一种冷弯多腔钢管混凝土异形柱与H型钢梁的刚性节点的制作方法

本实用新型属于建筑结构构件领域，特别涉及一种钢-混凝土组合结构梁柱节点。

背景技术：

异形柱目前在住宅、公寓、宿舍等建筑中应用较多，异形柱与相邻墙体齐平，使得建筑室内空间规整，有利于家具摆放，提高室内空间利用效率。但目前普遍应用的异形钢筋混凝土柱其抗震设计较为严格，最大使用高度和柱轴压比等设计指标远低于普通矩形钢筋混凝土柱。而节点往往是异形柱框架的薄弱环节，是决定异形柱框架结构体系力学性能优劣的重要因素。采用异形钢管混凝土柱能够显著改善异形柱框架结构体系的抗震性能。

但传统的异形钢管混凝土柱-H形钢梁刚性节点相对较高的用钢量使其经济性能低于异形钢筋混凝土柱框架结构。传统的外环梁节点占用更大的建筑空间，而内环节点则由于占用异形柱内部空间影响到混凝土性能。因此若要发挥出钢管混凝土异形柱梁柱节点的优势，需从经济性、占用建筑面积以及节点性能三个方面着手。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决异形钢管混凝土柱及框架节点中钢板局部屈曲的不利影响，并降低用钢量以提高经济性能。

为实现本实用新型目的而采用的技术方案是这样的，一种冷弯多腔钢管混凝土异形柱与H型钢梁的刚性节点，其特征在于：

包括一根核心柱钢管。所述核心柱钢管是一块矩形薄壁钢板采用冷弯的加工方式，弯折成的横截面为矩形的空心钢管。所述空心钢管侧壁的搭接处采用对接焊缝使空心钢管的侧壁闭合。

还包括若干个U形构件。所述U形构件是矩形薄壁钢板，采用冷弯的加工方式，分别将其弯折成U形。每个所述U形构件具有两块侧板和一块底板。两块所述侧板相互平行，且垂直于底板。两块侧板之间的距离等于核心柱钢管某一侧面的宽度。

核心柱钢管的一个或多个侧面上拼接有所述的U形构件，其拼接形成A～D任意一种形状：

A)当拼接成一字型冷弯多腔钢管时，将一个U形构件拼接到核心柱钢管的某一侧面上。采用单面坡口焊缝将这个U形构件的两块侧板分别与所拼接侧面的两条侧棱焊接，从而U形构件与该侧面结合成柱肢矩形钢管。

B)当拼接成L型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管的两个相邻侧面分别拼接一个U形构件。每个U形构件的两块侧板分别与所拼接侧面的两条侧棱连接，其中连接在同一侧棱上的两块侧板采用熔透焊缝进行焊接，其他侧板采用单面坡口焊缝进行焊接。从而使得每个U形构件与所拼接侧面结合成柱肢矩形钢管。

C)当拼接成T型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管的三个侧面分别拼接一个U形构件。每个U形构件的两块侧板分别与所拼接侧面的两条侧棱连接，其中连接在同一侧棱上的两块侧板采用熔透焊缝进行焊接，其他侧板采用单面坡口焊缝进行焊接。从而使得每个U形构件与所拼接侧面结合成柱肢矩形钢管。

D)当拼接成十字型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管的四个侧面分别拼接一个U形构件。每个U形构件的两块侧板分别与所拼接侧面的两条侧棱连接，其中每条侧棱上的两块侧板采用熔透焊缝进行焊接，从而使得每个U形构件与所拼接侧面结合成柱肢矩形钢管。

所述柱肢矩形钢管背向核心柱钢管的侧面上拼接一个U形构件。采用单面坡口焊缝将这个U形构件的开口处的棱边与所拼接侧面的两条棱边焊接，从而使得这个U形构件与所拼接侧面结合成端柱钢管。

