框架结构圆柱矩梁半空间节点异形钢板三轴预应力加固方法与流程

1.本发明公开了一种混凝土框架结构柱节点加固方法，特别是指一种框架结构圆柱矩梁半空间节点异形钢板三轴预应力加固的一种新方法。


背景技术：

2.混凝土框架结构节点处梁筋及柱筋交汇，箍筋密集、构造复杂；节点承受轴力及梁和柱传来的弯距和剪力等，受力情况极为复杂，是框架结构在受到地震等动态水平荷载时极易破坏的薄弱环节。
3.装配式建筑是国家正在大力推广的一种结构型式，把工厂制作好的建筑构件(如楼板、墙板、楼梯、阳台等)和配件，运输到建筑施工现场，通过可靠的连接方式在现场装配安装而成的建筑。具有高效率、高精度、高质量和环保的优点，但由于其构件节点处在施工现场“冷”装配，其节点连接刚性差，整体结构的抗震性能和结构抗倒塌能力差，节点更需要加固改造。
4.框架结构节点的加固可分为梁端加固、柱端加固以及节点核心区的加固，而常用的加固方法有碳纤维加固法、柱外包角钢加固法、外粘钢板加固法、增大截面加固法等。这些加固方法要么加固柱端要么加固梁端，要么在混凝土中钻孔植筋，破坏端部的整体性，而且都存在应力滞后的问题。
5.如申请号为201810194317.1的中国专利，公开一种梁柱节点加固结构及其施工方法，该加固结构通过在横梁和纵梁上设置横管和纵管，能在横梁与纵梁与柱体进行焊接的基础上进行加固，在横管通过连接件的钢板间接加固在柱翼板上，纵管的两纵侧板分别与两柱翼板贴合固定，该专利主要是针对钢结构节点进行设置，钢结构节点能够使外层结构与梁柱节点焊接固定，此种方式不适合于混凝土类梁柱节点的加固，需要与原有梁柱内部结构进行焊接连接。
6.如申请号201711212346.8的中国专利，公开了一种预应力装配式节点的耗能套筒及其安装、工作方法，套筒包括若干套筒分体单元，若干套筒分体单元之间通过高强螺栓拼接成一个包裹预应力装配式节点的套筒；每个套筒分体单元均包括柱套筒分体单元和梁端套筒，柱套筒分体单元和所述梁端套筒之间通过角部的弧形粘弹性阻尼器连接；弧形粘弹性阻尼器包括若干弧形钢板，若干弧形钢板之间通过粘弹性材料层依次交替叠合。该发明针对预应力装配式节点的耗能套筒提高装配式节点的耗能能力。它的局限性在于：
①
该耗能装置只适合于装配式节点，柱和梁在工厂预制好，二者连接位置用预应力将其连接在一起，预应力是节点组合固结的一种方式，即一种装配的方式，
②
耗能套筒要和节点施工成型时同步安装，
③
耗能套筒的作用是耗能减振，并不能增加节点的强度和刚度。
7.因此，对混凝土框架结构节点的加固，要综合考虑加固后节点的安全性、适用性、合理性及经济性，要满足如下几点：
①
不破坏节点的原有刚性，不在节点处的梁端或柱端钻孔植筋，
②
加固施工没有湿作业，
③
加固用元件可以在工厂制作，在现场拼装施工，
④
加固材料不存在应力滞后，节点不出现梯次破坏。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种框架结构圆柱矩梁半空间节点(图1)异形钢板三轴预应力加固的方法，该方法针对圆柱和矩梁组合结构的半空间节点进行设计，能够实现在不破坏柱梁原本结构的前提下，提高半空间节点的承载性能。
9.本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
10.一种框架结构圆柱矩梁半空间节点异形钢板三轴预应力加固方法，包括圆柱1和三根矩梁2，三根矩梁互成90
°
角，且三者的轴线位于圆柱的同一高度位置，形成半空间节点结构；以圆柱轴线所在方向为z方向，其中一根矩梁轴线所在方向为x方向，定义为有梁侧，相反一侧为无梁侧；剩余一对矩梁的轴线所在方向为y方向，x、y、z轴的正向满足右手定则，圆柱轴线与三根矩梁轴线交点位置为坐标原点o，形成空间直角坐标系，以原点为中心，x、y、z三根轴线为界线形成八个象限，其特征在于：
