CN103243819B - 装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，由梁梁螺栓连接部件和摩擦耗能装置组成，包括预制混凝土柱、预埋钢梁、中间钢梁和组合连接钢件，预埋钢梁和中间钢梁的横截面均为H型，预埋钢梁和中间钢梁的腹板通过腹板盖板连接，预埋钢梁和中间钢梁的翼缘通过连接盖板连接。利用组合钢件内附的摩擦片，通过摩擦耗能机制耗散地震能量。与现有技术相比，本发明中的连接装置能减少对楼板的不利影响；通过塑性铰外移实现强柱弱梁的梁铰屈服机制；耗能装置能改善装配式结构耗能，减轻主要结构构件的损伤；连接部位及钢梁可方便维修更换和拆卸再利用；同时，本发明采用全预制的工业化标准生产，现场全螺栓安装，具有很强的工程实用性。

Description

装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置

技术领域

本发明涉及一种全预制装配式混合框架结构，具体涉及一种装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置。

背景技术

对于预制装配式混凝土框架结构，节点和连接往往成为整个结构体系中最薄弱的环节。由于节点连接部位在框架中起着传递、分配内力和保证结构整体性的重要作用，其破坏将可能导致整个框架丧失承载力，造成结构倒塌。我国大部分地区处于地震多发区，装配式结构节点连接可靠性差，难以满足地震作用下的性能要求，加之节点区的震后修复难度较大，节点和连接因而成为制约装配式结构在地震区使用的瓶颈。新一代的预制装配结构体系的发展中，针对梁柱新型节点和连接方式的研发具有非常重要的意义。

在传统的现浇和装配式框架中，结构主要通过自身的塑性变形进行耗能，震损和破坏给修复和后续使用带来困难，已经越来越不能适应人们对结构抗震性能的新要求。近年来，以采用被动耗能阻尼器为代表的减震技术得到了很大发展。对于装配式结构体系，已有的研发集中在节点上，与全预制装配式工艺相关的连接装置研发不足，开发损伤可控的连接，以此为基础形成高损伤门槛的非弹性反应结构体系，已成为一条提高节点和结构体系抗震性能的重要途径。为此，亟需研发一种新型耗能装配式节点，使其具有以下特点：

1.使用半刚性节点，这种节点在正常使用条件下是刚性的，而在罕遇地震作用下，能按照可靠的滞回特性转动，一旦罕遇地震停止，节点又表现为刚性行为。

2.遭受地震冲击时，不会由于结构变形时发生梁端增长，对楼板产生不利的拉裂作用。在很多个混凝土和预制混凝土框架中，梁端增长将产生不利影响，可能拉裂楼板，甚至可能由于增加了对柱的抗震需求，从而降低结构的抗倒塌性能。

3.放置阻尼装置的空间需求是阻尼器应用需重点关注的问题，需尽量减少阻尼装置对建筑使用功能的影响。

4.在大地震作用下损伤较小，能提供中、大震后的可修复功能。

5.能实现塑性铰外移。钢结构节点的最新研究成果表明，采用塑性铰外移的方法能提高节点延性，从而避免在强震作用下梁柱接头发生脆性破坏。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，正常使用时是刚性的，通过在连接部位设置的耗能装置使得结构具有良好的耗能能力，能提供中、大震后的可修复功能，从而保证结构的整体稳定性和降低灾后修复的代价，可广泛应用于地震区的装配式框架结构之中。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，包括预制混凝土柱、预埋入预制混凝土柱并外伸出预制混凝土柱柱面的预埋钢梁和连接预埋钢梁的中间钢梁，所述预埋钢梁和中间钢梁的横截面均为H型，预埋钢梁和中间钢梁的腹板通过腹板盖板连接，预埋钢梁和中间钢梁的翼缘通过连接盖板连接。

所述连接盖板包括长圆孔连接盖板和圆孔连接盖板，长圆孔连接盖板上设有长圆形孔，圆孔连接盖板上设有圆形孔；所述长圆孔连接盖板与预埋钢梁和中间钢梁之间设有摩擦片；腹板盖板的外侧放置有腹板附加盖板，腹板附加盖板与腹板盖板之间设有腹板摩擦。

所述腹板盖板上设有圆形孔和长圆形孔，腹板盖板通过螺栓与圆形孔的配合与预埋钢梁连接，腹板盖板通过螺栓与上部的圆形孔、下部的长圆形孔的配合与中间钢梁连接；所述连接盖板上设有长圆形孔或圆形孔，连接盖板通过螺栓和长圆形孔或圆形孔的配合分别与预埋钢梁和中间钢梁连接。

