可自复位的分层装配式钢框架梁柱节点结构

1.本发明涉及建筑工程领域，尤其是一种可自复位的分层装配式钢框架梁柱节点结构。


背景技术：

2.装配式施工法可以减少现场湿作业，缩短工期，降低噪音污染，减少施工人员数量，推动建筑行业可持续发展。装配式钢结构梁柱节点连接主要有三种连接方式，分别是全焊接连接、全螺栓连接和栓焊混合连接；全焊接连接的节点虽然刚性较好，但延性和抗变形能力较差，容易出现脆性破坏导致焊接处撕裂、开缝；全螺栓连接相对于焊接，具有施工便捷、绿色高效的作业方式，同时具有较强的承载能力和耗能能力。
3.现有技术“一种可快速装配的自复位钢框架连接节点”(公开号：cn112627342a)，公开了如下方案：连接节点包括固定连接的上柱、中柱和下柱，上柱、中柱和下柱均为空心结构，中柱上固定连接有两个水平延伸的钢梁，两个钢梁沿中柱对称排布，且下柱与钢梁之间还支撑有自复位支撑；自复位支撑包括中央耦合器、连接在中央耦合器两端的内芯，内芯的端部固定连接有端部连接器；内芯上还套设有弹簧和圆管，弹簧抵紧在中央耦合器与圆管之间，圆管的另一端与端部连接器抵紧。在该专利中，中梁、柱和节点均为单独装配构件，通过螺栓和少量焊接即可完成装配，施工便捷，在一定程度上可提高节点的承载能力和耗能能力，但将其在实际应用时，支撑安装部位可能会出现应力集中现象，造成梁和柱的局部屈曲，不利于结构抗震。
4.现有技术“一种梁柱连接节点”(公开号：cn108978866a)，公开了如下方案：连接节点包括上下对接的第一方钢管混凝土柱和第二方钢管混凝土柱；连接筒，套设于上述的对接处；两个h型钢梁，分别设于连接筒相对的两侧，h型钢梁的上翼缘与连接筒之间设有第一l型连接件，h型钢梁的下翼缘与连接筒之间设有第二l型连接件，h型钢梁的翼缘上设有可拆卸的耗能部件，h型钢梁的腹板上设有锚固板；第一预应力钢绞线，穿设于连接筒和第一方钢管混凝土柱上，其两端分别锚固于位于连接筒不同侧的两个锚固板上；第二预应力钢绞线，穿设于连接筒和第二方钢管混凝土柱上，其两端分别锚固于位于连接筒不同侧的两个锚固板上。在该专利中，各构件均为装配式连接，无需进行焊接作用，且预应力钢绞线与耗能部件可地震耗能，减轻主体结构的损伤，但柱和节点的协同工作性能较差，柱端易出现扭转变形，造成柱与节点连接处的螺栓剪力较大。
5.上述两种技术中梁与节点仅依靠两块连接钢板和螺栓固定，当梁出现塑性变形时，其稳固性较差，塑性铰易出现在节点区域，不利于结构抗震。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种结构抗震效果更好的可自复位的分层装配式钢框架梁柱节点结构。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：可自复位的分层装配式钢框架梁柱
节点结构，包括沿竖直方向设置的内部中空的钢柱，所述钢柱包括上连接柱与下连接柱，所述上连接柱与下连接柱之间通过连接接头连接，连接接头处水平设置有钢梁，所述连接接头的左右两侧分别连接有弹簧组构件，弹簧组构件的弹性形变延伸方向与钢梁方向一致；钢柱内沿钢柱方向设置有纵向钢绞线，所述纵向钢绞线贯穿所述连接接头，钢梁沿钢梁方向设置有横向钢绞线，横向钢绞线贯穿所述弹簧组构件。通过改变梁、柱和接头之间的连接构造形式以加强接头处的连接，在钢梁与连接接头的连接处设置弹簧组构件以消耗弹性变性能，并通过增设纵横钢绞线增强结构的整体性并提高钢梁的悬链线机制；此外，提高钢梁悬链线机制的抗连续倒塌设计不会过度加强梁，避免出现弱柱强梁而不利于结构抗震的现象，采用该连接形式可明显提高结构整体抗侧刚度、抗扭能力、承载能力、耗能能力和抗连续倒塌能力，具有多道抗震设防线，符合“强节点，弱杆件”的抗震设防原则。
8.进一步的是，所述上连接柱包括上柱法兰，所述下连接柱包括下柱法兰，所述上连接柱与所述下连接柱内部均设置有有凹凸嵌座，所述连接接头包括凹凸嵌环，凹凸嵌座与凹凸嵌环互相匹配连接。凹凸嵌环与凹凸嵌座连接加强了钢柱与接头接触的面积，增强了接头处的稳固性，使接头具有更强的承载能力。
