CN111636561B - 一种具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点，包括模块化钢结构连接节点与自复位腋撑；模块化钢结构连接节点包括两个上部模块单元、两个下部模块单元、十字型插销连接件、竖向盖板、水平盖板和高强螺栓；四个内设碟簧的自复位腋撑对称布置在节点角部，并与模块梁柱铰接。本发明通过十字型插销连接件、盖板和高强螺栓连接模块单元，保证节点具有足够的抗拉、抗剪、抗弯刚度，且连接装置无需占用建筑使用空间，适用范围广同时确保美观。自复位腋撑的设置可提高节点承载能力，延缓节点刚度与强度退化，减轻节点梁柱相交处的损伤，避免构件过早发生破坏，且震后残余变形小，可实现快速修复并保证节点性能的稳定可靠。

Description

一种具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点
技术领域
本发明属于模块化建筑技术领域，具体涉及一种应用于模块化钢结构的自复位连接节点。
背景技术
目前大多数民用建筑采用传统现浇结构，其施工周期长，效率低，人力成本高，工程质量难以保证，施工过程中产生建筑垃圾和噪音也对人们的生活造成一定的影响。为保证建筑业可持续发展，减少环境污染，提高能源利用率和劳动生产率，我国正大力推进绿色建筑和建筑工业化。建筑工业化意味着传统建筑业的手工作业模式向大规模工业生产模式过渡，实现建筑设计标准化、构件生产专业化、施工机械化以及组织管理科学化，是现代化建筑发展的主要途径和必然选择。模块化钢结构建筑作为建筑工业化的一种新兴实现形式，具有绿色环保、质量精良、施工高效、节约能源等突出优势。模块化钢结构建筑是一种高度集成的装配式建筑，将工厂预制生产的模块单元运送至施工现场，进行堆叠，拼接而形成结构整体。模块单元具有多样性，可根据建筑的功能需求和结构的设计要求进行灵活设计，通常在工厂完成其主体结构、楼板、天花板和墙板的预制以及内部装修，具备完整的建筑使用功能。
模块化钢结构作为一种特殊的建筑形式，模块单元间连接的受力较为复杂，其可靠程度直接影响结构的整体性能，是模块化钢结构建筑设计的关键部分，应做到整体性强、构造合理、传力可靠、便于施工和检测。但目前大多数连接形式承载能力较低，延性较差，在地震作用下梁柱相交处会产生较大损伤，最终导致震后残余变形过大而无法继续使用，难以在抗震设防区应用，更难应用于高层建筑，制约了模块化钢结构建筑的推广应用。
发明内容
本发明为了解决现有模块化钢结构连接节点抗震性能较弱、受载后梁柱相交处损伤较大、承载力低、延性较差、残余变形大等问题，提出了一种可快速安装、构造简单、具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点。该类节点主要利用十字型插销连接件实现模块单元的精准定位，并通过高强螺栓提供可靠的竖向连接，十字型插销作为抗剪键抵抗柱端剪力，提高节点核心区的强度；梁柱翼缘处设置盖板螺栓连接，保证节点的整体性。内设碟簧的自复位腋撑对称布置在节点角部，并与梁柱铰接。碟簧受压能提供良好的复位能力，变形后不需要采取任何措施即可恢复到变形前的状态，可通过调整碟簧的刚度、预压力和腋撑的位置，调整节点滞回曲线的饱满程度与卸载时残余变形的大小，从而改变结构的耗能能力与复位性能。自复位腋撑的设置可提高节点承载能力，延缓节点刚度与强度退化，减轻节点梁柱相交处的损伤，避免梁柱构件过早发生破坏，并且震后残余变形小，可实现快速修复并保证节点性能的稳定可靠。