一种钢梁与宽钢管混凝土柱连接的组合加强式节点的制作方法

本发明涉及一种用于钢梁与宽钢管混凝土柱连接的组合加强式节点，可广泛应用于多高层钢结构中h型钢梁与宽钢管混凝土柱的刚接连接。

背景技术：

多高层钢结构中，钢梁多为h型钢梁，钢柱多为矩形钢管混凝土柱。钢梁与钢柱的刚接连接是提供结构整体刚度和抗震性能的最基本的措施。目前常用的刚接节点是在钢柱对应梁翼缘的位置设置横隔板，钢梁翼缘的内力通过隔板传递给钢柱，从而形成刚接节点。隔板有内隔板与贯通横隔板两种，分别对应于箱型柱和冷弯成型高频焊接矩形钢管柱两种构件。

为了方便钢管柱内混凝土的浇灌，隔板上需要设置灌浆孔和透气孔，灌浆孔的直径不宜小于150mm。另外，为了节点域内力传递需要，灌浆孔对隔板的削弱不能过大，这就要求钢柱的截面宽度不能过小，一般不小于350～400mm。在钢结构住宅中，过大的钢柱截面会在住宅的各个功能房间四角出现凸柱现象，影响室内建筑使用功能，因此应尽量将结构构件隐藏在墙体厚度内，这就要求住宅内采用的钢构件截面宽度最好控制在180mm至300mm之间。

当前我国正在大力推广建筑工业化和住宅产业化，钢结构是较好的装配式建筑产品，抗震性能极其优越。怎样将钢结构用于住宅体系，充分发挥钢结构产业化的特性，并满足住宅建筑的功能需求，是一项非常重要且迫切的工作。因此为解决室内凸柱的问题，提出了采用宽钢管混凝土柱的形式，将钢箱形柱的短边尺寸尽量做小，和混凝土剪力墙厚度等同，钢箱形柱的长边尺寸则尽量做大，形成宽钢管混凝土柱，以满足住宅对钢结构体系提出的要求。但是宽钢管混凝土柱由于截面短边尺寸较小，为保证顺利浇灌内部混凝土，不能在节点区设置横隔板，因此与钢梁的连接无法采用贯通横隔板的形式。

基于以上技术背景，目前在工程实践中存在隔板连接节点要求钢柱截面不能过小，而建筑功能要求钢柱截面不能过大的矛盾。

现已有局部贯通横隔板以及外贴板式连接节点等新型节点形式，但分别有其各自的缺点。局部贯通横隔板在弱轴连接时需要进行插板，将会形成局部封闭区间无法灌注混凝土；外贴板式连接节点在下翼缘处容易外凸影响建筑外观和梁下部窗框的安装。

技术实现要素：

为了克服现有隔板式梁柱刚接节点与钢结构住宅需要较小钢柱截面的矛盾，配合宽钢管混凝土柱住宅结构体系的开发，本发明提出了一种用于钢梁与宽钢管混凝土柱连接的组合加强式节点，可广泛应用于多高层钢结构中h型钢梁与宽钢管混凝土柱的刚接连接，节点形式简单，加工方便快捷，传力路径明确，能满足梁柱刚接节点的传力需求，不会对管内混凝土的灌注形成阻隔，同时不影响建筑外观构造。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括宽钢管混凝土柱、钢梁、外贴板、局部贯通横隔板、连接板和竖向插板；宽钢管混凝土柱的短边与钢梁相连，钢梁的上翼缘、下翼缘、腹板分别通过两块外贴板、一块局部贯通横隔板、一块连接板后与宽钢管混凝土柱短边的柱壁相连。

