CN103362210A - 一种预应力装配框架结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力装配框架结构，包括楼层梁、楼柱和基础，所述楼柱由若干个楼柱单元从上往下依次相连构成，与楼层梁相连的楼柱单元为楼层柱，与基础相连的楼柱单元为底层柱，所述楼层柱和楼层梁之间的连接点为梁柱节点，两个相邻的楼柱单元之间的连接点为柱柱节点，底层柱和基础之间的连接点为柱基节点。本发明通过改进梁柱节点、柱柱节点和柱基节点，解决了现有预应力装配框架结构中梁柱节点和柱基节点在大震下无法有效耗能，无法对界面受压区混凝土提供受压保护，布束方法不合理的问题，同时也解决了柱柱节点实现不方便，连接界面上形成抗剪薄弱部位的问题。

Description

一种预应力装配框架结构

技术领域

本发明涉及建筑工程领域一种预应力装配框架结构。

背景技术

建筑业是人类活动最原始但也是最持久、最永无止境的项目，长期以来也是人类消耗资源和破坏环境的最主要阵地之一。解决这一问题的基本途径是实施以工厂预制、工地装配为特征的建筑工业化。

世界范围内，建筑工业化技术已经经历了上百年的时间，此间已开发出了多种技术水平不断进步（主要在于简化连接方式、改进抗震能力）的预制装配结构体系，其中预应力装配框架结构体系是近些年发展起来的一种高效预制装配结构体系。该体系采用局部无粘结筋将框架梁预压连接到框架柱上，简化了连接方式，保证了良好的抗震能力。其受力工作特征为：在常规荷载及较小烈度地震作用下，连接节点保持刚性水平而使结构处于弹性工作状态；而在较高烈度地震作用下，预压连接节点处梁柱界面往复张开和闭合，连接刚度也随之动态退化和恢复，结构的塑性变形主要发生在该界面处的混凝土挤压区，装配预应力筋始终保持弹性。这种大震下的工作模式耗能能力较弱，但震后残余变形很小，结构恢复性能较好，可以达到“大震可修”的设防目标。因此，综合而言，预应力装配框架结构体系是一种既能实现建筑工业化生产方式、又具有更高抗震能力的高效结构体系。

然而，现有预应力装配框架结构体系的连接节点还存在若干方面的不足，主要包括：

（1）梁柱连接区依靠连接预应力束的弹性伸长及界面处混凝土挤压区的塑性变形适应大震变形，耗能能力差，不利于降低地震响应。

（2）大震下，梁柱连接界面混凝土挤压区（尤其保护层部位）发生受压破坏而使界面抗剪及抗弯能力发生不可恢复性退化，加大了底层柱底破坏的风险；挤压区的震后修复工作量较大。

（3）底层柱底与基础的全刚性连接，大震下往往容易在柱底形成塑性铰，由此引起的过大塑性变形不易复位，从而造成了难以修复的结构整体破坏。

（4）为了便于装配预应力筋的穿束和张拉，需要在梁顶和梁底预留横向凹槽，导致梁体传力不连续，且给普通钢筋布置带来麻烦。

（5）柱与柱的连接往往采用插筋的方法，其连接方法较为麻烦，且在连接界面上形成了抗剪薄弱部位。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种预应力装配框架结构，解决了现有预应力装配框架结构中梁柱节点和柱基节点在大震下无法有效耗能，无法对界面受压区混凝土提供受压保护，布束方法不合理的问题，同时也解决了柱柱节点实现不方便，连接界面上形成抗剪薄弱部位的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种预应力装配框架结构，包括楼层梁、楼柱和基础，所述楼柱由若干个楼柱单元从上往下依次相连构成，与楼层梁相连的楼柱单元为楼层柱，与基础相连的楼柱单元为底层柱，所述楼层柱和楼层梁之间的连接点为梁柱节点，两个相邻的楼柱单元之间的连接点为柱柱节点，底层柱和基础之间的连接点为柱基节点。

