一种带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点及其施工方法

1.本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点及其施工方法。


背景技术：

2.柱连接节点是装配式钢结构建筑设计的关键，其决定着整体结构的施工进度及装配化程度。目前，现有技术中的圆钢管柱全熔透焊接节点存在以下问题：现场焊接施工效率低、现场焊接质量难以保证、在地震作用下由于焊接应力的影响而破坏严重、耐久性差、环境污染严重、结构可拆卸性能差。
3.目前，现有技术中的土木工程领域中的闭口截面柱连接节点存在以下两种：闭口截面柱法兰连接节点和闭口截面柱套筒连接节点，其构造均可实现柱与柱全螺栓高效连接，但节点类型多为半刚接节点，结构设计较为复杂。因此，研发更高效、实用的现场螺栓连接节点，缩短工期，同时提高结构的抗震性能至关重要。


技术实现要素：

4.本发明的实施例提供了一种带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点及其施工方法，旨在解决现有技术中柱连接节点施工过程复杂、施工效率低、抗震性能差、全螺栓柱连接节点达不到刚接等问题。
5.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点，包括：下层钢柱和上层钢柱；
7.在所述上层钢柱及所述下层钢柱之间设置有法兰板，所述上层钢柱与所述下层钢柱通过所述法兰板可拆卸连接；
8.在所述下层钢柱内部设置芯筒，所述芯筒通过焊接与所述下层钢柱进行塞焊连接，所述芯筒的上部嵌套于所述上层钢柱中；
9.在所述上层钢柱的柱壁底端与所述芯筒上部自攻螺栓孔相对应的位置设置自攻螺栓孔，所述芯筒与所述上层钢柱通过自攻螺栓连接。
10.优选地，在所述下层钢柱内部的所述芯筒底端设置有隔板，所述隔板与所述下层钢柱的内壁接触并固定连接。
11.优选地，所述在下层钢柱的柱壁顶端按照一定角度间隔设置塞焊孔，所述芯筒通过塞焊与所述下层钢柱连接，上述一定角度与芯筒形式相对应，选用内置圆形芯筒根据所需塞焊点个数等分360
°
确定角度，选用内置十字形芯筒在与芯筒中心十字形呈15
°
的两侧均开设塞焊孔，同一翼缘板上的两塞焊孔间角度为30
°
。
12.优选地，所述法兰板包括第一法兰和第二法兰，所述第一法兰板固定连接于所述下层钢柱的顶部外侧，所述第二法兰板固定连接于所述上层钢柱的底部外侧，所述上层钢柱与所述下层钢柱通过所述第一法兰、第二法兰及高强螺栓可拆卸连接。
13.优选地，所述第一法兰和第二法兰按照一定角度开设高强螺栓孔，所述第一法兰板与所述第二法兰板通过高强螺栓连接，上述一定角度根据所需高强螺栓个数等分360
°
。
14.优选地，所述芯筒包括圆形芯筒和十字形芯筒，所述圆形芯筒的横截面为圆形钢管，所述十字形芯筒的横截面为四端带1/6圆的十字；所述圆形芯筒上部根据所需自攻螺栓个数等分360
°
开设自攻螺栓孔，所述十字形芯筒的十字形翼缘取为1/6半弧形，在翼缘板上部与中心十字形呈15
°
的两侧均开设自攻螺栓孔，同一翼缘板上的两螺栓孔间角度为30
°
。
15.优选地，所述芯筒固定在所述下层钢柱内侧，内置于下层钢柱的长度不小于200mm和钢柱直径的较大值。
16.优选地，所述芯筒内嵌于所述上层钢柱的长度不小于钢柱直径，所述芯筒与所述上层钢柱柱壁间距不大于2mm。
17.根据本发明的另一个方面，提供了一种所述的带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点的施工方法，包括步骤如下：
18.步骤一，制作下层钢柱及上层钢柱，下层钢柱及上层钢柱分别与第一法兰、第二法兰板连接而成，上层钢柱柱壁底端间隔设置自攻螺栓孔，所述第一法兰和第二法兰间隔开设螺栓孔；
19.步骤二，在所述下层钢柱内部的所述芯筒底端设置隔板，所述隔板与所述下层钢柱的内壁接触并固定连接；制作芯筒，在芯筒上部设置自攻螺栓孔，将芯筒安装在下层钢柱内部隔板上，通过焊接将芯筒与下层钢柱进行塞焊连接；
20.步骤三，将上层钢柱与下层钢柱进行拼装：将上层钢柱与芯筒的上部套接，直至第二法兰板与第一法兰板相接触；
21.步骤四，将第一法兰板与第二法兰板通过高强螺栓可拆卸连接，将上层钢柱与芯筒通过自攻螺栓可拆卸连接。
22.由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点能够有效加强节点域刚度，安全可靠；结构简单，装配迅速；解决了传统全熔透焊接节点现场焊接施工效率低、焊接质量差等问题，有效的提高了施工进度和效率。
23.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例的带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点的结构示意图；
26.图2为本发明实施例的带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点的分解图；
27.图3为图1中所示下层钢柱的分解图；
28.图4为本发明实施例的十字形芯筒分离式采用工装单独的加工方法；
29.图5为本发明实施例的圆形芯筒与下层钢柱焊接的加工方法；
30.图6为本发明实施例的十字形芯筒与下层钢柱焊接的加工方法。
31.其中，1-下层钢柱；2-上层钢柱；3-法兰板；4-芯筒；5-自攻螺栓；52-上柱壁的自攻螺栓孔；54-芯筒的自攻螺栓孔；6-隔板；7-高强螺栓；8-塞焊孔；
32.31-第一法兰板；32-第二法兰板。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
34.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
