一种复式钢管混凝土柱与钢梁的节点结构及其制作方法

1.本发明涉及梁柱节点结构结构技术领域，具体为一种复式钢管混凝土柱与钢梁的节点结构及其制作方法。


背景技术：

2.现有的公开发表或公开使用的技术情况：现有的装配式自复位耗能节点多采用预应力钢绞线和sma材料等提供复位力，同时复位装置多采用施工现场安装的方式。
3.2020年5月22日，国家知识产权局授权公告了“碟簧自复位节点连接装置”的发明专利公告号为：cn 111188425 a，该发明涉及一种碟簧自复位节点连接装置，属于建筑结构工程技术领域，该装置由钢柱、悬臂短梁、中间梁、碟簧复位装置、u形阻尼器、连接钢板、柱加劲肋、锚固板7、梁加劲肋、高强螺栓14构成。钢柱和悬臂短梁焊接，悬臂短梁和中间梁利用连接钢板螺栓连接，钢梁上下翼缘间设置碟簧复位装置和u形阻尼器。地震作用下，节点通过u形阻尼器和连接钢板来承担弯矩和剪力，消耗外部输入的能量，地震作用消失后，由碟簧复位装置实现节点的自复位。该技术方案的缺陷在于其所用u形阻尼器的屈服强度仍然偏高，在中、小震下不易产生滞回耗能，屈服强度可调性能比较差，不能充分满足不同功能结构的减震设计需求，且u形阻尼器还加大了结构自身的刚度，导致整体结构刚性增加。同时，该技术使用的碟簧需要较高的制作精度来保证荷载偏差在允许范围内，不利于推广。
4.2021年01月01日，国家知识产权局授权公告了“一种装配式混凝土梁柱可转动自复位节点连接结构”的实用新型专利公告号为：cn 212271213 u，该实用新型专利的预制钢筋混凝土梁和预制钢筋混凝土柱通过u型连接钢板键和山字形连接钢板键的配合垂直连接，u型连接钢板键与山字形连接钢板键相对设置且通过转动定位螺栓组配合连接，实现相对转动，若干预应力筋依次横穿预制钢筋混凝土梁、u型连接钢板键和山字形连接钢板键，最后从预制钢筋混凝土柱穿出，并通过预应力筋锚具固定。该技术方案的缺陷在于该节点的力学特性在梁柱往复相对转动时是非对称的，这在地震的往复作用下是不利的，对设计造成困难。此外在施加螺栓预紧力时，u型连接钢板键的两侧面由于无支撑，将发生一定的弯曲，在节点转动时，u型连接钢板键与山字形连接钢板键之间的接触面将发生脱开的趋势，降低了摩擦耗能的可靠性。同时，该技术方案中预应力筋采用后张拉的方式制约着施工进度。
5.2021年5月11日，国家知识产权局授权公告了“一种预制装配式混凝土自复位梁柱节点装置”的实用新型专利公告号为：cn 213174152 u，该发明包括上方和下方的两个半矩形的框架，两个框架的左端和右端分别与两个钢板的上端和下端连接构成矩形框架结构；所述矩形框架结构内的上部和下部分别设置有液压缓冲装置，液压缓冲装置的左端和右端分别与框架的左端和右端连接；两个液压缓冲装置之间设置有转动装置，转动装置的左端和右端分别与钢板连接。该技术方案的缺陷在于销轴连接中常常存在很高的接触应力，地震作用下，销轴与耳板之间紧密接触，易产生挤压应力，导致销轴承压破坏。同时，液压缓冲装置价格较高，不利于节点日常维护及大范围推广使用。
6.基于此，本发明设计了一种复式钢管混凝土柱与钢梁的节点结构及其制作方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

7.发明的目的在于提供一种复式钢管混凝土柱与钢梁的节点结构及其制作方法，以解决上述技术问题。
8.为实现上述目的，发明提供如下技术方案：一种复式钢管混凝土柱与钢梁的节点结构，包括复式钢管混凝土柱和h型钢梁，所述复式钢管混凝土柱侧面固定连接有预制钢梁套筒，所述h型钢梁端部与所述预制钢梁套筒套合，所述h型钢梁的腹板两侧面均设置有黄铜摩擦片并通过预紧螺栓连接，所述h型钢梁的腹板和翼缘上对应设置有滑动螺栓孔并通过穿设高强螺栓与预制钢梁套筒连接，所述h型钢梁的腹板两侧以及预制钢梁套筒的腹板两侧均设置有锚固板，所述h型钢梁和及预制钢梁套筒的同侧锚固板之间连接有sma棒材。
9.优选的，所述复式钢管混凝土柱由于中间段以及上下两段连接构成，连接端头设置有法兰板，上下法兰板之间通过法兰螺栓锁固。
