钢结构梁柱抗连续倒塌加固节点及其制作方法 【技术领域】
钢结构梁柱抗连续倒塌加固节点及其制作方法属于建筑结构设计施工领域。
背景技术
当今世界，随着人类文明的不断进步，国家矛盾、民族、宗教、政党纷争、地区经济和文化发展不平衡等问题也随之变的越来越尖锐。这些问题的存在和扩大直接导致了国际恐怖主义的迅速蔓延和发展，恐怖爆炸事件的接连发生。其中震惊世界的“9.11”恐怖主义袭击事件，世界贸易中心两栋400余米高的双子楼在受到两架飞机的撞击后，建筑彻底倒塌，死亡3000多人，经济损失无法估量。美国国务院反恐怖主义协调办公室发布的《2003年全球恐怖主义形势》报告中指出，仅2003一年，世界各地就发生190起国际恐怖主义袭击事件，其中有175起“重大恐怖袭击”，死伤人数分别是625人和3646人，而2003年却还是自1969年以来国际恐怖主义袭击事件最少的年份。在恐怖爆炸范畴之外，每年还有数以千记的偶然爆炸事件，这些爆炸事件直接或间接的导致了建筑结构的破坏，乃至连续性倒塌。
钢结构建筑由于具有施工速度快、结构延性好、质量轻等优点而被广泛地应用于工程建设中，其抵抗爆炸荷载或冲击荷载激励连续倒塌的能力越来越受到人们的重视。
钢结构的设计中，出于便于施工和强柱弱梁等方面的考虑，梁柱节点都是柱贯通而梁不贯通的，梁由节点连接在柱上，如图1所示。很多文献，包括美国DOD和GSA规范中都已提到，节点是钢框架结构抗爆、抗倒塌的软肋，一旦节点丧失承载能力则必将导致结构倒塌。
图1为结构在正常使用情况下梁柱的受力状态，当结构遭受到爆炸袭击时，结构某个柱子被炸坏丧失承载能力之后，结构的受力状态如图2所示。此时节点在冲击荷载、轴力、弯矩、剪力共同作用下受力、变形情况十分复杂。
目前节点的连接加固设计基本都是针对地震荷载的，而这种抗震的节点在结构倒塌过程中能起到多大作用还值得探讨。
美国抗倒塌节点加固时采用了节点四面焊接钢板及在梁腋处加肋等方法，这类方法虽然可以有效的控制倒塌过程中节点的破坏，但是其操作复杂，施工繁琐，工程造价相对较高，而且影响结构的建筑美观及使用。
【发明内容】
针对以上诸多问题，本发明提供一种抗倒塌加固梁柱节点及其制作方法。解决目前抗倒塌加固梁柱节点施工繁琐、工程造价高、影响美观等难题。
为了实现上述目的，本发明提出了钢结构梁柱抗连续倒塌加固节点。对于整体结构而言，这种节点通过四片连接板将同一轴线上本不贯通的两根梁贯通相连，增强了结构的整体性，从而可以有效的增强节点抵抗悬链线拉力的能力。相对于单独的每一跟梁而言，这种连接相当于增强了节点区梁的上下翼缘，进而增大了节点区的抗弯和抗剪能力，从而将塑性角向外推至框架梁上。这种做法增大了结构的延性，增强了结构的耗能能力，符合结构性态设计的要求。
基于上述理论，本发明采取了如下技术方案：设计一种采用工字钢作为梁、柱的钢结构建筑中的梁、柱固节点，该固节点采用预制的四根带状钢制连接板，将四根连接板穿过柱的两个翼缘或柱的腹板，并与柱两侧的两根梁的上、下翼缘的两边固定。其中，连接板的厚度大于或等于梁的厚度；连接板与梁翼缘的固定采用高强螺栓。
下面介绍上述固节点的制作方法，包括以下步骤：
1)根据梁、柱的宽度加工连接板，连接板的宽度应小于梁、柱翼缘和柱腹板宽度的一半，长度为梁的长度的10％-20％。
2)在连接板端部设置螺栓预留孔，其直径略大于螺栓直径，预留孔数量2-4个，其中螺栓直径大于连接板的厚度。
3)在柱翼缘和柱腹板上打孔，孔的形状与连接板截面形状一致，尺寸略大于连接板截面。
4)在梁翼缘上，对应于连接板的螺栓孔处打螺栓孔，其直径与连接板螺栓孔相同。
5)将连接板从柱翼缘孔或柱腹板孔中穿过，并用高强螺栓将其与梁翼缘固定。
6)为不至于削弱柱翼缘，将柱翼缘孔与连接板之间或柱腹板孔与连接板之间的空隙用焊缝添焊。
7)用连接片将梁、柱连为一体。
8)喷刷防火涂料。
本发明利用简单的连接板，通过在柱面上穿孔，将柱两侧的梁连接为一体，可以有效的控制倒塌过程中节点的破坏。本发明介绍的梁柱节点造价低，施工操作简单，应用范围广，既可以用于新建建筑地抗倒塌设计及施工中，也可对已建建筑进行抗倒塌加固。本发明中钢结构梁柱抗连续倒塌加固节点不仅可以增强结构的抗连续倒塌能力，而且可以增强其抗震能力，不失为一法多能。
