CN103981954A - 一种等强耗能钢结构梁柱节点 - Google Patents

一种等强耗能钢结构梁柱节点 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等强耗能钢结构梁柱节点，包括垂直设置的H型钢柱，和连接在其侧部的H型钢梁，所述H型钢柱由H型钢柱的腹板及垂直连接在其两端部的H型钢柱侧翼板构成H型钢柱主框架，沿所述H型钢柱的腹板两侧分别上下平行分布有两块加强筋板；所述H型钢梁由H型钢梁腹板及垂直连接在其两端部的H型钢梁侧翼板构成H型钢梁主框架，H型钢梁主框架连接在所述H型钢柱其中一块H型钢柱侧翼板侧壁上。该类节点形式可以在保持承载力降低不明显的情况下，将塑性铰外移使其具有良好的延性破坏特征，可以有效避免节点区发生脆性破坏，尤其适用于震后结构的加固改造。

Description

一种等强耗能钢结构梁柱节点
技术领域
本发明涉及一种钢结构梁柱节点，尤其涉及一种应用在结构工程技术领域中的特别适用于多高层钢结构的梁柱节点。
背景技术
随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，钢结构由于其自身具有自重轻、强度高、抗震性能好、建筑可利用空间大、施工方便、环保以及综合经济指标好等诸多优点，从而在钢结构工程中得到了最为广泛的应用，成为建筑结构(尤其是多高层建筑结构)常用的结构形式之一。梁柱节点连接作为钢框架的关键部位，将梁与柱连成整体，可有效地传递重力、风载等外部荷载；在强烈地震作用下，梁端和节点域产生塑性变形，形成塑性铰，可有效地吸收和耗散地震能量，梁柱节点的连接性能会直接影响框架结构在荷载作用下的整体行为，其合理设计成为钢框架结构设计的一个重要环节。在多高层钢结构框架中，典型的梁柱连接是梁翼缘与柱焊接、腹板与柱采用高强螺栓连接。然而直到1994年美国加州的北岭地震和1995年日本的阪神地震发生前，工程界普遍认为这种传统的刚性节点无论在结构强度方面，还是在结构延性方面都具有良好的性能，而这两次大地震中传统钢框架梁柱刚性焊接节点由于其延性较差、残余应力大，很多都发生严重的脆性破坏。为了吸取地震灾害的经验和教训，国内外学者对美国北岭地震和日本阪神地震作了大量的事故分析与研究，在此基础上提出许多改进措施：连接部位加强、梁截面削弱、端部采用扇形构造等。但这些节点并非理想节点形式：加强型节点为满足“强柱弱梁”需加大柱截面，势必造成不经济；削弱型节点存在梁截面的强度不能得到充分发挥的缺点且容易引起梁削弱处翼缘和腹板的局部稳定问题，同时承载力降低会加大结构的侧向变形。
发明内容
为避免上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种特别适合于多高层钢结构的梁柱节点形式，即盖板加强型节点与腹板开孔削弱型节点并用的新型梁柱节点。该类节点形式可以在保持承载力降低不明显的情况下，将塑性铰外移使其具有良好的延性破坏特征，可以有效避免节点区发生脆性破坏，尤其适用于震后结构的加固改造。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
根据本发明实施例提供的一种等强耗能钢结构梁柱节点，包括垂直设置的H型钢柱，和连接在其侧部的H型钢梁，所述H型钢柱由H型钢柱的腹板及垂直连接在其两端部的H型钢柱侧翼板构成H型钢柱主框架，沿所述H型钢柱的腹板两侧分别上下平行分布有两块加强筋板；所述H型钢梁由H型钢梁腹板及垂直连接在其两端部的H型钢梁侧翼板构成H型钢梁主框架，H型钢梁主框架连接在所述H型钢柱其中一块H型钢柱侧翼板侧壁上。
优选地，与所述H型钢柱侧翼板侧壁相连的还包括设在H型钢梁上下端部H型钢梁侧翼板外侧的两块加强板。
优选地，与所述H型钢柱侧翼板侧壁相连的还包括设在H型钢梁上下端部H型钢梁侧翼板内侧的垫板。
优选地，与所述H型钢柱侧翼板侧壁相连的还包括设在H型钢梁中部H型钢梁腹板上的两块加强连接板。
优选地，与所述H型钢柱侧翼板侧壁相连的两块H型钢梁顶翼板分别与H型钢柱上的两块加强筋板相对应在一个水平面上。
优选地，所述H型钢梁腹板上设有开孔，开孔中心距H型钢柱侧翼板柱边距离D和开孔削弱半径R应同时满足：D-R≥200mm。
