CN102605872A - 摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统，该系统包括相对平行设置的第一钢柱（41）和第二钢柱（42）、位于第一钢柱（41）和第二钢柱（42）之间的混凝土墙（5）和摩擦件，摩擦件包括结构相同的第一摩擦件和第二摩擦件；第一钢柱（41）与混凝土墙（5）之间通过第一摩擦件连接，第二钢柱（42）与混凝土墙（5）之间通过第二摩擦件连接，其中，混凝土墙（5）通过竖向预应力钢绞线（7）与基础梁（12）相连，楼板与混凝土墙（5）固结，第一钢柱（41）和第二钢柱（42）分别通过铰接装置（8）铰接于基础梁（12）。本发明使得整个钢框架结构在地震作用下得损伤将会减小，抗震性能得到改善。

Description

摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统

技术领域

本发明为一种装配式抗震结构体系，用于提高钢框架结构抵抗侧向变形的能力，实现结构在地震后的自动复位，消除或减少钢框架结构在地震作用下的残余变形和损伤，通过摩擦装置耗散地震能，减少震后修复的代价。

背景技术

地震是全人类共同面对的自然灾害之一，对人们的生命和财产安全构成了严重的威胁。国内外的震害调查表明，对于常见的钢框架结构，其柱底和梁柱节点区均是容易破坏的区域，而这些部位恰是结构保证承载力的关键部位，其破坏往往将导致结构倒塌。同时，对于钢框架结构体系，由于其抗侧刚度较低，设计的主导因素往往是结构的刚度而不是强度；在很多因变形过大而破坏的案例中，构件中的应力并不高。为提高钢框架的抗变形能力，往往在钢框架中设置一定数量的钢支撑或钢筋混凝土剪力墙。

此外，传统钢框架在地震中的耗能主要通过钢材自身的塑性变形来实现，震后存在较大的残余变形；钢支撑或钢筋混凝土剪力墙也容易发生屈曲、混凝土开裂（压碎）或钢筋屈服等塑性损伤，给修复和后续使用带来困难。

针对上述现状，本申请提出了一种“摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震结构体系”，通过预应力构件使得结构具有自定心功能（地震后结构自动复位），有效地消除或减少了结构的残余变形；通过附加摩擦耗能装置和墙体保护装置，解决了结构的耗能和剪力墙脚部的局部承压问题，使得主体结构在地震作用下的基本无损，减少了震后修复的代价。

鉴于我国钢产量的日益增多，钢框架结构在住宅，办公楼等建筑中所占比例稳步增长，而钢框架结构的震害非常普遍且修复的难度较大，本申请具有积极的社会意义和科学意义。

发明内容

技术问题：为了克服传统钢框架的不足，本发明提供了一种工厂预制、现场拼装的摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统，以降低结构在地震作用下的残余变形和结构损伤，减少震后修复的工作量和代价。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统，该系统包括相对平行设置的第一钢柱和第二钢柱、位于第一钢柱和第二钢柱之间的混凝土墙和摩擦件，摩擦件包括结构相同的第一摩擦件和第二摩擦件；第一钢柱与混凝土墙之间通过第一摩擦件连接，第二钢柱与混凝土墙之间通过第二摩擦件连接，其中，

混凝土墙通过竖向预应力钢绞线与基础梁相连，楼板与混凝土墙固结，第一钢柱和第二钢柱分别通过铰接装置铰接于基础梁。

优选的，摩擦件包括T形连接件，角钢，黄铜摩擦片及摩擦型高强螺栓；其中黄铜摩擦片贴于T形连接件的腹板两侧；

T形连接件的翼缘通过预埋在混凝土墙中的普通螺栓与混凝土墙连接，T形连接件的腹板上开有竖向的槽道，角钢一边通过普通螺栓与钢柱连接，另一边通过摩擦型高强螺栓夹紧T形连接件的腹板。

