箱型梁全栓接刚接连接节点及其设计制造方法
阅读说明：本技术 箱型梁全栓接刚接连接节点及其设计制造方法 (Box-type beam full-bolting rigid connection node and design and manufacturing method thereof ) 是由 陈轩 孙岩 李永祥 程方圆 杨思狄 华坤 张婉越 吴波 刘伟亮 胡鹏飞 宗锋 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了箱型梁全栓接刚接连接节点及设计制造方法,包括钢柱和箱型梁；钢柱通过箱型梁外伸段与箱型梁连接；箱型梁外伸段与箱型梁互相连接的端部均设有连接板；两块连接板通过多个螺栓紧固,之间的接触面均采用抛丸/喷砂工艺处理增强摩擦系数；箱型梁外伸段和箱型梁内均设有与相应的连接板平行的梁内横向加劲肋,形成箱形结构；每一箱形结构内均设有梁内纵向加劲肋。设计制造时,先根据钢柱和箱型梁的截面尺寸,初步选取得到尺寸,之后进行设计计算,获得承载力满足规范要求的尺寸；然后,在工厂内加工包含箱型梁外伸段的钢柱,以及箱型梁；最后在现场安装。本发明在工厂中即可拼装完成,工地现场只需要安装螺栓即可完成有效连接,操作简单。(The invention discloses a box beam full-bolting rigid connection node and a design and manufacture method, comprising a steel column and a box beam; the steel column is connected with the box girder through the overhanging section of the box girder; connecting plates are arranged at the end parts of the extending sections of the box beams and the box beams which are mutually connected; the two connecting plates are fastened through a plurality of bolts, and the contact surfaces between the two connecting plates are processed by a shot blasting/sand blasting process to enhance the friction coefficient; the box-type beam extending section and the box-type beam are internally provided with in-beam transverse stiffening ribs which are parallel to the corresponding connecting plates to form a box-shaped structure; an in-beam longitudinal stiffener is provided within each box structure. During design and manufacture, firstly, preliminarily selecting the sizes according to the section sizes of the steel column and the box-shaped beam, and then carrying out design calculation to obtain the size of which the bearing capacity meets the standard