CN107338872B - 双套筒钢结构梁柱节点及安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及结构工程技术领域,具体涉及一种双套筒钢结构梁柱节点及安装方法;它包括钢管柱和钢梁,还包括内套钢管、圆形套筒、矩形套筒、转换连接板、耗能钢板、短梁和棘轮连接件,所述内套钢管上开设螺纹孔,所述圆形套筒、矩形套筒和钢管柱上开设螺栓孔,内套钢管、圆形套筒、矩形套筒和钢管柱之间通过长螺栓连接,钢管柱还与转换连接板相连,转换连接板两侧分别通过上、下耗能钢板与短梁连接,短梁还通过上、下耗能钢板和棘轮连接件与钢梁连接;本发明通过巧妙设置多级耗能点,解决了地震对于建筑结构破坏性大、难以快速恢复的问题。节点柱子采用核心筒双套筒长螺栓连接,承载能力优于现有梁柱节点形式,增强整个节点的抗剪承载力。
Description
技术领域
本发明涉及结构工程技术领域,具体涉及一种基于棘轮机构、耗能型钢板和双套筒连接设计的装配式棘轮耗能型双套筒钢结构梁柱节点及安装方法。
背景技术
钢结构建筑具有强度高、自重轻、施工速度快、抗震性能好及工业化程度高等特点。钢结构构件通过连接节点组成结构体系,节点形式的选择对于结构整体性、可靠度、建设周期以及附属构件设计施工有着直接的影响。
钢结构节点主要实现梁、柱、支撑等构件的拼接及连接。已有的钢结构节点形式多样,根据节点传力特性可分为刚接节点、铰接节点和半刚性节点。连接方式有焊缝连接、螺栓连接、铆钉连接等,铆钉连接现在已很少使用。
目前诸多学者在框架结构体系梁柱节点处设置了各种形式的可更换构件,即将结构某部位强度削弱,或在该部位设置延性耗能构件,将削弱部位或耗能构件设置为可更换构件,并与主体结构通过方便拆卸的装置连接,地震作用后只需更换耗能构件即可恢复结构功能,是结构抗震设计的一个理想的新方向。但目前研究主要集中在将梁柱连接件设为可更换构件或在梁柱节点处设置可更换阻尼器,这些形式的可更换构件一方面耗能能力不足,另一方面很难实现将结构的变形和破坏集中于可更换构件。
发明内容
本发明通过巧妙设置多级耗能点,解决了地震对于建筑结构破坏性大、难以快速恢复的问题。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种双套筒钢结构梁柱节点,包括钢管柱和钢梁,还包括内套钢管、圆形套筒、矩形套筒、转换连接板、耗能钢板、短梁和棘轮连接件,所述内套钢管上开设螺纹孔,所述圆形套筒、矩形套筒和钢管柱上开设螺栓孔,内套钢管、圆形套筒、矩形套筒和钢管柱之间通过长螺栓连接,钢管柱还与转换连接板相连,转换连接板两侧分别通过上、下耗能钢板与短梁连接,短梁还通过上、下耗能钢板和棘轮连接件与钢梁连接;所述耗能钢板上开设凹槽。
进一步的,短梁与钢梁之间通过棘轮连接件铰接,所述短梁与钢梁还通过耗能钢板固定连接。
进一步的,所述耗能钢板为U型、L型或“一”字型结构。
进一步的,所述转换连接板包括外环板和竖向板,竖向板两端焊接外环板,所述外环板上设有螺栓孔。
进一步的,所述棘轮连接件包括耳板、端板B和轴,耳板与轴连接处设有齿轮,轴上设有弹簧和棘爪,所述棘爪***齿轮的齿槽中,端板B上设有螺栓孔。弹簧迫使止棘爪和齿轮保持接触,棘爪***齿轮的齿槽中,当逆时针转动时,齿轮转过一个角度,此时棘爪在齿轮的齿背上滑动。当顺时针转动时,棘爪阻止齿轮沿顺时针方向转动,故齿轮静止不动。