优选的，在混凝土墙的脚部外包有钢套。

优选的，第一钢柱与混凝土墙在每一楼层的半层高处通过第一摩擦件连接，第二钢柱与混凝土墙在每一楼层的半层高处通过第二摩擦件连接。

有益效果：

1、在一榀钢框架中的若干跨采用本申请的结构形式后，整个钢框架结构在地震作用下得损伤将会减小，抗震性能得到改善，可以获得以下优异的性能：

2、具有自定心能力，大大减小了震后的残余变形；

3、震后的损伤小，并且集中在耗能件等附属构件上，而钢柱，剪力墙等主要构件基本保持弹性，便于修复；

4、大部分构件可以在工厂预制，然后现场组装，有利于加快施工进度、保证质量和减少人工成本；

5、采用预应力技术，剪力墙的初始抗侧刚度大。

附图说明

图1为钢框架的平面图。

    图2为选取的含有摇摆式自定心钢框架—混凝土墙的一榀框架的立面图。

    图3为摇摆式自定心钢框架—混凝土墙连接方式示意图。

    图4为H型钢柱（构件4）详细构造图。也即：通篇提及的第一钢柱41和第二钢柱42。

    图5为钢柱铰接于基础的连接装置（构件8）的详细构造图，其由13和14两个构件通过高强螺栓连接。

    图6a为构件13的俯视图，图6b为构件13的正立面图，图6c为构件13的侧立面图。

    图7a为构件14的俯视图，图7b为构件14的正立面图，图7c为构件14的侧立面图。

   图8a为构件9的俯视图，图8b为构件9的正立面图，图8c为构件9的侧立面图。

   图9a为构件10的俯视图，图9b为构件10的正立面图，图9c为构件10的侧立面图。

图10a为构件11的俯视图，图10b为构件11的正立面图，图10c为构件11的侧立面图。

图11为摩擦件处的混凝土墙与钢柱连接局部的立体图。

图12为图3中摩擦件的水平剖面图（A-A剖面）。

    图13为混凝土墙与H型钢柱之间的摩擦件处的局部放大图，也即摩擦件的正立面图。

    图14为摇摆式自定心钢框架——混凝土墙在地震作用下的变形图。

图中有：普通钢结构框架梁（采用H型钢）1；自定心钢框架的框架梁2；普通钢结构柱（柱底固结）3；第一钢柱41；第二钢柱42；混凝土墙5；楼（屋面）板6；预应力孔道及预应力筋7；柱底铰接装置8；摩擦件中的T形连接件9；摩擦件中的角钢10；混凝土墙脚部的钢套11；地基梁（基础）12；柱底铰接装置中的上半部分13；柱底铰接装置中的下半部分14。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明提供了一种将一榀钢框架中的一跨或若干跨的框架布置成摇摆的几何可变的形式（以下讨论皆针对这一跨框架）   ——这一跨的钢柱柱脚与基础铰接。用一堵混凝土墙给这一跨框架提供抗侧刚度，混凝土墙与钢柱通过摩擦件连接，该摩擦件连接处具有使钢柱与混凝土墙水平方向同位移，竖向方向可发生相对移动的性质，且当发生竖向相对位移的时候由于摩擦力的缘故可耗散能量。这里的混凝土墙底部与基础脱开，通过穿过混凝土墙中心的若干束竖向预应力筋与基础拉结。这样，当侧向荷载大到一定程度，混凝土墙绕着一边的脚点发生转动，墙与基础之间有间隙张开，而这时，由于水平方向的联系，钢柱随墙一起转动，而梁柱铰接的形式使得这一跨钢框架和墙保持同步一致的转角，当荷载卸去的时候，混凝土墙在竖向预应力的作用下被拉回原来竖向中心位置，由于转动同步，整个钢框架也回复到原有中心位置，这样就实现了结构的自定心。同时，结构的残余变形和损伤也较小。

