一种带U形钢板的支承节点.pdf

本发明公开了一种带U形钢板的支承节点，主要由U形钢板、垫板、长条安装孔和吊杆组成；所述U形钢板的横截面为U形或槽形，U形或槽形的开口上端设有翼缘；一个翼缘搭设在连体结构上，另一个翼缘搭设在多塔楼结构上；吊杆一端穿过U形钢板一侧翼缘中部与连体结构连接，另一端与多塔楼结构的牛腿连接；U形钢板与连体结构连接的翼缘上沿轴线方向设有长条安装孔，并通过螺栓或锚栓在长条安装孔处与连体结构连接；U形钢板另一侧翼缘通过螺栓或锚栓与多塔楼结构连接；本发明支承节点构造简单，施工方便；受力简单、合理，实现小震可恢复，大震可修；尤其是该支承节点对连体结构和多塔楼结构起“相对隔离”和“保险丝”的作用，实用性强。

1.  一种带U形钢板的支承节点，其特征在于，主要由U形钢板、垫板、长条安装孔和吊杆组成；所述U形钢板的横截面为U形或槽形，U形或槽形的开口上端设有翼缘；一个翼缘搭设在连体结构上，另一个翼缘搭设在多塔楼结构上；吊杆一端穿过U形钢板一侧翼缘中部与连体结构连接，另一端与多塔楼结构的牛腿连接；U形钢板与连体结构连接的翼缘上沿轴线方向设有长条安装孔，并通过螺栓或锚栓在长条安装孔处与连体结构连接；U形钢板另一侧翼缘通过螺栓或锚栓与多塔楼结构连接；
所述U形钢板的宽度b和高度h根据建筑功能和排水沟要求确定，且宽度b不小于罕遇地震作用下钢筋混凝土框架结构的弹塑性层间位移限值H/50(H为U形钢板支座的高度)；U形钢板厚度t由式(1)确定：
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式中，fy为U形钢板钢材的屈服强度，E为钢材的弹性模量，Δ为连体结构与多塔楼结构之间的最大相对位移，取值为H/275；
所述U形钢板的总长度L为6d+nH/275+3(n-1)d；
所述长条安装孔在U形钢板翼缘中部成纵向一排间隔布置，孔间净距以及长条安装孔的孔边缘至支座边缘的距离都不少于3d，d为螺栓或锚栓的直径；长条安装孔的长度应不小于H/275；长条安装孔的宽度根据螺栓直径d确定；长条安装孔个数设为n，按式(2)确定：
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Nvb=πd24fvb---(3)]]>
式中，N_v^b为螺栓的受剪承载力设计值，f_v^b为螺栓的抗剪强度设计值。

2.  根据权利要求1所述的带U形钢板的支承节点，其特征在于，所述U形钢板与连体结构之间设有垫板。

3.  根据权利要求2所述的带U形钢板的支承节点，其特征在于，所述垫板优选聚四氟乙烯平板。

4.  根据权利要求1所述的带U形钢板的支承节点，其特征在于，所述吊杆的截面面积A按式(4)确定；
式中，G为吊杆承担连体结构的竖向荷载，n为吊杆总根数，fy为吊杆的屈服强度。

5.  根据权利要求1所述的带U形钢板的支承节点，其特征在于，U形钢板用不锈钢304、316牌号或普通Q345、Q390牌号的型钢制成。

6.  根据权利要求1所述的带U形钢板的支承节点，其特征在于，所述U形钢板和吊杆的外表面涂上防腐漆。

一种带U形钢板的支承节点
技术领域
本发明涉及一种钢结构支座节点，特别是涉及一种带U形钢板的支承节点。
背景技术