在本发明中，混凝土柱在工厂进行预制，其中预埋入一段外伸出柱面的预埋钢梁。梁柱采用的是梁贯通式连接，工厂预制的混凝土柱和预埋钢梁，经现场吊装就位后，采用摩擦型高强螺栓、连接盖板和摩擦片将节点区预埋钢梁与中间钢梁连接，预制混凝土柱与之间采用套筒浆锚技术连接形成整体框架结构。

上述预埋钢梁和中间钢梁在腹板和翼缘表面之间放入黄铜或铝这类材料的摩擦板，通过摩擦型高强螺栓上的预应力，提供垂直于摩擦面的正压力，在正常使用时，连接表现为刚性的，在强震作用下形成滑移铰，通过摩擦耗散地震能量。

上述预制混凝土柱连接部位通过下翼缘处和腹板底部螺栓的滑移来产生以上翼缘为转动中心的相对转动，从而降低了对楼板的拉裂不利影响。

上述预埋钢梁在远离柱面处采用摩擦型高强螺栓、连接盖板进行连接，通过在连接盖板上合理的布置螺栓，将塑性铰（滑移铰）控制在连接部位，从而不仅使得塑性铰远离了柱面，有效地降低了节点核心区所受的剪力，为核心区减少或取消箍筋创造条件，而且能够改善塑性铰区的转动能力和抗剪性能，提高塑性铰区的延性和耗能能力，最终实现整体框架强柱弱梁的屈服耗能机制。

鉴于混凝土框架在我国的应用广泛，而框架节点的震害非常普遍并且加固修复的难度较大，同时，建筑标准化、工业化是当前产业化的发展趋势，因此本发明具有积极的社会意义和科学意义。

有益效果：与现有技术相比，本发明克服传统装配式混凝土和钢梁贯通型混凝土柱节点的不足，重点解决钢梁贯通型节点连接构造复杂和耗能的问题，通过损伤可控的节点连接部位产生的转动滑移，提供延性的能量耗散，能满足强节点、强锚固的节点抗震原则，提高结构的损伤门槛，使主要结构构件无损伤或损伤很小。本发明能够获得如下优异的性能：

（1）采用黄铜、铝片等材料的摩擦片形成的被动耗能装置，在经过大变形的多次循环后仍能提供稳定的非弹性抗力；在弹性阶段后期，结构仍保证足够大的抗侧刚度，使P-△效应最小；外部作用变小时，结构又能恢复足够的刚度。

（2）通过设置多层剪切摩擦面来缩短连接长度，减少螺栓数目，避免螺栓断裂现象。当翼缘板断裂时，邻近翼缘水平线上的腹板螺栓能为梁弯矩引起的轴向作用提供水平传力路径，在高转动需求下仍能保持合理的抗弯能力；

（3）通过设置下翼缘多层滑移的连接装置，不仅减少了耗能装置对建筑使用功能的影响，而且由于转动中心向上翼缘移动，避免了常见的对混凝土楼板的拉裂损伤；

（4）塑性铰从柱面外移，从而减少对节点核心区的损伤，容易实现强柱弱梁的梁铰屈服机制；

（5）钢梁和混凝土柱经工厂预制后，现场采用无焊接的全螺栓连接，现场施工作业少，有利于降低人力成本、加快施工进度和保证质量，使制作安装低损伤连接的费用与传统连接接近；

（6）在中、大震作用下，震损集中在耗能部件和连接部位，主体梁柱构件可以在设计的位移水准下几乎没有损伤，能够避免整体节点失效，连接部位及钢梁可方便维修更换和拆卸再利用。

附图说明

图1为采用本发明装置后的框架梁柱节点连接立面示意图；

图2为本发明中实施例1的转动变形示意图；

图3为本发明中实施例2的立面示意图；

图4为本发明中实施例3的立面示意图；

图5为采用本发明装置后的框架结构立面示意图；

图中：1预制混凝土柱；2贝尔维尔垫圈；3中间钢梁；4预埋钢梁；5高强螺栓；6圆孔连接盖板；7长圆孔连接盖板；8腹板盖板；9摩擦片；10腹板附加盖板；11长圆形孔；12圆形孔；13高强摩擦型螺栓；14腹板摩擦片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至5所示，本发明的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，包括预制混凝土柱1、预埋入预制混凝土柱1并外伸出预制混凝土柱1柱面的预埋钢梁4和连接预埋钢梁4的中间钢梁3，所述预埋钢梁4和中间钢梁3的横截面均为H型，预埋钢梁4和中间钢梁3的腹板通过腹板盖板8连接，预埋钢梁4和中间钢梁3的翼缘通过连接盖板连接。