【附图说明】
图1是正常使用情况下钢框架结构的受力状态；
图2是遭受爆炸袭击后的钢框架结构的受力状态；
图3是本发明中用到的连接板示意图；
图4是图7的1-1剖面图，示意柱翼缘打孔位置；
图5是图8的3-3剖面图，示意柱腹板打孔位置；
图6是本发明梁柱抗连续倒塌加固节点图；
图7是穿过柱翼缘的连接板平视及俯视图；
图8是穿过柱腹板的连接板平视及俯视图；
图9是图7的2-2剖面图，示意添焊位置；
图10是图8的4-4剖面图，示意添焊位置；
图11是用来加固边节点和角节点的U型连接板；
图12是抗连续倒塌的加固边节点结构示意图(穿过柱腹板和穿过柱翼缘的情况)。
图中：1-打磨喷砂区，2-柱翼缘的打孔位置，3-柱腹板的打孔位置，4-高强螺栓，5-连接板，6-焊缝，7-连接片。
【具体实施方式】
本发明钢结构梁柱抗连续倒塌加固节点是在现有钢结构抗震梁柱节点连接形式的基础上加固而成。其原理是当结构某根柱子由于遭到恐怖爆炸袭击或者偶然爆炸袭击后，丧失了承载能力，此柱所承受的结构竖向荷载瞬间以冲击荷载的形式向下作用在如图2所示的梁柱节点上，与此柱连接的框架梁受力状态由图1所示情况转变为图2所示情况，在这一过程中，图2中的两个中间节点和两个边节点的弯矩和剪力骤然增大，并且伴随着强烈的悬链线拉力作用，可以说受力状态极其复杂，各种作用力的量级也很大。考虑到节点焊接残余应力和钢材焊接脆性等作用，节点区变得更加脆弱。在这种情况下普通的梁柱节点承载能力极有可能不满足需要，从而造成结构的连续性倒塌。
基于以上原因，本发明提出了钢结构梁柱抗连续倒塌加固节点。对于整体结构而言，这种节点通过四片连接板将同一轴线上本不贯通的两根梁贯通相连，增强了结构的整体性，从而可以有效的增强节点抵抗悬链线拉力的能力。相对于单独的每一跟梁而言，这种连接相当于增强了节点区梁的上下翼缘，进而增大了节点区的抗弯和抗剪能力，从而将塑性角向外推至框架梁上。这种做法增大了结构的延性，增强了结构的耗能能力，符合结构性态设计的要求。本发明中钢结构梁柱抗连续倒塌加固节点不仅可以增强结构的抗连续倒塌能力，而且可以增强其抗震能力，不失为一法多能。
下面结合附图对本发明的一优选实施例加以说明：
考虑到方便现场安装及高空作业，本实施例连接板与梁翼缘的连接采用高强度螺栓相连。相对于普通螺栓连接，这样做的好处是不至于因为打孔及承压压力等原因造成梁翼缘截面损失，以至于降低梁的承载能力。不使用焊缝连接连接板和梁翼缘是为了不增加节点区的焊接残余应力，不破坏翼缘钢材的韧性。
实际应用中，可以通过结构力学和材料力学方法计算出图2所示情况下中间节点和端节点区域的弯矩，剪力和悬链线拉力。通过校核节点区的弯矩，剪力和悬链线拉力，便可以确定出连接板的截面尺寸。然后通过两端高强螺栓连接强度不小于连接板的抗拉承载能力的方法，确定出高强螺栓的数量及规格。
下面结合附图3～附图10具体说明本发明的制作方法：
1)根据计算确定的截面尺寸，加工出如图3所示的连接板，并通过高强度螺栓等强连接，确定高强螺栓的规格及数量，按照此规格和数量在连接板端部设置螺栓预留孔，其直径略大于螺栓直径；
2)在图3中高强螺栓连接区域范围内，按照《钢结构设计规范》的要求对连接板打磨喷砂；
3)在柱翼缘上打孔，孔的尺寸略大于连接板截面，如图4所示。
4)在柱腹板上打孔，孔的尺寸略大于连接板截面，如图5所示。
5)在梁翼缘上，对应于连接板的螺栓孔处打螺栓孔，其直径与连接板螺栓孔相同，如图6所示。
6)在梁翼缘上，对应于高强螺栓连接区域内，按照《钢结构设计规范》的要求打磨喷砂；
7)将连接板从柱翼缘孔中穿过，并用高强螺栓将其连接固定，如图7所示；
8)将连接板从柱腹板孔中穿过，并用高强螺栓将其连接固定，如图8所示；
9)为不至于削弱柱翼缘，将柱翼缘孔与连接板之间，柱腹板孔与连接板之间的空隙用焊缝添焊，如图9，图10所示；
10)用原工艺中的连接片将梁、柱连为固节点；
11)喷刷防火涂料，增强其抗火能力。
边界点和交接点的加固节点做法如前所述，只需加工图11所示的U型连接板，然后按照图12所示，插入柱腹板或柱翼缘预先打好的孔中，再用高强螺栓将其连接于梁翼缘上。