优选地，所述加强板的长度小于H型钢梁侧翼板的长度，且加强板的长度L满足L＝D-R。
优选地，所述开孔削弱半径R取值为(0.15～0.3)db，其中，db为H型钢梁截面的高度。
优选地，所述H型钢梁主框架的长度小于所述H型钢柱侧翼板的长度；所述H型钢梁侧翼板内侧的垫板的长度长于H型钢梁侧翼板的长度。
优选地，所述H型钢梁侧翼板与所述H型钢梁腹板利用全熔透焊缝进行连接；所述H型钢柱侧翼板上下分别与加强板进行三面围焊，所述加强板与H型钢柱侧翼板利用全熔透焊缝进行连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、可以有效解决传统梁柱连接节点延性不足、易发生脆性破坏的问题；
2、可以解决削弱型节点梁截面的强度不能得到充分发挥及承载力降低会加大结构的侧向变形的问题；
3、可以解决加强型节点为满足“强柱弱梁”需加大柱截面，造成的不经济问题；
4、与传统栓焊混接的梁柱节点相比，破坏集中在梁腹板开孔附近；
5、在基本不改变框架梁柱节点强度与刚度的前提下实现节点处塑性铰外移，避免节点的脆性破坏；
6、连接节点施工比较方便，施工质量易于控制；
7、梁端部腹板作扇形开孔，可有效解决端部焊接引起的应力集中问题；
8、可根据应用要求调整盖板的长度及梁腹板开孔半径大小以使得结构安全可靠，破坏状态理想。
附图说明
图1为实施例1的立面图。
图2为实施例1的正视图。
图3为实施例1的右视图。
图4为实施例1几何参数确定图。
图中：1-H型钢柱；2-H型钢柱侧翼板；3-H型钢梁；4-腹板；5-加强筋板a；6-加强筋板b；7-加强板a；8-H型钢梁顶侧翼板；9-H型钢梁腹板；10-H型钢梁底侧翼板；11-加强连接板；12-加强板b；13-垫板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本说明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种等强耗能钢结构梁柱节点，包括垂直设置的H型钢柱1，和连接在其侧部的H型钢梁3，其中：H型钢柱1由H型钢柱的腹板4及垂直连接在其两端部的H型钢柱侧翼板2构成H型钢柱主框架，沿H型钢柱的腹板4两侧分别上下平行分布有两块加强筋板，即上加强筋板a5和下加强筋板b6；H型钢梁3由H型钢梁腹板9及垂直连接在其两端部的H型钢梁顶侧翼板8和H型钢梁底侧翼板10构成H型钢梁主框架，H型钢梁主框架的H型钢梁腹板9、H型钢梁顶侧翼板8和H型钢梁底侧翼板10连接在H型钢柱1其中一块H型钢柱侧翼板2侧壁上。H型钢梁腹板9与所述H型钢柱侧翼板2连接端经一与H型钢梁腹板9相贴合的加强连接板11经焊接实现连接。
图1结合图2所示，与H型钢柱侧翼板2侧壁相连的还包括设在H型钢梁3上H型钢梁顶侧翼板8上端部的加强板a7和H型钢梁底侧翼板10下端部的加强板b12，与H型钢柱侧翼板2侧壁相连的还包括设在H型钢梁3上下端部H型钢梁侧翼板内侧的垫板13，与H型钢柱侧翼板2侧壁相连的还包括设在H型钢梁3中部H型钢梁腹板9上的两块加强连接板11。
如图2所示，H型钢梁3上，与H型钢柱侧翼板2侧壁相连的H型钢梁顶侧翼板8和H型钢梁底侧翼板10分别与H型钢柱1上的加强筋板a5和下加强筋板b6相对应在一个水平面上。并且，在H型钢梁3的H型钢梁腹板9上设有安装上下垫板13的扇形开口。为了减轻H型钢梁3的重量，在H型钢梁腹板9上设有开孔。
如图3所示，在本结构中，连接在H型钢柱侧翼板2侧壁的H型钢梁3主框架整体的长度小于H型钢柱侧翼板2的长度；H型钢梁顶侧翼板8和H型钢梁底侧翼板10内侧的垫板13的长度分别长于H型钢梁侧翼板的长度；加强板a7和加强板b12的长度分别小于H型钢梁顶侧翼板8和H型钢梁底侧翼板10的长度。
在本结构中，H型钢梁侧翼板3与H型钢梁腹板9利用全熔透焊缝进行连接；H型钢柱侧翼板2上下分别与加强板a7、加强板b12进行三面围焊，加强板与H型钢柱侧翼板2利用全熔透焊缝进行连接。H型钢梁腹板9上下扇形开口并在H型钢梁顶侧翼板8下方及H型钢梁底侧翼板10上方有垫板13便于施焊，H型钢梁顶侧翼板8、H型钢梁底侧翼板10与H型钢柱侧翼板2利用全熔透焊缝进行连接。H型钢梁侧翼板8分别与一加强板a7进行三面围焊，H型钢梁底侧翼板10上下分别与一加强板b12进行三面围焊，加强板与所述H型钢柱侧翼板2利用全熔透焊缝进行连接。
