一种采用角钢加固木结构节点的方法

摘要

本发明公开了一种采用角钢加固木结构节点的方法，该方法的步骤包括：判定节点是否需要加固、确定梁和柱的线刚度比、确定角钢规格、确定自攻螺丝个数、确定角钢翼板的长度。本发明建立了利用角钢加固木节点的科学化流程，在该流程的确定过程中经过了大量的调研与试验研究，科学地论证、确定角钢加固过程的每一个参数，使木节点的加固过程标准化且有着符合结构学、力学方面的依据，对木制建筑抗震、使用等方面的研究有着积极的参考价值和促进作用；加固材料易得到；加固方法简单且科学合，理容易被农民掌握；施工比较方便，在较少的工程费的情况下，加固效果较显著；可以直接在原有结构上施工且可以和其他加固方法叠加使用。

权利要求

1.一种采用角钢加固木结构节点的方法，其特征在于，所述的角钢的两端带有翼板，按照下述步骤确定角钢规格后，利用角钢两端的翼板通过自攻螺丝与梁、柱连接：步骤一，测量需要加固节点的转动角度，判定节点是否需要加固，如需要加固则执行步骤二；

步骤二，确定梁和柱的线刚度比β：当梁/柱的截面为圆形时，线刚度i为：

当梁/柱的截面为矩形时，线刚度i为：

式1和式2中，E为梁/柱的抗弯弹性模量，d为梁/柱的圆形截面的直径，b为梁/柱的圆形截面的宽，h为梁/柱的圆形截面的高，l为梁/柱的长度；

参数α1的取值范围为[0.90,0.95]，参数α2的取值范围为[0.80,0.95]；

梁和柱的线刚度比β为：

步骤三，确定角钢的规格：

角钢的长度ly取值范围为 L为梁跨度；

角钢的截面面积Sy需要满足下式5：

式5中，S为梁的截面面积，R为梁的截面高度或直径，β为梁和柱的线刚度比，fy为角钢抗压强度设计值，l1为梁的长度，f为木材的等效强度，取值为范围为[4.1,7.2]。

2.如权利要求1所述的采用角钢加固木结构节点的方法，其特征在于，所述的方法还包括步骤四：步骤四，确定自攻螺丝个数：

利用式6计算自攻螺丝的使用个数n：

式6中，fv为梁所用木材的抗剪强度设计值，S为梁的截面面积，f1为自攻螺丝的抗剪强度设计值，r1为自攻螺丝的半径。

3.如权利要求2所述的采用角钢加固木结构节点的方法，其特征在于，所述的方法还包括步骤五：步骤五，确定角钢翼板长度：

角钢的翼板长度lc的取值范围为：(3n2+1)d0≤lc≤(16n2-8)d0   式7式7中，n2为翼板长度方向上自攻螺丝的排数， 取整；

n1为翼板宽度方向上的自攻螺丝的排数，n1满足式8：

式8中，by为翼板宽度，d0为自攻螺丝的直径。

4.如权利要求1所述的采用角钢加固木结构节点的方法，其特征在于，所述的角钢规格确定时，角钢还需要满足：

式9中，by为角钢宽度，ty为角钢厚度，ly为角钢长度。

5.如权利要求1所述的采用角钢加固木结构节点的方法，其特征在于，所述的角钢两端的翼板与角钢之间的角度为135°。

6.如权利要求1所述的采用角钢加固木结构节点的方法，其特征在于，所述的步骤一中，判定节点是否需要加固的具体方法为：燕尾榫节点的转动角度不小于0.05rad时，该节点需要加固；

直榫节点的转动角度不小于0.04rad时，该节点需要加固。

说明书

一种采用角钢加固木结构节点的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种加固方法，具体是一种采用角钢加固节点，以提升节点、房屋整体强度的方法。

