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一种木结构民居梁柱节点的加固装置和加固方法

阅读：198发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种木结构民居梁柱节点的加固装置和加固方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种木结构民居梁柱节点的加固装置和加固方法，该加固方法包括以下步骤：步骤1、判断该木结构民居梁柱节点的类型，当该木结构民居梁柱节点为纵向中节点时，进行下一步；步骤2、检查该纵向中节点，当该纵向中节点已发生榫头拔出、该纵向中节点已发生榫头断裂或该纵向中节点的梁柱偏转角度大于等于5°时，进行下一步；步骤3、确定所述弹簧阻尼式加固连接件中零件的参数；步骤4、将所述加固装置安装于所述纵向中节点。该木结构民居梁柱节点的加固方法简单易行，既提高了节点刚度和承载能力，又防止了节点发生榫头拔出或断裂，抵御木结构房屋在地震作用下可能发生的侧移，进而提高木结构民居的整体抗震性能。，下面是一种木结构民居梁柱节点的加固装置和加固方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种木结构民居梁柱节点的加固装置，其特征在于，所述木结构民居梁柱节点的加固装置包括套筒(6)以及从上向下依次连接的第一固定直角耳(1)、活塞杆(3)、第二压缩弹簧(7)、锁紧堵头(8)和第二固定直角耳(10)，活塞杆(3)、第二压缩弹簧(7)和锁紧堵头(8)均套设于套筒(6)内，锁紧堵头(8)位于套筒(6)的下端，套筒(6)的上端与活塞杆(3)之间套设有贯通堵头(4)，贯通堵头(4)与活塞杆(3)的下端之间设有第一压缩弹簧(5)，第一压缩弹簧(5)套设于活塞杆(3)和套筒(6)之间。
2.一种木结构民居梁柱节点的加固方法，其特征在于，所述木结构民居梁柱节点含有木结构柱(11)和木结构梁(12)，所述木结构民居梁柱节点的加固方法采用了弹簧阻尼式加固连接件，该弹簧阻尼式加固连接件为权利要求1所述的木结构民居梁柱节点的加固装置；
所述木结构民居梁柱节点的加固方法包括以下步骤：
步骤1、判断该木结构民居梁柱节点的类型，当该木结构民居梁柱节点为纵向中节点时，进行下一步；
步骤2、检查该纵向中节点，当该纵向中节点已发生榫头拔出、该纵向中节点已发生榫头断裂或该纵向中节点的梁柱偏转角度大于等于5°时，进行下一步；
步骤3、确定所述弹簧阻尼式加固连接件中零件的参数；
步骤4、将所述弹簧阻尼式加固连接件安装于所述纵向中节点。
3.根据权利要求2所述的木结构民居梁柱节点的加固方法，其特征在于，第一固定直角耳(1)与活塞杆(3)的上端通过第一铰接圆销(2)连接，锁紧堵头(8)的下端与第二固定直角耳(10)通过第二铰接圆销(9)连接，第一铰接圆销(2)的轴线与第二铰接圆销(9)的轴线平行，第一铰接圆销(2)的轴线垂直于木结构柱(11)的中心线和木结构梁(12)的中心线所在的平面。
4.根据权利要求2所述的木结构民居梁柱节点的加固方法，其特征在于，贯通堵头(4)的下端套设于套筒(6)的上端内，活塞杆(3)的下端设有外凸缘，第一压缩弹簧(5)的上端与贯通堵头(4)抵接，第一压缩弹簧(5)的下端与活塞杆(3)的外凸缘抵接。