所述梁柱节点包括楼层梁和楼层柱，所述楼层梁通过预应力筋固定，所述楼层柱的侧壁上设置有拱形的曲面型牛腿/折面形的折面型牛腿，所述楼层梁的端部与曲面型牛腿/折面型牛腿匹配，所述曲面型牛腿/折面型牛腿、楼层柱和楼层梁内均设置有用以穿预应力筋的孔道，所述楼层梁的两侧设置为台阶型，所述与楼层柱相连的楼层梁端部的截面积大于楼层梁中部的截面积，所述位于楼层梁内的孔道的端部位于侧壁凸起台阶的端面上。

所述柱柱节点包括两个相邻的楼柱单元，两个相邻的楼柱单元通过预应力筋固定，所述两个相邻的楼柱单元内均设置有穿预应力筋的孔道。

所述柱基节点包括底层柱和基础，所述底层柱通过预应力筋固定在基础上，所述底层柱的底面上设置有凸球面，所述基础的顶面上设置有与凸球面匹配的凹坑，所述底层柱和基础内均设置有穿预应力筋的孔道，所述底层柱内的孔道和基础内的孔道匹配，所述楼层柱的底端设置为台阶型，所述底层柱的孔道的端部位于底端凸起台阶上。

所述梁柱节点中的孔道位于连接界面处的截面积大于孔道端部的截面积；所述曲面型牛腿/折面型牛腿内的孔道、楼层柱内的孔道以及楼层梁内的孔道连通呈直线形/曲线形；所述柱基节点中的孔道位于连接界面处的截面积大于孔道端部的截面积。穿预应力筋的孔洞在连接界面处的截面积大于孔道端部的截面积，用以适用梁柱节点和柱基节点中的相对滑动位移需求。

所述柱柱节点中上方的楼柱单元的底面呈棱锥状凸起，下方的楼柱单元的顶面与上方的楼柱单元的底面匹配；所述柱柱节点中两个相邻的楼柱单元内的孔道连通呈半圆弧形，所述上方的楼柱单元内的孔道的端部与上方的楼柱单元的侧壁垂直，所述下方的楼柱单元内的孔道的端部与下方的楼柱单元的侧壁垂直。

本发明的有益效果：1、在梁柱节点中的楼层梁和楼层柱之间设置了曲面型牛腿/折面型牛腿，在柱基节点中的底层柱和基础之间设置了凸球面，在大震中实现有效耗能并对界面受压区混凝土提供受压保护，防止压碎；2、在梁柱节点中楼层梁的两侧设置为台阶型，在柱基节点中楼层柱的底端设置为台阶型，穿预应力筋的孔洞的端部分别位于位于侧壁凸起台阶和底端凸起台阶上，实现了梁体或柱体不受削弱且不影响普通钢筋布置；3、梁柱节点和柱基节点中的穿预应力筋的孔洞在连接界面处的截面积大于孔道端部的截面积，用以适用梁柱节点和柱基节点中的相对滑动位移需求；4、柱柱节点采用预应力结构实现更为可靠的预应力连接；5、所述的整体结构可以减轻该类结构在大震中的地震反应，并可将该类结构的大震设防效果由传统的“大震不倒”提升到“大震可修”甚至达到“大震不坏”，因而有效提高该类结构的抗震能力，更进一步，该技术的推广应用对提升建筑工业化水平、实现建筑结构低碳化、降低建筑结构全生命周期综合成本、实现社会经济可持续发展等具有推动作用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的梁柱节点的立体分解结构示意图，其中楼层柱侧壁上设置有曲面型牛腿。

