CN103912073A - 一种内置型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内置型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构，包括钢管混凝土边柱、钢横梁和内嵌钢板，钢管混凝土边柱内部通长布置有型钢，所述内嵌钢板的竖向侧边固定连接有鱼尾板，所述鱼尾板穿过所述钢管混凝土边柱的侧壁与所述型钢焊接连接，所述鱼尾板与钢管混凝土边柱的侧壁相交处焊接连接。所述型钢沿钢管混凝土边柱高度贯通布置，与钢管混凝土边柱共同受力，型钢不仅能起到抗剪连接件的作用，还能起到提高钢管混凝土边柱竖向承载力的作用，提高了型钢的使用效率。在满足钢管混凝土边柱承载力的要求下可大幅减小边柱截面尺寸，降低结构自重并且增大结构抗震延性，有效增加建筑使用空间，特别适用于高层及超高层建筑结构。

Description

一种内置型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构

技术领域

本发明涉及钢板剪力墙结构领域，更具体地，涉及一种内置型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构。

背景技术

钢板剪力墙结构是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力结构体系。钢板剪力墙由内嵌钢板、竖向边缘构件（柱）和水平边缘构件（梁）构成，其整体受力性能类似于底端嵌固的竖向悬臂梁，其中竖向边缘构件相当于梁翼缘，内嵌钢板相当于梁腹板，水平边缘构件则可以近似等效为横向加劲肋。内嵌钢板可采用无加劲肋和有加劲肋的构造形式。无加劲的钢板剪力墙在强震作用下可以充分利用钢板的屈曲后强度，并具有很好的延性和耗能能力。加劲的钢板剪力墙则能够限制钢板的平面外屈曲，从而提高结构的屈曲承载力，有助于增强结构在风以及小震作用下的抗侧移刚度并方便施工。与传统的钢框架或者钢框架加混凝土剪力墙结构体系相比，钢板剪力墙结构具有厚度薄、自重轻、建造速度快和延性好等优点。已有的研究成果以及工程实例表明，钢板剪力墙是一种非常具有发展潜力的抗侧力体系，尤其适用于高烈度地震设防区的高层建筑以及抗震加固。

由于钢管混凝土边框承载效率高，截面抗弯刚度大，钢管混凝土框架与薄钢板剪力墙相结合能够显著提高结构的抗侧能力及抗震性能。要保证这种结构体系充分发挥作用，选取适合的边框架与钢板连接方法以及主动控制其破坏过程十分必要。目前，薄钢板剪力墙直接与钢管混凝土边柱焊接连接，在风或地震等水平载荷作用下，薄钢板剪力墙会在连接节点处对钢管混凝土边柱壁产生拉力，该拉力会使钢管壁局部受力变形，导致钢管壁对于三向应力的套箍作用削弱，使得钢管混凝土的承载力降低。

中国专利申请CN101806107A公开了一种薄钢板剪力墙的边柱连接节点，包括薄钢板剪力墙和圆钢管混凝土边柱，薄钢板剪力墙的侧边竖向通长连接有鱼尾板，鱼尾板的一端插入到圆钢管混凝土边柱内，鱼尾板与圆钢管混凝土边柱侧壁相交处焊接，锚固钢板纵向垂直插入圆钢管混凝土边柱内，并与鱼尾板端头垂直焊接。该申请中，锚固钢板仅仅起到抗剪连接件的作用，并不参与钢管混凝土受力，钢材没有得到充分的利用，同时易造成较大焊接变形。

另一方面，在传统型钢混凝土结构中，通常做法是型钢与混凝土界面无处理保持自然粘结，这种做法型钢和混凝土之间会产生不可预料的相对滑移，再加上钢板剪力墙产生的强大拉力场，会大大降低型钢与混凝土的共同作用。

还一方面，在破坏模式控制设计中，需要遵循“强框架、弱墙板”，“强柱弱梁”，“强连接弱构件”的原则，为超高层结构提供多道抗震防线，即令墙板先发生破坏耗散能量，然后梁端出现塑性铰，保护竖向受力构件，并加强连接设计，最终保证结构不发生倒塌。

