一种长螺杆加强型刚性抗弯胶合木节点的制作方法

1.本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种长螺杆加强型刚性抗弯胶合木节点。


背景技术：

2.随着经济的发展和对建筑品质、建筑可持续性能需求的提升，装配式木结构在下阶段工程实践中具有更大的应用空间。现代木结构中，木空间结构作为一种重要的结构形式，涉及到木结构与空间结构建造技术的融合。其中梁柱木框架结构是装配式木结构的一种重要形式。梁柱木框架结构连接形式主要有榫卯连接、键连接、植筋连接、螺栓钢插板连接等。螺栓钢插板连接具有整体效果美观，装配化程度高等优点；结构竖向荷载主要由梁柱结构承担，水平荷载主要由梁柱框架之间的支撑以及剪力墙共同承担，受力较为合理。图1简要展示了常规的螺栓钢插板节点于木框架结构中的实现方法。
3.研究与工程实践表明，螺栓钢插板节点在初始变形阶段的抗弯刚度非常低，仅靠螺栓钢插板节点提供的抗弯刚度无法满足结构抗侧要求，在产生较大的层间位移角时，节点的钢插板会与木材孔槽发生孔壁承压造成木材的劈裂破坏，导致节点无法提供稳定的抗弯性能。因此，实际结构抗侧设计中螺栓钢插板节点的刚度往往被忽略，同时需添加剪力墙或支撑等构件抵抗侧向荷载，然而增设抗侧构件将同时占据宝贵的建筑空间，影响结构使用。
4.在目前主流的胶合木梁柱体系中，胶合木梁与胶合木柱往往由螺栓钢插板节点相连。此类节点的胶合木预留孔与螺栓之间存在空隙，导致其抗弯性能较差，因此在抗侧设计时此类节点往往不得不被视为铰接。木结构大震过程中层间位移角可达3%，梁柱节点为结构薄弱环节，其破坏主要表现为金属连接件屈服并伴有木材塑性变形，而节点区以外的大部分材料强度未充分发挥，构件的刚度大于节点的刚度，形成“弱节点、强构件”的破坏模式，对梁柱式木框架结构尤甚，明显降低结构抗震性能，变形如图2所示。


技术实现要素：

5.针对上述提出的问题，本发明提出一种长螺杆加强型刚性抗弯胶合木节点，实现一种钢木混合结构，在节点处创新采用钢制构件，与传统的螺栓钢插板节点相比，在胶合木梁上下两侧设置贯穿柱面的长螺杆，通过长螺杆的拉压形变产生一对力偶，从而为原本被视为铰接的螺栓钢插板连接节点提供了抗弯能力，大幅减免胶合木框架结构体系中其余抗侧构件的数量。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种长螺杆加强型刚性抗弯胶合木节点，包括胶合木柱、钢插板柱槽道、胶合木梁、钢插板梁槽道、钢插板、加劲厚角钢、角钢自攻螺钉、长螺杆、固定端板、固定端板自攻螺钉，所述胶合木柱与胶合木梁的连接端上分别开设有与钢插板相匹配的钢插板柱槽道、钢插板梁槽道，所述钢插板及胶合木柱与胶合木梁的连接端上开设有相匹配的螺栓孔，所述
胶合木柱与胶合木梁经钢插板插入钢插板柱槽道、钢插板梁槽道内经螺栓固定相连，于装配后的胶合木柱与胶合木梁连接处的相对两侧分别设置加劲厚角钢，在胶合木柱于加劲厚角钢相对侧设有固定端板，所述固定端板、胶合木柱、加劲厚角钢经贯穿三者的长螺杆及螺母固定相连，所述固定端板经固定端板自攻螺钉与胶合木柱固定相连，所述加劲厚角钢经角钢自攻螺钉与胶合木梁固定相连。
8.进一步地，装配后的胶合木柱与胶合木梁之间留有胶合木梁、柱间距。
9.进一步地，加劲厚角钢与胶合木梁之间设有粘胶层，加劲厚角钢与胶合木柱之间留有间隙。
10.进一步地，固定端板与胶合木柱之间设有粘胶层。
