專利名稱：矩管柱與h形鋼梁楔形箱形剛接節點的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種建筑鋼結構，特別涉及矩管柱具體包括焊接箱形柱，軋制矩管柱 及矩管混凝土柱與H形鋼梁的連接的楔形箱形剛接節點。
背景技術：
近年來，尤其是在汶川地震以后，我國鋼結構住宅的抗震性能及其工業化生產的 研發已逐漸成為一個熱點問題，但是鋼結構住宅體系的研究與應用在我國還處在起步階 段。在鋼結構住宅體系中，小截面箱形柱和矩管柱，以及矩管混凝土柱因其剛度大，兩 個主軸方向剛度相同或相近，用鋼量更省等優點而被廣泛應用。因此矩管柱(焊接箱形柱， 軋制矩管柱和矩管混凝土柱)和H形鋼梁連接而成的框架應用于普通民用鋼結構體系是一 種良好的選擇。在矩管柱和H形鋼梁節點中，比較成熟的方案主要有內隔板式和外聯板式 兩種，下面主要從這兩個角度對現行的節點模式進行介紹。對于內隔板式節點而言，需要進行內部的施焊，焊接困難，焊縫質量不容易保證， 而且內隔板的存在會影響混凝土的澆筑。并且，此種節點需要在現場進行大量的焊接作業， 勞動的效率低，技術含量高，成本較高。對于外聯板式節點而言，由于外加強環的尺寸比較大，尤其是對于鋼管混凝土住 宅結構，由于光管內添加混凝土所以柱截面往往較小，這就給建筑上的處理帶來諸多不便， 并且對住宅內部裝飾也有較大的影響。鋼結構的應用越發廣泛。與其他結構形式相比，建筑鋼結構具有卓越的抗震性能， 在歷次地震中震害較少，經受住考驗，很少發生整體三十和倒塌現象。但是在地震中，鋼結 構經常會發生局部破壞，如1997年1月17日美國CaliforniaNorthridge地震，其中，引起 震害的主要原因之一便是梁柱節點處發生脆性破壞。所以，鋼結構節點的延性設計、耗能性 能在整體結構的設計中的地位舉足輕重。抗震設計的基本原則是“強剪弱彎，強柱弱梁，強節點弱構件”。由此可以從一個側 面看出，對于抗震結構而言，節點設計構造的合理性，直接關系到整個結構的抗震性能。梁 柱節點是整個結構傳力的中心樞紐，是整個結構得以發揮作用的“主關節”。因此，若是能研 究設計出一種受力明確合理、構造簡單、施工方便、抗震性能優越、經濟實用的梁柱節點，將 使整個鋼結構領域達到一個新的高度。但是，目前梁柱節點還存在很多問題。各典型節點存在問題如下1、內隔板式梁柱節點，此類節點只適用于焊接箱形柱，對軋制矩管柱并不適用，需 要進行內部施焊，焊接困難，焊縫質量不易保證，而且隔板存在會影響混凝土澆筑，同時，由 于節點焊縫較多，導致節點焊縫附近鋼材塑性下降，脆性增加，影響結構塑性的進一步發 展，成本高；2、外聯板式梁柱節點，外加強環的尺寸較大，尤其在鋼管混凝土住宅中由于鋼管 混凝土柱截面較小，當外加強式節點環板的尺寸較大，往往給建筑上的處理帶來不便，對住宅內部裝飾有較大影響。
發明內容
為了克服上述缺陷，本發明的目的在于提供一種工藝簡單、便于加工、可靠性較 高、快速安裝、施工工期短的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點。為了達到上述目的，本發明的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，包括矩管柱 和與所述矩管柱的四個側面連接的H形鋼梁，所述的H形鋼梁呈縱橫交叉狀設置，所述矩管 柱與H形鋼梁之間設置有牛腿連接件，所述的牛腿連接件包括與 所述矩管柱中心線垂直設 置的上端板和下端板以及設置在所述上、下端板之間分別連接該上、下端板左右兩側的左、 右立板，所述梯形上、下端板的長邊均設置在所述矩管柱側面上，短邊分別連接所述H形鋼 梁上、下翼緣。所述矩管柱為焊接箱形柱、軋制矩管柱或矩管混凝土柱。其中，還包括設置在左、右立板之間中立板，所述中立板支撐設置在上下端板之 間，且其內端設置在矩管柱側面，外端連接所述H形鋼梁腹板，進一步地，所述上、下端板均呈梯形，所述梯形上、下端板的長底邊均設置在所述 矩管柱側面上，短底邊分別連接所述H形鋼梁上、下翼緣，所述左、右立板分別與所述梯形 上、下端板近兩側連接并與所述上、下端板垂直設置。進一步地，所述的梯形上、下端板為等腰梯形，其側邊坡度在1 4-1 1之間。特別是，所述梯形長底邊的長度在125mm-500mm之間。其中，所述的梯形上、下端板長底邊長度與連接該長底邊的所述矩管柱側面寬度 一致，短底邊與連接該短底邊的所述H形鋼梁的上、下翼緣一致。進一步地，所述的左、右立板呈矩形。特別是，所述牛腿連接件與所述矩管柱側面和H形鋼梁上下翼緣之間以及牛腿連 接件的上、下端板與左、右立板之間分別焊接，所述中立板外端與H形鋼梁腹板之間通過螺 栓連接或焊接。上述的結構，相對于內隔板式節點的多處內部施焊和現場焊接作業，矩管柱與H 形鋼梁楔形箱形剛接節點無需內部施焊，減小了焊接的難度。由于取消了內隔板，從而可以 將焊接矩管柱轉換為矩管混凝土柱，減小了截面尺寸，增大可以利用的空間。此外，相對于 外聯式節點而言，即使采用截面比較小的矩管混凝土柱，也不存在外環加強板與柱之間尺 寸差過大的問題，便于建筑專業對于建筑物的處理和對建筑內部的裝飾等。
