一种含插入型梁柱节点的装配式钢框架结构体系

本发明涉及一种含插入型梁柱节点的装配式钢框架结构体系，属于土木工程结构新体系和智能制造领域。

背景技术：

1、装配式钢结构施工是一种新兴技术，其质量更优、施工速度更快，且相比传统钢结构施工方法产生的建筑废弃物更少。装配式钢结构核心在于将主体构件在工厂内进行预制，然后在施工现场进行装配。与传统的混凝土浇筑不同，这种方法通过工厂生产的标准化构件，极大提高了施工效率和建筑质量。

2、传统钢结构中的梁柱节点设计，往往基于成熟的力学理论与丰富的实践经验，但在面对装配式钢结构这一新兴形态时，其设计思路与构造细节并不能直接套用。装配式结构的独特之处在于其高度的预制性与装配性，这要求节点设计不仅要满足强度、刚度与稳定性的基本要求，还需兼顾易于安装、拆卸与维护的便捷性，以及适应不同建筑功能需求的灵活性。

3、与常规施工技术相比，装配式钢结构施工尚属于新兴领域，装配式钢框架结构体系的设计和施工指南尚未完善。装配式结构的结构性能和荷载传递机制与传统的钢框架结构存在显著差异。因此，当前针对传统结构的设计在装配式结构设计中并不适用。此外，现有的装配式钢结构连接节点在满足不同建筑需求的同时会因本身的构造做法而具有一定的局限性。

4、现有的装配式钢框架结构体系设计尽管在一定程度上满足了基本的结构需求，但往往因构造复杂、成本高昂或抗震性能不足等局限性，难以全面满足市场对高效、经济、安全的模块化建筑解决方案的迫切需求。特别是在地震等自然灾害频发的地区，如何设计一种既能有效传递荷载、又能显著提升抗震性能的梁柱节点结构，成为模块化钢结构领域亟待攻克的技术难题。

5、目前普通的装配式结构仍需要焊接、螺栓连接，或使用复杂构件进行现场组装。同时，在装配式结构中，预制件之间的连接是最为重要的部分，同时也是装配式结构中的薄弱点。从装配式结构震害调查结果可以看出，结构中预制件的损坏相对轻微，主要的损伤集中在节点连接处。因此，需要发展一种更加成熟的既满足抗震要求又满足便捷装配要求的节点连接及安装模式，以适应不同的装配环境。

6、近年来，插入式高强混凝土灌浆柱、冷弯薄壁型钢梁、柔性连接墙以及各种阻尼器的发展为装配式钢结构的快捷装配及抗震耗能提供了新的设计思路。插入式高强混凝土灌浆柱在便捷装配的同时可实现柱间紧密连接与刚度增强，高强混凝土灌浆同样能够提升柱截面的承载能力和抗弯强度。相同规格的冷弯薄壁型c形钢完全可以通过不同的装配设计实现功能区分，并提高生产效率且节约材料成本。构造墙体与钢结构框架的柔性连接，则可以有效降低地震作用下梁柱板墙之间的相互作用。此外，合理的运用阻尼器可有效减少结构在地震时的振动幅度和共振效应，提高结构的能量耗散能力。因此，结合上述各项装配及减震措施可针对钢框架结构发展一种便于装配并具备较强抗震性能的含插入型梁柱节点的装配式钢框架结构体系。

技术实现思路

1、本发明提出了一种含插入型梁柱节点的装配式钢框架结构体系，将插入式高强混凝土灌浆柱－易组装冷弯薄壁型钢组合抗震梁作为主体钢框架结构，便于预制及装配。利用可更换式保险片组、碟式弹簧阻尼器、自复位液撑杆组能够有效降低地震作用下结构响应，同时可在结构遭遇地震破坏时快速时间功能恢复。此外，将上层钢筋混凝土楼板与上部地板梁浇筑在一起形成整体刚性连接，之后进行下层吊顶，采用pvc结构拉缝板连接现浇框架填充墙作为结构体系墙体。通过高强混凝土灌浆可实现柱的紧密连接，同时增加空心钢管柱的刚度、柱截面的承载能力和抗弯强度。板梁与天花板梁相同规格的冷弯薄壁型c形钢预制构件可以实现批量生产，提高生产效率、节约材料降低成本。同时也可以简化施工，确保装配质量。地板梁和天花板梁之间设置碟式弹簧阻尼器，同时双梁连接可产生复合作用能够有效地减少双梁结构在地震时的振动幅度，有效地减少结构的共振效应，有效地提高了结构的能量耗散能力，提升结构的抗震性能。可更换式保险片和腹板连接的设计，可以有效实现塑性铰外移，保护主体结构不发生破坏。充分利用局部塑性变形及界面间的摩擦作用耗散能量，减缓结构响应，便于震后修复。梁下设置自复位液撑杆可以有效地提高结构的抗震性能，通过能量耗散和控制结构位移来增强结构的稳定性和安全性，同时也起到形成下部加强肋的作用。梁端插板和插槽的设置，可以实现施工现场构件的快速组装，同时也有助于提高节点的抗震性能，使其在地震中提供有效的结构支撑。此外，pvc结构拉缝板可将构造墙体与钢结构框架进行柔性连接，避免因框架柱和梁变形导致墙体受压开裂。提升钢框架结构的抗震性能。同时，采用pvc拉缝板和空心pvc管的现浇筑空心混凝土墙可有效减少材料消耗、简化施工。将楼板与上部地板梁浇筑在一起，可充分考虑组合框架结构弹性及弹塑性受力时的楼板空间组合效应，增加整体结构的刚度，对体系的抗侧力性能和抗震性能具有较大的提升。

