CN105735560A - 一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超高韧性混凝土?钢构件组合可更换连梁，包括与剪力墙相连的超高韧性混凝土段、设置于两剪力墙之间的转换钢构件段以及可更换消能钢梁段，所述可更换消能钢梁段的两端分别通过所述转换钢构件段与所述超高韧性混凝土段连接，所述转换钢构件段通过锚固连接件预埋在所述超高韧性混凝土段中。本发明中的可更换消能钢梁段可通过腹板剪切屈服消耗大量的地震能量，大震作用下，可更换消能钢梁发生大变形后，可快速修复替换，有利于震后修复。本发明利用超高韧性水泥基复合材料和可更换消能钢梁段的优异耗能特性，实现对剪力墙连梁的技术方案改进，从而得到一种高耗能、易替换的震后可更换连梁结构，具有很好的实用价值和推广应用前景。

Description

一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁
技术领域
本发明涉及一种高耗能组合可更换连梁，具体涉及一种耗能性能优越、更换方便的超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁。
背景技术
高层建筑结构复杂、人员集中，且高层建筑在强震过后的加固修复维修等成本远高于中低层建筑，在地震作用下，高层建筑一旦造成严重损伤对整个社会政治经济将会造成严重影响。连梁是高层建筑剪力墙结构、框架-剪力墙结构以及框架-核心筒结构中主要的抗震耗能构件，但在地震作用下，连梁常发生剪切破坏，对于连梁的修复工作困难且耗时。
城市发展的智能化和可持续要求对建筑结构抗震防灾提出了新的要求和挑战。可恢复性能结构一般是指结构遭遇地震后不需要修复或适度修复即可恢复其性能的建筑结构。如果将可恢复性能结构的技术方法推广应用在连梁结构上，不仅可显著减地震对连梁结构的破坏，直接降低震害损失，而且可显著缩短震后修复周期，为最终实现可恢复城市提供基本技术支持。
可恢复性能结构的技术方法，主要包括采用可更换构件、保险丝构件和自复位结构技术等。超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为新型高性能混凝土材料，具有超高的极限拉伸应变能力，在地震作用下可以很大的吸收地震能量，显著改善混凝土结构的抗震性能和抗剪性能。利用这种材料的超高韧性和裂缝可控性，可以作为连梁的基体材料。
钢连梁由于在反复荷载作用下可实现剪切屈服，耗能能力强，可采用螺栓、焊接等干法施工方式，施工方便，因此适合作为连梁的可更换构件使用。传统的可更换连梁通常全长采用钢连梁形式，但是钢连梁与剪力墙墙肢之间存在连接困难、锚固长度长以及节点设计复杂等问题。
有鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耗能能力强，震后便于更换，施工简单的的超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁。
为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：
一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，包括与剪力墙相连的超高韧性混凝土段、设置于两剪力墙之间的转换钢构件段以及可更换消能钢梁段，所述可更换消能钢梁段的两端分别通过所述转换钢构件段与所述超高韧性混凝土段连接，所述转换钢构件段通过锚固连接件预埋在所述超高韧性混凝土段中。
所述超高韧性混凝土段包括超高韧性水泥基复合材料基体、纵筋和箍筋。
所述转换钢构件段包括钢构件和端板。
所述可更换消能钢梁段采用普通钢板或低屈服点钢板。
所述低屈服点钢板为屈服强度在100-225MPa的低屈服点钢板。
所述可更换消能钢梁段采用工字钢梁。
所述工字钢梁沿着其腹板长度设置有多个加劲肋板。
所述工字钢梁的翼缘两端分别设置有连接板和高强螺栓，所述可更换消能钢梁段通过所述连接板和所述高强螺栓与所述转换钢构件段相连。
所述超高韧性混凝土段的刚度和屈服强度均大于所述可更换消能钢梁段，所述转换钢构件段的刚度和屈服承载力也均大于所述可更换消能钢梁段。
本发明一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，应用于高层建筑或超高层建筑中。