楼（屋面）板到下一层楼板之间的距离称为层高，在这一层的层高的一半位置处称为半层高处，例如：图3中，共有四层，构件9和10分别位于每一层的相应半层高处）。

参见图1－5，本发明提供的摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统，包括相对平行设置的第一钢柱41和第二钢柱42、位于第一钢柱41和第二钢柱42之间的混凝土墙5和摩擦件，摩擦件包括结构相同的第一摩擦件和第二摩擦件；第一钢柱41与混凝土墙5之间通过第一摩擦件连接，第二钢柱42与混凝土墙5之间通过第二摩擦件连接，其中，

混凝土墙5通过竖向预应力钢绞线7与基础梁12相连，楼板与混凝土墙5固结，第一钢柱41和第二钢柱42分别通过铰接装置8铰接于基础梁12。

摩擦件包括T形连接件9，角钢10，黄铜摩擦片及摩擦型高强螺栓；其中黄铜摩擦片贴于T形连接件9的腹板两侧；

T形连接件9的翼缘通过预埋在混凝土墙5中的普通螺栓与混凝土墙连接，T形连接件9的腹板上开有竖向的槽道，角钢10一边通过普通螺栓与钢柱4连接，另一边通过摩擦型高强螺栓夹紧T形连接件9的腹板。

在混凝土墙5的脚部外包有钢套11。

第一钢柱41与混凝土墙5在每一楼层的半层高处通过第一摩擦件连接，第二钢柱42与混凝土墙5在每一楼层的半层高处通过第二摩擦件连接。

说明：上面提及的钢柱41和42都是构件，这里为了清楚的表达各构件之间具体的位置关系和连接关系，将混凝土墙左右两边的钢柱区分为第一钢柱41和第二钢柱42。摩擦件由T形连接件9和角钢10组成，同理，为了表达的方便，这里将混凝土墙左右两边的摩擦件区分为第一摩擦件和第二摩擦件。

将工厂预制的H型钢、角钢、混凝土墙等构件在现场吊装就位，并在混凝土墙的预留孔道中穿入钢绞线，然后进行预应力张拉。后张的无粘结预应力钢绞线既是施工阶段的拼接手段，又可以在使用阶段提供抗倾覆弯矩。为了提供在地震作用下的耗能能力，在混凝土墙与钢柱之间设置摩擦耗能装置。该耗能装置由安装在混凝土墙一侧的T形连接件9、固定于钢柱上的两个角钢10以及摩擦型高强螺栓和黄铜摩擦片组成。通过摩擦型高强螺栓（对拉式）提供垂直于摩擦面的压力，接触面设有黄铜摩擦片。与混凝土墙直接相连的两个钢柱41,42（或统称：构件4）柱脚与基础梁12的连接采用铰接。在无粘结预应力的压力作用下，混凝土墙5与基础梁12紧密相连；混凝土墙5与钢柱41,42通过摩擦件连接。当混凝土墙底面的弯矩超过了消压弯矩时，混凝土墙底面与地面之间的间隙张开，钢绞线的应力随之增加；地震作用后，混凝土墙在钢绞线7预应力的作用下恢复到原来的竖向中心位置（自定心），由于钢柱41,42在水平方向与剪力墙的联系作用，钢柱也恢复到原来的竖向中心位置（自定心），从而消除（或大大降低）结构在地震作用下的残余变形。在这种摇摆式自定心钢框架-混凝土墙体系之外，可以设置若干跨普通钢框架，并与之相连。

本发明的摇摆式自定心钢框架—混凝土墙结构是应用于钢框架中的一跨或若干跨，其余各跨仍按原设计进行，在地震中，采用本发明的这些跨可以给整个结构提供自定心能力和耗能能力，进而减少地震带来的结构损伤。对于本发明的这一跨钢框架与剪力墙的具体连接形式见于图3。图3中标注的各构件的详图参见附图。

