CN106677380A - 带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构。主要由多根沿竖向布置的矩形钢管紧密沿水平横向排列而成，在相邻的矩形钢管之间通过间隔设置的连接焊缝连接，利用钢管翼缘和腹板交界处的连接焊缝将相邻两钢管进行连接。连接焊缝在竖向的间断在矩形钢管之间形成竖向缝隙，平行竖向缝隙之间的矩形钢管形成受弯小柱，在侧向荷载作用下发生弯曲变形，使得剪力墙在荷载作用下受弯小柱端部的塑性铰形成先于剪力墙的整体失稳、受弯小柱的平面外失稳以及钢管壁的局部失稳发生。本发明具有抗侧承载能力大、平面外刚度大、抗侧刚度大、抗震性能好、延性好、耗能滞回环饱满等特点。

Description

带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构

技术领域

本发明涉及建筑结构工程技术领域，尤其涉及一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构。

背景技术

钢板剪力墙是钢结构建筑的一种新型抗侧力结构，与传统的钢支撑及混凝土剪力墙或核心筒结构相比，这种结构具有延性好、易实现结构的多重抗震防线的理念、制作施工方便、可增加建筑使用面积等优点。然而，目前广泛采用的钢板剪力墙钢板较薄，在侧向荷载作用下易发生平面外失稳，这给钢板剪力墙的性能带来了一定的问题：滞回曲线存在捏缩现象，耗能能力欠理想；需依靠薄钢板屈曲后形成的拉力场来抵抗水平力，这要求周边框架梁柱足够强以满足拉力场的形成条件。

为了解决现有钢板剪力墙存在的问题，研究人员从带竖缝钢筋混凝土剪力墙获得启发，提出了一种解决方案：带竖缝钢板剪力墙。带竖缝钢板剪力墙通过在钢板剪力墙上开设平行的竖缝，将墙板分成众多狭长的缝间小柱。通过控制缝间小柱的高宽比，使得其在水平荷载作用下主要发生弯曲变形；通过控制缝间小柱截面的宽厚比，保证在其端部截面形成塑性铰之前不发生板件的局部屈曲。利用上述措施，保证这种带竖缝钢板剪力墙的破坏模式为缝间小柱端部截面形成弯曲塑性铰，以获得良好的耗能能力。现有的研究表明，带竖缝钢板剪力墙具有优良的耗能能力和延性，循环荷载下的滞回曲线饱满。但是，带竖缝剪力墙同样具有很大的局限性：(1)由于竖缝的开设，钢板剪力墙的抗侧承载力和刚度大大降低，对结构在风荷载和多遇地震下的侧移控制带来困难；(2)由于缝间小柱截面为狭长条形截面，且其两侧均为自由边，这使得保证其局部稳定性的宽厚比限值严格，因此在实用中常需采用相对较厚的钢板；(3)由于缝间小柱截面为狭长条形截面，其平面外的弯曲和扭转刚度小，在荷载作用下容易发生弯扭失稳；(4)竖缝尺寸精度要求高，常需要激光切割等高精度加工方法，制作难度大。

发明内容

为了克服现有钢板剪力墙结构和现有技术中的带竖缝钢板剪力墙存在的不足，本发明提供了一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其利用竖向缝隙间的矩形受弯小柱的在剪力墙平面内的弯曲变形来抵抗水平荷载的作用，并在极限状态下利用受弯小柱两端形成的塑性铰实现耗能。本发明的竖向缝隙与区别于现有技术中的带竖缝钢板剪力墙中竖缝的概念。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

所述剪力墙结构主要由多根沿竖向布置的矩形钢管紧密沿水平横向排列而成，每根矩形钢管沿竖直方向布置，在相邻的矩形钢管端部之间通过连接焊缝连接，利用钢管翼缘和腹板交界处的连接焊缝将相邻两钢管进行连接，沿竖向方向连接焊缝的间隔在矩形钢管之间形成竖向缝隙，相邻竖向缝隙之间的矩形钢管形成受弯小柱，受弯小柱在侧向荷载作用下主要发生弯曲变形直到受弯小柱端部塑性铰的形成，剪力墙的极限状态为受弯小柱端部塑性铰的形成，通过对受弯小柱高度和截面的合理设计，使得剪力墙在荷载作用下受弯小柱端部的塑性铰形成先于剪力墙的整体失稳、受弯小柱的平面外失稳以及矩形钢管壁的局部失稳发生。