圖1為本發明的背景技術內隔板式節點平面結構示意圖。圖2為圖1中沿1-1方向剖視結構示意圖。圖3為本發明背景技術中外聯板式節點平面結構示意圖。圖4為圖3中沿1-1方向剖視結構示意圖。圖5為本發明的具體實施例的主視結構示意圖。圖6為圖5的俯視結構示意圖。圖7本發明的具體實施例的應力云圖。圖8內隔板式節點、外聯板式節點及矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點的滯回曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明。如圖5-8所示，本發明的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，包括矩管柱1和與 所述矩管柱的四個側面連接的H形鋼梁2，所述的H形鋼梁呈縱橫交叉狀設置，所述矩管柱 與H形鋼梁之間設置有牛腿連接件3，所述的牛腿連接件包括與所述矩管柱中心線垂直設 置的上端板31和下端板32以及設置在所述上、下端板之間分別連接該上、下端板左右兩側 的左、右立板33、34，進一步地，所述的左、右立板呈矩形。所述上、端板31、32均呈梯形)，所 述梯形上、下端板的長底邊均設置在所述矩管柱側面上，短底邊分別連接所述H形鋼梁上、 下翼緣21、22。所述矩管柱為焊接箱形柱、軋制矩管柱或矩管混凝土柱。
其中，還包括設置在左、右立板之間中立板35，所述中立板支撐設置在上下端板之 間，且其內端設置在矩管柱側面，外端連接所述H形鋼梁腹板，所述左、右立板分別與所述 梯形上、下端板近兩側連接并與所述上、下端板垂直設置。所述牛腿連接件與所述矩管柱側 面和H形鋼梁上下翼緣之間以及牛腿連接件的上、下端板與左、右立板之間分別焊接，所述 中立板外端與H形鋼梁腹板之間通過螺栓4連接或焊接。所述的梯形上、下端板為等腰梯形，其側邊坡度在1 4-1 1之間。所述梯形長 底邊的長度在125mm-500mm之間。其中，所述的梯形上、下端板長底邊長度與連接該長底邊的所述矩管柱側面寬度 一致，短底邊與連接該短底邊的所述H形鋼梁的上、下翼緣一致。加工工藝為制作上下翼緣板加寬加厚的牛腿連接件，在工廠完成牛腿連接件與 箱形柱的焊接，現場安裝時再通過腹板的摩擦形高強螺栓的拼接或焊接后與上下梁緣的焊 接，形成梁柱(矩管柱)的剛性連接。這樣，在滿足強柱弱梁、節點加強抗震要求的同時，不 僅滿足了工業化生產的要求，保證了梁柱連接處的焊縫質量，又因無須設置內隔板，使現場 安裝速度強快，短縮施工工期。本節關于矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點和傳統的內隔、外聯式的節點采用 ANSYS進行了有限元分析，通過結果來對三者的內力分布、屈服點以及結構的耗能性進行對 比。從上述的應力云圖可以得出如下結論三種節點結構均可將塑性鉸移出節點區， 均具有較好的抗震性能；在節點域的受剪區域應力較大，內隔板式節點由于隔板的作用，應 力分布比較均勻，但隔板受力較大，而矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點和外聯式節點 一致，呈“蘋果”形分布。通過對地震作用的模擬，得到結構的滯回曲線如圖8所示，可以看出三種形式節點的極限彎矩都十分接近。綜上得出如下結論，矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點應力分布合理，滿足“強 梁弱柱”的要求，并且在屈服極限沒有明顯下降的情況下，結構更簡單易焊，變形能力也在 容許的范圍內有所提升，有利于結構的抗震。上述的節點結構，從力學性能方面分析，節點受力應明確合理，避免復雜受力狀態 的出現；梁端彎矩、剪力傳遞應充分可靠；強柱弱梁概念明確，在強震的作用下迫使塑性鉸在偏離節點根部的位置形成，具有良好的延性與耗能性能，從而達到保護節點的目的；在 加工工藝方面；節點主要部件能在工廠線性化批量生產，提高加工效率；節點板件加工應 為簡單工藝，既可采用熱彎、焊接等工藝完成；節點主焊縫避開冷彎角，以避免焊縫影響區 的脆性破壞；考慮材料與彎角的工藝配合關系，以方便加工；非標緊固件廠家能生產；節點 區域取消隔板，保證柱子通長，在加工時無需截斷；在施工工藝方面，現場避免出現仰、側焊 縫，提高焊接質量，降低施工困難； 節點構造應簡單，這樣便于運輸和建筑空間布置；取消 隔板，保證現場混凝土自由灌筑，這樣可有效提高柱子的剛度和承載力；現場安裝速度快， 梁柱現場焊接質量有保證，達到工業化流水線生產與現場快速組裝拼接相結合，縮短建筑 施工工期。