中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系及施工方法与流程

本发明涉及土木建筑结构领域中的房屋框架结构，具体涉及中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系及施工方法。

背景技术：

常规钢筋混凝土框架结构体系中，框架节点多为钢筋混凝土现浇节点，这类钢筋混凝土节点与框架梁柱一样需要支模、绑扎钢筋随后浇筑混凝土，构件不但承载力较低、施工周期偏长，而且在地震作用下节点易发生破坏。随着土木建筑业的迅速发展，钢管混凝土结构得到广泛的应用，中空夹层混凝土结构是基于钢管混凝土结构的一种新型结构形式，中空夹层钢管混凝土是在内外两层同心钢管之间浇筑混凝土形成的组合构件，其内外钢管取代了钢筋并对夹层混凝土产生约束作用，混凝土处于三向受压状态抗压性能得到提高，塑性和韧性性能得到改善，与传统的钢管混凝土构件相比，中空夹层钢管混凝土构件整体具有自重轻、抗弯刚度大、抗震性能好和耐火性好的特性，但是中空夹层钢管混凝土柱-钢梁结构体系的节点连接的复杂性却制约了中空夹层钢管混凝土构件在实际工程中的应用，因此提出一种合理便捷的节点连接方式迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系，这种中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系用于解决中空夹层钢管混凝土柱与梁节点连接复杂性问题，同时可避免节点连接难，易发生破坏的问题，本发明的另一个目的是提供这种中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系的施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系由组合柱和组合梁通过节点连接构成，组合梁水平设置在组合柱之间，节点为内填高强混凝土的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环和下连接环的节点外管，上连接环和下连接环上均设有螺栓孔，节点外管上部有上加强环板，下部有下加强环板，上加强环板水平向外延伸形成工字型端梁的上翼缘，下加强环板水平向外延伸形成工字型端梁的下翼缘，工字型端梁的上、下翼缘之间为节点腹板，工字型端梁的端部通过节点下突板连接，节点下突板位于工字型端梁的上翼缘与工字型端梁的下翼缘之间的部位设置螺栓孔，节点下突板位于工字型端梁之下的部位设有预应力筋孔；组合柱为节段式中空管混凝土组合柱，组合梁为节段式体外预应力蜂窝型工字梁，节段式体外预应力蜂窝型工字梁两端的侧面均设置梁连接板，梁连接板的下端带有梁下突板，梁连接板上设置螺栓孔，梁下突板上也设置预应力筋孔，通过梁下突板张拉锚固预应力筋；节点通过上连接环、下连接环与组合柱固定连接，节点通过节点下突板与组合梁的梁连接板连接。

上述方案中节段式中空管混凝土组合柱由节段式内管、节段式外管及夹层混凝土构成，节段式内管、节段式外管均带有连接环，在节段式内管外表面上布置抗剪栓钉，在节段式内管的内部隔一定间距布置内衬环，防止节段式内管发生屈曲。节段式内管的连接环与节段式外管的连接环相互错开，避免在同一高度处螺栓连接。首先连接节段式内管，然后连接节段式外管，确保节段式内管始终高于节段式外管，在节段式内管、节段式外管的夹层中浇筑高强混凝土。

上述方案中节段式蜂窝型工字梁将梁端设置有削弱段，削弱段具有弧形凹槽，结构体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。