所述的连接焊缝在每相邻矩形钢管之间沿竖向存在有一整段或者间断的多段，沿竖向两个连接焊缝之间的相邻矩形钢管间隙作为竖向缝隙，从而形成剪力墙在竖直方向的一段或者多段竖向缝隙，沿垂直于矩形钢管方向的两段竖向缝隙之间的矩形钢管单体或者组合作为受弯小柱，即相邻矩形钢管单体或者组合之间未设有连接焊缝的相邻矩形钢管单体或者组合作为受弯小柱，相邻竖向缝隙间的受弯小柱为单个矩形钢管构成或者由两个以上矩形钢管相焊接组合构成。

具体实施的剪力墙的竖向缝隙均开设在矩形钢管之间的连接位置，可以简单地在制作过程中通过间断需要开设竖向缝隙位置处的连接焊缝即可实现。根据需要，沿高度方向，可以开设一排或多排竖向缝隙；沿宽度方向，可以在每个矩形钢管两侧均开设竖向缝隙，也可以每隔两个或以上矩形钢管开设竖向缝隙。

相邻矩形钢管之间的连接焊缝在整体剪力墙结构受到剪力达到极限状态前不会发生破坏。即使得在竖直方向上，竖向缝隙端部的连接焊缝以及上下相邻竖向缝隙之间的连接焊缝(如有)的抗剪承载力满足在受弯小柱端部截面达到全塑性弯矩时不发生破坏。

所述受弯小柱所在的管段端部位置在极限状态下形成塑性铰，所述的受弯小柱所在的管段长度满足使得受弯小柱端部的塑性铰形成先于受弯小柱的平面外失稳和受弯小柱钢管壁的局部失稳发生，受弯小柱端部的塑性铰是在剪力墙结构受到剪力时在受弯小柱所在的管段端部位置。

优选地，同一排受弯小柱的两端焊接一根横向加强钢板条以加强，即一排矩形钢管的一侧或者两侧在位于同一水平位置的连接焊缝和竖向缝隙交界处设有一条沿水平横向的横向加强钢板条，横向加强钢板条与各根矩形钢管通过周边的焊缝固定连接。横向加强钢板条用来减小焊缝端部位置附近的应力集中，防止焊缝的过早破坏。钢板条的周边利用角焊缝与矩形钢管壁连接

优选地，所述的竖向缝隙内填充粘滞性材料以增强结构的刚度和耗能能力。

优选地，所有矩形钢管内填充混凝土，或者位于整个剪力墙结构边缘的两根矩形钢管通过增加板厚或填充混凝土加强，用来提高剪力墙的受力性能。

优选地，组成剪力墙的部分或者全部矩形钢管内可填充混凝土来提高剪力墙的刚度和承载能力，特别是当剪力墙承担部分竖向荷载时。

相邻矩形钢管在上下两端的端部之间均通过连接焊缝连接，构成位于矩形钢管中部的一排受弯小柱，每个受弯小柱由矩形钢管构成，从而形成上下两排连接焊缝和位于上下两排连接焊缝之间的竖向缝隙；并在中间的一排受弯小柱的两端焊接一根横向加强钢板条以加强，即上排连接焊缝和竖向缝隙交界处以及下排连接焊缝和竖向缝隙交界处加焊有水平横向布置的横向加强钢板条，横向加强钢板条的四周采用角焊缝与矩形钢管焊接。

在所述受弯小柱的矩形钢管中间，相邻的两矩形钢管之间再通过至少一段连接焊缝连接，形成上下间隔分布的至少两排受弯小柱，并在每个受弯小柱的两端均焊接一根横向加强钢板条。

对于所述受弯小柱的所有矩形钢管，以至少两个紧邻的矩形钢管为一组，每组矩形钢管之间再通过沿竖向贯通的连接焊缝连接，使得原各个受弯小柱沿水平横向合并作组合，形成由至少两个矩形钢管构成的受弯小柱。