宽钢管混凝土柱位于建筑平面中部时，所述宽钢管混凝土柱长边一端的两侧通过竖向插板分别与两根钢梁相连，竖向插板分别与外贴板和局部贯通横隔板相连。

所述宽钢管混凝土柱的一个短边通过两块第一外贴板、一块第一局部贯通横隔板、一块第一连接板后与第一钢梁相连；第一钢梁上翼缘的一侧和宽钢管混凝土柱一侧长边所在的侧面之间均通过一块第一外贴板连接，第一钢梁上翼缘的另一侧和宽钢管混凝土柱另一侧长边所在的侧面之间均通过另一块第一外贴板连接，两块第一外贴板的一部分分别焊接在第一钢梁上翼缘的两侧，两块第一外贴板的另一部分分别焊接在宽钢管混凝土柱两侧长边所在的表面；宽钢管混凝土柱靠近短边一侧开有用于插入第一局部贯通横隔板的水平槽，第一局部贯通横隔板的一端插入水平槽中并且与宽钢管混凝土柱相连部分焊接，第一局部贯通横隔板的另一端伸出宽钢管混凝土柱后与第一钢梁的下翼缘通过第三焊缝连接；伸入宽钢管混凝土柱中的第一局部贯通横隔板上开有第一圆孔，第一圆孔作为第一通气孔；一块第一连接板通过第一高强螺栓安装在靠近宽钢管混凝土柱的第一钢梁腹板上，第一连接板的一侧和第一钢梁腹板的边缘重合并与宽钢管混凝土柱短边的柱壁焊接。

宽钢管混凝土柱位于建筑平面中部时，所述宽钢管混凝土柱的另一个短边通过两块第二外贴板、一块第二局部贯通横隔板、一块第二连接板后与第四钢梁相连；

第四钢梁上翼缘的一侧和宽钢管混凝土柱一侧长边所在的侧面之间均通过一块第二外贴板连接，第四钢梁上翼缘的另一侧和宽钢管混凝土柱另一侧长边所在的侧面之间均通过另一块第二外贴板连接，两块第二外贴板的一部分分别焊接在第四钢梁上翼缘的两侧，两块第二外贴板的另一部分分别焊接在宽钢管混凝土柱两侧长边所在的表面；宽钢管混凝土柱靠近短边一侧开有用于插入第二局部贯通横隔板的水平槽，第二局部贯通横隔板的一端插入水平槽中并且与宽钢管混凝土柱相连部分焊接，第二局部贯通横隔板的另一端伸出宽钢管混凝土柱后与第四钢梁的下翼缘通过第三焊缝焊接；伸入宽钢管混凝土柱中的第二局部贯通横隔板上开有第二圆孔，第二圆孔作为第二通气孔；一块第二连接板通过第二高强螺栓安装在靠近宽钢管混凝土柱的第四钢梁腹板上，第二连接板的一侧和第四钢梁腹板的边缘重合并与宽钢管混凝土柱短边的柱壁焊接；

安装第四钢梁的宽钢管混凝土柱长边两侧通过竖向插板分别与第二钢梁和第三钢梁相连，竖向插板分别与第二外贴板和第二局部贯通横隔板相连；

所述竖向插板包括第一竖向插板、第二竖向插板和第三竖向插板；第二竖向插板和第三竖向插板均沿平行于宽钢管混凝土柱短边方向垂直穿过宽钢管混凝土柱，第二竖向插板中部均与两块第二外贴板插入宽钢管混凝土柱的端部焊接，第一竖向插板沿平行于宽钢管混凝土柱短边方向垂直穿过两块第二外贴板，第一竖向插板将两块第二外贴板均分割为两部分后且在分割处焊接，同时第一竖向插板固定焊接在宽钢管混凝土柱短边所在的端面，第一竖向插板和第二竖向插板平行布置；

第一竖向插板和第二竖向插板两端之间分别焊接安装第二钢梁上翼缘和第三钢梁上翼缘，第三竖向插板中部与第二局部贯通横隔板伸入到宽钢管混凝土柱内的端部焊接，同时第二钢梁和第三钢梁的下翼缘分别与第二局部贯通横隔板两个侧面焊接，两块第三连接板通过第三高强螺栓分别固定安装在第二钢梁和第三钢梁的腹板上。

