CN102776979A - 钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板 - Google Patents

Abstract

钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板是一种建筑结构构件，又是兼容性极强的墙板。申请人认为日本发明的带竖缝的墙板是一种优良的抗震板，但是施工繁琐，而且力学上不够清晰，因此发明了钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板，在与混凝土组合前的裸板(如图1所示)就有很强的抵抗力，和混凝土组合后钢筋支柱的有效长度会降低，裸板的弹性抵抗力会大增。网架钢筋有效地阻止了斜裂缝的出现，三层网架组成了许多小的空间结构，创造了良好的力学环境因此墙板的韧性大增，另外裸板与主体框架嵌置时是用粘结胶的，在地震中耗能容量很大。同时钢框架钢筋焊接正交正放网架与各种混凝土组合后又是兼容性极强的墙板。

Description

钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板

技术领域

本发明是一种建筑结构构件，特别涉及抗震墙板，该发明还是兼容性极强的墙板。

背景技术

1、概况

二十世纪八十年代世界上建了不少框架-墙板体系的高层和超高层，主要有北京京城大厦，地面以上52层，高183m。日本的京东广场饭店，地上47层，北京京广中心大厦，地上51层，北京香格里饭店，地上24层，东京代官高层公寓，地上36层，日本大阪奇艾思大厦，地上22层，这些建筑都是比较成熟的框架-墙板体系。

2、框架剪力墙体系和框架-墙板体系是不同的体系

框架剪力墙体系中剪力墙是平面构件，抗推刚度大。框架是弯曲杆系，抗推刚度比剪力墙小。高楼结构在强地震作用下将进入塑性变形阶段，由于钢筋混凝土的弹性侧移角极限值很小，因此剪力墙-进入塑性变形阶段，墙面开裂，抗推刚度显著退化，当斜裂缝开展后，剪力墙就完全退出工作，其所承担的地震力将向框架转移。因此剪力墙这种实体墙具有初期抗推刚度大，水平承载力高，但在持续的往复水平荷载作用下，也就是遇到强烈地震和风振的情况下，剪力墙斜裂缝不断扩大，刚度退化严重，具有不可回复性，工程界称之为延性差，耗能量小。因此在超高层建筑中把剪力墙作为抗侧力主要构件是要失败的。还有一点剪力墙一般是现浇的。

3、框架-墙体系

以框架体系为基础，布置一定数量的预制墙板，一般应从结构底部到顶层连续布置。预制板可以是带纵、横加劲肋的钢板剪力墙，也可以用内藏钢板支撑的预制钢筋混凝土墙板，也可采用带竖缝钢筋混凝土墙板。预制墙板是嵌置在框架中。这在组成上就能看出框架-剪力墙体系与框架-墙板体系的区别。

4、框架-墙板体系的受力特点

预制墙板承担楼层水平剪力，并为整个结构体系的抗推刚度提供部分抗剪刚度。钢框架承担水平荷载引起的全部倾覆力矩和部分水平剪力，在整个结构体系的抗推刚度中，框架贡献全部抗弯刚度和部分抗剪刚度，在强地震作用下，墙板与框架能同步协同工作，也即墙板不会提前退出工作。因为一般的钢筋混凝土墙板由于受荷载后，特别在强震时，反复受荷，斜裂缝开展，退出工作，不能与框架同步工作，因此不能作为框-墙体系的墙板。申请人申请的发明专利的钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板，是理想的框-墙体系中的墙板。

5、上个世纪日本鹿岛技术研究所发明了带竖缝混凝土板墙板，是目前世界公认的有价值的发明，本申请人也认为这个发明很巧妙也可信，但是认为把墙板嵌置在框架内的施工比较繁琐，而且在力学上还不够清晰。