因此，需要提供一种内置腹板开洞型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构，该钢板剪力墙为采用新型可靠连接方法的高性能钢管混凝土边框钢板剪力墙结构，并且通过合理设计主动控制其破坏和失效机制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种内置型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构，这种钢板剪力墙结构利用在钢管混凝土边柱中沿柱高度通长布置腹板开洞型钢，并与鱼尾板焊接连接，实现钢板剪力墙上拉力场均匀传递到边柱，不破坏混凝土与钢管、型钢的共同作用，提高边柱对钢板剪力墙的嵌固作用，使钢板剪力墙的耗能能力和延性充分发挥；同时型钢在钢管混凝土边柱中也能起到抗剪连接件和提高承载能力的双重作用。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种内置型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构，包括钢管混凝土边柱、钢横梁和内嵌钢板，钢管混凝土边柱内部通长布置有型钢，所述内嵌钢板的竖向侧边固定连接有鱼尾板，所述鱼尾板穿过所述钢管混凝土边柱的侧壁与所述型钢焊接连接，所述鱼尾板与钢管混凝土边柱的侧壁相交处焊接连接。在上述技术方案中，由于型钢设置在钢管混凝土边柱内部并沿柱高通长设置，内嵌钢板通过鱼尾板与型钢焊接连接，这样内嵌钢板产生的拉力就通过鱼尾板传递到型钢上，并均匀分布到钢管混凝土边柱上，从而能够令钢板剪力墙的耗能能力和延性充分发挥。所述型钢沿钢管混凝土边柱高度贯通布置，与钢管混凝土边柱共同受力，型钢不仅能起到抗剪连接件的作用，还能起到提高钢管混凝土边柱竖向承载力的作用，提高了型钢的使用效率。在满足钢管混凝土边柱承载力要求条件下可大幅减小边柱截面尺寸，降低结构自重并且增大结构抗震延性，有效增加建筑使用空间，特别适用于高层及超高层建筑结构。

优选地，所述型钢的腹板处开设有若干个孔。这样型钢两侧的混凝土在型钢腹板的孔处结合，形成“混凝土榫头”，从而提高了型钢与混凝土的锚固效果。

优选地，所述孔的孔径为5～8mm。

优选地，所述型钢腹板上开设的孔的孔间距为30～60mm。

优选地，所述内嵌钢板为低屈服点钢材，其两侧表面上均焊接有T型加劲肋，所述T型加劲肋呈交叉布置、十字布置或平行布置。

优选地，所述T型加劲肋突出内嵌钢板的高度不超过所述钢管混凝土边柱的翼缘宽度。在内嵌钢板的表面设置T型加劲肋能够显著抑制内嵌钢板的平面外屈曲，减少平面外变形，降低鼓曲声，滞回曲线饱满，抗震性能优越，保证低屈服点钢材材料的优势。

优选地，所述内嵌钢板的上下两侧设有钢横梁，所述内嵌钢板的上下侧边连接有鱼尾板，所述内嵌钢板通过鱼尾板与钢横梁固定连接，所述钢横梁的两端均呈狗骨型结构，所述钢横梁的两端固定连接钢管混凝土边柱。采用将钢横梁的两端削弱，形成狗骨型的结构、采用内嵌型钢的钢管混凝土边柱和采用低屈服点钢板剪力墙能够主动控制结构体系的破坏过程和失效机制，使其满足“强框架、弱板墙”，“强柱弱梁”，“强连接弱构件”的设计原则。

优选地，所述型钢为工字钢、T型钢或矩形钢管。

优选地，所述钢管混凝土边柱可以是矩形钢管或圆形钢管。

优选地，所述内嵌钢板的四个角部开有1/4圆弧。采用这样的结构可以减小加工误差对安装的影响。

本发明的有益效果如下：

本发明提出的型钢沿钢管混凝土边柱高度贯通布置，与钢管混凝土边柱共同受力，大幅提高边框柱竖向承载能力。型钢腹板开设圆洞与两侧混凝土在孔洞处连通，形成“混凝土榫头”，增强型钢与混凝土的共同作用，令所述型钢起到受力元件和抗剪连接件的双重作用。

本发明提出的钢管混凝土与钢板剪力墙连接方法有效防止钢板剪力墙形成的拉力场对边柱钢管壁的不利影响，无需增加其他剪力连接件，减少焊接变形的影响，实现钢板剪力墙上拉力场均匀传递到边柱，同时提高边柱对钢板剪力墙的嵌固作用，使所述低屈服点钢板剪力墙的耗能能力和延性充分发挥。