局部贯通横隔板厚度tip按照以下公式设置：

其中，tip为局部贯通横隔板的厚度；bip为局部贯通横隔板的宽度；tfb为钢梁翼缘的厚度；hb为钢梁高度；zpb为钢梁截面塑性模量；fyb为钢梁翼缘钢材屈服强度；fyj为加强板的钢材屈服强度，加强版包括外贴板、局部贯通横隔板和连接板，；ηj为宽钢管混凝土柱刚性连接的连接系数。

所述的上翼缘的外贴板厚度tfp按照以下公式设置：

其中，tfp为外贴板厚度；hfp为外贴板在宽钢管混凝土柱垂直方向上的长度，tip为局部贯通横隔板的厚度，bip为局部贯通横隔板的宽度。

所述的宽钢管混凝土柱是由矩形钢管内部浇筑混凝土而成，矩形钢管的长边与短边比值为1～4。

所述的钢梁为h型钢梁，钢梁翼缘与宽钢管混凝土柱的柱壁进行焊接。

所述的竖向插板与宽钢管混凝土柱长边柱壁进行焊接；所述的钢梁与竖向插板进行焊接；所述的连接板与宽钢管混凝土柱的柱壁进行焊接。

所述的外贴板和局部贯通横隔板四周均与宽钢管混凝土柱的柱壁进行焊接；所述的外贴板和局部贯通横隔板四周均与钢梁翼缘进行焊接；所述的外贴板和局部贯通横隔板四周均与竖向插板进行焊接。

当钢梁与宽钢管混凝土柱短边进行刚接连接时，钢梁上翼缘通过外贴板连接到钢柱柱壁，钢梁下翼缘通过局部贯通横隔板与钢柱连接。在宽钢管混凝土柱短边与钢梁腹板相连接的部位设置连接板，钢梁腹板通过连接板与宽钢管混凝土柱进行连接。

若宽钢管混凝土柱位于建筑平面中部，则宽钢管混凝土柱的端部要同时与多个方向的钢梁进行刚接连接。当宽钢管混凝土柱的长边需要连接钢梁时，钢梁与宽钢管混凝土柱偏心连接时，在宽钢管混凝土柱中间设置插板。钢梁上翼缘靠近柱壁一侧与柱壁通过外贴板连接，上翼缘靠近插板一侧通过插板与柱壁连接；钢梁下翼缘通过局部贯通横隔板与宽钢管混凝土柱连接。在宽钢管混凝土柱长边与钢梁腹板相连接的部位设置连接板，钢梁腹板通过连接板与宽钢管混凝土柱进行连接。

相比已有的在钢梁上翼缘和下翼缘均采用外贴板或局部贯通横隔板来连接钢梁和宽钢管混凝土柱的技术方案，本发明在上翼缘和下翼缘分别采用不同连接结构的优势主要体现在有效改善了梁柱连接节点的受力性能。对于现有的外贴板节点，理论分析和试验研究表明，在传递钢梁弯矩的过程中，外贴板与翼缘连接的起始位置存在应力集中现象。实际工程中，钢梁上翼缘由于有混凝土楼板参与工作，应力集中现象有所改善；但是在钢梁下翼缘，应力集中会使得外贴板与翼缘连接的位置过早的出现裂缝，从而影响钢材塑性性能的发挥。将下翼缘连接构造改为局部贯通横隔板，将使得钢梁下翼缘传力更直接，消除了对接处的应力集中现象，同时外贴板节点在下翼缘处容易外凸影响建筑外观和钢梁下部窗框的安装，改为局部贯通横隔板也能更好的满足建筑功能要求。对于现有的局部贯通横隔板节点，当钢梁与宽钢管混凝土柱长边进行连接时，若设置竖向插板来进行连接，将在柱子内部形成局部封闭空腔，无法灌注混凝土，因此当钢梁需要与宽钢管混凝土柱长边进行连接时，不能在节点区设置竖向插板。根据现有的分析结果，往复荷载作用下梁柱节点的塑性发展区将转移至柱壁板上，梁柱节点将出现节点域破坏模式，不能实现强节点弱构件的性能目标。在上翼缘采用外贴板连接构造，可解决竖向插板的设置问题，从而改善了钢梁与宽钢管混凝土柱长边连接的受力性能。

