CN102828560B - 用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于结构工程钢结构技术领域的一种用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构。柱套管上下两端焊上套管法兰，桁架梁的上下两根弦杆焊于柱套管上，在两根弦杆之间焊接腹杆；上下两根柱管通过柱衬管在柱套管内插接，柱管与套管间的连接由螺栓将柱法兰和套管法兰紧固，由此构成销轴法兰节点结构。本发明梁柱连接的销轴法兰节点构造合理，刚度较大，具有较大的承载力富余，节点连接可靠，可以满足“强节点弱杆件”的设计要求。应用此种节点的装配式斜支撑冷弯型钢结构楼盖具有足够的承载力并能满足正常使用的要求。

Description

用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构

技术领域

本发明涉及结构工程钢结构技术领域，特别涉及一种用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构。

技术背景

装配式冷弯型钢结构建筑具有施工简便、装拆方便、绿色环保等优点，符合住宅产业化发展方向，有利于我国低碳经济的发展和可持续发展战略的实施，具有良好的综合效益。其中，梁柱节点受力特性对钢框架的承载性能有较大影响。目前装配式冷弯型钢结构中采用的梁柱节点形式主要有：焊接及栓焊连接。其中焊接刚度较大，易发生脆性断裂，抗震性能差；而栓焊连接施工不能较好满足装配式冷弯型钢结构生产产业化、建造装配化的要求。

为充分发挥装配式冷弯型钢结构施工周期短、低碳环保等优点，并保证结构受力可靠,抗震性能好，有必要发明一种新型节点应用于装配式冷弯型钢结构。对梁柱新型节点形式的研究以及其在装配式冷弯型钢结构的应用研究对装配式冷弯型钢结构的推广应用以至整个钢结构行业的发展具有十分重要的意义，是科学研究及工程实践中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对装配式斜支撑冷弯型钢结构建筑应满足标准化、生产产业化、建造装配化及承载性能好的要求，而提出一种用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构。其特征在于，柱套管4上下两端焊上套管法兰2，桁架梁的上下两根弦杆8焊于柱套管4上，弦杆8与柱套管4连接处焊上加劲肋7，并在上下两根弦杆8之间焊接腹杆9；上下两根柱管10通过柱衬管11在柱套管4内插接，柱管10与套管4间的连接由螺栓12将柱法兰1和套管法兰2紧固，由此构成销轴法兰节点结构。

所述柱法兰套在柱管上并进行焊接固定，并在柱法兰1与柱管10连接处焊上法兰加强板6

所述柱法兰为正方形方框，四边上有等距离螺钉孔的整体结构。

所述套管法兰与柱法兰具有相同尺寸和形状结构，但是被分成2半或四半。

所述在柱套管4内插接的上下两根柱管10内各焊接柱封板3，柱衬管11两端固定柱衬管封板5，柱衬管11放置在上下两根柱管10的柱封板3之间；用于增加柱套管4的承荷载能力。

本发明的有益效果是因本发明的销轴法兰节点结构具有下面特点：

1.施工简便、装拆方便等优点，且由于此种连接形式的节点中桁架梁变形通过套管、法兰带动柱管变形，柱管在套管内插接，因此在地震作用下，当套管法兰与柱法兰螺栓连接失效时，仍能承受一定的荷载，仍具有一定的变形能力及耗能能力，抗震延性较好。

2.通过有限元计算分析结果表示，梁柱连接的销轴法兰节点构造合理，刚度较大，具有较大的承载力富余，节点连接可靠，可以满足“强节点弱杆件”的设计要求。应用此种节点的装配式斜支撑冷弯型钢结构楼盖具有足够的承载力并能满足正常使用的要求。

附图说明

图1是本发明销轴法兰节点在装配单元中应用的平面示意图。

图2是本发明销轴法兰节点的法兰平面图，其中A图为柱法兰，B图为套管法兰。

图3是本发明销轴法兰节点的具体构造图。

图4是本发明研究销轴法兰节点性能的计算模型图。

具体实施方式

本发明提出一种用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构。下面结合附图予以说明。

在图3中柱套管4上下两端焊上套管法兰2，桁架梁的上下弦杆8焊于柱套管4上，上下两根弦杆8与柱套管4连接处焊上加劲肋7，并在上下两根弦杆8之间焊接腹杆9；柱法兰套在柱管上并进行焊接固定，并在柱法兰1与柱管10连接处焊上法兰加强板6；在上下两根柱管10内各焊接柱封板3，柱衬管11两端固定柱衬管封板5，所述削轴法兰与上下两根柱管10通过柱法兰1在柱套管4内插接，柱衬管11放置在上下两根柱管10的柱封板3之间，用于增加柱套管4的承荷载能力；柱管与柱套管间连接由螺栓12将柱法兰1和套管法兰2紧固，由此构成销轴法兰节点结构。

楼板主板结构及主板间拼接如图1所示。

所述柱法兰为正方形方框，四边上有等距离螺钉孔的整体结构。所述套管法兰与柱法兰具有相同的形状结构，但是被分成2半或四半,便于装配单元间的拼接，如图2所示，其中A图为柱法兰，B图为套管法兰。

