于兩端的暗柱，兩個暗柱之間設置有相平行的腹板，腹板之間通過隔板連接。3.根據權利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，其特征在于，所述鋼板(3)通過焊縫焊接在多腔鋼管混凝土組合柱上。4.根據權利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，其特征在于，所述上蓋板(4)通過角焊縫與鋼板(3)連接。5.根據權利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，其特征在于，所述下托板(5)通過角焊縫與鋼板(3)連接。6.根據權利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，其特征在于，每個鋼板(3)上均開設有定位開孔，連接角鋼(6)上開設有孔，通過螺栓(7)將鋼板和連接角鋼固定。7.根據權利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，其特征在于，連接角鋼通過焊縫與鋼板(3)連接。8.根據權利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，其特征在于，所述鋼梁為工字鋼梁。9.根據權利要求1或8所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點，其特征在于，所述鋼梁端部設置有加勁肋。10.—種多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁剛性連接節點的裝配方法，其特征在于，先將鋼板(3)通過焊縫固定在多腔鋼管混凝土組合柱兩側，得到預制好的多腔鋼管混凝土組合柱，再將上蓋板(4)焊接于帶有加勁肋的工字鋼梁上翼緣上，下托板(5)設置在工字鋼梁下翼緣上，將兩根連接角鋼(6)設置在工字鋼梁腹板處，得到預制好的鋼梁;然后將預制好的多腔鋼管混凝土組合柱和鋼梁運輸到現場，將混凝土澆筑于多腔鋼管混凝土組合柱內，再將預制好的鋼梁從下向上吊裝到節點區域，使得下托板(5)與鋼板(3)接觸，并通過螺栓固定連接角鋼(6)與鋼板(3)，再采用角焊縫分別將鋼板(3)與上蓋板(4)連接，鋼板(3)與下托板(5)連接，將連接角鋼(6)與鋼板(3)通過角焊縫連接，完成裝配。
【文檔編號】E04B1/18GK105839793SQ201610342419
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】郝際平, 劉斌, 楊哲明, 薛強, 孫曉嶺, 樊春雷, 黃育琪, 陳永昌, 王磊, 何夢楠, 尹偉康, 劉瀚超, 張峻銘, 趙子健
【申請人】西安建筑科技大學