9.进一步的是，所述连接接头包括上连接板、下连接板与中柱，所述上连接板与所述下连接板平行设置在所述中柱的开口两端且通过肋板进行定位，所述上连接板与所述下连接板的外侧分别设置有所述凹凸嵌环。
10.进一步的是，所述钢梁的端部设有上翼缘与下翼缘，所述上翼缘与所述上连接板连接，所述下翼缘与所述下连接板连接。
11.进一步的是，所述钢梁的内侧设有加劲板与腹板，所述加劲板与所述腹板相互垂直。
12.进一步的是，所述弹簧组构件两端分别连接在所述肋板与所述腹板上。
13.进一步的是，所述凹凸嵌环的嵌口上卡接有隔板，所述纵向钢绞线贯穿所述隔板且通过所述隔板进行定位。
14.进一步的是，所述弹簧组构件包括沟槽板，所述沟槽板上设置有十字板、卡扣板以及弹簧盒，所述十字板设置在沟槽板之间，所述卡扣板卡接在所述十字板侧面并与所述沟槽板和十字板形成腔室，所述弹簧盒安装在所述腔室内。
15.进一步的是，所述弹簧盒包括一对侧板、设置于侧板之间的弹簧与弹簧杆，所述弹簧缠绕设置于在所述弹簧杆上，所述弹簧杆两端连接在两块所述侧板上。
16.进一步的是，所述沟槽板与所述十字板为卯榫式连接。卯榫连接方式具有一定的变形空间，用于消耗和吸收地震能，提高整体结构的抗连续倒塌能力。
17.本发明的有益效果是：一、本发明中钢柱和钢梁连接接头采用了凹凸嵌入连接结构，增大了钢柱和连接接头的接触面积，增强了二者间的协同能力，同时，凹凸嵌环和凹凸嵌座配合可以分担柱端法兰和上下连接板连接处螺栓所受剪力，提高连接接头处的耗能能力。二、本发明的钢柱与钢柱之间设有纵向预应力钢绞线，用于提高钢柱的抗侧刚度，当钢柱侧移超过允许值后，钢绞线可施加一定的反作用力，使钢柱恢复至原来位置；同时，钢梁与钢梁之间也设有横向的预应力钢绞线，使钢梁形成悬链线结构，提高了结构的整体性，当钢梁变形较大或者出现破坏时，横向预应力钢绞线可以起到拉结钢梁的作用，提高整体结构的抗连续性倒塌能力。三、本发明中钢梁与连接接头采用沟槽结构卯榫连接形式，减少连
接螺栓的数量，提高构件间的咬合能力，而且在连接处设置弹簧盒，使得钢梁受力后弹簧能给予一定的反作用力并消耗地震能，提高钢梁塑性变形能力，使塑性铰远离连接接头，降低对连接接头的破坏程度。四、本发明在加工时，除了连接接头、钢柱内部的凹凸嵌座和弹簧盒的组装以及加劲板的固定采用焊接外，其余均采用螺栓连接，使连接接头加工时焊接部分大大减小，减少因焊接结构而带来的残余应力，降低焊缝开裂的可能性。五、钢梁、钢柱连接接头处通过纵横向预应力钢绞线、弹簧组构件和凹凸嵌环共同配合，形成三道抗震防线，提高了抗震性能，具有优良的应用前景；而且装配施工过程简单，栓焊连接共同使用，具有环境污染少、碳排放量低等优点。本发明适用于需要结构抗震效果高的建筑施工之中。
附图说明
18.图1为本发明钢框架梁柱节点的整体结构图。
19.图2为本发明中上连接柱的结构图。
20.图3为本发明中下连接柱的结构图。
21.图4为本发明中隔板与纵向钢绞线的连接结构图。
22.图5为本发明中连接接头的结构图。
23.图6为本发明中凹凸嵌环的结构图。
24.图7为本发明中中柱的结构图。
25.图8为本发明中钢梁的结构图。
26.图9为本发明中弹簧组构件的结构图。
27.图10为本发明中沟槽板的结构图。
28.图11为本发明中十字板的结构图。
29.图12为本发明中卡扣板的结构图。
30.图13为本发明中弹簧盒的结构图。
31.图中标记为：钢柱1、上连接柱101、下连接柱102、上柱法兰103、下柱法兰104、凹凸嵌座105、钢梁2、上翼缘201、下翼缘202、加劲板203、腹板204、连接接头3、凹凸嵌环301、嵌口3010、上连接板302、下连接板303、中柱304、肋板305、隔板306、弹簧组构件4、沟槽板401、十字板402、卡扣板403、弹簧盒404、侧板4040、弹簧4041、弹簧杆4042、纵向钢绞线5、横向钢绞线6。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明进一步说明。
