CN103669650B - 一种震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙 - Google Patents
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Abstract
一种震后易修复钢异形柱框架结构-钢板剪力墙，本发明的双槽钢梁通过梁端封板，与异形柱连接，形成无焊缝全螺栓的连接形式；对无焊缝全螺栓节点施加预应力钢索，形成预应力自复位节点；自复位柱脚预应力柱脚通过加强板来优化柱底部的轴向与水平向的受力性能，防屈曲钢板主要用来耗散地震能量，剪切板是防止剪力过大造成柱底的局部屈服；预应力柱脚的关键构件是预应力拉杆，拉杆的作用是对柱提供预压力使柱与梁紧密连接，从而使柱脚在承受弯矩较小时近似刚性连接，并使其具有震后自复位能力；钢板剪力墙使结构具有更好的抗震能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙，属于抗震减灾技术领域，尤其涉及一种震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙。
背景技术
地震中建筑的倒塌是威胁人民生命安全和造成财产损失最主要的原因。汶川及雅安地震表明混凝土结构抗震性能不佳，目前我国钢结构发展迅速，尤其是预应力钢结构技术处于国际先进水平，国家体育馆双向张弦结构和北京工业大学体育馆弦支穹顶结构均创当时同类结构跨度最大世界记录，引领了预应力钢结构的发展。发挥预应力技术优势，将其应用到钢框架节点上，会提高节点的抗震性能及自复位能力，而钢框架节点设计得好坏直接影响到钢结构的质量。倘若构件没破坏而节点已经失效,就达不到结构抗震设计的初衷,更不能满足“强节点，弱构件”的设计理念。
1994年1月17日,美国洛杉矶发生地震，100多幢钢结构建筑在梁柱节点部位断裂，裂纹通常起源于梁柱节点焊缝。一年后,日本的阪神发生了地震,震后调查显示,造成大部分断裂的根本原因在于节点的设计和施工方面的问题。这两次地震促使了学者研究和调整节点的设计。在1994年洛杉矶发生地震以前，多采用如图1所示的节点形式。在洛杉矶地震发生前，这种节点造价低廉，施工方便，而且当时普遍认为该节点形式能够较好的利用材料延性，促使梁端出现塑性铰，使节点免于破坏，实现“强节点、弱构件”的设计思想。但是，在地震中这类节点形式并没有表现出应有的延性，而过早地出现了脆性断裂，裂纹通常起源于梁柱节点焊缝。经过分析得出造成大部分断裂的根本原因在于节点的设计和施工方面的问题。在洛杉矶地震以后的十年，梁柱连接性能及其对钢框架结构的影响成为钢结构领域的重点研究内容之一。
发明内容
本发明提出了一种属于防震减灾技术领域的一种震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙。其目的在于提高结构抗震性能，减少震后修复难度与维护费用。震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙基本构成包括框架梁、柱、预应力构件、角钢或摩擦件等构件。具体构造是在施工过程中，先安装顶底角钢，然后安装高强钢拉杆并进行张拉，在拉杆张拉力的作用下梁柱接触面产生压应力，这种预压应力将为节点提供较大的抵抗弯矩，而梁柱接触面的摩擦力又将为节点提供较大的抵抗剪力。梁端部与柱之间安装垫板即梁柱连接板，防止梁腹板与柱直接接触造成局部应力过大，在梁的上下翼缘处各焊接一块加强板，加强板可以增大梁翼缘与柱之间的接触面，从而减小梁翼缘中的压应力，避免梁翼缘在压应力作用下局部屈服。
预应力自复位节点基本原理：当地震作用达到一定程度时，梁柱的接触面张开，角钢出现塑性变形并耗能，从而避免了梁柱等主体构件的损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原先的竖向位置。研究表明，如果在梁的腹板或者翼缘处设计耗能构件，该节点刚度强度与全焊节点类似，并且具有良好的延性。后张拉自复位框架节点可以得到与传统钢框架相似的强度和刚度。但此自复位节点施工现场不需施焊，全部采用螺栓连接或在工厂先行焊接后，到施工现场再进行螺栓连接。
