CN104631616A - 一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，结构包括钢筋混凝土摇摆墙、主体框架结构、套筒连接件、橡胶垫和基础梁；钢筋混凝土摇摆墙下部预埋两根钢棒并伸出墙外一定长度，钢棒插入基础梁中埋设的两只钢杯。在钢筋混凝土摇摆墙对应每层梁中心线处预埋一根通长的墙内螺杆，螺杆两端各栓接一块钢板，并伸出墙体一定长度；所述主体框架结构上，与摇摆墙相邻的框架柱内预埋柱内螺杆，螺杆伸出柱外一定长度；套筒连接件包括一根两端带有螺纹的延性螺杆、两个螺母和两个起连接作用的套筒，延性螺杆穿过套筒端部的孔并与嵌在套筒内的螺母拧紧；柱内螺杆和墙内螺杆分别嵌套在套筒内并且通过螺纹段与套筒的内螺纹段拧紧。

Description

一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件

技术领域

本发明属于土木工程结构技术领域，尤指一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，既可用于既有结构的抗震加固，也适用于新建建筑的抗震减震。

背景技术

我国现行建筑抗震规范中基于防倒塌的设计思想，对于大多数工程结构是合理可行的。但对于重要建筑应向可修复设计转变，并最终发展为可恢复功能抗震结构。目前可恢复功能结构包括摇摆结构、自复位结构和可更换构件结构等。摇摆墙是摇摆结构的一种实现形式，它与钢筋混凝土框架结构相结合，能够有效地控制结构的变形模式和损伤位置，从而方便地预测可能发生损伤的构件或部位，同时可保证框架结构在强震作用下呈现整体破坏模式。

近几年来，美国和日本开始针对摇摆结构的设计方法与力学特性、耗能机理等开展了相应的探索研究，并进行了少量摇摆墙结构体系的工程试点，如日本东京工业大学G3教学楼的抗震加固等。国内对于摇摆墙的研究刚刚开始，清华大学开展了摇摆墙节点试验，但该连接件较为复杂且强震后不易更换；上海市建筑科学研究院也进行了摇摆墙节点连接件的试验研究探索。

虽然摇摆墙能显著提高框架的抗震性能，但目前仅有个别工程实例，尚未形成成熟的设计和建造方法。工程实例中所用的连接形式大多数价格昂贵且工作效率较低，且存在可更换性差、摇摆性能不足等问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有摇摆墙结构摇摆性能不足、造价较高及可更换性能较差等缺点，提出了一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，既能够充分发挥墙体的摇摆性能以实现强震下的耗能目标，又能实现强震后连接件的快速更换和结构性能恢复。本发明施工简便、造价较低，无需使用阻尼器等附加元件即可实现大震下的耗能，同时也有助于抗震承载力的进一步提高。

本发明技术方案为：

一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，结构包括钢筋混凝土摇摆墙、主体框架结构、套筒连接件、橡胶垫和基础梁。所述的主体框架结构和钢筋混凝土摇摆墙安装在基础梁上，主体框架结构包括框架柱和2～8层框架梁，相邻的主体框架结构之间为钢筋混凝土摇摆墙；钢筋混凝土摇摆墙与主体框架结构之间以套筒连接件连接。

钢筋混凝土摇摆墙下部预埋两根墙底钢棒并伸出墙外；基础梁的相应位置内埋设钢杯，钢筋混凝土摇摆墙和基础梁之间设有墙底钢板和橡胶垫，墙底钢棒穿过墙底钢板和橡胶垫插在钢杯内。

在钢筋混凝土摇摆墙对应每层框架梁的中心线处预埋一根通长水平方向的墙内螺杆，墙内螺杆横向贯通钢筋混凝土摇摆墙，并在两端各栓接一块墙内钢板，墙内钢板的宽度为墙体厚度的90％～100％，高度为宽度的1.8～2.5倍，厚度为5～15mm；墙内钢板外表面与钢筋混凝土摇摆墙的墙体外表面齐平，中心与墙内螺杆的中心重合。