所述核心柱钢管、柱肢矩形钢管和端柱钢管的空腔内浇筑混凝土。

所述端柱钢管的三个侧面上沿水平方向具有出开口Ⅰ和开口Ⅱ，它们在水平面上的投影都呈U型。所述开口Ⅰ位于开口Ⅱ的上方。

所述开口Ⅰ和开口Ⅱ中分别插入了一块上翼缘连接板和下翼缘连接板。所述上翼缘连接板呈U型叉状。所述上翼缘连接板卡接在开口Ⅰ内。所述下翼缘连接板与上翼缘连接板为相同的平板。所述上翼缘连接板与下翼缘连接板相互平行。所述上翼缘连接板的板面垂直于端柱钢管。通过双面角焊缝在端柱钢管的三个侧面上围着开口Ⅰ和开口Ⅱ进行焊接。

所述端柱钢管的端面上焊接有腹板连接板。所述腹板连接板位于上翼缘连接板与下翼缘连接板之间。所述腹板连接板垂直于上翼缘连接板。

上翼缘连接板、下翼缘连接板和腹板连接板背向端柱钢管的一端焊接有短钢梁。所述短钢梁为一块H型钢梁。所述短钢梁的上翼缘与上翼缘连接板采用对接焊缝连接。所述短钢梁的下翼缘与下翼缘连接板采用对接焊缝连接。所述短钢梁的腹板与腹板连接板的焊接端部分板面贴合，采用侧面角焊缝连接。

所述短钢梁背向端柱钢管的一端焊接钢梁。所述钢梁为H型钢梁，它的上翼缘与短钢梁的上翼缘采用对接焊缝连接，它的下翼缘与短钢梁的下翼缘采用对接焊缝连接。所述钢梁的腹板与短钢梁的腹板采用连接板和锚栓连接。

核心柱钢管、柱肢矩形钢管和端柱钢管的空腔内浇筑有混凝土。

值得说明的是，本实用新型包括一字型、L型、T型或十字型冷弯多腔钢管混凝土异形柱与H形钢梁的刚性连接节点。

上、下翼缘连接板在端柱钢管侧面的外露宽度建议为S/3，嵌入开口Ⅰ/Ⅱ的宽度建议为S/6；上、下翼缘连接板在端柱钢管正面(端面)外伸长度建议为3S/4，嵌入开口Ⅰ/Ⅱ的宽度建议为S/4；其中S为钢梁的翼缘宽度；上、下翼缘连接板的厚度建议与钢梁翼缘厚度相等；上、下翼缘连接板侧面边缘至端柱内隔板(即柱肢矩形钢管与端柱钢管的公共板面)间距建议为15～20mm。(具体尺寸依工程实际规模确定)

进一步，所述U型构件的底板至开口的距离根据冷弯多腔钢管混凝土异形柱的大小设计相应的尺寸，而它们的两侧板之间的距离等于核心柱钢管侧面的宽度。

进一步，采用熔透焊缝焊接同一侧棱上的两块侧板时，这两块侧板的内壁均预先设置有一块垫板；所述垫板为长条形金属板，其板面与侧板贴合；通过施焊一条熔透焊缝使得垫板、侧板与核心柱钢管的侧棱焊接在一起。

进一步，所述混凝土为普通混凝土、轻骨料混凝土或高性能混凝土。

进一步，所述核心柱钢管、柱肢矩形钢管、端柱钢管、上翼缘连接板、下翼缘连接板、腹板连接板、短钢梁和钢梁的材料为碳素结构钢Q235级钢材、低合金高强度结构钢Q345级、Q390级、Q420级或Q460级钢材。

本实用新型提出的冷弯多腔钢管混凝土异形柱与H型钢梁的刚性节点具有如下优点：

1.本实用新型中的冷弯多腔钢管混凝土异形柱可应用于低层或多层框架结构、框架－剪力墙结构的别墅、住宅、公寓、宿舍、办公楼等形式建筑。改善普通方、矩形柱室内柱楞外露的缺陷，改善室内观瞻，利于家居摆放，提高室内空间的利用效率。