一种中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系由组合柱和组合梁通过节点连接构成，组合梁水平设置在组合柱之间，节点为内填高强混凝土的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环和下连接环的节点外管，上连接环和下连接环上均设有螺栓孔，节点外管上部有上加强环板，下部有下加强环板，上加强环板水平向外延伸形成内腔相通的工字型端梁的上翼缘，下加强环板水平向外延伸形成内腔相通的工字型端梁的下翼缘，工字型端梁的上、下翼缘之间为节点腹板，工字型端梁的端部通过节点连接板连接，节点连接板设置螺栓孔；组合柱为节段式中空管混凝土组合柱，组合梁为节段式体外预应力蜂窝型工字梁，节段式体外预应力蜂窝型工字梁两端的侧面均设置梁连接板，梁连接板的下端带有梁下突板，梁连接板上设置螺栓孔，梁下突板上也设置预应力筋孔，通过梁下突板张拉锚固预应力筋；节点通过上连接环、下连接环与组合柱固定连接，节点通过节点连接板与组合梁的削弱段连接；削弱段为可拆卸的，削弱段具有弧形凹槽，削弱段的两端设置有削弱段连接板，削弱段通过一端削弱段连接板与组合梁连接，削弱段通过另一端削弱段连接板与节点端梁连接。

上述方案中节段式体外预应力蜂窝型工字梁的蜂窝型孔可以是圆形、六边形和多边形的，梁腹板可以是平板，也可以是折板或者正弦曲线型板。

上述方案中预应力筋可以是直线型的。

上述方案中在蜂窝型工字梁下部布置带内凹槽的转向块，预应力筋形成折线型或者曲线型的，以增加梁的刚度，减小变形。

上述方案中蜂窝型工字梁的工字型梁腹板上布置横向加劲肋，可增加梁腹板的稳定性。

上述方案中节点端梁上开洞，便于建筑设备和管道的穿越。

上述中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系的施工方法：

首先在工厂焊接预制好需要的钢构件，包括节段式外管、节段式内管、节段式蜂窝型工字梁、节点，将节段式外管和节段式内管与基础实现固接，节段式外管高出基础0.5m，节段式内管比节段式外管高出0.5m，节段式内管与节段式外管连接位置错开，然后向节段式外管和节段式内管夹层中浇筑高强混凝土，混凝土达到一定强度后，继续连接节段式内管，接着再连接节段式外管，确保节段式内管始终高于节段式外管，并且在节点处节段式内管高出节点一段距离，达到预先设计好的高度；待所有节段式中空混凝土组合柱连接好后，在节段式外管和节段式内管夹层中浇筑高强混凝土，形成中空管混凝土组合柱；安装节点，通过节点的下连接环与组合柱的节段式外管连接，通过高强螺栓将节段式蜂窝型梁和节点连接，连接之后对连接处进行焊接；接着向节点的节段式内管与节段式外管夹层处浇筑混凝土，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系，然后陆续施工第二层至顶层。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的这种外套式整体节点传力明确，施工便利，可以在工厂制作到现场安装，施工速度快，缩短建设周期，取得更好的经济效益。

2、本发明采用的节段式中空管混凝土组合柱抗弯刚度大、抗震性能好，该类结构使钢材与混凝土结构融合在一起，充分发挥了材料的力学性能。而且组合柱中的内钢管与外钢管可以在现场安装，施工方便，还可兼作模板，避免了大量模板的使用。

3、本发明采用的节段式蜂窝型工字梁其抗弯刚度大、承载力高，满足大开间体系的跨度要求，并且在梁下面张拉预应力筋可进一步提高构件的刚度。

4、本发明中外套整体式节点端梁上可开洞，便于建筑设备和管道的穿越。

5、本发明采用的梁下带内凹槽的转向块，下面可张拉不同形式的预应力筋，大大减小构件的变形。

6、本发明采用的节段式蜂窝型工字梁腹板是平板、折板和正弦曲线型板，可以增大腹板与翼缘的接触面积，进一步提高构件的承载力和防屈曲的能力。

7、本发明采用的节段式蜂窝削弱型工字梁不仅保留了节段式蜂窝型工字梁的优点，还使得结构体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。

8、本发明采用的可拆换的翼缘和腹板削弱的耗能梁块，在罕遇地震下确保塑性铰发生在耗能梁块上，强震过后对结构体系进行修复，可将局部削弱的耗能梁块更换，从而保证整体结构仍可正常服役。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是外套整体式节点示意图；