竖向缝隙的长度和位置，以及竖向缝隙之间的受弯小柱的截面可根据剪力墙承载能力和刚度进行调整。当沿同一间隙的竖直方向存在大于一排竖向缝隙时，两竖向缝隙间的高度范围内组成的水平方向构件的承载能力需保证受弯小柱塑性铰形成时不发生破坏。

矩形钢管的宽度(即剪力墙的厚度)能满足剪力墙在达到极限承载力时不会发生平面外失稳。相邻竖向缝隙间的受弯小柱的长度满足小柱端部截面的弯曲塑性铰形成先于截面板件的局部失稳和小柱的平面外失稳。

所述的矩形钢管管壁的宽厚比满足截面塑性发展的要求，满足受弯小柱截面塑性铰的形成和塑性转动的要求。截面塑性发展的要求指的是按照设定的剪力墙的延性和极限变形能力(如层间位移角)指标计算得到的受弯小柱端部截面的塑性转动能力的要求。在截面塑性转动要求确定的情况下，可以根据相关规范(如GB50017-2017，EuroCode 3-2006)条文可以查表计算得到相应的宽厚比限值。

采用本发明的带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，既可以解决普通薄钢板剪力墙平面外刚度小、耗能性能不佳的问题，同时相比带竖缝钢板剪力墙可以大大提高抗侧承载力和刚度，并且由于竖向缝隙间小柱为单腔或多腔矩形截面，其平面外弯曲刚度特别是扭转刚度显著提高，可以避免竖向缝隙间小柱的弯扭失稳，同时可以大大降低制作难度。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)相比薄钢板剪力墙和带竖缝钢板剪力墙，可显著提高剪力墙的平面外刚度，避免平面外失稳的发生，同时避免拉力场的产生。

2)与现有技术中的带竖缝钢板剪力墙相比，采用矩形钢管代替条形截面作为竖缝间受弯小柱的截面，可以大大提高受弯小柱的平面外稳定性，避免受弯小柱弯扭失稳的发生。

3)与带竖缝钢板剪力墙相比，采用矩形钢管代替条形截面作为竖缝间受弯小柱的截面，可以大大提高受弯小柱在剪力墙平面内的受弯刚度，从而提高剪力墙的抗侧刚度；

4)与带竖缝钢板剪力墙相比，采用矩形钢管代替条形截面作为竖缝间受弯小柱的截面，可以大大提高受弯小柱截面在剪力墙平面内的塑性弯矩值，提高剪力墙的抗侧承载能力；

5)与带竖缝钢板剪力墙相比，由于采用矩形钢管代替条形截面作为竖缝间受弯小柱的截面，将受弯小柱的截面板件从两侧边自由转变成两侧边平面外位移约束和部分扭转约束，大大提高了截面板件的边缘约束作用，从而大大放松了保证板件稳定性的宽厚比限值。

6)相比薄钢板剪力墙，可以通过调整矩形钢管的截面和竖向缝隙位置和长度，来调整剪力墙的抗侧刚度和承载能力。

综合来说，本发明具有抗侧承载能力大、平面外刚度大、抗侧刚度大、抗震性能好、延性好和耗能滞回环饱满等特点。

附图说明

图1为本发明剪力墙结构第一种实施例的立面示意图。

图2为本发明中相邻钢管之间的焊缝连接示意图。

图3为本发明剪力墙结构第二种实施例的立面示意图。

图4为本发明剪力墙结构第三种实施例的立面示意图。

图5为本发明剪力墙结构第一种实施例的尺寸示意图。

图6为本发明剪力墙结构第二种实施例的尺寸示意图。

图7为本发明剪力墙结构第三种实施例的尺寸示意图。

图中：矩形钢管1、连接焊缝2、竖向缝隙3、受弯小柱4、边缘矩形钢管5、横向加强钢板条6。

具体实施方式

以下结合附图所示实例对本发明作进一步的说明。

本发明的剪力墙结构主要由多根沿竖向布置的矩形钢管1紧密沿水平横向排列而成，在相邻的矩形钢管1之间的局部通过沿竖向方向间隔设置的连接焊缝2连接，沿竖向方向连接焊缝2的间隔在矩形钢管之间形成竖向缝隙3，相邻竖向缝隙3之间的矩形钢管形成受弯小柱4，受弯小柱4在侧向荷载作用下主要发生弯曲变形直到受弯小柱4端部塑性铰的形成。