33.如图1至图13所示可自复位的分层装配式钢框架梁柱节点，包括：包括内部中空的钢柱1与设置在钢柱1左右两侧的钢梁2，钢柱1包括上连接柱101与下连接柱102，上连接柱101与下连接柱102之间通过连接接头3连接，连接接头3左右两侧分别连接有弹簧组构件4，钢梁2通过弹簧组构件4连接在连接接头3上；沿钢柱1轴向设有纵向钢绞线5，沿钢梁2延伸方向设横向钢绞线6，钢绞线为钢梁2和钢柱1提供预应力，使其变形时可以复位；纵向钢绞线5设置在钢柱1内部且贯穿连接接头3，横向钢绞线6设置在钢梁2内侧且贯穿连接接头3与弹簧组构件4。
34.参考图2、图3与图5，钢柱1与连接接头3均为中空形的矩形钢管，上连接柱101连接
有上柱法兰103，上连接柱101、下钢柱103沿连接接头3的纵向中轴线对称排布，左右两侧的钢梁2沿连接接头3的横向中轴线对称排布，使钢柱1与钢梁2分别在竖直和水平方向上呈一条直线；下连接柱102连接有下柱法兰104，上柱法兰103、下柱法兰104上均设有螺纹孔，便于与其他部件进行螺纹连接，上连接柱101与下连接柱102内部均安装有凹凸嵌座105；凹凸嵌座105焊接在钢柱1的内壁。
35.参考图5至图7，连接接头3包括凹凸嵌环301、上连接板302、下连接板303与中柱304，上连接板302与下连接板303平行设置在中柱304的开口两端且通过肋板305焊接定位，上连接板302与下连接板303的外侧分别设置有凹凸嵌环301；中柱304设置在上连接板302与下连接板303之间，其整体形状呈矩形筒状，两端开口，用于将上连接板302、下连接板303、肋板305以及凹凸嵌环301连接为一个整体，该整体部件的连接均采用焊接方式。上连接板302与下连接板303上分别设有多个螺纹孔，用于与上柱法兰103、下柱法兰104螺纹连接；肋板305上也设有多个螺纹孔，用于与弹簧组构件4螺纹连接。
36.凹凸嵌环301上分布有嵌口3010，通过嵌口3010与凹凸嵌座105连接；凹凸构造形式可以增大嵌环和钢柱1内壁的接触面积，当结构遭遇地震作用时，可以通过凹凸嵌口3010和凹凸嵌座105之间形成摩擦以消耗一部分地震能量；同时凹凸嵌口3010和凹凸嵌座105之间的咬合作用还可以限制钢柱1的柱端扭转，从而降低上柱法兰103与上连接板302、下柱法兰104与下连接板303连接处螺栓所受的剪力。
37.嵌口3010上卡接有隔板306，纵向钢绞线5贯穿隔板306且通过隔板306进行定位；隔板306边缘设有凹凸型的缺口，板上设有螺纹孔，通过螺纹孔将纵向钢绞线5定位在隔板306上，限制纵向钢绞线5的水平移动，帮助复位移动的钢柱1；隔板306边缘上的凹凸型缺口用于与凹凸嵌环301卡接，用于定位纵向钢绞线5，通过隔板306,纵向钢绞线5将钢柱1与连接接头3形成整体，使得钢柱2的刚度和抗侧能力得到提高，当钢柱2受到地震作用发生侧移变形时，纵向钢绞线5受拉并给予钢柱2反作用力，使得钢柱2侧移得到一定程度的恢复，限制其侧向位移变形，使钢柱2具有自复位功能，使整体结构具有自复位功能。
38.参考图1与图8，钢梁2的端部设有上翼缘201与下翼缘202，上翼缘201与上连接板302连接，下翼缘202与下连接板303连接；钢梁2的内侧焊接加劲板203与腹板204，加劲板203与腹板204相互垂直，用于加固钢梁2。
39.钢梁2为工字钢，钢梁2的上翼缘201放置在上连接板302螺栓固定连接，钢梁2的下翼缘202与下连接板303上螺栓固定连接。弹簧组构件4放置在上翼缘201与下翼缘202之间并通过螺栓连接，限制弹簧组构件4在竖向上的位移和变形，使得弹簧组构件4的稳固性大大提高，延长其使用寿命。
40.加劲板203焊接在钢梁2中部的腹板204上，加劲板203与弹簧组构件4上均设有通孔，通孔分布在一条直线上，横向钢绞线6穿过通孔并通过螺栓固定连接在加劲板203上；当钢梁2受力变形时，钢梁2跨中部位的弯矩较大、挠度变形最大，在跨中设置加劲板203可以增强跨中部位的刚度，一定程度上减轻钢梁2跨中的变形；当钢梁2受力变形时，横向钢绞线6受拉对钢梁2施加反作用力，限制钢梁2的变形；当钢梁2出现破坏而丧失工作性能时，横向钢绞线6可拉住钢梁2，形成悬链线结构，避免破坏的钢梁2导致整体结构出现连续性倒塌，提高了结构整体性和抗连续性倒塌能力。
