矩形钢管柱-H钢梁全螺栓连接半刚性节点及施工方法与流程

本发明涉及建筑工程，特别涉及一种矩形钢管柱-h型钢梁全螺栓连接半刚性节点及其施工方法。

背景技术：

自2016年以来，关于钢结构建筑产业化及装配式建筑政策密集型出台，提出积极推广绿色建筑和建材，大力发展钢结构和装配式建筑。装配式钢结构体系是指按照统一、标准的建筑部品规格制作房屋单元或构件，然后运至施工现场装配就位而产生的建筑。其特点是建筑质量轻、节能环保、施工速度快、工业化程度高等，能解决我国建筑工业化水平低、房屋建造劳动生产率低以及传统房屋产品质量低等诸多问题，适应我国建筑行业的发展。在目前装配式钢框架中矩形钢管柱的应用逐渐增多，相比热轧h型钢，矩形钢管柱没有明显的弱轴且具有较大的抗扭刚度，在框架体系中可充分发挥其承载能力，是多层钢框架设计中重要的柱截面形式。但由于矩形钢管柱自身是闭口截面，无法为高强螺栓连接的施工提供空间，很难像h型钢柱一样用常规高强螺栓进行装配式连接。梁柱的连接技术是装配式钢框架结构体系中最核心的技术，其连接构造及节点性能对整个体系的性能起到十分重要的控制作用。国内外学者对钢管混凝土柱与工形梁之间的螺栓端板连接进行了研究，但由于混凝土对钢管壁的变形有明显的限制作用，所以相关的研究结论难以推广到箱形柱与工形梁的连接节点中。

节点根据刚度性能的不同，分为刚接、铰接和半刚性连接，半刚性连接钢框架因节点具有较强的变形能力和耗能能力，能够延长结构的自振周期，通过控制梁端塑性铰可耗散地震能量，防止因连接节点破坏而引起结构的倒塌，从而大大降低震害，有利于抗震。目前已有的钢结构矩形钢管柱-h型钢梁半刚性节点的主要类型为：穿芯螺栓端板连接、梁翼缘通过连接件与柱壁连接以及柱壁开孔补焊连接形式，虽然半刚性连接形式多样但却都存在着一定程度的缺陷：穿芯螺栓端板连接需要特制的贯通柱截面的长对拉高强螺栓，加工及施工精度要求非常高，施工效率降低，当采用不等高异形节点时，螺栓贯通式端板连接不再适用；连接件式节点的梁翼缘采用高强螺栓，虽然提高了节点的延性和抗震性能，减少了现场焊接量有利于现场安装施工，但是由于钢管内没有内隔板传力，钢管柱很容易出现柱壁局部屈曲。柱壁开孔补焊连接通常需在钢管壁上开设临时施工洞或者截断，通过该施工洞在钢管内侧安装螺母，再将临时施工洞现场补焊，这种方法不仅施工效率低，而且临时施工洞破坏了原钢管的整体性，现场补焊引入了焊接残余应力，降低其承载力。

梁柱节点是框架结构的一个基本组成部分，对于整个结构的受力和安全有重大影响。一旦连接发生破坏，结构构件就无法发挥作用，其构造合理与否直接关系到结构的安全可靠性。梁柱节点的施工方法直接影响着工程的施工速度以及结构的装配化程度，因此梁柱节点应尽量多采用便于操作的螺栓连接，并且螺栓的布置应可能地易于工人现场紧固。

因此，工程中需要提供一种施工便捷、能有效提高矩形钢管柱-h型钢承载力且综合成本低的全螺栓装配式连接节点，能大大提高h型钢梁与矩形钢管柱组成的框架结构的受力性能和整体性。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有h型钢梁与矩形钢管柱节点技术的不足，提供一种施工方便、承载性能高的全螺栓装配式半刚性连接节点及其施工方法，实现结构的完全装配化，提高构件的拼装速度，充分适应多高层装配式钢结构体系的要求与特点。