2、本发明专利采用如下技术方案：

3、一种含插入型梁柱节点的装配式钢框架结构体系，所述钢框架梁柱节点抗震结构包括：插入式高强混凝土灌浆钢管柱(1)、易装配冷弯薄壁型钢组合抗震梁(2)、钢管柱连接板(3)、碟式弹簧阻尼器(4)、自复位液撑杆组(5)、拉缝板现浇框架填充墙(6)、上层钢筋混凝土地板(7)、下层天花板吊顶(8)、钢管柱(9)、插入管(10)、凸起剪力键(11)、灌浆孔(12)、下层柱(13)、上层柱(14)、冷弯薄壁型c形钢主梁段(15)、变形保险片(16)、摩擦保险片(17)、冷弯薄壁型c形钢梁端段(18)、梁端插板(19)、梁端插槽(20)、可更换式连接腹板(21)、连接垫板(22)、连接角钢(23)、天花板梁冷弯薄壁型c形钢(24)、橡胶摩擦垫(25)、钢制垫片(26)、橡胶阻尼垫(27)、碟式弹簧(28)、定位销(29)、自复位液撑(30)、橡胶连接块(31)、销轴连接件(32)、pvc空心管(33)、纵向拉结筋(34)、纵向pvc结构拉缝板(35)、横向pvc结构拉缝板(36)、横向拉结筋(37)、纵筋(38)、箍筋(39)、墙板(40)、保险片上方盖板(41)、预制钢筋混凝土地板(42)、现浇柱混凝土地板(43)、填充泡沫(44)、钢制盖板(45)、石膏板(46)。

4、所述插入式高强混凝土灌浆钢管柱包含钢管柱(9)、插入管(10)。各层所设插入式高强混凝土灌浆钢管柱规格相同。将下层柱的插入管插入上层柱的下部进行装配。插入管上设置凸起剪力键(11)，提高钢管柱与混凝土之间的粘结强度。钢管柱上设置灌浆孔(12)，装配后在空心钢管柱(9)内使用高强度混凝土灌浆。同节点中插入式高强混凝土灌浆钢管柱由钢管柱连接板(3)进行固定。在下层柱(13)装配完成后，使用钢管柱连接板(3)对下层柱(13)进行焊接固定，之后再进行上层柱(14)的装配。

5、所述易装配冷弯薄壁型钢组合抗震梁(2)由冷弯薄壁型c形钢主梁段(15)、变形保险片(16)、摩擦保险片(17)、冷弯薄壁型c形钢梁端段(18)、梁端插板(19)、梁端插槽(20)、可更换式连接腹板(21)、连接垫板(22)、连接角钢(23)组成。其中冷弯薄壁型c形钢主梁段(15)与端梁段(18)以可更换式连接腹板(21)、可更换式变形保险片(16)及摩擦保险片(17)连接，通过高强度螺栓固定。端梁段(18)与梁端插板(19)在预制过程中进行焊接，并在装配过程中以连接角钢(23)加固通过高强度螺栓固定于空心钢管柱(9)上。梁端插槽焊接于空心钢管柱(9)上，梁端插板(19)在装配过程中插入梁端插槽(20)，梁端插槽宽度应与空心钢管柱(9)宽度相同。

6、所述易装配冷弯薄壁型钢组合抗震梁包括上部地板梁与下部天花板梁两个主要部分。地板梁采用两块冷弯薄壁型c形钢(15)拼合而成，中间设置连接垫板(22)并以高强度螺栓固定，梁端段设置梁端插板，对应的梁端插槽焊接于上部空心钢管柱(14)上。地板梁作为主梁与预制钢筋混凝土地板进行浇筑连接。下部天花板梁采用规格相同的一块冷弯薄壁型c形钢(24)，主梁段与梁端段同样采用腹板、变形保险片(16)、摩擦保险片(17)进行连接，梁端段设置梁端插板，对应的梁端插槽焊接于下部空心钢管柱(13)上。地板梁与天花板梁之间采用碟式弹簧阻尼器(4)进行连接。两块地板梁拼合后宽度与天花板梁宽度相同。