节点的初始刚度与焊接节点基本相当，在层间位移角达到5％的情况下，主体结构梁和柱仍保持弹性，角钢则进入塑性状态以耗散能量，地震作用后节点可以回复到其初始位置。
预应力的施加使钢框架结构能够得到较高的安全系数。预应力节点的主要优点：(1)拥有自定心的能力，从而大大减小了震后残余变形；(2)初始刚度较大与全焊接节点相似，相当于刚性节点；(3)地震下梁柱均保持弹性，非弹性变形集中在节点，并通过节点连接件的非弹性变形提供耗能机制；(4)大大降低了震后修复难度及成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为该震后易修复钢异形柱框架钢板剪力墙包括该震后易修复钢异形柱框架钢板剪力墙包括双槽钢梁、等肢角钢、梁柱连接板、梁端腹板、单根槽钢5、钢拉索、L形异形柱、T形异形柱、十字形异形柱、盖板、防屈曲板、加强板、剪切板、加劲肋、固定角钢、连接板、钢板剪力墙和夹板；其中，异形柱包括三种形式，即L形异形柱、T形异形柱和十字形异形柱；其节点形式包括L形连接、T形连接和十字型连接；L形节点是L形异形柱与双槽钢梁1连接；T形节点是T形异形柱与双槽钢梁连接；十字形节点是十字形异形柱与双槽钢梁连接；柱脚位置在异形柱与地基相连处；其中，L形柱脚分为A、B两面，T形柱脚共分A、B、C三个面，十字形柱脚共四个面，但四个面均相同。
该震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙的梁是由型钢构成的双槽钢梁，双槽钢梁是由但槽钢在梁端用梁端腹板拼接成；L形节点的连接过程为，梁柱连接板与梁端腹板在工厂先行焊接，梁柱连接板垂直于梁端腹板，梁端腹板位于梁柱连接板的中部，其高度等于双槽钢梁的型钢腹板高度，现场用螺栓将焊接在一起的梁柱连接板与梁端腹板固定在L形异形柱翼缘上；双槽钢梁是由两根槽钢梁组成的，双槽钢梁与柱连接时，采用单根槽钢分别连接的方式，先将一根槽钢用等肢角钢与L形异形柱连接，槽钢与L形异形柱的翼缘垂直，一根槽钢连接后，同样的方式连接另一根槽钢；双槽钢梁与L形异形柱连接后，两根槽钢要用梁端腹板连接成整体，用螺栓将两根槽钢与位于两根槽钢中间的梁端腹板连接；T型节点连接形式、十字型节点连接形式与L型节点连接形式相同，只是异形柱分别采用T形异形柱与十字形异形柱；应力的布置方式按照上述方式连接各个不同形式的节点，框架已经基本形成；将钢拉索依次穿过预留在异形柱翼缘上的孔洞，施加计算的预应力值，用永久锚具锚固在异形柱翼缘上。
L形柱脚连接过程为，梁柱连接板与梁端腹板在工厂先行焊接，梁柱连接板垂直于梁端腹板，梁端腹板位于梁柱连接板的中部，其高度等于双槽钢梁的型钢腹板高度，现场用螺栓将焊接在一起的梁柱连接板与梁端腹板固定在L形异形柱翼缘上；双槽钢梁分为两根槽钢，柱脚连接时，将两根槽钢一起用螺栓连接在梁端腹板上；为了加强柱脚处梁与异形柱连接的强度与刚度，在双槽钢梁与梁柱连接板接触处即槽钢内圈施加三面围焊；另一肢与本肢相同；在L型异形柱弯矩较大的短肢内部焊接横向加劲肋(焊接可以在工厂加工完成)在加劲肋上下焊接角钢用以固定预应力拉杆；将预应力拉杆穿过预留孔洞，并施加预应力，用永久锚具锚固在焊接角钢上；再将防屈曲板、加强板以及盖板用螺栓连接于L形异形柱翼缘处；盖板周边有突出围边，以盖板与加强板绝对密实，防止潮气入侵盖板内腐蚀防屈曲板；再将剪切板用螺栓与双槽钢梁连接；T型柱脚与十字型柱脚连接过程与L型柱脚相同，加劲肋均布置在异形柱所受弯矩较大的一肢上，另一肢不需要布置；将一侧夹板在工厂焊接在双槽钢梁或异形柱翼缘上，待框架在施工现场搭建完毕后，将钢板剪力墙安放到位，再焊接另一侧夹板到双槽钢梁或异形柱翼缘上，此时钢板剪力墙夹在两侧夹板内部，用螺栓将钢板剪力墙与夹板连接；钢板剪力墙可采用内置钢板的混凝土-钢板剪力墙也可采用单一钢板，外喷涂防火防腐蚀涂料。