钢结构支座节点的主要形式有固定铰支座、可动铰支座和固定支座。固定铰支座是一种只传递轴力和剪力而不传递弯矩的支座形式，即限制了节点水平和竖直方向的位移，但可以发生转动。固定铰支座包括销轴铰支座、球铰支座和弧形铰支座。销轴支座通过销轴连接支座底座和转动部件。球铰支座由一个固定在过渡板上的钢球和一个连接于支座底板上的半球凹槽嵌合而成，可以沿两个水平方向自由转动,而不产生线位移。弧形铰支座的做法是将弧形垫板倒置，放在过渡板上设置的弧形浅槽内。这几种支座都是由凹、凸构件相互嵌合，并用锚栓(或销轴)加以固定的，为避免影响支座转动，锚栓螺母下均应加设弹簧。球铰支座、弧形铰支座都有构造复杂，焊接工艺要求高的缺点。由于耗钢量大，制作工艺要求精细，因此成本偏高。地震作用下固定铰支座由于不能释放水平方向的力和变形而容易发生破坏，且维修和拆换不便。
可动铰支座是一种限制了竖直方向位移，但可以沿水平方向运动和转动的支座形式。包括弹性支座和滑动支座。弹性支座和滑动支座都是靠减小过渡板和底板之间的摩擦力来实现水平方向的移动。可动支座一般用在对水平推力有限制的,或需释放温度应力的网格结构中。弹性支座一般可通过在刚性支座底板下加设橡胶垫板来实现。橡胶支座就是一个弹性支座，其做法是将 支座底板和过渡钢板加工成“盆”型，中间镶嵌一块由多层橡胶片和薄钢板间隔粘合、压制而成的橡胶垫板，由于橡胶垫板具有良好的弹性和较大的剪切变位能力，因而支座既可转动又可在水平方向产生一定的弹性变位。支座底板与过渡板由穿过橡胶垫板的锚栓连成整体，锚栓的螺母下也应设置压力弹簧以适应支座的转动，防止底板与橡胶垫块脱开。滑动支座的支座水平向没有完全固定，可以发生一定的位移。滑动支座由于受力或温度变化，可沿支座顶面滑动。板式橡胶滑动支座就是一种典型的滑动支座。板式橡胶滑动支座与橡胶支座的主要区别是：板式橡胶滑动支座在支座底板和橡胶垫板间加设了一层不锈钢板或聚四氟乙烯板，减小摩擦力以便支座与橡胶垫板间能产生相对的滑移。这类支座大多构造复杂、制作精细化程度高，焊接工艺要求高，造价也相对较高。使用寿命短一般为10～15年，上部结构应用期间一般需要多次更换，更换费用较高且更换过程中影响结构的使用功能；不能承载过大的竖向荷载，不能释放过大的水平位移；橡胶在提炼、加工、使用过程中均对环境产生污染，不环保；正常使用过程中对温度变化比较敏感，过冷或过热支座均无法正常工作。
固定支座是既不允许水平和竖向的位移，也不允许转动的一种支座形式。固定支座是将连接体结构直接搭接或预埋在塔楼结构中，支座同时传递轴力、剪力和弯矩。这种支座由于主体结构与塔楼结构直接接触，相互作用大，一旦破坏就直接影响结构的使用功能，维修不便。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有“相对隔离”和“保险丝”作用的带U形钢板的支承节点。该形式的节点主要可用于多栋(或多塔)建筑的连接体之中。
随着现代建筑功能要求的不断提高，或者在需要进行建筑功能改造的条件下，可能在多栋(或多塔)建筑的中部某一高度范围内设置一些连接体(如 光棚和连廊)以改善建筑整体的使用功能。针对现有各种钢结构支座节点存在的问题，结合在多塔楼结构与光棚、连廊等连体结构连接时要尽量减小相互作用的要求，本发明提出了一种新的带U形钢板的支承节点。这种支承节点结合了弹性支座和滑动支座的特性，