2.多腔钢管混凝土异形柱能够改善目前普遍应用的混凝土异形柱抗震设计的严格限制，扩大异形柱的应用范围。外包钢管与内置竖向隔板共同作用给内置混凝土良好的约束，提高了异形柱的承载力与延性，从而提高异形柱的抗震性能，使其能够应用在抗震设防烈度较高的地区，或者应用于高度更高的框架结构和框架－剪力墙结构中。

3.由于冷弯多腔钢管混凝土异形柱采用多腔式约束方式，薄钢管亦可发挥良好的约束效果。与传统钢管混凝土异形柱相比，多腔钢管混凝土异形柱可以在保证构件性能的前提下具有更低的含钢率，更佳的经济性。

4.由于采用中央核心柱钢管与外围U形构件构成多腔钢管，故混凝土与钢管并不存在传统意义上的阴角，显著提高柱体的各项性能。多腔式结构使得内部核心柱柱壁直接代替加劲肋合理地布置钢管内，大部分加工工序皆可在工厂预制完成，减少了现场施工阶段的工作量，非常适合现在建筑产业化的需求。

5.节点区采用预埋U形翼缘连接板以传递短钢梁弯矩，并在异形柱上焊接腹板连接板以传递短钢梁剪力。以上工序皆可在工厂预制完成，现场与H形钢梁的连接采用传统栓焊混合连接。本实用新型的框架节点形式传力明确，构造简单，施工快捷方便，经济合理。

附图说明

图1为冷弯多腔钢管混凝土异形柱与H型钢梁的刚性节点的示意图；

图2为L型的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的俯视图；

图3为一字型的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的俯视图；

图4为T型的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的俯视图；

图5为十字型的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的俯视图；

图6为图1的节点位置的侧视图；

图7为图6中Q-Q处的剖视图。

图中：核心柱钢管1、柱肢矩形钢管2、端柱钢管3、对接焊缝4、熔透焊缝5、垫板6、单面坡口焊缝7、冷弯多腔钢管混凝土异形柱8、上翼缘连接板9、下翼缘连接板90、腹板连接板10、短钢梁11、钢梁12。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不应该理解为本实用新型上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本实用新型上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本实用新型的保护范围内。

一种冷弯多腔钢管混凝土异形柱与H型钢梁的刚性节点，截取一块矩形薄壁钢板，采用冷弯的加工方式将其弯折成横截面为矩形的空心钢管。其中选取的横截面垂直于空心钢管的长度方向，本实施例中优选的横截面为正方形。

在上述空心钢管侧壁的搭接处采用对接焊缝4使空心钢管的侧壁闭合，从而得到核心柱钢管1。其中对接焊缝4为所在侧面的中轴线，其延伸方向与核心柱钢管1的长度方向相同。

所述核心柱钢管1为两端敞口的空心柱钢管，它的四个侧面都可作为柱肢的连接面。设这四个面分别为面A、面B、面C和面D，其上的四条侧棱为棱a、棱b、棱c和棱d。本实施例中所述的面A、面B、面C或面D以及棱a、棱b、棱c或棱d仅代表核心柱钢管1上任意的某个侧面或某条侧棱，并不代表固定位置的某个面或某个棱，但面A与面C是相对的，棱a与棱c是相对的。

再截取若干块矩形薄壁钢板，采用冷弯的加工方式分别将其弯折成若干个U型构件。每个所述U型构件具有两块侧板和一块底板。两块所述侧板相互平行，且垂直于底板。两块侧板之间的距离等于核心柱钢管1侧面的宽度。其中所述U型构件的底板至开口的距离可以根据工程的实际需要(冷弯多腔钢管混凝土异形柱8的大小)设计相应的尺寸，而它们的两侧板之间的距离需满足等于核心柱钢管1侧面的宽度。