发明内容：

钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙，在没有浇筑混凝土前如图1所示，并称为裸板。网架端部焊在钢框架上，钢框架的钢板厚度与网架的钢筋相匹配，如Φ8的钢板厚最好为8mm，而且钢材种类相同。在钢框架腹部留有灌注孔。本发明专利的钢筋焊接正交正放三层网架，钢筋为Q235Φ8，网格平面尺寸为80×80mm，墙板厚120mm，网架平面间距均为40mm，墙板混凝土保护层为20mm。

裸板嵌置在主体框架中见图2，裸板的钢框架与主体框架粘结，用吊筋把各种装饰板或轻质混凝土保温板或防火板固定在钢筋网架上见图3，用喷射混凝土施工法分层喷射大于C30的混凝土，喷射将到网架另一侧时，有二种作法，一种是用吊筋把装饰板或保温板或防火板逐渐固定在裸板上，喷射混凝土；另一种是加上二层细目钢丝网，小剂量喷射，并且随喷随抹，凝固后成为钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板。

申请发明专利的依据

1、计算依据

钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板的配筋见图1，在喷射混凝土前称之为裸板，网架为三层，网架的竖向钢筋在受轴向压力时，是一根细长柱，见图4，最终在弯曲和压力的共同作用下失稳，这种现象称为屈曲。由于钢筋柱是焊接在钢框架上的，因此其边界为固接，有效计算长度是0.5L。二端固定的钢筋柱屈曲临界荷载是可以计算出来的，小于这个荷载时，柱子是稳定的，处于弹性工作阶段，大于等于这个荷载时柱子开始失稳，屈曲临界荷载设为P_er

$P_{\mathrm{er}}=\frac{{4\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{{\left(0.5L\right)}^2}$

其中E为弹性模量＝2.06×10⁵N/mm²，I为Φ8钢筋的惯性矩

$I=\frac{\mathrm{\π}}{4}{r}^4=\frac{3.14}{4}\×4^4=200.96{\mathrm{mm}}^4$

L＝2.8m墙板高

一根Φ8钢筋细柱的屈曲临界荷载为：

$P_{\mathrm{er}}=\frac{4\×{3.14}^2\×2.06\×{10}^5\×200.96}{{1400}^2}=823.99N$

三层Φ8平面网格尺寸均为80mm的网架，在每一延米长度内有37根钢筋柱，则裸板每延米抵抗力＝37×823.99N＝30.487KN/m，也就是说此发明在裸板状态下就有很强的抵抗力，因为是由屈曲临界荷载计算而来的，因此都是在弹性工作状态的抵抗力。三层Φ8网架的裸板抵抗力＝30.478KN/m，相当于设计中楼板荷载＝5KN/m²，受荷载宽度为6m的数值。在喷射混凝土完成凝固后，成了网架与钢筋混凝土的组合结构，组合极有效地阻止了钢筋柱的侧向变形，提高了屈曲临界荷载，例如有效长度由0.5L减至0.25L是很可能的，此时裸板的弹性抵抗力为121.91KN/m

另外钢框架钢筋焊接正交正放网架是用粘结胶嵌置在主体框架中的，粘结胶抗拉强度＝2N/mm²，每延米粘接层抗拉能力＝1000mm×100mm×2N/mm²＝200KN，粘接力十分强大，而且粘接层有较大的耗能容量。

2、理论依据

(1)断裂力学是近30多年来通过大量实践形成的一个强度理论新分支。研究表明除强度外，材料必须有足够的韧性才可避免发生脆性断裂。在受弯构件正截面的承载力研究中，已十分明确：双筋梁可以提高截面的延性，且纵向受压钢筋越多，截面延性越好。用钢筋焊接的正交正放网架这样的钢结构来配筋就是十分良好的双筋，能提高板截面的延性，从而提高了板的韧性。现在是三层钢筋焊接正交正放网架，从根本上阻断了混凝土板的斜裂缝的发生。