requirement; then, processing a steel column containing the overhanging section of the box girder and the box girder in a factory; and finally, installing on site. The invention can be assembled in a factory, and can be effectively connected on a construction site only by installing bolts, so that the operation is simple.)
技术领域
本发明涉及箱型梁制造技术领域，特别涉及箱型梁全栓接刚接连接节点及其设计制造方法。
背景技术
在钢结构建筑中，框架梁多采用H型钢梁，因为H型截面是开口截面，其与钢柱的连接无论采用焊接连接还是螺栓连接，操作都非常简单，刚接连接或者铰接连接都极易实现。但是如果地震烈度较高，框架梁受力较大，而且房间层高和净高有限制时，H型钢梁无法满足要求，这时便需要采用箱型钢梁。箱型截面是一种闭口型截面，在箱型梁与钢柱连接时，无论刚接还是铰接，由于操作人员无法在箱梁截面内侧进行任何操作，所以现场作业困难极大。
在现行的规范、国标图集中，钢结构箱型梁的连接节点只能通过现场焊接实现。
当箱型梁截面板厚较大时，焊接难度大，焊缝质量难以保证，在工地现场完成一根箱型梁节点的焊接甚至需要数个小时的时间。这不但影响工期，还对工程质量控制造成隐患。
因此，如何减少箱型梁与钢柱连接节点的现场操作难度，降低现场安装作业时间，同时保证工程质量，成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供箱型梁全栓接刚接连接节点及其设计制造方法，实现的目的是解决现有的技术困难，提高效率、保障质量，施工现场仅需要工人安装螺栓，操作简单，速度快。
为实现上述目的，本发明公开了箱型梁全栓接刚接连接节点，包括钢柱和箱型梁。
其中，所述钢柱为H型截面或者箱型截面的结构钢柱，一侧设有沿长度方向的法向，即朝向所述箱型梁连接端的方向延伸的箱型梁外伸段，通过所述箱型梁外伸段与所述箱型梁连接；
所述箱型梁外伸段与所述箱型梁的横截面尺寸相同，互相连接的端部均设有连接板；
每一所述连接板均在相应的所述箱型梁外伸段或者相应的所述箱型梁在工程预制阶段，通过全熔透焊工艺焊接成一个整体；
每一所述连接板的面积大于相应的所述箱型梁外伸段的端面或者相应的所述箱型梁相应的端面，与所述箱型梁外伸段的外侧壁或者相应的所述箱型梁的外侧壁之间均设有多个外侧竖向加劲板和多个外侧水平加劲板；
两块所述连接板位于相应的所述箱型梁外伸段的端面或者相应的所述箱型梁相应的端面的部分通过多个螺栓紧固，之间的接触面均采用抛丸/喷砂工艺处理增强摩擦系数；
多个所述外侧竖向加劲板和多个所述外侧水平加劲板均对称的设置在相应的所述箱型梁外伸段的两侧或者相应的所述箱型梁的两侧；
每一所述外侧竖向加劲板均垂直设置于相应的所述箱型梁外伸段的两侧翼缘板或者相应的所述箱型梁的两侧翼缘板；
每一所述外侧水平加劲板均垂直设置于相应的所述箱型梁外伸段的两侧腹板或者相应的所述箱型梁的两侧腹板；
所述箱型梁外伸段和所述箱型梁内，对应设置多个所述外侧竖向加劲板和多个所述外侧水平加劲板的范围内均设有最少一块与相应的所述连接板平行的梁内横向加劲肋，形成箱形结构；
每一所述箱形结构内对应相应的所述外侧竖向加劲板的位置均设有与相应的所述箱型梁外伸段的翼缘板或者相应的所述箱型梁的翼缘板垂直的梁内纵向加劲肋。
优选的，所述钢柱内对应所述箱型梁外伸段每一与所述钢柱的外侧壁垂直的外缘均设有柱内节点板；
每一所述柱内节点板均与相应的所述箱型梁外伸段与所述钢柱的外侧壁垂直的外缘呈一整体。
更优选的，所述钢柱与所述箱型梁外伸段以及相应的所述柱内节点板之间均通过焊接方式连接。
优选的，所述箱型梁外伸段从所述钢柱侧面向外延伸500毫米至600毫米。