背景技术

[0002] 木结构及砖木结构由于历史和经济等原因在我国农村分布较广，尤其在西南、西北高烈度区，还存在着大量的木构架承重建筑。由于这些都是农民自建房，抗震构造措施不完善，尤其是节点部位很多都是用直榫直接连接，抗震性能较差。一旦发生烈度较高地震，将会对人民生命及财产安全构成严重威胁。汶川地震中，川西南、川北、陕南、甘南等重灾区大量木结构节点出现拔脱榫和折榫等现象。

[0003] 传统的农村木结构房屋建造工艺比较粗糙，为方便施工许多节点直接用直榫连接且卯眼普遍比榫头大，造成榫卯装上后不够紧密。由于木材的硬度不大，木材本身会发生干缩，同时农村木结构普遍没有经过防腐防潮处理，在经过一定年限后，榫头会发生腐蚀。以上这些情况都会造成榫和卯的连接不够紧密，节点处的刚度较低，当房屋受到地震、风力等较大外力时，节点将会承受较大的拉伸、压缩、剪切和扭转作用，极易造成拔榫、脱榫现象，使房屋发生较大的侧向位移，甚至坍塌。榫卯节点由于没有经过专业设计，尺寸大小不合理且由于节点受到腐蚀，节点的承载力较低，在受到较大外力下，节点将会发生折榫现象。

[0004] 目前国内对木结构节点加固的办法主要包括：用扒钉、碳纤维布对节点进行加固等。用扒钉加固时，它的承载能力与加固前相比有一定的提高。但是，扒钉刚度较小且扒钉在反复荷载作用下，它的刚度退化较快，破坏也较快。总体而言，扒钉加固措施相对于加固前有一定的效果，但此效果也只有在低烈度区的受力较小的节点处的才能显现出来，对高烈度区和受力较大的节点处效果不是很明显。碳纤维布加固措施的价格较高且施工较不方便，在农村使用受到限制。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种方法，在梁柱节点变形相对较大处，用角钢对节点进行加固，提高节点的承载能力防止节点出现折榫，提高节点刚度，限制在大的外力作用下房屋可能产生大的侧移以改善原来的脱榫和拔榫现象，进而提高房屋的抗震性能。

[0006] 为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种采用角钢加固木结构节点的方法，所述的角钢的两端带有翼板，按照下述步骤确定角钢规格后，利用角钢两端的翼板通过自攻螺丝与梁、柱连接：

[0008] 步骤一，测量需要加固节点的转动角度，判定节点是否需要加固，如需要加固则执行步骤二；

[0009] 步骤二，确定梁和柱的线刚度比β：

[0010] 当梁/柱的截面为圆形时，线刚度i为：

[0011]

[0012] 当梁/柱的截面为矩形时，线刚度i为：

[0013]

[0014] 式1和式2中，E为梁/柱的抗弯弹性模量，d为梁/柱的圆形截面的直径，b为梁/柱的圆形截面的宽，h为梁/柱的圆形截面的高，l为梁/柱的长度；

[0015] 参数α1的取值范围为[0.90,0.95]，参数α2的取值范围为[0.80,0.95]；

[0016] 梁和柱的线刚度比β为：

[0017]

[0018] 步骤三，确定角钢的规格：

[0019] 角钢的长度ly取值范围为 L为梁跨度；

[0020] 角钢的截面面积Sy需要满足下式5：

[0021]

[0022] 式5中，S为梁的截面面积，R为梁的截面高度或直径，β为梁和柱的线刚度比，fy为角钢抗压强度设计值，l1为梁的长度，f为木材的等效强度，取值为范围为[4.1,7.2]。

[0023] 进一步地，所述的方法还包括步骤四：

[0024] 步骤四，确定自攻螺丝个数：

[0025] 利用式6计算自攻螺丝的使用个数n：

[0026]

[0027] 式6中，fv为梁所用木材的抗剪强度设计值，S为梁的截面面积，f1为自攻螺丝的抗剪强度设计值，r1为自攻螺丝的半径；

[0028] 进一步地，所述的方法还包括步骤五：

[0029] 步骤五，确定角钢翼板长度：

[0030] 角钢的翼板长度lc的取值范围为：

[0031] (3n2+1)d0≤lc≤(16n2-8)d0   式7

[0032] 式7中，n2为翼板长度方向上自攻螺丝的排数， 取整；

[0033] n1为翼板宽度方向上的自攻螺丝的排数，n1满足式8：

[0034]