    钢框架中的柱可采用H型钢，也可采用箱形型钢，其中柱的强轴可以和墙平面平行，也可以相互垂直。以柱强轴与墙平行的情况为例，钢柱的柱脚采用铰接，混凝土墙和钢柱采用摩擦件连接，摩擦件的具体构造参见图11（立体图）、图12（水平剖面图）和图13（正立面图）。通过无粘结预应力钢筋或钢绞线7，对混凝土墙5施加压力，令其与基础梁12紧密连接。另外，为防止混凝土墙脚部的混凝土压碎，在混凝土墙的两个脚部采用钢套11包裹以产生混凝土的三向受压，提高混凝土的抗压强度，钢套的具体细节参见图10(a,b,c)。

     连接于混凝土墙上的T形连接件9，其翼缘通过混凝土墙体内部的预埋锚栓与墙体连接，T形连接件腹板上设有竖向的槽道，两侧贴有摩擦材料（黄铜片）。用两个角钢通过高强预应力螺栓将T形连接件的腹板夹紧（图11、图12、图13）。当地震作用超过一定幅值，混凝土墙底部与基础之间的间隙张开，此时，混凝土墙与钢柱有相对竖向位移，实现了摩擦耗能，而钢柱和混凝土墙在地震中的水平位移相同。

该发明以提高地震作用下钢框架的抗变形能力、耗能能力并实现结构在震后的自定心（自动复位），消除或降低结构的残余变形和损伤。该结构体系由摇摆式钢柱和一个混凝土墙体构成，两者之间通过摩擦耗能装置相互连接。摇摆式钢柱的柱脚和基础的连接为铰接。混凝土墙在无粘结预应力钢筋或钢绞线的压力下与基础紧密连接。当地震作用超过一定幅值时，混凝土墙体与基础的连接面张开，墙体和摇摆柱之间的摩擦件发生竖向的相对错动，以实现耗能；地震过后，该缝隙在预应力的作用下重新闭合，以实现结构的自定心（自动复位）。为避免墙体摆动过程中混凝土因局部压强过大而破坏，在墙体两侧底端设置钢套以实现对混凝土的保护。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1. 一种摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统，其特征在于：该系统包括相对平行设置的第一钢柱（41）和第二钢柱（42）、位于第一钢柱（41）和第二钢柱（42）之间的混凝土墙（5）和摩擦件，摩擦件包括结构相同的第一摩擦件和第二摩擦件；第一钢柱（41）与混凝土墙（5）之间通过第一摩擦件连接，第二钢柱（42）与混凝土墙（5）之间通过第二摩擦件连接，其中，

混凝土墙（5）通过竖向预应力钢绞线（7）与基础梁（12）相连，楼板与混凝土墙（5）固结，第一钢柱（41）和第二钢柱（42）分别通过铰接装置（8）铰接于基础梁（12）。

2. 根据权利要求1所述的摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统，其特征在于：

摩擦件包括T形连接件（9），角钢（10），黄铜摩擦片及摩擦型高强螺栓；其中黄铜摩擦片贴于T形连接件（9）的腹板两侧；

T形连接件（9）的翼缘通过预埋在混凝土墙（5）中的普通螺栓与混凝土墙连接，T形连接件（9）的腹板上开有竖向的槽道，角钢（10）一边通过普通螺栓与钢柱（4）连接，另一边通过摩擦型高强螺栓夹紧T形连接件（9）的腹板。

3. 根据权利要求1所述的摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统，其特征在于：在混凝土墙（5）的脚部外包有钢套（11）。

4. 根据权利要求1所述的摇摆式自定心钢框架-混凝土剪力墙抗震系统，其特征在于：第一钢柱（41）与混凝土墙（5）在每一楼层的半层高处通过第一摩擦件连接，第二钢柱（42）与混凝土墙（5）在每一楼层的半层高处通过第二摩擦件连接。

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