CN109138180A - 一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点及其制备方法：包括部分填充式柱和部分填充式梁，所述部分填充式柱和部分填充式梁通过对拉螺栓连接，通过部分填充式梁分段设计，实现塑性变形于节点区外局部集中，解决了部分填充式节点在节点焊缝区发生脆性破坏的问题，实现了灾后的快速恢复。同时，由于对拉螺栓的使用，相当于施加预应力，增强混凝土抗裂能力，又解决了部分填充式组合结构框架的连接问题，同时也带来施工上的便利，实现预制装配化。本发明还通过填充ECC，改善了部分填充式节点的抗震性能，进一步提高了整体结构的抗震性能。

Description

一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点及其制备方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种可更换部分填充式组合结构框架装配式节点的设计和建造。

背景技术

部分填充式钢-混凝土组合结构(partially encased composite structures，PECS)，简称“部分填充式组合结构”，它是在工字钢或H型钢等构件的翼缘间填充混凝土等材料，并在混凝土中设置纵筋、箍筋或翼缘连杆的组合结构，也称为部分包裹、部分外包结构。部分填充式组合结构的承载力、刚度及延性均优于纯钢结构或钢筋混凝土结构，与型钢混凝土组合结构相比，具有构件可预制化程度高、节点连接方便、模板用量少等优点，在建筑工业化、装配化的发展趋势下，将会得到广泛应用。部分填充式钢-混凝土组合结构节点作为结构的关键部位，起着传递结构构件(梁、柱)内力和协调结构变形的作用，其性能直接影响结构框架体系的刚度、承载力和稳定性。传统框架抗侧力结构体系中，框架柱与框架梁的刚度匹配和梁柱节点连接性能是实现结构“强柱弱梁”与“强节点”抗震设计原则和保证结构具备足够的耗散地震能能力与强震作用下抗倒塌性能的关键所在。

1994年Northridge地震与1995年神户地震震害调查结果发现：全焊接刚性节点多数因焊缝疲劳断裂而发生了严重的脆性破坏，虽然通过改变设计参数在一定程度上改善了节点延性，但仍难满足节点连接转动能力的抗震设计要求。为避免梁柱连接区域的破坏，国内外学者对此展开大量研究，并在对传统梁柱节点进行研究分析的基础上，提出了很多改进节点形式，主要分为加强型和削弱型两大类，狗骨式节点属于一种削弱型节点形式，在离梁柱连接处一定距离的两端减小翼缘尺寸，通过梁端翼缘的削弱，诱导梁端塑性铰截面从梁柱连接处外移，以避开梁柱连接处节点焊接区残余应力集中，改善节点的耗能能力。

狗骨式节点在循环荷载作用下的性能以及破坏形式已经研究的比较透彻，试验和理论分析研究显示其具备比普通钢框架节点更好的耗能能力。但随着荷载和循环次数的增加，梁端翼缘削弱部位受压屈服后，对应位置腹板可能产生钢板平面外屈曲，轻则影响节点耗能能力的发挥，减少翼缘削弱部位的低周疲劳寿命，重则导致节点提前破坏。由于狗骨式节点削弱了节点区的翼缘截面，导致钢梁平面外刚度降低，容易产生钢梁平面外整体屈曲。

另外一种削弱形式是在钢梁腹板开圆孔，其通过对距离梁柱连接处一定距离的梁腹板位置进行开圆孔削弱，迫使地震荷载作用下塑性铰的形成位置偏离脆性较高的节点焊接区，并出现在腹板开圆孔周围，从而避免节点的脆性破坏，使节点在地震作用下拥有更好的延性。但此种构造形式同样会容易造成削弱部位腹板和翼缘发生屈曲，后期残余变形大，且开洞造成削弱部位低周疲劳寿命降低，钢梁平面外刚度降低，容易产生钢梁平面外屈曲。

高延性水泥基复合材料(ECC)是指基于断裂力学、微观物理力学和统计学优化设计，使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2％，硬化后的复合材料应具有显著的应***化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定地达到3％以上的工程用水泥基复合材料。其组成材料包括纤维、水泥、砂、水、矿物掺合料和增稠剂，通常情况下水灰比小于0.5，试验研究已经证实ECC的应变能力一般为3％～6％，最高可达8％，耗能能力是常规纤维混凝土的3倍。因此ECC在提高结构的延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性方面具有显著的优势，在抗冲击结构中有着广阔的应用前景。其抗压强度与普通混凝土类似，对易于遭受较大非弹性变形和高剪应力区的结构(如塑性铰区和节点核心区)来说是理想的材料。例如，对于传统的钢筋混凝土节点，为解决柱截面或梁截面尺寸变大，或使用大量小直径钢筋所造成的施工困难及对施工质量的影响，有报道提出在梁柱节点核心区采用ECC，其他部位采用普通混凝土，从而可以降低钢筋配置数量，例如不配置约束钢筋，仅保留梁纵筋。