5.根据权利要求2所述的木结构民居梁柱节点的加固方法，其特征在于，活塞杆(3)的下端设有外凸缘，第二压缩弹簧(7)的上端与活塞杆(3)的外凸缘抵接，第二压缩弹簧(7)的下端与锁紧堵头(8)抵接，锁紧堵头(8)的上部套设于套筒(6)的下端内，锁紧堵头(8)与套筒(6)螺纹连接。
6.根据权利要求2所述的木结构民居梁柱节点的加固方法，其特征在于，在步骤1中，该木结构民居梁柱节点的类型包括无销边节点、穿销边节点、横向中节点和所述纵向中节点。
7.根据权利要求2所述的木结构民居梁柱节点的加固方法，其特征在于，在步骤2中，所述梁柱偏转角度的计算公式为：β2＝|90°-β1|；
β1为该纵向中节点的梁柱夹角，单位为°；
β2为该纵向中节点的梁柱偏转角度，单位为°。
8.根据权利要求2所述的木结构民居梁柱节点的加固方法，其特征在于，第一压缩弹簧(5)和第二压缩弹簧(7)完全相同；
步骤3包括以下步骤：
步骤3.1、确定所述弹簧阻尼式加固连接件的阻尼最大工作行程；
所述阻尼最大工作行程的计算公式为：
λmax为所述阻尼最大工作行程，单位为mm；
α为安全系数，取值[1.2，2]；
L为所述弹簧阻尼式加固连接件的有效总长，单位为mm，取值[300，500]；
Δθ为该木结构民居梁柱节点的屈服极限转角，取值[-10°，10°]；
步骤3.2、确定所述弹簧阻尼式加固连接件的最大承受载荷；
所述最大承受载荷的计算公式为：
Fmax为所述最大承受载荷，单位为N；
Mmax为梁柱节点承载极限弯矩，单位Nm；
步骤3.3、确定第一压缩弹簧(5)的线径；
第一压缩弹簧(5)的线径的计算公式为：
d为第一压缩弹簧(5)的线径，单位为mm；
k1为第一压缩弹簧(5)的曲度系数，无单位；
第一压缩弹簧(5)的曲度系数的计算公式为：
C为第一压缩弹簧(5)的旋绕比，取值[4，10]；
第一压缩弹簧(5)的旋绕比的计算公式为：
D为第一压缩弹簧(5)的平均直径，单位mm，取值[25，40]；
τT为第一压缩弹簧(5)的许用切应力，根据弹簧钢丝选型取值；
步骤3.4、确定第一压缩弹簧(5)的有效圈数；
第一压缩弹簧(5)的有效圈数的计算公式为：
n为第一压缩弹簧(5)的有效圈数；
G为第一压缩弹簧(5)的弹簧材料的切变模量，单位为MPa；
步骤3.5、确定第一压缩弹簧(5)的刚度；
第一压缩弹簧(5)的刚度的计算公式为：
c为第一压缩弹簧(5)的刚度，单位为N/mm；
步骤3.6、确定套筒(6)的外径。
9.根据权利要求2所述的木结构民居梁柱节点的加固方法，其特征在于，在步骤4中，将第一固定直角耳(1)通过自攻螺钉(13)与木结构柱(11)连接固定，第二固定直角耳(10)通过自攻螺钉(13)与木结构梁(12)连接固定。
10.根据权利要求2所述的木结构民居梁柱节点的加固方法，其特征在于，当该纵向中节点已发生榫头拔出或该纵向中节点已发生榫头断裂时，在步骤4中，将两个所述弹簧阻尼式加固连接件安装于所述纵向中节点，两个所述弹簧阻尼式加固连接件左右对称设置；
当该纵向中节点的梁柱偏转角度大于等于5°时，将一个所述弹簧阻尼式加固连接件安装于所述纵向中节点。