[0035] 式8中，by为翼板宽度，d0为自攻螺丝的直径。

[0036] 进一步地，所述的角钢规格确定时，角钢还需要满足：

[0037]

[0038] 式9中，by为角钢宽度，ty为角钢厚度，ly为角钢长度。

[0039] 进一步地，所述的角钢两端的翼板与角钢之间的角度为135°。

[0040] 进一步地，所述的步骤一中，判定节点是否需要加固的具体方法为：

[0041] 燕尾榫节点的转动角度不小于0.05rad时，该节点需要加固；

[0042] 直榫节点的转动角度不小于0.04rad时，该节点需要加固。

[0043] 本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

[0044] 1.本发明建立了利用角钢加固木节点的科学化流程，在该流程的确定过程中经过了大量的调研与试验研究，科学地论证、确定角钢加固过程的每一个参数，使木节点的加固过程标准化且有着符合结构学、力学方面的依据，对木制建筑抗震、使用等方面的研究有着积极的参考价值和促进作用；

[0045] 2.加固材料易得到；加固方法简单且科学合，理容易被农民掌握；施工比较方便，在较少的工程费的情况下，加固效果较显著；可以直接在原有结构上施工且可以和其他加固方法叠加使用。

附图说明

[0046] 图1为木结构节点的M-θ曲线；

[0047] 图2为木结构节点的计算模型；

[0048] 图3为角钢的正视图和侧视图；

[0049] 图4为角钢的安装位置示意图；

[0050] 图2和图3中：1—柱，2—木结构节点，3—角钢，4—翼板，5—梁。

具体实施方式

[0051] 一种采用角钢加固木结构节点的方法，在该方法中所采用的角钢为直板型角钢，角钢的两端分别带有一个用于和梁、柱子连接安装的翼板。角钢的规格、参数确定好之后，通过自攻螺丝将翼板与梁、柱子连接，以达到加固节点的目的。角钢两端的翼板与角钢之间的角度为135°。具体的步骤如下：

[0052] 步骤一，测量需要加固节点的转动角度，判定节点是否需要加固，如需要加固则执行步骤二；

[0053] 传统的农村木结构房屋的节点处一般采用燕尾榫和直榫的连接方式，因此本方案中主要对这两种结构进行研究。

[0054] 通过对燕尾榫和直榫低周反复试验得出的弯矩-转角曲线，即M-θ曲线，把它们拟合后发现其都是S形曲线，只是初始刚度和屈服角有区别。为了应用此曲线，把其进一步简化为三段，如图1所示，分别为弹性阶段、屈服阶段和下降阶段。

[0055] 从上面的实验骨架曲线我们得出结论当节点进入屈服阶段时，节点的刚度退化，节点刚度很小。则当木节点处于此阶段时，节点的刚度很小，抵抗变形能力很小。因此，我们加固的对象就是节点达到屈服阶段或下降阶段。并且结合试验结果和对陕西、四川和贵州的木结构房屋实地调研发现：燕尾榫的节点普遍在节点转动角度大于等于0.05rad(单位为弧度)时，节点即进入屈服阶段；直榫节点转动角度为大于等于0.04rad(单位为弧度)时，节点进入屈服阶段。

[0056] 因此，需要加固的节点为：燕尾榫节点的转角大于等于0.05rad时，需加固；直榫节点的转角大于等于0.04rad时，需加固。当然也可以采用其他方式来确定节点是否需要加固。

[0057] 步骤二，确定梁和柱的线刚度比β：

[0058] 经过试验研究和调研发现，梁/柱的线刚度主要和梁/柱的截面、长度、抗弯弹性模量、参数α1和参数α2有关，并且满足如下公式1。其中，截面和长度可以通过实地测量得到，长度为净长度(不包括节点处长度)；抗弯弹性模量根据木材种类不同，查询木结构设计规范4.2.3可得到；参数α1和参数α2通过实验和调研得到，如下表1和表2。