11.在节点结构的周围的8个象限设置两种异形钢板3，八块异形钢板之间通过螺栓连接将整个节点周围的圆柱和矩梁均包裹起来；
12.八块异形钢板中有两种不同的异形钢板结构，第一种异形钢板共四块，包裹节点有梁侧四个象限；每块第一种异形钢板均包括圆弧主体31，圆弧主体的内径r与圆柱的外径相同，能与圆柱侧面进行紧密贴合，圆弧主体31的弧长小于圆柱周长的1/4，圆弧主体在z轴方向的高度小于节点加固核心区高度的一半；在圆弧主体的x、y方向设有拐角凸台32，拐角凸台的上部设置有l型结构法兰33，l型结构法兰的两个直角边均开设有螺栓通孔34，拐角凸台的下部也设置有水平法兰35，水平法兰与圆弧主体及拐角凸台之间的夹角均为90
°
，水平法兰上均开设有两个螺栓通孔；拐角凸台所在位置恰好能与相应的矩梁的棱、矩梁和圆柱相贯位置贴合在一起；
13.第二种异形钢板共四块，包裹节点无梁侧的四个象限，每块第二种异形钢板包括圆弧主体，圆弧主体一侧设置拐角凸台，另一侧边缘设置有无梁侧法兰36，无梁侧法兰的高度与圆弧主体的高度一致，且无梁侧法兰的上下位置均开设螺栓通孔；第二种异形钢板的拐角凸台的底部设置水平法兰，该水平法兰一端与拐角凸台底部连接，另一端与无梁侧法兰底部连接；
14.相邻的两块异型钢板之间通过螺栓将相对的两个l型结构法兰、无梁侧法兰固定连接在一起，相对应的上下两块异形钢板通过螺栓将相对位置的两个水平法兰连接在一起，使八块异形钢板对节点位置形成完全的包裹。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.①
本发明针对圆柱和矩梁组合的既有节点设计，直接在节点外设置8块包裹的圆弧形的异形钢板(图2和图3)，能够完全与圆柱和梁的外表面进行贴合，且不在节点周围的梁、柱结构中开孔植筋，不破坏节点固有的承载性能。
17.②
设置两种不同形状的异形钢板，分别应对有梁侧和无梁侧，且在实际使用时两种异形钢板(加固用元件)均可在工厂制作，然后直接在加固现场拼装施工，加固施工速度快。
18.③
8块两种异形钢板实施了对节点的全包裹，能够实现对节点的三轴预应力加固；
19.④
能够适用于各种材质的梁柱节点的加固。节点材料可以是混凝土、钢材和木材；
20.⑤
本发明能够在x、y、z三轴方向上对节点施加预应力，且预应力大小可以调整，使得节点一次受力和二次受力同步，能避免节点超载时出现梯次破坏；
21.⑥
预应力加固施工时，不影响节点的在役使用；
22.⑦
加固施工没有湿作业，加固施工完成后，节点可以立即承载；
23.⑧
节点加固后，节点的承载力、刚度和能耗能力均能得到提高。
附图说明
24.图1为本发明圆柱和矩梁组合的半空间节点模型图。
25.图2为第一种异形钢板(贴角)的在半空间侧结构示意图。
26.图3为第二种异形钢板(贴角)的在半空间侧对侧结构示意图。
27.图4为节点加固后的装配结构示意图(无梁侧视角)。
28.图5为节点加固后的装配结构示意图(有梁侧视角)。
29.其中，1为圆柱、2为矩梁、3为异形钢板、31为圆弧主体、32为拐角凸台、33为l型结构法兰、34为螺栓通孔、35为水平法兰、36为无梁侧法兰。
具体实施方式
30.下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本技术保护范围的限定。
31.本发明一种框架结构圆柱矩梁半空间节点异形钢板三轴预应力加固的方法，包括圆柱1和矩梁2的节点模型图(图1)，仅有三根矩梁，三根矩梁互成90
°
角，且三根梁的中心轴位于圆柱的同一高度位置，形成半空间节点结构；
32.节点的材料可以是钢筋混凝土、木质或钢材等；
33.本技术中圆柱轴线所在方向为z方向，其中一根矩梁轴线所在方向为x方向，一对矩梁轴线所在方向为y方向，x、y、z三个轴的正方向满足右手定则，圆柱轴线与三根矩梁轴线交点位置为坐标原点o，形成空间直角坐标系，以原点为中心、以三梁的轴线为界线形成八个象限。
