专利名称：矩管柱与h形钢梁竖向外联刚接节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种梁柱节点，特别涉及矩管柱具体包括焊接箱形柱，轧制矩管柱及 矩管混凝土柱与H形钢梁的连接的竖向外联刚接节点。
背景技术：
近年来，尤其是在汶川地震以后，我国钢结构住宅的抗震性能及其工业化生产的 研发已逐渐成为一个热点问题，但是钢结构住宅体系的研究与应用在我国还处在起步阶 段。在钢结构住宅体系中，小截面箱形柱和矩管柱，以及矩管混凝土柱因其刚度大，两 个主轴方向刚度相同或相近，用钢量更省等优点而被广泛应用。因此矩管柱(焊接箱形柱， 轧制矩管柱和矩管混凝土柱)和H形钢梁连接而成的框架应用于普通民用钢结构体系是一 种良好的选择。钢结构的应用越发广泛。与其他结构形式相比，建筑钢结构具有卓越的抗震性能， 在历次地震中震害较少，经受住考验，很少发生整体三十和倒塌现象。但是在地震中，钢结 构经常会发生局部破坏，如1997年1月17日美国CaliforniaNorthridge地震和1995年 1月17日的日本阪神地震，其中，引起震害的主要原因之一便是梁柱节点处发生脆性破坏。 所以，钢结构节点的延性设计、耗能性能在整体结构的设计中的地位举足轻重。抗震设计的基本原则是“强剪弱弯，强柱弱梁，强节点弱构件”。由此可以从一个侧 面看出，对于抗震结构而言，节点设计构造的合理性，直接关系到整个结构的抗震性能。梁 柱节点是整个结构传力的中心枢纽，是整个结构得以发挥作用的“主关节”。因此，若是能研 究设计出一种受力明确合理、构造简单、施工方便、抗震性能优越、经济实用的梁柱节点，将 使整个钢结构领域达到一个新的高度。但是，目前梁柱节点还存在很多问题。各典形节点存在问题如下1、“内隔板式节点”，此类节点只适用于焊接箱形柱，对轧制矩管柱并不适用，需要 进行内部施焊，焊接困难，焊缝质量不易保证，而且隔板存在会影响混凝土浇筑，同时，由于 节点焊缝较多，导致节点焊缝附近钢材塑性下降，脆性增加，影响结构塑性的进一步发展；2、“外联板式节点”。外加强环的尺寸较大，尤其在钢管混凝土住宅中由于钢管混 凝土柱截面较小，当外加强式节点环板的尺寸较大，往往给建筑上的处理带来不便，对住宅 内部装饰有较大影响。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种工艺简单、便于加工、可靠性较 高、快速安装、施工工期短的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点。为了达到上述目的，本发明的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，包括矩管柱 和与所述矩管柱的侧面连接的H形钢梁，所述矩管柱与H形钢梁之间设置有箱形牛腿连接 件，所述的箱形牛腿连接件包括与所述矩管柱中心线垂直设置的上端板和下端板以及设置在所述上、下端板之间的立板，所述上、下端板一边设置在所述矩管柱侧面上，与其相对的一边及立板分别连接所述H形钢梁上、下翼缘和腹板。此处的矩管柱为焊接箱形柱，轧制矩管柱或矩管混凝土柱。
特别是，所述上、下端板均呈六边形，该六边形由梯形和一边与该梯形长底边一致的矩形组合构成，所述六边形上、下端板与所述梯形短底边相对的边均设置在所述矩管柱侧面上，短底边及立板分别连接所述H形钢梁上、下翼缘和腹板；所述立板分别与所述六边形上、下端板中部连接并与该六边形上、下端板和与其连接的矩管柱的侧面均垂直设置。
其中，所述六边形上、下端板与所述矩管柱连接的边缘两侧的矩形边分别上下对应设置立置劲板连接。
进一步地，所述的梯形上、下端板为等腰梯形，其侧边坡度在l4一ll之间。
特别是，所述梯形长底边的长度在125mm一500mm之间。
进一步地，所述的梯形上、下端板长底边长度与连接该长底边的所述矩管柱侧面宽度一致，短底边与连接该短底边的所述H形钢梁的上、下翼缘一致。
进一步地，所述的立板呈矩形。