(2)用钢筋焊成的正交正放的网架是空间结构，不仅实现了板中配筋“细而密”，而且形成了许多具有空间作用的网格，形成了有利的力学条件，很符合三大现代力学：断裂力学、损伤力学、微观力学的论述：材料力学所描述的材料强度理论，是在假设材料为均匀连续的基础上进行研究的。实际材料和结构中存在着缺陷。是不均匀不连续的，发明创造了较均匀连续的条件，因此材料的韧性会得到很大的提高。微观力学研究微观缺陷发展成微细裂缝，由于发明创造了许多空间结构，肯定使结构的原始缺陷减少，那么发展成微细裂缝的机会减少，从而增强了材料和构件的塑性变形，表现出来的是韧性。损伤力学考虑到材料中存在裂缝，夹杂，气泡等缺陷，由开始变形到破坏是一个逐渐劣化的过程，发展成微细的裂缝，又发展成宏观裂缝，而进入断裂力学的范畴。钢筋网架有力地抑制这个劣化过程。因此钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板的弹性侧移角极限值提高很多，延性性能较大提高。

(3)采用分离式或弯起钢筋等传统配筋，在混凝土没有凝固前，钢筋是没有承载力的，它们的组合也只是钢筋与混凝土的材料组合，而用钢筋焊成的正交正放网架来配筋，是钢结构和混凝土结构之间的结构组合；结构的组合理论已清楚地表明组合结构优于各自单独的结构，它抑制微观缺陷的发展，抑制了劣化过程，发展了应力重分布的能力，使结构的承载力，抗裂性，抗震性、耗能容量都有明显的提高。

3、粘结法安全可靠性的依据

主要是工程依据，其中三个是外国的例子，三个是申请人参与的工程，我们也可用试验的方法来检验粘结法的安全可靠性。

(1)美国纽约世贸中心，地上110层

为了减少风振侧移，在每层楼板处安装100个粘弹性阻尼器，阻尼器由三块钢板夹粘弹性材料聚丙烯组成，阻尼器固定在外柱和各层钢桁架的下弦相接，见图5所示。

(2)在高层建筑中，在楼层内设置3层或5层10mm厚钢板及夹层树脂组成的“控震墙”见图6。

地震作用下结构发生变形时，树脂利用它的粘弹性阻尼器控制钢板错动，并吸收大量能量，从而使结构侧移减小60％以上。

(3)二十世纪60年代中期美国推出结构胶粘结工艺，使得人们能够把屋顶和墙壁覆盖一层同一光滑的幕墙材料，并且发展了许多种的固定技术，把建筑师所有能想到的几何形状按照固定的规律性封闭起来，结构胶粘结的工艺得到了广泛的应用。中国玻璃幕墙工艺技术规范条文说明中指出：目前国内的幕墙特别隐框幕墙很少采用国内生产的结构硅酮密封胶，主要从美国进口结构硅酮密封胶。

(4)1976年山西榆次印染厂的加固工程的历史价值。

该厂当时生产效益较好，但是经有关方面检查，厂房中的主要构件12m的薄腹大梁的两端都出现了裂缝，有不少裂缝的宽度大于0.5mm，且是贯通的。因此安全部门要求马上拆除重建。厂方找到了山西纺织设计院。经协商后签定了保证二年内不出现结构事故的加固合同。笔者主持加固决定采用在薄腹大梁两端正反面把5mm厚钢板用环氧树脂和400#水泥配成粘接料，进行粘接。梁两端所有的裂缝都被5mm钢板覆盖，在粘接料凝固时给钢板施加压力，并做了抗剪试验。虽然计算下来是很安全的，但为了万无一失，因此又增加了一道防线，用电张法对薄腹大梁进行预应力加固。加固后情况良好，两年合同期中厂方反映良好，申请人又用钢板粘接法加固了太原化纤厂的钢筋混凝土框架。