随着经济的发展，对建筑物的抗震要求不断提高，不在仅仅提停留在大震不倒的基本要求上，而是要求地震后快速替换或修复受损部位，尽快恢复建筑使用功能，减少因强震造成的直接和间接损失，但如何提高节点的抗震性能，又能够实现灾后的快速修复，减小对结构使用的影响，仍然是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点，包括由部分填充式柱和部分填充式梁构成的节点，所述部分填充式柱通过贯穿该部分填充式柱的节点区对拉螺栓与设置于部分填充式梁一端的端板相连，所述部分填充式梁包括自端板向节点区外依次排列的第一部分填充式梁段、部分填充式耗能梁段及第二部分填充式梁段，节点区对拉螺栓通过预埋在部分填充式柱内的套管(例如，PVC管)与对应贯穿位置的填充材料分隔。

所述第一部分填充式梁段及第二部分填充式梁段包括H型钢及设置于H型钢腹板两侧的填充材料；部分填充式耗能梁段包括具有削弱洞口的H型钢及设置于该H型钢腹板两侧的填充材料，或者部分填充式耗能梁段包括屈服点较低的型钢或厚度较薄的钢板(与第一部分填充式梁段及第二部分填充式梁段的H型钢比较)以及设置于该型钢或钢板两侧的填充材料。

所述部分填充式耗能梁段的两端分别与贯穿第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段对应端(贯穿H型钢的两侧翼缘及翼缘之间的填充材料)的梁段间对拉螺栓相连，梁段间对拉螺栓通过预埋在第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段内的套管(例如，PVC管)与对应贯穿位置的填充材料分隔，便于灾后更换。

所述削弱洞口位于部分填充式耗能梁段H型钢的腹板上，部分填充式耗能梁段H型钢的翼缘向两端外伸出并与第一部分填充式梁段及第二部分填充式梁段各自H型钢翼缘对应端叠合，梁段间对拉螺栓固定于翼缘叠合区域。

所述第一部分填充式梁段、部分填充式耗能梁段及第二部分填充式梁段的填充材料位于同一H型钢上，部分填充式梁的H型钢腹板在靠近端板一侧设置有削弱洞口，腹板两侧的填充材料通过削弱洞口连接为一体。

所述削弱洞口中心距部分填充式柱与部分填充式梁结合位置(例如，部分填充式柱H型钢翼缘表面)0.75h_b～1.15h_b，h_b为部分填充式梁的H型钢腹板的高度，所述削弱洞口的开孔直径取值为0.5h_b～0.8h_b。

所述部分填充式柱和部分填充式梁还包括设置于各自H型钢翼缘之间的间隔排列的C字形连杆，C字形连杆覆盖于填充材料内，部分填充式耗能梁段内布置的C字形连杆通过箍筋相连。

所述部分填充式柱包括H型钢以及设置于H型钢的腹板两侧的填充材料，节点区对拉螺栓贯穿该H型钢的两侧翼缘及翼缘之间的填充材料。

所述部分填充式耗能梁段的填充材料为ECC，所述第一部分填充式梁段的填充材料为ECC或混凝土，第二部分填充式梁段的填充材料为混凝土；所述部分填充式柱的填充材料为混凝土。

上述可更换部分填充式组合结构框架装配节点的制备方法，包括以下步骤：

1)骨架制作

在第一部分填充式梁段H型钢一端焊接端板；在部分填充式柱、第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段和部分填充式耗能梁段各自H型钢翼缘及端板上开设对应对拉螺栓的安装孔，在部分填充式柱、第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段各自H型钢翼缘之间固定与对应安装孔相对的套管(例如，翼缘间预埋PVC管)；在第二部分填充式梁段、部分填充式耗能梁段及部分填充式柱各自H型钢翼缘之间焊接间隔排列在对应对拉螺栓的安装孔所在区域两侧或一侧的C字形连杆；

