CN102383498A - 一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点及其制备方法 - Google Patents

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周观根
周家干
肖建春
程志敏
张华刚
朱方正
徐向东
李国强
段渝忠
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HUNAN JINHAI STEEL STRUCTURE CO Ltd
Hunan University
Guizhou University
Zhejiang Southeast Space Frame Co Ltd
Guizhou Huiton Shenfa Steel Structure Co Ltd
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Hunan University
Guizhou University
Zhejiang Southeast Space Frame Co Ltd
Guizhou Huiton Shenfa Steel Structure Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种等强连接节点，尤其涉及一种多层与高层钢结构框架柱的对接连接，钢框架结构一般由方形或矩形钢管柱和H型钢框架横梁组成。使钢管内外设连接钢板采用高强螺栓等强连接。一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点及其制备方法结构简单，安装方便，使用安全，承载力相同，装配精度高。

Description

一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点及其制备方法
技术领域
  本发明专利涉及一种等强连接节点，尤其涉及一种多层与高层钢结构框架柱的对接连接，钢框架结构一般由方形或矩形钢管柱和H型钢框架横梁组成。
背景技术
“十一五”期间，我国钢材产量已达3亿吨，钢产量由第一个五年计划的一千多万吨，增长了近20倍。长期以来在建筑结构工程领域，除了大跨度(L≥60m)建筑工程采用钢结构外，一般均采用钢筋混凝土结构，因为在钢产量有限条件下，经济建设很多领域均需要钢材，因此建筑领域内大量工程以钢筋结构取代钢结构。随着经济建设的发展，钢结构除了在大跨度(L≥60m)公共与工业建筑应用外，在大柱网、大开间多高层住宅及写字楼建筑中，采用钢框架结构也逐渐增多。从“循环经济”、“可持续性发展”和“再生资源利用”方针分析，钢筋混凝土结构的建筑在使用年限到期拆除后，是不可回收再利用的，而钢结构建筑，其使用年限达到而拆除后，其使用年限达到拆除后，其主体结构可再回炉。成为有用之才，达到“节能减排”的功效。
   目前国内高层与超高层建筑，采用钢结构作为建筑主体结构的工程愈来愈多，即采用钢框架结构作为建筑的主体结构，其框架柱一般采用方形或矩形截面钢管，而其框架横梁采用H型钢，采用箱形截面框架柱，必然有工地接头节点，目前箱形柱的工地接头有两种，一种为箱形柱加耳板后工地对接焊接连接，大量的工地焊接连接，增加了工地防止火灾的难度；另一种采用“法兰盘式”高强螺栓等强连接，这种连接方式在节点处，柱截面将放大(1.3～1.5)倍，影响钢结构墙面板铺设，本发明针对箱形钢管框架柱工地接头，提一种新型工地接头构造，它既避免了工地焊接连接，杜绝火灾事故的发生，又避免法兰盘高强螺栓接头造成该处节点截面放大(1.3～1.5)倍的弊端。
 发明内容
   本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种钢框架箱形柱工地对接连接的新方法和新构造，克服原有箱形柱工地对接连接，两种技术的不足，促进装配整体式钢框架结构进一步发展的箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点及其制备方法。
   本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点，包括管壁上部柱连接处，所述的管壁上部柱连接处的两边分别设有内壁连接板和外壁连接板，所述的内壁连接板和外壁连接板与管壁上部柱连接处通过上高强螺栓相固定，所述的内壁连接板和外壁连接板的下端形成管壁下部柱开口，所述的管壁下部柱开口中***管壁下部柱连接处，所述的管壁下部柱连接处设有一端开口的槽口，所述的内壁连接板和外壁连接板与管壁下部柱连接处通过下高强螺栓相压接，所述的槽口与下高强螺栓相插接，所述的管壁上部柱连接处和管壁下部柱连接处相对接。
本发明根据高强螺栓抗剪极限承载力原理，将两对接箱形柱用内外壁连接板通过高强螺栓等强连接，按常规由箱形管四周封闭，这种连接是不能实现的。本发明根据高强螺栓抗剪承载力原理，将两对接柱的管壁下部柱连接处原开孔处，根据螺栓孔径及纵、横排列由成孔改变为开槽口。则对接管壁下部柱连接在安装前，事先将内、外连接连板及高强螺栓与管壁上部柱连接连接好后，在工地与下部开槽口的管壁下部柱连接处沿槽口采用***式对接，对接就位后，将柱四周高强螺栓柠紧后，即形成箱形柱内、外双连接板高强螺栓等强连接节点。本发明的构造，使箱形柱采用内外壁拼接钢板高强螺栓连接从不能到可能，并克服传统箱形柱对接连接节点的某些缺陷，形成一种新型高强螺栓等强连接节点。
  作为优选，所述的内壁连接板和外壁连接板与管壁上部柱连接处的一边设有3行2列纵横分布的上高强螺栓，所述的内壁连接板和外壁连接板与管壁下部柱连接处的一边通过设有3行2列纵横分布的下高强螺栓相压接。
  作为优选，所述的上高强螺栓和下高强螺栓为10.9级摩擦型高强螺栓。
  一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点的制备方法，按以下步骤进行：
   （1）、在管壁上部柱连接处设有3行2列纵横分布的内螺栓孔，在内壁连接板和外壁连接板上分别设有相对称的6行2列纵横分布的螺栓孔，内壁连接板和外壁连接板上的螺栓孔与内螺栓孔相对称分布；
   （2）、管壁上部柱连接处中的内螺栓孔与内壁连接板和外壁连接板中的螺栓孔通过10.9级摩擦型上高强螺栓相固定，用于压接管壁下部柱连接处的10.9级摩擦型下高强螺栓先固定在内壁连接板和外壁连接板间，内壁连接板和外壁连接板形成管壁下部柱开口；