本发明所采用的技术方案是：一种矩形钢管柱-h钢梁全螺栓连接半刚性节点，包括矩形钢管柱、h型钢梁、连接传力部件；所述连接传力部件包括上矩形套箍、下矩形套箍、上不等肢角钢、下不等肢角钢和竖向腹板连接板；

所述上不等肢角钢包括上不等肢角钢短肢和上不等肢角钢长肢，所述上不等肢角钢短肢的内壁与所述矩形钢管柱的外壁相贴合，所述上不等肢角钢长肢的下表面与所述h型钢梁的上翼缘相贴合并与所述h型钢梁的上翼缘固定连接；

所述下不等肢角钢包括下不等肢角钢短肢和下不等肢角钢长肢，所述下不等肢角钢短肢的内壁与所述矩形钢管柱的外壁相贴合，所述下不等肢角钢长肢的下表面与所述h型钢梁的下翼缘相贴合并与所述h型钢梁的下翼缘固定连接；

所述上矩形套箍套设在所述上不等肢角钢短肢的外侧，并将所述上不等肢角钢短肢压紧在所述矩形钢管柱上；所述上矩形套箍套通过单向锁紧高强螺栓与所述矩形钢管柱固定连接并将所述上不等肢角钢短肢固连接在所述矩形钢管柱上；

所述下矩形套箍套设在所述下不等肢角钢短肢的外侧，并将所述下不等肢角钢短肢压紧在所述矩形钢管柱上；所述下矩形套箍套通过单向锁紧高强螺栓与所述矩形钢管柱固定连接并将所述下不等肢角钢短肢固连接在所述矩形钢管柱上；

所述竖向腹板连接板与所述h型钢梁的腹板相贴合并与所述h型钢梁的腹板固定连接，所述竖向腹板连接板的内端部与所述矩形钢管柱的壁板固定连接。

进一步的，所述上不等肢角钢长肢在上不等肢角钢长肢肢背位置通过圆弧倒角使所述上不等肢角钢长肢长度由与所述上不等肢角钢短肢长度相等变化至与所述h型钢梁的上翼缘宽度相等；所述上不等肢角钢短肢长度与所述矩形钢管柱宽度相等；所述下不等肢角钢长肢在下不等肢角钢长肢肢背位置通过圆弧倒角使所述下不等肢角钢长肢长度由与所述下不等肢角钢短肢长度相等变化至与所述h型钢梁的下翼缘宽度相等；所述下不等肢角钢短肢长度与所述矩形钢管柱宽度相等。

进一步的，所述上矩形套箍和所述下矩形套箍的尺寸根据所述矩形钢管柱的截面大小确定。

进一步的，所述上矩形套箍的厚度大于或等于所述矩形钢管柱的壁厚，所述上矩形套箍与所述矩形钢管柱之间的距离等于所述上不等肢角钢的厚度；所述下矩形套箍的厚度大于或等于所述矩形钢管柱的壁厚，所述下矩形套箍与所述矩形钢管柱之间的距离等于所述下不等肢角钢的厚度。

进一步的，所述h型钢梁的上翼缘、下翼缘分别通过第一高强螺栓与所述上不等肢角钢长肢、下不等肢角钢长肢固定连接。

进一步的，所述竖向腹板连接板通过第一高强螺栓与所述h型钢梁的腹板固定连接；所述竖向腹板连接板的内端部通过焊接形式与所述矩形钢管柱的壁板固定连接。

本发明所采用的另一技术方案是：一种上述矩形钢管柱-h钢梁全螺栓连接半刚性节点的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，分别制作上矩形套箍、下矩形套箍、上不等肢角钢和下不等肢角钢；并且，矩形钢管柱外壁固定连接竖向腹板连接板；