图3是节点端梁可开洞的外套整体式节点示意图；

图4是中空管混凝土组合柱截面形式；

图5是安装外套整体式节点之前节段式内管突出示意图；

图6是浇注完混凝土的节点示意图；

图7是图6中1-1剖面图；

图8是蜂窝型工字梁与节点的连接示意图；

图9是蜂窝型工字梁与节点的连接平面图；

图10是带可拆换削弱段的蜂窝型工字梁与节点的连接示意图；

图11是削弱段的示意图；

图12是带下突连接板的体外预应力节段式蜂窝型工字梁；

图13是梁下设置带内凹槽转向块的体外预应力蜂窝型工字梁；

图14是腹板采用正弦曲线型板的工字梁。

图中：1组合柱 2组合梁 3节点 4上连接环 5下连接环 6节点外管 7上加强环板 8下加强环板 9上翼缘 10节点下突板 11节点腹板 12螺栓孔 13下翼缘 14梁连接板 15节段式内管 16节段式外管 17抗剪栓钉 18预应力筋孔 19高强混凝土 20洞 21削弱段 22预应力筋 23带内凹槽的转向块 24内衬环 25削弱段连接板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

实施例1：

结合图1、图2、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图12、图13、图14所示，这种中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系由组合柱1和组合梁2通过节点3连接构成，组合梁2水平设置在组合柱1之间，节点3为内填高强混凝土的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环4和下连接环5的节点外管6，上连接环4和下连接环5上均设有螺栓孔12，节点外管6上部有上加强环板7，下部有下加强环板8，上加强环板7水平向外延伸形成工字型端梁的上翼缘9，下加强环板8水平向外延伸形成工字型端梁的下翼缘13，工字型端梁的上翼缘9、下翼缘13之间为节点腹板11，工字型端梁的端部通过节点下突板10连接，节点下突板10位于工字型端梁的上翼缘9与工字型端梁的下翼缘13之间的部位设置螺栓孔12，节点下突板10位于工字型端梁之下的部位设有预应力筋孔18；组合柱1为节段式中空管混凝土组合柱，组合梁2为节段式体外预应力蜂窝型工字梁，节段式体外预应力蜂窝型工字梁两端的侧面均设置梁连接板14，梁连接板14的下端带有梁下突板，梁连接板14上设置螺栓孔12，梁下突板上也设置预应力筋孔18，通过梁下突板张拉锚固预应力筋22；节点3通过上连接环4、下连接环5与组合柱1固定连接，节点3通过节点下突板10与组合梁2的梁连接板14连接。

节段式中空管混凝土组合柱由节段式内管15、节段式外管16及夹层混凝土构成，节段式内管15、节段式外管16均带有连接环，在节段式内管15外表面上布置抗剪栓钉17，在节段式内管15的内部隔一定间距布置内衬环24，防止节段式内管15发生屈曲。节段式内管15的连接环与节段式外管16的连接环相互错开，避免在同一高度处螺栓连接。首先连接节段式内管15，然后连接节段式外管16，确保节段式内管15始终高于节段式外管16，在节段式内管15、节段式外管16的夹层中浇筑高强混凝土19。

节段式体外预应力蜂窝型工字梁两端均为带螺栓孔12的下突板，通过突板张拉锚固预应力筋22，预应力筋22可以是直线型的，也可以在蜂窝型工字梁下部布置带内凹槽的转向块23，形成折线型或者曲线型的。蜂窝型孔可以是圆形、六边形和多边形的，梁腹板可以是平板，也可以是折板或者正弦曲线型板。

本发明蜂窝型工字梁的工字型梁腹板上布置横向加劲肋，可增加梁腹板的稳定性。

本发明中节段式蜂窝型工字梁将梁端设置有削弱段21，削弱段21具有弧形凹槽，结构体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。