优选的，每一所述外侧竖向加劲板的厚度均垂直设置于相应的所述箱型梁外伸段的腹板的厚度或者相应的所述箱型梁的腹板的厚度相同；
每一所述外侧水平加劲板的厚度均垂直设置于相应的所述箱型梁外伸段的翼缘板的厚度或者相应的所述箱型梁的翼缘板的厚度相同。
优选的，每一所述梁内横向加劲肋均通过全熔透焊与相应的所述箱型梁外伸段的内壁或者相应的所述箱型梁的内部固定。
优选的，每一所述柱内节点板的厚度均与所述箱型梁外伸段相应部分的厚度相同。
优选的，每一所述梁内横向加劲肋的板厚、每一所述梁内纵向加劲肋的板厚均与相应的所述箱型梁的腹板厚度相同。
本发明还提供箱型梁全栓接刚接连接节点的设计制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据所述钢柱和所述箱型梁的截面尺寸，初步选取得到尺寸；所述尺寸包括相应的所述连接板的厚度、所述螺栓的数量及间距、每一所述外侧竖向加劲板的厚度和每一所述外侧水平加劲板的厚度；
其中，每一所述连接板的厚度、每一所述外侧水平加劲板的厚度，以及每一所述外侧竖向加劲板的厚度均与所述箱型梁的翼缘板的厚度相同；
之后，整体计算得到的所述钢柱和所述箱型梁的梁端弯矩及剪力，并进行设计计算；若承载力满足规范要求则继续执行后续步骤，若否，则增加每一所述连接板的厚度、每一所述外侧水平加劲板的厚度、每一所述外侧竖向加劲板的厚度和/或所述螺栓的数量，并再次进行设计计算，直至承载力满足规范要求；
步骤2、在工厂内加工所述钢柱，在所述钢柱内将每一所述柱内节点板对应所述箱型梁外伸段的位置均通过全熔透焊与所述钢柱焊接为整体；
步骤3、在工厂内加工所述箱型梁外伸段，在所述箱型梁外伸段内设置相应的所述梁内横向加劲肋，通过全熔透焊连接成整体；
之后，再采用全熔透焊方式连接相应的所述梁内纵向加劲肋、相应的所述连接板、相应的所述外侧竖向加劲板和相应的所述外侧水平加劲板；
所述梁内纵向加劲肋和相应的所述连接板之间采用刨平顶紧接触；
步骤4、在工厂内加工所述箱型梁，在所述箱型梁内设置相应的所述梁内横向加劲肋，通过全熔透焊连接成整体；
之后，再采用全熔透焊方式连接相应的所述梁内纵向加劲肋、相应的所述连接板、相应的所述外侧竖向加劲板和相应的所述外侧水平加劲板；
所述梁内纵向加劲肋和相应的所述连接板之间采用刨平顶紧接触；
步骤5、在工厂内将所述箱型梁外伸段和所述钢柱通过全熔透焊接连接为一整体后，和所述箱型梁一起发往工程施工现场；
步骤6、在工地现场，首先吊装包含所述箱型梁外伸段的所述钢柱，并安装固定；之后，吊装所述箱型梁至指定位置；将所述箱型梁与所述钢柱对齐后，插入所述螺栓并进行初拧固定；最后，待所述箱型梁梁端都固定好后，进行终拧，安装完成。
优选的，所述步骤1中，设计计算的方法如下：
首先，根据现有数据，提取梁端弯矩M和梁端剪力V；
其次，根据梁截面大小，初步选定螺栓尺寸d和螺栓数量n；
再次，根据梁端弯矩M和梁端剪力V计算出每个螺栓的受力Nv和Nt；
最后，验算螺栓强度，当螺栓强度满足规范要求时，设计即可通过。
本发明的有益效果：
本发明加工更加方便，工厂中即可拼装完成，工地现场只需要安装螺栓即可完成有效连接，操作简单，质量有保障，有效减少工地现场焊接作业，减少动火，保障了工程安全。
本发明采用全螺栓连接，可以避免现场焊接，螺栓连接的质量易保障，而且质量检查方便快捷。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出本发明一实施例的结构示意图。
图2示出本发明图1中AA处的局部剖面结构示意图。
图3示出本发明图1中BB处的局部剖面结构示意图。
具体实施方式
实施例
如图1至图3所示，箱型梁全栓接刚接连接节点，包括钢柱1和箱型梁2。
其中，钢柱1为H型截面或者箱型截面的结构钢柱，一侧设有沿长度方向的法向，即朝向箱型梁2连接端的方向延伸的箱型梁外伸段8，通过箱型梁外伸段8与箱型梁2连接；
箱型梁外伸段8与箱型梁2的横截面尺寸相同，互相连接的端部均设有连接板3；
