[发明专利]双钢板螺栓连接全装配式柱节点及其施工方法及计算方法

权利要求书

1.一种双钢板螺栓连接全装配式柱节点，其特征在于，包括有横截面为矩形的装配式整体柱(1)，装配式整体柱(1)的四个侧壁上均设置有通过若干个预埋螺栓(12)连接的双层连接钢板；

所述装配式整体柱(1)包括由上至下依次设置的上段预制柱(2)、中间填充层(17)及下段预制柱(3)，上段预制柱(2)的底端端部中心处为凸出的榫头，上段预制柱(2)的底端端部表面包裹有上段预制柱端部榫头预埋钢板(4)；下段预制柱(3)的顶端端部中心处开有用于安装榫头的杯口，下段预制柱(3)的顶端端部表面覆盖有下段预制柱端部杯口预埋钢板(5)；上段预制柱(2)的四个侧壁均通过部分预埋螺栓(12)与双层连接钢板连接，下段预制柱(3)的四个侧壁均通过部分预埋螺栓(12)与双层连接钢板连接；

所述上段预制柱(2)为钢筋混凝土预制柱，钢筋混凝土预制柱中心处竖直设置有上段抗剪连接件(10)，上段抗剪连接件(10)的一端端部点焊于上段预制柱端部榫头预埋钢板(4)上，钢筋混凝土预制柱内部还设置有按照矩形均匀分布的八根上段柱纵筋(6)，还包括有将位于矩形顶角处的四个不相邻的上段柱纵筋(6)连接在一起的上段预制柱外圈箍筋(8)，以及将另外四个上段柱纵筋(6)连接在一起的上段预制柱内圈箍筋(9)，每个安装于上段预制柱(2)的预埋螺栓(12)的尾部点焊于上段预制柱外圈箍筋(8)上，上段柱纵筋(6)的端部点焊于上段预制柱端部榫头预埋钢板(4)上；

所述下段预制柱(3)为钢筋混凝土预制柱，钢筋混凝土预制柱中心处竖直设置有下段抗剪连接件(11)，下段抗剪连接件(11)的一端端部点焊于下段预制柱端部杯口预埋钢板(5)上，钢筋混凝土预制柱内部还设置有按照矩形均匀分布的八根下段柱纵筋(7)，还包括有将位于矩形顶角处的四个不相邻的下段柱纵筋(7)连接在一起的下段预制柱外圈箍筋(15)，以及将另外四个下段柱纵筋(7)连接在一起的下段预制柱内圈箍筋(16)，每个安装于下段预制柱(3)的预埋螺栓(12)的尾部点焊于下段预制柱外圈箍筋(15)上，下段柱纵筋(7)的端部点焊于下段预制柱端部杯口预埋钢板(5)上；

双层连接钢板包括由内向外依次设置的内层连接钢板(13)及外层连接钢板(14)，内层连接钢板(13)上设置有若干个椭圆形螺栓孔，外层连接钢板(14)上设置有若干个圆形螺栓孔，外层连接钢板(14)上的圆形螺栓孔与内层连接钢板(13)上的椭圆形螺栓孔一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种双钢板螺栓连接全装配式柱节点的施工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：根据需求选择合适长度尺寸的上段预制柱端部榫头预埋钢板(4)、下段预制柱端部杯口预埋钢板(5)、预埋螺栓(12)、内层连接钢板(13)及外层连接钢板(14)；

步骤二：预制装配式柱节点所需的上段柱纵筋(6)、下段柱纵筋(7)、上段预制柱外圈箍筋(8)、上段预制柱内圈箍筋(9)、上段抗剪连接件(10)、下段抗剪连接件(11)、下段预制柱内圈箍筋(16)及下段预制柱外圈箍筋(15)；

步骤三：装配柱预制钢筋混凝土部分，上段预制柱(2)的底端与下段预制柱(3)的顶端节点连接区设有预埋螺栓(12)、上段预制柱端部榫头预埋钢板(4)及下段预制柱端部杯口预埋钢板(5)，预埋螺栓(12)点焊于对应的外圈箍筋上，上段预制柱端部榫头预埋钢板(4)及下段预制柱端部杯口预埋钢板(5)点焊于对应的纵筋上，上段预制柱(2)与下段预制柱(3)分开浇筑，依次进行支模板、浇筑混凝土、振捣、养护；

步骤四：待混凝土养护28天后，拆模，并将上段预制柱(2)吊起，置于下段预制柱(3)的正上方，上段预制柱(2)与下段预制柱(3)之间留有5～15mm的空隙，空隙就用来填充氯丁橡胶或砂浆作为中间填充层，四周安装开有椭圆形螺栓孔的内层连接钢板(13)，然后再安装开有圆形螺栓孔的外层连接钢板(14)，最后采用承压型高强螺栓帽拧在预埋螺栓杆上，将双层连接钢板固定。

