一种抗震框架顶层端节点的构造及其施工方法
【专利摘要】本发明提供一种抗震框架顶层端节点的构造，该构造使用了由柱筋连接板、梁筋连接板和中间连接板焊接而成的钢筋连接器。本发明用于地震区框架结构顶层端节点，框架—剪力墙结构框架部分的顶层端节点中梁上部钢筋与柱外侧钢筋在节点内的连接，解决了位于地震区的框架顶层端节点梁上部钢筋、柱外侧钢筋因搭接导致影响钢筋与混凝土的粘结性能，以及节点区钢筋拥挤不便于施工以及带来的施工质量问题。本发明还提供了上述抗震框架顶层端节点构造的施工方法。
【专利说明】一种抗震框架顶层端节点的构造及其施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种框架顶层端节点，特别是涉及一种抗震框架顶层端节点的构造及其施工方法。
【背景技术】
[0002]在受到地震作用的框架结构，框架-剪力墙结构的框架部分的顶层端节点中，为了满足梁端和柱端传递负弯矩的要求，伸入节点的梁上部钢筋和柱外侧钢筋须采取在节点内进行搭接的方法。目前我国的工程建设标准和图集给出的搭接方法主要有:
[0003]1、梁内搭接方法(《混凝土结构设计规范》GB50010-2010)。如说明书附图图1所示，柱外侧钢筋伸至节点顶部后向梁端弯折，梁上部钢筋伸至节点对边后向下弯折，梁、柱钢筋在节点外侧及顶面进行弯折搭接，总的搭接长度不小于1.51abE，此处labE为钢筋的抗震锚固长度。为清晰起见，图1中没有画出柱的内侧钢筋、梁的下部钢筋、直交梁的上、下部纵筋以及节点区的箍筋。该搭接方法的缺点在于:(1)由于通常柱的截面宽度比梁的截面宽度宽，因此柱外侧钢筋的排列与梁上部钢筋的排列通常不能对齐搭接，导致梁、柱钢筋在节点的顶部不能上下对齐，加上直交梁的上部钢筋也要从节点顶部沿另一直交方向贯穿节点，使得由节点顶部向节点内浇筑混凝土时，常常发生浇筑不畅，不仅降低了劳动生产率，也极易出现混凝土的浇筑质量问题；(2)在放置节点区箍筋时，特别是节点尺寸较大，需要在节点区设置复合箍筋时，弯折柱筋妨碍节点箍筋的就位和绑扎。
[0004]2、柱内搭接方法(《混凝土结构设计规范》GB50010-2010)。如说明书附图图2所示，梁上部钢筋伸至节点对边后向下弯折，与柱外侧钢筋在节点外侧直线搭接。总的搭接长度不小于1.71abE，此处labE为钢筋的抗震锚固长度。同理，为清晰起见，图1中没有画出柱的内侧钢筋、梁的下部钢筋、直交梁的上、下部纵筋以及节点区的箍筋。该方法最大缺点是由于钢筋直线搭接的长度较长(例如对于二级抗震等级框架，取C30混凝土、直径20mm的HRB400MPa级钢筋，其搭接长度为1.972m)，由于施工缝设置在梁底部位置，在浇筑柱的混凝土时必须预先将弯折梁筋超出梁底的长度部分浇筑在柱中。当柱的混凝土凝结期间，由柱顶伸出较长的弯折梁筋受到施工时的扰动，将会明显影响搭接区钢筋与混凝土的粘结，从而影响搭接质量。因此目前的工程施工中，很少采用这一种搭接方法。
[0005]3、如《钢筋锚固板应用技术规程》JGJ 256-2011 (第十页图4.1.3-3)所示的梁、柱筋端部加设锚固板的搭接方法:柱的外侧钢筋在端部加设锚固板后伸至节点顶部，除角部钢筋直接伸至节点顶部以外，其余柱筋伸至节点顶部后均向梁端弯折，要求柱筋的锚头伸至节点内侧。梁上部钢筋在端部加设锚固板后伸至节点对边，带锚固板的梁、柱钢筋在节点顶面采取直线搭接。在这种搭接方法中，由于缩短了钢筋的搭接长度，为保证搭接区具有良好的传力效果，需要专门在钢筋搭接区的梁筋上设置由上向下插入的U形钢筋。这种搭接方法的缺点在于:(I)由于不是全部的外侧柱筋都能够与梁筋进行搭接(角部两根外侧柱筋不参与搭接)，如果选用的柱筋直径大、根数少，则与梁筋有效搭接的柱筋百分率就少，能够有效传递的负弯矩将受到影响，因此这种搭接方法的有效性还需要进一步的检验与考察；(2)这种搭接方法仍没能有效解决沿节点顶部浇筑混凝土困难的问题。节点区的水平箍筋以及复合箍筋本来就已使节点区的钢筋非常拥挤，当采用这种方法时，尚须在节点上部插入一定数量的U形筋，这将使得节点区的钢筋更加拥挤，更不利于混凝土的浇筑。