本发明等强节点的施工工艺简单。具体设计时，首先应根据梁、柱截面尺寸按下述方法a确定合适的开孔中心距柱边距离D，然后再结合所述方法b得到合适的削弱半径R，最后按确定好的开孔中心距柱边距离D和削弱半径R求出加强板a7和加强板b12的长度L，加强板厚度及宽度按构造要求确定，设计过程简单方便，具体见图4所示。
方法a、开孔中心距柱边距离D的确定：对于等强节点，其开孔中心距柱边距离D的取值为(0.5～2)bf，bf为梁翼缘宽度。随着开孔中心距离柱边距离的增加，为保证削弱截面最先破坏，削弱半径R应逐渐增大，但削弱半径R过大会造成削弱区域的局部屈曲或截面抗剪强度不足而发生脆性破坏。因此，R与D值均应有一定的限定范围，当R一定时，为保证削弱截面最先破坏，D的取值也应在一定范围。综上，开孔中心距柱边距离D和削弱半径R还应同时满足：D-R≥200mm。
方法b、削弱半径R的确定：当开孔中心距柱边距离D一定时，开孔半径R的最小值由削弱处腹板的抗剪强度决定，开孔半径R的最大值由削弱截面先于梁端破坏决定。对于等强节点，其开孔半径R的合理取值为(0.15～0.3)db，db为梁截面的高度。
加强板尺寸的确定：盖板长度L按公式L＝D-R确定，加强板厚度及宽度满足规范构造要求即可。
该结构在应用中可以有效防止发生脆性破坏，具有良好的延性破坏特征；还可以为多高层钢框架结构的震后加固提供有效便捷的措施。因此，可广泛应用在结构工程技术领域中的特别适用于多高层钢结构的梁柱节点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等强耗能钢结构梁柱节点，包括垂直设置的H型钢柱(1)，和连接在其侧部的H型钢梁(3)，其特征在于：所述H型钢柱(1)由H型钢柱的腹板(4)及垂直连接在其两端部的H型钢柱侧翼板(2)构成H型钢柱主框架，沿所述H型钢柱的腹板(4)两侧分别上下平行分布有两块加强筋板；所述H型钢梁(3)由H型钢梁腹板(9)及垂直连接在其两端部的H型钢梁侧翼板构成H型钢梁主框架，H型钢梁主框架连接在所述H型钢柱(1)其中一块H型钢柱侧翼板(2)侧壁上。
2.根据权利要求1所述的等强耗能钢结构梁柱节点，其特征在于：与所述H型钢柱侧翼板(2)侧壁相连的还包括设在H型钢梁(3)上下端部H型钢梁侧翼板外侧的两块加强板。
3.根据权利要求1所述的等强耗能钢结构梁柱节点，其特征在于：与所述H型钢柱侧翼板(2)侧壁相连的还包括设在H型钢梁(3)上下端部H型钢梁侧翼板内侧的垫板(13)。
4.根据权利要求1所述的等强耗能钢结构梁柱节点，其特征在于：与所述H型钢柱侧翼板(2)侧壁相连的还包括设在H型钢梁(3)中部H型钢梁腹板(9)上的两块加强连接板(11)。
5.根据权利要求1所述的等强耗能钢结构梁柱节点，其特征在于：与所述H型钢柱侧翼板(2)侧壁相连的两块H型钢梁顶翼板分别与H型钢柱(1)上的两块加强筋板相对应在一个水平面上。
6.根据权利要求1所述的等强耗能钢结构梁柱节点，其特征在于：所述H型钢梁腹板(9)上设有开孔，开孔中心距H型钢柱侧翼板(2)柱边距离D和开孔削弱半径R应同时满足：D-R≥200mm。
7.根据权利要求6所述的等强耗能钢结构梁柱节点，其特征在于：所述加强板的长度小于H型钢梁侧翼板的长度，且加强板的长度L满足L＝D-R。
8.根据权利要求6所述的等强耗能钢结构梁柱节点，其特征在于：所述开孔削弱半径R取值为(0.15～0.3)db，其中，db为H型钢梁(3)截面的高度。
9.根据权利要求1所述的等强耗能钢结构梁柱节点，其特征在于：所述H型钢梁主框架的长度小于所述H型钢柱侧翼板(2)的长度；
所述H型钢梁侧翼板内侧的垫板(13)的长度长于H型钢梁侧翼板的长度。
10.根据权利要求1所述的等强耗能钢结构梁柱节点，其特征在于：所述H型钢梁侧翼板与所述H型钢梁腹板(9)利用全熔透焊缝进行连接；所述H型钢柱侧翼板(2)上下分别与加强板进行三面围焊，所述加强板与H型钢柱侧翼板(2)利用全熔透焊缝进行连接。
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