CN101525912B - 一种配筋灌浆套管耗能元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配筋灌浆套管耗能元件，包括内管和外管，内管和外管同轴搭接，内管和外管之间形成空腔，空腔内形成水泥环，灌浆空腔内设有箍筋。本发明利用膨胀水泥浆的化学预应力使膨胀水泥环和管体的接触面摩擦力增大，箍筋的存在可以限制裂缝的开展，阻止膨胀水泥浆的碎裂，从而提高了该耗能元件的承载力和滞回耗能性能。在正常使用状态下，该发明可作为普通支撑；而在地震荷载作用下，该发明通过内外管的相对滑动来消耗和吸收地震能量。该元件在加工精度上没有太高的要求，节省钢材，造价低廉。该发明在震灾中破坏失效后，仅需对支撑耗能元件进行更换即可。

Description

一种配筋灌浆套管耗能元件 

技术领域

本发明涉及一种固定建筑物的支撑构件，特别涉及一种支撑构件的耗能元件，用于降低地震荷载效应对建筑物和构筑物结构的破坏。 

背景技术

随着多、高层建筑兴建日益增加，抗震成为结构设计的主要研究对象。传统的抗震设计方法以“抗”为主要思路，由于其经济性和安全性方面都存在问题，故渐渐被结构控制技术所取代。结构控制技术包括主动结构控制技术和被动结构控制技术。耗能支撑技术是被动控制技术中较常见的一种，是新建建筑的抗震设防和既有建筑的抗震加固提高结构抗震性能的一种非常实用的途径。 

普通耗能支撑是建筑结构中的非承重构件，有消能支撑组成的体系可以安装在柱间或抗震墙间，其做法是在普通支撑上安装各种作用不同的消能节点或阻尼装置。该装置在正常使用荷载及小震作用下一般不发生作用。在遇到强烈地震时，当结构的主要承重构件尚未发生屈服时，耗能支撑装置开始滑移或转动而发生作用，以增大阻尼或以摩擦功消耗地震输入结构的能量，从而使结构改变动力特性，达到保护主体结构的目的和起到减震的作用。目前，已开发出多种耗能减震支撑，它们可归纳为以下三类：摩擦耗能减震支撑、粘性和粘弹性阻尼器耗能减震支撑、防屈曲金属耗能减震支撑。 

摩擦耗能减震支撑通过支撑的滑动来消耗和吸收地震能量；粘性和粘弹性阻尼器耗能减震支撑中的粘弹性阻尼器是由粘弹性材料与约束钢板交替叠合而成的，是一种主要与速度相关的减震装置。它通过粘弹性材料的剪切滞回变形来增加结构的阻尼，耗散输入的地震能量，从而减小结构的振动反应；金属屈曲耗能减震支撑利用金属材料进入塑性范围后的较好滞回性能耗能减震。现有的耗能支撑采用在普通支撑上安装各种作用不同的耗能元件、阻尼装置或者采用大延性金属材料制作的作法，具有造价较高、震后不便于维修更换、加工精度要求高、安装复杂等缺点，限制了耗能支撑的广泛应用。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种便于维修更换、加工简单、施工简便、性能优越、造价低廉的支撑耗能元件，它能较经济地解决新建建筑的消能减震和既有建筑抗震加固的技术问题，同时，非地震状态时也是建筑结构的承重构件。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 

一种配筋灌浆套管耗能元件，包括内管和外管，所述内管和外管同轴搭接，所述外管与所述内管搭接段之间的缝隙处设有膨胀水泥浆，所述膨胀水泥浆中设有箍筋，所述膨胀水泥浆固化后形成膨胀水泥环。 

基于上述主要技术特征，所述外管搭接段的内管壁上设有抗剪键。 

基于上述主要技术特征，所述内管的外壁上裹有金属皮，所述金属皮的外表面设有数根沿内管轴向延伸的分布钢筋，所述分布钢筋上设有数个钢筋头。 

基于上述主要技术特征，所述外管与所述内管搭接段的外端设有外环板，所述外管与所述内管搭接段的内端设有内环板，所述外环板和所述内环板与所述外管固定连接，所述内环板、外环板、内管和所述外管围成一灌浆空腔，所述灌浆空腔外壁上设有灌浆孔，所述膨胀水泥浆位于所述灌浆空腔内。 