[0006]目前在框架顶层端节点的施工过程中，节点区箍筋的就位，特别是设计有复合箍筋时箍筋的准确就位是施工的一大难题。由于顶层端节点不仅有其它部位节点共有的两个方向直交梁的钢筋和柱端钢筋贯穿节点(或在节点内部进行锚固)所造成的节点区的钢筋密集、拥挤问题，特别还有顶层端节点梁端上部钢筋和柱端外侧钢筋伸入节点后在节点区及梁或柱端进行的弯折搭接(如上所述的三种搭接方法)所造成的箍筋就位难问题，即已经弯折成90°的柱外侧钢筋或梁上部钢筋会防碍箍筋的套入就位。施工人员经常不得不在施工现场将封闭好的箍筋重新扳开进行就位。这样不仅增加了顶层端节点的施工时间和难度，也给箍筋位置、间距和箍筋端部135°弯钩角度的准确性带来一定的影响，从而影响到节点区的抗震性能。
[0007]可见，目前我国框架结构和框架-剪力墙结构中，对顶层端节点的设计和施工所采用的三种梁上部钢筋与柱外侧钢筋在节点区的搭接方法都没有从根本上解决节点既便于施工又具有良好的受力及抗震性能问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种抗震框架顶层端节点的构造，用于框架顶层端节点梁上部钢筋与柱外侧钢筋的连接，能有效地解决节点区钢筋拥挤和箍筋就位难的问题。
[0009]本发明的另一目的是提供一种抗震框架顶层端节点构造的施工方法。
[0010]本发明的目的是这样实现的:
[0011]一种抗震框架顶层端节点的构造，其特征在于:包括梁上部钢筋、柱外侧钢筋和钢筋连接器，其中用双螺母将梁上部钢筋固定在钢筋连接器的梁筋连接板上，用双螺母将柱外侧钢筋固定在钢筋连接器的柱筋连接板上；所述钢筋连接器由柱筋连接板、梁筋连接板和中间连接板经连接构成；其中柱筋连接板、梁筋连接板位于中间连接板同侧的两端，其外夹角均为45°，所述柱筋连接板、梁筋连接板上均设有钢筋固定孔。
[0012]上述钢筋连接器的钢材强度等级由本领域技术人员根据梁上部钢筋、柱外侧钢筋的强度等级常规确定。
[0013]上述钢筋连接器的几何尺寸根据顶层端节点的几何尺寸，梁上部钢筋、柱外侧钢筋的数量和直径确定。
[0014]上述钢筋连接器的柱筋连接板，梁筋连接板以及中间连接板的厚度h相同，按公式⑴进行计算。
η:.π.d1''
[0015]h = ---—
_5」4(/)-2(,)⑴
[0016]式中:h_钢筋连接器厚度；
[0017]η。-柱外侧钢筋总根数；
[0018]b_节点宽度；
[0019]deq-柱外侧钢筋的等效直径d i，nk>dck分别为第k种直径
k—Ik—I
柱外侧钢筋的根数和第k种直径柱外侧钢筋的公称直径，i为柱外侧钢筋不同直径的数量。
[0020]发明人在研究中发现，如果柱或梁钢筋的最大直径过小会导致连接器的厚度较薄从而使得钢筋连接器的刚度不够，上述钢筋连接器的厚度h不小于被连接柱钢筋和梁钢筋中最大直径的0.8倍且上述钢筋连接器的厚度h不小于14mm。
[0021]上述柱筋连接板、梁筋连接板的宽度分别取被连接柱筋中最大直径和梁筋中最大直径的3倍，中间连接板的宽度取柱筋最大直径的2倍。
[0022]上述连接板的长度取节点宽度b减去2(1<
[0023]上述钢筋连接器可以采用焊接的方式连接，焊接时，当钢筋连接器的厚度小于20mm时，焊缝采用单边坡口焊接，坡口角度为45° ;当板的厚度大于20mm时，焊缝宜采用双边坡口焊接，坡口角度45°。