特别是，所述箱形牛腿连接件与所述矩管柱侧面和H形钢梁上、下翼缘之间以及箱形牛腿连接件的上、下端板与左、右立板之间分别焊接，所述立板与H形钢梁腹板之间分别通过设置在其至少一侧的侧板通过螺栓连接或焊接。
其中，所述的箱形牛腿连接件为一至四个，分别相邻90度设置或相对180度设置；相邻设置的两箱形牛腿的相邻的两立置劲板形成“L”形连接件，该“L”形连接件为角钢或焊接钢板。没有设置箱形牛腿的矩管柱侧面设置帖板，该帖板与所述立置劲板一体设置。
上述的结构，节点受力明确合理，避免了复杂受力状态，梁端弯矩、剪力传递应充分可靠；强柱弱梁概念明确，具有良好的延性与耗能性能，保护节点；能批量化生产，提高加工效率；节点板件加工应为简单工艺；现场避免出现仰、侧焊缝，提高焊接质量，降低施工困难；节点构造应简单，这样便于运输和建筑空间布置；取消隔板，保证现场混凝土自由灌筑，这样可有效提高柱的刚度和承载力；现场安装速度快，梁柱现场焊接质量有保证，达到工业化流水线生产与现场快速组装拼接相结合，缩短建筑施工工期。
图2为图l中沿卜l方向剖视结构示意图。
图5为本发明的第一具体实施例的节点平面图。
图8为本发明的第二具体实施例的变形节点平面图。
图 12VonMises 应力云图。图13滞回曲线对比图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。如图1-13所示，本发明的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，包括与钢结构连 接的矩管柱2和与所述矩管柱的侧面连接的H形钢梁3，作为本发明的第一具体实施例，所 述矩管柱与H形钢梁之间设置有一个箱形牛腿连接件1形成一肢节点，所述的箱形牛腿连 接件包括与所述矩管柱中心线垂直设置的上端板11和下端板12以及设置在所述上、下端 板之间的立板13，所述上、端板均呈六边形，该六边形由梯形和一边、与该梯形长底边一致 的矩形组合构成，所述六边形上、下端板与所述梯形短底边bb相对的边均设置在所述矩管 柱侧面上，短底边及立板分别连接所述H形钢梁上、下翼缘31、32和腹板33。所述立板分 别与所述六边形上、下端板中部连接并与该六边形上、下端板和与其连接的矩管柱的侧面 均垂直设置。所述的立板13呈矩形。所述箱形牛腿连接件与所述矩管柱侧面和H形钢梁 上、下翼缘之间以及箱形牛腿连接件的上、下端板与左、右立板之间分别焊接，所述立板与H 形钢梁腹板之间分别通过设置在其连侧的左、右侧板15、16通过高强螺栓17连接。所述的 梯形上、下端板为等腰梯形，其侧边坡度在1 4-1 1之间。所述梯形长底边的长度满足 125mm ^ ba ^ 500mm ；其中，ba彡1. 5bb。进一步地，所述的梯形上、下端板长底边长度与连 接该长底边的所述矩管柱侧面宽度一致，短底边与连接该短底边的所述H形钢梁的上、下 翼缘一致。其中，所述六边形上、下端板与所述矩管柱连接的边缘两侧的矩形边分别上下对 应设置立置劲板14连接。如图12所示，所述的立置劲板14设置在上下端板11、12两侧之 间。图5、图6所示为一肢箱形牛腿节点结构，可采用帖板5焊接在矩形管柱两侧，帖板5向 外悬置的一端置于上下端板之间形成立置劲板14。加工工艺为制作上下翼缘板加宽加厚的箱形牛腿连接件，在工厂完成箱形牛腿 连接件与箱形柱的焊接，现场安装时再通过腹板的摩擦形高强螺栓的拼接与上下梁缘的焊 接，形成与主梁(矩管柱)的刚性连接。这样，在满足强柱弱梁、节点加强抗震要求的同时， 不仅满足了工业化生产的要求，保证了梁柱连接处的焊缝质量，又因无须设置内隔板，使现 场安装速度强快，短缩施工工期。上述的节点结构，从力学性能方面分析，节点受力应明确合理，避免复杂受力状态 的出现；梁端弯矩、剪力传递应充分可靠；强柱弱梁概念明确，在强震的作用下迫使塑性铰 在偏离节点根部的位置形成，具有良好的延性与耗能性能，从而达到保护节点的目的；在 加工工艺方面；节点主要部件能在工厂线性化批量生产，提高加工效率；节点板件加工应 为简单工艺，既可采用热弯、焊接等工艺完成；节点主焊缝避开冷弯角，以避免焊缝影响区 的脆性破坏；考虑材料与弯角的工艺配合关系，以方便加工；非标紧固件厂家能生产；节点 区域取消隔板，保证柱子通长，在加工时无需截断；在施工工艺方面，现场避免出现仰、侧焊 缝，提高焊接质量，降低施工困难；节点构造应简单，这样便于运输和建筑空间布置；取消 隔板，保证现场混凝土自由灌筑，这样可有效提高柱子的刚度和承载力；现场安装速度快， 梁柱现场焊接质量有保证，达到工业化流水线生产与现场快速组装拼接相结合，缩短建筑 施工工期。
