多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁u形連接節(jié)點及裝配方法
【專利摘要】多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)點及裝配方法，包括焊接于多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板，鋼板之間設(shè)置有邊底板，鋼梁上翼緣設(shè)置有上蓋板，鋼梁的腹板處設(shè)置有兩根連接角鋼，上蓋板、邊底板與鋼板連接。梁、柱之間的物理隔離改變了傳統(tǒng)節(jié)點的傳力路徑，消除了三軸應(yīng)力集中，不僅能使塑性鉸由節(jié)點處外移到梁上，而且消除了傳統(tǒng)節(jié)點柱翼緣撕裂破壞和節(jié)點轉(zhuǎn)動能力對柱腹板薄弱板區(qū)的依賴的缺陷。滿足“強柱弱梁，強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計及原則。同時節(jié)點可以分為2部分分別在工廠預(yù)制完成，現(xiàn)場安裝只需簡單裝配，節(jié)點構(gòu)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U形連接節(jié)點及裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種建筑工程技術(shù)領(lǐng)域的多腔鋼管混凝土組合柱結(jié)構(gòu)體系，具體是一種多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形連接節(jié)點及裝配方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多腔鋼管混凝土組合柱結(jié)構(gòu)體系作為一種新型的鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系解決了住宅體系中柱腳外凸的問題，同時這種新型結(jié)構(gòu)體系充分發(fā)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(yōu)點。
[0003]目前我國《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(GECS159:2004)提供的用于鋼管混凝土組合柱鋼梁節(jié)點主要由內(nèi)隔板式、外環(huán)板式等形式的節(jié)點。但到目前為止，現(xiàn)有技術(shù)中鋼管混凝土組合柱與鋼梁節(jié)點連接存在以下不足:
[0004](I)內(nèi)隔板式節(jié)點中的內(nèi)隔板與梁的翼緣在同一水平面內(nèi)時，節(jié)點滿足剛性節(jié)點的要求，但這種節(jié)點當(dāng)管柱邊較長時才能使用。因為當(dāng)邊長較小時不僅焊接困難，而且將妨礙管內(nèi)混凝土澆筑，另外梁翼緣與內(nèi)隔板在柱壁同一處兩側(cè)熔透焊縫，鋼材產(chǎn)生較大焊接殘余應(yīng)力，使得節(jié)點處的鋼材容易產(chǎn)生分層或脆性破壞。
[0005](2)影響建筑外觀和使用。如外環(huán)板節(jié)點，該節(jié)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(huán)板保證節(jié)點的強度，用鋼量比內(nèi)隔板節(jié)點大。并應(yīng)用于邊角柱時，水平環(huán)板不僅妨礙墻板的安裝，而且造成加強環(huán)突出建筑立面，使得室內(nèi)外節(jié)點處有凸角，影響觀感，需要靠裝飾或吊頂來解決。
[0006](3)節(jié)點力學(xué)性能和施工的簡易性、經(jīng)濟性不能兩全。在實際應(yīng)用中，有些節(jié)點類型力學(xué)性能較好，節(jié)點的整體剛度也好，但材料用量大，施工復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形連接節(jié)點及裝配方法，通過采用梁端與柱壁緣分離和全高度側(cè)板，滿足“強柱弱梁，強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則，同時該節(jié)點現(xiàn)場安裝時避免了傳統(tǒng)節(jié)點的熔透焊，均采用單一方向的角焊縫連接，焊縫質(zhì)量高，節(jié)點構(gòu)造簡單，傳力明確，裝配程度高。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0009]多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)點，包括焊接于多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板，多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板之間還設(shè)置有邊底板，邊底板的兩側(cè)分別與設(shè)置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板底部相連接，邊底板與鋼板組成U形空腔，鋼梁上翼緣設(shè)置有上蓋板，鋼梁的腹板處兩側(cè)對稱設(shè)置有連接角鋼，鋼梁下翼緣與邊底板通過角焊縫相連接，上蓋板與鋼板通過角焊縫連接。
[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(shè)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于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]所述邊底板通過雙面角焊縫與鋼板連接。