支承节点主体包括了U形钢板和吊杆，U形钢板传递水平荷载及适应水平位移差，吊杆则传递竖向荷载。当U形钢板变形较小(即建筑物直接的相对位移较小)时，其受力与变形的关系呈线弹性，由于U形钢板的刚度可以设计得相对较小，故可以充当一种弱连接的连接形式，为连体结构和多塔楼结构的水平变形差提供足够的空间，从而对连体结构和多塔楼结构起到相对隔离的作用。当U形钢板变形大到某一程度(即建筑物之间的相对位移变大到某一数值)后，U形钢板将可能呈现弹塑性状态，通过U形钢板的弹塑性变形产生的消能减震作用，为连体结构和多塔楼结构提供足够的变形空间以保护连体结构和多塔楼结构，起到了“保险丝”的作用。即使U形钢板发生了破坏，由于其构造简单，直接更换掉失效的U形钢板即可重新使用。这样的支承节点形式不仅传力直接简单，而且能满足消能减震的结构要求。
本发明目的通过下述技术方案实现：
一种带U形钢板的支承节点，主要由U形钢板、垫板、长条安装孔和吊杆组成；所述U形钢板的横截面为U形或槽形，U形或槽形的开口上端设有翼缘；一个翼缘搭设在连体结构上，另一个翼缘搭设在多塔楼结构上；吊杆一端穿过U形钢板一侧翼缘中部与连体结构连接，另一端与多塔楼结构的牛腿连接；U形钢板与连体结构连接的翼缘上沿轴线方向设有长条安装孔，并通过螺栓或锚栓在长条安装孔处与连体结构连接；U形钢板另一侧翼缘通过螺栓或锚栓与多塔楼结构连接；
所述U形钢板的宽度b和高度h根据建筑功能和排水沟要求确定，且宽度b不小于罕遇地震作用下钢筋混凝土框架结构的弹塑性层间位移限值H/50；U形钢板厚度t由式(1)确定：
t≤fyh(4h-6b)3EΔ---(1)]]>
式中，fy为U形钢板钢材的屈服强度，E为钢材的弹性模量，Δ为连体结构与多塔楼结构之间的最大相对位移，取值为H/275；
所述U形钢板的总长度L为6d+nH/275+3(n-1)d；
所述长条安装孔在U形钢板翼缘中部成纵向一排间隔布置，孔间净距以及长条安装孔的孔边缘至支座边缘的距离都不少于3d，d为螺栓或锚栓的直径；长条安装孔的长度应不小于H/275；长条安装孔的宽度根据螺栓直径d确定；长条安装孔个数设为n，按式(2)确定：
n=ΔELt3Nvbh2(8h+12b)---(2)]]>
Nvb=πd24fvb---(3)]]>
式中，N_v^b为螺栓的受剪承载力设计值，f_v^b为螺栓的抗剪强度设计值。
为进一步实现本发明目的，优选所述U形钢板与连体结构之间设有垫板。所述垫板为聚四氟乙烯平板。
所述吊杆的截面面积A按式(4)确定；式中，G为吊杆承担连体结构的竖向荷载，n为吊杆总根数，fy为吊杆的屈服强度。
所述U形钢板用不锈钢304、316牌号或普通Q345、Q390牌号的型钢制成。所述U形钢板和吊杆的外表面涂上防腐漆。
由于U形钢板构造简单，通过螺栓(锚栓)安装至连体结构或多塔楼结 构，具有更换方便的特点，故在大震作用(即U形钢板发生过大变形)后也可通过更换失效的U形钢板继续使用，更新以保证能充分发挥带U形钢板的支承节点的“相对隔离”和“保险丝”作用。“相对隔离”作用是指当U形钢板变形不大时其受力与变形关系呈线弹性，由于U形钢板自身的变形，为连体结构和多塔楼结构的变形提供了足够的空间，从而减小了连体结构和多塔楼结构之间的相互作用。“保险丝”作用是指当支座变形大到某一程度后，U形钢板将进入弹塑性状态，最终失效。但通过U形钢板的弹塑性变形为连体结构和多塔楼结构的变形(小于U形钢板的宽度b)提供了足够的空间，避免连体结构与多塔楼结构之间的相互接触挤压，以减小二者之间的相互作用，从而对连体结构和多塔楼结构起到了保护的作用。
