CN103696503A - 一种新型震后易修复钢异形柱框架 - Google Patents

Abstract

一种新型震后易修复钢异形柱框架，该框架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为预应力拉杆，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。

Description

一种新型震后易修复钢异形柱框架

技术领域

本发明涉及一种易修复钢异形柱框架，属于抗震减灾技术领域，尤其涉及一种新型震后易修复钢异形柱框架。

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，如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，而钢框架节点设计的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,而裂纹通常起源于梁柱节点焊缝。一年后,日本阪神发生了地震，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槽钢型钢梁，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

本发明的目的在于提供了一种新型震后易修复钢异形柱框架，该框架提高了结构抗震性能，减少了震后修复难度与维护费用；该新型震后易修复钢异形柱框架结构的基本构成包括框架梁、柱、预应力构件、角钢、摩擦件和其它构件；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一种新型震后易修复钢异形柱框架，该新型震后易修复钢异形柱框架包括双槽钢梁、等肢角钢、梁柱连接板、梁端腹板、单根槽钢、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、固定角钢和预应力拉杆；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；节点连接形式包括三种，即L形节点连接、T形节点连接和十字形节点连接；柱脚位置在异形柱与地基相连处；柱脚形式包括三种即L形柱脚、T形柱脚和十字形柱脚；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。

在该新型震后易修复钢异形柱框架结构中，所涉及的梁是由型钢构成的双槽钢梁，双槽钢梁是由单槽钢在梁端用梁端腹板拼接成的。

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组成的，双槽钢梁与异形柱连接时，采用单根槽钢分别连接的方式，先将一根槽钢用顶底角钢与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，两根槽钢用梁端腹板连接成双槽钢梁，用螺栓将两根槽钢与位于两根槽钢中间的梁端腹板连接；L形节点是L形异形柱与双槽钢梁连接；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；T型节点连接形式和十字型节点连接形式与L形节点连接形式相同，只是异形柱分别采用的T形异形柱与十字形异形柱；其节点预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；将预应力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，即通常定义的预应力后张法。

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；L形异形柱的另一肢与本肢连接方式相同；在L形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），在加劲肋上下焊接固定角钢用以固定预应力拉杆；将预应力拉杆穿过加劲肋与固定角钢的预留孔洞，并施加预应力，用永久锚具锚固在固定角钢上；再将防屈曲板、加强板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，以保证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形柱脚与十字形柱脚连接步骤与L形柱脚相同，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；由于T形柱脚与十字形柱脚稳定性较好，也可不布置加劲肋；经过装配后最终得到该新型震后易修复钢异形柱框架。

该新型震后易修复钢异形柱框架，楼板使用压型钢板组合楼板，或者钢筋混凝土楼板。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、在上述新型震后易修复钢异形柱框架中，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，有效地增加了房间的净高。

2、所述新型震后易修复钢异形柱框架，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、所述新型震后易修复钢异形柱框架结构，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，从而提高框架结构的抗震性能。

4、本发明提出的新型震后易修复钢异形柱框架是对传统钢结构建筑结构体系的颠覆，充分发挥了钢结构优势；与传统钢结构建筑框架结构相比，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形异形柱示意图。

图3为T形异形柱示意图。

图4为十字形异形柱示意图。

图5为自复位柱脚拆分示意图。

图6为槽钢型钢梁示意图。

图7为自复位柱脚位置示意图。

图8为L形异形柱节点分解示意图。

图9为T形异形柱节点分解示意图。

图10为十字形异形柱节点分解示意图。

图11为L形自复位柱脚立面A分解示意图。

图12为L形自复位柱脚立面B分解示意图。

图13为T形自复位柱脚立面A分解示意图。

图14为T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C分解示意图。

图16为十字形自复位柱脚立面分解示意图。

图17为新型震后易修复钢异形柱框架结构示意图。

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、固定角钢，16、预应力拉杆。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示为预应力自复位节点拆分示意图，图2为L形异形柱示意图，图3为T形异形柱示意图，图4为十字形异形柱示意图，图5为自复位柱脚拆分示意图，该新型震后易修复钢异形柱框架包括双槽钢梁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、固定角钢15和预应力拉杆16；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；节点连接形式包括三种，即L形节点连接、T形节点连接和十字形节点连接；柱脚位置在异形柱与地基相连处；柱脚形式包括三种即L形柱脚、T形柱脚和十字形柱脚；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6所示为槽钢型钢梁示意图，图7为自复位柱脚位置示意图，在该新型震后易修复钢异形柱框架结构中，所涉及的梁是由型钢构成的双槽钢梁1，双槽钢梁1是由单槽钢在梁端用梁端腹板4拼接成的。