图3是本发明的梁柱节点实施例一立体结构示意图，其中楼层柱侧壁上设置有曲面型牛腿。

图4是本发明的梁柱节点实施例一俯视结构示意图，其中楼层柱侧壁上设置有曲面型牛腿。

图5是本发明的梁柱节点实施例二立体结构示意图，其中楼层柱侧壁上设置有曲面型牛腿。

图6是本发明的梁柱节点实施例二俯视结构示意图，其中楼层柱侧壁上设置有曲面型牛腿。

图7是本发明的梁柱节点的立体分解结构示意图，其中楼层柱侧壁上设置有折面型牛腿。

图8是本发明的柱柱节点的立体分解结构示意图。

图9是本发明的柱柱节点主视结构示意图。

图10是本发明的柱柱节点俯视结构示意图。

图11是本发明的柱基节点立体分解结构示意图。

图12是本发明的柱基节点立体结构示意图。

图13是本发明的柱基节点主视结构示意图。

图14是本发明的柱基节点俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示：一种预应力装配框架结构，包括楼层梁1-1、楼柱和基础3-1，所述楼柱由若干个楼柱单元从上往下依次相连构成，与楼层梁1-1相连的楼柱单元为楼层柱1-5，与基础3-1相连的楼柱单元为底层柱3-4，所述楼层柱1-5和楼层梁1-1之间的连接点为梁柱节点1，两个相邻的楼柱单元之间的连接点为柱柱节点2，底层柱3-4和基础3-1之间的连接点为柱基节点3。

如图2所示：所述梁柱节点1包括一个楼层柱1-5和四个个楼层梁1-1，所述楼层柱1-5的侧壁上设置有拱形的曲面型牛腿1-3，楼层梁1-1的端面为凹形曲面，凹形曲面与曲面型牛腿1-3匹配，所述楼层梁1-1的两侧设置为台阶型，所述与楼层柱1-5相连的楼层梁1-1端部的截面积大于楼层梁1-1中部的截面积，所述位于楼层梁1-1内的孔道的端部位于侧壁凸起台阶1-2的端面上，在梁柱连接的每个主轴方向，楼层柱1-5、楼层梁1-1和曲面型牛腿1-3内均有上、下各两条穿预应力筋的孔道，曲面型牛腿1-3内的孔道、楼层柱1-5内的孔道以及楼层梁内的孔道连通并且呈直线形或曲线形。

实施例一：如图3和4所示：当侧壁凸起台阶1-2的端面较宽，足以直接布置锚具及张拉机具时，在梁柱连接的每个主轴方向，曲面型牛腿1-3内的孔道、楼层柱1-5内的孔道和楼层梁1-1内的孔道上、下各呈两条直线形状，孔道位于连接界面处的截面积大于孔道端部的截面积，四条直线形状的孔道与楼层梁1-1的中心轴线平行，该中心轴线为四条孔道的对称中心线。

实施例二：如图5和6所示：当侧壁凸起台阶1-2的端面较窄，不足以直接布置锚具及张拉机具时，在梁柱连接的每个主轴方向，曲面型牛腿1-3内的孔道、楼层柱1-5内的孔道和楼层梁1-1内的孔道上、下各呈两条曲线形状，孔道位于连接界面处的截面积大于孔道端部的截面积，四条曲线形状的孔道沿楼层梁1-1的中心轴线中心对称，所述楼层梁1-1内的孔道从侧壁凸起台阶1-2的端面处斜向进入。

以上所述的梁柱节点中当楼层柱1-5为中柱时，楼层柱1-5的侧壁都设有楼层梁1-1；当为边柱时，楼层柱1-5的三个侧壁设有楼层梁1-1；当为角柱时，楼层柱1-5的两个侧壁设有楼层梁1-1。

装配施工时，将楼层梁1-1的凹形曲面端面与曲面型牛腿1-3对位，然后将预应力筋穿入孔道并进行张拉锚固，当楼层柱1-5的相对两侧都有楼层梁1-1时，预应力筋锚固于侧壁凸起台阶1-2的端面上，当楼层柱1-5只要一侧有楼层梁1-1时，预应力筋一端锚固于侧壁凸起台阶1-2的端面上，另一端锚固与楼层柱1-5的侧面上。所述预应力筋的长度由大震下梁柱连接界面处的弹性张开角度需求计算确定。