加固后情况良好，在十五年期内，申请人很关心其运行的情况，情况出人预料地好，因此粘接法成了申请人设计中一个很能解决问题的办法。到06年该厂要拆迁，进行房地产活动，申请人早已调北京，因此申请人请母院现任总工马建军帮助摄影，他告诉申请人粘贴的钢板没有一点脱落的痕迹，这是要拆的前一天拍的照片见图7所示。如果不是需要地皮而拆除，它将继续存在若干年。从加固到拆除共运行了三十多年，而且是在一个有振动，有腐蚀性气体的印染车间，足以证明粘接法的可靠性，有效性。

(5)1993年新加坡大型钢结构承包工程再次考验粘接法。

1992年中冶集团拿下了这个标，93年年初开始施工，申请人是技术负责人，约七万平方米的大型钢结构座落在70cm厚的预应力钢筋混凝土楼板上。当时由于各种条件的限制，最佳的施工法是整体起吊法，而当时国内利用穿心千斤顶整体起吊的方法还不成熟，因此利用若干台5吨卷扬机通过滑轮组来整体提升，总重约800吨，在楼板上卷扬机与楼板有效锚固就用化学螺栓，当时新加坡有名牌产品，不用再做试验。实际上就是在楼板上钻孔用粘接剂把锚拴与钢筋混凝土楼板粘接起来。这是一张珍贵的照片见图8所示，整个96米x106米的屋盖，正在缓慢、平稳地整体起吊。每台运行的卷烟机旁边有一个工程师在密切地监视运行情况，特别是每个锚拴的情况，均很安全，以后又整体起吊了五个屋盖，整个工程用了约256个化学锚栓，没有一个出现异样情况。申请人在每次搬移卷扬机时，对于每个锚栓进行了仔细观察和处理，得出的结论是在整体吊装中，在动力荷载的作用下，锚杆与楼板的粘接是纹丝不动的，十分安全。

(6)1997年北京通广大厦的改造。其中粘接法就更容易被现代结构工程界所接受了。北京通广大厦，原是十六层的钢筋混凝土大厦，面积约11150平方米，建成后一直在中央空调和防火上存在隐患，业主为了办公楼的出租，要求改造设计，不仅要解决上述的二个隐患，而且将面积增至15000平方米，层数由十六层改成十七层，建筑平面要扩大。改造设计由原冶金部建筑研究总院设计所，王敦衍一级国家注册建筑师主持设计，申请人为所审，改造成为一个现代的大楼见图9，增加部分采用钢结构，与旧有钢筋混凝土柱连接采用化学锚拴，为了降低成本，采用商品粘接胶，自制锚杆，并由北方交大徐国彬教授做测试。粘接法是十分可靠十分安全的，申请人从工程实践中发现，在被混凝土包裹中的粘接节点，其耐久性能胜于现在通用的焊接和栓接。

4、本发明与日本带竖缝混凝土抗震墙板的比较

日本发明人说：带竖缝板具有足够强的抗推刚度，遇强烈地震时，其缝间墙弯曲屈服，刚度下降，墙板所受地震力也会减少，同时使墙板具有较大的延性，不再发生剪切型破坏的斜裂缝，而代之以并列宽柱上、下端弯曲破坏引起的水平缝，当水平荷载反向时，原受拉侧的水平裂缝趋于闭合，而且能继续有效地承担反向弯矩所引起的压应力，见图10。

混凝土板增加几条竖缝后，其受力状态由剪切破坏转变为弯曲破坏，因而弹性和极限侧位移值成倍增长，延性改善，刚度退化趋缓，耗能容量增大，与钢框架较好地协调，竖缝墙与钢框架同步工作得到很大的改善，而且试验证明竖缝墙的延性很好。申请人同意这些观点，但是有一点十分清楚，遇强烈地震时，竖缝墙刚度下降，这下降的刚度就是退出的刚度，一定要转移到钢框架上，如果强烈地震持续时间长，退出的就更多，这就存在了不确定的因素，如果强烈地震不仅持续时间长而且不断地反复，带竖缝的墙板退出的刚度会更多，有可能危及结构的安全。当然，在震后我们可以采用修补加固措施，在设计时加大带竖缝墙承载力等措施也是可以的，但申请人认为受力不简明，使设计人员不踏实，而且带竖缝的墙板施工比较繁琐。

