CN102704595B - 钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙及作法 - Google Patents
钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙及作法 Download PDFInfo
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Abstract
钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙及作法属于钢－混凝土组合剪力墙领域，由钢管混凝土边框柱、型钢芯柱、钢板梁、钢板支撑和钢筋混凝土剪力墙体组成。在剪力墙两端设置钢管混凝土边框柱；其间设置若干平行的型钢芯柱；在钢管混凝土边框柱和型钢芯柱之间以及各型钢芯柱之间以钢板梁、钢板支撑连接；绑扎剪力墙钢筋；浇筑混凝土即构成钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙。与普通钢管混凝土边框剪力墙及钢板剪力墙相比，承载能力提高，承载力和刚度衰减慢，后期抗震性能稳定，“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架的存在也使剪力墙延性以及耗能性能得到提高，抗震性能更为优越；钢结构施工方便，可用于高层或大型复杂多层建筑中。
Description
技术领域
本发明是一种钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙及作法，属于一种多重组合消耗地震输入结构能量、提高结构抗震性能的新型钢—混凝土组合剪力墙及其制作方法。
背景技术
剪力墙是高层建筑中应用最为广泛的抗侧力构件,剪力墙的抗震性能对结构整体的抗震安全性至关重要。现有的钢筋混凝土剪力墙在地震作用下延性较差，容易发生脆性破坏，这对整体结构的抗震性能十分不利。由钢结构和混凝土结构组合而成的混合结构由于发挥了两种材料各自的优势,目前已成为高层和超高层建筑的主要结构形式之一。
钢-混凝土组合剪力墙的形式有很多种，可以将型钢、钢管、钢板等和混凝土在剪力墙的不同部位进行不同形式的组合，目前对于组合剪力墙研究较多的主要有两种类型：一种是“组合墙板剪力墙”，其墙板采用钢板和混凝土墙板进行不同形式组合，从而形成“组合墙板”。另一种是“带边框组合剪力墙”，这类组合剪力墙其墙板一般采用钢筋混凝土，而边框采用工字钢、型钢混凝土或钢管混凝土；另外，墙板也可采用钢板，而边框采用钢筋混凝土；边框和组合墙板也可以一起组合。剪力墙要求有较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的滞回特性等特点。外包混凝土组合剪力墙的出现不但很好的满足了上述要求，而且能够有效地克服钢筋混凝土剪力墙自重大、角部混凝土易开裂、易碎等缺点，此外还加大了剪力墙的侧向抗弯刚度，已成为一种非常具有发展前景的高层抗侧力体系。
然而，一般的钢筋混凝土剪力墙、钢板组合剪力墙等墙体混凝土部分在受力发生碎裂破坏后，竖向承载力会大幅度降低，从而造成整个墙体的竖向承载力降低，同时也加速了作为二道防线的边框的破坏，整个结构的耗能和延性也随之降低，致使剪力墙的抗震性能削弱和降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是显著提高剪力墙的承载力、延性、抗震耗能能力的问题，本发明综合了带边框组合剪力墙和内藏桁架组合剪力墙的优点，提供了一种新型的消耗地震输入结构能量、提高结构抗震性能的钢—混凝土组合剪力墙，适用于高层建筑以及复杂多层建筑的抗震设计中。
本发明采用的技术方案如下：
钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，包括钢管混凝土边框柱1、型钢芯柱2、钢板梁3、钢板支撑4和钢筋混凝土剪力墙体；组合剪力墙体截面呈工字形，钢管混凝土边框柱1在钢筋混凝土剪力墙体厚度方向的尺寸大于钢筋混凝土剪力墙体，“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架体系内藏于钢筋混凝土剪力墙体内。