[0059] 当梁/柱的截面为圆形时，线刚度i为：

[0060]

[0061] 当梁/柱的截面为矩形时，线刚度i为：

[0062]

[0063] 式1和式2中，E为梁/柱的抗弯弹性模量，d为梁/柱的圆形截面的直径，b为梁/柱的圆形截面的宽，h为梁/柱的圆形截面的高，l为梁/柱的长度；“/”表示“或”，即当梁或柱的截面为圆形时用式1计算，矩形时用式2计算。

[0064] 参数α1的取值范围为[0.90,0.95]，参数α2的取值范围为[0.80,0.95]，更加具体的可参考下表1和表2：

[0065] 表1柱参数α1α2取值表

[0066]房屋已使用年限y y＜5 5≤y＜20 20≤y＜50 50≤y
α1 1 0.95 0.90 0.90
α2 1 0.95 0.90 0.80

[0067] 表2梁参数α1α2取值表

[0068]

[0069]

[0070] 梁和柱的线刚度可通过式1或式2计算出来，然后计算：

[0071] 梁和柱的线刚度比β为：

[0072]

[0073] 步骤三，确定角钢的规格：

[0074] 经研究发现角钢的强度等级、长度和截面面积主要和梁柱的线刚度比、梁长度、梁截面面积以及所用木材的等效强度有关，其满足下面的公式4。角钢的强度等级一般采用Q235级，角钢的抗压强度设计值已知，梁柱线刚度比通过式3可求得，而梁的长度和截面面积通过实地测量得到，木材的等效强度已被我们研究得到(表3)。

[0075] 角钢需满足：

[0076]

[0077] 将上式进行变化，得到角钢的截面面积Sy需要满足的式5：

[0078]

[0079] 上面两个式子中，S为梁的截面面积，R为梁的截面高度(截面为矩形时)或直径(截面为圆形时)，β为梁和柱的线刚度比，fy为角钢抗压强度设计值，l1为梁的长度，f为木材的等效强度，取值为范围为[4.1,7.2]，更加具体的可参见表3：

[0080] 表3木材等效强度f(N/mm2)

[0081]

[0082]

[0083] 由此，只要确定的角钢的长度ly(不包括翼板部分的长度)，即可根据式5得到满足要求的角钢的最小截面面积Sy。

[0084] 经过研究发现，在通常情况下，角钢的长度ly在 倍梁跨度中时(即取值范围为 L为梁跨度)，比较经济、强度符合要求，且不占用太大使用空间。梁跨度可通过实际测量得到。

[0085] 为了使角钢能够具有更加好的使用性能，角钢还应满足稳定性的要求，即满足下式9：

[0086]

[0087] 式9中，by为角钢宽度，ty为角钢厚度，ly为角钢长度。

[0088] 通过式5求得角钢截面面积，根据面积查询角钢表，可找出满足式9中by和ty的角钢。

[0089] 通过前面的步骤，我们已经可以根据梁、柱的实际客观参数确定了角钢，通过该规格的角钢，对木节点进行加固，即可有效地提高节点和房屋的整体强度。加固的示意图如图2所示。

[0090] 为了使整套方法更加的科学和细化，本方案还包括步骤四：

[0091] 步骤四，确定自攻螺丝个数：

[0092] 结合加固实际，发现加固后的节点的计算模型如图2所示，角钢主要承受压力，即和梁柱相连的自攻螺丝主要承受的是剪力。为了安全起见，我们假设梁上所有竖向力(按照梁能承受的最大竖向力来计算)都是由自攻螺丝承受，即不考虑榫头的抗剪能力，作用在自攻螺丝上的力知道了。选择一种当地较常用的自攻螺丝型号(f1和r1可确定)，就可得到所需自攻螺丝的个数：