鑒于矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點上述的便于內飾、擴大可用空間的優 勢，該節點可以廣泛的應用于各類矩管柱H形鋼梁建筑結構中，尤其適用于多層框架住宅 結構和對空間要求較高的公共建筑。本發明不局限于上述實施方式，不論在其形狀或結構上做任何變化，凡是利用上 述的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點都是本發明的一種變形，均應認為落在本發明保 護范圍之內。
權利要求
一種矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，包括矩管柱和與所述矩管柱的四個側面連接的H形鋼梁，所述的H形鋼梁呈縱橫交叉狀設置，其特征在于，所述矩管柱與H形鋼梁之間設置有牛腿連接件，所述的牛腿連接件包括與所述矩管柱中心線垂直設置的上端板和下端板以及設置在所述上、下端板之間分別連接該上、下端板左右兩側的左、右立板，所述梯形上、下端板的長邊均設置在所述矩管柱側面上，短邊分別連接所述H形鋼梁上、下翼緣。
2.如權利要求1所述的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，其特征在于，還包括設置 在左、右立板之間中立板，所述中立板支撐設置在上下端板之間，且其內端設置在矩管柱側 面，外端連接所述H形鋼梁腹板，
3.如權利要求2所述的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，其特征在于，所述上、下 端板均呈梯形，所述梯形上、下端板的長底邊均設置在所述矩管柱側面上，短底邊分別連接 所述H形鋼梁上、下翼緣，所述左、右立板分別與所述梯形上、下端板近兩側連接并與所述 上、下端板垂直設置。
4.如權利要求3所述的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，其特征在于，所述的梯形 上、下端板為等腰梯形，其側邊坡度在1 4-1 1之間。
5.如權利要求4所述的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，其特征在于，所述梯形長 底邊的長度在125mm-500mm之間。
6.如權利要求5所述的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，其特征在于，所述的梯形 上、下端板長底邊長度與連接該長底邊的所述矩管柱側面寬度一致，短底邊與連接該短底 邊的所述H形鋼梁的上、下翼緣一致。
7.如權利要求6所述的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，其特征在于，所述的左、 右立板呈矩形。
8.如權利要求7所述的矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，其特征在于，所述牛腿連 接件與所述矩管柱側面和H形鋼梁上下翼緣之間以及牛腿連接件的上、下端板與左、右立 板之間分別焊接，所述中立板外端與H形鋼梁腹板之間通過螺栓連接或焊接。
9.如權利要求1-8任一所述擴板式梁柱節點，其特征在于，矩管柱為焊接箱形柱、軋制 矩管柱或矩管混凝土柱。
全文摘要
本發明公開了一種矩管柱與H形鋼梁楔形箱形剛接節點，為解決現有技術中加工不便、占用空間較大等問題而發明。包括矩管柱、H形鋼梁、牛腿連接件，牛腿連接件包括與矩管柱中心線垂直設置的上、下端板及左、右立板，上、下端板的長邊均設在矩管柱側面上，短邊分別連接H形鋼梁上、下翼緣。上述的結構，解決了焊接箱形柱加內隔板的不便及矩管或矩管混凝土柱不能加內隔板的缺陷，避免了占用柱外過多空間，具有內飾方便、擴大使用空間等優點。通過放大H形鋼梁端部翼緣板，并加豎向肋板形成局部箱形結構，承載力、抗震性能均較好。廣泛用于各類矩管柱和矩管柱與H形鋼梁相連接的建筑結構中，適用于多層框架住宅結構和對空間要求較高的公共建筑。
文檔編號E04B1/58GK101967855SQ20101029898
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者卞曉芳, 吳昌棟, 吳明超, 周建鋒, 李偉男, 李曉潤, 王頻, 羅佑新, 陳衛海, 陳水榮 申請人:中冶建筑研究總院有限公司;中國京冶工程技術有限公司