为了保证U形钢板“相对隔离”和“保险丝”的作用，减小其双向受力，防止U形钢板提前进入弹塑性状态而发生破坏，还需要释放沿U形钢板轴线方向的水平剪力及位移。此时可通过在U形钢板翼缘中设置长条安装孔，并在与连体结构(多塔楼结构)接触面间铺设聚四氟乙烯垫层实现。长条安装孔的形状尺寸将根据结构的实际位移量确定。同时在连体结构周边布置带U形钢板的支承节点可以保证两个方向都发挥出支承节点“相对隔离”和“保险丝”的作用，真正做到减小连体结构和多塔楼结构之间的相互作用。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1)构造简单，施工方便：整个支承节点主要由U形钢板、锚栓、螺栓、聚四氟乙烯平板和吊杆组成，U形钢板由钢板弯折而成，其与连体结构(多塔楼结构)直接靠螺栓(锚栓)连接，不需要现场焊接，施工简单，操作简便。
2)受力简单、合理：吊杆承担连体结构的全部竖向荷载，通过在沿U 形钢板轴线方向设置长条安装孔释放了水平剪力，垂直U形钢板轴线方向承受一定的水平荷载，故水平方向表现为单向受力。
3)小震可恢复，大震可修：在小震即该地区50年一遇地震作用下U形钢板发生小变形，处于弹性阶段，变形呈线弹性变化，震后可恢复到原来的形状，且可继续使用。大震即该地区1600～2500年一遇地震作用下U形钢板发生大变形，进入弹塑性状态，为连体结构和多塔楼结构提供足够的水平位移空间。由于带U形钢板的支承节点与连体结构和多塔楼结构连接简单，震后维修替换也非常方便。
4)兼具“相对隔离”和“保险丝”的作用：在许多多塔楼结构和连体结构的连接问题中都要求减小二者之间的相互作用，带U形钢板的支承节点兼具弹性支座和滑动支座的特点，对连体结构和多塔楼结构起“相对隔离”和“保险丝”的作用，满足了这种结构上的要求。在垂直轴线方向呈现弹性支座的特点，U形钢板在变形较小时，变形都呈线弹性，设计时可将U形钢板的刚度设计得相对较小，可通过钢板自身变形为连体结构和多塔楼结构提供足够的变形空间，从而减小连体结构和多塔楼结构之间的相互作用。U形钢板在变形较大(小于U形支座的宽度b)时，也可以避免连体结构与多塔楼结构相互接触挤压，起到“相对隔离”的作用。当支承节点双向受力时在平行轴线方向设置了长圆孔，释放了沿轴线方向的水平剪力，对连体结构起保护作用。
5)造价低：由于构造简单、施工方便，所用材料少，所以此种支座节点总造价相对较低。市场上固定球铰支座、板式橡胶支座的成品价格达到上千，而带U形钢板的支承节点的成本远远比前者小。
附图说明
图1为带U形钢板的支承节点的结构示意图；
图2为带U形钢板的支承节点的安装示意图；
图3为带U形钢板的支承节点的应用安装图；
图4为图1带U形钢板的支承节点的截面图。
图中示出：U形钢板1、吊杆2、牛腿3、连体结构4、多塔楼结构5、垫板6、长条安装孔7、螺栓8、锚栓9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1‐4所示，一种带U形钢板的支承节点，主要由U形钢板1、垫板6、长条安装孔7和吊杆2组成；U形钢板1的横截面为U形或槽形，U形或槽形的开口上端设有翼缘；安装时，一个翼缘搭设在连体结构4上，另一个翼缘搭设在多塔楼结构5上；吊杆2一端穿过U形钢板1一侧翼缘中部与连体结构4连接，另一端与多塔楼结构5的牛腿3连接；U形钢板1与连体结构连接的翼缘上沿轴线方向设有长条安装孔7，并通过螺栓8在长条安装孔7处与连体结构连接；U形钢板1另一侧翼缘通过锚栓9与多塔楼结构5连接。U形钢板1与连体结构4之间设有垫板6，垫板6优选为聚四氟乙烯平板。
优选U形钢板1用不锈钢304、316型号或普通Q345、Q390等牌号钢材制成；吊杆2采用钢拉杆。优选U形钢板1和吊杆2的外表面涂上防腐漆。