[0014]每個鋼板上均開設(shè)有定位開孔，連接角鋼上開設(shè)有孔，通過螺栓將鋼板和連接角鋼固定。
[0015]所述鋼梁為工字鋼梁。
[0016]所述鋼梁端部設(shè)置有加勁肋。
[0017]—種多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)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(cè)，再將邊底板與多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板底部連接，形成U形空腔，得到預(yù)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，將連接角鋼對稱焊接于工字鋼梁腹板兩側(cè)，得到預(yù)制好的鋼梁；然后將預(yù)制好的多腔鋼管混凝土組合柱和鋼梁運輸?shù)浆F(xiàn)場，將混凝土澆筑于多腔鋼管混凝土組合柱內(nèi)，再將預(yù)制好的鋼梁從上向下吊裝到節(jié)點區(qū)域，使得鋼梁下緣翼與邊底板連接，并通過螺栓固定連接角鋼與鋼板，然后再采用角焊縫分別將鋼板與上蓋板連接，將連接角鋼與鋼板通過角焊縫連接，完成裝配。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0019](I)多腔鋼管混凝土組合柱一鋼梁U形剛性連接節(jié)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(cè)板的使用。梁、柱之間的物理隔離改變了傳統(tǒng)節(jié)點的傳力路徑，消除了三軸應(yīng)力集中，不僅能使塑性鉸由節(jié)點處外移到梁上，而且消除了傳統(tǒng)節(jié)點柱翼緣撕裂破壞和節(jié)點轉(zhuǎn)動能力對柱腹板薄弱板區(qū)的依賴的缺陷，滿足“強柱弱梁，強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計及原則。
[0020](2)由于全高度鋼板的使用，多腔鋼管混凝土組合柱身保持完整性，使得鋼管內(nèi)混凝土澆筑更加方便，容易保證節(jié)點域混凝土的澆筑質(zhì)量。
[0021](3)由于鋼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(nèi)部沒有焊縫，與傳統(tǒng)節(jié)點相比，該節(jié)點構(gòu)造簡單，受力合理。
[0022](4)由于鋼梁只通過上蓋板、邊底板以及連接角鋼將彎矩剪力傳遞給雙側(cè)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。
[0023](5)該節(jié)點裝配化程度高，鋼管柱、雙側(cè)板、邊底板、鋼梁、上蓋板和連接角鋼均可在工廠預(yù)制完成，減少安裝的焊接工作量，現(xiàn)場安裝只需定位裝配。節(jié)點形式簡單，裝配化程度高，安裝方便快捷。由于現(xiàn)場安裝時避免采用傳統(tǒng)的熔透焊，傳統(tǒng)熔透焊容易使鋼材產(chǎn)生較大焊接殘余應(yīng)力，使得節(jié)點處的鋼材容易產(chǎn)生分層或脆性破壞。本發(fā)明節(jié)點現(xiàn)場安裝時全部采用單邊角焊縫連接，焊縫質(zhì)量容易保證，節(jié)點連接可靠。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的剖視圖；
[0025]圖2為本發(fā)明的側(cè)視圖；
[0026]圖3為本發(fā)明的雙側(cè)板節(jié)點構(gòu)造圖；
[0027]圖4為預(yù)制多腔鋼管混凝土組合柱的示意圖；
[0028]圖5為預(yù)制鋼梁的不意圖。
[0029]圖6為本發(fā)明的裝配示意圖。
[0030]圖7為梁上下翼緣屈服示意圖。
[0031]圖8為梁端出現(xiàn)塑性鉸示意圖。
[0032]圖9為蓋板破壞示意圖。
[0033]圖10為最終破壞示意圖。
[0034]圖11為滯回曲線圖。
[00；35]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為邊底板，6為連接角鋼，7為螺栓。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明:本實施例在本發(fā)明技術(shù)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(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0037]參見圖1、圖2和圖3，本發(fā)明包括設(shè)置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板3，即2個鋼板設(shè)置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)，并且鋼板3通過焊縫設(shè)置在多腔鋼管混凝土組合柱上，多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板3之間還設(shè)置有邊底板5，邊底板5的兩側(cè)分別與設(shè)置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板3底部相連接，邊底板5與鋼板3組成U形空腔。
[0038]鋼梁上翼緣設(shè)置有上蓋板4，鋼梁的腹板處設(shè)置有兩根連接角鋼6，兩根連接角鋼對稱焊接于鋼梁的腹板兩側(cè)，鋼梁設(shè)置在空腔內(nèi)，并且鋼梁下翼緣與邊底板5相連接，上蓋板4通過角焊縫與鋼板3連接，即鋼梁上翼緣與上蓋板焊接，鋼梁下翼緣與邊底板圍焊，通過上蓋板、邊底板將鋼梁連接于多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)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。
