一种含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元

技术领域

本发明涉及一种含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点，属于建筑技术领域以及结构工程技术领域。

背景技术

地震是人类长期以来一直面对的突发性自然灾害之一，往往会造成巨大的人员伤亡与经济损失。传统的抗震思想主要是通过延性设计来避免建筑在强震下发生倒塌，即地震来临时牺牲结构的使用功能允许其发生塑性形变，但这种方法会导致结构发生损伤并产生层间残余位移，震后无法进行有效的修复。实际上，近年来的报告表明，地震中房屋倒塌的数量已经得到了有效的控制，但由于建筑震后无法修复或是修复周期过长，造成的经济损失依然十分巨大。因此，为了将震后损失降到最小，学者们提出了可更换耗能组件的概念并对其进行了深入的研究。

可更换耗能组件，是通过人为设计将建筑物的某些非承重结构设计为薄弱部分，一般具有低强度、高延性的特点。在正常使用过程中，这些构件处于弹性状态，而在地震发生时，损伤和变形会集中发生在这些可更换耗能组件上，以保证主体结构不会发生过大的破坏；在震灾过后，通过更换可更换耗能组件的方法以达到快速恢复建筑使用功能的目的。

装配式混凝土梁柱节点作为结构中受力的关键部位，虽然在设计中遵循着强柱弱梁的设计原则，但在实际情况下由于核心区受力复杂，在地震发生时，核心区混凝土往往处于弯剪压复合受力的状态，会出现交叉形裂缝并伴随着混凝土压碎剥落、钢筋笼外鼓等现象，无法有效减弱核心区发生的震害。而且装配式混凝土梁柱节点的构造复杂，在加入耗能构件后不易拆卸更换，或是安装耗能构件后效果并不理想。

因此，如何提供一种在强震作用下具有良好的耗能性能，并具备更换简便特点的梁柱节点结构，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

[技术问题]

本发明的技术问题为：现有的装配式混凝土梁柱节点中耗能构件不易拆卸更换、耗能效果不理想。

[技术方案]

本发明的目的是提供一种含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元及其和预制钢筋混凝土梁与预制钢筋混凝土柱的连接件和连接方法，通过在和预制梁的连接处使用可更换的榫卯拼接式耗能组件，使定位安装和更换更为方便，并提高耗能效果。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元，包括立柱和梁，立柱上具有悬臂短梁，悬臂短梁与梁铰接，悬臂短梁与梁之间还具有可拆卸更换的榫卯拼接式耗能组件。

进一步的，悬臂短梁的一端固定在立柱上，悬臂短梁的另一端具有第三端板，梁的一端具有第四端板，第三端板与第四端板之间具有铰接件，可更换的榫卯拼接式耗能组件位于第三端板与第四端板之间，可更换的榫卯拼接式耗能组件包括榫卯式耗能板、榫卯式连接板、限制夹板；第三端板与第四端板上分别固定有相对的榫卯式连接板，榫卯式耗能板位于相对的榫卯式连接板之间，榫卯式耗能板与榫卯式连接板之间通过相互咬合的榫卯结构连接，榫卯式耗能板与榫卯式连接板的两侧具有固定在一起的两块限制夹板。

进一步的，两块限制夹板的两端分别固定在榫卯式连接板上，榫卯式耗能板的两端固定在限制夹板上。

进一步的，榫卯式耗能板的两端和榫卯式连接板上各有一排螺栓孔，限制夹板的两端分别具有两排螺栓孔，限制夹板上的螺栓孔分别与榫卯式耗能板和榫卯式连接板上的螺栓孔相对应，限制夹板与榫卯式连接板和榫卯式耗能板之间通过螺栓固定。

进一步的，榫卯式耗能板中部具有平行于榫卯式耗能板的槽孔，两侧限制夹板的中部通过穿过槽孔的螺栓连接。

进一步的，所述槽孔为若干平行的矩形孔，两侧限制夹板的中部固定有若干穿过矩形孔的螺栓。

进一步的，可更换的榫卯拼接式耗能组件为两组，两组可更换的榫卯拼接式耗能组件对称分布于铰接件两侧。

进一步的，悬臂短梁内具有第一纵筋，第一纵筋的端部穿过第三端板，梁内具有第三纵筋，第三纵筋的端部穿过第四端板，第三端板与第四端板之间具有若干可拆卸的耗能棒，耗能棒的两端通过梁端螺纹套筒分别螺接于第一纵筋和第三纵筋的端部。