采用上述技术方案后，本发明一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，不需要对剪力墙和连梁节点区做特殊处理，也不需要对剪力墙的边缘约束构件做特殊处理，按设计要求进行剪力墙的混凝土浇注以及超高韧性混凝土段的混凝土浇注，在连梁的跨中位置处预留转换钢构件段和可更换消能钢梁段的位置，将预制好的转换钢构件段和可更换消能钢梁段通过高强螺栓连接即可。
本发明中的可更换消能钢梁段可通过腹板剪切屈服消耗大量的地震能量，大震作用下，可更换消能钢梁段发生大变形后，可快速修复替换，有利于震后修复。此外，超高韧性混凝土段具有良好的承载力和刚度，尤其具有优异的延性变形能力和裂缝控制能力，对于与超高韧性混凝土段连接的转换钢构件段来说，具有良好的可靠性。
附图说明
图1为本发明与剪力墙配合连接的结构示意图；
图2为本发明中超高韧性混凝土段与剪力墙连接的结构示意图；
图3为本发明中转换钢构件段的结构示意图；
图4为本发明中可更换消能钢梁段的结构示意图；
图5为带有超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁的联肢剪力墙地震前的结构示意图；
图6为带有超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁的联肢剪力墙地震后的变形示意图。
超高韧性混凝土段 1 超高韧性水泥基复合材料基体 11
纵筋 12 箍筋 13
转换钢构件段 2 钢构件 21
端板 22 可更换消能钢梁段 3
加劲肋板 31 锚固连接件 4
连接板 5 高强螺栓 51
剪力墙 10
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例进行详细阐述。
本发明一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，如图1所示，包括与剪力墙10相连的超高韧性混凝土段1、设置于两剪力墙10之间的转换钢构件段2以及可更换消能钢梁段3，超高韧性混凝土段1的刚度和屈服强度均大于可更换消能钢梁段3，转换钢构件段2的刚度和屈服承载力也均大于可更换消能钢梁段3。
如图1和图2所示，超高韧性混凝土段1由超高韧性水泥基复合材料基体11、纵筋12和多个用于绑扎纵筋12的箍筋13组成，纵筋12沿着超高韧性水泥基复合材料基体11的宽度方向设置在超高韧性水泥基复合材料基体11内，各个箍筋13沿着纵筋12的长度方向设置在超高韧性水泥基复合材料基体11内，纵筋12的一端锚固在剪力墙10内，从而将超高韧性混凝土段1和剪力墙10连接起来。
如图3所示，转换钢构件段2由钢构件21和分别与钢构件21两端连接的端板22组成，转换钢构件段2靠近剪力墙10一端的端板22上安装有多个锚固连接件4，转换钢构件段2通过锚固连接件4预埋在超高韧性混凝土段1中。
可更换消能钢梁段3采用普通钢板或屈服强度在100-225MPa的低屈服点钢板。本实施例中，可更换消能钢梁段采用低屈服点钢材，屈服强度虽然不到普通钢材(如Q235钢材)的一半，但材料延性却是普通钢材的两倍左右，具有明显的延性耗能优势。
可更换消能钢梁段3采用工字钢梁，工字钢梁具有良好的承载能力与塑性变形能力，由于将该可更换连梁设计为可更换消能钢梁段3的刚度和屈服承载力较小，在该可更换连梁变形时，保证可更换消能钢梁段3首先发生破坏，起到耗能作用。如图3和图4所示，工字钢梁沿着其腹板长度设置有多个加劲肋板31，工字钢梁的翼缘两端分别设置有连接板5，各块连接板5上安装有多个高强螺栓51，可更换消能钢梁段3通过连接板5上的高强螺栓51与转换钢构件段2的相应的端板22相连，从而将可更换消能钢梁段3与超高韧性混凝土段1连接起来。
本发明一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，可应用于高层建筑或超高层建筑中，施工方法为：按设计要求进行剪力墙的混凝土10的浇注，然后在预先制作好的由纵筋12和箍筋13组成的钢筋笼内灌注超高韧性水泥基复合材料制成超高韧性混凝土段1，在连梁的跨中位置处预留转换钢构件段2和可更换消能钢梁段3的位置，将预制好的转换钢构件段2和可更换消能钢梁段3通过高强螺栓51连接即可。
采用上述结构后，本发明一种超高韧性混凝土-钢构件复合可更换连梁，具有以下有益效果：