其中，连接盖板包括长圆孔连接盖板7和圆孔连接盖板6，长圆孔连接盖板7上设有长圆形孔11，圆孔连接盖板6上设有圆形孔12；长圆孔连接盖板7与预埋钢梁4和中间钢梁3之间设有摩擦片9；腹板盖板8的外侧放置有腹板附加盖板10，腹板盖板8与腹板附加盖板10之间设有腹板摩擦片14；腹板盖板8上设有圆形孔12和长圆形孔11，腹板盖板8通过螺栓和圆形孔12的配合与预埋钢梁4连接，腹板盖板8通过螺栓和上部的圆形孔12、下部的长圆形孔11的配合与中间钢梁3连接；连接盖板上设有长圆形孔11或圆形孔12，连接盖板通过螺栓与长圆形孔11或圆形孔12的配合分别与预埋钢梁4和中间钢梁3连接。连接盖板包括圆孔连接盖板6和长圆孔连接盖板7；螺栓包括高强螺栓5和高强摩擦型螺栓13。

具体来说，本发明的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置主要由梁梁螺栓连接部件和摩擦耗能装置两部分组成。如图1所示，包括预制混凝土柱1、中间钢梁3、外伸的预埋钢梁4、高强螺栓5、圆孔连接盖板6、长圆孔连接盖板7、腹板盖板8、摩擦片9、腹板附加盖板10、高强摩擦型螺栓13、腹板摩擦片14，其中高强螺栓5和高强摩擦型螺栓13上均设有贝尔维尔垫圈2。

预埋钢梁4预埋在预制混凝土柱1内并伸出预制混凝土柱1的柱面，在预埋钢梁4和中间钢梁3之间留有空隙，中间钢梁3和预埋钢梁4端头的上边放置圆孔连接盖板6；中间钢梁3和预埋钢梁4的腹板两侧或一侧放置腹板盖板8，腹板盖板8的外侧放置腹板附加盖板10；长圆孔连接盖板7分别放置在中间钢梁3和预埋钢梁4下翼缘的上下边。中间钢梁3和预埋钢梁4的上翼缘和腹板处通过高强螺栓5连接，在中间钢梁3和预埋钢梁4的下翼缘以及腹板附加盖板10上安装高强摩擦型螺栓13进行连接。采用高强螺栓5连接的上翼缘和腹板均开设圆形孔12，在采用高强摩擦型螺栓13连接的腹板附加盖板10和中间钢梁3、预埋钢梁4的下翼缘处开设长圆形孔11。

本发明的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，通过以下步骤制备而成：先在预制工厂制作预制混凝土柱1和中间钢梁3，在工厂预制混凝土柱1时将预埋钢梁4与柱混凝土一次浇筑完成，每根预制混凝土柱1的纵向钢筋从柱顶伸出、柱底预留浆锚套筒。预制柱运到施工现场后，采用浆锚方式完成上下柱的连接，即吊装预制混凝土柱1使下柱伸出的纵筋对准***其浆锚套筒，待柱的垂直度校正后对浆锚套筒进行灌浆。

各梁柱连接部位以组合钢件构成摩擦耗能装置，耗能部件包括中间钢梁3、预埋钢梁4的下翼缘板，长圆孔连接盖板7、腹板附加盖板10和摩擦片9、腹板摩擦片14，摩擦型高强螺栓13及配套的弹簧垫圈。其中长圆孔连接盖板7共四块，分别设置在中间钢梁3和预埋钢梁4下翼缘的上、下边；腹板附加盖板10共两块，对称设置在钢梁腹板两侧；四块摩擦片9设置在中间钢梁3、预埋钢梁4的下翼缘和长圆孔连接盖板7之间，附在长圆孔连接盖板7的内侧；两块腹板摩擦片14与腹板附加盖板10的平面尺寸相同，设置在腹板盖板8和腹板附加盖板10之间，附在腹板附加盖板10的内侧；摩擦型高强螺栓13在现场将包括中间钢梁3与预埋钢梁4在内的各部件固定在一起。通过摩擦型高强螺栓13上的预应力，提供垂直于摩擦面的正压力，当梁柱连接部位在强震作用下产生相对位移时，摩擦片9、腹板摩擦片14和钢梁下翼缘及腹板盖板8的接触面将通过摩擦耗散地震能量。

预制的梁柱通过高强螺栓5和高强摩擦型螺栓13完成装配连接后，即形成整体混合框架结构。

根据摩擦耗能装置设置方式的不同，本发明的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置可分为三种不同实施情况。