由此所形成的梁柱节点1，在各种荷载共同引起的弯矩和剪力作用下，曲面界面处将产生不均匀张开和相对滑动趋势，而抵抗这种不均匀张开和滑动趋势的作用分别来自于界面上的预压力和摩擦力。于是，在常规荷载或较小烈度地震作用下，梁柱连接界面的张开力和滑动力始终分别小于预压力和摩擦力，因而节点始终保持刚性水平；反之，在较高烈度地震作用下，梁柱连接界面的张开力和滑动力最终将会超过预压力和摩擦力，界面受拉区因此张开而暂时退出工作，唯有该区的预应力钢筋继续承担受拉工作，而界面受压区则因此出现滑动，此过程既实现了摩擦耗能，又保护了受压区混凝土免遭压碎；随着地震的往复作用，上述张开和滑动行为也在界面的上部和下部交替进行；当地震作用停止后，预压力将使界面张开位移恢复闭合，而滑动位移将可能存在一定残余，但这并未带来结构骨架的系统性破坏，而残余滑动位移可采用千斤顶等工具或其他常规方法进行震后复位。

如图7所示：梁柱节点1中楼层柱1-5的侧壁上也可设置有拱形的折面型牛腿1-4，楼层梁1-1的端面为凹形折面，所述凹形折面与折面型牛腿1-4匹配。梁柱节点1采用折面型牛腿1-4的孔道分布与采用曲面型牛腿1-3的孔道分布一致，装配施工方法一致。

如图8、9和10所示：所述柱柱节点2中上方的楼柱单元的底面呈棱锥状凸起，下方的楼柱单元的顶面与上方的楼柱单元的底面匹配，相邻两个楼柱单元通过预应力筋固定，相邻两个楼柱单元内均设置有穿预应力筋的孔道，相邻两个楼柱单元的中心轴线在同一条直线上，相邻两个楼柱单元的相对孔道连通呈半圆弧形，若干条半圆弧形的孔道沿中心轴线对称，所述孔道的锚固端口分别位于相邻两个楼柱单元的同一侧面并且与侧面垂直，位于弧顶的孔道垂直于连接界面并且接近锚固端口相对的侧面。

装配施工时，先将相邻两个楼柱单元的端面对位，然后将预应力筋穿入孔道并进行张拉锚固即可。所述柱柱节点2的预应力筋一般采用刚性的预应力螺纹钢筋，此预应力螺纹钢筋在穿入孔道前，事先弯成与孔道同曲率的圆弧形以便于穿束；当柱截面较大而且保证孔道的曲率半径足够大时，亦可采用柔性的钢绞线作为柱柱节点2的预应力筋。

由此所形成的柱柱节点2，通过分布于界面四周且垂直于界面的预应力筋抵抗界面两个主轴方向的弯矩；通过界面上下棱锥状凸起与凹陷的企合以及界面预压力抵抗界面两个主轴方向的剪力。

如图11、12、13和14所示：所述柱基节点3包括底层柱3-4和基础3-1，所述底层柱3-4通过预应力筋固定在基础3-1上，所述底层柱3-4底部端面上设置凸球面3-2，所述基础3-1顶面上设置有与凸球面3-2匹配的凹坑，所述凸球面3-2的矢高略高于凹坑的矢高以便相对滑动，所述底层柱3-4的底端设置为台阶型，所述底层柱3-4的孔道的张拉锚固端位于底端凸起台阶3-3上。所述底层柱3-4和基础3-1内均设置有若干条穿预应力筋的孔道，所述孔道上、下连通呈若干条直线且对称分布于底层柱3-4的纵向轴线四周，孔道位于连接界面处的截面积大于孔道端部的截面积，所述孔道的两个锚固端分别位于底端凸起台阶3-3的顶面和基础3-1的底面。