7、所述可更换式弯曲耗能保险片(16)采用低屈服点钢，设计弯曲角度范围为20°ˉ30°。所述可更换式摩擦保险片(17)使用喷砂机下对高强度钢板喷砂处理制作，通过喷射粗糙度处理增强保险片与梁之间的摩擦系数，且摩擦系数应大于0.3。

8、所述碟式弹簧阻尼器(4)由橡胶摩擦垫(25)、钢制垫片(26)、橡胶阻尼垫(27)、碟式弹簧(28)、定位销(29)组成。碟式弹簧(28)置于上下两层钢制垫片(26)中，阻尼器上层设置橡胶阻尼垫(27)。阻尼器最外侧设置粗糙橡胶摩擦垫(25)。阻尼器在装配过程中与上部地板梁的下翼缘和下部天花板梁的上翼缘由高强度螺栓进行连接。

9、所述自复位液撑组(5)由4根自复位液撑(30)、橡胶连接块(31)、销轴连接件(32)组成，装配于下部天花板梁下方，设计角度范围为40°ˉ50°。

10、所述拉缝板浇筑混凝土填充墙(6)由pvc空心管(33)、纵向拉结筋(34)、纵向pvc结构拉缝板(35)、横向pvc结构拉缝板(36)、横向拉结筋(37)、纵筋(38)、箍筋(39)、墙板(40)、现浇筑混凝土、保险片上方盖板(41)组成。在上层两根地板梁(2)中间位置上方设置横向pvc结构拉缝板(36)，两侧高强混凝土灌浆柱中间位置设置纵向pvc结构拉缝板(35)，在pvc拉缝板上设置纵向拉结筋(34)及横向拉结筋(37)。

11、所述地板由预制钢筋混凝土地板(42)、现浇柱混凝土地板(43)、填充泡沫(44)和钢制盖板(45)组成。装配过程中在钢框架上铺设模板，预制钢筋混凝土地板(42)放置于模板上，之后对节点和梁部分现浇柱混凝土区地板进行浇筑，浇筑时将楼板与上部地板梁浇筑在一起形成整体刚性连接。梁端设置保险片的区域不进行浇筑，采用耐火性较强的聚甲醛泡沫(44)进行填充，后铺设钢制盖板(45)。天花板(8)采用轻钢龙骨和石膏板(46)吊装于下部天花板梁上。

12、与现有技术相比，本发明的优点如下：

13、1、高强度与高效装配设计。本发明通过采用高强度混凝土灌浆钢管柱设计，实现了柱间紧密连接与刚度增强，同时提升了柱截面的承载能力和抗弯强度。此外，上部地板梁与下部天花板梁采用相同规格的冷弯薄壁型c形钢，并通过不同的装配设计实现了功能区分，提高了生产效率并节约了材料成本。这种设计不仅简化了施工过程，确保了装配质量，还通过高强度螺栓和碟式弹簧阻尼器的连接，增强了结构的弹塑性受力性能，有效避免了梁的严重破坏。

14、2、抗震性能优化与能量耗散。本发明在结构中设置了碟式弹簧阻尼器，有效减少了双梁结构在地震时的振动幅度和共振效应，提高了结构的能量耗散能力，从而显著提升了抗震性能。同时，通过采用可更换式保险片和腹板连接的设计，实现了塑性铰的外移，保护了主体结构不受破坏。在地震过程中，保险片组能够利用局部塑性变形及界面间的摩擦作用耗散能量，减缓结构响应。此外，节点梁柱连接处的插板和插槽设计，不仅实现了快速组装，还提高了节点的抗震性能。

15、3、柔性连接与整体结构性能的提升。本发明采用pvc拉缝板连接的浇筑混凝土填充墙，实现了构造墙体与钢结构框架的柔性连接，有效降低了地震作用下梁柱板墙之间的相互作用，避免了墙体受压开裂，提升了钢框架结构的抗震性能。同时，通过将楼板与上部地板梁浇筑在一起，充分考虑了组合框架结构在弹性及弹塑性受力时的楼板空间组合效应，增加了整体结构的刚度，对体系的抗侧力性能和抗震性能具有显著提升。此外，下部天花板梁主梁段和钢管柱采用自复位液撑杆连接，进一步增强了结构的抗震性能，提高了节点的强度，并形成了下部加强肋的作用。