所述主体框架结构上，与钢筋混凝土摇摆墙相邻的框架柱内预埋水平方向的柱内螺杆，柱内螺杆与框架内钢板栓接，框架内钢板的外表面与框架柱外表面齐平；框架内钢板宽度为墙体厚度的90％～100％，高度为宽度的1.8～2.5倍，厚度为5～15mm。

所述套筒连接件包括一根两端带有螺纹的延性螺杆、延性螺杆的两端各配套一个螺母和内部设有内螺纹段的套筒；螺母的外径与套筒的内径相匹配；套筒的端部开孔，延性螺杆穿过套筒端部的孔并与嵌在套筒内的螺母拧紧。

柱内螺杆和墙内螺杆分别嵌套在套筒内并且通过螺纹段与套筒的内螺纹段拧紧；套筒的内径分别与墙内螺杆和柱内螺杆的螺纹段外径匹配；或者，当墙内螺杆的直径小于套筒内径时，在墙内螺杆伸出墙体的部分套设转换螺母，转换螺母内径与墙内螺杆的直径相匹配；转换螺母的外径与套筒的内径匹配，并设有螺纹段，通过螺纹段与套筒的内螺纹段拧紧；当柱内螺杆的直径小于套筒内径时，在柱内螺杆伸出框架柱的部分套设转换螺母，转换螺母的内径与柱内螺杆的直径匹配，外径与套筒的内径匹配，并设有螺纹段，通过螺纹段与套筒的内螺纹段拧紧。

优选的，所述钢筋混凝土摇摆墙的下部预埋的墙底钢棒在墙体宽度的三分点处且沿墙体中心线轴对称，钢棒直径为20mm～30mm，墙底钢棒伸出墙外的长度小于橡胶垫厚度和钢杯深度之和1mm～2mm；墙底钢板的厚度为5mm～10mm，长度和宽度与钢筋混凝土摇摆墙的横截面相同，并且墙底钢板与摇摆墙内纵向受力钢筋全数焊接。

各层框架梁中心线处预埋的墙内螺杆直径为20mm～40mm，与墙内螺杆栓接的钢板厚度为5mm～30mm。

主体框架中埋设的水平方向的柱内螺杆直径为20mm～40mm，埋设长度为柱内螺杆直径的30～50倍；所述钢筋混凝土摇摆墙内的墙内螺杆(102)直径为20mm～40mm。柱内螺杆伸出框架柱外的长度以及墙内螺杆伸出墙外的长度为20mm～40mm，并与套筒连接件相匹配。

所述套筒连接件中的延性螺杆采用屈服点低于250MPa、延伸率大于40％的钢材制成，直径为30mm～45mm；螺母外径比套筒内径小0.5mm～1mm；套筒深度为螺母厚度和柱内螺杆伸出框架柱的长度之和，或螺母厚度和墙内螺杆外伸出墙外的长度之和。

所述橡胶垫为内置钢板橡胶垫或纯橡胶垫，硬度为55～65，橡胶垫长度为摇摆墙宽度的70％～80％，宽度为摇摆墙厚度的1.8～2.2倍，橡胶垫厚度为摇摆墙宽度的1/20～1/15，并在墙底钢棒的位置开孔。

所述的钢杯上下外径相同，为35mm～50mm；钢杯上口内径较墙底钢棒直径大0.3mm～1mm，下口内径为上口内径与1/10钢杯深度之和，钢杯深度为摇摆墙宽度的1/20～1/15，杯口与基础梁顶面齐平，钢杯下部与基础梁内相邻的纵筋焊接。

本发明提供的一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，形式简单，施工方便，能够充分发挥墙体的摇摆性能以实现强震下的耗能目标，同时便于大震后的构件更换与结构快速修复，并有助于整体屈服机制的实现和抗震承载力的进一步提高，适用于既有建筑的抗震加固和新建建筑的抗震减震。