基于上述主要技术特征，所述箍筋为螺旋形箍筋或圆环形的金属网片。 

基于上述主要技术特征，所述抗剪键为焊在所述外管搭接段内壁表面的堆焊点或焊缝或截短钢筋或栓钉。 

基于上述主要技术特征，所述灌浆孔位于所述内环板上或所述外环板上或所 述外管的灌浆空腔段上或所述内管的灌浆空腔段上。 

基于上述主要技术特征，所述灌浆孔设置在所述内管的灌浆空腔段上，所述金属皮上开有和所述内管上的灌浆孔位置对应的孔。 

基于上述主要技术特征，所述膨胀水泥浆中混有纤维。 

基于上述主要技术特征，所述纤维为钢纤维或碳纤维或玻璃纤维。 

基于上述主要技术特征，所述膨胀水泥浆中混有砂。 

本发明的有益效果在于：本发明利用膨胀水泥浆的化学预应力，使膨胀水泥环和钢管的接触面压紧以增大两者之间的摩擦力，箍筋的存在可以限制裂缝的开展，阻止膨胀水泥浆的碎裂，从而提高该耗能元件的承载力和滞回耗能性能。在正常使用状态下，该发明可以承受很大的轴向荷载，并具备和普通支撑一样的刚度；而在地震荷载作用下，该发明通过内外管的相对滑动来消耗和吸收地震能量。其作用机理，使得构件在加工精度上没有太高的要求，节省钢材，造价低廉。该发明在震灾中破坏失效后，仅需对支撑耗能元件进行更换即可。采用该支撑对结构设计人员无额外工作量，现场安装简便，无特殊技术要求。 

采用本发明的耗能支撑可以取代现有的摩擦耗能减震支撑、粘性和粘弹性阻尼器耗能减震支撑和防屈曲金属耗能减震支撑在结构中使用，用途广泛。虽然，灌浆套管连接在建筑工程的构件连接中有所应用，但仅仅停留在钢管连接的层面上，其对多、高层建筑、空间结构、网架结构的消能减震和既有建筑的抗震加固的应用并未被认识到，本发明用一种施工简单、成本低廉的方法解决了新建建筑的消能减震和既有建筑的抗震加固技术问题。 

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。 

图2为本发明实施例环板的机构示意图。 

图3是本发明实施例螺旋形箍筋的示意图。 

图4为本发明实施例保护件展开的机构示意图。 

图5为本发明实施例抗剪键采取堆焊点形式的示意图。 

图6为本发明实施例抗剪键采取堆焊缝形式的示意图。 

图7为本发明实施例抗剪键采取截短钢筋形式的示意图。 

具体实施方式

下面接合附图，对发明的优选实施例进行详细的介绍。 

如图1所示，作为本发明的一个实施例，该灌浆套管耗能元件，包括内管1和外管2，内管1沿管轴线插入外管2内同轴搭接，内管1外壁及外管2内壁表面均可进行喷砂或喷丸处理，外管2与内管1搭接段的外端设有环形外环板4，外管2与内管1搭接段的内端设有环形内环板5(如图2所示)，外环板4和内环板5只与外管2固定连接，内环板5，外环板4、内管1和所述外管2围成灌浆空腔3，灌浆空腔3壁上设有灌浆孔，灌浆空腔3内通过灌浆孔注入膨胀水泥，并形成膨胀水泥环，灌浆空腔3内设螺旋形箍筋10(如图3所示)，外管2搭接段的内管壁上设有抗剪键6，内管1的外壁上裹有金属皮7，金属皮7的外表面设有数根沿内管轴向延伸的分布钢筋8，分布钢筋8上设有数个钢筋头9。 

在灌浆空腔3内灌注了膨胀水泥浆后，固结后膨胀水泥浆体积膨胀形成水泥环，由于内外套管对水泥环的约束从而使水泥环和管体之间产生径向预应力，增加了水泥环和管体之间的摩擦力，箍筋的存在可以限制裂缝的开展，阻止膨胀水泥浆的碎裂，从而有效提高该耗能元件的承载力和滞回耗能性能。当内外管在地震力作用下发生往复相对位移时，滑动面上的摩擦力做功消耗地震输入结构的能量，起到消能减震的作用。

水泥浆两端加固定外环板4和内环板5后，膨胀水泥浆受到三向约束，使连接段的预应力有所提高。外环板4和内环板5可以根据实际情况同时使用，也可以只使用内环板4或外环板5。由于环板限制了连接段膨胀水泥浆与外管之间的相对位移，破坏面将出现在内管外壁和膨胀水泥浆的接触面上，外管内表面加焊抗剪键，利用膨胀水泥浆和抗剪键的咬合力提高外管和水泥浆环体的连接强度，将破坏面控制在内管外壁与水泥浆环的接触面上，往复荷载作用下，该种破坏形式对本耗能元件的受力性能有利。而由金属皮、分布钢筋和钢筋头组成的保护件可以保护膨胀水泥环的内表面，防止其在往复摩擦下碎裂而引起承载力的退化。 

为了灌浆方便，灌浆孔也可开在灌浆空腔壁上的任何地方，数量可以一个也可以是多个，图2中表示的灌浆孔11开在了环板上。抗剪件采取堆焊点12的形式(如图5所示)，采取堆焊缝13的形式(如图6所示)，或采取截短钢筋14的形式(如图7所示)。加工精度要求不高，设置抗剪件无方向要求，可随机布置。 

由于膨胀水泥浆抗压强度高，但受拉力易发生碎裂，因此可在膨胀水泥浆中加入纤维，纤维的加入在极大程度上改善了膨胀水泥浆的受力性能，提高了该种发明的承载力和滞回耗能性能。膨胀水泥浆中添加的纤维包括碳纤维和钢纤维等，纤维种类、掺量需按工程实际情况选取。为了减少水泥浆液化后的收缩，也可在膨胀水泥浆中可混入砂。 