本发明在具体实施中，剪力墙的厚度取80-500mm，矩形钢管壁厚取4-16mm，矩形钢管翼缘的宽厚比不大于(f_y为材料屈服强度值，单位MPa)，矩形钢管腹板的宽厚比不大于受弯小柱截面的高度与宽度(即剪力墙厚度)之比不大于6。

本发明的实施例如下：

实施例1

如图1所示，相邻矩形钢管1在上下两端的端部之间均通过连接焊缝2连接，利用钢管翼缘和腹板交界处的连接焊缝将相邻两钢管进行连接，如图2所示，构成位于矩形钢管1中部的一排受弯小柱4，从而形成上下两排连接焊缝2和位于上下两排连接焊缝2之间的一排竖向缝隙3，相邻竖向缝隙间隔一个矩形钢管，每个受弯小柱4由单根矩形钢管1构成。

并在中间的一排受弯小柱4的两端焊接一根横向加强钢板条6以加强，即上排连接焊缝2和竖向缝隙3交界处以及下排连接焊缝2和竖向缝隙3交界处加焊有水平横向布置的横向加强钢板条6，横向加强钢板条6的四周采用角焊缝与矩形钢管1焊接，用来减小连接焊缝2端部位置附近的应力集中，防止焊缝的过早破坏。钢板条的四周采用角焊缝与矩形钢管焊接。

实施例1的具体尺寸如图5所示。最终实施是将剪力墙在荷载作用下，受弯小柱4发生弯曲变形，极限状态下受弯小柱4端部形成塑性铰，剪力墙的受力性能不受剪力墙的整体失稳、受弯小柱4的平面外失稳以及矩形钢管1壁的局部失稳控制。

实施例2

如图3所示，相邻矩形钢管1在上端部之间、中部之间和下端部之间均通过连接焊缝2连接，构成位于矩形钢管1中部的两排受弯小柱4，形成上中下三排连接焊缝2以及位于上排和中排连接焊缝2之间和位于中排和下排连接焊缝2之间的竖向缝隙3；并在中间两排受弯小柱4的两端均焊接一根横向加强钢板条6以加强，即在上排连接焊缝2和上排竖向缝隙3交界处、中排连接焊缝2和上排竖向缝隙3交界处、中排连接焊缝2和下排竖向缝隙3交界处以及下排连接焊缝2和下排竖向缝隙3交界处加焊有水平横向布置的横向加强钢板条6，横向加强钢板条6的四周采用角焊缝与矩形钢管1焊接。

实施例2的具体尺寸如图6所示。最终实施是将剪力墙在荷载作用下，受弯小柱4发生弯曲变形，极限状态下受弯小柱4端部形成塑性铰，剪力墙的受力性能不受剪力墙的整体失稳、受弯小柱4的平面外失稳以及矩形钢管1壁的局部失稳控制。

实施例3

如图4所示，以相邻两根矩形钢管1为一组，每组矩形钢管1之间通过沿竖向的整条连接焊缝2连接，相邻两组矩形钢管1在上下两端的端部之间均通过连接焊缝2连接，构成位于矩形钢管1中部的一排受弯小柱4，每个受弯小柱4由两根矩形钢管1构成，从而形成上下两排连接焊缝2与位于上下两排连接焊缝2之间的交替布置的连接焊缝2和竖向缝隙3；并在中间各组受弯小柱4的两端焊接一根横向加强钢板条6以加强，横向加强钢板条6的四周采用角焊缝与矩形钢管1焊接。

实施例3的具体尺寸如图7所示。最终实施是将剪力墙在荷载作用下，受弯小柱4发生弯曲变形，极限状态下受弯小柱4端部形成塑性铰，剪力墙的受力性能不受剪力墙的整体失稳、受弯小柱4的平面外失稳以及矩形钢管1壁的局部失稳控制。