说明书全文

一种木结构民居梁柱节点的加固装置和加固方法

技术领域

[0001] 本发明涉及木结构建筑领域，具体的是一种木结构民居梁柱节点的加固装置，还是一种木结构民居梁柱节点的加固方法。

背景技术

[0002] 穿斗式木结构作为传统木结构建筑的重要结构形式之一，历史悠远，存量丰富，且广泛应用于我国西南民居建筑结构中。大部分所在区域地震频次高、烈度大，包括2008年的汶川地震、2009年的玉树地震以及2013年的芦山地震等。

[0003] 目前关于木结构的研究表明，梁柱节点作为半刚性连接，受力方式及其复杂，节点对整体结构抗震性能有重要影响。震后灾害调查表明，穿斗式木结构易在梁柱连接处发生榫头拔出、枋头断裂等破坏现象，在高烈度地震作用下，老旧房屋发生整体破坏。

[0004] 目前，针对木结构节点的加固方法主要有：传统扒钉或扁钢加固、纤维布加固、弧形钢板加固、钢销加固以及托木加固等。优点：以上传统方法均能一定程度上提高木结构节点的刚度。缺点：传统扒钉或扁钢加固效果不佳，且在地震灾害中会加速木构件损坏；纤维布加固需要使用结构胶黏剂，对构造复杂的节点加固施工困难；弧形钢板制作工艺复杂，钢销和托木加固对木构件损伤较大，且很难调整匹配阻尼。

发明内容

[0005] 为了解决现有木结构节点的加固方法较为复杂的问题，本发明提供了一种木结构民居梁柱节点的加固装置和加固方法，该木结构民居梁柱节点的加固方法简单易行，既提高了节点刚度和承载能力，又防止了节点发生榫头拔出或断裂，抵御木结构房屋在地震作用下可能发生的侧移，进而提高木结构民居的整体抗震性能。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0007] 一种木结构民居梁柱节点的加固装置，包括套筒以及从上向下依次连接的第一固定直角耳、活塞杆、第二压缩弹簧、锁紧堵头和第二固定直角耳，活塞杆、第二压缩弹簧和锁紧堵头均套设于套筒内，锁紧堵头位于套筒的下端，套筒的上端与活塞杆之间套设有贯通堵头，贯通堵头与活塞杆的下端之间设有第一压缩弹簧，第一压缩弹簧套设于活塞杆和套筒之间。

[0008] 一种木结构民居梁柱节点的加固方法，所述木结构民居梁柱节点含有木结构柱和木结构梁，所述木结构民居梁柱节点的加固方法采用了弹簧阻尼式加固连接件，该弹簧阻尼式加固连接件为上述的木结构民居梁柱节点的加固装置；

[0009] 所述木结构民居梁柱节点的加固方法包括以下步骤：

[0010] 步骤1、判断该木结构民居梁柱节点的类型，当该木结构民居梁柱节点为纵向中节点时，进行下一步；

[0011] 步骤2、检查该纵向中节点，当该纵向中节点已发生榫头拔出、该纵向中节点已发生榫头断裂或该纵向中节点的梁柱偏转角度大于等于5°时，进行下一步；

[0012] 步骤3、确定所述弹簧阻尼式加固连接件中零件的参数；

[0013] 步骤4、将所述弹簧阻尼式加固连接件安装于所述纵向中节点。

[0014] 本发明的有益效果是：该木结构民居梁柱节点的加固装置和加固方法简单易行，既提高了节点刚度和承载能力，又防止了节点发生榫头拔出或断裂，抵御木结构房屋在地震作用下可能发生的侧移，进而提高木结构民居的整体抗震性能。附图说明

[0015] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0016] 图1是木结构民居梁柱节点安装两个所述弹簧阻尼式加固连接件的示意图。

[0017] 图2是木结构民居梁柱节点安装一个所述弹簧阻尼式加固连接件的示意图。

[0018] 图3是无销边节点的示意图。

[0019] 图4是穿销边节点的示意图。

[0020] 图5是横向中节点的示意图。

[0021] 图6是纵向中节点的示意图。

[0022] 图7是梁柱夹角的示意图。

[0023] 图8是木结构民居梁柱节点安装一个所述弹簧阻尼式加固连接件的节点弯矩-转角曲线示意图。

[0024] 图9是木结构民居梁柱节点安装一个所述弹簧阻尼式加固连接件的节点往复加载滞回曲线示意图。

[0025] 1、第一固定直角耳；2、第一铰接圆销；3、活塞杆；4、贯通堵头；5、第一压缩弹簧；6、套筒；7、第二压缩弹簧；8、锁紧堵头；9、第二铰接圆销；10、第二固定直角耳；11、木结构柱；12、木结构梁；13、自攻螺钉。