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点，包括模块化钢结构连接节点与自复位腋撑11；模块化钢结构连接节点包括两个上部模块单元、两个下部模块单元、十字型插销连接件7、竖向盖板 8、水平盖板9和高强螺栓10；上部模块单元包括上部箱型截面模块柱1、上部工字型截面模块梁2、上部槽型截面模块梁3，上部工字型截面模块梁2和上部槽型截面模块梁3垂直焊接在上部箱型截面模块柱1端部的相邻侧面上；下部模块单元包括下部箱型截面模块柱4、下部工字型截面模块梁5、下部槽型截面模块梁6，下部工字型截面模块梁5和下部槽型截面模块梁6分别垂直焊接在下部箱型截面模块柱4端部的相邻侧面上，上、下部模块单元的加工均在工厂预制完成；
自复位腋撑11有四个，分别对称安装在箱型截面模块柱与相对应的工字型截面模块梁之间；自复位腋撑11的一端与箱型截面模块柱翼缘相连，另一端与工字型截面模块梁翼缘相连；自复位腋撑11 与箱型截面模块柱、工字型截面模块梁均呈45°角；
所述十字型插销连接件7用于连接两个上部模块单元和两个下部模块单元；所述竖向盖板8通过高强螺栓10安装在上部箱型截面模块柱1和下部箱型截面模块柱4的翼缘端部，用于加强上部箱型截面模块柱1和下部箱型截面模块柱4的连接；所述水平盖板9通过高强螺栓10安装在相邻槽型截面模块梁的翼缘，用于加强相邻槽型截面模块梁的连接。
所述十字型插销连接件7包括水平板7-Ⅱ，焊接在水平板7-Ⅱ顶面中心的2个十字型插销7-Ⅰ，以及焊接在水平板7-Ⅱ底面中心的2个十字型插销7-Ⅰ；十字型插销7-Ⅰ分别***上部箱型截面模块柱1和下部箱型截面模块柱4的端部方孔内；水平板7-Ⅱ的外伸部分与上部工字型截面模块梁2、上部槽型截面模块梁3的下翼缘以及下部工字型截面模块梁5、下部槽型截面模块梁6的上翼缘通过高强螺栓10连接。
所述自复位腋撑11包括内管11-Ⅰ、外管11-Ⅱ、碟簧11-Ⅲ、碟簧挡板11-Ⅳ、内管挡块11-Ⅴ和外管挡块11-Ⅵ；碟簧套在内管中部，两端连接可以滑动的碟簧挡板，碟簧与碟簧挡板内径均略大于内管外径，碟簧与碟簧挡板外表面与外管内表面均设有一定间距；内管外侧焊接内管挡块，外管内侧焊接外管挡块，内管挡块与碟簧挡板共同挤压碟簧产生初始压缩变形，内管挡块与外管挡块间留有一定间隙；内管的两端焊接十字交叉钢板11-Ⅶ。
自复位腋撑11的一端通过节点板12与箱型截面模块柱翼缘相连，另一端通过节点板12与工字型截面模块梁翼缘相连，并在连接处的箱型截面模块柱、工字型截面模块梁上分别设置柱加劲肋板14 和梁加劲肋板15。柱加劲肋板14、梁加劲肋板15和节点板12均采用低合金高强度结构钢Q345钢。
自复位腋撑11的一端通过两个对拉螺栓16与箱型截面模块柱连接，两个对拉螺栓16分别水平穿过相邻箱型截面模块柱与箱型截面模块柱两侧的节点板12；自复位腋撑11的另一端通过节点板12与工字型截面模块梁翼缘相连，并在连接处工字型截面模块梁上设置梁加劲肋板15；对拉螺栓16采用10.9级的对拉螺栓，材料为22MnTiB。
自复位腋撑11的一端通过套筒装置17与箱型截面模块柱连接，套筒装置17包括两个带外伸板的槽钢；通过高强螺栓10将套筒装置 17水平连接在相邻箱型截面模块柱上，套筒装置17的外伸板通过销轴连接件13与自复位腋撑11相连；自复位腋撑11的另一端通过节点板12与工字型截面模块梁翼缘相连，并在连接处工字型截面模块梁上设置梁加劲肋板15。销轴连接件13和套筒装置17均采用低合金高强度结构钢Q345钢。
自复位腋撑11的外管采用普通碳素结构钢Q235钢；内管、碟簧挡板、内管挡块、外管挡块和十字交叉钢板均采用低合金高强度结构钢Q345钢；碟簧采用热轧弹簧钢。