通过装配后最终得到该震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙。
震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙，楼板使用压型钢板组合楼板或钢筋混凝土楼板。
与现有技术先比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明所述震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙中，所采用的梁都是型钢梁，由于梁的腹部空隙较大，便于管线穿过，有效地增加了房间净高。
2、该震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙，完全采用螺栓进行现场装配，取消了传统的现场焊接方式和混凝土浇筑方式，有效地保证了施工质量，完全避免了混凝土浇筑和钢材焊接造成的环境污染，实现现场施工的“无水、无火、无尘”的三无标准，减少了火灾等危害事故的发生。本发明在构件拆除时，可以高效的回收利用，减少了建筑垃圾，真正的实现了绿色环保的理念，是一种绿色的、可持续发展的钢结构体系。
3、该震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙，采用预应力自复位节点形式与柱脚形式，实现了震后节点的自复位，大大减少了震后修复成本；提高节点的抗震性能，从而提高框架结构体系的抗震性能。
4、该震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙是对传统的钢结构建筑-钢板剪力墙的颠覆，充分发挥了钢结构的优势。与传统的钢结构建筑框架-钢板剪力墙相比，它具有安全性能高、环境污染小、安全事故少和工程造价低等诸多优点。
附图说明
图1为预应力自复位节点拆分示意图。
图2为L形柱示意图。
图3为T形柱示意图。
图4为十字形柱示意图。
图5为自复位柱脚拆分示意图。
图6为钢板剪力墙局部示意图。
图7为槽钢型钢梁示意图。
图8为自复位柱脚位置示意图。
图9为钢板剪力墙局部分解示意图。
图10为L形柱节点分解示意图。
图11为T形柱节点分解示意图。
图12为十字形柱节点分解示意图。
图13为L形自复位柱脚立面A分解示意图。
图14为L形自复位柱脚立面B分解示意图。
图15为T形自复位柱脚立面A分解示意图。
图16为T形自复位柱脚立面B分解示意图。
图17为T形自复位柱脚立面C分解示意图。
图18为十字形自复位柱脚立面分解示意图。
图19为钢板剪力墙框架平面示意图。
图20为震后易修复钢异形柱框架钢板剪力墙示意图。
图中：1、双槽钢梁，2、等肢角钢，3、梁柱连接板，4、梁端腹板，5、单根槽钢，6、钢拉索，7、L形异形柱，8、T形异形柱，9、十字形异形柱，10、盖板，11、防屈曲板，12、加强板，13、剪切板，14、加劲肋，15、角钢，16、连接板，17、钢板剪力墙，18、夹板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示为预应力自复位节点拆分示意图，图2为L形柱示意图，图3为T形柱示意图，图4为十字形柱示意图，图5为自复位柱脚拆分示意图，图6为钢板剪力墙局部示意图，图7为槽钢型钢梁示意图，图8为自复位柱脚位置示意图，该震后易修复钢异形柱框架钢板剪力墙包括双槽钢梁1、等肢角钢2、梁柱连接板3、梁端腹板4、单根槽钢5、钢拉索6、L形异形柱7、T形异形柱8、十字形异形柱9、盖板10、防屈曲板11、加强板12、剪切板13、加劲肋14、角钢15、连接板16、钢板剪力墙17和夹板18；其中，异形柱包括三种形式，即L形异形柱7、T形异形柱8和十字形异形柱9；其节点形式包括L形连接、T形连接和十字型连接；L形节点是L形异形柱7与双槽钢梁1连接；T形节点是T形异形柱8与双槽钢梁连接；十字形节点是十字形异形柱9与双槽钢梁连接；柱脚位置在异形柱与地基相连处；其中，L形柱脚分为A、B两面，T形柱脚共分A、B、C三个面，十字形柱脚共四个面，但四个面均相同。