2)浇筑

经过步骤1)后，浇筑所述部分填充式柱、第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段和部分填充式耗能梁段各自H型钢腹板两侧的填充材料；

3)连接

将所述第一部分填充式梁段通过端板与贯穿所述部分填充式柱的翼缘间套管(例如，翼缘间预埋PVC管)的高强螺栓连接，然后将部分填充式耗能梁段和第二部分填充式梁段、第一部分填充式梁段分别通过贯穿对应部分填充式梁段的翼缘间套管(例如，翼缘间预埋PVC管)的高强螺栓连接，得到可更换部分填充式组合结构框架装配节点。

所述步骤1)还包括以下步骤：在部分填充式耗能梁段H型钢的腹板中部通过开孔进行局部削弱(即开削弱洞口)，然后在该H型钢的翼缘间的C字型连杆上绑扎箍筋。

本发明的有益效果体现在：

本发明所述可更换部分填充式组合结构框架装配节点，通过设置部分填充式耗能梁段实现塑性变形局部集中，并使节点塑性铰区外移至部分填充式梁上，既解决了部分填充式节点因焊缝疲劳断裂而发生脆性破坏的问题，也保证了节点的耗能能力、延性和后期承载力。本发明由于对拉螺栓的使用，相当于施加预应力，增强填充材料(例如混凝土)的抗裂能力，结合预置套管(例如，PVC管)，解决了部分填充式组合结构框架的连接问题，使部分填充式梁、柱的连接和更换更加方便，带来施工上的便利，实现预制装配化。本发明可作为耗能原件安装在结构中，当结构遭受超过设防烈度等级的地震时，节点借助部分填充式耗能梁段进入塑性工作状态并耗散大量的地震能量，而主体结构保持弹性，地震结束后可以对损伤的节点进行快速更换，使结构使用功能恢复(不中断)。

进一步的，本发明通过梁端局部开孔洞(削弱洞口)，实现塑性变形局部集中，使节点塑性铰外移至梁上，两侧填充材料通过孔洞连接为一体，类似于对拉螺栓，施加预紧力，可以延缓腹板两侧填充材料的开裂，提高部分填充式梁的耐久性。

进一步的，本发明通过开孔洞和绑扎箍筋使耗能梁段填充材料(如ECC)整体性更好，可以更好的限制部分填充式耗能梁段的局部屈曲，增强部分填充式耗能梁段的耗能能力、承载力和变形能力，避免腹板两侧的ECC与腹板分离。有效解决H型钢结构平面外屈曲。

进一步的，本发明通过在部分填充式梁局部(削弱耗能部分)填充ECC替换混凝土，增强了节点耗能能力、延性和后期承载力，改善了部分填充式节点的抗震性能，进一步提高了整体结构的抗震性能。

进一步的，本发明采用的削弱耗能结构，可以保留部分填充式组合结构的连杆，在有效解决H型钢结构平面外屈曲基础上，更好的发挥部分填充式组合结构力学优势，提高抗震性能。

附图说明

图1是部分填充式柱的骨架平面图；

图2是实施例1中第一部分填充式梁段的骨架平面图(带端板)；

图3是实施例1中第二部分填充式梁段的骨架平面图；

图4是实施例1中部分填充式耗能梁段的骨架平面图；

图5是实施例1所述可更换耗能梁段部分填充式组合结构框架装配式节点的结构示意图(部分填充式梁、柱上布置连杆的区域，以及部分填充式梁上布置螺杆的区域采用剖视，并标出削弱洞口位置)；