附图说明

图1是本发明实施例中钢筋混凝土摇摆墙组件的结构立面示意图。

图2是本发明实施例中钢筋混凝土摇摆墙的下部结构示意图。

图3是本发明实施例中套管式连接件连接前的示意图

图4是本发明实施例中套管式连接件连接后的使用状态示意图

1—钢筋混凝土摇摆墙，102—墙内螺杆，103—墙内钢板，105—墙底钢棒，106—墙底钢板，107—转换螺母，2—主体框架结构，201—框架柱，202—框架梁，203—柱内螺杆，204—柱内钢板，207—转换螺母，3—套筒式连接件，301—延性螺杆，303—套筒，305—螺母，4—橡胶垫，5—基础梁，503—钢杯，6—螺母。

具体实施方式

对照例

取三层三跨钢筋混凝土框架结构，考虑到试验条件取实际工程缩比1/2。层高为1500mm，跨度为1800mm；框架柱为正方形截面，尺寸为200mm×200mm，框架梁为矩形截面，尺寸为200mm×100mm；基础梁长度、高度和宽度分别为7850mm、400mm和700mm。

在各柱顶部施加恒定竖向荷载，单根框架柱竖向荷载取为143kN。然后通过MTS作动器施加水平往复荷载，加载速率为0.02mm/s。在最大水平荷载出现后，随着变形的增加，破坏荷载及极限变形取荷载下降到最大荷载的85％时相应的荷载和相应变形。

试验结果表明，钢筋混凝土框架结构的破坏集中于框架梁端和节点区，这些位置的破坏不易修复。对比钢筋混凝土框架的水平承载力峰值为166kN。

实施例1

取另一规格相同的框架，但将其中跨改为设置钢筋混凝土摇摆墙1，形成框架摇摆墙结构。摇摆墙高度为4700mm、宽度为1300mm、墙厚100mm。钢筋混凝土摇摆墙与两侧的主体框架结构2之间以延性套筒连接件相连，形成套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，结构如图1所示。

这种钢筋混凝土摇摆墙组件的结构包括钢筋混凝土摇摆墙1、主体框架结构2、套筒连接件3、橡胶垫4和基础梁5；主体框架结构包括框架柱201和三层框架梁202，相邻的主体框架结构之间为钢筋混凝土摇摆墙1；钢筋混凝土摇摆墙1与主体框架结构2之间以套筒连接件3连接；主体框架结构和钢筋混凝土摇摆墙安装在基础梁上，基础梁的长度、高度和宽度分别为7850mm、400mm和700mm。

如图2所示，钢筋混凝土摇摆墙的下部预埋两根直径为20mm的墙底钢棒105并伸出墙外；墙底钢棒在墙体宽度的三分点处且沿墙体中心线轴对称；基础梁的相应位置内埋设钢杯503，钢筋混凝土摇摆墙和基础梁之间设有墙底钢板106和橡胶垫4。橡胶垫选用硬度为59的纯橡胶，长度为900mm，宽度为200mm，厚度为80mm。墙底钢板的厚度为5mm，长度与摇摆墙宽度相同、宽度与摇摆墙厚度相同。墙底钢板和橡胶垫开孔，开孔直径20mm；墙底钢棒穿过墙底钢板和橡胶垫插在钢杯内。墙底钢板和橡胶垫的开孔直径为20mm。钢杯总高80mm，上下外径为60mm，杯口内径为20.5mm，杯底内径为26.5mm。钢杯杯口与基础梁顶面齐平，钢杯下部与基础梁内相邻的纵筋焊接。

在钢筋混凝土摇摆墙1对应每层框架梁202的中心线处预埋一根通长水平方向的墙内螺杆104，墙内螺杆直径22mm，材料为Q235钢，横向贯通钢筋混凝土摇摆墙(1)，伸出墙外的长度为25mm；并在两端各栓接一块墙内钢板102，墙内钢板的材料为Q235钢，其高、宽、厚分别为200mm、100mm和5mm。墙内钢板的外表面与钢筋混凝土摇摆墙的墙体外表面齐平，中心与墙内螺杆的中心重合。