[0024]上述抗震框架顶层端节点构造的施工方法，其特征在于:采用如下步骤:
[0025]1、将已加工螺丝头的梁上部钢筋用双螺母紧固连接到钢筋连接器梁筋连接板上；
[0026]2、浇筑顶层边柱时，将上端已加工好螺丝头的柱外侧钢筋的下端和柱内侧钢筋的下端与下部插筋连接就位，绑扎好柱的箍筋，关好模板，进行浇筑；
[0027]3、柱的混凝土初凝后，将加工好的节点水平箍筋由柱筋上部套入，进行就位、绑扎；
[0028]4、将带有钢筋连接器的梁上部钢筋，下部钢筋放入节点区就位，将端头带有螺丝头的柱外侧钢筋用双螺母紧固连接到钢筋连接器柱筋连接板上；
[0029]5、将直交梁的钢筋贯穿节点，绑扎就位；
[0030]6、在节点区浇筑混凝土。
[0031]上述钢筋连接器的其他几何尺寸根据顶层端节点的几何尺寸，梁上部钢筋、柱外侧钢筋的数量和直径按照本领域的基本知识常规确定。
[0032]上述加工螺丝头的梁上部钢筋为在梁上部钢筋的端部进行钢筋丝头加工，丝头长度取钢筋连接器的厚度加上3?4倍钢筋直径。
[0033]上述加工螺丝头的柱外侧钢筋为在柱外侧钢筋的端部进行钢筋丝头加工，丝头长度取钢筋连接器的厚度加上3?4倍钢筋直径。
[0034]本发明具有以下有益效果:
[0035]本发明适用于地震区框架结构顶层端节点，框架-剪力墙结构框架部分的顶层端节点中梁上部钢筋与柱外侧钢筋在节点内的连接，解决了位于地震区的框架顶层端节点梁上部钢筋、柱外侧钢筋因搭接导致影响钢筋与混凝土的粘结性能，节点区钢筋拥挤不便于施工以及带来的施工质量问题，具体表现为:
[0036](I)可以避免节点在地震反复作用下，梁上部钢筋、柱外侧钢筋因搭接引起的相对滑移，使顶层端节点的抗震性能劣化；
[0037](2)由于柱筋、梁筋不需要弯折搭接，更便于节点区箍筋的就位、绑扎，保证箍筋的施工质量；
[0038](3)可以改善梁上部钢筋、柱外侧钢筋在节点区搭接造成的钢筋拥挤，便于由节点顶部浇筑混凝土，保持混凝土浇筑通畅，不仅提高了工作效率，也保证了混凝土的浇筑质量;
[0039](4)钢筋连接器按照钢筋配送的模式在工厂内生产，在施工现场整体装配成梁上部钢筋与柱外侧钢筋的连接装置，能够提高施工精度和速度；
[0040](5)梁上部钢筋、柱外侧钢筋由搭接改为用钢筋连接器连接，可以节省钢材用量。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的顶层端节点负弯矩筋的梁内搭接示意图；
[0042]图中1-梁；2-柱；3_弯折后伸入梁端的柱外侧钢筋；4_不能伸入梁端的柱外侧角部钢筋；5-梁上部钢筋。
[0043]图2是《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的顶层端节点负弯矩筋的柱内搭接示意图；
[0044]图中1-梁；2-柱；3'-弯折后伸入柱内的梁上部钢筋；4'-柱外侧钢筋。
[0045]图3是本发明实施例的梁上部钢筋与柱外侧钢筋连接装置的三维空间示意图；
[0046]图中6-梁；7-柱；8-钢筋连接器；9_柱外侧钢筋；10-梁上部钢筋；11_梁钢筋螺母；12-柱钢筋螺母。
[0047]图4是本发明实施例的钢筋连接器三维空间示意图；
[0048]图中13-梁筋连接板；14-柱筋连接板；15_中间连接板；16-焊缝夹角；17_梁钢筋孔；18-柱钢筋孔。
[0049]图5是本发明实施例的外侧柱钢筋与上部梁钢筋的三维空间图；
[0050]图中19-柱钢筋螺丝头；20_梁钢筋螺丝头。
[0051]图6是本发明实施例的钢筋连接器焊接坡口角度示意图；