   （3）、 将管壁下部柱开口对准***到四边开有槽口的管壁下部柱连接处，使管壁下部柱连接处和管壁上部柱连接处相对接，再拧紧下高强螺栓，使管壁下部柱连接处与内壁连接板和外壁连接板相压接紧固；
   （4）、再调节上高强螺栓和下高强螺栓使其紧固。
  本发明一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点及其制备方法，结构简单，安装方便，使用安全，承载力相同，装配精度高。
 附图说明
图1是本发明的外结构立面图；
图2是本发明中管壁下部柱连接处未***时的结构示意图；
图3是本发明中管壁下部柱连接处***时的结构示意图；
图4是本发明中管壁上部柱连接处和管壁下部柱连接处相对接的立面图；
图5是本发明中管壁下部柱连接处的结构示意图；
图6是本发明的剖视结构示意图；
图7是本发明中抗剪承载力相等的原理说明图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点，包括管壁上部柱连接处1，所述的管壁上部柱连接处1的两边分别设有内壁连接板2和外壁连接板3，所述的内壁连接板2和外壁连接板3与管壁上部柱连接处1通过上高强螺栓4相固定，所述的内壁连接板2和外壁连接板3的下端形成管壁下部柱开口5，所述的管壁下部柱开口5中***管壁下部柱连接处6，所述的管壁下部柱连接处6设有一端开口的槽口7，所述的内壁连接板2和外壁连接板3与管壁下部柱连接处6通过下高强螺栓8相压接，所述的槽口7与下高强螺栓8相插接，所述的管壁上部柱连接处1和管壁下部柱连接处6相对接，所述的内壁连接板2和外壁连接板3与管壁上部柱连接处1的一边设有3行2列纵横分布的上高强螺栓4，所述的内壁连接板2和外壁连接板3与管壁下部柱连接处6的一边通过设有3行2列纵横分布的下高强螺栓8相压接，所述的上高强螺栓4和下高强螺栓8为10.9级摩擦型高强螺栓。
   一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点的制备方法，按以下步骤进行：
   （1）、在管壁上部柱连接处1设有3行2列纵横分布的内螺栓孔，在内壁连接板2和外壁连接板3上分别设有相对称的6行2列纵横分布的螺栓孔，内壁连接板2和外壁连接板3上的螺栓孔与内螺栓孔相对称分布；
   （2）、管壁上部柱连接处1中的内螺栓孔与内壁连接板2和外壁连接板3中的螺栓孔通过10.9级摩擦型上高强螺栓4相固定，用于压接管壁下部柱连接处6的10.9级摩擦型下高强螺栓8先固定在内壁连接板2和外壁连接板3间，内壁连接板2和外壁连接板3形成管壁下部柱开口5；
   （3）、 将管壁下部柱开口5对准***到四边开有槽口7的管壁下部柱连接处6，使管壁下部柱连接处6和管壁上部柱连接处1相对接，再拧紧下高强螺栓8，使管壁下部柱连接处6与内壁连接板2和外壁连接板3相压接紧固；
   （4）、再调节上高强螺栓4和下高强螺栓8使其紧固。
  如图7所示，图1中为150×150×4的方形框架柱在柱反弯点(柱中央)采用箱形柱内壁连接板(－140×400×4)外壁连接板(－150×400×4)和10.9级摩擦型高强螺栓M10(预拉力P 10=39kN)等强连接，每边6个M10螺栓，则上、下部柱四边共24个M10螺栓，先将内外壁连接板与螺栓与管壁上部柱连接处用螺栓固定，并将要***管壁下部柱连接处的地方用螺栓事先固定在内外壁连接板上，图2中为上部方管一边管壁及内外壁连接板，其下部的内外壁连接板中间尚无对接箱形柱管壁下部柱连接处，但螺栓已安装，其四边内外壁板连接形成开口，安装时将内外壁连接板和螺栓的上部构件，对准下部四边已开槽口的管壁下部柱连接处***(图3)柠紧后，即形成内外有连接板高强螺栓群连接的节点(图1，图3)，其上部箱形对接柱横剖面(如图6）所示，此处截面只增大5%，而不是原法兰盘连接增大截面30%～50%。
图1中为方形(150×150×4)钢管柱采用内外壁连接板高强螺栓等强连接，它是通过内外壁连接板和被连接管四壁钢板在柠紧高强螺栓产生的预拉力P的作用，使内外壁连接板夹紧，则板与板之间产生一定的挤压应力σ m 构件受拉或受压时要产生沿板面方向的移动即“剪移”，阻止“剪移”的作用力即沿板面的摩擦应力u f σ m ，当螺栓群一个高强螺栓的预拉力为P i (kN)，它使该螺栓周边面积A m (cm2)产生挤压应力σ m ，则一个高强螺栓挤压力为P i =σ m A m 。一个摩擦型高强螺栓最大剪切承载力为
Figure 615795DEST_PATH_IMAGE002
=0.9n f up                   (1)
将P i =σ m A m 代入(1)式，一个摩擦型高强螺栓最大剪切承载力为
=0.9n f uσ m A m                 (2)
钢管柱受拉力N L 作用，采用连接板高强螺栓连接，其螺栓个数n为n=N L / 。常规的连接其被连接管壁均开园孔洞，
Figure 897763DEST_PATH_IMAGE002
计算采用(1)式，当下部被连接钢管四壁开槽口时，其上、下部分挤压面积A m 是不一样的，上部开孔洞的挤压面积A m1 大于下部开槽口的挤压面积A m2 ，即A m1 ＞A m2 ，根据P i =σ m A m 关系，连接板上部和下部高强螺栓均选用一个型号，即其预应力P i 上、下均相等，即σ m1  A m1 =σ m2  A m2 ，因为A m1 ＞A m2 ，必然有σ m1 ＜σ m2 现象出现，即开槽口挤压面积A m2 小的其板与板之间的挤压应力σ m2 大于上部挤压面积A m2 大的挤压应力σ m1 ，即σ m1 ＜σ m2 关系出现，即一个摩擦型高强螺栓剪切承载力表达式(1)=(2)式。图6为150×150×4方钢管采用连接板③和④和上、下各24个M10高强螺栓连接，通过计算其上、下部螺栓预拉力P 10=39kN时，其上部连接处挤压面积A m2 =293.76cm 2，挤压应力σ m1 =7.965kg/cm 2；下部挤压面积A m2 =263cm 2，其挤压应力σ m2 =8.89kg/cm 2(比上部大0.925kg/cm 2)，这一结论通过“能量原理”即可证明，本发明通过多组连接件抗拉试验也已验证，即上部开圆孔与下部开槽口时，根据σ m1 A m1 =σ m2 A m2 原理，其上、下两边抗剪承载力是相同的。