所述“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架体系的型钢芯柱2、钢板梁3和钢板支撑4之间刚性连接；所述的刚性连接包括焊接。
所述相邻钢板梁3之间的净距适于布置钢板支撑4；钢板梁3的钢材强度不大于钢管混凝土边框柱1和型钢芯柱2，厚度不大于钢管混凝土边框柱1或型钢芯柱2在垂直墙厚方向钢柱的壁厚，高跨比不小于1。
所述钢板支撑4为“X”或“八”字形，沿墙高交错布置，放置角度在45度至60度之间，钢板梁3或型钢芯柱2实施刚性连接；所述的刚性连接包括焊接。
所述钢管混凝土边框柱1在墙体厚度方向凸出钢筋混凝土剪力墙体，钢管混凝土边框柱1的截面为圆形或矩形等，采用单腔体钢管混凝土柱或多腔体钢管混凝土柱。
所述的型钢芯柱2截面为工字形截面、双工字形截面等；型钢芯柱2在钢筋混凝土剪力墙体厚度方向的尺寸小于墙体的厚度。
所述组合墙体的水平分布钢筋5与钢管混凝土边框柱1上设置的钢筋竖向连接钢板10焊接；竖向分布钢筋6上端和下端分别伸入上边框梁9和下边框梁或基础梁8中进行刚性连接。
所述组合墙体中的拉结钢筋7穿过相邻钢板梁3之间钢板支撑4的空隙，或穿过钢板梁3中预留的圆孔将钢筋混凝土剪力墙体两侧的水平分布钢筋5和竖向分布钢筋6构成的钢筋网片拉结起来。
所述上边框梁9和下边框梁或基础梁8为钢筋混凝土梁，或为型钢混凝土梁，截面为矩形，混凝土现场浇筑。
本发明所述结构的制作顺序如下：
1）制作钢管混凝土边框柱1及型钢芯柱2，在钢管混凝土边框柱1的侧面钢板上焊接连接水平分布钢筋5的钢筋竖向连接钢板10，钢筋竖向连接钢板与钢管混凝土边框柱1采用等强度的钢材；
2）绑扎剪力墙竖向分布钢筋6、下边框梁或基础梁8的钢筋，并将钢管混凝土边框柱1、型钢芯柱2、剪力墙竖向分布钢筋6插入下边框梁或基础梁8的钢筋笼内，浇注下边框梁或基础梁8的混凝土，混凝土养护固结后，使下边框梁或基础梁8与钢管混凝土边框柱1、型钢芯柱2、剪力墙竖向分布钢筋6的底部实现刚性连接；
3）制作钢板梁3和钢板支撑4，钢板梁3中部位置预留穿过拉结钢筋7的圆孔；钢板梁3穿过钢管混凝土边框柱1在与钢管混凝土边框柱1、型钢芯柱2的交汇线上实施焊接，钢板支撑4与钢管混凝土边框柱1及型钢芯柱2刚性连接；
4）“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架的两侧对称布置由水平分布钢筋5和竖向分布钢筋6组成的钢筋网片，并用拉结钢筋7穿过相邻钢板梁3之间的钢板支撑4空隙或穿过钢板梁3中部位置的预留圆孔将两侧的钢筋网拉结起来；
5）制作上边框梁9，使其与钢管混凝土边框柱1、型钢芯柱2及墙板竖向分布钢筋6进行刚性连接；
6）在剪力墙墙板两侧通过水泥垫块留出混凝土保护层厚度，之后支浇筑混凝土用的模板；
7）浇筑钢管混凝土边框柱1、剪力墙墙板、上边框梁9的混凝土，成型后即形成钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙。
本发明是两种不同受力体系—“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架和钢筋混凝土墙板的优势组合，不同的构件形式—钢管混凝土柱与型钢柱的组合，不同材料—钢与混凝土的组合，因此是一种“三重组合”剪力墙。在充分发挥钢筋混凝土墙板抗震能力的同时，也充分利用了“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架的抗震耗能作用，避免了混凝土墙体开裂后，墙体承载力迅速降低。具有以下受力和功能特点：钢板梁将各个独立的柱子连结成一整体，大大提高了单柱的抗压承载力；同时由于相邻钢梁之间净距的存在，在地震荷载输入时，各片钢板梁能够相互独立的在墙体平面内变形，充分发挥钢材的变形耗能能力；相邻钢板梁之间的净距，使小型钢板斜撑可以交错的布置其间，与巨型钢斜撑相比，此种小斜撑可以对称地在钢板梁间隙有选择地布置，以形成多个抗震变形耗能区段，耗能能力得到优化，也进一步增强了墙体的整体工作性能；“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架，是一种多次超静定多单元耗能钢骨架体系，既提高了组合墙体的弹性初始刚度，又保证了组合墙体具有很好的后期承载力稳定性。