10.优选的，所述中间段外壁上下两侧固定套设有加强环板，所述预制钢梁套筒通过高强螺栓与上下两侧所述加强环板固定安装。
11.优选的，所述锚固板在h型钢梁和及预制钢梁套筒的腹板两侧均设置有平行间隔的两块，两块所述锚固板之间设置有两块上下间隔分布的加劲板。
12.优选的，同侧所述sma棒材设置有三组，间隔分布在两块所述加劲板之间，所述sma棒材的两端贯穿所述锚固板后通过锚头对拉锁固。
13.一种复式钢管混凝土柱与钢梁的节点结构的制作方法，包括以下步骤：
14.步骤1.制作钢梁套筒，根据h型钢梁尺寸设计钢梁套筒，钢梁套筒腹板尺寸为钢梁腹板与黄铜摩擦片厚度之和，翼缘尺寸需略大于钢梁翼缘尺寸，以便实现二者相对滑动；根据设计焊接一定数量的锚固板和加劲板；根据高强螺栓和预紧螺栓直径尺寸开设孔洞；
15.步骤2.制作h型钢梁，在腹板处焊接黄铜摩擦片并根据预紧螺栓直径尺寸开设滑动螺栓孔；根据设计焊接一定数量的锚固板和加劲板，锚固板上需根据sma棒材直径尺寸预留孔洞；翼缘处根据高强螺栓直径尺寸开设滑动螺栓孔，孔洞位置和间距应与钢梁套筒对应准确；
16.步骤3.制作复式钢管混凝土柱，并在对应位置焊接上下法兰板和上下加强环板；根据法兰螺栓尺寸在法兰板上开设法兰螺栓孔洞，根据高强螺栓尺寸在加强环板上开设孔洞；
17.步骤4.现场装配，通过上下法兰盘实现预制复式钢管混凝土柱的连接；
18.步骤5.通过加强环板和高强螺栓将预制钢梁套筒固定于复式钢管混凝土柱的相应位置处；
19.步骤6.连接钢梁套筒和h型钢梁，可先将sma棒材的一端锚固于h型钢梁的相应位置，待h型钢梁与钢梁套筒对齐并连接后完成另一端的锚固；根据设计要求拧紧预紧螺栓，完成节点装配。
20.与现有技术相比，发明的有益效果为：
21.本发明所要解决的技术问题是通过预紧螺栓，将固定在复式钢管混凝土柱的钢梁
套筒与梁端连接段压紧，使钢梁套筒和梁端之间可以发生理想的相对滑动，从而带动预埋黄铜摩擦片发生摩擦耗能；同时，在钢梁套筒和梁端连接段分别预留加劲板和锚固板，可以根据设计需求安装不同数量的sma棒材。当梁柱节点发生相对移动变形时，sma棒材产生的形状记忆效应可为梁柱节点提供复位所需的复位力。
22.本专利所用的材料为钢材和形状记忆合计材料，其中钢梁套筒可根据所用h型钢梁截面尺寸设计，预制难度低；同时，sma棒材是目前广泛使用的超弹性形状记忆合金，并具有优良的自复位特性以及较好的耗能特性。
23.此外，在本发明中，各个部件之间均采用螺栓连接，现场无焊接等工序，可靠性更好，安装、拆卸更加便捷。
附图说明
24.为了更清楚地说明发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明梁柱节点立体图；
26.图2为本发明复式钢管混凝土柱1立体图；
27.图3为本发明h型钢梁2立体图；
28.图4为本发明钢梁套筒5立体图；
29.图5为本发明加强环板4立体图；
30.图6为本发明sma棒材6立体图。
31.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
32.1：复式钢管混凝土柱2：预制h型钢梁3：法兰板4：加强环板5：预制钢梁套筒6：sma棒材7：锚固板8：加劲板9：预紧螺栓10：法兰螺栓11：滑动螺栓孔12：黄铜摩擦片13：锚头14：高强螺栓。
具体实施方式
33.下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于发明保护的范围。
34.请参阅图1-2，发明提供一种技术方案：一种复式钢管混凝土柱与钢梁的节点结构及其制作方法，装置包括复式钢管混凝土柱1，h型钢梁2，法兰板3，法兰螺栓10，加强环板4，预制钢梁套筒5，高强螺栓14，黄铜摩擦片12，预紧螺栓9，加劲板8，锚固板7，sma棒材6，滑动螺栓孔11，其特征在于，钢梁套筒5根据h型钢梁2截面尺寸设计预制，并通过上下加强环板4实现与复式钢管混凝土柱1的连接；