[0052]图中13-梁筋连接板；14-柱筋连接板；15_中间连接板；16-焊接的外夹角。
【具体实施方式】
[0053]下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述
【发明内容】
对本发明作出一些非本质的改进和调整。
[0054]实施例1
[0055]根据梁上部钢筋、柱外侧钢筋的强度等级按照常规方法确定钢筋连接器的钢材强度等级。钢筋连接器的钢材强度等级应不低于被连接钢筋中的最高强度钢筋等级。根据顶层端节点的几何尺寸，梁上部钢筋、柱外侧钢筋的数量和直径按照常规方法确定钢筋连接器的几何尺寸。组成钢筋连接器的柱筋连接板，梁筋连接板以及中间连接板的厚度h相同，按公式(I)进行计算。
η, ■ π ■ d:
[0056]h = -y-~—^1-
4(b - 2t/cq)⑴
[0057]式中:h_钢筋连接器厚度；
[0058]η。-柱外侧钢筋总根数；
[0059]b_节点宽度；
i i
[0060]deq-柱外侧钢筋的等效直径，deq =X(?k<k)/Z?)，nk、cU分别为第k种直径
是二 I是二 I
柱外侧钢筋的根数和第k种直径柱外侧钢筋的公称直径，i为柱外侧钢筋不同直径的数量。
[0061]例如:当伸入顶层端节点柱的外侧钢筋为3根直径20mm加4根直径25mm的钢筋，这里有两种直径的钢筋，即i = 2，第一种直径的钢筋为3根直径20mm，即Ii1 = 3,dcl =20mm ;第二种直径的钢筋为4根直径25mm,即n2 = 4, dc2 = 25mm,则柱外侧钢筋的等效直径为:
9ο
^eq)/E(?k<k)
k—l k—l
[0062]( jiJ1 \ i r jj \
—(/2, X + η? X ) / (/Z1 Xcicl + /2，X )
= (3x202 +4x252)/(3x20+ 4x25) = 23mm o
[0063]钻孔:根据柱外侧钢筋、梁上部钢筋的数量、直径以及钢筋的位置，分别在钢筋连接器的柱筋连接板和梁筋连接板上钻孔。具体为将梁筋连接板(13)钻梁钢筋孔(17);将柱筋连接板(14)钻柱钢筋孔(18);各孔的直径优选取钢筋公称直径加3mm。
[0064]焊接:将柱筋连接板(14)、将梁筋连接板(13)焊接于中间连接板(15)同侧的两端(参见图4)，且焊接的外夹角(16)均为45° (参见图6)。焊接应符合《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81的相关规定。
[0065]加工螺丝头:将梁上部钢筋(10)的端部加工螺丝头(20);将柱外侧钢筋(9)的端部加工螺丝头(19)(参见图5)。钢筋丝头加工按照普通直螺纹钢筋接头的丝头进行加工，应符合现行标准《钢筋机械连接技术规程》JGJ 107的相关规定。
[0066]梁上部钢筋的固定:将已加工螺丝头的梁上部钢筋(10)用双螺母(11)紧固连接到钢筋钢筋连接器(8)上(参见图3)。钢筋丝头应伸出螺母，外露长度不宜小于1.0p (P为螺距)。
[0067]柱(7)混凝土的浇筑:浇筑顶层柱前，将上端已加工好螺丝头的柱外侧钢筋的下端和柱内侧钢筋的下端与下部插筋连接就位，绑扎好柱的箍筋，关好模板，进行浇筑。
[0068]柱的混凝土初凝后，将加工好的节点水平箍筋由柱筋上部套入，进行就位、绑扎。
[0069]将带有钢筋连接器(8)的梁上部钢筋，下部钢筋放入节点区就位，将端头带有螺丝头的柱外侧钢筋(9)用双螺母(12)紧固连接到钢筋连接器上；至此梁的上部钢筋与柱的外侧钢筋通过钢筋连接器连接为一体，该钢筋连接器既能够承梁上部梁筋和外侧柱筋传递的拉力，也能够承受梁上部钢筋和外侧柱筋传递的压力，保证节点能够承受地震的反复作用。