本发明的技术原理是：

1、钢梁端部的弯矩在节点区域表现为上下翼缘的拉压轴力，该轴力先通过翼缘与局部贯通横隔板和外贴板之间的焊缝传递到局部贯通横隔板和外贴板上，通过局部贯通横隔板和外贴板可将轴力直接传递给宽钢管混凝土柱，节点传力路径非常明确。

2、针对宽钢管混凝土柱的端部同时与多个方向的钢梁进行刚接连接的情况，将宽钢管混凝土柱偏心连接到钢梁，同时增设竖向插板，可起到对节点连接区域进行加强的作用。具体的，在柱端和钢梁的节点连接区域，竖向插板和三面柱壁形成了箱形封闭区域，提高了宽钢管混凝土柱的端部节点区的整体性，宽钢管混凝土柱的节点和节点连接区域具有很好的刚度和强度，有效的改善了柱端复杂的应力状态。

3、钢梁上翼缘与外贴板连接较长，下翼缘与局部贯通横隔板连接位置离宽钢管混凝土柱较远，可保证地震作用下塑性铰出现在远离节点区的钢梁上，节点连接区域不会先发生破坏，从而提高了节点的抗震延性。

4、钢梁端部的剪力通过钢梁腹板与连接板之间的高强螺栓传递给连接板，然后通过连接板传递给宽钢管混凝土柱。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明解决了宽钢管混凝土柱端部与多个方向的钢梁进行刚接连接的问题，主要体现在提供了宽钢管混凝土柱同时在强轴方向和弱轴方向与钢梁刚接的构造做法。

2、对本发明的节点形式已进行了有限元分析，分析结果表明采用本发明提供的节点构造形式能够保证节点和节点连接区域的刚度和强度，钢梁上出现了塑性铰，节点延性系数达到5.5以上，可实现强节点弱构件的设计目标。

3、本发明的节点形式可避免外贴板式节点导致的影响建筑外观，也不会对钢梁下部窗框的安装造成阻碍；另外还避免了上下同时设置局部贯通横隔板及竖向插板形成封闭区间，从而影响混凝土浇灌的问题，可保证管内混凝土具有良好的浇筑质量。

4、本发明的节点形式钢材用量小，可降低建造成本。

本发明可广泛应用于钢结构住宅、公寓等居住建筑中截面短边尺寸较小的宽钢管混凝土柱与钢梁的连接节点中。

附图说明

图1为本发明的实施例1。

图2为图1的a-a面剖视图。

图3为图1的b-b面剖视图。

图4为本发明的实施例2。

图5为图4的a-a面剖视图。

图6为图4的b-b面剖视图。

图7为组合加强式节点的塑性应变分布图。

图8为组合加强式节点的梁端力—梁端位移滞回曲线图。

图中：1、宽钢管混凝土柱，2、第一钢梁，3、第一外贴板，4、第一局部贯通横隔板，5、第一连接板，6、第一高强螺栓，7、第一焊缝，8、第二焊缝，9、第一通气孔，10、第一竖向插板，11、第二竖向插板，12、第三竖向插板，13、第二外贴板，14、第四焊缝，15、第二局部贯通横隔板，16、第二钢梁，17、第五焊缝，18、第三连接板，19、第三高强螺栓，20、第三钢梁，21、第二通气孔，22、第四钢梁。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1-3所示，本发明包括宽钢管混凝土柱1、钢梁、外贴板、局部贯通横隔板、连接板和竖向插板；如图1所示，宽钢管混凝土柱1的短边与钢梁相连，钢梁的上翼缘、下翼缘、腹板分别通过两块外贴板、一块局部贯通横隔板、一块连接板后与宽钢管混凝土柱1短边的柱壁相连。宽钢管混凝土柱1是由矩形钢管内部浇筑混凝土而成，矩形钢管的长边与短边比值为1～4。钢梁为h型钢梁，钢梁翼缘与宽钢管混凝土柱1的柱壁进行焊接。