本发明的耗能减震性能主要由元件尺寸和膨胀水泥浆的膨胀率决定，膨胀剂的选取，其膨胀水泥浆的配合比很大程度上影响着该种发明的性能。 

本发明在正常使用荷载作用下依靠钢管与膨胀水泥浆之间的摩擦力和粘结力传递轴力作用。在大的地震作用下，依靠钢管与膨胀水泥浆之间的滑动摩擦来消耗地震能量。 

本发明的制作工艺：根据本发明的元件承载力等级确定内外钢管的具体尺寸和钢管套接段的长度，并根据钢管尺寸确定环板和保护件的相应尺寸。外环板可加工成整个圆环或两个半环，可在端部环板上加开灌浆孔。加工内外环板和保护件(如不使用内环板或外环板时可采用临时模板代替)，完成内外环板和外管的连接，将抗剪键均匀分布地焊接在外管的内表面上。如需要加入箍筋，则将箍筋放置在外管内的两个环板之间，将泡沫塑料卡入外管内至内环板位置以限定灌浆段的长度。将保护件紧密包裹在内管外，并用金属丝固定。将内外管准确定位，确保两管轴线重合。膨胀水泥浆按配比拌和，迅速将拌和完毕的膨胀水泥浆通过灌浆孔灌入灌浆空腔，灌浆后通过敲击等方法对其进行振捣，帮助膨胀水泥浆中的空气排出，保证膨胀水泥浆的密实。然后在连接段封盖塑料膜养护即可。 

以上对本发明实施例所提供的一种配筋灌浆套管耗能元件进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处(如纤维膨胀水泥浆中纤维的种类等)。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。 

Claims (24)

1.一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：包括内管(1)和外管(2)，所述内管(1)和外管(2)同轴搭接，所述外管(2)与所述内管(1)搭接段之间的缝隙处设有膨胀水泥浆，所述膨胀水泥浆中设有箍筋(10)，所述膨胀水泥浆固化后形成膨胀水泥环。

2.根据权利要求1所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述外管(2)搭接段的内管壁上设有抗剪键(6)。

3.根据权利要求1或2所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述内管(1)的外壁上裹有金属皮(7)，所述金属皮(7)的外表面设有数根沿内管轴向延伸的分布钢筋(8)，所述分布钢筋(8)上设有数个钢筋头(9)。

4.根据权利要求1或2所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述外管(2)与所述内管(1)搭接段的外端设有外环板(4)，所述外管(2)与所述内管(1)搭接段的内端设有内环板(5)，所述外环板(4)和所述内环板(5)与所述外管(2)固定连接，所述内环板(5)、外环板(4)、内管(1)和所述外管(2)围成一灌浆空腔(3)，所述灌浆空腔(3)外壁上设有灌浆孔，所述膨胀水泥浆位于所述灌浆空腔(3)内。

5.根据权利要求3所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述外管(2)与所述内管(1)搭接段的外端设有外环板(4)，所述外管(2)与所述内管(1)搭接段的内端设有内环板(5)，所述外环板(4)和所述内环板(5)与所述外管(2)固定连接，所述内环板(5)、外环板(4)、内管(1)和所述外管(2)围成一灌浆空腔(3)，所述灌浆空腔(3)外壁上设有灌浆孔，所述膨胀水泥浆位于所述灌浆空腔(3)内。

6.根据权利要求1或2所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述箍筋(10)为螺旋形箍筋或圆环形的金属网片。

7.根据权利要求3所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述箍筋(10)为螺旋形箍筋或圆环形的金属网片。

8.根据权利要求4所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述箍筋(10)为螺旋形箍筋或圆环形的金属网片。

9.根据权利要求2所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述抗剪键(6)为焊在所述外管(2)搭接段内壁表面的堆焊点(12)或焊缝(13)或截短钢筋(14)或栓钉。

10.根据权利要求4所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述灌浆孔位于所述内环板(5)上或所述外环板(4)上或所述外管(2)的灌浆空腔段或所述内管(1)的灌浆空腔段上。

11.根据权利要求5所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述灌浆孔设置在所述内环板(5)或所述外环板(4)或所述外管(2)的灌浆空腔(3)段上。

12.根据权利要求5所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述灌浆孔设置在所述内管(1)的灌浆空腔(3)段上，所述金属皮(7)上开有和所述内管上的灌浆孔位置对应的孔。

13.根据权利要求1或2或5或7至12任意一项权利要求所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有纤维。

14.根据权利要求13所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述纤维为钢纤维或碳纤维或玻璃纤维。

15.根据权利要求3所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有纤维。

16.根据权利要求4所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有纤维。

17.根据权利要求6所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有纤维。

18.根据权利要求15至17任意一项权利要求所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述纤维为钢纤维或碳纤维或玻璃纤维。

19.根据权利要求1或2或5或7至12或14至17中任意一项权利要求所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有砂。

20.根据权利要求3所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有砂。

21.根据权利要求4所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有砂。

22.根据权利要求6所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有砂。

23.根据权利要求13所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有砂。

24.根据权利要求18所述的一种配筋灌浆套管耗能元件，其特征在于：所述膨胀水泥浆中混有砂。

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