CN104631642A - 一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程结构技术领域，涉及一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，在钢筋混凝土摇摆墙与主体框架结构之间用延性连接件通过螺栓连接，便于震后更换，且有助于增强结构在大震下的耗能能力；同时在摇摆墙与基础梁之间采用橡胶垫，能够有效提升墙体的摇摆性能，同时也便于更换。本发明施工简便、造价较低且便于大震后的结构修复，既可用于既有结构的抗震加固，也同样适用于新建建筑的抗震减震。
Description
技术领域
本发明属于土木工程结构技术领域，尤指一种螺栓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
与传统结构形式相比，摇摆结构有更好的抗震抗风性能，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，并便于在维护过程中更换。钢筋混凝土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，不仅具备摇摆结构的所有优点，还能够保证框架结构在强震作用下呈现整体破坏模式并充分发挥其耗能能力。此外，将钢筋混凝土摇摆墙用于既有混凝土框架结构的加固改造，可以避免传统的基于构件加固模式存在的不足，显著提高加固改造的灵活性和整体性。
近年来，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。Stevenson等在位于Berkeley的“David Brower Center”结构中部设置C形预应力混凝土墙体，墙体在强震中纵筋屈服、端部可以抬起，该工程是摇摆墙结构体系用于新建工程的案例。Panian等利用在结构中布置中部施加预应力的墙体,对6层混凝土框架进行了抗震加固。Wada等利用摇摆墙对日本东京工业大学G3教学楼进行了抗震加固，该工程在墙底通过齿槽与基础连接，墙体与结构间布置了大量阻尼器；在2011年3月日本东北太平洋里氏9.0级地震中，采用摇摆墙加固的G3教学楼表现出优良的抗震性能。国内对于摇摆墙的研究刚刚开始，清华大学、同济大学、上海市建筑科学研究院等已开展了初步的试验研究和理论分析。
摇摆墙结构体系的研究在世界范围内尚处于起步阶段，现有的摇摆墙与主体结构连接节点设计不够合理，存在可更换性差、摇摆性能不足、造价较高等不足，制约着摇摆墙结构体系的推广应用及强震后的快速修复。
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(需要大量设置阻尼器)以及可更换性能较差等缺点，提出了一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件。
本发明技术方案为，在钢筋混凝土摇摆墙与主体框架结构之间用延性连接件通过螺栓连接；同时在摇摆墙与基础梁之间采用橡胶垫。
具体方案为：一种螺栓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、延性连接件、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2～6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延性连接件连接；
在钢筋混凝土摇摆墙对应每层梁的中心线处预埋一根通长水平方向的螺杆，螺杆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，外表面与钢筋混凝土摇摆墙的墙体外表面齐平，墙内钢板的中心与螺杆的中心重合；优选的，墙内钢板宽度与墙体厚度相同，高度为宽度的2倍，厚度为5mm～15mm；优选的，钢筋混凝土摇摆墙中的螺杆直径为22mm～32mm，墙内钢板厚度为5mm～15mm，宽度为100mm～250mm；螺杆与墙内钢板的栓接方式为：螺杆端部设有螺纹，与中心位置设有螺孔的墙内钢板拧紧。
所述主体框架结构上，与摇摆墙相邻的框架柱内埋设框架内钢板，该框架内钢板位于梁柱节点区，外表面与框架柱外表面齐平，内表面与梁柱节点区的框架梁纵筋全数焊接连接，框架内钢板中心与框架梁的中心重合；优选的，框架内钢板的厚度为5mm～15mm，高度和宽度分别为框架梁截面高度和宽度的90％～110％，优选的，高度和宽度分别与框架梁截面的高度和宽度相同。
延性连接件的结构包括位于两端的实心钢板、腹板和两个翼缘，实心钢板之间以腹板和两个翼缘连接，翼缘垂直于腹板和矩形钢板；腹板与翼缘的组成截面呈工字型；延性连接件两端的实心钢板通过螺栓分别与框架内钢板和墙内钢板连接，使延性连接件的将主体框架和钢筋混凝土摇摆墙连接在一起；优选的，所述延性连接件采用屈服点低于250MPa、延伸率大于40％的钢材整体制作，总长度为140mm～300mm，其两端实心钢板厚度为连接件总长度的1/10～1/6，翼缘和腹板厚度为5mm～18mm；该连接件用于连接主体框架和摇摆墙，连接方式为高强螺栓连接，螺栓强度等级不小于8.8级，直径为10mm～20mm，螺栓数量对应钢板中心点对称布置。
钢筋混凝土摇摆墙底部内埋设墙底钢板，墙底钢板外表面与钢筋混凝土摇摆墙底部齐平，内表面与摇摆墙内纵向受力钢筋全数焊接；优选的，墙底钢板厚度为5mm～15mm，长度和宽度分别与钢筋混凝土摇摆墙的宽度和厚度相同。
钢筋混凝土摇摆墙的墙底钢板与基础梁之间放置橡胶垫；橡胶垫顶部通长开槽，开槽的宽度与钢筋混凝土摇摆墙的厚度匹配；