进一步的，所述铰接件包括两组连接板和销轴，两组连接板的一端分别固定在第三端板和第四端板上，两组连接板的另一端相交叉后由水平的销轴贯穿在一起，销轴的两端还具有限位螺帽。

进一步的，立柱包括下部预制钢筋混凝土柱和上部预制钢筋混凝土柱，下部预制钢筋混凝土柱和上部预制钢筋混凝土柱之间具有柱间连接体；梁是预制钢筋混凝土梁；第一H型钢与第二H型钢相互垂直预埋在悬臂短梁内；第一端板预埋在下部预制钢筋混凝土柱顶部；第三端板预埋在悬臂短梁内；下部预制钢筋混凝土柱与悬臂短梁同时浇筑而成；

第一端板在预埋在混凝土中前沿周长预留若干孔洞；第三端板在预埋在混凝土中前在角部预留四个圆孔；悬臂短梁内预埋有若干第一纵筋与若干第一箍筋，下部预制钢筋混凝土柱内预埋有若干第二纵筋与第二箍筋，预制钢筋混凝土梁预埋有若干第三纵筋与第三箍筋，上部预制钢筋混凝土柱预埋有若干第四纵筋与第四箍筋；第一纵筋通过第三端板预留的孔洞外伸出悬臂短梁一定长度，第二纵筋下部伸出预制钢筋混凝土柱一定长度；所述第一纵筋与第二纵筋在外伸端具有一定长度的螺纹，第一H型钢与第二H型钢分别和第三端板焊接；第三端板有多块，分别预埋在不同的悬臂短梁中；第一H型钢与第二H型钢呈十字形焊接时，两个方向的H型钢的尺寸不一致，尺寸较小的钢梁的上下翼板分别与尺寸较大的钢梁的上下翼板焊接且焊接在尺寸较大的钢梁的内部；

柱间连接体包含预埋在上部预制钢筋混凝土柱中的第三H型钢、第二端板以及柱端螺纹套筒，第二端板沿周长分布若干孔洞，第二端板焊接在第三H型钢端部，第二端板沿周长分布若干孔洞；第二纵筋与第四纵筋通过柱端螺纹套筒进行连接。

[有益效果]

(1)本发明设计的含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元的梁间连接体与柱间连接体工业化程度极高，组成连接体的各部件通过标准化的设计提升了在工厂中的加工效率；且梁间连接与柱间连接主要使用机械连接方式，包括螺纹接头连接、榫卯咬合连接、螺栓锚固连接等多种形式，仅在上下预制钢筋混凝土柱间浇筑了后浇混凝土以保证强度，减少了现场的湿作业。

(2)本发明设计的含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元通过在梁间的连接处形成铰接构造，将塑性铰外移至梁间连接体，并通过梁间连接体中的可更换耗能棒与可更换耗能组件进行集中变形，耗散大量地震输入到结构中的能量，有效避免了在其他区域发生过大的破坏；在震后通过更换可更换耗能装置的方式实现快速恢复建筑物使用功能的目的。

(3)本发明设计中的可更换耗能棒连接了悬臂短梁与预制钢筋混凝土梁中外伸的纵筋，增强了结构的整体性。

(4)本发明设计中的可更换耗能组件的形变主要集中在核心的榫卯式耗能钢板中，通过采用低强度高延性的钢材以及在钢板中开孔的方式，使其和可更换耗能棒最先发生形变；榫卯式耗能钢板两端榫卯式的构造在增强与连接钢板连接性能的同时，避免了焊接带来的更换不便的问题；而限制夹板的主要作用为防止榫卯式耗能钢板在左右方向发生错动，以及防止榫卯式耗能钢板在受压下发生平面外屈曲。

(5)本发明设计的含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元在节点区域预埋了呈十字焊接的H型钢，一方面起到与梁端端板连接进行辅助定位的作用，另一方面也增强了节点区域的抗剪能力以及刚度，减少核心区受到的破坏。

(6)本发明设计的含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元，通过将柱间连接体端板与柱端预埋端板对齐并使用螺栓锚固的方式，起到初步定位的作用；同时，柱间连接体中的H型钢对上部预制钢筋混凝土柱提供了支撑，免去了吊装施工带来的麻烦。