实施例4

在实施例1-3任一基础上，在剪力墙边缘位置的边缘矩形钢管5通过增加板厚或填充混凝土进行加强，用来提高剪力墙的受力性能。

实施例5

在实施例1-3任一基础上，其组成剪力墙的部分或者全部矩形钢管1可内填混凝土，特别是当剪力墙承担部分竖向荷载时，可通过填混凝土来提高剪力墙的刚度和承载能力。

实施例6

在实施例1-3任一基础上，在部分或者所有竖向缝隙3内填充粘滞性材料来提高剪力墙的抗侧刚度和耗能能力。

通过本发明上述的剪力墙结构具体实施能够弥补薄钢板剪力墙和带竖缝钢板剪力墙存在的不足，利用矩形受弯小柱4的在剪力墙平面内的弯曲变形来抵抗水平荷载的作用，并在极限状态下受弯小柱4两端形成塑性铰。

Claims (10)

1.一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：所述剪力墙结构主要由多根沿竖向布置的矩形钢管(1)紧密沿水平横向排列而成，在相邻的矩形钢管(1)之间的局部通过沿竖向方向间隔设置的连接焊缝(2)连接，沿竖向方向连接焊缝(2)的间隔在矩形钢管之间形成竖向缝隙(3)，相邻竖向缝隙(3)之间的矩形钢管形成受弯小柱(4)，受弯小柱(4)在侧向荷载作用下主要发生弯曲变形直到受弯小柱(4)端部塑性铰的形成，使得剪力墙在荷载作用下受弯小柱(4)端部的塑性铰形成先于剪力墙的整体失稳、受弯小柱(4)的平面外失稳以及矩形钢管(1)壁的局部失稳发生。

2.根据权利要求1所述的一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：所述的连接焊缝(2)在每相邻矩形钢管(1)之间沿竖向存在有一整段或者间断的多段，沿竖向两段连接焊缝(2)之间的相邻矩形钢管(1)间隙作为竖向缝隙(3)，沿垂直于矩形钢管(1)方向的两个竖向缝隙(3)之间的矩形钢管(1)单体或者组合作为受弯小柱(4)，相邻竖向缝隙间的受弯小柱(4)为单个矩形钢管(1)构成或者由两个以上矩形钢管(1)相焊接组合构成。

3.根据权利要求1或者2所述的一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：所述的受弯小柱(3)所在的管段长度满足使得受弯小柱(4)端部的塑性铰形成先于受弯小柱(3)的平面外失稳和受弯小柱(3)钢管壁的局部失稳发生，受弯小柱(4)端部的塑性铰是在剪力墙结构受到剪力时在受弯小柱(4)两端端部位置。

4.根据权利要求1或者2所述的一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：相邻矩形钢管(1)之间的连接焊缝(2)在整体剪力墙结构受到剪力后由于受弯小柱(4)端部塑性铰形成而不会发生破坏。

5.根据权利要求1所述的一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：同一排受弯小柱(4)的两端焊接一根横向加强钢板条(6)，横向加强钢板条(6)与各根矩形钢管(1)通过周边的焊缝固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：所述的竖向缝隙(3)内填充粘滞性材料以增强结构的刚度和耗能能力。

7.根据权利要求1所述的一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：所有矩形钢管(1)内填充混凝土，或者位于整个剪力墙结构边缘的两根矩形钢管(1)通过增加板厚或填充混凝土加强。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：相邻矩形钢管(1)在上下两端的端部之间均通过连接焊缝(2)连接，构成位于矩形钢管(1)中部的一排受弯小柱(4)，每个受弯小柱(4)由矩形钢管(1)构成，从而形成上下两排连接焊缝(2)和位于上下两排连接焊缝(2)之间的竖向缝隙(3)；并在中间的一排受弯小柱(4)的两端焊接一根横向加强钢板条(6)横向加强钢板条(6)的四周采用角焊缝与矩形钢管(1)焊接。

9.根据权利要求8所述的一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：在所述受弯小柱(4)的矩形钢管(1)中间，相邻的两矩形钢管(1)之间再通过至少一段连接焊缝(2)连接，形成上下间隔分布的至少两排受弯小柱(4)，并在每个受弯小柱(4)的两端均焊接一根横向加强钢板条(6)。

10.根据权利要求8所述的一种带竖向缝隙矩形钢管排剪力墙结构，其特征在于：对于所述受弯小柱(4)的所有矩形钢管(1)，以至少两个紧邻的矩形钢管(1)为一组，每组矩形钢管(1)之间再通过沿竖向贯通的连接焊缝(2)连接，形成由至少两个矩形钢管(1)构成的受弯小柱(4)。