图6是图5的A-A截面图；

图7是图5的B-B截面图；

图8是实施例2中部分填充式梁的骨架平面图(带端板)；

图9是实施例2所述可更换梁结构部分填充式组合结构框架装配式节点的结构示意图(部分填充式梁、柱上布置连杆的区域采用剖视，并标出削弱洞口位置)；

图10是图9的A-A截面图；

图11是图9的B-B截面图；

图中：1-部分填充式柱，2-C字形连杆，3-对拉螺栓，4-端板，5-部分填充式梁，6-削弱洞口，7-ECC，8-混凝土，9-第一内接头，10-第二内接头，11-外接头，12-箍筋，13-PVC管，14-腹板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7，本发明提供一种可更换耗能梁段部分填充式组合结构框架装配式节点，该装配式节点主要是由部分填充式柱1和部分填充式梁5组成，其中，部分填充式梁5分为第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段和部分填充式耗能梁段。第一部分填充式梁段包括一端带有端板4的第一H型钢段，第一H型钢段另一端具有连接其两侧翼缘的封板(图2中左侧)，且两侧翼缘上具有贯通的对拉螺栓安装孔(安装孔沿腹板14对称布置)，第一H型钢段的两侧翼缘与封板(图2中左侧)构成第一内接头9。第二部分填充式梁段包括一端带有封板(图3中右侧，与其两侧翼缘连接)的第二H型钢段，第二H型钢段两侧翼缘间焊接有C字形连杆2(C字形连杆沿腹板14对称布置)，靠近封板(图3中右侧)一端的翼缘上具有贯通的对拉螺栓安装孔(安装孔沿腹板14对称布置)，第二H型钢段的对拉螺栓安装孔所在两侧翼缘位置与封板(图3中右侧)构成第二内接头10。部分填充式耗能梁段包括腹板具有削弱洞口6的第三H型钢段，该H型钢段两端分别具有与其两侧翼缘连接的封板(图4中削弱洞口左、右侧)，且两侧翼缘自封板向外延伸一段，翼缘延伸部分具有贯通的对拉螺栓安装孔(安装孔沿腹板14对称布置)，与封板(图4中削弱洞口左侧或右侧)构成外接头11，延伸长度根据两个内接头的对拉螺栓安装孔位置等具体情况调整。在拼接为完整部分填充式梁5时，确保第一、二内接头9、10的封板分别与部分填充式耗能梁段外接头对应端封板接触，且部分填充式耗能梁段两端外接头处H型钢翼缘分别与第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段的内接头处H型钢对应侧翼缘相叠合(外接头处H型钢翼缘位于外侧，对拉螺栓安装孔在叠合区域对准)。部分填充式耗能梁段H型钢两侧翼缘间焊接有C字形连杆2(C字形连杆沿腹板14对称布置)，该C字形连杆2上配置箍筋12(箍筋通过削弱洞口贯穿腹板，腹板两侧的C字形连杆绑扎在同一箍筋上)。

所述部分填充式柱1和第一部分填充式梁段通过贯穿部分填充式柱1节点区的对拉螺栓3以及第一部分填充式梁段的端板4连接，该端板4与部分填充式柱1的H型钢翼缘表面相贴，部分填充式柱1的H型钢腹板两侧全部采用混凝土8浇筑，所述对拉螺栓3对称布置在部分填充式柱1的H型钢腹板两侧，且贯穿所填充混凝土及两侧翼缘，即部分填充式柱1可同时连接位于其两侧的两个部分填充式梁5(具体为第一部分填充式梁段)。部分填充式柱1除了在节点区布置对拉螺栓3外侧，在节点区外H型钢两侧翼缘间焊接有C字形连杆2(C字形连杆沿腹板14对称布置)。在部分填充式耗能梁段H型钢腹板两侧填充有ECC 7(两端封板内)，第一、第二部分填充式梁段H型钢腹板两侧填充有混凝土8。部分填充式耗能梁段分别与位于其两侧的第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段通过对拉螺栓3于内、外接头叠合处连接。在部分填充式柱1、部分填充式耗能梁段和第二部分填充式梁段各自H型钢翼缘之间焊接的C字形连杆2被混凝土或ECC覆盖，C字形连杆2布置间隔在靠近节点区位置进行加密。C字形连杆两端的平直段可以增大连杆与H型钢翼缘焊接接触面积，避免受力过程中焊缝断裂，导致连杆失效。