[0039]本發(fā)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(shè)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。
[0040]每個鋼板3上均開設(shè)有定位開孔，連接角鋼6上開設(shè)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。
[0041 ]所述鋼梁為工字鋼梁，并且鋼梁端部設(shè)置有加勁肋。
[0042]上述多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)點的裝配方法，參見圖4，預(yù)先在鋼板按照設(shè)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(cè)，再將邊底板5與多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板3底部連接，具體通過雙面角焊縫連接，形成U形空腔，得到預(yù)制好的多腔鋼管混凝土組合柱，參見圖5，先在連接角鋼6上開設(shè)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，將兩根連接角鋼6設(shè)置在工字鋼梁腹板處，得到預(yù)制好的鋼梁;參見圖6，然后將預(yù)制好的多腔鋼管混凝土組合柱和鋼梁運輸?shù)浆F(xiàn)場，將混凝土澆筑于多腔鋼管混凝土組合柱內(nèi)，再將預(yù)制好的鋼梁從上向下吊裝到節(jié)點區(qū)域，使得鋼梁下緣翼與邊底板5連接，并通過安裝螺栓固定連接角鋼6與鋼板3，安裝螺栓起臨時固定的作用，再采用角焊縫分別將鋼板3與上蓋板4連接，鋼板3與邊底板5連接，將連接角鋼6與鋼板3進行焊接，完成裝配。
[0043]本發(fā)明中可以在工廠預(yù)制完成鋼板和邊底板，按照定位焊接于多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)。在工廠內(nèi)先預(yù)制鋼梁、上蓋板和連接角鋼，然后再于工廠內(nèi)將上蓋板按照設(shè)計尺寸焊接于鋼梁上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(yù)制好的，節(jié)省了現(xiàn)場制作的不便，提高了效率?，F(xiàn)場安裝時，將鋼梁自上而下吊裝定位于節(jié)點區(qū)域，連接角鋼和多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板通過安裝螺絲連接，固定鋼梁的位置。本發(fā)明節(jié)點有兩大創(chuàng)新:梁端與柱壁緣分離和全高度側(cè)板的使用。梁、柱之間的物理隔離改變了傳統(tǒng)節(jié)點的傳力路徑，消除了三軸應(yīng)力集中，不僅能使塑性鉸由節(jié)點處外移到梁上，而且消除了傳統(tǒng)節(jié)點柱翼緣撕裂破壞和節(jié)點轉(zhuǎn)動能力對柱腹板薄弱板區(qū)的依賴的缺陷。滿足“強柱弱梁，強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計及原則。同時節(jié)點可以分為2部分分別在工廠預(yù)制完成，現(xiàn)場安裝只需簡單裝配，節(jié)點構(gòu)造簡單裝配化程度高。
[0044]下面對本發(fā)明的破壞模式和節(jié)點的抗震性能進行說明。
[0045]現(xiàn)以多腔鋼管混凝土組合柱一鋼梁U形剛接節(jié)點為列說明新型節(jié)點的力學(xué)性能。利用ABAQUS軟件對節(jié)點進行有限元分析，節(jié)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(jié)點處雙側(cè)板以及蓋板厚度均與梁翼緣同厚。有限元分析結(jié)果如下。
[0046]1.破壞模式
[0047]本發(fā)明的多腔鋼管混凝土組合柱一鋼梁剛性連接節(jié)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(xiàn)了強柱弱梁，強節(jié)點弱構(gòu)件的設(shè)計要求。本發(fā)明的連接節(jié)點的破壞順序如圖7-11所示。(I)當(dāng)水平外力作用時，節(jié)點區(qū)域梁端上下翼緣首先進入塑性，而蓋板和側(cè)板除了少部分應(yīng)力集中區(qū)域屈服外，其余大部分區(qū)域鋼材仍處于彈性階段(如圖7所示)。(2)隨著外力增大，梁端先于其他部分首先出現(xiàn)塑性鉸(如圖8所示)，此時蓋板部分區(qū)域鋼材屈服進入塑性階段，而側(cè)板除少部分應(yīng)力集中區(qū)域外，大部分區(qū)域鋼材仍處于彈性階段。(3)由于鋼材材料的強化作用，當(dāng)外力荷載持續(xù)增大時，蓋板兩側(cè)與側(cè)板連接區(qū)域鋼板剪切屈服，鋼材進入塑性發(fā)展階段，此時節(jié)點側(cè)板大部分區(qū)域仍處于彈性階段，只有少部分應(yīng)力集中處鋼板屈服(如圖9所示)。(4)如圖10所示，隨著荷載的不斷增加，結(jié)構(gòu)最終破壞，此時梁端上下翼緣屈曲，而側(cè)板仍只有部分進入塑性階段，節(jié)點區(qū)域的側(cè)板大部分仍處于彈性階段。
[0048]2.節(jié)點的抗震性能
[0049]根據(jù)抗震概念設(shè)計原則，結(jié)構(gòu)應(yīng)具備多道抗震設(shè)防線，避免因部分構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整體體系破壞，同時也要求結(jié)構(gòu)應(yīng)具備必要的強度、良好的變形能力和耗能能力。本發(fā)明的剛性連接節(jié)點，采用柱與梁端隔離的方式，通過全高度側(cè)板以及蓋板構(gòu)成的節(jié)點連接件來傳遞梁端彎矩以及剪力。