宽钢管混凝土柱1的一个短边通过两块第一外贴板3、一块第一局部贯通横隔板4、一块第一连接板5后与第一钢梁2相连；第一钢梁2上翼缘的一侧和宽钢管混凝土柱1一侧长边所在的侧面之间均通过一块第一外贴板3连接，第一钢梁2上翼缘的另一侧和宽钢管混凝土柱1另一侧长边所在的侧面之间均通过另一块第一外贴板3连接，两块第一外贴板3的一部分分别焊接在第一钢梁2上翼缘的两侧，两块第一外贴板3的另一部分分别焊接在宽钢管混凝土柱1两侧长边所在的表面，两块第一外贴板3的另一部分和第一钢梁2两侧长边之间通过第一焊缝7焊接；

宽钢管混凝土柱1靠近短边一侧开有用于插入第一局部贯通横隔板4的水平槽，第一局部贯通横隔板4的一端插入水平槽中并且与宽钢管混凝土柱1相连部分通过第二焊缝8焊接，第一局部贯通横隔板4的另一端伸出宽钢管混凝土柱1后与第一钢梁2的下翼缘通过第三焊缝连接；伸入宽钢管混凝土柱1中的第一局部贯通横隔板4上开有第一圆孔，第一圆孔作为第一通气孔9，第一通气孔9在灌注混凝土时排气；第一局部贯通横隔板4与第一钢梁2的下翼缘位于同一平面上；

一块第一连接板5通过第一高强螺栓6安装在靠近宽钢管混凝土柱1的第一钢梁2腹板上，第一连接板5的一侧和第一钢梁2腹板的边缘重合并与宽钢管混凝土柱1短边的柱壁焊接。

实施例2

如图4-6所示，宽钢管混凝土柱1位于建筑平面中部时，宽钢管混凝土柱1长边一端的两侧通过竖向插板分别与两根钢梁相连，竖向插板分别与外贴板和局部贯通横隔板相连。

宽钢管混凝土柱1位于建筑平面中部时，宽钢管混凝土柱1的另一个短边通过两块第二外贴板13、一块第二局部贯通横隔板15、一块第二连接板后与第四钢梁22相连；

第四钢梁22上翼缘的一侧和宽钢管混凝土柱1一侧长边所在的侧面之间均通过一块第二外贴板13连接，第四钢梁22上翼缘的另一侧和宽钢管混凝土柱1另一侧长边所在的侧面之间均通过另一块第二外贴板13连接，两块第二外贴板13的一部分分别焊接在第四钢梁22上翼缘的两侧，两块第二外贴板13的另一部分分别焊接在宽钢管混凝土柱1两侧长边所在的表面，两块第二外贴板13的另一部分和第四钢梁22两侧长边之间通过焊缝焊接；

宽钢管混凝土柱1靠近短边一侧开有用于插入第二局部贯通横隔板15的水平槽，第二局部贯通横隔板15的一端插入水平槽中并且与宽钢管混凝土柱1相连部分通过焊缝焊接，第二局部贯通横隔板15的另一端伸出宽钢管混凝土柱1后与第四钢梁22的下翼缘通过第三焊缝焊接；伸入宽钢管混凝土柱1中的第二局部贯通横隔板15上开有第二圆孔，第二圆孔作为第二通气孔21，第二通气孔21在灌注混凝土时排气；第二局部贯通横隔板15与第四钢梁22的下翼缘位于同一平面上；

一块第二连接板通过第二高强螺栓安装在靠近宽钢管混凝土柱1的第四钢梁22腹板上，第二连接板的一侧和第四钢梁22腹板的边缘重合并与宽钢管混凝土柱1短边的柱壁焊接；

安装第四钢梁22的宽钢管混凝土柱1长边两侧通过竖向插板分别与第二钢梁16和第三钢梁20相连，竖向插板分别与第二外贴板13和第二局部贯通横隔板15相连；

竖向插板包括第一竖向插板10、第二竖向插板11和第三竖向插板12；第二竖向插板11和第三竖向插板12均沿平行于宽钢管混凝土柱1短边方向垂直穿过宽钢管混凝土柱1，第二竖向插板11中部均与两块第二外贴板13插入宽钢管混凝土柱1的端部焊接，第一竖向插板10沿平行于宽钢管混凝土柱1短边方向垂直穿过两块第二外贴板13并将两块第二外贴板13均分割为两部分后与第二外贴板13分割处通过第五焊缝17焊接，第一竖向插板10固定安装在宽钢管混凝土柱1长边一端的端面，第一竖向插板10和第二竖向插板11平行布置；