销轴法兰节点的具体制作与安装过程如下：

其主要设计思路是将桁架梁的上下两个弦杆焊接于柱套管上，桁架梁、柱套管与其他支撑杆件焊接形成单层楼板主板结构，每块单层楼盖主板结构在工厂预制，楼板装配单元平面示意图如图1所示；施工时，将方管柱与柱套管通过法兰连接，上下两根柱管在套管内插接，节点构造如图3所示。同时，为明确此种新型节点的受力性能，通过有限元方法，对销轴法兰节点及应用此种特殊节点的装配式冷弯型钢结构楼盖承载性能及自振振型频率进行分析，从而得出应用此种新型节点的装配式冷弯型钢结构楼盖的承载性能以及销轴法兰节点对楼盖承载性能的影响。

主板结构与柱组装过程如下：距柱管端部半套管高度处焊上柱法兰，柱管与套管通过法兰连接。上下两根柱管在套管内的连接为插销式连接，即在柱端附近处（约10cm）的柱管内焊上柱封板，柱衬管焊于下柱的封板上，衬管外径与柱管内径间预留一定间隙，上柱管与下柱管在套管内通过衬管插接。柱管外径与柱套管内径间预留一定间隙。节点具体构造见附图3。

柱套管与立柱间的法兰连接中螺栓按照国标GB5783-2000标准，采用45# 、8.8级摩擦型高强螺栓，M20，孔径为Φ24,预拉力为12.5T。螺栓间距及螺栓孔边距根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)及节点的承载能力要求确定，柱法兰（见图2中A图），及套管法兰（见图2中B图）的平面图。

本发明设计的销轴法兰节点相连构件的具体尺寸及型号如下表：

为验证应用此种新型节点的装配式冷弯型钢结构楼盖的承载性能，采用有限元软件ANSYS进行计算分析。

在ANSYS中对整体楼盖结构的计算可采用多尺度模型或采用带有节点精细模型计算结果的简化杆系模型。但由于对于大型复杂结构承载性能的研究，若采用多尺度模型，单元及方程数量过多，求解代价大，因此，采用现有技术的间接法建立，因为是现有技术，只是简单介绍计算过程要点，即先建立设计的销轴法兰连接节点模型，得出节点的本构关系，再将本构关系应用于弹簧单元，在楼盖整体模型中用弹簧单元模拟节点，用带有节点本构关系的简化杆系模型进行计算，将有限元计算得到的节点本构关系应用于整体楼盖结构，具体方法如下：即在有限元模型中，在梁上，下弦杆与柱连接处建立重合节点，耦合除两个水平方向外的自由度，用弹簧单元来模拟两个水平方向的自由度，弹簧刚度取节点有限元模型计算所得结果。

楼盖结构在楼面竖向荷载作用下，桁架梁主要受弯，桁架梁的上下弦杆主要受拉压作用，桁架梁变形通过套管、法兰带动柱管变形，梁柱在节点处产生相对位移，但由于在楼盖整体模型中，桁架梁不便用线单元等效模拟，因此，在楼盖整体模型中，用拉压弹簧模拟桁架梁弦杆与柱的连接。

拉压弹簧刚度的取值计算方法如下：由于钢框架梁柱节点变形是节点处梁与柱轴线在某荷载作用下相对于无荷载时的改变值，因此对桁架梁弦杆施加轴力，按下列公式计算得到节点本构关系，应用于弹簧单元，得出弹簧刚度。

K_t=F/（Δ₁-Δ₃）  (1)    K_c=F/（Δ₂-Δ₄）  (2)

式中：F为弦杆处施加的轴力；K_t、K_c分别为有限元计算模型中的拉压弹簧刚度值；Δ₁、Δ₂（如图4中点a、点b所示）分别为梁上、下弦杆与柱套管相连处的水平位移，Δ₃、Δ₄分别为与点a、点b同一水平位置处的柱管的水平位移，Δ₁-Δ₃，Δ₂-Δ₄即为梁柱连接节点（如图4中点c、点d所示）处的梁弦杆与柱相对位移。

Claims (5)

1.一种用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构，其特征在于，柱套管（4）上下两端焊上套管法兰（2），桁架梁的上下两根弦杆（8）焊于柱套管（4）上，弦杆（8）与柱套管（4）连接处焊上加劲肋（7），并上下两根弦杆（8）之间焊接腹杆（9）；上下两根柱管（10）通过柱衬管（11）在柱套管（4）内插接，柱管（10）与套管（4）间的连接由螺栓（12）将柱法兰（1）和套管法兰（2）紧固，由此构成销轴法兰节点结构。

2.根据权利要求1所述用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构，其特征在于，所述柱法兰套在柱管上并进行焊接固定，并在柱法兰（1）与柱管（10）连接处焊上法兰加强板（6）。

3.根据权利要求1所述用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构，其特征在于，所述柱法兰为正方形方框，四边上有等距离螺钉孔的整体结构。

4.根据权利要求1所述用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构，其特征在于，所述套管法兰与柱法兰具有相同尺寸和形状结构，但是被分成2半或四半。

5.根据权利要求1所述用于装配式冷弯型钢结构连接的销轴法兰节点结构，其特征在于，所述在柱套管（4）内插接的上下两根柱管（10）内各焊接柱封板（3），柱衬管（11）两端固定柱衬管封板（5），柱衬管（11）放置上下两根柱管（10）的柱封板（3）之间；用于增加柱套管（4）的承荷载能力。