(1)超高韧性混凝土段1作为该连梁中的非消能梁段，需要具有良好的承载力和刚度，而超高韧性水泥基复合材料(Ultra HighToughness Cementitious Composite，简称UHTCC)是一种使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5％，硬化后的复合材料具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细微裂缝，极限拉应变可稳定地达到3％以上的超高性能复合材料。选用UHTCC作为超高韧性水泥基复合材料基体11的材料，使得超高韧性混凝土段1具有良好的稳定性和可靠性，即便该可更换连梁在大变形的情况下，作为非消能梁段的超高韧性混凝土段1发生小变形也不会引起局部破坏，造成非消能梁段的不易修复等困难。
(2)超高韧性混凝土段1具有良好的承载力和刚度，尤其具有优异的延性变形能力和裂缝控制能力，可以保持和剪力墙10的墙肢为一整体，保证超高韧性混凝土段1与剪力墙10连接的节点区不发生类似钢连梁锚固造成的连接困难、锚固长度长以及节点设计复杂等问题，而对于与超高韧性混凝土段1连接的转换钢构件段2来说，具有良好的可靠性。
(3)如图5-图6所示，可更换消能钢梁段3在强制变形下可发生剪切屈服，剪切屈服可以表现出更为优良的耗能能力，滞回曲线饱满稳定，且变形恢复后的可更换消能钢梁段3的刚度和强度无明显退化。
本发明利用超高韧性水泥基复合材料和可更换消能钢梁段的优异耗能特性，实现对剪力墙连梁的技术方案改进，从而得到一种高耗能、易替换的震后可更换连梁结构，具有很好的实用价值和推广应用前景。在强震作用下，可更换消能钢梁段3可通过腹板剪切屈服消耗大量的地震能量，耗能能力强，大震后，可更换消能钢梁段3能够实现震后的快速修复，恢复原有的结构功能，避免整体结构被推倒重建，减少修复的经济成本和时间成本，经济适用性好。此外，作为非消能梁段的超高韧性混凝土段1，由于小变形造成的损伤，通过简单涂抹UHTCC面层即可快速修复，方便快捷。
进一步，在工字钢梁的腹板处设置加劲肋板31，可避免工字钢梁的腹板过早屈曲，增加该可更换连梁的平面稳定性，提高可更换消能钢梁段3的剪切滞回耗能能力。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：包括与剪力墙相连的超高韧性混凝土段、设置于两剪力墙之间的转换钢构件段以及可更换消能钢梁段，所述可更换消能钢梁段的两端分别通过所述转换钢构件段与所述超高韧性混凝土段连接，所述转换钢构件段通过锚固连接件预埋在所述超高韧性混凝土段中。
2.根据权利要求1所述的一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：所述超高韧性混凝土段包括超高韧性水泥基复合材料基体、纵筋和箍筋。
3.根据权利要求1所述的一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：所述转换钢构件段包括钢构件和端板。
4.根据权利要求1所述的一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：所述可更换消能钢梁段采用普通钢板或低屈服点钢板。
5.根据权利要求4所述的一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：所述低屈服点钢板为屈服强度在100-225MPa的低屈服点钢板。
6.根据权利要求1所述的一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：所述可更换消能钢梁段采用工字钢梁。
7.根据权利要求6所述的一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：所述工字钢梁沿着其腹板长度设置有多个加劲肋板。
8.根据权利要求6所述的一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：所述工字钢梁的翼缘两端分别设置有连接板和高强螺栓，所述可更换消能钢梁段通过所述连接板和所述高强螺栓与所述转换钢构件段相连。
9.根据权利要求1所述的一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：所述超高韧性混凝土段的刚度和屈服强度均大于所述可更换消能钢梁段，所述转换钢构件段的刚度和屈服承载力也均大于所述可更换消能钢梁段。
10.根据权利要求1所述的一种超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁，其特征在于：所述超高韧性混凝土-钢构件组合可更换连梁应用于高层建筑或超高层建筑中。
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