由于箍筋、接头的设置，部分填充式耗能梁段也可以采用薄钢板或低屈服点钢板构造H型钢结构形式，则不用开孔(削弱洞口6)。

上述可更换耗能梁段部分填充式组合结构框架装配式节点的施工过程如下：

1)骨架制作

首先，在钢构件预制工厂，在部分填充式耗能梁段H型钢中部进行局部削弱开洞(孔)，开孔直径取值为0.5h_b～0.8h_b(开孔太小，则达不到削弱效果；开孔太大，则造成梁的承载力削弱过多，不经济合理，同时，考虑ECC的结合牢靠程度等因素)，开孔位置按照孔中心距部分填充式柱H型钢翼缘表面0.75h_b～1.15h_b确定，h_b为部分填充式梁H型钢腹板的高度(具体取为部分填充式耗能段H型钢腹板高度)。再将C字形连杆2焊接在部分填充式梁5对应段H型钢和部分填充式柱1的H型钢各自翼缘之间，C字形连杆2开口朝向对应H型钢腹板(预留混凝土或ECC保护层厚度20mm)，其中，在非加密区，翼缘间C字形连杆2间距为柱(梁)截面高度(两侧翼缘厚度+腹板高度)的60％(梁截面高度具体取为连杆所在的梁段的截面高度，部分填充式耗能段H型钢腹板高度高于第一、二部分填充式梁段H型钢腹板高度，以便内外接头对接)；在加密区(梁、柱上均加密)，连杆间距为0.35倍柱(梁)截面高度，连杆加密区为距节点区1/3柱长范围(第一部分填充式梁段邻近节点区，是用对拉螺栓代替连杆作用)。再在第一部分填充式梁段H型钢端部焊接端板4。焊接可在工厂进行，可以完全按照工艺要求进行施工，不会造成焊接缺陷，因此，可以降低地震作用下端板焊接发生破坏的可能性。最后，在端板4及部分填充式柱1、第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段和部分填充式耗能梁段的H型钢翼缘上开螺栓孔(即对拉螺栓安装孔)，与对拉螺栓3相应贯穿位置吻合，将预埋PVC管13固定在部分填充式柱1和第一、二部分填充式梁段的H型钢翼缘间(并与安装孔相对)，至此得到部分填充式梁5各段及部分填充式柱1的骨架。

2)浇筑

将部分填充式柱骨架和部分填充式梁各段骨架平放在水平的地面上，浇筑部分填充式柱1的一侧(腹板上侧)混凝土8，同时浇筑第一、二部分填充式梁段一侧(腹板上侧)的混凝土8；待浇筑的混凝土8终凝后，浇筑部分填充式柱1另外一侧(腹板下侧)混凝土8，同时浇筑第一、二部分填充式梁段另外一侧(腹板下侧)的混凝土8，以及浇筑部分填充式耗能梁段的ECC 7(因为有洞口，所以腹板两侧ECC一次性浇筑)，待混凝土8及ECC 7终凝后，得到部分填充式柱1、第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段和部分填充式耗能梁段。由于ECC耗能能力较好，能够避免开洞位置塑性铰形成后承载力下降过快，增加节点的转动能力。

3)连接

将带有端板4的第一部分填充式梁段通过强度等级为10.9级的M20高强螺栓(穿过PVC管13)安装在部分填充式柱1上，再将部分填充式耗能梁段和第二部分填充式梁段依次与第一部分填充式梁5通过强度等级为10.9级的M20高强螺栓(穿过PVC管13)连成部分填充式梁5整体，以上高强螺栓贯穿PVC管，并伸出至端板4或部分填充式耗能梁段的H型钢翼缘延伸段外侧，按照对拉螺栓安装方式进行固定，从而形成一种可更换耗能梁段部分填充式组合结构框架装配式节点。

本实施例所述可更换耗能梁段部分填充式组合结构框架装配式节点中，将部分填充式耗能梁段(靠近节点区)中部H型钢腹板截面通过开孔形成局部削弱部位。在地震中，由于节点区受力复杂，容易造成节点区剪切脆性破坏，同时可能造成节点区焊缝断裂。采用局部削弱及节点区对拉螺栓构造以后，部分填充式耗能梁段被局部削弱，形成薄弱部位，尽管该部位弯矩要小于梁端弯矩，但是由于被削弱，削弱部位会先于梁端截面屈服，并进入塑性阶段，因此梁端弯矩会重新分配，在削弱截面部位达到塑性弯矩以后，梁端弯矩不会增加，部分填充式梁的塑性变形和耗能集中在部分填充式耗能梁段，因此节点区和梁端端板与梁端焊缝均得到了保护。同时，部分填充式耗能梁段填充ECC，可以增强部分填充式耗能梁段的耗能能力、延性和后期承载力，避免部分填充式耗能梁段因应力较为集中而造成脆性破坏。