上部模块单元、下部模块单元、十字型插销连接件 7、竖向盖板 8、水平盖板9的材料均采用低合金高强度结构钢Q345钢；高强螺栓10采用10.9级的螺栓，材料为20MnTiB。
本发明的具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点有以下有益效果：
施工简便且质量高。模块单元均可实现工厂预制，模块梁柱构件的连接刚度与强度得以保证，施工现场将模块单元***十字型插销连接件，并通过盖板和高强螺栓提供模块单元之间的可靠连接，最后在节点角部对称安装自复位腋撑，整个过程无需现场焊接作业，具有较高的施工质量与施工精度。
性能可靠。十字型插销连接件、盖板和高强螺栓提供了模块单元之间的水平连接与竖向连接，使节点具有足够的抗拉、抗剪、抗弯刚度，传力明确可靠，稳定性好。连接件的十字型插销作为抗剪键可抵抗柱端部分剪力，保护了节点核心区的安全，满足“强节点，弱构件”的要求。
适用性强。具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点适用于多层模块化钢结构建筑，通过改变盖板的尺寸和数量，连接件的形状、尺寸和十字型插销的数量，可以实现同一模块化建筑的八个模块单元及两个模块单元的连接，连接装置无需占用建筑使用空间，同时确保美观。
功能提升。相比于普通模块化钢结构连接节点，具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点角部对称安装自复位腋撑，保证梁柱相交处不过早发生损坏而导致整体构件失效，自复位腋撑在受拉受压作用下提供足够的恢复力，使连接节点实现功能可恢复。并且，自复位腋撑提供了一定的抗侧刚度，提高了整体构件的强度与稳定性。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点结构示意图；
图2为本发明具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点装配示意图；
图3为图1所示结构中十字形插销连接件结构示意图；
图4为图1所示结构中自复位腋撑内部构造示意图；
图5、6分别为图4中A-A、B-B剖面图；
图7为本发明采用对拉螺栓连接的具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点结构示意图；
图8为图7所示结构中对拉螺栓连接装配示意图；
图9为本发明采用套筒装置连接的具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点结构示意图；
图10为图9所示结构中套筒装置连接装配示意图。
图中附图标记：
1-上部箱型截面模块柱；2-上部工字型截面模块梁；3-上部槽型截面模块梁；4-下部箱型截面模块柱；5-下部工字型截面模块梁；6- 下部槽型截面模块梁；7-十字型插销连接件：7-Ⅰ-十字型插销；7-Ⅱ- 水平板；8-竖向盖板；9-水平盖板；10-高强螺栓；11-自复位腋撑： 11-Ⅰ-内管；11-Ⅱ-外管；11-Ⅲ-碟簧；11-Ⅳ-碟簧挡板；11-Ⅴ-内管挡块；11-Ⅵ-外管挡块；11-Ⅶ-十字交叉钢板；12-节点板；13-销轴连接件；14-柱加劲肋板；15-梁加劲肋板；16-对拉螺栓；17-套筒装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-10所示，具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点，包括模块化钢结构连接节点与自复位腋撑11。模块化钢结构连接节点包括两个上部模块单元、两个下部模块单元、十字型插销连接件7、竖向盖板8、水平盖板9和高强螺栓10。上部模块单元包括上部箱型截面模块柱1、上部工字型截面模块梁2、上部槽型截面模块梁3，上部工字型截面模块梁2和上部槽型截面模块梁3垂直焊接在上部箱型截面模块柱1端部的相邻侧面上；下部模块单元包括下部箱型截面模块柱4、下部工字型截面模块梁5、下部槽型截面模块梁6，下部工字型截面模块梁5和下部槽型截面模块梁6分别垂直焊接在下部箱型截面模块柱4端部的相邻侧面上，上、下部模块单元的加工均在工厂预制完成。