本发明外套整体式节点的节点端梁上可开洞20（参阅图3），便于建筑设备和管道的穿越。

本发明组合柱内外管、外套整体式节点及梁可采用钢材或者FRP材料。

上述中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系的施工方法：

首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括两端焊好连接环的节段式外管16与节段式内管15，节段式蜂窝型工字梁及外套整体式节点。将框架体系所有焊好连接环节段式外管16和节段式内管15与基础实现固接，外管高出基础0.5m左右，内管比外管高出0.5m左右，便于内外管的连接，同时确保内外管连接位置错开，然后向夹层中浇筑高强混凝土19。高强混凝土19达到一定强度后将两端焊好连接环的节段式内管15下部通过连接环与整体高于地面的组合柱内管连接好，接着再将两端焊好连接环的节段式外管16下部通过连接环与整体高于地面的组合柱外管连接好，确保内管始终高于外管，并且在梁柱节点处内管高出节点3一段距离，达到预先设计好的高度。待所有节段式中空混凝土组合柱连接好后，在内外管夹层中浇筑高强混凝土19，形成中空管混凝土组合柱。安装外套整体式节点，通过节点3的下连接环5与底层柱外管实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式蜂窝型梁和外套整体式节点连接，连接之后对连接处进行适当的焊接，同时安装完成其他框架节点和梁，接着向节点3的内外管夹层处浇筑混凝土，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系。然后陆续施工第二层至顶层，这种施工方法称为由下向上的常规施工法。这种施工方法的钢构件全部为工厂预制，大大减少劳动力，缩短了施工周期，现场浇筑混凝土，框架整体性好，整体造价较低。该种施工方法中节段式蜂窝型工字梁可采用梁端削弱型的，也可以采用可拆换的翼缘和腹板削弱的耗能梁块连接。

实施例2：

这种中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系由组合柱1和组合梁2通过节点3连接构成，组合梁2水平设置在组合柱1之间，节点3为内填高强混凝土19的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环4和下连接环5的节点外管6，上连接环4和下连接环5上均设有螺栓孔12，节点外管6上部有上加强环板7，下部有下加强环板8，上加强环板7水平向外延伸形成内腔相通的工字型端梁的上翼缘9，下加强环板8水平向外延伸形成内腔相通的工字型端梁的下翼缘13，工字型端梁的上翼缘9、下翼缘13之间为节点腹板11，工字型端梁的端部通过节点连接板连接，节点连接板设置螺栓孔12；组合柱1为节段式中空管混凝土组合柱，组合梁2为节段式体外预应力蜂窝型工字梁，节段式体外预应力蜂窝型工字梁两端的侧面均设置梁连接板14，梁连接板14的下端带有梁下突板，梁连接板14上设置螺栓孔12，梁下突板上也设置预应力筋孔18，通过梁下突板张拉锚固预应力筋22；节点3通过上连接环4、下连接环5与组合柱1固定连接，结合图10、图11所示，节点3通过节点连接板与组合梁2的削弱段21连接；削弱段21为可拆卸的，削弱段21具有弧形凹槽，削弱段21的两端设置有削弱段连接板25，削弱段21通过一端削弱段连接板25与组合梁2连接，削弱段21通过另一端削弱段连接板25与节点端梁连接。削弱段21也称为削弱耗能梁块。