34.在节点结构的周围的8个象限设置两种异形钢板3，八块异形钢板之间通过螺栓连接将整个节点周围的圆柱和矩梁均包裹起来。在x、y、z每个方向上均可通过该方向上的螺栓螺母进行预应力的调节，以满足工程加固的要求。
35.八块异形钢板中有两种不同的异形钢板。第一种异形钢板共四块，包裹节点左边(有梁侧)四个象限；每块第一种异形钢板(图2)均包括略小于圆柱1/4圆弧的圆弧主体31，圆弧主体的内径r与圆柱的外径相同，能与圆柱侧面进行紧密贴合，圆弧主体31在z轴方向的高度小于节点加固核心区高度(八块异形钢板包裹节点后所形成包裹区域的总高度)的一半；所述异形钢板为异形结构，在圆弧主体的x、y方向设有拐角凸台32，拐角凸台的上部设置有l型结构法兰33，l型结构法兰的两个直角边均开设有螺栓通孔34，拐角凸台的下部也设置有水平法兰35，水平法兰与圆弧主体及拐角凸台之间的夹角均为90
°
，水平法兰上均开设有两个螺栓通孔。拐角凸台所在位置恰好能与相应的矩梁的棱、矩梁和圆柱相贯位置贴合在一起。
36.第二种异形钢板(参见图3)包裹节点的右边(无梁侧)四个象限，本技术中的左右
是一个相对概念，三根矩梁中相对的两个矩梁为一对，另外一根矩梁单独存在，单独存在的矩梁所在一侧为左，相对一侧为右。第二种异形钢板的结构与第一种异形钢板结构类似，不同之处在于，第二种异形钢板的圆弧主体一侧边缘设置有无梁侧法兰36，无梁侧法兰的高度与圆弧主体的高度一致，且无梁侧法兰的上下位置均开设螺栓通孔；第二种异形钢板的拐角凸台的底部设置水平法兰，水平法兰一端与拐角凸台底部连接，另一端与无梁侧法兰底部连接，保证z轴方向施加预应力。
37.相邻的两块异型钢板之间通过螺栓将相对的两个l型结构法兰、无梁侧法兰固定连接在一起，相对应的上下两块异形钢板通过螺栓将相对位置的两个水平法兰连接在一起，使八块异形钢板对节点位置形成完全的包裹。
38.在进行节点加固时通过相邻异形钢板之间的螺栓对节点施加三轴预应力。
39.本发明设置多个l型结构法兰、无梁侧法兰和水平法兰，整体呈对称结构，能够在节点的三个轴向分别施加预应力，增强节点强度和刚度，进而提高圆柱与矩梁半空间节点的整体承载性能。
40.l型结构法兰、无梁侧法兰上设置两个螺栓通孔，可以根据实际预应力大小的要求，在两个螺栓通孔上均安装螺栓，施加预应力，也可以单独在其中一个螺栓孔上面安装螺栓。
41.本发明在半空间节点位置采用全包裹方式对节点进行加固，且螺栓连接结构均设置在节点外，不用在梁柱内部设置加固结构，因此不会对已有梁、柱造成破坏，三个方向的螺栓连接，能调节三个方向的预应力，具体预应力的大小根据梁柱节点结构、所要求的目标载荷、梁柱主体材料性质、异形钢板厚度等要求综合设置，能够实现新结构与已有节点结构同步受力。
42.本发明加固方法的具体步骤是：
43.步骤一，根据圆柱和矩梁的尺寸、目标载荷要求、预应力大小选定两种异形钢板的材料种类、厚度及尺寸；
44.步骤二,将两块第一种异形钢板和两块第二种异形钢板沿周向包裹节点上部区域，并在l型结构法兰和无梁侧法兰的任一螺栓通孔中初步安装相应螺栓，实现节点上部区域异形钢板的初步固定；
45.步骤三,在节点下部区域安装两种异形钢板，下部区域的一块异形钢板与上部相应位置的异形钢板通过螺栓穿过两水平法兰上的螺栓通孔，实现上下异形钢板的初步固定，最终将八块异形钢板全部包裹在节点周围并固定在当前位置；
46.步骤四,根据预应力的大小要求，对节点周围三个轴向上的螺栓进行预紧力设置，能在三个轴向施加预应力，实现圆柱矩梁半空间节点异形钢板三轴预应力加固。
47.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
48.本发明未述及之处适用于现有技术。