十字型插销连接件7包括水平板7-Ⅱ，焊接在水平板7-Ⅱ顶面中心的2个十字型插销7-Ⅰ，以及焊接在水平板7-Ⅱ底面中心的2 个十字型插销7-Ⅰ，其构造示意图如图3所示。十字型插销7-Ⅰ分别***上部箱型截面模块柱1和下部箱型截面模块柱4的端部方孔内，保证快速准确的安装并提供一定的抗剪能力，十字型插销的个数取决于模块单元的个数，尺寸取决于箱型截面模块柱截面方孔的大小；水平板7-Ⅱ的外伸部分与上部工字型截面模块梁2、上部槽型截面模块梁3的下翼缘以及下部工字型截面模块梁5、下部槽型截面模块梁6的上翼缘通过高强螺栓10连接。
竖向盖板8通过高强螺栓10安装在上部箱型截面模块柱1和下部箱型截面模块柱4的翼缘端部，用于加强上部箱型截面模块柱1的下翼缘和下部箱型截面模块柱4的连接。水平盖板9通过高强螺栓 10安装在相邻槽型截面模块梁的翼缘，用于加强相邻槽型截面模块梁的连接。
自复位腋撑11包括内管11-Ⅰ、外管11-Ⅱ、碟簧11-Ⅲ、碟簧挡板11-Ⅳ、内管挡块11-Ⅴ和外管挡块11-Ⅵ，具体构造如图4～6所示。碟簧套在内管中部，两端连接可以滑动的碟簧挡板，碟簧与碟簧挡板内径均略大于内管外径，碟簧与碟簧挡板外表面与外管内表面均设有一定间距，保证碟簧变形能力的充分发挥与碟簧挡板的自由滑动。内管外侧焊接内管挡块，外管内侧焊接外管挡块，内管挡块与碟簧挡板共同挤压碟簧产生初始压缩变形，内管挡块与外管挡块间留有一定间隙，以保证内外管的相对滑动。内管的两端焊接十字交叉钢板11-Ⅶ，以保证自复位腋撑的稳定性。
自复位腋撑11有四个，分别对称安装在箱型截面模块柱(包括上部箱型截面模块柱和下部箱型截面模块柱)与相对应的工字型截面模块梁(包括上部工字型截面模块梁和下部工字型截面模块梁)之间；自复位腋撑11的一端通过节点板12与箱型截面模块柱的翼缘相连，另一端通过节点板12与工字型截面模块梁翼缘相连，并在连接处的箱型截面模块柱、工字型截面模块梁上分别设置柱加劲肋板14和梁加劲肋板15，以防止局部屈曲。自复位腋撑11与箱型截面模块柱、工字型截面模块梁均呈45°角。
自复位腋撑11与箱型截面模块柱也可采用对拉螺栓连接或套筒装置连接，具体构造与装配形式如图7～10所示，两个对拉螺栓16 分别水平穿过相邻箱型截面模块柱与箱型截面模块柱两侧的节点板 12，对其施加相应扭矩，以保证连接紧固，使两侧腋撑可直接通过对拉螺栓传力，减轻箱型截面模块柱的损伤；套筒装置17包括两个带外伸板的槽钢。通过高强螺栓10将套筒装置17水平连接在相邻箱型截面模块柱上，套筒装置17的外伸板直接与销轴连接件13相连，形成稳定的传力体系。两侧自复位腋撑通过套筒装置17与高强螺栓相互传力，避免箱型截面模块柱直接承受集中力，保证整体构件性能的稳定。
上面所述具有复位功能的***式模块化连接节点的上、下部模块单元、十字型插销连接板、盖板的材料均采用低合金高强度结构钢 Q345钢，具体尺寸可根据设计要求选取。自复位腋撑11的外管采用普通碳素结构钢Q235钢，内管、碟簧挡板、内管挡块、外管挡块和十字交叉钢板均采用低合金高强度结构钢Q345钢，碟簧采用热轧弹簧钢，牌号为60Si2MnA。柱加劲肋板、梁加劲肋板、节点板、销轴连接件和套筒装置均采用低合金高强度结构钢Q345钢，对拉螺栓16 采用10.9级(22MnTiB)的对拉螺栓，高强螺栓10采用10.9级(20MnTiB)的螺栓。