附图说明

图1为本发明实施例中含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元的整体结构示意图。

图2为本发明实施例中含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元的节点区示意图。

图3为本发明实施例中含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元的节点区装配示意图。

图4为本发明实施例中的铰接式连接组件的装配示意图。

图5为本发明的可更换耗能组件的结构示意图。

图6为本发明的可更换耗能组件的装配示意图。

图1-6中，1—下部预制钢筋混凝土柱；2—上部预制钢筋混凝土柱；3—预制钢筋混凝土梁；4—柱间后浇混凝土；5—悬臂短梁；6—第一H型钢；7—第二H型钢；8—第一纵筋；9—第一箍筋；10—第二纵筋；11—第二箍筋；12—第一端板；13—第三纵筋；14—第三箍筋；15—第四纵筋；16—第四箍筋；17—柱端螺纹套筒；18—第三H型钢；19—第二端板；20—可更换耗能棒；21—梁端螺纹套筒；22—铰接式连接组件；23—可更换耗能组件；24—第三端板；25—第四端板；26—连接板；27—销轴；28—限位螺帽；29—限制夹板；30—榫卯式耗能钢板；31—榫卯式连接钢板；32—定位螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1-3所示，一种含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元，节点包含下部预制钢筋混凝土柱1、悬臂短梁5、预埋在悬臂短梁5内的相互垂直分布的第一H型钢6与第二H型钢7、悬臂短梁5内的若干第一纵筋8与若干第一箍筋9、下部预制钢筋混凝土柱1内的若干第二纵筋10与若干第二箍筋11、预埋在下部预制钢筋混凝土柱1顶部的第一端板12以及预埋在悬臂短梁内的第三端板24。下部预制钢筋混凝土柱1与悬臂短梁5同时浇筑形成。第一端板10在预埋在混凝土中前沿周长预留若干孔洞。第三端板24在预埋在混凝土中前在角部预留四个圆孔。

第一纵筋8通过第三端板24预留的孔洞外伸出悬臂短梁5一定长度，优选的，外伸长度为200mm；第二纵筋10下部预制钢筋混凝土柱1一定长度，优选的，外伸长度为200mm。第一纵筋8与第二纵筋10在外伸端车削出一定长度的螺纹，优选的，螺纹长度为50mm。

第一H型钢6与第二H型钢7分别和第三端板24焊接。第三端板24有多块，分别预埋在不同的悬臂短梁中；第一H型钢6与第二H型钢7呈十字形焊接时，两个方向的H型钢的尺寸不同，尺寸较小的钢梁的上下翼板分别与尺寸较大的钢梁的上下翼板焊接且焊接在尺寸较大的钢梁的内部。

预制钢筋混凝土梁3包含若干第三纵筋13、若干第三箍筋14、预埋在混凝土梁中的第四端板25，其中，第四端板25在预埋在混凝土中前在角部预留四个圆孔。梁间连接体包含可更换耗能棒20、梁端螺纹套筒21、铰接式连接组件22以及可更换耗能组件23。

如图4-6所示，其中，铰接式连接组件22由预留销孔的连接板26、销轴27以及限位螺帽28组成，连接板26跟距预留销孔的位置布置，使销轴27通过连接板26的预留销孔，由限位螺帽28限制水平位移。耗能组件23由限制夹板29、榫卯式耗能钢板30、榫卯式连接钢板31以及定位螺栓32组成，限制夹板29是钢板。榫卯式耗能钢板30与榫卯式连接钢板31通过锯齿式的榫卯构造相互咬合连接。可更换耗能棒20两端车削出一定长度的螺纹，优选的，螺纹长度为50mm。第三纵筋13通过第四端板25预留的孔洞外伸出预制钢筋混凝土梁3一定长度，优选的，外伸长度为200mm。

连接板26分别与第三端板24、第四端板25焊接；优选的，第三端板24与第四端板25形状、尺寸及开孔位置一致。连接板26的销孔尺寸略大于销轴27的直径，保证预制钢筋混凝土梁3能够绕销轴27转动。榫卯式连接钢板31分别与第三端板24、第四端板25焊接。卯式耗能钢板30与榫卯式连接钢板31通过切割在连接处形成可相互咬合的榫卯构造，咬合后整体长度和第三端板与第四段板间的距离相等。榫卯式耗能钢板30内部进行切削形成三个平行的矩形空洞。榫卯式耗能钢板30、榫卯式连接钢板31分别布置若干螺栓孔。限制夹板29在榫卯式耗能钢板30、榫卯式连接钢板31对应的开孔位置布置螺栓孔，使用定位螺栓32将限制夹板29与榫卯式耗能钢板30、榫卯式连接钢板31锚固在一起。