本发明采用多种布置形式的T型肋加劲，能够显著抑制内嵌钢板的平面外屈曲，减少平面外变形，降低鼓曲声，滞回曲线饱满，抗震性能优越，保证低屈服点钢材材料优势的体现。

根据“强框架、弱墙板”，“强柱弱梁”，“强连接弱构件”的原则，本发明通过利用T型加劲的高耗能高延性低屈服点内嵌钢板、端部削弱钢梁、超高性能钢管混凝土柱、内置腹板开洞型钢等措施，使得结构具有多道抗震设防，内嵌钢板屈曲屈服→“狗骨型”钢横梁形成梁端塑性铰→充分保证竖向承重构件的安全，主动控制结构体系的破坏过程和失效机制，实现高性能结构形式与高性能材料相结合，结构承重构件和耗能元件相结合的设计理念。

本发明大部分为装配式构件，施工方便，钢结构均可在工厂预制加工，保证焊接质量；现场灌混凝土，充分利用低屈服点钢材可焊性好的特点，现场将钢板墙与鱼尾板焊接连接或螺栓连接，可广泛应用于高层框架抗震体系之中。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的结构示意图。

图2示出本发明的矩形钢管混凝土边柱和工字钢型钢的剖视图。

图3示出本发明的圆形钢管混凝土边柱和工字钢型钢的剖视图。

图4示出本发明的工字钢型钢的A-A向视图。

图5示出钢管混凝土边柱与钢横梁的局部连接结构示意图。

图6示出本发明的对角交叉布置T型加劲肋的结构示意图。

图7示出本发明的竖向平行布置T型加劲肋的结构示意图。

图8示出本发明的水平平行布置T型加劲肋的结构示意图。

图9示出图1中A部的局部放大图。

图10示出图6中B部的局部放大图。

图11示出本发明的矩形钢管混凝土边柱和矩形钢型钢的剖视图。

图12示出本发明的圆形钢管混凝土边柱和矩形钢型钢的剖视图。

图13示出本发明的矩形钢型钢的A-A向视图。

图14示出本发明的矩形钢管混凝土边柱和T形钢型钢的剖视图。

图15示出本发明的圆形钢管混凝土边柱和T形钢型钢的剖视图。

图16示出本发明的T形钢型钢的A-A向视图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1～4所示，本发明的一种内置型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构包括内嵌钢板1、T型加劲肋2、鱼尾板3、钢管混凝土边柱4、型钢5和“狗骨型”钢横梁6。钢管混凝土边柱4为矩形钢管结构或圆型钢管结构，型钢5通长设置在钢管混凝土边柱4的内部，内嵌钢板1采用低屈服点钢板，其四边均固定连接有鱼尾板3，其竖向侧边连接的鱼尾板3穿过钢管混凝土边柱4的侧壁与型钢5焊接连接，鱼尾板3与钢管混凝土边柱4的侧壁相交处焊接连接。型钢5为工字钢结构，其腹板上开设有圆孔51，圆孔51的直径为5～8mm，间距30～60mm。内嵌钢板1的四个角开有1/4圆弧，内嵌钢板1上下两边连接的鱼尾板3与钢横梁6固定连接。内嵌钢板1的两侧面上均焊接有十字交叉的T型加劲肋2，T型加劲肋2突出内嵌钢板1表面的高度不超过钢管混凝土边柱4的翼缘宽度。型钢5沿管混凝土边柱4贯通布置，与钢管混凝土边柱4共同受力，型钢5腹板开设圆孔51，腹板两侧混凝土在圆孔51处连通，形成“混凝土榫头”，增强型钢5与混凝土的锚固效果，令型钢5起到受力元件和抗剪连接件的双重作用，提高了钢材的使用效率。

如图5所示，钢横梁6为“狗骨型”结构，其两端削弱成“狗骨型”，钢横梁6通过外环板7与钢管混凝土边柱4固定连接，外环板7套装在钢管混凝土边柱4的外侧，并与钢管混凝土边柱4采用坡口焊接连接，外环板7与钢横梁6采用对接焊缝连接。钢横梁6的两端部呈“狗骨型”削弱，能够起到主动控制结构体系破坏过程和失效机制，符合”强柱弱梁”的设计原则。