进一步的,所述钢梁与棘轮连接件连接的一端设有与H型钢腹板垂直的端板A,且端板A上设有螺纹孔。
进一步的,所述短梁为实心铁块,其上设有螺纹孔。
进一步的,所述钢梁为H型钢,所述钢梁与耗能钢板连接的一侧设有侧面板,侧面板与钢梁焊接,侧面板和H型钢的上下翼板上开有螺栓孔。
进一步的,所述钢管柱和内套钢管之间浇筑混凝土。
双套筒钢结构梁柱节点的安装方法,包括以下步骤:
第一步:将节点上端的内套钢管通过圆形套筒与下端内套钢管连接,螺纹孔与螺栓孔位置要对应;
第二步:将钢管柱、转换连接板和短梁吊装到位,内套钢管在其中间,下端钢管柱通过矩形套筒由长螺栓依次穿过矩形套筒、钢管柱和圆形套筒上螺栓孔,最后旋入内套钢管上螺纹孔连接固定;
第三步:通过高强螺栓将两个棘轮连接件一侧的端板B与短梁上的端板A实现固定连接;
第四步:通过高强螺栓将两个棘轮连接件另一侧的端板B与钢梁上的端板A实现固定连接;
第五步:上、下耗能钢板通过高强螺栓将转换连接板、短梁及钢梁紧固连接形成整体;
第六步:将上端内套钢管与下端内套钢管通过圆形套筒连接,螺纹孔与螺栓孔位置要对应;
第七步:将上端矩形钢管柱吊装到位,通过矩形套筒由长螺栓依次穿过矩形套筒、钢管柱、圆形套筒上螺栓孔与内套钢管上位置对应的螺纹孔实现固定连接;
第八步:在钢管柱和内套钢管间浇筑混凝土,使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体。
由于采用了上述方案,本发明具有以下有益效果:
(1)节点受力合理明确,梁柱通过棘轮连接件连接,结构竖向荷载由棘轮连接件承受,四周通过螺栓连接耗能钢板,传递弯矩并提供转动刚度。由于棘爪和齿轮的相互作用,梁端只可以绕一个方向转动,在结构遭受地震作用时,棘轮连接件由于最为薄弱,棘爪最先破坏,消耗地震过程中的能量,然后耗能钢板凹槽处破坏进行二次耗能,保护梁和柱等主要的受力构件,提高结构的抗震性能。
(2)结构在大震作用下的破坏模式可控,能够实现在罕遇地震作用下,结构的变形和耗能集中在棘轮连接件和耗能钢板上,棘轮连接件棘爪破坏后,仅耗能钢板进入塑性耗能,其余部分和结构主体处于弹性范围。
(3)棘轮连接件和耗能钢板为主要变形耗能构件,耗能能力强,且均为可更换构件,通过高强螺栓连接,构造简单,更换方便,地震作用后可通过更换棘轮连接件和耗能钢板实现结构功能的快速恢复。
(4)节点拼装全部采用螺栓连接,满足了预制装配化钢结构施工工艺需要,有助于实现建筑结构工业化生产,且改善了焊接连接受力不合理以及施工速度慢的缺点,可以实现工厂中批量生产,极大地提高了生产效率。
(5)节点柱子采用核心筒双套筒长螺栓连接,承载能力优于现有梁柱节点形式,且采用纤维混凝土,有利于提高混凝土的抗剪能力,从而增强整个节点的抗剪承载力。
附图说明
图1是本发明实施例节点组装示意图;
图2是本发明实施例组装完成节点前视图;
图3是本发明实施例组装完成节点俯视图;
图4是本发明实施例预制构件拆分示意图;
图5是本发明实施例中圆形套筒、矩形套筒整体示意图;
图6是本发明实施例中钢梁整体示意图;
图7是本发明实施例中U型耗能组合钢板整体示意图;
图8是本发明实施例中节点核心域整个预制构件整体示意图;
图9是本发明实施例中节点核心域整个预制构件前视图;
图10是本发明实施例中节点核心域整个预制构件俯视图;
图11是本发明实施例中棘轮连接件整体示意图;
图12是本发明实施例中棘轮连接件前视图;
图13是本发明实施例中棘轮连接件俯视图;
图14是本发明安装过程示意图;