11.进一步地，长螺杆上制有螺纹，固定端板上制有与长螺杆螺纹相匹配的固定端板长螺杆孔，长螺杆贯穿固定端板、胶合木柱、加劲厚角钢，于加劲厚角钢内外侧分别设有内侧螺母、外侧螺母，将长螺杆拧紧固定。
12.进一步地，加劲厚角钢的外侧设有斜向45
°
自攻螺钉孔，其内侧设有垂向螺钉孔，自攻螺钉为沿竖直方向攻入木梁与沿方向攻入木梁相结合，加劲厚角钢角部加劲板设有角钢圆孔。
13.进一步地，加劲厚角钢的加劲板为扇形或三角形或凸面型。
14.本发明为一种适用于胶合木框架结构的长螺杆加强型开槽钢插板螺栓连接。包括胶合木柱、胶合木梁、螺栓钢插板、柱螺栓群、梁螺栓群与其对应的柱螺母群、梁螺母群、长螺杆、加劲厚角钢、固定端板和对应的角钢自攻螺钉群和固定端板自攻螺钉群组成。其中长螺杆贯穿胶合木柱，设置于胶合木梁上下两侧，并通过加劲厚角钢与固定端板进行锚固。加劲厚角钢通过角钢自攻螺钉群固定于胶合木梁上。
15.所述连接形式由预制胶合木构件通过钢插板连接，胶合木柱上为钢插板开柱槽道并为柱螺栓群预留柱螺栓孔道。钢插板留有钢插板柱侧螺栓孔道，安装时钢插板柱端部分插入柱槽道，对准后由柱螺栓群与对应的柱螺母群通过预留螺栓孔道对胶合木柱进行锚固。钢插板的梁端部分与胶合木梁相连，胶合木梁上开梁槽道并预留梁螺栓孔道。钢插板的梁端部分亦留有钢插板梁侧螺栓孔道，安装时将钢插板梁端部分插入梁槽道，对准后由梁螺栓群与对应的梁螺母群通过预留梁螺栓孔道与钢插板梁侧螺栓孔道对胶合木梁进行锚固。在以上构造的基础上，通过固定端板自攻螺钉群将固定端板固定在胶合木柱上。将长螺杆插入固定端板上的固定端板长螺杆孔与胶合木柱上的胶合木柱长螺杆孔，将长螺杆与固定端板锚固。再依次将内侧螺母、角钢长螺杆孔、外侧螺母套在长螺杆上。再将加劲厚角钢移至距柱面一定距离处，通过角钢自攻螺钉群将加劲厚角钢固定在胶合木梁上，接着相向拧紧螺母，将长螺杆锚固于角钢长螺杆孔两侧使加劲厚角钢可以稳定的驱动螺杆变形。
16.本发明中，胶合木梁、柱之间需留有一定间隙，如图6所示。避免胶合木梁、柱之间的挤压破坏，确保节点旋转中心在梁的中性轴上。同时避免木材因吸水膨胀等因素引起的接触次应力。
17.本发明中，加劲厚角钢的目的不为耗能，而是驱动螺杆的形变。所述加劲厚角钢作为驱动螺杆形变的构件，需要提供保守设计，示例采用加厚与选用加劲板对加劲厚角钢进行加强。同时，加劲厚角钢与胶合木木柱留有一定的间隙，为螺杆的变形留有一定的空间，如图6所示；加劲厚角钢通过角钢自攻螺钉与胶合木梁连接，可选加一层粘胶层，使锚固作
用更强，如图7所示；角钢加劲板底部留有1/4圆的角钢圆孔，便于焊接，若能保证性能，可以不设钢圆孔，如图9所示。
18.本发明中，通过长螺杆的拉压形变产生一对力偶，从而为原本被视为铰接的螺栓钢插板连接节点提供有效的抗弯性能，有效改善胶合木框架结构体系中“弱节点、强构件”的受力机理，长螺杆两端与角钢和固定端板连接。连接形式有多种，不同连接形式都受到保护。示例提供的连接形式为长螺杆与固定端板上的长螺杆孔内侧螺纹连接，选用一端螺帽上有螺纹，另一端也有螺纹，中部光滑的螺杆，将长螺杆螺帽上的螺纹与固定端板的内侧螺纹契合，见图8。固定端板内部螺纹可由内外双螺母替代，内部螺母需在胶合木柱上设置沉头孔。另外，设计时需加粗螺纹段以避免在长螺杆在螺纹处断裂。为使得加劲厚角钢能够双向驱动螺杆的拉压变形，长螺杆与角钢可采用双侧螺母的连接。
19.本发明中，角钢自攻螺钉群将角钢固定在木梁上，自攻螺钉可增加施工的便利性，由于自攻螺钉无需预留孔，与螺柱连接角钢贯穿梁面相比，可以快速的传递切向力。自攻螺钉应满足剪力与抗拔力需求，在示例中展示的自攻螺钉采用沿竖直方向攻入木梁与沿45