另外，部分填充式耗能梁段H型钢腹板两侧ECC通过削弱洞口连接为一体，在地震中，该腹板两侧ECC相互制约，结合在部分填充式耗能梁段开洞部位设置的箍筋，可以增强ECC的整体性，限制了腹板的平面外屈曲，因此，ECC结合牢靠，不易剥离，确保了ECC发挥作用，提高了该节点的承载力、延性和耗能能力。部分填充式耗能梁段与其他部分填充式梁段(第一、二部分填充式梁段)采用对拉螺栓连接方式，可以对连接部位施加预压力，增强连接部位的承载力。同时，部分填充式耗能梁段翼缘与其他部分填充式梁段(第一、二部分填充式梁段)翼缘存在重叠部分，可以限制该重叠部分翼缘的屈曲，提高部分填充式梁的承载力，使破坏只发生在耗能梁段，而不发生在其他部分填充式梁段上。部分填充式梁各段通过贯穿PVC管的高强螺栓连接，受损节点灾后可以实现快速更换，降低了经济损失。

实施例2

参见图1、图8、图9、图10及图11，本发明提供一种可更换梁结构部分填充式组合结构框架装配式节点，该装配式节点主要是由部分填充式柱1和部分填充式梁5组成，部分填充式柱1和部分填充式梁5通过部分填充式柱1中位于节点区的对拉螺栓3连接，部分填充式柱1的H型钢腹板两侧全部采用混凝土8浇筑，对拉螺栓3对称布置在部分填充式柱1的H型钢腹板两侧，且贯穿所填充混凝土及两侧翼缘，即部分填充式柱1可同时连接位于其两侧的两个部分填充式梁5；部分填充式梁5与部分填充式柱1相连的一端焊接有端板4，方便对拉螺栓3连接，端板4与部分填充式柱1的H型钢翼缘表面相贴。在部分填充式梁5靠近端板4一侧开削弱洞口6(具体开洞位置位于部分填充式梁5的H型钢腹板)，并填充ECC 7，部分填充式梁5剩余部分(远离端板4一侧)用混凝土8浇筑。在部分填充式柱1和部分填充式梁5各自H型钢翼缘之间焊接有被混凝土或ECC覆盖的多个间隔排列的C字形连杆2(C字形连杆沿腹板14对称布置)，布置间隔在靠近节点区位置进行加密。C字形连杆2两端的平直段增大连杆与H型钢翼缘焊接接触面积，避免受力过程中焊缝断裂，导致连杆失效。

上述可更换梁结构部分填充式组合结构框架装配式节点的施工过程如下：

1)骨架制作

首先，在钢构件预制工厂，在部分填充式梁H型钢上进行局部削弱开洞(孔)，开孔直径取值为0.5h_b～0.8h_b(开孔太小，则达不到削弱效果；开孔太大，则造成梁的承载力削弱过多，不经济合理，同时，考虑ECC的结合牢靠程度等因素)，开孔位置按照孔中心距部分填充式柱H型钢翼缘表面0.75h_b～1.15h_b确定，h_b为部分填充式梁H型钢腹板的高度。再将C字形连杆2焊接在部分填充式梁H型钢和部分填充式柱H型钢各自翼缘之间，C字形连杆2开口朝向对应H型钢腹板(预留混凝土或ECC保护层厚度20mm)，其中，在非加密区，翼缘间C字形连杆2间距为柱(梁)截面高度(两侧翼缘厚度+腹板高度)的60％；在加密区(柱、梁上均加密)，为0.35倍柱(梁)截面高度，连杆加密区为距节点区1/3柱长范围。再在部分填充式梁H型钢端部焊接端板4。焊接可在工厂进行，可以完全按照工艺要求进行施工，不会造成焊接缺陷，因此，降低地震作用下端板的焊接发生破坏的可能性。最后，在部分填充式柱H型钢节点区翼缘、端板4上分别开螺栓孔，与部分填充式柱H型钢上对拉螺栓3相应贯穿位置吻合，将预埋PVC管13固定在部分填充式柱的H型钢翼缘间(并与螺栓孔相对)，至此得到部分填充式柱和部分填充式梁的骨架。

2)浇筑

将部分填充式柱骨架和部分填充式梁骨架平放在水平的地面上，浇筑部分填充式柱的一侧(腹板上侧)混凝土，同时浇筑部分填充式梁一侧(腹板上侧)的混凝土，待部分填充式梁(柱)一侧混凝土终凝后，浇筑部分填充式柱另外一侧(腹板下侧)混凝土，同时浇筑部分填充式梁另外一侧(腹板下侧)的混凝土，待部分填充式梁另外一侧混凝土初凝后，浇筑部分填充式梁的ECC(因为有洞口，所以ECC部分一次浇筑)，待混凝土及ECC终凝后，得到部分填充式柱1和带有端板的部分填充式梁5。ECC的浇筑范围为距部分填充式柱H型钢翼缘表面2h_b～2.5h_b长度范围内。