图15是本发明实施例“一”字型节点组装示意图;
图16是本发明实施例L型节点组装示意图;
图17是本发明实施例的四向整体示意图;
图18是本发明实施例的三向整体示意图。
其中,上述附图包括以下附图标记:1、钢管柱;2、内套钢管;3、螺纹孔;4、圆形套筒;5、矩形套筒;6、螺栓孔;7、长螺栓;8、钢梁;9、耗能钢板;10、凹槽;11、高强螺栓;12、外环板;13、棘轮连接件;14、短梁;15、侧面板;16、竖向板;17、端板A;18、端板B;19、耳板;20、齿轮;21、弹簧;22、棘爪;23、轴;24、混凝土。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1-3所示,一种双套筒钢结构梁柱节点,包括钢管柱1和钢梁8,还包括内套钢管2、圆形套筒4、矩形套筒5、转换连接板、耗能钢板9、短梁14和棘轮连接件13,内套钢管2上开设螺纹孔3,圆形套筒4、矩形套筒5和钢管柱1上开设螺栓孔6,内套钢管、圆形套筒、矩形套筒和钢管柱之间通过长螺栓7连接,钢管柱还与转换连接板相连,转换连接板两侧分别通过上、下U型耗能钢板9与短梁14连接,短梁还通过上、下U型耗能钢板和棘轮连接件与钢梁连接;U型耗能钢板上开设凹槽10;转换连接板包括外环板12和竖向板16,竖向板两端焊接外环板,所述外环板上设有螺栓孔。
如图4所示,装配式棘轮耗能型双套筒钢结构梁柱节点所有构件为工厂预制,施工现场组装,各构件通过高强螺栓11和长螺栓进行连接,真正实现节点的装配化施工,避免了因现场焊接施工技术出现问题造成结构的不稳定性;
如图5所示,圆形套筒和矩形套筒上开设一列螺栓孔,用来与矩形外包钢管柱和圆形内套钢管通过长螺栓进行连接;套筒的作用是用于更方便的连接上下柱子,保持整根柱的刚度。
如图6所示,钢梁为H型钢,设置有与钢梁腹板平行的竖向侧面板15,侧面板及钢梁上下翼缘共四个面开有螺栓孔,用于与上、下U型耗能组合钢板通过高强螺栓实现连接。钢梁也设置有与主梁腹板垂直的端板A17,端板A上开有螺纹孔,用于与棘轮连接件一端的端板B18相连。
如图7所示,上、下U型耗能组合钢板的截面形状为U型,两侧三个面均钻取螺栓孔通过高强螺栓分别与短梁和钢梁紧固连接。靠近柱子一端也开有螺栓孔,通过高强螺栓与外环板连接;
如图8-10所示,短梁为实心铁块,在靠近棘轮连接件一端与钢梁平行的四个面攻取螺纹孔。钢管柱、外环板、竖向板、短梁在工厂预制并完成相关焊接连接工作形成节点核心域整个构件,这样不需在现场焊接各个各构件,直接在工厂完成,保证了整体构件的质量和节点域的刚度;
如图11-13所示,所述棘轮连接件主要由耳板19、端板B、轴23组成,端板B开有螺栓孔用于与两侧的短梁和钢梁通过高强螺栓进行连接。耳板与轴连接处设有齿轮20,轴上设有弹簧21和棘爪,弹簧迫使止棘爪22和齿轮保持接触。棘爪***齿轮的齿槽中,当逆时针转动时,齿轮转过一个角度,此时棘爪在齿轮的齿背上滑动。当顺时针转动时,棘爪阻止齿轮沿顺时针方向转动,故齿轮静止不动。
方钢管柱和圆钢管柱间浇筑混凝土24,这里需要说明的一点是,在方钢管柱和圆钢管柱间之间内填混凝土加强了套筒、内外钢管以及长螺栓的连接,使刚度连接处提高,结构更加稳定。