实施例1：

本实施例为非对称摩擦连接方式。如图1所示的连接形式，摩擦片9只设置在下翼缘处，腹板摩擦片14设置在靠近下翼缘的腹板处，摩擦片9、腹板摩擦片14分别位于长圆孔连接盖板7和腹板附加盖板10的内侧。节点在正常使用时表现为刚性行为，强震下梁柱连接部位通过下翼缘处和腹板底部高强摩擦型螺栓13的滑移来产生以上翼缘为转动中心的相对转动，如图2所示，从而可以降低对楼板的影响。摩擦片9和钢梁下翼缘及腹板盖板8的接触面发生滑移时，通过摩擦耗散地震能量，形成滑移铰。通过设置梁端间隙，开设长圆形孔11满足节点对转动能力的要求。

实施例2：

本实施例为对称摩擦连接方式。如图3所示，在上下翼缘对称设置长圆孔连接盖板7，长圆孔连接盖板7与上下翼缘之间分别设置摩擦片9，摩擦片9位于长圆孔连接盖板7的内侧，连接盖板的螺栓孔均为长圆形孔11，腹板盖板8与预埋钢梁4连接的螺栓孔开为圆形孔12，腹板盖板与中间钢梁3连接的螺栓孔开为长圆形孔11。

实施例3：

本实施例为无摩擦片连接方式。如图4所示，在上下翼缘对称设置圆孔连接盖板6，但圆孔连接盖板6与翼缘之间不设摩擦片，腹板处也不设腹板附加盖板10和腹板摩擦片14。翼缘和腹板上均开设圆形孔12，采用高强螺栓5连接，形成接近刚性的连接。

综上所述，本发明的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，主要由梁梁螺栓连接部件和摩擦耗能装置两部分组成。本发明旨在发展与全预制装配式工艺配套的连接装置，减少对楼板的不利影响，提高装配式结构的耗能能力。预制混凝土柱1由工厂进行预制，节点采用梁贯通式，将柱面伸出的预埋钢梁4与中间钢梁3在翼缘和腹板处通过连接盖板和高强螺栓进行连接，在下翼缘和靠近下翼缘的腹板附加盖板10处分别设置摩擦片9和腹板摩擦片14。梁柱连接部位通过下翼缘处和腹板底部螺栓的滑移来产生以上翼缘为转动中心的相对转动，从而降低对楼板受力及使用上的影响。摩擦片9和钢梁下翼缘及腹板摩擦片14和腹板盖板8的接触面发生滑移时形成滑移铰，通过摩擦耗能机制耗散地震能量。与现有技术相比，本发明中，节点在正常使用时表现为刚性行为；摩擦耗能装置提供良好的耗能能力；塑性铰外移容易实现强柱弱梁的梁铰屈服机制；震损集中在耗能元件和连接部位，能减轻梁柱等主要构件的损伤，连接部位及钢梁可方便维修更换和拆卸再利用。本发明的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置采用全预制的工业化标准生产，现场全螺栓安装，施工可操作性强，节点构造简单，具有很强的工程实用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，其特征在于：包括预制混凝土柱(1)、预埋入预制混凝土柱(1)并外伸出预制混凝土柱(1)柱面的预埋钢梁(4)和连接预埋钢梁(4)的中间钢梁(3)，所述预埋钢梁(4)和中间钢梁(3)的横截面均为H型，预埋钢梁(4)和中间钢梁(3)的腹板通过腹板盖板(8)连接，预埋钢梁(4)和中间钢梁(3)的翼缘通过连接盖板连接；预制混凝土柱(1)连接部位通过下翼缘处和腹板底部螺栓的滑移来产生以上翼缘为转动中心的相对转动。

2.根据权利要求1所述的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，其特征在于：所述连接盖板包括长圆孔连接盖板(7)和圆孔连接盖板(6)，长圆孔连接盖板(7)上设有长圆形孔(11)，圆孔连接盖板(6)上设有圆形孔(12)；所述长圆孔连接盖板(7)与预埋钢梁(4)和中间钢梁(3)之间设有摩擦片(9)。

3.根据权利要求1所述的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，其特征在于：所述腹板盖板(8)的外侧放置有腹板附加盖板(10)，腹板附加盖板(10)与腹板盖板(8)之间设有腹板摩擦片(14)。

4.根据权利要求1所述的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，其特征在于：所述腹板盖板(8)上设有圆形孔(12)和长圆形孔(11)；腹板盖板(8)通过螺栓与圆形孔(12)的配合与预埋钢梁(4)连接；腹板盖板(8)通过螺栓与上部的圆形孔(12)、下部的长圆形孔(11)配合与中间钢梁(3)连接。

5.根据权利要求2所述的装配式混凝土柱-钢梁耗能型节点连接装置，其特征在于：所述长圆孔连接盖板(7)通过螺栓与长圆形孔(11)的配合分别与预埋钢梁(4)和中间钢梁(3)连接。