步骤2，安装下不等肢角钢和下矩形套箍，其中，下矩形套箍套在下不等肢角钢短肢外侧，并通过单向锁紧高强螺栓与矩形钢管柱连接；

步骤3，安装定位h型钢梁，将h型钢梁的下翼缘与下不等肢角钢长肢通过第一高强螺栓连接；

步骤4，安装上不等肢角钢和上矩形套箍，其中，上矩形套箍套在上不等肢角钢短肢外侧，并通过单向锁紧高强螺栓与矩形钢管柱连接；

步骤5，将h型钢梁的上翼缘与上不等肢角钢长肢通过第一高强螺栓连接，

步骤6，将竖向腹板连接板与h型钢梁腹板通过第二高强螺栓连接，完成节点的拼装。

进一步的，步骤1中，所述上矩形套箍、下矩形套箍的制作方法为：经过规则截面尺寸的设计后，由矩形钢板焊接而成，形成矩形的闭合箍。

进一步的，步骤1中，所述上矩形套箍、下矩形套箍的制作方法为：经过规则截面尺寸的设计后，通过完整的矩形钢管截断而成，形成矩形的闭合箍。

本发明的有益效果是：

1.上、下矩形套箍和上、下不等肢角钢的设计并不拘泥于一种形式，可以根据矩形钢管柱及h型钢梁的截面大小以及框架节点的传力情况进行设计，形式多样；上、下矩形套箍和上、下不等肢角钢的加工制作，均可由工厂批量生产，生产效率高、质量可靠；

2.上、下矩形套箍分别套在上、下不等肢角钢短肢处，通过单向锁紧高强螺栓与矩形钢管柱连接，矩形套箍的存在提高了矩形钢管柱对单向锁紧高强螺栓的锚固作用，有效防止矩形钢管柱因柱壁太薄造成局部屈曲及单向锁紧高强螺栓锚固不足，与不等肢角钢共同工作，可以增强矩形钢管柱和节点的整体受力性能；

3.本发明适应装配式钢结构的发展，竖向腹板连接板焊接部分在工厂内完成，矩形钢管柱与上、下矩形套箍及上、下不等肢角钢的连接，采用合理的施工顺序，均可以在施工现场采用螺栓进行装配完成，实现现场施工无焊接，提高了施工效率；

4.本发明的连接节点，节点位置的上、下矩形套箍及上、下不等肢角钢相互约束共同工作：h型钢梁翼缘传来的拉、压力作用主要通过不等肢角钢长肢传递给矩形钢管柱和矩形套箍；h型钢梁传来的剪力主要由竖向腹板连接板传递到矩形钢管柱，既提高了矩形钢管柱对单向锁紧高强螺栓的锚固作用，也给不等肢角钢连接提供了一定的刚度，同时也保证了节点区域矩形钢管柱壁板的局部稳定性，各受力组件相互补充、充分发挥，整个连接节点传力明确、连接可靠、整体性能良好；

5.本发明的连接节点，通过矩形套箍、不等肢角钢、竖向腹板连接板以及单向锁紧高强螺栓和高强螺栓连接h型钢梁和矩形钢管柱，利用半刚性节点良好的变形能力和耗能能力等抗震性能，可实现“强柱弱梁”、“强节点、弱杆件”的抗震设计原则，避免因节点脆性破坏而导致结构整体破坏，从而提高结构的抗震性能，降低经济损失、减少人员伤亡。