如图9所示为钢板剪力墙局部分解示意图，图10为L形柱节点分解示意图，图11为T形柱节点分解示意图，图12为十字形柱节点分解示意图，图13为L形自复位柱脚立面A分解示意图，图14为L形自复位柱脚立面B分解示意图，图15为T形自复位柱脚立面A分解示意图，图16为T形自复位柱脚立面B分解示意图，图17为T形自复位柱脚立面C分解示意图，图18为十字形自复位柱脚立面分解示意图，图19为钢板剪力墙框架平面示意图，该震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙的梁是由型钢构成的双槽钢梁1，双槽钢梁1是由但槽钢在梁端用梁端腹板4拼接成；L形节点的连接过程为，梁柱连接板3与梁端腹板4在工厂先行焊接，梁柱连接板3垂直于梁端腹板4，梁端腹板4位于梁柱连接板3的中部，其高度等于双槽钢梁1的型钢腹板高度，现场用螺栓将焊接在一起的梁柱连接板3与梁端腹板4固定在L形异形柱7翼缘上；双槽钢梁1是由两根槽钢梁组成的，双槽钢梁1与柱连接时，采用单根槽钢5分别连接的方式，先将一根槽钢用等肢角钢2与L形异形柱7连接，槽钢与L形异形柱7的翼缘垂直，一根槽钢连接后，同样的方式连接另一根槽钢；双槽钢梁1与L形异形柱7连接后，两根槽钢要用梁端腹板4连接成整体，用螺栓将两根槽钢与位于两根槽钢中间的梁端腹板4连接；T型节点连接形式、十字型节点连接形式与L型节点连接形式相同，只是异形柱分别采用T形异形柱8与十字形异形柱9；应力的布置方式按照上述方式连接各个不同形式的节点，框架已经基本形成；将钢拉索6依次穿过预留在异形柱翼缘上的孔洞，施加计算的预应力值，用永久锚具锚固在异形柱翼缘上。
L形柱脚连接过程为，梁柱连接板3与梁端腹板4在工厂先行焊接，梁柱连接板3垂直于梁端腹板4，梁端腹板4位于梁柱连接板3的中部，其高度等于双槽钢梁1的型钢腹板高度，现场用螺栓将焊接在一起的梁柱连接板3与梁端腹板4固定在L形异形柱7翼缘上；双槽钢梁1分为两根槽钢，柱脚连接时，将两根槽钢一起用螺栓连接在梁端腹板4上；为了加强柱脚处梁与异形柱连接的强度与刚度，在双槽钢梁1与梁柱连接板3接触处即槽钢内圈施加三面围焊；另一肢与本肢相同；在L型异形柱弯矩较大的短肢内部焊接横向加劲肋14(焊接可以在工厂加工完成)，在L型异形柱弯矩较大的短肢内部焊接横向加劲肋14在加劲肋14上下焊接角钢15用以固定预连接板16；将连接板16穿过预留孔洞，并施加预应力，用永久锚具锚固在角钢15上；再将防屈曲板11、加强板12以及盖板10用螺栓连接于L形异形柱7翼缘处；盖板10周边有突出围边，以盖板10与加强板12绝对密实，防止潮气入侵盖板内腐蚀防屈曲板11；再将剪切板13用螺栓与双槽钢梁1连接；T型柱脚与十字型柱脚连接过程与L型柱脚相同，加劲肋14均布置在异形柱所受弯矩较大的一肢上，另一肢不需要布置；将一侧夹板18在工厂焊接在双槽钢梁1或异形柱翼缘上，待框架在施工现场搭建完毕后，将钢板剪力墙17安放到位，再焊接另一侧夹板18到双槽钢梁1或异形柱翼缘上，此时钢板剪力墙17夹在两侧夹板18内部，用螺栓将钢板剪力墙17与夹板18连接；钢板剪力墙17可采用内置钢板的混凝土-钢板剪力墙也可采用单一钢板，外喷涂防火防腐蚀涂料。
如图20所示为震后易修复钢异形柱框架钢板剪力墙示意图，通过装配后最终得到该震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙。
震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙，楼板使用压型钢板组合楼板或钢筋混凝土楼板。
Claims (2)