在“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架体系的两侧外包钢筋混凝土墙板后，混凝土墙板有效地约束了钢板梁、钢板支撑以及型钢芯柱钢板的平面外屈曲，使构件钢板可以有效地在平面内工作来抵抗地震输入结构的能量；拉结钢筋将混凝土墙体两侧的钢筋网片拉结，两侧混凝土墙板与夹在中间的“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架组合成一个整体，共同工作，优势互补。
从经济性考虑，钢管混凝土边框柱尺寸大于钢筋混凝土剪力墙的厚度，因此可以分担更多墙体的荷载，钢筋混凝土剪力墙的厚度可以适当减小，建筑使用面积会增加，结构的自重减轻，输入结构的地震力也会降低。
本发明的钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙在地震作用下具有三道抗震防线。在地震能量输入时，钢筋混凝土墙板作为第一道抗震防线开始发挥作用，“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架延缓了混凝土墙体裂缝的出现，提高了混凝土墙板部分作为抗震第一道防线的竖向承载力。随着输入能量的增大，混凝土墙体开裂，第一道防线崩溃，此时“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架作为抗震承载力第二道防线开始发挥作用。钢板支撑较弱，首先通过变形耗能屈服；随后由于钢板梁钢板比钢柱的薄，钢板梁会先于钢柱钢板屈服，再次通过变形耗能保护墙体；因此，有了“两层次屈服保护”，第二道抗震防线很坚挺。当遇到大震时，墙体内部的型钢柱与上、下边框梁、形成的刚架结构，是一个几何不变体系，作为第三道抗震防线开始发挥作用，从而保证结构的整体稳定性。
与普通的钢板剪力墙相比，承载能力和延性都得到提高，承载力和刚度衰减变慢；具有多道抗震防线，使结构的后期抗震性能稳定，“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架的存在也使剪力墙整体性以及耗能性能得到提高,钢结构施工方便，可用于高层或大型复杂多层建筑中。
由于剪力墙是建筑结构的核心抗侧力部件，提高了剪力墙的抗震能力，也就提高了结构整体的抗震能力，当建筑物遭遇强烈地震时，可减轻其震害，防止其倒塌。
附图说明
图1是“X”形钢撑的钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙配钢及配筋图；
图2是“X”形钢撑的剪力墙立面示意图；
图3是“X”形钢撑的剪力墙墙体水平剖面图；
图4是“八”字形钢撑的钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙配钢及配筋图；
图5是“八”字形钢撑的剪力墙立面示意图；
图6是“八”字形钢撑的剪力墙墙体水平剖面图。
图中：1-型钢叠合边框柱，2-型钢芯柱，3-钢板梁，4-钢板支撑，5-水平分布钢筋，6-竖向分布钢筋，7-拉结钢筋，8-下边框梁或基础梁，9-上边框梁，10-钢筋竖向连接钢板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：
钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙的一个结构单元如图1-图6所示。
钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，制作顺序如下：
1）制作钢管混凝土边框柱1及型钢芯柱2，在钢管混凝土边框柱1的侧面钢板上焊接连接水平分布钢筋5的钢筋竖向连接钢板10，钢筋竖向连接钢板与钢管混凝土边框柱1采用等强度的钢材；