所述橡胶垫放置于基础梁上，基础梁顶部放置橡胶垫的位置开凹槽，橡胶垫嵌固在凹槽内，凹槽的长度和宽度与橡胶垫横截面尺寸相匹配。
优选的，基础梁顶部开槽深度为橡胶垫厚度的15％～25％。所述橡胶垫为内置钢板橡胶垫或纯橡胶垫，橡胶硬度为55～65，橡胶垫长度为摇摆墙宽度的70％～80％、宽度为钢筋混凝土摇摆墙厚度的1.8～2.2倍；橡胶垫顶部通长开槽，开槽宽度与钢筋混凝土摇摆墙厚度相匹配，开槽深度为橡胶垫厚度的15％～25％，便于在其上放置摇摆墙。除去开槽深度和基础梁内的埋置深度，橡胶垫剩余厚度为摇摆墙宽度的1/20～1/15。
本发明采用螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，一方面摇摆墙与主体框架采用的延性连接件为螺栓连接，便于震后更换，且有助于增强结构在大震下的耗能能力；另一方面摇摆墙与基础梁之间采用了橡胶垫，能够有效提升墙体的摇摆性能，同时也便于更换。本发明施工简便、造价较低且便于大震后的结构修复，既可用于既有结构的抗震加固，也同样适用于新建建筑的抗震减震。
本发明提供的一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，能够有效实现墙体的摇摆性能，同时增强结构的耗能能力，并控制原主体框架的变形与失效模式，使得结构破坏位置出现在预期的延性连接件处，能够便于大震后的构件更换，快速修复结构既有功能。
附图说明
图1是钢筋混凝土摇摆墙组件的结构立面示意图。
图2是框架结构与摇摆墙连接处示意图。
图3是延性连接件结构示意图。
图4是A-A方向立面剖面示意图。
图5是B-B方向立面剖面示意图。
1—钢筋混凝土摇摆墙，102—墙内钢板，104—墙底钢板，2主体框架结构，201—框架柱，202—框架梁，203—框架内钢板，204—框架梁纵筋，3—延性连接件，301—实心钢板，303—腹板，305—翼缘，4—橡胶垫，5—基础梁，7—螺杆，9—螺栓
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之间以延性连接件和螺栓相连，形成螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，结构如图1所示。
一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，结构如图1所示，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2～6层框架梁，相邻的主体框架结构之间为钢筋混凝土摇摆墙；所述的钢筋混凝土摇摆墙与主体框架结构之间以延性连接件连接。
根据现行规范进行纵筋和箍筋的设置，在钢筋混凝土摇摆墙对应每层梁中心线处预埋一根通长水平方向的螺杆7，螺杆两端各设有螺纹。螺杆贯通钢筋混凝土摇摆墙，并在两端各栓接一块墙内钢板102，墙内钢板为Q235钢，其高、宽、厚分别为200mm、100mm和5mm，宽度与墙体厚度相同，外表面与墙体外表面齐平，墙内钢板中心与螺杆中心重合，并预留螺栓孔。螺杆与中心位置设有螺孔的墙内钢板拧紧。如图2所示。各螺杆由Q345钢材制成，直径为22mm。
所述主体框架结构上，与摇摆墙相邻的框架柱201中埋设框架内钢板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，内表面与梁柱节点区的框架梁纵筋204全数焊接连接，在高度方向也预留螺栓孔。框架内钢板为Q235钢，高、宽、厚分别为200mm、100mm和5mm，高度和宽度与框架梁截面的尺寸相同。
所述延性连接件3由屈服点低于250MPa、延伸率大于40％的钢材整体加工而成，长150mm，如图3所示，其两端为高度100mm、宽度50mm、厚度20mm的矩形的实心钢板301，实心钢板之间以腹板303和两个翼缘305连接，翼缘垂直于腹板和矩形的实心钢板；腹板与翼缘的组成截面呈工字型。翼缘宽度和腹板高度均为50mm，长度110mm，厚度均为5mm。
延性连接件3两端的实心钢板通过螺栓9分别与框架内钢板和墙内钢板连接，使延性连接件的将主体框架和钢筋混凝土摇摆墙连接在一起，如图2和图4所示。螺栓为高强螺栓，螺栓强度等级不小于8.8级，直径为12mm，螺栓数量根据局部受力计算确定，对应墙内钢板和框架内钢板中心点对称布置。
钢筋混凝土摇摆墙底部内埋设墙底钢板104，墙底钢板厚度5mm，长度1300mm与摇摆墙宽度相同、宽度100mm与摇摆墙厚度相同。外表面与钢筋混凝土摇摆墙底部齐平，内表面与摇摆墙内纵向受力钢筋全数焊接。
钢筋混凝土摇摆墙底部与基础梁之间设置橡胶垫4，橡胶垫选用硬度为59的纯橡胶，其长度为900mm、宽度为200mm、总厚度为120mm，顶部通长开槽，槽宽100mm，与钢筋混凝土摇摆墙的厚度一致，槽深20mm。
基础梁长度、高度和宽度分别为7850mm、400mm和700mm；如图5所示，基础梁安放橡胶垫的部位开凹槽，橡胶垫嵌固在凹槽内。凹槽的长和宽与橡胶垫平面尺寸相同，槽深为20mm。
试验结果表明，框架摇摆墙结构的破坏集中发生在延性连接件处，而框架柱、梁与节点区没有明显破坏。通过更换延性连接元件即可完成对结构的修复，方便易行。设置钢筋混凝土摇摆墙后框架摇摆墙的水平承载力峰值为204kN，比未设置摇摆墙的对比框架结构提高23％。
本发明提供的一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，在基本不增加结构刚度与地震作用的前提下，能够有效控制原主体框架的变形模式，使得结构破坏位置集中出现在延性连接件处，便于大震后的快速修复；同时结构抗震承载力也显著提高。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结构案例，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 (10)