第一竖向插板10和第二竖向插板11两端之间分别焊接安装第二钢梁16上翼缘和第三钢梁20上翼缘，第三竖向插板12中部与第二局部贯通横隔板15伸入宽钢管混凝土柱1的端部焊接，第三竖向插板12设置在第一竖向插板10的正下方，第二钢梁16和第三钢梁20的下翼缘分别与第二局部贯通横隔板15两个侧面焊接，第二局部贯通横隔板15侧面具体为第二局部贯通横隔板15中与宽钢管混凝土柱1长边平行的侧面，两块第三连接板18通过第三高强螺栓19分别固定安装在第二钢梁16和第三钢梁20的腹板上。

竖向插板与宽钢管混凝土柱1长边柱壁进行焊接；钢梁与竖向插板进行焊接；连接板与宽钢管混凝土柱1的柱壁进行焊接。

外贴板和局部贯通横隔板四周均与宽钢管混凝土柱1的柱壁进行焊接；外贴板和局部贯通横隔板四周均与钢梁翼缘进行焊接；外贴板和局部贯通横隔板四周均与竖向插板进行焊接。

局部贯通横隔板厚度tip按照以下公式设置：

其中，tip为局部贯通横隔板的厚度；bip为局部贯通横隔板的宽度；tfb为钢梁翼缘的厚度；hb为钢梁高度；zpb为钢梁截面塑性模量；fyb为钢梁翼缘钢材屈服强度；fyj为加强板的钢材屈服强度，加强版包括外贴板、局部贯通横隔板和连接板，；ηj为宽钢管混凝土柱刚性连接的连接系数；考虑抗震时，钢材牌号为q235，钢材之间的连接方式为焊接时，连接系数取1.4；钢材之间的连接方式为螺栓连接时，连接系数取1.45；钢材牌号为q345，钢材之间的连接方式为焊接时，连接系数取1.35；钢材之间的连接方式为螺栓连接时，连接系数取1.4；非抗震时，连接系数均取1.0；钢材具体为本发明中的外贴板、局部贯通横隔板、连接板、宽钢管混凝土柱和竖向插板。

上翼缘的外贴板厚度tfp按照以下公式设置：

其中，tfp为外贴板厚度；hfp为外贴板在宽钢管混凝土柱垂直方向上的长度，tip为局部贯通横隔板的厚度，bip为局部贯通横隔板的宽度，局部贯通横隔板的宽度具体为局部贯通横隔板与钢梁相连部分的宽度。

图7给出了数值模拟得到的组合加强式节点塑性应变分布图，图上深色区域表示的是变形较大的部位。由图7可知，加载过程中，试件变形主要集中在钢梁翼缘和腹板上，宽钢管混凝土柱和节点区域变形较小，表明节点设计实现了强节点弱构件、强柱弱梁的设计目标。图8给出了数值模拟得到的组合加强式节点梁端力—梁端位移滞回曲线图。如图8所示，滞回曲线非常饱满，极限位移可达到50mm，相当于层间位移角为1/30，远远满足层间位移角1/50的大震不倒要求，表明节点延性很好，并具有很强的塑性耗能能力。

本发明提出的设计方法简单适用，通过大批量的数值分析结果表明，经设计之后的组合加强式节点，延性系数可达到5.5以上，节点滞回曲线非常饱满，可明显观察到塑性铰出现在钢梁上，表明节点承载力、延性和耗能能力能够满足抗震设计要求，实现了强节点弱构件的设计目标。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。