2）绑扎剪力墙竖向分布钢筋6、下边框梁或基础梁8的钢筋，并将钢管混凝土边框柱1、型钢芯柱2、剪力墙竖向分布钢筋6插入下边框梁或基础梁8的钢筋笼内，浇注下边框梁或基础梁8的混凝土，混凝土养护固结后，使下边框梁或基础梁8与钢管混凝土边框柱1、型钢芯柱2、剪力墙竖向分布钢筋6的底部实现刚性连接；
3）制作钢板梁3和钢板支撑4，钢板梁3中部位置预留穿过拉结钢筋7的圆孔；钢板梁3穿过钢管混凝土边框柱1在与钢管混凝土边框柱1、型钢芯柱2的交汇线上实施焊接，钢板支撑4与钢管混凝土边框柱1及型钢芯柱2刚性连接；
4）“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架的两侧对称布置由水平分布钢筋5和竖向分布钢筋6组成的钢筋网片，并用拉结钢筋7穿过相邻钢板梁3之间的钢板支撑4空隙或穿过钢板梁3中部位置的预留圆孔将两侧的钢筋网拉结起来；
5）制作上边框梁9，使其与钢管混凝土边框柱1、型钢芯柱2及墙板竖向分布钢筋6进行刚性连接；
6）在剪力墙墙板两侧通过水泥垫块留出混凝土保护层厚度，之后支浇筑混凝土用的模板；
7）浇筑钢管混凝土边框柱1、剪力墙墙板、上边框梁9的混凝土，成型后即形成钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙。
以上是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。
Claims (10)
1.钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，包括钢管混凝土边框柱（1）、型钢芯柱(2）、钢板梁（3）、钢板支撑（4）和钢筋混凝土剪力墙体；其特征在于：组合剪力墙体截面呈工字形，钢管混凝土边框柱（1）在钢筋混凝土剪力墙体厚度方向的尺寸大于钢筋混凝土剪力墙体，“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架体系内藏于钢筋混凝土剪力墙体内；在钢筋混凝土剪力墙体两端设置钢管混凝土边框柱（1）；钢管混凝土边框柱(1)的上、下位置设置上边框梁（9）和下边框梁或基础梁（8）；在剪力墙内部平行于钢管混凝土边框柱（1）的方向设置型钢芯柱（2）；钢管混凝土边框柱（1）和型钢芯柱（2）之间以及各型钢芯柱（2）之间用钢板梁（3）连接；相邻钢板梁（3）之间的间隙配置沿钢筋混凝土剪力墙体墙高交错上升的“X”或“八”字形的钢板支撑（4）；钢管混凝土边框柱（1）、型钢芯柱（2），钢板梁（3）和钢板支撑（4）构成“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架体系；“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架体系的两侧对称布置由水平分布钢筋（5）和竖向分布钢筋（6）组成的钢筋网片，拉结钢筋（7）将两侧的钢筋网片拉结起来；将钢管混凝土边框柱（1）、上边框梁（9）、下边框梁或基础梁（8）及钢筋混凝土剪力墙体浇捣混凝土成形，即构成钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙。
2.根据权利1要求所述的钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，其特征在于：所述“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架体系的钢管混凝土边框柱（1）、型钢芯柱（2）、钢板梁（3）和钢板支撑（4）之间刚性连接；所述的刚性连接包括焊接。
3.根据权利1要求所述的钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，其特征在于：所述相邻钢板梁（3）之间的净距适于布置钢板支撑（4）；钢板梁（3）的钢材强度不大于钢管混凝土边框柱（1）和型钢芯柱（2），厚度不大于钢管混凝土边框柱（1）或型钢芯柱（2）在垂直墙厚方向钢柱的壁厚，高跨比不小于1。