梁间连接体的施工方法：先将可更换耗能棒20与悬臂短梁5内的第一纵筋8通过梁端螺纹套筒21进行连接，再将可更换耗能棒20的另一端与预制钢筋混凝土梁3内的第三纵筋13通过梁端螺纹套筒21进行连接，之后，通过调整螺纹套筒的锚固位置将连接板26的孔洞对齐，再插入销轴27，在销轴两端拧入限位螺帽28固定，限制销轴在平面外的位移，之后再将榫卯式耗能钢板30沿两端榫卯式连接钢板31的构造纹路插入，通过螺栓孔确定限制夹板29的位置，最后，使用定位螺栓32将限制夹板29与榫卯式耗能钢板30、榫卯式连接钢板31锚固在一起。

上部预制钢筋混凝土柱2包含若干第四纵筋15、若干第四箍筋16以及柱间连接体，柱间连接体包含预埋在上部预制钢筋混凝土柱2中的第三H型钢18、第二端板19以及柱端螺纹套筒17，其中，第二端板19沿周长分布若干孔洞，并与第三H型钢18焊接；当含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元与上部预制钢筋混凝土柱相连接时，第二纵筋10与第四纵筋15通过柱端螺纹套筒17进行连接。第四纵筋15外伸出上部预制钢筋混凝土柱2一定长度，优选的，外伸长度为200mm。第四纵筋15在外伸端车削出一定长度的螺纹，优选的，螺纹长度为50mm。第一端板12与第二端板19的形状、尺寸及开孔位置一致。

含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元与上部预制钢筋混凝土柱连接的施工方法：先将上部预制钢筋混凝土柱2通过第二端板19与第一端板12进行定位，使用螺栓将第一端板12与第二端板19锚固在一起，之后使用柱端螺纹套筒17将第二纵筋10与第四纵筋15连接，最后，在上下柱的空隙浇筑柱间后浇混凝土4填充即可完成。含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元的梁间连接体与柱间连接体工业化程度极高，组成连接体的各部件通过标准化的设计提升了在工厂中的加工效率；且梁间连接与柱间连接主要使用机械连接方式，包括螺纹接头连接、榫卯咬合连接、螺栓锚固连接等多种形式，仅在上下预制钢筋混凝土柱间浇筑了后浇混凝土以保证强度，减少了现场的湿作业。

含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元通过在梁间的连接处形成铰接构造，将塑性铰外移至梁间连接体，并通过梁间连接体中的可更换耗能棒与可更换耗能组件进行集中变形，耗散大量地震输入到结构中的能量，有效避免了在其他区域发生过大的破坏；在震后通过更换可更换耗能装置的方式实现快速恢复建筑物使用功能的目的。

可更换耗能棒连接了悬臂短梁与预制钢筋混凝土梁中外伸的纵筋，增强了结构的整体性。可更换耗能组件的形变主要集中在核心的榫卯式耗能钢板中，通过采用低强度高延性的钢材以及在钢板中开孔的方式，使其和可更换耗能棒最先发生形变；榫卯式耗能钢板两端榫卯式的构造在增强与连接钢板连接性能的同时，避免了焊接带来的更换不便的问题；而限制夹板的主要作用为防止榫卯式耗能钢板在左右方向发生错动，以及防止榫卯式耗能钢板在受压下发生平面外屈曲。

含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元在节点区域预埋了呈十字焊接的H型钢，一方面起到与梁端端板连接进行辅助定位的作用，另一方面也增强了节点区域的抗剪能力以及刚度，减少核心区受到的破坏。含榫卯构造的装配式梁柱耗能节点单元，通过将柱间连接体端板与柱端预埋端板对齐并使用螺栓锚固的方式，起到初步定位的作用；同时，柱间连接体中的H型钢对上部预制钢筋混凝土柱提供了支撑，免去了吊装施工带来的麻烦。

本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。