°
方向攻入木梁相结合的方式，见图9。<另外，加劲厚角钢处的加劲板可选用扇形或三角形或凸面型等，如图9所示>
20.本发明中，固定端板通过固定端板自攻螺钉群与胶合木柱连接，也可在固定端板与胶合木柱之间添加一层粘胶层，通过粘连方式进一步增加固定端板性能，使固定端板可以双向受力，如图7所示；与螺柱贯穿柱面的连接形式相比，螺栓头会突出在固定端板外部，在胶合木框架中，不便于胶合木柱的两侧设置固定端板，并且自攻螺钉不会影响中节点垂直向的长螺杆的布置，见图12。
21.本发明中，胶合木构件尺寸、钢插板尺寸、加劲厚角钢尺寸、自攻螺钉尺寸、螺栓尺寸、螺栓孔道的大小、数量与排列等皆由结构计算获得。其中胶合木型号、螺栓强度等应满足国家现行有关标准的规定。
22.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
23.（1）本发明在胶合木梁上下两侧安装的螺杆可提供一对有效弯矩，将原本的铰接节点增强为刚性抗弯节点，第一时间为结构提供抗侧能力，使节点的刚度强于构件的刚度，降低节点中胶合木构件的损坏，变形如图3所示，能够提高胶合木结构的整体抗震性能，使钢木混合结构首次不运用任何梁、柱、斜撑构件，且节点的耗能能力和延性性能较好。
24.（2）本发明首次在胶合木梁柱节点层面实现钢木混合，在构件选择上使用自攻螺钉、高强螺栓、螺杆、与创新提出的构造体（图4、5中400，420等）；在材料选择上使用胶合木、多种金属材、胶粘剂等。其中钢构件仅设于梁柱连接节点处，体系中其余部分不带有金属构件；
25.（3）现有胶合木节点强化技术主要目标为防止节点劈裂,而本发明通过角钢有效加长螺杆抗弯力臂，确保节点为刚性抗弯节点，有效减免其他结构抗侧构件数；
26.（4）与螺柱贯穿梁面连接上下的加劲厚角钢相比，用自攻螺钉将角钢固定在胶合木梁上的连接形式能快速传递剪力，并且自攻螺钉攻入木材易操作，增加施工的便利性；
27.（5）与通过自攻螺钉将加劲厚角钢锚固于胶合木柱上相比，长螺杆的连接形式能够集中塑性变形，不会因自攻螺钉的拔出造成胶合柱面难以修复的塑形损坏，有效降低修复时间与成本，同时，双螺母的设计可确保长螺杆在破坏后易于更换。
附图说明
28.图1 为由单榀木框架拓展而成的胶合木框架结构；
29.图2 为“强构件弱节点”破坏模式；
30.图3为“强节点弱构件”破坏模式；
31.图4 为胶合木节点解剖正视图；
32.图5为胶合木节点解剖后视图；
33.图6为加劲厚角钢安装示意图；
34.图7 为加劲厚角钢与自攻螺钉孔示意图；
35.图8 为固定端板与长螺杆连接示意图；
36.图9 为加劲厚角钢与自攻螺钉示意图；
37.图10 为胶合木梁柱节点示意图；
38.图11为胶合木梁柱节点侧视图；
39.图12 为胶合木梁柱节点透视图；
40.图13 为胶合木梁柱节点透视侧视图；
41.图14为双向长螺杆安装示意图；
42.图15 为中节点梁柱安装示意图；
43.图16为中节点梁柱安装透视图。
44.图中部件：100为胶合木柱、101为钢插板柱槽道、102为柱螺栓孔道、103为柱螺栓群、104为柱螺母群、200为胶合木梁、201为钢插板梁槽道、202为梁螺栓孔道、203为梁螺栓群、204为梁螺母群、300为钢插板、301为钢插板柱侧螺栓孔、302为钢插板梁侧螺栓孔道、303为钢插板柱端部分、304为钢插板梁端部分、305为间隙、400为加劲厚角钢、401为角钢自攻螺钉、402为角钢长螺杆孔道、403为内侧螺母、404为外侧螺母、405为角钢自攻螺钉孔道、407为角钢圆孔、410为长螺杆、411为胶合木柱长螺杆孔道、420为固定端板、421为固定端板自攻螺钉、422为固定端板长螺杆孔、501为胶合木梁、柱间距。