在核心柱钢管1的一个或多个侧面上拼接U型构件，其拼接方式有四种：

A)参见图3，当拼接为一字型冷弯多腔钢管时，将一个U型构件拼接到核心柱钢管的面A上，面A上的两条侧棱为棱a和棱b；直接采用单面坡口焊缝7将这个U型构件的两块侧板分别与面A的棱a、棱b焊接，从而使U型构件与面A结合成柱肢矩形钢管2。

B)参见图2，当拼接成L型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管1的两个相邻侧面(面A和面B)分别拼接一个U型构件，其中面A上的两条侧棱为棱a和棱b，面B上的两条侧棱为棱c和棱b；一个U型构件的两块侧板分别与面A的棱a和棱b连接，另一个U型构件的两块侧板分别与面B的棱b和棱c连接；其中连接在(公共棱)棱b上的两块侧板(两个U型构件各提供一块侧板)采用熔透焊缝5进行焊接，其他侧板(即连接在棱a、棱c上的侧板)采用单面坡口焊缝7进行焊接；从而使得这两个U型构件分别与面A、面B结合成两个柱肢矩形钢管2。

C)参见图4，当拼接成T型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管1的面A、面B、面C分别拼接一个U型构件，其中面A上的两条侧棱为棱a和棱b，面B上的两条侧棱为棱b和棱c，面C上的两条侧棱为棱c和棱d；

其中一个U型构件的两块侧板分别与棱a、棱b连接，一个U型构件的两块侧板分别与棱b、棱c连接，另外一个U型构件的两块侧板分别与棱c、棱d连接；连接在同一侧棱上的两块侧板采用熔透焊缝5进行焊接，其他侧板采用单面坡口焊缝7进行焊接；即连接在棱b上的两块侧板(相邻两个U型构件各提供一块侧板)采用熔透焊缝5进行焊接，连接在棱c上的两块侧板(相邻两个U型构件各提供一块侧板)也采用熔透焊缝5进行焊接；连接在棱a、棱c上的侧板则采用单面坡口焊缝7进行焊接；从而使得这三个U型构件分别与面A、面B、面C结合成三个柱肢矩形钢管2。

D)参见图5，当拼接成十字型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管1的面A、面B、面C、面D分别拼接一个U型构件，其中面A上的两条侧棱为棱a和棱b，面B上的两条侧棱为棱b和棱c，面C上的两条侧棱为棱c和棱d，面D上的两条侧棱为棱d和棱a；其中一个U型构件的两块侧板分别与棱a、棱b连接，一个U型构件的两块侧板分别与棱b、棱c连接，一个U型构件的两块侧板分别与棱c、棱d连接，另外一个U型构件的两块侧板分别与棱d、棱a连接；其中每条侧棱(棱a、棱b、棱c、棱d)上的两块侧板(相邻两个U型构件各提供一块侧板)均采用熔透焊缝5进行焊接，从而使得这四个U型构件分别与面A、面B、面C、面D结合成四个柱肢矩形钢管2。

需要说明的是，L型、T型和十字形冷弯多腔钢管均存在核心柱钢管1相邻两个侧面都有柱肢矩形钢管2的情况，即在上述过程中L型冷弯多腔钢管的棱b处焊接了两块侧板(相邻U型构件各提供一块侧板，下同)；T型冷弯多腔钢管的棱b和棱c处都焊接了两块侧板；十字形冷弯多腔钢管的每条侧棱(棱a、棱b、棱c、棱d)都焊接了两块侧板。