附图说明

图1：本发明矩形钢管柱-h钢梁全螺栓连接半刚性节点三维空间示意图；

图2：本发明矩形钢管柱-h钢梁全螺栓连接半刚性节点平面示意图；

图3：本发明矩形钢管柱-h钢梁全螺栓连接半刚性节点正立面示意图；

图4：本发明的矩形钢管柱立体示意图；

图5：本发明的h型钢梁立体示意图；

图6：本发明的上矩形套箍立体示意图；

图7：本发明的下矩形套箍立体示意图；

图8：本发明的上不等肢角钢立体示意图；

图9：本发明的下不等肢角钢立体示意图；

附图标注：1-矩形钢管柱，1a、1b、1c、1d-钢壁板，2-h型钢梁，3-上矩形套箍，4-下矩形套箍，5-上不等肢角钢，6-下不等肢角钢，7-竖向腹板连接板，8-第一高强螺栓，9-第二高强螺栓，10-单向锁紧高强螺栓，11-全熔透坡口对接焊缝，12-螺栓孔，13-全熔透坡口对接焊缝，21-上翼缘，22-下翼缘，23-腹板，24-h型钢梁翼缘螺栓孔，25-h型钢梁腹板螺栓孔，31-上矩形套箍螺栓孔，41-下矩形套箍螺栓孔，51-上不等肢角钢短肢，52-上不等肢角钢长肢，53-上不等肢角钢螺栓孔，61-下不等肢角钢短肢，62-下不等肢角钢长肢，63-下不等肢角钢螺栓孔，71-螺栓孔。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图9所示，一种矩形钢管柱-h钢梁全螺栓连接半刚性节点，包括矩形钢管柱1、h型钢梁2和连接传力部件。

所述矩形钢管柱1选用焊接箱型组合截面柱，其中矩形钢管柱1由钢壁板1a、钢壁板1b、钢壁板1c及钢壁板1d按一定焊接顺序连接而成。

所述连接传力部件包括上矩形套箍3、下矩形套箍4、上不等肢角钢5、下不等肢角钢6、竖向腹板连接板7、第一高强螺栓8、第二高强螺栓9及单向锁紧高强螺栓10。

所述上不等肢角钢5包括上不等肢角钢短肢51和上不等肢角钢长肢52，所述上不等肢角钢短肢51的内壁与所述矩形钢管柱1的外壁相贴合，所述上不等肢角钢长肢52的下表面与所述h型钢梁2的上翼缘21相贴合并通过所述第一高强螺栓8与所述h型钢梁2的上翼缘21固定连接。其中，所述上不等肢角钢长肢52在其肢背位置通过圆弧倒角使其长度由与所述上不等肢角钢短肢51长度相等变化至与所述h型钢梁2的上翼缘21宽度相等；所述上不等肢角钢短肢51长度与所述矩形钢管柱1宽度相等。

所述下不等肢角钢6包括下不等肢角钢短肢61和下不等肢角钢长肢62，所述下不等肢角钢短肢61的内壁与所述矩形钢管柱1的外壁相贴合，所述下不等肢角钢长肢62的下表面与所述h型钢梁2的下翼缘22相贴合并通过所述第一高强螺栓8与所述h型钢梁2的下翼缘22固定连接。其中，所述下不等肢角钢长肢62在其肢背位置通过圆弧倒角使其长度由与所述下不等肢角钢短肢61长度相等变化至与所述h型钢梁2的下翼缘22宽度相等；所述下不等肢角钢短肢61长度与所述矩形钢管柱1宽度相等。

所述上矩形套箍3套设在所述上不等肢角钢短肢51的外侧，并将所述上不等肢角钢短肢51压紧在所述矩形钢管柱1上，所述上矩形套箍3套通过单向锁紧高强螺栓10与所述矩形钢管柱1固定连接并将所述上不等肢角钢短肢51固连接在所述矩形钢管柱1上；所述下矩形套箍4套设在所述下不等肢角钢短肢61的外侧，并将所述下不等肢角钢短肢61压紧在所述矩形钢管柱1上，所述下矩形套箍4套通过单向锁紧高强螺栓10与所述矩形钢管柱1固定连接并将所述下不等肢角钢短肢61固连接在所述矩形钢管柱1上。所述上矩形套箍3套和下矩形套箍4套的设置，有效防止矩形钢管柱1因柱壁太薄造成局部屈曲及单向锁紧高强螺栓10锚固不足，提高了矩形钢管柱1与h型钢梁2单向锁紧高强螺栓10连接处的承载力，可以增强矩形钢管柱1和节点的整体受力性能。