这种中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系的施工方法：

首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括两端焊好连接环的节段式外管16与节段式内管15，两端焊好下突钢板的节段式蜂窝型工字梁及外套整体式节点。将框架体系所有焊好连接环节段式外管16和节段式内管15与基础实现固接，外管高出基础0.5m左右，内管比外管高出0.5m左右，便于内外管的连接，同时确保内外管连接位置错开，然后向夹层中浇筑高强混凝土19。高强混凝土19达到一定强度后将两端焊好连接环的节段式内管15下部通过连接环与整体高于地面的组合柱内管连接好，接着再将两端焊好连接环的节段式外管16下部通过连接环与整体高于地面的组合柱外管连接好，确保内管始终高于外管，并且在节点3处内管高出节点3一段距离，达到预先设计好的高度。待所有节段式中空混凝土组合柱连接好后，在内外管夹层中浇筑高强混凝土19，形成中空管混凝土组合柱。安装整体式节点，通过节点3的下连接环5与底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式蜂窝型工字梁和外套整体式节点连接，连接之后对连接处进行适当的焊接，陆续安装完成其他框架节点和梁，接着向节点3的内外管夹层处浇筑混凝土，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系。然后同底层一样完成二层的钢构件的连接。在底层梁和节点连接处的下突板中布置无粘结预应力钢筋，对梁中的预应力钢筋进行张拉，达到张拉控制应力，形成底层预应力组合框架体系。然后陆续施工第二层至顶层，确保柱和节点3内填满混凝土，且保证柱和节点3混凝土的贯通性。在张拉下层预应力钢筋时要确保本层钢结构已经可靠连接且下层节点混凝土达到一定强度，避免体系在张拉预应力钢筋过程中发生较大的变形。这种施工方法称为降一张拉法，这种施工方法的钢构件全部为工厂预制，大大减少劳动力，缩短了施工周期，现场浇筑混凝土，整体贯通性好。该种施工方法中两端焊好下突钢板的节段式蜂窝型工字梁可采用梁端削弱型的，也可以采用可拆换的翼缘和腹板削弱的耗能梁块连接，预应力筋22可以是直线型的，也可是通过转向块形成折线或曲线型的。

这种中空钢管混凝土整体节点构成的框架体系还可以采用如下施工方法：

首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括两端焊好连接环的节段式外管16与节段式内管15，两端焊好下突钢板的节段式蜂窝型工字梁及外套整体式节点。将框架体系所有焊好连接环的节段式外管16和节段式内管15与基础实现固接，外管高出基础0.5m左右，内管比外管高出0.5m左右，便于内外管的连接，同时确保内外管连接位置错开，然后向夹层中浇筑高强混凝土19。高强混凝土19达到一定强度后将两端焊好连接环的节段式内管15下部通过连接环与整体高于地面的组合柱内管连接好，接着再将两端焊好连接环的节段式外管16下部通过连接环与整体高于地面的组合柱外管连接好，确保内管始终高于外管，并且在节点3处内管高出节点3一段距离，达到预先设计好的高度。待所有节段式中空混凝土组合柱连接好后，在内外管夹层中浇筑高强混凝土19，形成中空管混凝土组合柱。安装外套整体式节点，通过节点3的下连接环5与底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式蜂窝型工字梁和整体式节点连接，连接之后对连接处进行适当的焊接，陆续安装完成其他框架节点和梁，接着向节点3的内外管夹层处浇筑混凝土，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系。然后同底层一样完成二层的钢构件的连接。然后浇筑混凝土至二层柱顶，确保柱和节点3内填满混凝土，且保证柱和节点混凝土的贯通性，养护达到一定强度后，向二层节点内浇筑混凝土。然后陆续施工第三层至顶层，待所有楼层全部施工完毕，在底层梁和节点3连接处的下突板中布置无粘结预应力钢筋，自底向上依次一次性张拉完每层的预应力筋22，实现可靠锚固，完成整体框架的预应力施工，这种施工方法称为先整体后张拉法。优点在于框架形成后张拉预应力筋22，和常规的预应力混凝土框架一样，确保整体受力。而且框架体系可逐层不间断施工，预应力筋22可实现集中张拉，预应力技术人员现场张拉时间短，整体造价低。该种施工方法中两端焊好下突钢板的节段式蜂窝型工字梁可采用梁端削弱型的，也可以采用可拆换的翼缘和腹板削弱的耗能梁块连接，预应力筋22可以是直线型的，也可是通过转向块形成折线或曲线型的。