在安装带U形钢板的支承节点时，先用吊杆2将连体结构4悬吊于多塔楼结构5的牛腿3上。然后在U形钢板1一侧翼缘与连体结构4的接触面之间铺设垫板6，再用螺栓8与连体结构4连接；U形钢板1另一侧翼缘用锚栓9与多塔楼结构5连接起来。
一般支承节点为双向受力，在U形钢板1的一侧翼缘上沿轴向设置长条安装孔7，长条安装孔7的长度(单个孔的长度)为连体结构和多塔楼结构在各种荷载工况组合下沿长条安装孔长度方向的最大相对位移。长条安装孔在U形钢板1翼缘中部成纵向一排间隔布置，孔间净距取为3d(d为螺栓直径), 孔边缘至支座边缘的距离同样取为3d。按《建筑抗震设计规范》中钢筋混凝土框架结构的弹塑性层间位移角限制H/550确定(H为U形钢板支座的高度)，考虑到最不利的位移模式，长条安装孔的长度应不小于H/275；长条安装孔7的宽度根据螺栓直径d确定。
U形钢板1可根据实际需要的刚度及位移控制条件进行设计，U形钢板1的宽度b和高度h通常根据建筑功能和排水沟要求确定，且宽度b不小于罕遇地震作用下钢筋混凝土框架结构的弹塑性层间位移限值H/50。为了保证该支承节点能起到“相对隔离”和“保险丝”的作用，可通过调整U形钢板厚度t和长度L来实现具体的刚度要求。U形钢板厚度t可由下式确定：
t≤fyh(4h-6b)3EΔ---(1)]]>
式中fy为U形钢板钢材的屈服强度，b为U形钢板的宽度，h为U形钢板的长度，E为钢材的弹性模量，Δ为连体结构与多塔楼结构之间的最大相对位移，取值同长条安装孔长度相同为H/275。
长条安装孔个数设为n，按下式取：
n=ΔELt3Nvbh2(8h+12b)---(2)]]>
Nvb=πd24fvb---(3)]]>
式中N_v^b为螺栓的受剪承载力设计值，f_v^b为螺栓的抗剪强度设计值，d为螺栓直径。为了保证支座能充分发挥“相对隔离”和“保险丝”作用，一般而言，长条安装孔7的个数取不少于2个。其中U形钢板的总长度L可取为6d+nH/275+3(n-1)d(d为螺栓直径)。吊杆2主要承担连体结构竖向荷载G，故吊杆截面面积A可按下式取值：
A≥Gnfy---(4)]]>
式中n为吊杆总根数，fy为吊杆的屈服强度。
“相对隔离”作用是指当U形钢板1变形不大时其受力与变形关系呈线弹性，由于U形钢板自身的变形，为连体结构和多塔楼结构的变形提供了足够的空间，从而减小了连体结构和多塔楼结构之间的相互作用。
“保险丝”作用是指当支座变形大到某一程度后，U形钢板将进入弹塑性状态，最终失效。但通过U形钢板的弹塑性变形为连体结构和多塔楼结构的变形(小于U形钢板的宽度b)提供了足够的空间，避免连体结构与多塔楼结构之间的相互接触挤压，以减小二者之间的相互作用，从而对连体结构和多塔楼结构起到了保护的作用。
由于U形钢板构造简单，通过螺栓(锚栓)安装至连体结构或多塔楼结构，具有更换方便的特点，故在大震作用(即U形钢板发生过大变形)后也可通过更换失效的U形钢板继续使用，更新以保证能充分发挥带U形钢板的支承节点的“相对隔离”和“保险丝”作用。
为了保证U形钢板“相对隔离”和“保险丝”的作用，减小其双向受力，防止U形钢板提前进入弹塑性状态而发生破坏，还需要释放沿U形钢板轴线方向的水平剪力及位移。此时可通过在U形钢板翼缘中设置长条安装孔，并在与连体结构(多塔楼结构)接触面间铺设聚四氟乙烯垫层实现。同时在连体结构四周布置带U形钢板的支承节点可以保证垂直方向和轴线方向都发挥出支承节点“相对隔离”和“保险丝”的作用，真正做到减小连体结构和多塔楼结构之间的相互作用。