具体实施方式

[0026] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

[0027] 一种木结构民居梁柱节点的加固装置，包括套筒6以及从上向下依次连接的第一固定直角耳1、活塞杆3、第二压缩弹簧7、锁紧堵头8和第二固定直角耳10，活塞杆3、第二压缩弹簧7和锁紧堵头8均套设于套筒6内，锁紧堵头8位于套筒6的下端，套筒6的上端与活塞杆3之间套设有贯通堵头4，贯通堵头4与活塞杆3的下端之间设有第一压缩弹簧5，第一压缩弹簧5套设于活塞杆3和套筒6之间，第一压缩弹簧5和第二压缩弹簧7均能够给活塞杆3提供回复力，如图1和图2所示。

[0028] 一种木结构民居梁柱节点的加固方法，所述木结构民居梁柱节点含有木结构柱11和木结构梁12，所述木结构民居梁柱节点的加固方法采用了弹簧阻尼式加固连接件，该弹簧阻尼式加固连接件为上述的木结构民居梁柱节点的加固装置；

[0029] 所述木结构民居梁柱节点的加固方法包括以下步骤：

[0030] 步骤1、判断该木结构民居梁柱节点的类型，当该木结构民居梁柱节点为纵向中节点时，进行下一步；否则，停止加固作业；

[0031] 步骤2、检查该纵向中节点，当该纵向中节点已发生榫头拔出、该纵向中节点已发生榫头断裂或该纵向中节点的梁柱偏转角度大于等于5°时，进行下一步；否则，停止加固作业；

[0032] 步骤3、确定所述弹簧阻尼式加固连接件中部分零件的参数；

[0033] 步骤4、将所述弹簧阻尼式加固连接件安装于所述纵向中节点。

[0034] 在本实施例中，该弹簧阻尼式加固连接件在使用时为倾斜状态，第一固定直角耳1与活塞杆3的上端通过第一铰接圆销2连接，锁紧堵头8的下端与第二固定直角耳10通过第二铰接圆销9连接，第一铰接圆销2的轴线与第二铰接圆销9的轴线平行，第一铰接圆销2的轴线垂直于木结构柱11的中心线和木结构梁12的中心线所在的平面。木结构柱11的中心线和木结构梁12的中心线位于同一平面内，如图1和图2所示。

[0035] 在本实施例中，贯通堵头4为圆筒形，贯通堵头4与活塞杆3间隙配合，贯通堵头4的下端套设于套筒6的上端内，贯通堵头4与套筒6可以螺纹连接，活塞杆3的下端设有外凸缘，第一压缩弹簧5的上端与贯通堵头4抵接，第一压缩弹簧5的下端与活塞杆3的外凸缘抵接。

[0036] 在本实施例中，第二压缩弹簧7的上端与活塞杆3的外凸缘抵接，第二压缩弹簧7的下端与锁紧堵头8抵接，锁紧堵头8的上部套设于套筒6的下端内，锁紧堵头8与套筒6 螺纹连接，旋拧锁紧堵头8可以使锁紧堵头8相对于套筒6沿套筒6的轴线方向移动。第一压缩弹簧5和第二压缩弹簧7完全相同，即第一压缩弹簧5和第二压缩弹簧7大小、构造和材质等均完全相同。

[0037] 调节锁紧堵头8可控制弹簧(第一压缩弹簧5和第二压缩弹簧7)预压行程；活塞杆3的端部有销孔，通过第一铰接圆销2与第一固定直角耳1铰接；锁紧堵头8的端部有销孔，通过第二铰接圆销9与第二固定直角耳10铰接；第一固定直角耳1和第二固定直角耳10均开有圆孔，可使用螺栓或自攻螺钉与木结构梁柱连接固定。