其中，所述上矩形套箍3的厚度大于或等于所述矩形钢管柱1的柱壁截面的厚度，所述上矩形套箍3与所述矩形钢管柱1之间的距离等于所述上不等肢角钢5的厚度；所述下矩形套箍4的厚度大于或等于所述矩形钢管柱1的柱壁截面的厚度，所述下矩形套箍4与所述矩形钢管柱1之间的距离等于所述下不等肢角钢6的厚度。

所述上矩形套箍3、下矩形套箍4、上不等肢角钢5、下不等肢角钢6的尺寸根据矩形钢管柱1、h型钢梁2的截面大小及框架节点传力情况确定，矩形套箍和不等肢角钢的加工制作，均可由工厂批量生产。

所述竖向腹板连接板7与所述h型钢梁2的腹板23相贴合并通过第二高强螺栓9与所述h型钢梁2的腹板23固定连接，所述竖向腹板连接板7的内端部通过焊接形式与所述矩形钢管柱1的壁板固定连接。所述矩形钢管柱1与所述竖向腹板连接板7通过全熔透坡口对接焊缝11焊接部分在工厂内完成，在施工现场采用第二高强螺栓9与h型钢梁2的腹板23装配连接。

如图3示，所述竖向腹板连接板7位于所述h型钢梁2的腹板23位置上，与矩形钢管柱1外壁通过全熔透坡口对接焊缝11工厂焊接，现场通过第二高强螺栓9与所述h型钢梁2的腹板23连接；所述h型钢梁2的上翼缘21、下翼缘22分别与所述上不等肢角钢长肢52、下不等肢角钢长肢62通过第一高强螺栓8连接。

如图4和图5所示，所述矩形钢管柱1选用焊接箱型组合截面，组成所述矩形钢管柱1的钢壁板1a、钢壁板1b、钢壁板1c及钢壁板1d，与所述竖向腹板连接板7合理焊接顺序为：

(1)所述矩形钢管柱1的钢壁板1a与钢壁板1b，及钢壁板1b与钢壁板1c，分别采用全熔透坡口对接焊缝11焊接，并根据节点设计及框架节点传力情况确定单向锁紧高强螺栓10规格和位置，在矩形钢管柱1的壁板上预先开设的螺栓孔12；

(2)在所述h型钢梁2的腹板23位置处，采用全熔透坡口对接焊缝13将所述竖向腹板连接板7与所述矩形钢管柱1的钢壁板1a、钢壁板1b、钢壁板1c、钢壁板1d焊接，并根据节点设计及框架节点传力情况确定竖向腹板连接板7上预先开设的螺栓孔71。

如图6和图7所示，所述上矩形套箍3、下矩形套箍4的制作方法一：经过规则截面尺寸的设计后，由矩形钢板焊接而成，形成矩形的闭合箍。

如图6和图7所示，所述上矩形套箍3、下矩形套箍4的制作方法二：经过规则截面尺寸的设计后，通过完整的矩形钢管截断而成，形成矩形的闭合箍。

如图8示，所述上不等肢角钢长肢52在其肢背位置通过圆弧倒角使其长度由与所述上不等肢角钢短肢51长度相等变化至与所述h型钢梁2的上翼缘21宽度相等。

如图9所示，所述下不等肢角钢长肢62在其肢背位置通过圆弧倒角使其长度由与所述下不等肢角钢短肢61长度相等变化至与所述h型钢梁2的下翼缘22宽度相等。

上述矩形钢管柱-h钢梁全螺栓连接半刚性节点的合理连接顺序为：

1.根据合理的设计，工厂加工制作上矩形套箍3、下矩形套箍4，制作上不等肢角钢5、下不等肢角钢6，并根据矩形钢管柱1、h型钢梁2的截面大小及框架节点传力情况确定第一高强螺栓8、第二高强螺栓9、单向锁紧高强螺栓10尺寸和位置，预留相应的上矩形套箍螺栓孔31、下矩形套箍螺栓孔41、上不等肢角钢螺栓孔53、下不等肢角钢螺栓孔63、h型钢梁翼缘螺栓孔24、h型钢梁腹板螺栓孔25；