由于ECC耗能能力较好，能够避免开洞位置塑性铰形成后承载力下降过快，增加节点的转动能力。

3)连接

将带有端板的部分填充式梁5通过强度等级为10.9级的M20高强螺栓(穿过PVC管)安装在部分填充式柱1上，以上高强螺栓贯穿PVC管，并伸出至端板4外侧，按照对拉螺栓安装方式进行固定，从而形成一种可更换梁结构部分填充式组合结构框架装配式节点。

本实施例所述可更换梁结构部分填充式组合结构框架装配式节点中，将节点区靠近部分填充式梁端部腹板截面通过开孔削弱，造成局部薄弱部位。在地震中，由于节点区受力复杂，容易造成节点区剪切破坏，同时可能造成节点区焊缝断裂。采用局部削弱及节点区对拉螺栓构造以后，梁端塑性铰区被局部削弱，形成薄弱部位，尽管该部位弯矩要小于梁端弯矩，但是由于被削弱，削弱部位会先于梁端截面屈服，并进入塑性阶段，因此梁端弯矩会重新分配，在削弱截面部位达到塑性弯矩以后，梁端弯矩不会增加，部分填充式梁的塑性变形和耗能集中截面削弱部位，因此梁端端板与梁端焊缝均得到了保护。同时，填充ECC可以增强节点梁端削弱部位的耗能能力、变形能力和后期承载力，避免因局部削弱而造成脆性破坏。

另外，部分填充式梁H型钢腹板两侧浇筑的ECC通过削弱洞口连接为一体，在地震中，腹板两侧ECC相互制约，并且穿透腹板的ECC限制了腹板平面外屈曲，并一定程度上减少了内应力，因此，ECC结合牢靠，不易剥离，确保了ECC发挥作用。

根据以上实施例1和实施例2，本发明的特点总结如下：

1.通过设置部分填充式耗能梁段(在靠近梁端开洞)，实现节点塑性铰外移至梁上，使得大震作用下塑性铰偏离脆弱的节点焊缝区，避免节点脆性破坏可能性，改善了节点的延性，增强了塑性转动能力，避免部分填充式框架结构的倒塌。

2.梁、柱采用端板对拉螺栓连接，端板对拉螺栓连接是介于刚性连接和铰接的半刚性连接形式，对拉螺栓具有部分自复位功效，且有效地将梁端拉力转换为对节点区混凝土的压力，从而实现节点区混凝土斜压带传力模式。同时，梁端端板对拉螺栓拉力对节点区混凝土形成压力，可以延缓混凝土的开裂，实现“强节点”。

3.端板连接节点为半刚性节点，具有施工方便、施工速度快、抗震性能好等优点，且连接的焊缝易于工厂化，焊缝质量能得到较好的保证，一定程度消除了现场焊接难度和残余应力的不利影响。

4.在靠近梁端的开洞区域填充ECC提高节点延性；开洞区采用ECC增强，使节点的耗能能力、变形能力和后期承载力得到提高，避免削弱部位的混凝土脆性破坏。其次，利用ECC增加梁的抗扭刚度和平面外刚度，防止部分填充式梁的侧向失稳，将有利于该节点耗能能力的稳定发挥。因此，能够提高部分填充式组合结构框架装配式节点的抗震性能。

5.当结构遭受超过设防烈度等级的地震时，本发明中耗能元件(削弱洞口部分)进入塑性工作状态并耗散大量的地震能量，主体结构保持弹性，地震动结束后，可以对损伤元件局部(例如，部分填充式耗能梁段)进行更换，结构使用功能不中断而快速恢复。

总之，本发明充分利用钢、混凝土和ECC的优势，改善部分填充式节点的抗震性能，从而进一步提高整体结构的抗震性能，同时能够实现灾后的快速修复，减小对结构使用的影响。

Claims (10)

1.一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点，其特征在于：包括由部分填充式柱(1)和部分填充式梁(5)构成的节点，所述部分填充式柱(1)通过贯穿该部分填充式柱(1)的节点区对拉螺栓(3)与设置于部分填充式梁(5)一端的端板(4)相连，所述部分填充式梁(5)包括自端板(4)向节点区外依次排列的第一部分填充式梁段、部分填充式耗能梁段及第二部分填充式梁段，节点区对拉螺栓(3)通过预埋在部分填充式柱(1)内的套管与对应贯穿位置的填充材料分隔。