[0038] 该弹簧阻尼式加固连接件的初始刚度可调(通过锁紧堵头8调节)，提高木结构节点刚度、承载和抗变形能力；阻尼可控(可根据地震烈度和木结构剩余承载力计算，更换弹簧)，阻尼缓冲耗能，提高木结构节点耗能能力，进而提高木结构节点受载变性后的恢复能力。加固后的民居木结构房屋受到地震作用后可以自行恢复，避免梁柱连接处发生榫头拔出、枋头断裂等破坏，达到抗震的目的。该弹簧阻尼式加固连接件通过自攻螺钉与木构件连接，对木构件损伤较小，安装操作方便快捷，成本较低。

[0039] 下面以西南地区的某一传统民居的木结构民居梁柱节点为加固实施对象，详细介绍本发明所述木结构民居梁柱节点的加固方法。

[0040] 通常，该木结构民居梁柱节点的类型包括无销边节点、穿销边节点、横向中节点和所述纵向中节点，如图3至图6所示。在步骤1中，经过仔细观察该木结构民居梁柱节点的榫卯结构，判断出该传统民居的木结构民居梁柱节点的类型为所述纵向中节点，由于纵向中节点承载能力最差，可能需要加固，因而进行下一步。

[0041] 在步骤2中，经过仔细观察该木结构民居梁柱节点的榫卯结构，未发现该纵向中节点已发生榫头拔出或榫头断裂，用角度尺测量该纵向中节点的梁柱夹角，并计算所述梁柱偏转角度，如图7所示。

[0042] 所述梁柱偏转角度的计算公式为：β2＝|90°-β1|；

[0043] β1为该纵向中节点的梁柱夹角，单位为°。

[0044] β2为该纵向中节点的梁柱偏转角度，单位为°。

[0045] 用角度尺测量该纵向中节点的梁柱夹角β1＝83°，进而计算梁柱偏转角度β2；

[0046] β2＝|90°-β1|＝|90°-83°|＝7°≥5°。

[0047] 因此，该纵向中节点需要加固，进行下一步。

[0048] 具体，步骤3包括以下步骤：

[0049] 步骤3.1、确定所述弹簧阻尼式加固连接件的阻尼最大工作行程；

[0050] 所述阻尼最大工作行程的计算公式为：

[0051] λmax为所述阻尼最大工作行程，单位为mm；

[0052] α为安全系数，取值[1.2，2]；

[0053] L为所述弹簧阻尼式加固连接件的有效总长，单位为mm，取值[300，500]；

[0054] Δθ为该木结构民居梁柱节点的屈服极限转角，取值[-10°，10°]；

[0055] 取L＝400mm，Δθ＝20°，α＝1.5，则

[0056]

[0057] 步骤3.2、确定所述弹簧阻尼式加固连接件的最大承受载荷；

[0058] 所述最大承受载荷的计算公式为：

[0059] Fmax为所述最大承受载荷，单位为N；

[0060] Mmax为梁柱节点承载极限弯矩，单位Nm；

[0061] 为安全起见，取Mmax＝1000Nm，则

[0062]