3.根据权利要求1所述的一种双钢板螺栓连接全装配式柱节点的各个部件尺寸确定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、根据柱的总高H及形式，设定待设置的装配式整体柱(1)柱截面的高度h，宽度b，上段预制柱(2)高度h₁、下段预制柱(3)高度h₂、中间填充层(17)厚度t₄，上段预制柱端部榫头预埋钢板(4)及下段预制柱端部杯口预埋钢板(5)的厚度t₃及四周双层连接钢板的厚度t，t≥6mm；根据四周双层连接钢板的厚度t，进而确定内层连接钢板(13)的厚度t₁，t₁≥5mm；外层连接钢板(14)的宽度b₂、长度L₂及厚度t₂，t₂≤4mm；

根据上段预制柱(2)及下段预制柱(3)接触面的形状确定榫头根部至上段预制柱(2)外侧边缘的距离为a，a≥100mm、榫头的长度为c，c≥140mm、榫头端部的边长m和坡度为θ，进而确定下段预制柱(3)杯口的尺寸；通过连接处的所能承受的轴力、剪力及弯矩的计算，预估设置内层连接钢板(13)的长度L₁，宽度b₁，外层连接钢板(14)的长度L₂，宽度b₂，开孔布置位置和预埋螺栓(12)使用型号及直径；

步骤2、根据步骤1基础上，按规范选取适尺寸的上段柱纵筋(6)及下段柱纵筋(7)，包括纵筋的直径d₁；选择所需的合适尺寸的上段预制柱外圈箍筋(8)、上段预制柱内圈箍筋(9)、下段预制柱外圈箍筋(15)及下段预制柱内圈箍筋(16)，包括箍筋的直径d₂；选择所需的合适尺寸的上段抗剪连接件(7)及下段抗剪连接件(11)，包括抗剪栓钉直径d₁，抗剪栓钉长度L₃；

步骤1及步骤2中尺寸之间存在如下关系：

H＝h₁+h₂+t₄ 公式(1)

t＝t₁+t₂ 公式(2)

b＝b₁＝b₂ 公式(3)

L₁＝L₂ 公式(4)

步骤3、对一种双钢板螺栓连接全装配式柱节点截面尺寸进行复核，根据行业规范、标准的力学原理及结构理论计算出上下柱连接节点处的极限承载力，即：

M、V、N分别为构件的弯矩、剪力、轴力设计值，e为轴力作用点至连接钢板厚度中心的距离，f_c为混凝土的抗压强度设计值，f_s为连接钢板的抗压强度设计值；b_c、h_c分别为混凝土柱的截面宽度、高度，t₂为连接盖板的厚度，x为混凝土相对受压高度，系数α₁、β₁按现行混凝土结构设计规范取值；

λ为偏心受压构件计算截面的剪跨比，对各类构件的框架柱，取当框架结构中柱的反弯点在层高范围内是，可取H₀为柱的净高；当1＜λ时，取λ＝1；当λ＞3时，取λ＝3；当承受集中荷载时，取a取集中荷载作用点至支座截面或节点边缘的距离；当λ＜1.5时，取λ＝1.5；当λ＞3时，取λ＝3；f_t为轴向抗拉混凝土强度设计值，h₀为构件截面有效高度，f_yv为箍筋强度设计值，A_sv为构件箍筋截面面积，s₁为箍筋的间距；

0.9为可靠度调整系数，为钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数，f_y为纵筋的轴心抗压强度设计值；A_c、A_s分别是混凝土、纵筋的抗压截面面积；若公式(6)(7)(8)满足要求，即可确定上下柱节点处连接钢板的尺寸；若公式(6)(7)(8)不成立，返回步骤3重新设计，直至公式(6)(7)(8)成立为止；

步骤4、设置的装配式整体柱(1)柱截面的高度h，宽度b，上柱高度h₁、下柱高度h₂、中间填充层(17)的厚度t₄，为保证装配柱所产生的塑性铰区位于中间的节点连接处，即需满足：

步骤5、设置上下柱接触面的形状确定上柱榫头和下柱杯口处的侧向抗压抗剪承载力需满足：

抗压：F_c≤f_cbc 公式(10)

抗剪：F_v≤0.7f_tA_c+f_vA_s 公式(11)

f_c为上下柱接触面混凝土的抗压强度设计值，b为上柱榫头的宽度；c为上柱榫头的长度，f_t为上下柱接触面混凝土的抗拉强度设计值，A_c为下柱杯口内侧混凝土部分的受力面积；A_s为下柱杯口内侧预埋钢板部分的受力面积；若公式(10)(11)满足要求，确定上下柱接触面预埋钢板的尺寸；若公式(10)(11)不成立，返回步骤5重新设计，增加长度c或增加预埋钢板的厚度t，即调整上下柱接触面预埋钢板部分的受力面积，直至公式(10)(11)成立为止；

步骤6、设置连接钢板的螺栓数目需满足：

单根螺栓抗剪承载力：

单根螺栓孔孔壁承压：

则需要螺栓数：

为螺栓的抗剪强度设计值，A_c为螺栓的截面面积；为连接钢板的抗拉强度设计值，d_c为螺栓孔部分所通过的螺栓杆直径，t₂为连接钢板的厚度，γ为加强系数，N为新型装配柱所受的轴向压力设计值；

步骤7、设置选取连接节点处的螺栓孔距尺寸，即估算满足：

中间孔距＞3d₀，＜nin{12d₀，18t} 公式(15)

中心至构件边缘距离＞1.5d₀，＜nin{4d₀，8t} 公式(16)。