在主体框架结构2上，与钢筋混凝土摇摆墙1相邻的框架柱201内预埋水平方向的柱内螺杆205，柱内螺杆与钢筋混凝土摇摆墙1相邻的框架柱201内预埋设框架内钢板203，该钢板位于梁柱节点区，中心与框架梁202的中心重合，外表面与框架柱外表面齐平；钢板的材料及长、宽、厚度与墙内钢板相同。柱内螺杆直径22mm，规格与墙内螺杆相同，在主体框架内的预埋长度为700mm，伸出框架柱的长度为25mm。柱内螺杆205与框架内钢板207栓接，框架内钢板207的外表面与框架柱201外表面齐平。

所述套筒连接件(3)包括一根两端带有螺纹的延性螺杆(301)、延性螺杆的两端各配套一个螺母和内部设有内螺纹段的套筒(303)，套筒(303)的端部开孔，延性螺杆(301)穿过套筒(303)端部的孔并与嵌在套筒(303)内的螺母拧紧。延性螺杆采用低屈服点高延伸率钢材加工，其长度为150mm、直径为30mm；螺母厚度为20mm；套筒长为65mm、深度为45mm，内径为32mm，外径46mm。

柱内螺杆伸出框架柱的部分嵌套在转换螺母207内，墙内螺杆伸出墙外的部分分别嵌套在转换螺母107内，转换螺母的长度为25mm，与柱内螺杆和墙内螺杆伸出部分的长度一致，内径分别与墙内螺杆和柱内螺杆外径匹配，外径与套筒的内径匹配，并设有螺纹段，通过螺纹段与套筒的内螺纹段拧紧。如图3和图4所示。

在各柱顶部施加恒定竖向荷载，单根框架柱竖向荷载取为143kN。然后通过MTS作动器慢速施加水平往复荷载，加载速率为0.02mm/s。在最大水平荷载出现后，随着变形的增加，破坏荷载及极限变形取荷载下降到最大荷载的85％时相应的荷载和相应变形。

试验结果表明，框架摇摆墙结构的破坏集中发生在套筒连接处，通过更换连接元件即可完成对结构的修复，方便易行，且设置套筒式连接摇摆墙的水平承载力为208kN，比未设置摇摆墙的对比框架结构提高25％。

本发明提供的一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，施工方便、造价较低，能够有效控制结构的变形模式，使得结构破坏位置出现在预期的延性螺杆处，便于大震后的结构功能快速修复；同时结构抗震承载力也得到显著提高，因此该发明具有良好的社会经济效益与广阔的应用前景。

显然，本发明实施例提供的摇摆墙组件虽为三层三跨案例，但其应用范围不限于此。本领域的技术人员对本发明进行的各种改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内时，本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，结构包括钢筋混凝土摇摆墙(1)、主体框架结构(2)、套筒连接件(3)、橡胶垫(4)和基础梁(5)；

所述的主体框架结构和钢筋混凝土摇摆墙安装在基础梁上，主体框架结构包括框架柱(201)和2～8层框架梁(202)，相邻的主体框架结构(2)之间为钢筋混凝土摇摆墙(1)；钢筋混凝土摇摆墙(1)与主体框架结构(2)之间以套筒连接件(3)连接；

钢筋混凝土摇摆墙(1)下部预埋两根墙底钢棒(105)并伸出墙外；基础梁(5)的相应位置内埋设钢杯(503)，钢筋混凝土摇摆墙(1)和基础梁(5)之间设有墙底钢板(106)和橡胶垫(4)，墙底钢棒(105)穿过墙底钢板(106)和橡胶垫(4)插在钢杯(503)内；

在钢筋混凝土摇摆墙(1)对应每层框架梁(202)的中心线处预埋一根通长水平方向的墙内螺杆(104)，墙内螺杆(104)横向贯通钢筋混凝土摇摆墙(1)，并在两端各栓接一块墙内钢板(102)，墙内钢板(102)的宽度为墙体厚度的90％～100％，高度为宽度的1.8～2.5倍，厚度为5～15mm；墙内钢板(102)外表面与钢筋混凝土摇摆墙(1)的墙体外表面齐平，中心与墙内螺杆(104)的中心重合；