2.根据权利要求1所述一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点，其特征在于：所述第一部分填充式梁段及第二部分填充式梁段包括H型钢及设置于该H型钢腹板两侧的填充材料；部分填充式耗能梁段包括具有削弱洞口(6)的H型钢及设置于该H型钢腹板两侧的填充材料，或者部分填充式耗能梁段包括屈服点较低的型钢或厚度较薄的钢板以及设置于该型钢或钢板两侧的填充材料。

3.根据权利要求2所述一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点，其特征在于：所述部分填充式耗能梁段的两端分别与贯穿第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段对应端的梁段间对拉螺栓(3)相连，梁段间对拉螺栓(3)通过预埋在第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段内的套管与对应贯穿位置的填充材料分隔。

4.根据权利要求3所述一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点，其特征在于：所述削弱洞口(6)位于部分填充式耗能梁段H型钢的腹板上，部分填充式耗能梁段H型钢的翼缘向两端外伸出并与第一部分填充式梁段及第二部分填充式梁段各自H型钢翼缘对应端叠合，梁段间对拉螺栓(3)固定于翼缘叠合区域。

5.根据权利要求1所述一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点，其特征在于：所述第一部分填充式梁段、部分填充式耗能梁段及第二部分填充式梁段的填充材料位于同一H型钢上，部分填充式梁(5)H型钢腹板在靠近端板(4)一侧设置有削弱洞口(6)，部分填充式梁(5)H型钢腹板两侧的填充材料通过削弱洞口(6)连接为一体。

6.根据权利要求2或5所述一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点，其特征在于：所述削弱洞口(6)中心距部分填充式柱(1)与部分填充式梁(5)结合位置0.75h_b～1.15h_b，h_b为部分填充式梁(5)的H型钢腹板的高度，所述削弱洞口(6)的开孔直径取值为0.5h_b～0.8h_b。

7.根据权利要求2或5所述一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点，其特征在于：所述部分填充式柱(1)和部分填充式梁(5)还包括设置于各自H型钢翼缘之间的间隔排列的C字形连杆(2)，C字形连杆(2)覆盖于填充材料内，部分填充式耗能梁段内布置的C字形连杆(2)通过箍筋(12)相连。

8.根据权利要求2或5所述一种可更换部分填充式组合结构框架装配节点，其特征在于：所述部分填充式柱(1)包括H型钢以及设置于该H型钢的腹板两侧的填充材料，节点区对拉螺栓(3)贯穿该H型钢的两侧翼缘及翼缘之间的填充材料；所述部分填充式耗能梁段的填充材料为ECC(7)，所述第一部分填充式梁段的填充材料为ECC(7)或混凝土(8)，第二部分填充式梁段的填充材料为混凝土(8)；所述部分填充式柱(1)的填充材料为混凝土(8)。

9.一种如权利要求3所述的可更换部分填充式组合结构框架装配节点的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)骨架制作

在第一部分填充式梁段H型钢一端焊接端板(4)；在部分填充式柱(1)、第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段和部分填充式耗能梁段各自H型钢翼缘及端板(4)上开设对应对拉螺栓(3)的安装孔，在部分填充式柱(1)、第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段各自H型钢翼缘之间固定与对应安装孔相对的套管；在第二部分填充式梁段、部分填充式耗能梁段及部分填充式柱(1)各自H型钢翼缘之间焊接间隔排列在对应对拉螺栓(3)的安装孔所在区域两侧或一侧的C字形连杆(2)；

2)浇筑

经过步骤1)后，浇筑所述部分填充式柱(1)、第一部分填充式梁段、第二部分填充式梁段和部分填充式耗能梁段各自H型钢腹板两侧的填充材料；

3)连接

将所述第一部分填充式梁段通过端板(4)与贯穿所述部分填充式柱(1)的翼缘间套管的高强螺栓连接，然后将部分填充式耗能梁段和第二部分填充式梁段、第一部分填充式梁段分别通过贯穿对应部分填充式梁段的翼缘间套管的高强螺栓连接，得到可更换部分填充式组合结构框架装配节点。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)还包括以下步骤：在部分填充式耗能梁段H型钢的腹板中部通过开孔进行局部削弱，然后在该H型钢的翼缘间的C字型连杆(2)上绑扎箍筋(12)。