1.一种震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙，其特征在于：该震后易修复钢异形柱框架钢板剪力墙包括双槽钢梁(1)、等肢角钢(2)、梁柱连接板(3)、梁端腹板(4)、单根槽钢(5)、钢拉索(6)、L形异形柱(7)、T形异形柱(8)、十字形异形柱(9)、盖板(10)、防屈曲板(11)、加强板(12)、剪切板(13)、加劲肋(14)、角钢(15)、连接板(16)、钢板剪力墙(17)和夹板(18)；其中，异形柱包括三种形式，即L形异形柱(7)、T形异形柱(8)和十字形异形柱(9)；其节点形式包括L形连接、T形连接和十字型连接；L形节点是L形异形柱(7)与双槽钢梁(1)连接；T形节点是T形异形柱(8)与双槽钢梁连接；十字形节点是十字形异形柱(9)与双槽钢梁连接；柱脚位置在异形柱与地基相连处；其中，L形柱脚分为A、B两面，T形柱脚共分A、B、C三个面，十字形柱脚共四个面，但四个面均相同；
该震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙的梁是由型钢构成的双槽钢梁(1)，双槽钢梁(1)是由两只单根槽钢(5)在梁端用梁端腹板(4)拼接成；L形节点的连接过程为，梁柱连接板(3)与梁端腹板(4)在工厂先行焊接，梁柱连接板(3)垂直于梁端腹板(4)，梁端腹板(4)位于梁柱连接板(3)的中部，其高度等于双槽钢梁(1)的型钢腹板高度，现场用螺栓将焊接在一起的梁柱连接板(3)与梁端腹板(4)固定在L形异形柱(7)翼缘上；双槽钢梁(1)是由两根槽钢梁组成的，双槽钢梁(1)与柱连接时，采用单根槽钢(5)分别连接的方式，先将一根槽钢用等肢角钢(2)与L形异形柱(7)连接，槽钢与L形异形柱(7)的翼缘垂直，一根槽钢连接后，同样的方式连接另一根槽钢；双槽钢梁(1)与L形异形柱(7)连接后，两根槽钢要用梁端腹板(4)连接成整体，用螺栓将两根槽钢与位于两根槽钢中间的梁端腹板(4)连接；T型节点连接形式、十字型节点连接形式与L型节点连接形式相同，只是异形柱分别采用T形异形柱(8)与十字形异形柱(9)；应力的布置方式按照上述方式连接各个不同形式的节点，框架已经形成；将钢拉索(6)依次穿过预留在异形柱翼缘上的孔洞，施加计算的预应力值，用永久锚具锚固在异形柱翼缘上；
L形柱脚连接过程为，梁柱连接板(3)与梁端腹板(4)在工厂先行焊接，梁柱连接板(3)垂直于梁端腹板(4)，梁端腹板(4)位于梁柱连接板(3)的中部，其高度等于双槽钢梁(1)的型钢腹板高度，现场用螺栓将焊接在一起的梁柱连接板(3)与梁端腹板(4)固定在L形异形柱(7)翼缘上；双槽钢梁(1)分为两根槽钢，柱脚连接时，将两根槽钢一起用螺栓连接在梁端腹板(4)上；为了加强柱脚处梁与异形柱连接的强度与刚度，在双槽钢梁(1)与梁柱连接板(3)接触处即槽钢内圈施加三面围焊；另一肢与本肢相同；在L型异形柱弯矩较大的短肢内部焊接横向加劲肋(14)，在加劲肋14上下焊接角钢(15)用以固定预连接板(16)；将连接板(16)穿过预留孔洞，并施加预应力，用永久锚具锚固在角钢(15)上；再将防屈曲板(11)、加强板(12)以及盖板(10)用螺栓连接于L形异形柱(7)翼缘处；盖板(10)周边有突出围边，以盖板(10)与加强板(12)绝对密实，防止潮气入侵盖板内腐蚀防屈曲板(11)；再将剪切板(13)用螺栓与双槽钢梁(1)连接；T型柱脚与十字型柱脚连接过程与L型柱脚相同，加劲肋(14)均布置在异形柱所受弯矩较大的一肢上，另一肢不需要布置；将一侧夹板(18)在工厂焊接在双槽钢梁(1)或异形柱翼缘上，待框架在施工现场搭建完毕后，将钢板剪力墙(17)安放到位，再焊接另一侧夹板(18)到双槽钢梁(1)或异形柱翼缘上，此时钢板剪力墙(17)夹在两侧夹板(18)内部，用螺栓将钢板剪力墙(17)与夹板(18)连接；钢板剪力墙(17)可采用内置钢板的混凝土-钢板剪力墙也可采用单一钢板，外喷涂防火防腐蚀涂料；通过装配后最终得到该震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙。
2.根据权利要求1所述的一种震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙，其特征在于：震后易修复钢异形柱框架-钢板剪力墙，楼板使用压型钢板组合楼板或钢筋混凝土楼板。
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