具体实施方式
45.下面通过附图及实施例对本发明作进一步解释。
46.本发明提出一种适用于胶合木框架结构的长螺杆加强型钢插板螺栓连接，本发明采用长螺杆在胶合木梁两侧，提高胶合木梁柱节点抗弯性能。胶合木框架结构体系中的梁柱节点包括搭接而成的胶合木梁柱构件100，200、钢插板300、柱螺栓群103、梁螺栓群203与其对应的柱螺母群104、梁螺母群204、加劲厚角钢400、长螺杆410、固定端板420和对应加劲厚角钢与固定端板的角钢自攻螺钉401与固定端板自攻螺钉421组成。
47.所述连接中部构造保留螺栓钢插板形式，其具体包括预制胶合木梁柱构件100，200及钢插板300，胶合木柱100上为钢插板300留有柱槽道101并为柱螺栓群103预留柱螺栓孔道102。钢插板300留有钢插板螺栓孔道301，302，钢插板柱端部分303插入柱槽道101，由柱螺栓群103与对应的柱螺母群104通过预留柱螺栓孔道102与钢插板柱侧螺栓孔道301对钢插板300进行锚固。钢插板300的梁端部分304与胶合木梁200相连，胶合木梁200上开梁槽道201并预留梁螺栓孔道202。将钢插板梁端部分304插入胶合木梁槽道201，由梁螺栓群203与对应的梁螺母群204通过预留梁螺栓孔道202与钢插板梁侧螺栓孔道302对胶合木梁200
与钢插板300进行锚固。
48.新型节点在以上构造基础上增设长螺杆410、加劲厚角钢400及固定端板420。通过固定端板自攻螺钉421将固定端板420锚固在胶合木柱100上。将长螺杆410通过固定端板长螺杆孔422与胶合木柱100上预留的胶合木柱长螺杆孔411将固定端板420与加劲厚角钢400锚固为一体。随后通过角钢自攻螺钉群401将加劲厚角钢固定于胶合木梁200上。
49.胶合木梁、柱100，200之间需留有少量胶合木梁、柱间距501，避免胶合木梁柱之间的挤压破坏；同时避免木材因吸水膨胀等因素引起的接触次应力。
50.加劲厚角钢400目的不为耗能，而是驱动金属螺杆的变形，其特征在于：加劲厚角钢通过长螺杆410与胶合木柱100连接；通过角钢自攻螺钉群401与胶合木梁200连接，可在加劲厚角钢400与胶合木梁200之间选加一层粘胶层，增强抗剪性能；加劲厚角钢400与胶合木柱100留有一定的间隙305，为螺杆的形变提供空间。
51.固定端板420是一种可双向受力构件，其通过固定端板自攻螺钉群421与胶合木柱100连接，且与长螺杆410锚固，使长螺杆在受拉时，由木柱承受压力；长螺杆410受压时由固定端板自攻螺钉群421的抗拔力承受作用在固定端板上的推力，可在固定端板420与胶合木柱100之间选用一层粘胶层，进一步增强固定端板与胶合木柱的抗拔性能。
52.长螺杆410两端分别与固定端板420和加劲厚角钢400锚固，中部贯穿胶合木柱100，使结构在双向受力时，加劲厚角钢能够双向驱动螺杆的拉压变形，从而提供一对力偶，使此类胶合木梁柱节点成为刚性抗弯节点，大幅减免胶合木框架结构体系中其余抗侧构件的数量。
53.实施例1