[0070]将直交梁的钢筋贯穿节点，绑扎就位，节点区浇筑混凝土，工作结束。
[0071]地震作用下，顶层端节点区受梁端、柱端的反复弯矩及剪力作用，顶层端节点采用本发明的带有钢筋连接器的构造及施工方法，可以明显改善节点顶部由于钢筋密集所带来的浇筑混凝土不畅，不仅提高混凝土的浇筑质量，而且提高了工作效率。本方法不需要对柱夕卜侧钢筋和梁上部钢筋进行弯折搭接，方便节点区箍筋的就位和绑扎施工，特别是节点区设置有复合箍筋时，能够保证节点区的钢筋位置、箍筋间距及箍筋端头135°的准确性，提高施工质量；梁上部钢筋与柱外侧钢筋通过连接器连接，能够更可靠地承受地震引起的拉、压力，保证节点的抗震性能；钢筋连接器按照钢筋配送的模式在工厂内生产，在施工现场装配成梁上部钢筋与柱外侧钢筋的连接装置，能够提高现场的施工精度和速度；梁上部钢筋、柱外侧钢筋由搭接改为用钢筋连接器连接，可以节省钢材用量。
【权利要求】
1.一种抗震框架顶层端节点的构造，其特征在于:包括梁上部钢筋、柱外侧钢筋和钢筋连接器，其中用双螺母将梁上部钢筋固定在钢筋连接器的梁筋连接板上，用双螺母将柱外侧钢筋固定在钢筋连接器的柱筋连接板上；所述钢筋连接器由柱筋连接板、梁筋连接板和中间连接板经连接构成；其中柱筋连接板、梁筋连接板位于中间连接板同侧的两端，其外夹角均为45°，所述柱筋连接板、梁筋连接板上均设有钢筋固定孔。
2.如权利要求1所述的构造，其特征在于:钢筋连接器的柱筋连接板，梁筋连接板以及中间连接板的厚度h相同。
3.如权利要求1或2所述的构造，其特征在于:钢筋连接器的厚度h由如下公式制得: /:_ nJ<
4(/)-2(丨) 式中:h-钢筋连接器厚度； η。-柱外侧钢筋总根数； b_节点宽度； CU-柱外侧钢筋的等效直径，deq，nk、dck分别A:—IA: 二 I 为第k种直径柱外侧钢筋的根数和第k种直径柱外侧钢筋的公称直径，i为柱外侧钢筋不同直径的数量。
4.如权利要求3所述的构造，其特征在于:钢筋连接器的厚度h>被连接柱钢筋和梁钢筋中最大直径的0.8倍且钢筋连接器的厚度h彡14_。
5.如权利要求3所述的构造，其特征在于:柱筋连接板的宽度为被连接柱筋中最大直径的3倍。
6.如权利要求4所述的构造，其特征在于:梁筋连接板的宽度为被连接梁筋中最大直径的3倍。
7.如权利要求4所述的构造，其特征在于:中间连接板的宽度取柱筋最大直径的2倍。
8.如权利要求4所述的构造，其特征在于:中间连接板的长度取节点宽度b减去2(1<
9.如权利要求1所述的构造，其特征在于:钢筋连接器由柱筋连接板、梁筋连接板和中间连接板焊接而成；所述焊接时，当钢筋连接器的板厚度小于20_时，焊缝采用单边坡口焊接；当板的厚度大于20mm时，焊缝采用双边坡口焊接。
10.如权利要求1-9任一顶所述构造的施工方法，包括如下步骤: 1)、将已加工螺丝头的梁上部钢筋用双螺母紧固连接到钢筋连接器梁筋连接板上； 2)、浇筑顶层柱前，将上端已加工好螺丝头的柱外侧钢筋的下端以及柱内侧钢筋的下端与下部插筋连接就位，绑扎好柱的箍筋，关好模板，进行浇筑； 3)、柱的混凝土初凝后，将加工好的节点水平箍筋由柱筋上部套入，进行就位、绑扎； 4)、将带有钢筋连接器的梁上部钢筋，下部钢筋放入节点区就位，将端头带有螺丝头的柱外侧钢筋用双螺母紧固连接到钢筋连接器柱筋连接板上； 5)、将直交梁的钢筋贯穿节点，绑扎就位； 6)、在节点区浇筑混凝土。
【文档编号】E04B1/98GK104131631SQ201410402865
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】傅剑平, 钟雪飞, 薛松 申请人:重庆大学