本实施例中，核心柱钢管1的一条侧棱上若要焊接两块侧板时，则需要在这两块侧板的内壁分别预先贴靠一块垫板6。所述垫板6为长条形金属板，其板面与侧板贴合；所述垫板6的长度方向与所贴靠的侧板的长度方向相同。然后施焊一条熔透焊缝5将此处的两块侧板以及垫板6与核心柱钢管1焊接在一起。其中垫板6可以保证焊缝成形平整光滑，不产生焊缝缺陷。若核心柱钢管1的一条侧棱上仅焊接一块侧板时，则直接采用单面坡口焊缝7进行焊接。

在柱肢矩形钢管2的底板上还拼接一个U型构件。拼接时，采用单面坡口焊缝7将这个U型构件的开口处的棱边与柱肢矩形钢管2的底板焊接在一起，从而使得这个U型构件与底板结合成端柱钢管3。

在端柱钢管3的三个侧面(即自身U型构件的两个侧板的外表面以及底板的外表面，后文中底板的外表面即端柱钢管3的端面)上沿水平方向切割出开口Ⅰ和开口Ⅱ，它们在水平面上的投影都呈U型；其中切割的开口是将底板完全切断，两侧板部分切断。所述开口Ⅰ位于开口Ⅱ的上方；

在开口Ⅰ和开口Ⅱ中分别插入一块上翼缘连接板9和下翼缘连接板90；所述上翼缘连接板9呈U型叉状；所述上翼缘连接板9卡接在开口Ⅰ内；即上翼缘连接板9的部分板面已插入开口Ⅰ内，同时在端柱钢管3的外侧也具有部分板面；

所述下翼缘连接板90与上翼缘连接板9为相同的平板；所述上翼缘连接板9与下翼缘连接板90相互平行；所述上翼缘连接板9的板面垂直于端柱钢管3；

然后通过双面角焊缝在端柱钢管3的三个侧面上围着开口Ⅰ和开口Ⅱ进行焊接；

具体地，所述上翼缘连接板9背向端柱钢管3的一端(即与短钢梁的连接端)的宽度最窄，这样的做法使上翼缘连接板9与短钢梁11的宽度逐渐过渡到一致，避免了应力集中；

在端柱钢管3的端面上(采用双面角焊缝)焊接上腹板连接板10；所述腹板连接板10位于上翼缘连接板9与下翼缘连接板90之间；所述腹板连接板10垂直于上翼缘连接板9；

在上翼缘连接板9、下翼缘连接板90和腹板连接板10背向端柱钢管3的一端焊接短钢梁11；所述短钢梁11为一块H型钢梁(也可叫做工字钢梁)；所述短钢梁11的上翼缘的宽度边与上翼缘连接板9采用对接焊缝连接；所述短钢梁11的下翼缘的宽度边与下翼缘连接板90采用对接焊缝连接；所述短钢梁11的腹板与腹板连接板10的焊接端部分板面贴合，采用侧面角焊缝连接；

以上为在工厂内预制的加工工序；

将预制的构件运至施工现场，在短钢梁11背向端柱钢管3的一端焊接钢梁12；所述钢梁12与短钢梁11之间采用传统钢结构的栓焊组合连接方式；所述钢梁12为H型钢梁(也可叫做工字钢梁)，它的上翼缘与短钢梁11的上翼缘采用对接焊缝连接，它的下翼缘与短钢梁11的下翼缘采用对接焊缝连接；所述钢梁12的腹板与短钢梁11的腹板采用连接板和锚栓连接；

向核心柱钢管1、柱肢矩形钢管2和端柱钢管3的空腔内浇筑混凝土，即可得到一字型、L型、T型或十字型冷弯多腔钢管混凝土异形柱与H形钢梁的刚性连接节点。

本实施例中，所述混凝土可选用普通混凝土、轻骨料混凝土或高性能混凝土。所述核心柱钢管1、柱肢矩形钢管2、端柱钢管3、上翼缘连接板9、下翼缘连接板90、腹板连接板10、短钢梁11和钢梁12的材料为碳素结构钢Q235级钢材、低合金高强度结构钢Q345级、Q390级、Q420级或Q460级钢材。