每一连接板3均在相应的箱型梁外伸段8或者相应的箱型梁2在工程预制阶段，通过全熔透焊工艺焊接成一个整体；
每一连接板3的面积大于相应的箱型梁外伸段8的端面或者相应的箱型梁2相应的端面，与箱型梁外伸段8的外侧壁或者相应的箱型梁2的外侧壁之间均设有多个外侧竖向加劲板4和多个外侧水平加劲板10；
两块连接板3位于相应的箱型梁外伸段8的端面或者相应的箱型梁2相应的端面的部分通过多个螺栓6紧固，之间的接触面9均采用抛丸/喷砂工艺处理增强摩擦系数；
多个外侧竖向加劲板4和多个外侧水平加劲板10均对称的设置在相应的箱型梁外伸段8的两侧或者相应的箱型梁2的两侧；
每一外侧竖向加劲板4均垂直设置于相应的箱型梁外伸段8的两侧翼缘板或者相应的箱型梁2的两侧翼缘板；
每一外侧水平加劲板10均垂直设置于相应的箱型梁外伸段8的两侧腹板或者相应的箱型梁2的两侧腹板；
箱型梁外伸段8和箱型梁2内，对应设置多个外侧竖向加劲板4和多个外侧水平加劲板10的范围内均设有最少一块与相应的连接板3平行的梁内横向加劲肋11，形成箱形结构；
每一箱形结构内对应相应的外侧竖向加劲板4的位置均设有与相应的箱型梁外伸段8的翼缘板或者相应的箱型梁2的翼缘板垂直的梁内纵向加劲肋5。
本发明的原理如下：
本发明将焊接工作全部在工厂内预先完成，效率高、质量有保障，施工现场仅需要工人安装螺栓，操作简单，速度快，有效解决了现有的技术困难；
本发明的螺栓6均在梁外侧，空间宽敞，方便工人现场操作；
本发明巧妙设置梁内横向加劲肋11和梁内纵向加劲肋5，使得传力途径明确，可以有效传递箱型梁的弯矩和剪力，有效建立刚性连接节点。
本发明设计过程简单易懂，均采用规范通用计算公式，可以采用计算机人工智能代替工程师进行机械的数据校核，实现快速计算设计，安全有保障。
在实际应用中，梁内纵向加劲肋5与外侧竖向加劲板4位置对齐，梁内纵向加劲肋5和外侧竖向加劲板4的的设置，能够传递箱型梁外伸段8和箱型梁2上下翼缘的弯矩，使节点满足刚接要求。
在某些实施例中，钢柱1内对应箱型梁外伸段8每一与钢柱1的外侧壁垂直的外缘均设有柱内节点板7；
每一柱内节点板7均与相应的箱型梁外伸段8与钢柱1的外侧壁垂直的外缘呈一整体。
在实际应用中，柱内节点板7的设置使箱型梁2的弯矩能有效传递给钢柱1，这样工地现场梁柱连接时即可通过箱型梁外伸段8和箱型梁2连接。
在某些实施例中，钢柱1与箱型梁外伸段8以及相应的柱内节点板7之间均通过焊接方式连接。
在某些实施例中，箱型梁外伸段8从钢柱1侧面向外延伸500毫米至600毫米。
在某些实施例中，每一外侧竖向加劲板4的厚度均垂直设置于相应的箱型梁外伸段8的腹板的厚度或者相应的箱型梁2的腹板的厚度相同；
每一外侧水平加劲板10的厚度均垂直设置于相应的箱型梁外伸段8的翼缘板的厚度或者相应的箱型梁2的翼缘板的厚度相同。
在某些实施例中，每一梁内横向加劲肋11均通过全熔透焊与相应的箱型梁外伸段8的内壁或者相应的箱型梁2的内部固定。
在某些实施例中，每一柱内节点板7的厚度均与箱型梁外伸段8相应部分的厚度相同。
在某些实施例中，每一梁内横向加劲肋11的板厚、每一梁内纵向加劲肋5的板厚均与相应的箱型梁2的腹板厚度相同。
本发明还提供箱型梁全栓接刚接连接节点的设计制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据钢柱1和箱型梁2的截面尺寸，初步选取得到尺寸；尺寸包括相应的连接板3的厚度、螺栓6的数量及间距、每一外侧竖向加劲板4的厚度和每一外侧水平加劲板10的厚度；
其中，每一连接板3的厚度、每一外侧水平加劲板10的厚度，以及每一外侧竖向加劲板4的厚度均与箱型梁2的翼缘板的厚度相同；
之后，整体计算得到的钢柱1和箱型梁2的梁端弯矩及剪力，并进行设计计算；若承载力满足规范要求则继续执行后续步骤，若否，则增加每一连接板3的厚度、每一外侧水平加劲板10的厚度、每一外侧竖向加劲板4的厚度和/或螺栓6的数量，并再次进行设计计算，直至承载力满足规范要求；