本发明专利，钢框架钢筋正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板，施工简便有效是不言而喻的，钢筋网架可以是二层、三层，甚至四层的，可根据抗震要求选定，本发明的裸板的屈曲临界荷载是可以计算的，是弹性状态下的抗力，当裸板与混凝土组合后，防止钢筋细柱侧位移的能力大增，因此有效长度0.5L降至0.25L的可能性极大，抵抗力由30.478KN/m提高到121.91KN/m也是极可能的。也就是说本发明的墙板能较好地随着地震力的变化而变化。

混凝土与钢筋网架的弹性侧位移极限值大增，构件的延性大增，表现出良好的韧性。由于空间网架结构与混凝土结构之间的组合，使结构的应力重分布的能力大增，抗裂性大增，抗震性大增。三层空间钢筋网架有力地阻断了斜裂缝的发生，因此本墙板在罕遇强震中不会产生脆性破坏。裸板是嵌置在主体框架中的，而且用粘结法连接的，因此耗能容量又大增。可以说对于罕见的强震，本发明是一种理想的抗震墙板。不仅施工简便有效，而且在力学上优于日本的带竖缝的墙板。

申请人申请了本发明专利后，将与筒体理论结合会创造出更多的发明。

具体实施方式

具体实施方式一：钢框架钢筋焊接正交正放网架端部焊接在周边钢框架上，钢框架的钢板厚与网架钢筋匹配，网架是三层Q235Φ8网格平面间距均为80×80mm，三层的间距均为40mm的正交正放焊接网架，如图1所示，也称为裸板。

具体实施方式二：把裸板嵌置在主体框架中，嵌置前在裸板的钢框架外翻边外侧涂上抗拉强度≥2N/mm²的粘结胶，由高标号水泥和一定数量的环氧树脂，适时加一定凝固剂配制而成，嵌置到位后，再通过钢框架腹部的灌注孔用压力器将粘结胶压入，使钢框架外翻边内充满粘结胶，如图2所示，在压力作用下粘结胶凝固得较好。

具体实施方式三：当裸板牢固地嵌置在主体框架中后，可用装饰板或保温板或防火板或玻璃板等用吊筋固定在裸板上作永久模板见图3所示，然后喷射大于C30的混凝土，喷射将至裸板另一侧时有二种作法，一种是逐渐用吊筋把装饰板或防火板或保温板或玻璃板等固定在裸板上，逐渐喷射混凝土，直至完成。另一种是在裸板的另一侧加上细目钢丝网(或细目塑料网)，并小剂量喷射，随喷随抹，而且墙板的混凝土保护层要包裹粘结节点，凝固后就成钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙。喷射混凝土是现场浇筑的，裸板是工厂预制的，裸板嵌置在主体框架后，就成了“现场现浇的预制板”。

具体实施方式四：裸板的配筋是依抗地震力的要求来决定的，Q235的钢筋Φ4～Φ12为经济含钢，网架平面尺寸由50×50mm～200×200mm为最适宜，网架层数一般为三层的，特殊的可以是四层。要求装饰的抗震墙，不仅能抵抗地震，而且经过强震后的装饰工程的损坏比传统的要小的多。

抗震要求小而有其它建筑性能要求的墙，可用直径较小而且网格平面尺寸较大的裸板，用Q235Φ4钢筋焊接成双层网架，网格平面尺寸为200mm×200mm，网格平面间距为60mm～80mm。裸板一侧用两层细目钢丝网包裹，或者用细目塑料网包裹，固定在裸板上，用喷射混凝土的施工法来喷射各种胶质材料，分层喷射，将至裸板另一侧时，逐渐在另一侧包上两层细目钢丝网或细目塑料网，随喷随抹见图11所示。若喷射保温材料就成保温墙板，喷射防火材料就成防火板墙板，喷射钢纤维混凝土就成抗爆板墙板，喷射新发明的粘结材料就成新发明的墙板。本发明的兼容性极强。