4.根据权利1要求所述的钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，其特征在于：所述钢板支撑（4）放置的倾斜角度在45度至60度之间，与钢板梁（3）或型钢芯柱（2）实施刚性连接；所述的刚性连接包括焊接。
5.根据权利1要求所述的钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，其特征在于：所述钢管混凝土边框柱（1）在墙体厚度方向凸出钢筋混凝土剪力墙体，钢管混凝土边框柱（1）的截面为圆形或矩形，采用单腔体钢管混凝土柱或多腔体钢管混凝土柱。
6.根据权利要求1所述的钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，其特征在于：所述的型钢芯柱（2）截面为工字形截面、双工字形截面；型钢芯柱（2）在钢筋混凝土剪力墙体厚度方向的尺寸小于墙体的厚度。
7.根据权利1要求钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，其特征在于：所述组合墙体的水平分布钢筋（5）与钢管混凝土边框柱（1）上设置的钢筋竖向连接钢板（10）焊接；竖向分布钢筋（6）上端和下端分别伸入上边框梁（9）和下边框梁或基础梁（8）中进行刚性连接。
8.根据权利1要求钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，其特征在于：所述组合墙体中的拉结钢筋（7）穿过相邻钢板梁（3）之间钢板支撑（4）的空隙，或穿过钢板梁（3）中预留的圆孔将钢筋混凝土剪力墙体两侧的水平分布钢筋（5）和竖向分布钢筋（6）构成的钢筋网片拉结起来。
9.根据权利1要求钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙，其特征在于：所述上边框梁（9）和下边框梁或基础梁（8）为钢筋混凝土梁，或为型钢混凝土梁，截面为矩形，混凝土现场浇筑。
10.根据权利要求1至权利要求9任意一项权利要求所述的钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙的做法，其特征在于：制作顺序如下：
1）制作钢管混凝土边框柱（1）及型钢芯柱（2），在钢管混凝土边框柱（1）的侧面钢板上焊接连接水平分布钢筋（5）的钢筋竖向连接钢板（10），钢筋竖向连接钢板与钢管混凝土边框柱（1）采用强度的钢材；
2）绑扎剪力墙竖向分布钢筋（6）、下边框梁或基础梁（8）的钢筋，并将钢管混凝土边框柱（1）、型钢芯柱（2）、剪力墙竖向分布钢筋（6）插入下边框梁或基础梁（8）的钢筋笼内，浇注下边框梁或基础梁（8）的混凝土，混凝土养护固结后，使下边框梁或基础梁（8）与钢管混凝土边框柱（1）、型钢芯柱（2）、剪力墙竖向分布钢筋（6）的底部实现刚性连接；
3）制作钢板梁（3）和钢板支撑（4），钢板梁（3）中部位置预留穿过拉结钢筋（7）的圆孔；钢板梁（3）穿过钢管混凝土边框柱（1）在与钢管混凝土边框柱（1）、型钢芯柱（2）的交汇线上实施焊接，钢板支撑（4）与钢管混凝土边框柱（1）及型钢芯柱（2）刚性连接；
4）“型钢柱-钢梁-钢撑”钢构骨架的两侧对称布置由水平分布钢筋（5）和竖向分布钢筋（6）组成的钢筋网片，并用拉结钢筋（7）穿过相邻钢板梁（3）之间的钢板支撑（4）空隙或穿过钢板梁（3）中部位置的预留圆孔将两侧的钢筋网拉结起来；
5）制作上边框梁（9），使其与钢管混凝土边框柱（1）、型钢芯柱（2）及墙板竖向分布钢筋（6）进行刚性连接；
6）在剪力墙墙板两侧通过水泥垫块留出混凝土保护层厚度，之后支浇筑混凝土用的模板；
7）浇筑钢管混凝土边框柱（1）、剪力墙墙板、上边框梁（9）的混凝土，成型后即形成钢管混凝土柱间嵌“型钢柱-钢梁-钢撑”剪力墙。
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| 马欣伯等.两边连接钢板混凝土组合剪力墙简化分析模型.《西安建筑科技大学学报(自然科学版)》.2009,第41卷(第03期),352-356. |
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