Claims (4)

1.一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点，其特征在于：包括管壁上部柱连接处（1），所述的管壁上部柱连接处（1）的两边分别设有内壁连接板（2）和外壁连接板（3），所述的内壁连接板（2）和外壁连接板（3）与管壁上部柱连接处（1）通过上高强螺栓（4）相固定，所述的内壁连接板（2）和外壁连接板（3）的下端形成管壁下部柱开口（5），所述的管壁下部柱开口（5）中***管壁下部柱连接处（6），所述的管壁下部柱连接处（6）设有一端开口的槽口（7），所述的内壁连接板（2）和外壁连接板（3）与管壁下部柱连接处（6）通过下高强螺栓（8）相压接，所述的槽口（7）与下高强螺栓（8）相插接，所述的管壁上部柱连接处（1）和管壁下部柱连接处（6）相对接。
2.根据权利要求1所述的一种新型箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点，其特征在于：所述的内壁连接板（2）和外壁连接板（3）与管壁上部柱连接处（1）的一边设有3行2列纵横分布的上高强螺栓（4），所述的内壁连接板（2）和外壁连接板（3）与管壁下部柱连接处（6）的一边通过设有3行2列纵横分布的下高强螺栓（8）相压接。
3.根据权利要求1或2所述的一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点，其特征在于：所述的上高强螺栓（4）和下高强螺栓（8）为10.9级摩擦型高强螺栓。
4.一种箱形钢管框架柱高强螺栓等强连接节点的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
   （1）、在管壁上部柱连接处（1）设有3行2列纵横分布的内螺栓孔，在内壁连接板（2）和外壁连接板（3）上分别设有相对称的6行2列纵横分布的螺栓孔，内壁连接板（2）和外壁连接板（3）上的螺栓孔与内螺栓孔相对称分布；
   （2）、管壁上部柱连接处（1）中的内螺栓孔与内壁连接板（2）和外壁连接板（3）中的螺栓孔通过10.9级摩擦型上高强螺栓（4）相固定，用于压接管壁下部柱连接处（6）的10.9级摩擦型下高强螺栓（8）先固定在内壁连接板（2）和外壁连接板（3）间，内壁连接板（2）和外壁连接板（3）形成管壁下部柱开口（5）；
   （3）、 将管壁下部柱开口（5）对准***到四边开有槽口（7）的管壁下部柱连接处（6），使管壁下部柱连接处（6）和管壁上部柱连接处（1）相对接，再拧紧下高强螺栓（8），使管壁下部柱连接处（6）与内壁连接板（2）和外壁连接板（3）相压接紧固；
   （4）、再调节上高强螺栓（4）和下高强螺栓（8）使其紧固。
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