CN104060687A - 可控转动自复位弹性柱铰结构及自复位弹性柱铰的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控转动自复位弹性柱铰结构及自复位弹性柱铰的实现方法。可控转动自复位弹性柱铰结构，包括有直立的框架柱和设置在所述框架柱底面的浅杯口柱基；在所述浅杯口柱基的顶面设有承接所述框架柱的凹形杯口；在所述框架柱的底面设有钢制底板，在所述钢制底板上焊接有若干直立的钢管，所述钢管预埋在所述框架柱的柱体中，在每个所述钢管中穿接有高强钢筋，所述高强钢筋的上段锚固在所述框架柱的柱体中，所述高强钢筋的下段锚固在所述浅杯口柱基的基体中。本发明突破了传统框架的设计思路，能够使得框架柱基节点具有良好的自复位性能，使框架柱底具有弹性转动能力和自复位能力，提高了框架柱的抗震性能。

Description

可控转动自复位弹性柱铰结构及自复位弹性柱铰的实现方法

技术领域

本发明涉及一种建筑结构，具体地说是一种可控转动自复位弹性柱铰结构及自复位弹性柱铰的实现方法。

背景技术

地球上近期频发的强烈地震，既造成了重大财产损失，也严重威胁到了广大民众的生命安全。而作为人民生产生活主要场所的建筑物，在地震等自然灾害中发生损坏，会带来巨大的损失。因此，研究建筑物新型抗震体系的意义十分重大。现有基于延性设计的混凝土框架柱或钢柱结构中，预设的截面延性变形机制主要是通过框架柱的结构材料如钢材或者混凝土的屈服形成截面塑性铰来实现，在中等地震强度的情况下就会发生，导致不可忽略的残余变形，由此带来以下四点不足：

1、截面延性变形过大且难以局部恢复，导致被整体拆除；

2、即便延性变形在限值以内，但设计截面的承载力和刚度都出现明显的下降，对继续服役造成不利影响；

3、直接造成巨大的经济损失。

4、结构进入弹塑性破坏状态之后很难修复。

在这样的现实状况下，建筑工程界需要寻求更加先进的设计方案以及更为严格的建筑抗震设计规范准则。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种可控转动自复位弹性柱铰结构，以解决传统框架柱在地震过后具有较大残余变形从而影响建筑结构强度的问题。

本发明的目的之二是提供一种可控转动自复位弹性柱铰结构的实现方法，以消除传统框架柱在地震过后具有的较大的残余变形。

本发明的目的之一是这样实现的：一种可控转动自复位弹性柱铰结构，包括有直立的框架柱和设置在所述框架柱底面的浅杯口柱基；在所述浅杯口柱基的顶面设有承接所述框架柱的凹形杯口；在所述框架柱的底面设有钢制底板，在所述钢制底板上焊接有若干直立的钢管，所述钢管预埋在所述框架柱的柱体中，在每个所述钢管中穿接有高强钢筋，所述高强钢筋的上段锚固在所述框架柱的柱体中，所述高强钢筋的下段锚固在所述浅杯口柱基的基体中。

在所述浅杯口柱基的凹形杯口的侧壁与所述框架柱的侧壁之间留有间隙，在该间隙中充填有无收缩砂浆，形成隔绝空气的无收缩砂浆层，以防止钢制底板的锈蚀。

所述高强钢筋在所述框架柱中有至少2/3柱高的埋入长度，在所述框架柱的柱体内按照受力配有相应的纵筋和箍筋。

所述高强钢筋在所述浅杯口柱基内有足够的埋入长度或者采用90°弯钩的锚固方式固定。

所述高强钢筋与所述钢管内壁无粘结，以保证柱基节点柱铰具有足够的弹性转动能力；在所述钢管内注有油脂，以防止锈蚀。

所述浅杯口柱基为预制混凝土结构或者现浇结构，其凹形杯口具有足够的抗剪强度，以约束所述框架柱的水平位移，并保证柱基节点具有足够的转动空间。

本发明中的高强钢筋与浅杯口柱基构成一种弹性复位组件，其受力特点，一是布置于框架柱截面周边位置的高强钢筋将原本分开浇筑的框架柱与浅杯口柱基牢固连接在一起，在地震过后，由于高强钢筋的线弹性特性，可以产生足够的恢复力，使自复位弹性柱铰结构重新回到初始位形，而不产生或者减少转动残余变形；二是框架柱底端始终处于弹性阶段，不发生弹塑性或塑性破坏。通过理论研究和试验表明，本发明自复位弹性柱铰结构拥有稳定的自复位能力，可以保证框架柱底端始终处于弹性转动，这样，既能避免底层柱底出现塑性破坏，又能有效地减小塑性残余变形，由此实现了预设的弹性—复位的抗震自复位机制。