35.黄铜摩擦片12焊接于梁端腹板处；钢梁套筒5、黄铜摩擦片12和h型钢梁2三者通过预紧螺栓9压紧连接；钢梁套筒5和h型钢梁2分别预制有锚固板7，单侧锚固板7之间焊接有加劲板8以保证其稳定性，之后sma棒材6通过锚具13固定于两侧锚固板7处；
36.法兰板3焊接于复式钢管混凝土柱1外钢管上，上下复式柱之间通过法兰螺栓10连
接；
37.h型钢梁2通过高强螺栓14实现与钢梁套筒5的连接，完成梁柱节点的装配，h型钢梁2的翼缘和腹板处预留有滑动螺栓孔11，实现梁柱节点的相对滑动，具有位移相关型的特点。
38.本发明所采用的复式钢管混凝土柱1相较于传统的钢筋混凝土柱，前者对装配式框架结构更加友好。
39.首先，所采用的复式钢管混凝土柱1通过上下法兰板3相连接，具有更好的装配性；
40.其次，所采用的复式钢管混凝土柱1具备更便捷的预制性：复式钢管混凝土柱1所采用的内外钢管可用作浇筑核心混凝土时的模板，避免了额外的装、卸模板的工作，简化了预制流程。
41.本发明设计节点关于中性轴完全对称，因此节点在正负弯矩作用下的性能一致。以承受正弯矩为例，当梁柱在正弯矩作用下发生相对滑动时，钢梁翼缘处高强螺栓14和sma棒材6共同承担拉力作用，而节点剪力主要由高强螺栓14承担。因此节点的变形主要集中在高强螺栓14和sma棒材6上，在震后修复中，仅需简单加热或更换sma棒材6，或者松动、更换高强螺栓14，即可恢复到震前的连接强度，修复方便快捷。
42.本发明所采用的摩擦耗能设计中，梁端翼缘和腹板处均预留滑动螺栓孔11，以此实现钢梁套筒5和钢梁之间的相对滑动，进而发生摩擦作用，产生摩擦耗能。
43.在实际应用中可根据设计的抗震要求，灵活设计滑动螺栓孔11的大小以及位置，避免了在大震作用下高强螺栓14与滑动螺栓孔11壁发生碰撞而对节点耗能性能造成破坏。
44.同时，由于钢梁套筒5的存在，避免了因起滑力设计过大导致钢梁参与摩擦的部位发生屈曲，从而进一步保证摩擦耗能的可靠性。
45.本发明通过所设计的sma棒材6可以提供足够的承载力，其锚固端通过锚具固定于两侧锚固板7处，同时，增加螺纹部分与光滑部分的直径比以避免其锚固端由于复杂应力可能出现的丝材断裂问题。
46.上述装配式自复位的复式钢管混凝土柱1-钢梁节点的制作方法：
47.1.制作钢梁套筒5，根据h型钢梁2尺寸设计钢梁套筒5，钢梁套筒5腹板尺寸为钢梁腹板与黄铜摩擦片12厚度之和，翼缘尺寸需略大于钢梁翼缘尺寸，以便实现二者相对滑动；根据设计焊接一定数量的锚固板7和加劲板8；根据高强螺栓14和预紧螺栓9直径尺寸开设孔洞；
48.2.制作h型钢梁2，在腹板处焊接黄铜摩擦片12并根据预紧螺栓9直径尺寸开设滑动螺栓孔11；根据设计焊接一定数量的锚固板7和加劲板8，锚固板7上需根据sma棒材6直径尺寸预留孔洞；翼缘处根据高强螺栓14直径尺寸开设滑动螺栓孔11，孔洞位置和间距应与钢梁套筒5对应准确；
49.3.制作复式钢管混凝土柱1，并在对应位置焊接上下法兰板3和上下加强环板4；根据法兰螺栓10尺寸在法兰板3上开设法兰螺栓10孔洞，根据高强螺栓14尺寸在加强环板4上开设孔洞；
50.4.现场装配，通过上下法兰盘实现预制复式钢管混凝土柱1的连接；
51.5.通过加强环板4和高强螺栓14将预制钢梁套筒5固定于复式钢管混凝土柱1的相应位置处；
52.6.连接钢梁套筒5和h型钢梁2，可先将sma棒材6的一端锚固于h型钢梁2的相应位置，待h型钢梁2与钢梁套筒5对齐并连接后完成另一端的锚固；根据设计要求拧紧预紧螺栓9，完成节点装配。
53.在发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
54.在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。
55.尽管已经示出和描述了发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。