[0093] 利用式6计算自攻螺丝的使用个数n：

[0094]

[0095] 式6中，fv为梁所用木材的抗剪强度设计值，S为梁的截面面积，f1为自攻螺丝的抗剪强度设计值，r1为自攻螺丝的半径。

[0096] 还可以通过步骤五来确定角钢翼板的长度：

[0097] 步骤五，确定角钢翼板长度：

[0098] 由规范可知螺丝和螺丝之间的最小距离为3d0，最大距离为16d0，螺丝距构件边缘最小距离为2d0，最大距离为4d0。

[0099] 翼板可为矩形或弧形板，故翼板宽度方向上的自攻螺丝的排数，n1满足式8：

[0100]

[0101] 式8中，by为翼板宽度，d0为自攻螺丝的直径；由此，可以得到翼板长度方向上的自攻螺丝的排数 采用进一法取整。由此，可知角钢的翼板长度lc的取值范围为：

[0102] (3n2+1)d0≤lc≤(16n2-8)d0   式7

[0103] 角钢应选用带有翼板的角钢，即角钢的两端有弯折部分方便与梁、柱子连接；(如图3所示，图中的开孔个数应根据计算得到)，且翼板与角钢之间的角度都为135度，中间部分的长度和两头部分的长度通过计算得到。角钢和翼板部分的接缝应用电焊机焊接起来，焊缝的强度等级不应小于角钢的强度等级。

[0104] 角钢的这种结构，可以在施工现场自己加工，也可以让电焊铺来加工。施工时，应先比着角钢找到角钢和梁柱连接的地方，用铅笔标下来，用锯和凿子把角钢和梁柱连接的地方铲平，使角钢和梁柱能更好的通过螺丝连接起来。应尽量把增设的角钢设置在梁柱节点的中间位置处，故可以先用尺子量出当角钢位于中间处时，孔在梁柱上的位置，标记下来。然后，按着梁柱上的标记把角钢用自攻螺丝固定(如图4所示)。角钢设置好后，可在角钢上涂刷油漆防腐，并对施工造成的局部损伤进行修补。

[0105] 本发明的工作原理如下：

[0106] 地震时，节点破坏主要表现为脱榫和折榫等形式。角钢加固节点的刚度由榫卯节点转动弯矩及角钢对节点的约束力提供，角钢通过自攻螺丝牢固地和梁柱连接在一起，能够使节点一直保持紧密，让榫和卯之间的摩擦力一直保持较大，因而当遭遇地震时节点刚度很少退化甚至不退化，能使节点始终保持较高的刚度，同时，节点和角钢能组成的三角形，三角形本身也具有刚度。因此，节点处刚度较大，节点的变形较小，不会出现脱榫现象。梁和柱的连接原来只是通过榫卯节点，现在除了榫卯节点还有角钢，两者能共同受力，让此处节点的强度显著地提高，承载能力显著提高，防止节点出现折榫现象。

[0107] 应用实验：

[0108] 本发明用于建筑领域，可在广大农村既有房屋抗震加固改造中推广使用。

[0109] 为验证本发明的效果，发明人已于2014年在西安建筑科技大学结构抗震实验室进行了房屋模型振动台试验，利用本方法对该木制房屋模型的梁柱节点进行了加固。试验加载至9度设防地震，房屋模型未倒塌，节点未破坏。

[0110] 实验结果表明：

[0111] (1)对于农村木结构结构房屋，当采用以上措施时，可以提高节点的承载能力(与节点加固前相比)较多；同时，可以提高刚度(与节点加固前相比)较多。大震时可以显著提高房屋的抗震能力，当按照要求进行加固后，木结构房屋即使遭遇9度设防地震时节点也没有破坏，甚至角钢和节点都基本上没有发生变形，房屋没有倒塌。

[0112] (2)采用本发明的节点加固措施，使用的角钢容易得到且造价较低、施工简单。

[0113] (3)这种简单有效的节点加固方法适合在地震高发区、高烈度区农村木结构房屋中推广使用。