本发明所示的具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点的实现过程如下：应用时，先将两个上部模块单元与两个下部模块单元分别垂直***十字型插销连接件7的相应位置，并通过高强螺栓10 连接水平板7-Ⅱ与上、下部工字型截面模块梁相邻翼缘，确定盖板安装位置，完成箱型截面模块柱翼缘、槽型截面模块梁翼缘处盖板螺栓连接。按照受力及变形的要求给自复位腋撑11中碟簧11-Ⅲ施加初始预压力，在节点角部距离核心区一定位置处对称安装自复位腋撑11，与箱型截面模块柱、工字型截面模块梁均呈45°角，自复位腋撑11 可通过节点板直接与箱型截面模块柱翼缘、工字型截面模块梁翼缘相连，其与箱型截面模块柱也可采用对拉螺栓连接或套筒装置连接。
在正常使用状态下，连接节点与自复位腋撑11共同承担竖向荷载保持平衡。在地震作用下，荷载通过十字型插销连接件7、竖向盖板8、水平盖板9和高强螺栓10在四个模块单元中相互传递，同时箱型截面模块柱、工字型截面模块梁通过节点板将力传递给自复位腋撑11，当作用力超过碟簧11-Ⅲ的初始预压力时，自复位腋撑11的内管11-Ⅰ与外管11-Ⅱ发生相对移动，外管挡块11-Ⅵ通过碟簧挡板 11-Ⅳ进一步挤压碟簧11-Ⅲ，使其产生更大的压缩变形，提供足够的恢复力，由于相邻两侧的自复位腋撑始终沿特定方向传力，其对箱型截面模块柱、工字型截面模块梁产生的反作用力会相互抵消一部分，减轻对箱型截面模块柱、工字型截面模块梁的影响；当所受荷载逐渐减小时，自复位腋撑11对箱型截面模块柱、工字型截面模块梁反作用力中未抵消部分发挥作用，帮助构件恢复至变形前的状态。对称布置的四个自复位腋撑11协同工作，在受拉受压状态下均能发挥相同的作用，避免模块单元因局部损伤而过早失效，提高整体结构延性和承载力，减小结构残余变形。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点，其特征在于，包括：模块化钢结构连接节点与自复位腋撑(11)；模块化钢结构连接节点包括两个上部模块单元、两个下部模块单元、十字型插销连接件(7)、竖向盖板(8)、水平盖板(9)和高强螺栓(10)；上部模块单元包括上部箱型截面模块柱(1)、上部工字型截面模块梁(2)、上部槽型截面模块梁(3)，上部工字型截面模块梁(2)和上部槽型截面模块梁(3)垂直焊接在上部箱型截面模块柱(1)端部的相邻侧面上；下部模块单元包括下部箱型截面模块柱(4)、下部工字型截面模块梁(5)、下部槽型截面模块梁(6)，下部工字型截面模块梁(5)和下部槽型截面模块梁(6)分别垂直焊接在下部箱型截面模块柱(4)端部的相邻侧面上，上、下部模块单元的加工均在工厂预制完成；
自复位腋撑(11)有四个，分别对称安装在箱型截面模块柱与相对应的工字型截面模块梁之间；自复位腋撑(11)的一端与箱型截面模块柱翼缘相连，另一端与工字型截面模块梁翼缘相连；自复位腋撑(11)与箱型截面模块柱、工字型截面模块梁均呈45°角；
所述十字型插销连接件(7)用于连接两个上部模块单元和两个下部模块单元；所述竖向盖板(8)通过高强螺栓(10)安装在上部箱型截面模块柱(1)和下部箱型截面模块柱(4)的翼缘端部，用于加强上部箱型截面模块柱(1)和下部箱型截面模块柱(4)的连接；所述水平盖板(9)通过高强螺栓(10)安装在相邻槽型截面模块梁的翼缘，用于加强相邻槽型截面模块梁的连接；