作为本发明的第二具体实施例，所述的箱形牛腿连接件为两个形成两肢节点，相 对180度设置，如图7所示，作为本发明的一种变形，所述两箱形牛腿连接件相邻90度设 置，所述适宜于角柱节点，如图8所示。没有设置箱形牛腿的矩管柱侧面用帖板5焊接，帖 板5向外悬置的一端置于上下端板之间形成立置劲板14。作为本发明的第三具体实施例，所述的箱形牛腿连接件为三个形成三肢节点，如 图9所示。没有设置箱形牛腿的矩管柱侧面用帖板5焊接，立置劲板与帖板一体设置。作为本发明的第四具体实施例，所述箱形牛腿连接件为四个，如图10、11所示。分别相邻90度设置或相对180度设置；相邻设置的两箱形牛腿的相邻的两立置劲 板形成“L”形连接件17，该“L”形连接件为角钢或焊接钢板。地震时，变形发生在翼缘宽度变窄部位，避开了变形集中在梁端的状况。而且，变 形发生部位可用侧板长宽尺寸的变化自由控制。这样，梁端塑性变形能力增强，从而使钢结 构抗震能力大幅度提高。参数取值范围为a彡IOOmm (此处a不宜小于100mm)b彡IOOmm (此处b不宜小于100mm)c = (bc-bb) /2tf = tf+ (0 4) mm采用有限元分析时模型中梁柱型号尺寸如下表所示表1梁柱型号尺寸
梁HN300X150X6. 5X9L = 1600mm柱Π 350X350X 12L = 1400mma = 150mmb = 100mmc = 250mm对比分析模型选取《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》(01SG519)中的设有 外联式水平加劲板的箱形截面梁柱节点形式，其中bs = 75mm。对上述模型在相同条件下进行有限元弹塑性分析，其结构如图18-20 由上述对比分析可知，扩板节点的梁端塑性铰已明显外移，满足强柱弱梁、强节点 弱构件的抗震设计思想，达到了如外联式水平加劲板节点相同的保护节点功效。作上述各模型在地震作用下的滞回曲线如图13所示通过对比上述滞回曲线与骨架曲线可知，矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点与 外联式节点滞回曲线均较饱满、骨架曲线相接近，两者均具有良好的延性与耗能性。矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点无须设置内隔板，这样便克服了内隔板焊接 时的困难，具有较好的施工便捷性。通过对梁端塑性铰的对比分析可知，扩板式节点在拟地震作用下，塑性铰外移，满 足强柱弱梁与强节点弱构件的抗震设计要求。通过对扩板式节点与外联式节点的滞回曲线和骨架曲线分析可知，二者荷载-位移滞回曲线呈纺锤形，没有捏缩现象，说明此节点在受荷时，有良好的耗能性能。综上所述，扩板式节点为一种施工便捷、抗震性能优良的节点形式，在工程实际中 具有较高的利用价值。本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上做任何变化，凡是利用上 述的都是本发明的一种变形，均应认为落在本发明保护范围之内。
权利要求
一种矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，包括矩管柱和与所述矩管柱的侧面连接的H形钢梁，其特征在于，所述矩管柱与H形钢梁之间设置有牛腿箱形牛腿连接件，所述的牛腿箱形牛腿连接件包括与所述矩管柱中心线垂直设置的上端板和下端板以及设置在所述上、下端板之间的立板，所述上、下端板一边设置在所述矩管柱侧面上，与其相对的一边及立板分别连接所述H形钢梁上、下翼缘和腹板。