如图8所示为L形异形柱节点分解示意图，图9为T形异形柱节点分解示意图，图10为十字形异形柱节点分解示意图，图11为L形自复位柱脚立面A分解示意图，图12为L形自复位柱脚立面B分解示意图，图13为T形自复位柱脚立面A分解示意图，图14为T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C分解示意图，图16为十字形自复位柱脚立面分解示意图，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是由两根槽钢组成的，双槽钢梁1与异形柱连接时，采用单根槽钢5分别连接的方式，先将一根槽钢用顶底角钢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，两根槽钢用梁端腹板4连接成双槽钢梁，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；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；T型节点连接形式和十字型节点连接形式与L形节点连接形式相同，只是异形柱分别采用的T形异形柱8与十字形异形柱9；其节点预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；将预应力索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，即通常定义的预应力后张法。

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；L形异形柱的另一肢与本肢连接方式相同；在L形异形柱7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），在加劲肋14上下焊接固定角钢15用以固定预应力拉杆16；将预应力拉杆16穿过加劲肋14与固定角钢15的预留孔洞，并施加预应力，用永久锚具锚固在固定角钢15上；再将防屈曲板11、加强板12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，以保证盖板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形柱脚与十字形柱脚连接步骤与L形柱脚相同，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；由于T形柱脚与十字形柱脚稳定性较好，也可不布置加劲肋14。

如图17所示为新型震后易修复钢异形柱框架示意图，经过装配后最终得到该新型震后易修复钢异形柱框架。

该新型震后易修复钢异形柱框架，楼板使用压型钢板组合楼板，或者钢筋混凝土楼板。

Claims (2)

1.一种新型震后易修复钢异形柱框架，其特征在于：该新型震后易修复钢异形柱框架包括双槽钢梁（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）、固定角钢（15）和预应力拉杆（16）；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）；节点连接形式包括三种，即L形节点连接、T形节点连接和十字形节点连接；柱脚位置在异形柱与地基相连处；柱脚形式包括三种即L形柱脚、T形柱脚和十字形柱脚；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；

在该新型震后易修复钢异形柱框架结构中，所涉及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）拼接成的；

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）是由两根槽钢组成的，双槽钢梁（1）与异形柱连接时，采用单根槽钢（5）分别连接的方式，先将一根槽钢用顶底角钢（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，两根槽钢用梁端腹板（4）连接成双槽钢梁，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；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；T型节点连接形式和十字型节点连接形式与L形节点连接形式相同，只是异形柱分别采用的T形异形柱（8）与十字形异形柱（9）；其节点预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；将预应力索（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，即通常定义的预应力后张法；

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；L形异形柱的另一肢与本肢连接方式相同；在L形异形柱（7）弯矩较大的短肢内部焊接横向加劲肋（14），在加劲肋（14）上下焊接固定角钢（15）用以固定预应力拉杆（16）；将预应力拉杆（16）穿过加劲肋（14）与固定角钢（15）的预留孔洞，并施加预应力，用永久锚具锚固在固定角钢（15）上；再将防屈曲板（11）、加强板（12）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，以保证盖板（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形柱脚与十字形柱脚连接步骤与L形柱脚相同，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；由于T形柱脚与十字形柱脚稳定性较好，也可不布置加劲肋（14）；经过装配后最终得到该新型震后易修复钢异形柱框架。

2.根据权利要求1所述的一种新型震后易修复钢异形柱框架，其特征在于：该新型震后易修复钢异形柱框架，楼板使用压型钢板组合楼板或者钢筋混凝土楼板。

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