所述主体框架结构(2)上，与钢筋混凝土摇摆墙(1)相邻的框架柱(201)内预埋水平方向的柱内螺杆(205)，柱内螺杆(205)与框架内钢板(207)栓接，框架内钢板(207)的外表面与框架柱(201)外表面齐平；框架内钢板宽度为墙体厚度的90％～100％，高度为宽度的1.8～2.5倍，厚度为5～15mm；所述套筒连接件(3)包括一根两端带有螺纹的延性螺杆(301)、延性螺杆的两端各配套一个螺母和内部设有内螺纹段的套筒(303)；螺母的外径与套筒的内径相匹配；套筒(303)的端部开孔，延性螺杆(301)穿过套筒(303)端部的孔并与嵌在套筒(303)内的螺母拧紧；

柱内螺杆和墙内螺杆分别嵌套在套筒内并且通过螺纹段与套筒的内螺纹段拧紧；套筒的内径分别与墙内螺杆(104)和柱内螺杆(205)的螺纹段外径匹配；或者，当墙内螺杆(104)的直径小于套筒内径时，在墙内螺杆伸出墙体的部分套设套管(107)，套管内径与墙内螺杆的直径相匹配；套管的外径与套筒的内径匹配，并设有螺纹段，通过螺纹段与套筒的内螺纹段拧紧；当柱内螺杆的直径小于套筒内径时，在柱内螺杆伸出框架柱的部分套设套管，套管内径与柱内螺杆的直径匹配，外径与套筒的内径匹配，并设有螺纹段，通过螺纹段与套筒的内螺纹段拧紧。

2.权利要求1所述的一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述钢筋混凝土摇摆墙的下部预埋的墙底钢棒在墙体宽度的三分点处且沿墙体中心线轴对称，钢棒直径为20mm～30mm，墙底钢棒伸出墙外的长度小于橡胶垫厚度和钢杯深度之和1mm～2mm；墙底钢板的厚度为5mm～10mm，长度和宽度与钢筋混凝土摇摆墙的横截面相同，并且墙底钢板与摇摆墙内纵向受力钢筋全数焊接。

3.权利要求1所述的一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述主体框架中埋设的水平方向的柱内螺杆(203)直径为20mm～40mm，埋设长度为螺杆直径的30～50倍；所述钢筋混凝土摇摆墙内的墙内螺杆(102)直径为20mm～40mm。

4.权利要求1所述的一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述柱内螺杆伸出柱外的长度以及墙内螺杆伸出墙外的长度为20mm～40mm，并与套筒连接件相匹配。

5.权利要求1所述的一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述套筒连接件中的延性螺杆采用屈服点低于250MPa、延伸率大于40％的钢材制成，直径为30mm～45mm；螺母外径比套筒内径小0.5mm～1mm；套筒深度为螺母厚度和柱内螺杆伸出框架柱的长度之和，或螺母厚度和墙内螺杆外伸出墙外的长度之和。

6.如权利要求1所述的一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述橡胶垫为内置钢板橡胶垫或纯橡胶垫，硬度为55～65，橡胶垫长度为摇摆墙宽度的70％～80％，宽度为摇摆墙厚度的1.8～2.2倍，橡胶垫厚度为摇摆墙宽度的1/20～1/15，并在墙底钢棒的位置开孔。

7.如权利要求1所述的一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述的钢杯上下外径相同，为35mm～50mm；钢杯上口内径较墙底钢棒直径大0.3mm～1mm，下口内径为上口内径与1/10钢杯深度之和，钢杯深度为摇摆墙宽度的1/20～1/15，杯口与基础梁(5)顶面齐平，钢杯下部与基础梁(5)内相邻的纵筋焊接。

8.如权利要求1所述的一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述的墙底钢板厚度为5～10mm，长度和宽度与钢筋混凝土摇摆墙的横截面相同。