54.本发明为一种长螺杆加强型刚性抗弯胶合木节点，其解剖示意图如图4、5所示，主要包括三个主要部分：中部带有钢插板柱槽道101的胶合木柱100和末端带有钢插板梁槽道201的胶合木梁200以及用于连接两个胶合木构件100、200的钢插板300；用于加强节点的结构构件包括加劲厚角钢400、长螺杆410、固定端板420以及用于锚固构件的螺栓群、螺母群与自攻螺钉群。
55.具体实施过程分为四部分：
56.第一部分实现图4中胶合木构件100、200相关的连接，具体实施方式如下：在胶合木柱100平面中部开有柱槽道101，便于钢插板300的插入。同时，胶合木柱100侧面为柱螺栓群103预留柱螺栓孔道102，并且在槽道的上下方留有胶合木柱长螺杆孔道411。在胶合木梁200末端平面开梁槽道201，胶合木梁(200)侧面为梁螺栓群(203)预留有梁螺栓孔道(202)。
57.第二部分实现图4钢插板300的加工，具体实施方式如下：在钢插板(300)留有螺栓孔道，钢插板两端留的孔道的数量与间距分别与胶合木构件100，200上的孔道102，202对应。
58.第三部分实现图7中加劲厚角钢400的加工，具体实施方式如下：在加劲厚角钢400上留有角钢长螺杆孔道402以及角钢自攻螺钉孔道405。
59.第四部分实现图8中对固定端板的加工，具体实施方式如下：在固定端板420上留有固定端板自攻螺钉孔与固定端板长螺杆孔422，并在固定端板长螺杆孔422内侧刻上螺纹。
60.节点具体连接方式为：
61.钢插板300插入柱柱槽道101，柱螺栓孔102与钢插板柱侧螺栓孔301保持齐平，柱螺栓群103穿过柱螺栓孔102与钢插板柱侧螺栓孔301，并通过柱螺母群104进行锚固，将胶合木柱100进行固定。另一侧胶合木梁200的梁槽道201与钢插板300的钢插板梁侧螺栓孔304部分同样进行上述连接，并由梁螺栓群203穿过梁螺栓孔道202与钢插板梁侧螺栓孔道302，通过梁螺母群204进行锚固。这样，两侧胶合木便由钢插板构件以及锚固构件搭接成一个完整的节点。之后将固定端板420上的固定端板长螺杆孔422与胶合木柱100上的胶合木柱长螺杆孔411对齐，通过固定端板自攻螺钉421将固定端板420锚固于胶合木柱100上。将长螺杆410穿过固定端板与胶合木柱的长螺杆孔，拧紧长螺杆410，使其上的螺纹与固定端板长螺杆孔422内侧的螺纹充分契合。再依次将内侧螺母403，角钢长螺杆孔402和外侧螺母404套在露出的长螺杆上的螺纹处。将加劲厚角钢调整到指定位置，用角钢自攻螺钉401沿着事先在加劲厚角钢上预留的角钢自攻螺钉孔道405，沿着指定方向攻入胶合木梁，将加劲厚角钢固定。最后将内侧螺母403、外侧螺母404相向拧紧，将螺杆锚固在加劲厚角钢两侧，使其不会因松弛导致传力延迟。在图4、5情况下节点搭接完成的示意图如图10、12所示。
62.本发明中，胶合木柱上预留的胶合木柱长螺杆孔直径不宜过大，可起到约束螺杆平面外变形的作用，使长螺杆在承受压力时，不会发生平面外失稳。
63.本发明中，螺栓群103，203为提供螺母104，204锚固空间而露出胶合木构件100，200的长度宜为但不限于0.5～1倍螺栓直径，以保持结构美观性。
64.用螺栓进行连接，胶合木与钢插板生产的过程中，应考虑预留孔尺寸略大于螺栓的直径，而非完全一致，以便安装。为保证力学性能，应控制此类孔隙大小在螺栓左右各1mm以内，如留有较大孔隙建议通过灌高强胶加以闭合。
65.木框架结构一般包含多组胶合木梁柱节点。其中，两侧的角节点与两根梁相连，边节点与三根梁相连，中节点与四根梁相连。当节点存在多梁交汇情况时，可将垂直方向的长螺杆错开放置，具体构造如图14所示；中节点的布置见图15、图16。