2.安装下矩形套箍4，安装下不等肢角钢6，下矩形套箍4套在下不等肢角钢短肢61上初步定位，并通过单向锁紧高强螺栓10与矩形钢管柱1连接，有效防止矩形钢管柱1因柱壁太薄造成局部屈曲及单向锁紧高强螺栓10锚固不足，与不等肢角钢共同工作，可以增强矩形钢管柱1和节点的整体受力性能；

3.安装定位h型钢梁2，将h型钢梁2的下翼缘22与下不等肢角钢长肢62通过第一高强螺栓8连接；

4.安装上不等肢角钢5，安装上矩形套箍3，上矩形套箍3套在上不等肢角钢短肢51上初步定位，并通过单向锁紧高强螺栓10与矩形钢管柱1连接，与不等肢角钢共同工作，有效防止矩形钢管柱1因柱壁太薄造成局部屈曲及单向锁紧高强螺栓10锚固不足；

5.将h型钢梁2的上翼缘21与上不等肢角钢长肢52通过第一高强螺栓8连接，从而形成矩形钢管柱1与h型钢梁2和连接传力部件形成的整体节点，可以增强矩形钢管柱1和节点的整体受力性能；

6.将竖向腹板连接板7与h型钢梁2的腹板23通过第二高强螺栓9装配连接，实现现场施工无焊接，提高施工效率。

7.当本层结构安装完成后，将连接传力部件处第一高强螺栓8、第二高强螺栓9及单向锁紧高强螺栓10进行终拧，完成节点的拼接安装。

节点位置的上矩形套箍3、下矩形套箍4及上不等肢角钢5、下不等肢角钢6相互约束共同工作：上矩形套箍3套在上不等肢角钢短肢51处，通过单向锁紧高强螺栓10与矩形钢管柱1连接，下矩形套箍4套在下不等肢角钢短肢61处，通过单向锁紧高强螺栓10与矩形钢管柱1连接，既提高了矩形钢管柱1对单向锁紧高强螺栓10的锚固作用，也给不等肢角钢连接提供了一定的刚度，同时也保证了节点区域矩形钢管柱1壁板的局部稳定性；

剪力的传递路径，h型钢梁2上的剪力由腹板23承担，h型钢梁2的腹板23传来的竖向剪力通过第二高强螺栓9连接产生的摩擦力传递到竖向腹板连接板7，然后竖向腹板连接板7上所受剪力主要通过竖向的全熔透坡口对接焊缝13将荷载传递到矩形钢管柱1的钢壁板1a上；弯矩的传递路径，h型钢梁2的翼缘(上翼缘21、下翼缘22)传来的水平荷载通过第一高强螺栓8连接产生的摩擦力或螺栓杆与孔壁的挤压力传递给不等肢角钢(上不等肢角钢5、下不等肢角钢6)，然后不等肢角钢通过单向锁紧高强螺栓10将水平荷载传递到矩形套箍(上矩形套箍3、下矩形套箍4)和矩形钢管柱1上，矩形钢管柱1和矩形套箍共同承受力矩作用。各受力组件相互补充、充分发挥，整个连接节点传力明确、连接可靠、整体性能良好。

综上，本发明适应装配式钢结构的发展，竖向腹板连接板7焊接部分在工厂内完成，现场采用螺栓进行装配，节点传力合理可靠，设计标准化，制造标准化，安装准确便捷，适用于矩形钢管柱1和h型钢梁2结构的装配式连接，同时本发明的节点为半刚性节点、延性好、抗震耗能能力强。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。