1.一种螺栓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)、延性连接件(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(5)上，主体框架结构包括框架柱(201)和2～6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)之间以延性连接件(3)连接；
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螺杆(7)，螺杆(7)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90％～100％，高度为宽度的1.8～2.5倍，外表面与钢筋混凝土摇摆墙(1)的墙体外表面齐平，墙内钢板(102)的中心与螺杆(7)的中心重合；
所述主体框架结构上，与摇摆墙相邻的框架柱(201)内埋设框架内钢板(203)，所述框架内钢板(203)位于梁柱节点区，外表面与框架柱(201)外表面齐平，内表面与梁柱节点区的框架梁纵筋(204)全数焊接连接，框架内钢板中心(203)与框架梁(202)的中心重合；
延性连接件(3)的结构包括位于两端的实心钢板(301)、腹板(303)和两个翼缘(305)，实心钢板(301)之间以腹板(303)和两个翼缘(305)连接，翼缘(305)垂直于腹板(303)和实心钢板(301)；腹板(303)与翼缘(305)的组成截面呈工字型；
延性连接件(3)两端的实心钢板(301)通过螺栓(9)分别与框架内钢板(204)和墙内钢板(102)连接，使延性连接件(3)的将主体框架(1)和钢筋混凝土摇摆墙(2)连接在一起；
钢筋混凝土摇摆墙(1)底部内埋设墙底钢板(104)，墙底钢板(104)外表面与钢筋混凝土摇摆墙(1)底部齐平，内表面与钢筋混凝土摇摆墙(1)内纵向受力钢筋全数焊接；
钢筋混凝土摇摆墙(1)底部与基础梁(5)之间放置橡胶垫(4)；橡胶垫(4)顶部通长开槽，开槽的宽度与钢筋混凝土摇摆墙(1)的厚度匹配；
所述橡胶垫放置于基础梁(5)上，基础梁(5)顶部放置橡胶垫的位置开凹槽，橡胶垫(4)嵌固在凹槽内，凹槽的长度和宽度与橡胶垫(4)横截面尺寸相匹配。
2.权利要求1所述的一种螺栓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中的螺杆(7)直径为20mm～30mm，墙内钢板(102)厚度为5mm～15mm；螺杆(7)与墙内钢板(102)的栓接方式为：螺杆(7)端部有螺纹，与中心位置设有螺孔的墙内钢板(102)拧紧。
3.权利要求1所述的一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，墙内钢板宽度(102)与钢筋混凝土摇摆墙(1)的墙体厚度相同。
4.权利要求1所述的一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述墙底钢板(104)的厚度为5mm～15mm。
5.权利要求1所述的一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述墙底钢板(104)的长度和宽度分别与钢筋混凝土摇摆墙(1)的宽度和厚度相同。
6.如权利要求1所述的一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述延性连接件(3)总长度为140～300mm，采用屈服点低于250MPa、延伸率大于40％的钢材整体制作，其两端实心钢板(301)厚度为连接件总长度的1/10～1/6，翼缘和腹板厚度为5mm～18mm；该延性连连接件(3)用于连接主体框架和摇摆墙，连接方式为高强螺栓连接，螺栓强度等级不小于8.8级，直径为10mm～20mm，螺栓数量对应钢板中心点对称布置。
7.权利要求1所述一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述框架内钢板(203)的厚度为5mm～15mm，高度和宽度分别为框架梁(202)截面高度和宽度的90％～110％。
8.权利要求1或7所述一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述框架内钢板(203)的高度和宽度分别与框架梁截面的高度和宽度相同。
9.权利要求1所述一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于，所述基础梁(5)顶部开槽深度为橡胶垫(4)厚度的15％～25％。
10.如权利要求1所述的一种螺栓式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件，其特征在于：所述橡胶垫(4)为内置钢板橡胶垫或纯橡胶垫，橡胶硬度为55～65，橡胶垫长度为摇摆墙宽度的70％～80％、宽度为钢筋混凝土摇摆墙(1)厚度的1.8～2.2倍；橡胶垫(4)顶部通长开槽，开槽宽度与钢筋混凝土摇摆墙(1)厚度相匹配，开槽深度为橡胶垫(4)厚度的15％～25％，除去开槽深度和基础梁(5)内的埋置深度，橡胶垫(4)剩余厚度为摇摆墙宽度的1/20～1/15。
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