本发明的目的之二是这样实现的：一种自复位弹性柱铰的实现方法，包括以下步骤：

(1) 预埋件的制作：按框架柱底面的设计形状和尺寸截取一块钢板，在所述钢板的板面上开设若干孔眼，在所述钢板的顶面对应每个孔眼处焊接一根钢管，整体做防锈处理后，即成预埋件；

(2) 浅杯口柱基的制作：采用混凝土预制或现浇的方式制作浅杯口柱基，浅杯口柱基顶面的凹形杯口的口形与框架柱底面的形状相同，但尺寸略大于框架柱底面的外周尺寸；在凹形杯口下部的浅杯口柱基基体中锚固若干高强钢筋，每根高强钢筋对应预埋件上的一个孔眼的位置；当浇筑的混凝土经养护凝固后，即成浅杯口柱基；

(3) 框架柱的制作：先将浅杯口柱基上锚固的高强钢筋一一通过预埋件上的孔眼和钢管从下向上穿出，再将预埋件放入浅杯口柱基上的凹形杯口中，在每个钢管内灌入油脂并对钢管上口进行封盖处理，再在浅杯口柱基上架设框架柱浇筑模板，框架柱浇筑模板的下沿伸入凹形杯口的底部并与凹形杯口的内壁相贴，然后采用现浇方式在预埋件上部浇筑框架柱，并使从预埋件上伸出的高强钢筋锚固在框架柱的柱体中；

(4)当框架柱经养护凝固后，拆除框架柱浇筑模板，在浅杯口柱基上的凹形杯口的侧壁与框架柱的侧壁之间形成间隙，在该间隙中充填无收缩砂浆，形成隔绝空气的无收缩砂浆层。，以防止钢制底板的锈蚀，由此形成使框架柱节点具有自复位功能的自复位弹性柱铰结构。

在框架柱的柱体内可按照受力配以相应的纵筋和箍筋。

所述浅杯口柱基上的凹形杯口具有足够的抗剪强度，以约束框架柱的水平位移，并保证柱基节点具有足够的转动空间。

本发明与传统框架柱基节点相比，具有如下优点：

1、弹性复位功能，锚固于框架柱柱体中的高强钢筋可以产生恢复力，使得该节点可重新回到初始位形，而不产生转动残余变形，由此很好地解决了传统框架柱在地震过后具有较大残余变形的问题。

2、本发明设计灵活，结构受力明确，建筑结构在预先设定部位（柱底）通过布置于框架柱柱体中的高强钢筋组件实现自复位，且能够保证框架柱具有足够的强度和刚度。

3、本发明采用现浇构件体系，现场施工，不增加施工难度和工序，体系明确、性能优越。

本发明突破了传统框架的设计思路，能够使得框架柱基节点具有良好的自复位性能，以满足越来越多的对于框架柱震后残余变形的要求。

本发明可以采用预制构件施工或者现浇施工。预制构件施工只需现场作业拼装，施工清晰、简便、快速，可保证框架柱类建筑结构具有足够的强度和刚度，是一种先进实用的新型框架柱体系。

附图说明

图1是本发明自复位弹性柱铰结构的结构示意图。

图2是图1的A—A向剖面图。

图中：1、框架柱，2、浅杯口柱基，4、钢制底板，5、钢管，6、高强钢筋，7、纵筋，8、无收缩砂浆层，9、箍筋。

具体实施方式

实施例1：可控转动自复位弹性柱铰结构

如图1、图2所示，可控转动自复位弹性柱铰结构包括有直立的框架柱1和浅杯口柱基2。在浅杯口柱基2的顶面设有承接框架柱的凹形杯口。在框架柱1的柱体内按照受力配有相应的纵筋7和箍筋9。在框架柱1的底面设有钢制底板4，在钢制底板4上焊接有若干直立的钢管5，钢管5预埋在框架柱1的柱体中。在每个钢管5中穿接有高强钢筋6，高强钢筋6的上段锚固在框架柱1的柱体中，高强钢筋6在框架柱中有至少2/3柱高的埋入长度。高强钢筋5的下段锚固在浅杯口柱基2的基体中。高强钢筋6在浅杯口柱基2内有足够的埋入长度，或者采用90°弯钩的锚固方式固定。高强钢筋6与钢管5的内壁无粘结，以保证柱基节点柱铰具有足够的弹性转动能力。在钢管5内注有油脂，以防止锈蚀。