步骤2、在工厂内加工钢柱1，在钢柱1内将每一柱内节点板7对应箱型梁外伸段8的位置均通过全熔透焊与钢柱1焊接为整体；
步骤3、在工厂内加工箱型梁外伸段8，在箱型梁外伸段8内设置相应的梁内横向加劲肋11，通过全熔透焊连接成整体；
之后，再采用全熔透焊方式连接相应的梁内纵向加劲肋5、相应的连接板3、相应的外侧竖向加劲板4和相应的外侧水平加劲板10；
梁内纵向加劲肋5和相应的连接板3之间采用刨平顶紧接触；
步骤4、在工厂内加工箱型梁2，在箱型梁2内设置相应的梁内横向加劲肋11，通过全熔透焊连接成整体；
之后，再采用全熔透焊方式连接相应的梁内纵向加劲肋5、相应的连接板3、相应的外侧竖向加劲板4和相应的外侧水平加劲板10；
梁内纵向加劲肋5和相应的连接板3之间采用刨平顶紧接触；
步骤5、在工厂内将箱型梁外伸段8和钢柱1通过全熔透焊接连接为一整体后，和箱型梁2一起发往工程施工现场；
步骤6、在工地现场，首先吊装包含箱型梁外伸段8的钢柱1，并安装固定；之后，吊装箱型梁2至指定位置；将箱型梁2与钢柱1对齐后，插入螺栓6并进行初拧固定；最后，待箱型梁2梁端都固定好后，进行终拧，安装完成。
在某些实施例中，步骤1中，设计计算的方法如下：
首先，根据现有数据，提取梁端弯矩M和梁端剪力V；
其次，根据梁截面大小，初步选定螺栓尺寸d和螺栓数量n；
再次，根据梁端弯矩M和梁端剪力V计算出每个螺栓的受力Nv和Nt；
最后，验算螺栓强度，当螺栓强度满足规范要求时，设计即可通过。
以600x600x35x35的钢柱1，和截面尺寸为700x350x25x25的箱型梁外伸段8和箱型梁2为例进行具体说明：
其中，钢梁钢柱均为Q355B级钢，在整体结构设计结果中提取梁端弯矩M＝100kN·m，梁端剪力V＝300kN。
首先，根据梁截面尺寸大小及板厚，初步选定螺栓6采用10.9级高强螺栓M16，螺栓间距不小于80mm，边距不小于75mm，则连接板3为650x1000x25mm的钢板，外侧竖向加劲板4为220x150x25mm的钢板，外侧水平加劲板10为220x150x25mm的钢板，螺栓6总数为24个。
再，根据《钢结构设计标准》11.4.1和11.4.3，10.9级高强螺栓M16的承载力为，具体公式如下：
根据M＝100kN·m，梁端剪力V＝300kN，可计算出每个螺栓6承受的剪力且满足规范要求；
在弯矩M作用下承受的最大拉力
根据《钢结构设计标准》11.4.3-1式计算得出，若螺栓6数量和承载力满足以下要求：
则设计通过。
在设计完成后，进行工程加工生产，在工厂内加工钢柱1，在钢柱1内将柱内节点板7在箱型梁外伸段8翼缘对应的位置通过全熔透焊与钢柱焊接为整体，柱内节点板7板厚可以同箱型梁2翼缘厚度，取25mm；
在工厂内加工箱型梁外伸段8，其截面尺寸与箱型梁2完全相同，在其内部设计位置将梁内横向加劲肋11通过全熔透焊连接成整体，之后在设计位置焊接梁内纵向加劲肋5、连接板3、外侧竖向加劲板4、外侧水平加劲板10，梁内纵向加劲肋5和连接板3采用刨平顶紧接触，其余连接均采用全熔透焊接连接。梁内横向加劲肋11、梁内纵向加劲肋5的板厚均取箱型梁2腹板厚度25mm。
在工厂内加工箱型梁2，在其内部设计位置将梁内横向加劲肋11通过全熔透焊连接成整体，之后在设计位置焊接梁内纵向加劲肋5、连接板3、外侧竖向加劲板4、外侧水平加劲板10，梁内纵向加劲肋5和连接板3采用刨平顶紧接触，其余连接均采用全熔透焊接连接。
在工厂内将完成的钢柱1与完成的箱型梁外伸段8通过全熔透焊接连接为一整体，将该整体与完成好的箱型梁2分别发往工程施工现场，在现场进行下一步安装。
在工地现场，首先吊装钢柱1包含箱型梁外伸段8，安装固定之后吊装箱梁2至指定位置，工人将箱型梁2与钢柱1对齐后，插入螺栓并进行初拧固定，待钢箱梁梁端都固定好后，进行终拧，安装完成。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
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