[0050]由于上述的破壞順序，當(dāng)?shù)卣鹱饔脮r，梁端首先出現(xiàn)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(jié)點區(qū)域側(cè)板只是部分屈服進入塑性，大部分仍處于彈性階段。整體結(jié)構(gòu)滿足“強柱弱梁，強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。[0051 ]延性是指結(jié)構(gòu)或破壞之前，其承載力無顯著降低的條件下經(jīng)受非彈性變形能力，在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，延性指標(biāo)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(jié)點的層間位移角為7%—10% ,滿足我國規(guī)范要求。
[0052]當(dāng)結(jié)構(gòu)處于地震作用時，結(jié)構(gòu)有一個能量吸收和耗散的持續(xù)過程。當(dāng)結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)時，其抗震性能主要取決于構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)摩阻或局部損傷而將能量變?yōu)闊崮苌⑹У娇臻g中去。散失的能量越多，結(jié)構(gòu)破壞的可能性越小。由于上述的節(jié)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(jié)點的具有較好的耗能能力。如圖11所示，節(jié)點的滯回曲線飽滿，沒有明顯的捏縮現(xiàn)象，耗散大量地震能量，節(jié)點的耗能能力好，具有較強的抗震性能。
【主權(quán)項】
1.多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)點，其特征在于，包括焊接于多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板(3)，多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板(3)之間還設(shè)置有邊底板(5)，邊底板(5)的兩側(cè)分別與設(shè)置在多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板(3)底部相連接，邊底板(5)與鋼板(3)組成U形空腔，鋼梁上翼緣設(shè)置有上蓋板(4)，鋼梁的腹板處兩側(cè)對稱設(shè)置有連接角鋼(6)，鋼梁下翼緣與邊底板(5)通過角焊縫相連接，上蓋板(4)與鋼板(3)通過角焊縫連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)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(shè)置有相平行的腹板，腹板之間通過隔板連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)點，其特征在于，所述鋼板(3)通過焊縫焊接于多腔鋼管混凝土組合柱上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)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(jù)權(quán)利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)點，其特征在于，所述邊底板(5)通過雙面角焊縫與鋼板(3)連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)點，其特征在于，每個鋼板(3)上均開設(shè)有定位開孔，連接角鋼(6)上開設(shè)有孔，通過螺栓(7)將鋼板和連接角鋼固定。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)點，其特征在于，所述鋼梁為工字鋼梁。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)點，其特征在于，所述鋼梁端部設(shè)置有加勁肋。9.一種多腔鋼管混凝土組合柱與鋼梁U形剛性連接節(jié)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(cè)，再將邊底板(5)與多腔鋼管混凝土組合柱兩側(cè)的鋼板(3)底部連接，形成U形空腔，得到預(yù)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，將連接角鋼(6)對稱焊接于工字鋼梁腹板兩側(cè)，得到預(yù)制好的鋼梁;然后將預(yù)制好的多腔鋼管混凝土組合柱和鋼梁運輸?shù)浆F(xiàn)場，將混凝土澆筑于多腔鋼管混凝土組合柱內(nèi)，再將預(yù)制好的鋼梁從上向下吊裝到節(jié)點區(qū)域，使得鋼梁下緣翼與邊底板(5)連接，并通過螺栓固定連接角鋼(6)與鋼板(3)，然后再采用角焊縫分別將鋼板(3)與上蓋板(4)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】E04B1/58GK105821968SQ201610343195
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】孫曉嶺, 郝際平, 薛強, 樊春雷, 劉斌, 陳永昌, 黃育琪, 王磊, 尹偉康, 何夢楠, 劉瀚超, 張峻銘, 趙子健
【申請人】西安建筑科技大學(xué)