如图6～10所示，内嵌钢板1的两侧面上均焊接有T型加劲肋2，其布置方式可以是十字交叉、对角交叉或平行布置。所述的T型加劲肋2的平面外高度不超过所述边柱4的翼缘宽度。T型加劲肋2在相交部分翼缘对接焊接连接，腹板分离。采用多种布置形式的T型肋加劲，能够显著抑制内嵌钢板1的平面外屈曲，减少平面外变形，降低鼓曲声，滞回曲线饱满，抗震性能优越，保证低屈服点钢材材料优势的体现。

如图11～16所示，钢管混凝土边柱4可以是矩形钢管或圆形钢管结构，型钢5可以是工字钢、H型钢、矩形钢或T型钢。

本发明专利采用的材料如下：

所述内嵌钢板1采用低屈服点钢材，钢材屈服强度在100-225MPa之间；钢管混凝土柱4内填混凝土可以采用普通混凝土、高性能混凝土或采用超高性能混凝土，超高性能混凝土抗压强度在170-200MPa，圆柱劈裂抗拉强度12-24MPa；所述T型加劲肋2、鱼尾板3、型钢5、钢管混凝土柱4和钢横梁6均采用屈服强度高于内嵌钢板的低合金钢材或高强度钢材。

具体施工过程如下：

在工厂，首先，将鱼尾板3的长边与腹板开洞型钢5焊接连接；然后，钢管混凝土边柱4外侧钢管在焊有鱼尾板3的位置处断开，将焊有型钢5的鱼尾板3插入钢管混凝土边柱4内部，鱼尾板3和钢管混凝土边柱4侧壁相交处焊接；“狗骨型”焊接工字钢横梁6与鱼尾板3焊接连接；外环板7与钢管混凝土边柱4焊接连接；T型加劲肋2与内嵌钢板1焊接连接。

在现场，首先，将钢管混凝土边柱4安装就位后，将钢横梁6焊接于外环板7上；然后，在钢管混凝土边柱4内浇筑混凝土，待混凝土硬化后形成内置腹板开洞型钢5的钢管混凝土边框架；最终，将带T型加劲肋2的低屈服点内嵌钢板1与鱼尾板3焊接或螺栓连接，形成内置腹板开洞型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种内置型钢钢管混凝土边框低屈服点钢板剪力墙结构，包括钢管混凝土边柱、钢横梁和内嵌钢板，其特征在于：钢管混凝土边柱内部通长布置有型钢，所述内嵌钢板的竖向侧边固定连接有鱼尾板，所述鱼尾板穿过所述钢管混凝土边柱的侧壁与所述型钢焊接连接，所述鱼尾板与钢管混凝土边柱的侧壁相交处焊接连接。

2.根据权利要求1所述的钢板剪力墙结构，其特征在于：所述型钢的腹板处开设有若干个孔。

3.根据权利要求2所述的钢板剪力墙结构，其特征在于：所述孔的孔径为5～8mm。

4.根据权利要求2所述的钢板剪力墙结构，其特征在于：所述型钢腹板上开设的孔的孔间距为30～60mm。

5.根据权利要求1所述的钢板剪力墙结构，其特征在于：所述内嵌钢板为低屈服点钢材，其两侧表面上均焊接有T型加劲肋，所述T型加劲肋呈交叉布置、十字布置或平行布置。

6.根据权利要求5所述的钢板剪力墙结构，其特征在于：所述T型加劲肋突出内嵌钢板的高度不超过所述钢管混凝土边柱的翼缘宽度。

7.根据权利要求1所述的钢板剪力墙结构，其特征在于：所述内嵌钢板的上下两侧设有钢横梁，所述内嵌钢板的上下侧边连接有鱼尾板，所述内嵌钢板通过鱼尾板与钢横梁固定连接，所述钢横梁的两端均呈狗骨型结构，所述钢横梁的两端固定连接钢管混凝土边柱。

8.根据权利要求1所述的钢板剪力墙结构，其特征在于：所述型钢为工字钢、T型钢或矩形钢管。

9.根据权利要求1所述的钢板剪力墙结构，其特征在于：所述钢管混凝土边柱可以是矩形钢管或圆形钢管。

10.根据权利要求1所述的钢板剪力墙结构，其特征在于：所述内嵌钢板的四个角部开有1/4圆弧。