35.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
36.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
37.本发明实施例提供的一种带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点的结构示意图如图1所示，分解图如图2所示。包括下层钢柱1和上层钢柱2。
38.图3为图1中所示下层钢柱1的分解图。在上层钢柱2及下层钢柱1之间设置有法兰板3，上层钢柱2与下层钢柱1通过法兰板3可拆卸连接。在下层钢柱1内部设置芯筒4，在下层钢柱1的柱壁顶端按照一定角度间隔设置塞焊孔8，上述一定角度与芯筒形式相对应，选用内置圆形芯筒根据所需塞焊点个数等分360
°
确定角度，选用内置十字形芯筒在与芯筒中心十字形呈15
°
的两侧均开设塞焊孔8，同一翼缘板上的两塞焊孔间角度为30
°
，芯筒4通过塞焊与下层钢柱2连接。
39.芯筒4的上部嵌套于上层钢柱2中。在上层钢柱2的柱壁底端与芯筒4上部自攻螺栓孔54相对应的位置间隔设置安装自攻螺栓5的自攻螺栓孔52，通过自攻螺栓5连接芯筒4与上层钢柱2。在下层钢柱1内部的芯筒4底端设置隔板6，隔板6与下层钢柱1的内壁紧密接触，并固定连接。
40.法兰板3包括第一法兰31和第二法兰32。其中，第一法兰板31固定连接于下层钢柱1的顶部外侧，第二法兰板32固定连接于上层钢柱2的底部外侧，上层钢柱2与下层钢柱1通过第一法兰31、第二法兰32及高强螺栓7可拆卸连接。
41.所述第一法兰31和第二法兰32按照一定角度开设高强度螺栓孔，螺栓孔间距满足构造要求。上述一定角度根据所需高强螺栓个数等分360
°
。
42.本实施例中，芯筒4固定在下层钢柱1的内侧，芯筒4与上层钢柱2的柱壁间距不大于2mm。芯筒4内嵌于上层钢柱1的长度不小于钢柱直径，内置于下层钢柱1的长度不小于200mm和钢柱直径的较大值。
43.本实施例中，芯筒4分为圆形芯筒和十字形芯筒，其中圆形芯筒由购置相应壁厚的圆形钢管对壁厚进行加工而成，十字形芯筒由多块钢板焊接而成，所述芯筒4内嵌于上层钢柱2的长度不小于钢柱直径，内置于下层钢柱1的长度不小于200mm和钢柱直径的较大值。
44.圆形芯筒横截面为圆形钢管，十字形芯筒横截面为四端带1/6圆的十字。
45.所述圆形芯筒上部按照一定角度开设自攻螺栓孔54，螺孔间距应满足构造要求。上述一定角度根据所需自攻螺栓个数等分360
°
。
46.所述十字形芯筒的十字形翼缘取为1/6半弧形，在翼缘板上部与中心十字形呈15
°
的两侧均开设自攻螺栓孔54，同一翼缘板上的两螺栓孔间角度为30
°
，螺孔间距应满足构造要求。
47.本发明实施例提供的一种上述带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点的施工方法包括步骤如下：
48.步骤s1，制作下层钢柱1及上层钢柱2，下层钢柱1及上层钢柱2分别与第一法兰31、第二法兰板32连接而成，在上层钢柱2的柱壁底端与芯筒4上部自攻螺栓孔54相对应的位置间隔设置自攻螺栓孔52。第一法兰板1及第二法兰板2间隔一定角度开设高强螺栓孔，上述一定角度根据所需高强螺栓个数等分360
°
。
49.步骤s2，将隔板6与下层钢柱1内壁紧密接触并固定连接，制作芯筒4，在芯筒4的上部设置自攻螺栓孔54，位置与上柱壁上的自攻螺栓孔位置52保持一致，将芯筒4安装在下层钢柱1的内部隔板6上，通过焊接将芯筒4与下层钢柱1通过塞焊孔8进行塞焊连接；
50.步骤s3，进行上层钢柱2与下层钢柱1的拼装：将上层钢柱2与芯筒4上部套接，直至第二法兰板32与第一法兰板31相接触。
51.步骤s4，将第一法兰板31与第二法兰板32通过高强螺栓7可拆卸连接，将上层钢柱2与芯筒4通过自攻螺栓5可拆卸连接。
52.本发明实施例的十字形芯筒分离式采用工装单独的加工方法如图4所示，圆形芯筒与下层钢柱焊接的加工方法如图5所示，十字形芯筒与下层钢柱焊接的加工方法如图6所示。具体的，参见图4所述，十字形芯筒由多块钢板焊接而成，横截面为四端带1/6圆的十字。具体步骤为：a-将两块钢板b、c与钢板a焊接成十字，其中钢板b、c与a等高；b-将四个1/6圆的钢板与十字焊接成为整体。本实施例中，芯筒4通过塞焊方式固定于下层钢柱1内侧。具体的，参见图5、图6所述，将芯筒4与下层钢柱1通过塞焊孔8进行塞焊连接。
53.需要说明的是，本发明中的下层钢柱1、上层钢柱2、芯筒4、隔板6等均采用普通强度等级钢材(q355)或高性能钢材(q420)。
54.综上所述，本发明实施例提供的带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点能够有效加强节点域刚度，安全可靠；结构简单，装配迅速；解决了传统全熔透焊接节点现场焊接施工效率低、焊接质量差等问题，避免了焊接，有效的提高了施工进度和效率。
55.本发明实施例提供的带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点，综合运用芯筒、法兰和螺栓等技术，提出适用于圆钢管柱拼接的带自攻螺栓的芯筒式法兰圆钢管柱节点，该节点在保证圆形截面竖向构件柱与柱之间连接性能达到刚接，与焊接连接的力学性能一致
的基础上，实现了结构的全螺栓连接和高效装配。
56.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
57.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
58.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。