框架柱下部的预埋件可起到分压的作用，以防止后张拉预应力钢筋在锚固端部产生过大的局部压力而压溃混凝土。

在浅杯口柱基2的凹形杯口的侧壁与框架柱1的侧壁之间留有间隙，在该间隙中充填有无收缩砂浆，形成隔绝空气的无收缩砂浆层8，以防止钢制底板的锈蚀。浅杯口柱基2为预制混凝土结构或者现浇结构，其凹形杯口具有足够的抗剪强度，以约束框架柱的水平位移，并保证柱基节点具有足够的转动空间。

实施例2：自复位弹性柱铰的实现方法

自复位弹性柱铰的实现方法包括以下步骤：

(1) 预埋件的制作：按框架柱底面的设计形状和尺寸截取一块矩形钢板，钢板可采用Q235或以上等级的常规钢板。在钢板的板面四角用气焊各开设1—2个孔眼，在钢板的顶面对应每个孔眼处焊接一根直立的钢管，所有型钢焊缝均为双面焊缝。钢管的内径以及钢板上孔眼的孔径应略大于选用的高强钢筋的直径。钢板与钢管整体做防锈处理后，即成预埋件。预埋件中的钢板置于框架柱的底面，在浇筑定型后，即成为框架柱的钢制底板，用于与浅杯口柱基相接触。由于框架柱在受到地震反复作用时会产生左右摆动，框架柱与浅杯口柱基制间会因摆动而产生夹角，混凝土的框架柱很容易因局部荷载过大而破碎、压溃，预埋件中的钢板恰为框架柱提供了良好的接触表面，减缓了混凝土框架柱及浅杯口柱基在柱脚处的接触破坏，改善了结构的局部承压性能。此外，预埋件中的钢板与钢管一起，还可起到连接和分压的作用，以防止框架柱底端部产生过大的局部压力而压溃混凝土。

(2) 浅杯口柱基的制作：采用混凝土预制或现浇的方式制作浅杯口柱基，浅杯口柱基顶面制有凹形杯口，其口形与框架柱底面的形状相同，但尺寸略大于框架柱底面的外周尺寸。浅杯口柱基上的凹形杯口具有足够的抗剪强度，以约束框架柱的水平位移，并保证柱基节点具有足够的转动空间。在凹形杯口下部的浅杯口柱基的基体中锚固若干高强钢筋，高强钢筋在浅杯口柱基内应有足够的锚固，例如足够的埋入长度，或者以90°弯钩等锚固方式固定高强钢筋，防止高强钢筋从混凝土基体中拉脱。高强钢筋的强度等级应在1320—1860N/mm²之间，直径可在8. 6—15. 2mm之间。每根高强钢筋对应预埋件上的一个孔眼的位置。浅杯口柱基中锚固的高强钢筋应与预埋件上的孔眼位置严格对齐，以保证高强钢筋可沿预埋件上的孔眼顺利穿过，在预埋件中没有弯折。当浇筑的混凝土经养护凝固后，即成浅杯口柱基。

(3) 框架柱的制作：先将浅杯口柱基上锚固的高强钢筋一一通过预埋件上的孔眼和钢管从下向上穿出，再将预埋件放入浅杯口柱基上的凹形杯口中，在每个钢管内灌入油脂并对钢管上口塞入橡胶塞，进行封盖处理，再在浅杯口柱基上架设框架柱浇筑模板，框架柱浇筑模板的下沿伸入凹形杯口的底部并与凹形杯口的内壁相贴，然后即可采用现浇方式在预埋件上部浇筑框架柱，并使从预埋件上伸出的高强钢筋锚固在框架柱的柱体中。在框架柱的柱体内可按照受力配以相应的纵筋和箍筋。