装配施工时，先将底层柱3-4的凸球面3-2与基础3-1的凹坑对位，然后将预应力筋穿入孔道并进行张拉锚固即可。

由此所形成的柱基节点3，在任一主轴方向上，由各种荷载共同引起的弯矩和剪力作用将使球面界面处产生不均匀张开和相对滑动趋势，而抵抗这种不均匀张开和滑动趋势的作用分别来自于界面上的轴压力（包括柱轴力和预压力）和摩擦力。于是在常规荷载或较小烈度地震作用下，柱基连接界面的张开力和滑动力始终分别小于轴压力和摩擦力，因而节点始终保持刚性水平；反之，在较高烈度地震作用下，柱基连接界面的张开力和滑动力最终将会超过轴压力和摩擦力，界面受拉区因此张开而暂时退出工作，唯有该区的预应力筋继续承担受拉工作，而界面受压区则因此出现滑动，此过程既实现了摩擦耗能，又保护了受压区混凝土免遭压碎；随着地震的往复作用，上述张开和滑动行为也在界面两侧交替进行；当地震作用停止后，轴压力将使界面张开位移恢复闭合，而滑动位移将可能存在一定残余，但这并未带来结构骨架的系统性破坏，而残余滑动位移可采用千斤顶等工具或其他常规方法进行震后复位。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种预应力装配框架结构，其特征在于：包括楼层梁（1-1）、楼柱和基础（3-1），所述楼柱由若干个楼柱单元从上往下依次相连构成，与楼层梁（1-1）相连的楼柱单元为楼层柱（1-5），与基础（3-1）相连的楼柱单元为底层柱（3-4），所述楼层柱（1-5）和楼层梁（1-1）之间的连接点为梁柱节点（1），两个相邻的楼柱单元之间的连接点为柱柱节点（2），底层柱（3-4）和基础（3-1）之间的连接点为柱基节点（3）；

所述梁柱节点（1）包括楼层梁（1-1）和楼层柱（1-5），所述楼层梁（1-1）通过预应力筋固定，所述楼层柱（1-5）的侧壁上设置有拱形的曲面型牛腿（1-3）/折面形的折面型牛腿（1-4），所述楼层梁（1-1）的端部与曲面型牛腿（1-3）/折面型牛腿（1-4）匹配，所述曲面型牛腿（1-3）/折面型牛腿（1-4）、楼层柱（1-5）和楼层梁（1-1）内均设置有用以穿预应力筋的孔道，所述楼层梁（1-1）的两侧设置为台阶型，所述与楼层柱（1-5）相连的楼层梁（1-1）端部的截面积大于楼层梁（1-1）中部的截面积，所述位于楼层梁（1-1）内的孔道的端部位于侧壁凸起台阶（1-2）的端面上；

所述柱柱节点（2）包括两个相邻的楼柱单元，两个相邻的楼柱单元通过预应力筋固定，所述两个相邻的楼柱单元内均设置有穿预应力筋的孔道；

所述柱基节点（3）包括底层柱（3-4）和基础（3-1），所述底层柱（3-4）通过预应力筋固定在基础（3-1）上，所述底层柱（3-4）的底面上设置有凸球面（3-2），所述基础（3-1）的顶面上设置有与凸球面（3-2）匹配的凹坑，所述底层柱（3-4）和基础（3-1）内均设置有穿预应力筋的孔道，所述底层柱（3-4）内的孔道和基础（3-1）内的孔道匹配，所述楼层柱的底端设置为台阶型，所述底层柱（3-4）的孔道的端部位于底端凸起台阶（3-3）上。

2.根据权利要求1所述的一种预应力装配框架结构，其特征在于：所述梁柱节点（1）中的孔道位于连接界面处的截面积大于孔道端部的截面积。

3.根据权利要求1所述的一种预应力装配框架结构，其特征在于：所述曲面型牛腿（1-3）/折面型牛腿（1-4）内的孔道、楼层柱（1-5）内的孔道以及楼层梁（1-1）内的孔道连通呈直线形/曲线形。

4.根据权利要求1所述的一种预应力装配框架结构，其特征在于：所述柱基节点（3）中的孔道位于连接界面处的截面积大于孔道端部的截面积。

5.根据权利要求1所述的一种预应力装配框架结构，其特征在于：所述柱柱节点（2）中上方的楼柱单元的底面呈棱锥状凸起，下方的楼柱单元的顶面与上方的楼柱单元的底面匹配。

6.根据权利要求1所述的一种预应力装配框架结构，其特征在于：所述柱柱节点（2）中两个相邻的楼柱单元内的孔道连通呈半圆弧形，所述上方的楼柱单元内的孔道的端部与上方的楼柱单元的侧壁垂直，所述下方的楼柱单元内的孔道的端部与下方的楼柱单元的侧壁垂直。

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