2.如权利要求1所述的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，其特征在于，所述上、下 端板均呈六边形，该六边形由梯形和一边与该梯形长底边一致的矩形组合构成，所述六边 形上、下端板与所述梯形短底边相对的边均设置在所述矩管柱侧面上，短底边及立板分别 连接所述H形钢梁上、下翼缘和腹板；所述立板分别与所述六边形上、下端板中部连接并与 该六边形上、下端板和与其连接的矩管柱的侧面均垂直设置。
3.如权利要求2所述的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，其特征在于，所述六边形 上、下端板与所述矩管柱连接的边缘两侧的矩形边分别上下对应设置立置劲板连接。
4.如权利要求3所述的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，其特征在于，所述的梯形 上、下端板为等腰梯形，其侧边坡度在1 4-1 1之间。
5.如权利要求4所述的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，其特征在于，所述梯形长 底边的长度在125mm-500mm之间。
6.如权利要求5所述的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，其特征在于，所述的梯形 上、下端板长底边长度与连接该长底边的所述矩管柱侧面宽度一致，短底边与连接该短底 边的所述H形钢梁的上、下翼缘一致。
7.如权利要求6所述的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，其特征在于，所述的立板 呈矩形。
8.如权利要求7所述的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，其特征在于，所述牛腿 箱形牛腿连接件与所述矩管柱侧面和H形钢梁上、下翼缘之间以及牛腿箱形牛腿连接件的 上、下端板与左、右立板之间分别焊接，所述立板与H形钢梁腹板之间分别通过设置在其至 少一侧的侧板通过螺栓连接或焊接。
9.如权利要求8所述的矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，其特征在于，所述的箱形 牛腿连接件为一至四个，分别相邻90度设置或相对180度设置；相邻设置的两箱形牛腿的 相邻的两立置劲板形成“L”形连接件，该“L”形连接件为角钢或焊接钢板。
10.如权利要求1-9任一所述矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，其特征在于，矩管 柱为焊接箱形柱、轧制矩管柱或矩管混凝土柱。
全文摘要
本发明公开了一种矩管柱与H形钢梁竖向外联刚接节点，为解决现有技术中制作工艺复杂、施工工期长等问题而发明。包括矩管柱和H形钢梁，矩管柱与H形钢梁之间设牛腿箱形牛腿连接件，箱形牛腿连接件包括上、下端板及设在上、下端板之间的立板，上、下端板一边设在矩管柱侧面上，与其相对的一边及立板分别连接H形钢梁上、下翼缘和腹板。通过箱形牛腿连接件的设置完成节点内力传递，避免焊缝受力集中，增强节点抗震性和抗弯性，批量化生产，提高加工效率；工艺简单；提高焊接质量，降低施工困难；便于运输和建筑空间布置；解决了隔板在矩管柱中焊接困难的难题；达到工业化流水线生产与现场快速组装拼接相结合，缩短建筑施工工期。
文档编号E04B1/58GK101949173SQ201010298999
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者卞晓芳, 吴昌栋, 吴耀华, 季小莲, 李伟男, 李晓润, 杨春峰, 程荣, 罗佑新, 陈水荣 申请人:中冶建筑研究总院有限公司;中国京冶工程技术有限公司