[0063] 步骤3.3、确定第一压缩弹簧5的线径；

[0064] 第一压缩弹簧5的线径的计算公式为：

[0065] d为第一压缩弹簧5的线径，单位为mm；

[0066] k1为第一压缩弹簧5的曲度系数；

[0067] 第一压缩弹簧5的曲度系数的计算公式为：

[0068] C为第一压缩弹簧5的旋绕比，取值[4，10]；

[0069] 第一压缩弹簧5的旋绕比的计算公式为：

[0070] D为第一压缩弹簧5的平均直径，单位mm，取值[25,40]；

[0071] τT为第一压缩弹簧5的许用切应力，根据第一压缩弹簧5的钢丝选型取值。

[0072] 具体的，因第一压缩弹簧5的旋绕比C和许用切应力τT均和线径d有关，所以需要试算才能得出弹簧线径；

[0073] 第一压缩弹簧5的材料选用Ⅱ类弹簧60Si2Mn 弹簧钢丝；

[0074] 假设第一压缩弹簧5的线径d＝4mm、5mm或6mm三种尺寸，第一压缩弹簧5的平均直径D＝30mm，进行试算：

[0075] 第一压缩弹簧5的旋绕比 6或5；

[0076] 第一压缩弹簧5的曲度系数 1.25或1.31；

[0077] 查询机械设计手册图表，第一压缩弹簧5的许用切应力τT＝628MPa；

[0078] 第一压缩弹簧5的线径：

[0079]

[0080]

[0081]

[0082] 取弹簧线径d＝6mm；机械设计手册中规定了弹簧线径系列4、4.5、5、6、8、10……，前面已假设弹簧线径4、5、6，通过计算满足条件的d＝5.78，故取值6mm。

[0083] 步骤3.4、确定第一压缩弹簧5的有效圈数；

[0084] 第一压缩弹簧5的有效圈数的计算公式为：

[0085] n为第一压缩弹簧5的有效圈数；

[0086] G为第一压缩弹簧5的弹簧材料的切变模量，单位为MPa；

[0087] 具体的，

[0088] 对n取整，则n＝5；

[0089] 步骤3.5、确定第一压缩弹簧5的刚度；

[0090] 第一压缩弹簧5的刚度的计算公式为：

[0091] c为第一压缩弹簧5的刚度，单位为N/mm；

[0092] 具体的，

[0093] 步骤3.6、确定套筒6的外径；

[0094] 第一压缩弹簧5的外直径等于第一压缩弹簧5的平均直径D+2×弹簧线径d，套筒6的壁厚取值[2，4]，单位为mm。具体的，第一压缩弹簧5的外直径＝30+2×6＝36mm，套筒6的壁厚取2mm，套筒6的外径为40mm。根据上述弹簧阻尼式加固连接件的零件参数制造出该弹簧阻尼式加固连接件。该弹簧阻尼式加固连接件中未详细介绍的零件参数本领域的技术人员可以根据经验或有限次试验选取获得。

[0095] 在步骤4中，将第一固定直角耳1通过自攻螺钉13与木结构柱11连接固定，第二固定直角耳10通过自攻螺钉13与木结构梁12连接固定。具体的，套筒6的轴线与木结构柱11的中心线和木结构梁12的中心线梁均呈45°夹角安装，采用自攻螺钉13将第一固定直角耳1与木结构柱11连接紧固，采用自攻螺钉13将第二固定直角耳10与木结构梁12连接紧固。所述弹簧阻尼式加固连接件安装于木结构梁12的上方。

[0096] 在本实施例中，由于该纵向中节点的梁柱偏转角度大于等于5°时，将一个所述弹簧阻尼式加固连接件安装于所述纵向中节点，如图2所示，加固后对该纵向中节点进行测试，如图8和图9所示。但如果该纵向中节点已发生榫头拔出或该纵向中节点已发生榫头断裂时，在步骤4中，将两个所述弹簧阻尼式加固连接件安装于所述纵向中节点，两个所述弹簧阻尼式加固连接件左右对称设置，如图1所示。

[0097] 在本实施例中，所述弹簧阻尼式加固连接件的参数为：有效总长400mm，安装孔到梁柱节点距离290mm，如图1所示，图中的单位为mm。套筒6的外径为Φ40mm，套筒6的壁厚2mm。弹簧(第一压缩弹簧5和第二压缩弹簧7)材料选用60Si2Mn，线径Φ6mm，平均直径Φ
30mm，有效圈数5，长度120mm，预压10mm，使用M6自攻螺钉紧固。

[0098] 以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

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