所述十字型插销连接件(7)包括水平板(7-Ⅱ)，水平板(7-Ⅱ)为T字形；焊接在水平板(7-Ⅱ)顶面中心的2个十字型插销(7-Ⅰ)，以及焊接在水平板(7-Ⅱ)底面中心的2个十字型插销(7-Ⅰ)；十字型插销(7-Ⅰ)分别***上部箱型截面模块柱(1)和下部箱型截面模块柱(4)的端部方孔内；水平板(7-Ⅱ)的外伸部分与上部工字型截面模块梁(2)、上部槽型截面模块梁(3)的下翼缘以及下部工字型截面模块梁(5)、下部槽型截面模块梁(6)的上翼缘通过高强螺栓(10)连接；
自复位腋撑(11)的一端通过节点板(12)与箱型截面模块柱翼缘相连，另一端通过节点板(12)与工字型截面模块梁翼缘相连，并在连接处的箱型截面模块柱、工字型截面模块梁上分别设置柱加劲肋板(14)和梁加劲肋板(15)；
或者，自复位腋撑(11)的一端通过两个对拉螺栓(16)与箱型截面模块柱连接，两个对拉螺栓(16)分别水平穿过相邻箱型截面模块柱与箱型截面模块柱两侧的节点板(12)；自复位腋撑(11)的另一端通过节点板(12)与工字型截面模块梁翼缘相连，并在连接处的工字型截面模块梁上设置梁加劲肋板(15)；对拉螺栓(16)采用10.9级的对拉螺栓，材料为22MnTiB；
或者，自复位腋撑(11)的一端通过套筒装置(17)与箱型截面模块柱连接，套筒装置(17)包括两个带外伸板的槽钢；通过高强螺栓(10)将套筒装置(17)水平连接在相邻箱型截面模块柱上，套筒装置(17)的外伸板通过销轴连接件(13)与自复位腋撑(11)相连；自复位腋撑(11)的另一端通过节点板(12)与工字型截面模块梁翼缘相连，并在连接处的工字型截面模块梁上设置梁加劲肋板(15)。
2.如权利要求1所述的具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点，其特征在于：所述自复位腋撑(11)包括内管(11-Ⅰ)、外管(11-Ⅱ)、碟簧(11-Ⅲ)、碟簧挡板(11-Ⅳ)、内管挡块(11-Ⅴ)和外管挡块(11-Ⅵ)；碟簧套在内管中部，两端连接可滑动的碟簧挡板，碟簧与碟簧挡板内径均略大于内管外径，碟簧与碟簧挡板外表面与外管内表面均设有一定间距；内管外侧焊接内管挡块，外管内侧焊接外管挡块，内管挡块与碟簧挡板共同挤压碟簧产生初始压缩变形，内管挡块与外管挡块间留有一定间隙；内管的两端焊接十字交叉钢板(11-Ⅶ)。
3.如权利要求2所述的具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点，其特征在于：自复位腋撑(11)的外管采用普通碳素结构钢Q235钢；内管、碟簧挡板、内管挡块、外管挡块和十字交叉钢板均采用低合金高强度结构钢Q345钢；碟簧采用热轧弹簧钢。
4.如权利要求3所述的具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点，其特征在于：柱加劲肋板(14)、梁加劲肋板(15)和节点板(12)均采用低合金高强度结构钢Q345钢。
5.如权利要求1所述的具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点，其特征在于：销轴连接件(13)和套筒装置(17)均采用低合金高强度结构钢Q345钢。
6.如权利要求1-5任一所述的具有复位功能的***式模块化钢结构连接节点，其特征在于：上部模块单元、下部模块单元、十字型插销连接件(7)、竖向盖板(8)、水平盖板(9)的材料均采用低合金高强度结构钢Q345钢；高强螺栓(10)采用10.9级的螺栓，材料为20MnTiB。
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