(4)当框架柱经养护凝固后，拆除框架柱浇筑模板，在浅杯口柱基上的凹形杯口的侧壁与框架柱的侧壁之间形成间隙，在该间隙中充填无收缩砂浆，形成隔绝空气的无收缩砂浆层，以防止钢制底板的锈蚀，由此形成使框架柱节点具有自复位功能的自复位弹性柱铰结构。

Claims (9)

1.一种可控转动自复位弹性柱铰结构，其特征是，包括有直立的框架柱和设置在所述框架柱底面的浅杯口柱基；在所述浅杯口柱基的顶面设有承接所述框架柱的凹形杯口；在所述框架柱的底面设有钢制底板，在所述钢制底板上焊接有若干直立的钢管，所述钢管预埋在所述框架柱的柱体中，在每个所述钢管中穿接有高强钢筋，所述高强钢筋的上段锚固在所述框架柱的柱体中，所述高强钢筋的下段锚固在所述浅杯口柱基的基体中。

2.根据权利要求1所述的可控转动自复位弹性柱铰结构，其特征是，在所述浅杯口柱基的凹形杯口的侧壁与所述框架柱的侧壁之间留有间隙，在该间隙中充填有无收缩砂浆，形成隔绝空气的无收缩砂浆层。

3.根据权利要求1所述的可控转动自复位弹性柱铰结构，其特征是，所述高强钢筋在所述框架柱中有至少2/3柱高的埋入长度，在所述框架柱的柱体内配有纵筋和箍筋。

4.根据权利要求1所述的可控转动自复位弹性柱铰结构，其特征是，所述高强钢筋在所述浅杯口柱基内有足够的埋入长度或者采用90°弯钩的锚固方式固定。

5.根据权利要求1所述的可控转动自复位弹性柱铰结构，其特征是，所述高强钢筋与所述钢管内壁无粘结。

6.根据权利要求1所述的可控转动自复位弹性柱铰结构，其特征是，所述浅杯口柱基为预制混凝土结构或者现浇结构，其凹形杯口具有足够的抗剪强度，以约束所述框架柱的水平位移，并保证柱基节点具有足够的转动空间。

7.一种自复位弹性柱铰的实现方法，其特征是，包括以下步骤：

(1) 预埋件的制作：按框架柱底面的设计形状和尺寸截取一块钢板，在所述钢板的板面上开设若干孔眼，在所述钢板的顶面对应每个孔眼处焊接一根钢管，整体做防锈处理后，即成预埋件；

(2) 浅杯口柱基的制作：采用混凝土预制或现浇的方式制作浅杯口柱基，浅杯口柱基顶面的凹形杯口的口形与框架柱底面的形状相同，但尺寸略大于框架柱底面的外周尺寸；在凹形杯口下部的浅杯口柱基基体中锚固若干高强钢筋，每根高强钢筋对应预埋件上的一个孔眼的位置；当浇筑的混凝土经养护凝固后，即成浅杯口柱基；

(3) 框架柱的制作：先将浅杯口柱基上锚固的高强钢筋一一通过预埋件上的孔眼和钢管从下向上穿出，再将预埋件放入浅杯口柱基上的凹形杯口中，在每个钢管内灌入油脂并对钢管上口进行封盖处理，再在浅杯口柱基上架设框架柱浇筑模板，框架柱浇筑模板的下沿伸入凹形杯口的底部并与凹形杯口的内壁相贴，然后采用现浇方式在预埋件上部浇筑框架柱，并使从预埋件上伸出的高强钢筋锚固在框架柱的柱体中；

(4)当框架柱经养护凝固后，拆除框架柱浇筑模板，在浅杯口柱基上的凹形杯口的侧壁与框架柱的侧壁之间形成间隙，在该间隙中充填无收缩砂浆，形成隔绝空气的无收缩砂浆层（以防止钢制底板的锈蚀），由此形成使框架柱节点具有自复位功能的自复位弹性柱铰结构。

8.根据权利要求7所述的自复位弹性柱铰的实现方法，其特征是，在框架柱的柱体内可按照受力配以相应的纵筋和箍筋。

9.根据权利要求7所述的可控转动自复位弹性柱铰结构，其特征是，所述浅杯口柱基上的凹形杯口具有足够的抗剪强度，以约束框架柱的水平位移，并保证柱基节点具有足够的转动空间。