本发明安装装配过程如图14所示,钢管柱、外环板、竖向板、短梁在工厂预制并完成相关焊接连接工作形成节点核心域整个构件,另外矩形外包钢管柱、圆形套筒、矩形套筒提前工厂钻取螺栓孔,圆形内套钢管提前工厂钻取螺纹孔,整个棘轮连接件是工厂预制整个构件,现场直接拼装,另外U型耗能组合钢板、钢梁也在工厂预制并完成相关焊接连接工作,全部构件工厂制作,然后现场装配,现场浇筑混凝土,最大限度地降低了现场焊接对质量的影响,具体步骤如下:
第一步:将节点核心域部分的圆形内套钢管通过圆形套筒与下端圆形内套钢管连接,螺纹孔与螺栓孔位置要对应;
第二步:将工厂预制的节点核心域整个构件(包括钢管柱、外环板、竖向板、短梁)吊装到位,圆形内套钢管在其中间,下端矩形钢管柱通过矩形套筒由长螺栓依次穿过矩形套筒、矩形钢管柱、圆形套筒上螺栓孔与圆形内套钢管上位置对应的螺纹孔实现固定连接;
第三步:通过高强螺栓将两个棘轮连接件一侧的端板与短梁实现固定连接;
第四步:通过高强螺栓将两个棘轮连接件另一侧的端板与钢梁设置的端板实现固定连接;
第五步:将上、下U型耗能组合钢板通过高强螺栓与实心短梁及钢梁紧固连接形成整体;
第六步:将上端圆形内套钢管与节点核心域部分的圆形内套钢管通过圆形套筒连接,螺纹孔与螺栓孔位置要对应;
第七步:将上端矩形钢管柱吊装到位,通过矩形套筒由长螺栓依次穿过矩形套筒、矩形钢管柱、圆形套筒上螺栓孔与圆形内套钢管上位置对应的螺纹孔实现固定连接;
第八步:在方钢管柱和圆钢管柱间浇筑混凝土,使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体,致此该梁柱节点装配完成。
实施例2
本实施例的结构与实施例1基本相同,如图15所示,其不同之处在于上、下耗能组合钢板截面形状选用“一”字型结构,现场安装时更为方便,其余同实施例1。
实施例3
本实施例的结构与实施例1基本相同,如图16所示,其不同之处在于上、下耗能组合钢板截面形状选用L型,现场安装时更为方便,其余同实施例1。
根据实际需要,装配式棘轮耗能型双套筒钢结构梁柱节点的组合方式有多种,如图17-18所示。采用本发明中的连接方式可以也可以用于装配式结构的边柱和边柱等,应用范围增大。
当然,上述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定对发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等,均应归属于本发明专利涵盖范围。
Claims (8)
1.一种双套筒钢结构梁柱节点,包括钢管柱(1)和钢梁(8),其特征在于还包括内套钢管(2)、圆形套筒(4)、矩形套筒(5)、转换连接板、耗能钢板(9)、短梁(14)和棘轮连接件(13);
内套钢管(2)与钢管柱(1)在节点拼接处是上下断开的,上下内套钢管(2)通过圆形套筒(4)连接,上下钢管柱(1)通过矩形套筒(5)连接;
所述内套钢管(2)上开设螺纹孔(3),所述圆形套筒(4)、矩形套筒(5)和钢管柱(1)上开设螺栓孔(6),内套钢管设置于圆形套筒内,圆形套筒设置于钢管柱内,钢管柱设置于矩形套筒内,内套钢管(2)、圆形套筒(4)、矩形套筒(5)和钢管柱(1)之间通过长螺栓(7)连接,长螺栓(7)依次穿过矩形套筒(5)、钢管柱(1)和圆形套筒(4)上螺栓孔(6),最后旋入内套钢管(2)上螺纹孔(3);
所述转换连接板包括外环板(12)和竖向板(16),竖向板(16)上下两端焊接外环板(12),所述外环板(12)上设有螺栓孔(6),钢管柱(1)还与转换连接板的竖向板(16)相连,转换连接板的外环板(12)两侧分别通过上、下耗能钢板(9)与短梁(14)连接;