附图说明

图1为钢框架Φ8钢筋焊接正交正放网架的裸板，图2为裸板嵌置在主体框架内用粘结胶连接的示意图，图3为把装饰板用吊筋固定在网架上进行喷射混凝土的示意图，图4为网架钢筋成为支柱的简力图，图5为美国世贸中心设在每层楼板上的阻尼器与结构的关系图，图6为日本发明的“控震墙”简图，图7为申请人在1976年用粘结法加固的薄腹大梁在拆前一天的的照片，图8为申请人在93年新加坡工程整体起吊的照片，图9为申请人参与的其中用到粘结法的北京通广大厦的改造后的立面照片，图10为日本发明的带竖缝的墙板受力简图，图11为喷射混凝土时的裸板底包若干层细目钢丝网的示意图。

Claims (4)

1.钢框架钢筋焊接正交正放网架裸板，用Q235Φ8钢筋焊接成正交正放三层网架，网格平面尺寸为80mm×80mm，以墙板厚来控网架层之间距离，墙板厚120mm，二个20mm混凝土保温层，网架平面之间间距均为40mm。把裸板用粘结胶，其抗拉强度≥2N/mm²，由高标号水泥，环氧树脂，适时加一定量凝固剂配制而成，通过灌注孔压力灌注粘结胶，使钢框架外翻边内充满粘结胶，粘结凝固后用吊筋把各种装饰板或保温板或防火板固定在裸板上，用喷射混凝土成套技术分层喷射不低于C30的混凝土，然后裸板另一侧逐渐用吊筋把各种装饰板或保温板或防火板固定在裸板上，直至混凝土喷射完毕。也可用细目钢丝网或细目塑料网先包住裸板的一侧，然后分层喷射不低于C30的混凝土，随喷随抹，然后再在裸板另一侧逐渐包上细目钢丝网(或细目塑料网)继续喷射直至完成，凝固后就形成了既有效又经济的钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的抗震墙板。

2.根据权利要求1可作成钢框架钢筋焊接正交正放网架与混凝土组合的特殊要求的抗震墙板，地震是罕遇的极强地震等级的，裸板的钢筋焊接成正交正放的四层网架，钢筋为Φ6～Φ12，钢材为Q345，混凝土不低于C60。

3.根据权利要求1，当墙板没有抗震要求，只有建筑要求时，裸板可作成Q235，Φ4焊接正交正放网架，网格平面尺寸为150mm×150mm～200mm×200mm，双层网架，层间距为60mm～100mm，钢框架厚度为4mm，制成裸板，其它均同权利要求1。喷射掺有高标号水泥，少量环氧树脂和适量水，及少量适时的的凝固剂配制的胶质料，喷射保温材料的就成保温墙板，喷射防火材料的就成防火墙板，喷射钢纤维混凝土就成抗爆墙板，喷射新发明的材料就成新发明材料的墙板，钢框架钢筋焊接正交正放网架与胶质料的组合墙板就是兼容性极强的墙板。

4.用粘结法把裸板嵌置在主体框架中，申请人确认包裹在混凝土中的大面积粘结节点比焊接、栓接、混合接更为安全可靠，而且施工方便。用环氧树脂，高标号水泥，适时加一定凝固剂配制的粘结胶不仅有效而且廉价，粘结胶必须充满粘结节点，就是先在框架外翻边涂刷粘结胶后就位，然后通过钢框架腹部灌注孔在胶凝固前，用压力法再灌注粘结胶，使粘结节点能充满粘结胶。这种发明将给中国建筑建立自主知识产权注入了推动力。

Images