41.横向钢绞线6加强了钢梁2、钢柱1和连接接头3的整体性，提高了结构整体抗侧刚
度、抗扭能力、承载能力、耗能能力和抗连续倒塌能力，符合“强节点，弱杆件”的抗震设防原则。
42.参考图9至图13与图1，弹簧组构件4设置在连接接头3的两侧，使钢梁2塑性铰远离连接接头3，从而降低在连接接头3处的破坏；弹簧组构件4包括沟槽板401、十字板402、卡扣板403与弹簧盒404，十字板402设置在两块沟槽板401之间并通过卯榫咬合方式连接，使连接处具有一定的变形能力，有效限制钢梁2在竖向方向上的挠度；卡扣板403镶嵌在十字板402上，其两侧通过螺栓固定连接在沟槽板401上，避免十字板402的侧向位移而导致钢梁2和连接接头3的失效；沟槽板401和501、十字板402和卡扣板403的组合加强了连接处的整体性和刚度，可以在一定程度上限制钢梁2的扭转，防止钢梁2发生平面外失稳破坏。
43.卡扣板403与沟槽板401、十字板402的连接部位形成多个腔室，弹簧盒404安装在腔室内，弹簧组构件4两端分别连接在肋板305与腹板204上；弹簧盒404包括侧板4040、弹簧4041与弹簧杆4042，弹簧4041绕置在弹簧杆4042上，弹簧杆4042的两端焊接在两块侧板4040上，该制作工序可在工厂内完成。当整体结构受力时，钢梁2在弹塑性变形阶段或塑性变形阶段出现挠度变形，钢梁2与连接接头3连接处会出现上部受拉、下部受压的情况，此时上部腔室内的弹簧杆4042和弹簧4041受拉，下部腔室内的弹簧杆4042和弹簧4041受压，受拉受压均会对钢梁2产生反向作用力，减弱钢梁2的挠度变形，达到一定的自复位效果；此外，弹簧盒404在受力过程中也会通过变形消耗钢梁2所承受的一部分地震能量，从而减弱钢梁2的破坏程度，提高整体结构的抗震性能。
44.本发明的制作使用过程：(1)将上柱法兰103焊接在上连接柱101，将下柱法兰104焊接在下连接柱102上，再分别将凹凸嵌座105焊接在上连接柱101与下连接柱102上；将加劲板203焊接在钢梁2的中部腹板204上；将凹凸嵌环301、肋板305、上连接板302、下连接板303和中柱304焊接组装成连接接头3，此加工过程均可在工厂预制完成，无需现场焊接加工。(2)将纵向钢绞线5通过螺栓固定连接在隔板306上，将带有纵向钢绞线5的隔板306放入钢柱1内，并与凹凸嵌环301的嵌口3010卡接，纵向钢绞线5穿过钢柱1与另一侧的隔板306通过螺栓连接；将带有纵向钢绞线5的钢柱1嵌套在连接接头3的嵌口3010上，并采用螺栓将上柱法兰103与上连接板302，下柱法兰104与下连接板303连接固定。(3)将两块沟槽板401通过螺栓分别固定在肋板305和腹板204上，将十字板402平推放置在两块沟槽板401之间，将卡扣板403平推嵌入在十字板402上，通过螺栓将沟槽板401和十字板402连接固定；将弹簧盒404通过螺栓固定在十字板402和卡扣板403形成的腔室内，最后将钢梁上翼缘201和钢梁下翼缘202通过螺栓分别与上连接板302和下连接板303连接。(4)将横向钢绞线6通过螺栓固定在钢梁一侧的加劲板203上，将横向钢绞线6穿过弹簧组构件4和连接接头3上的中柱304，并通过螺栓固定在钢梁2另一侧的加劲板203上。
45.本发明在加工时，除了连接接头3、凹凸嵌座105、加劲板203和弹簧盒404采用焊接外，其余都采用螺栓连接，使连接节点处的焊接大幅减小，减少了因过多的焊接而带来的残余应力，且大部分焊接工作均可工程预制加工，减少了现场作业工作量；同时，本发明中焊缝分散，引起的热影响区小，使焊缝及焊缝周围的金属焊接残余应力小，降低了连接节点在地震作用下焊缝开裂的可能性。本发明提供的梁柱节点装配施工过程简单，抗震性能优越，具有良好工程应用前景，且可在工厂工业化生产，与传统的焊接和半焊接相比更利于运输；同时对施工要求低，环境污染少、碳排放量低等优点。