棘轮连接件(13)包括耳板(19)、端板B(18)和轴(23),耳板(19)垂直固定于端板B(18)上,短梁(14)还通过上、下耗能钢板(9)和棘轮连接件(13)与钢梁(8)连接,棘轮连接件(13)的一侧端板B(18)与短梁(14)连接,棘轮连接件(13)的另一侧端板B(18)与钢梁(8)连接;所述钢梁(8)与棘轮连接件(13)连接的一端设有与H型钢腹板垂直的端板A(17),且端板A(17)上设有螺纹孔(3),所述耗能钢板(9)上开设凹槽(10)。
2.根据权利要求1所述的双套筒钢结构梁柱节点,其特征在于:所述短梁(14)与钢梁(8)之间通过棘轮连接件(13)铰接,所述短梁(14)与钢梁(8)还通过耗能钢板(9)固定连接。
3.根据权利要求1所述的双套筒钢结构梁柱节点,其特征在于:所述耗能钢板(9)为U型、L型或“一”字型结构。
4.根据权利要求1所述的双套筒钢结构梁柱节点,其特征在于:耳板(19)与轴(23)连接处设有齿轮(20),轴(23)上设有弹簧(21)和棘爪(22),所述棘爪(22)***齿轮(20)的齿槽中,端板B(18)上设有螺栓孔(6)。
5.根据权利要求1所述的双套筒钢结构梁柱节点,其特征在于:所述短梁(14)为实心铁块,其上设有螺纹孔(3)。
6.根据权利要求1所述的双套筒钢结构梁柱节点,其特征在于:所述钢梁(8)为H型钢,耗能钢板(9)为U型,所述钢梁(8)与耗能钢板(9)连接的一侧设有侧面板(15),侧面板(15)与钢梁(8)腹板平行,侧面板(15)与钢梁(8)焊接,侧面板(15)和H型钢的上下翼板上开有螺栓孔(6),侧面板(15)与U型耗能钢板(9)通过螺栓连接。
7.根据权利要求1所述的双套筒钢结构梁柱节点,其特征在于:所述钢管柱(1)和内套钢管(2)之间浇筑混凝土(24)。
8.一种权利要求1-7任一项所述的双套筒钢结构梁柱节点的安装方法,其特征在于包括以下步骤:
第一步:将节点上端的内套钢管(2)通过圆形套筒(4)与下端内套钢管(2)连接,螺纹孔(3)与螺栓孔(6)位置要对应;
第二步:将钢管柱(1)、转换连接板和短梁(14)吊装到位,内套钢管(2)在其中间,下端钢管柱(1)通过矩形套筒(5)由长螺栓(7)依次穿过矩形套筒(5)、钢管柱(1)和圆形套筒(4)上螺栓孔(6),最后旋入内套钢管(2)上螺纹孔(3)连接固定;
第三步:通过高强螺栓(11)将两个棘轮连接件(13)一侧的端板B(18)与短梁(14)上的端板A(17)实现固定连接;
第四步:通过高强螺栓(11)将两个棘轮连接件(13)另一侧的端板B(18)与钢梁(8)上的端板A(17)实现固定连接;
第五步:上、下耗能钢板(9)通过高强螺栓(11)将转换连接板、短梁(14)及钢梁(8)紧固连接形成整体;
第六步:将上端内套钢管(2)与下端内套钢管(2)通过圆形套筒(4)连接,螺纹孔(3)与螺栓孔(6)位置要对应;
第七步:将上端矩形钢管柱(1)吊装到位,通过矩形套筒(5)由长螺栓(7)依次穿过矩形套筒(5)、钢管柱(1)、圆形套筒(4)上螺栓孔(6)与内套钢管(2)上位置对应的螺纹孔(3)实现固定连接;
第八步:在钢管柱(1)和内套钢管(2)间浇筑混凝土(24),使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体。
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