CN107060213B - 一种在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱 - Google Patents

Abstract

一种在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，包括至少一段钢筋混凝土芯柱，钢筋混凝土芯柱两端均与钢筋混凝土柱本体固连；钢筋混凝土柱还包括至少一个预埋钢管组和至少一个可更换部件组，可更换部件组设于钢筋混凝土芯柱外周；每个预埋钢管组包括上下两根预埋钢管，上预埋钢管的上端和下预埋钢管的下端均埋入钢筋混凝土柱本体中，上预埋钢管的下端、下预埋钢管的上端伸出钢筋混凝土柱本体外，上预埋钢管的下端、下预埋钢管的上端与可更换部件组的两端可拆卸连接。使用本发明，在失效部位设置可更换部件组，能显著提高失效部位塑性铰的耗能能力，延缓塑性铰刚度退化速率；将塑性变形集中于可更换部件组上，有利于减少受损后的修复工作。

Description

一种在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱

技术领域

本发明属于建筑结构领域，具体涉及一种在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱。

背景技术

随着基础理论与技术的不断进步以及高性能材料的推广应用，人们对结构的性能要求越来越高，结构已由极限状态设计逐步向可恢复功能设计转变，以期将损失降到最低。吕西林等人在《带有可更换构件的结构体系研究进展中》提到，通过在结构体系关键部位设置可更换部件，可以实现对受损部位进行快速修复与更换。可更换部件一般设置于结构易发生塑性变形的部位，将此部位用高延性材料、新型耗能材料替代原材料。设计构件的承载力与原部分基本一致，正常使用极限状态亦满足设计要求。当结构承受较强的水平作用时，受损部位将主要集中在可更换部件处，不仅可以利用其优良性能有效地耗能，而且有利于对受损的部件快速更换，尽快恢复结构的正常使用功能。

在汶川地震中，钢筋混凝土框架较少出现如原建筑抗震设计规范所预期的“强柱弱梁”失效模式。叶列平等人在《从汶川地震框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现》一文中从钢筋混凝土框架梁受力较为有利的角度对此现象进行了分析，指出楼板加强、梁端钢筋超配等多种有利因素使得梁端抗弯承载力提高很多，而钢筋混凝土柱受力较为不利，因而“强柱弱梁”失效模式较难出现。若要在钢筋混凝土框架中严格实现“强柱弱梁”失效模式，即钢筋混凝土框架柱具有高承载可靠性和高延性，不出现破坏，则必须将柱设计得很保守，混凝土和钢筋材料用量将会大幅提升。

再者，蒋友宝等人在《基于弯矩和轴力随机相关特性的RC偏压构件可靠度分析》、《钢筋混凝土框架柱和轻钢拱结构失效方程复杂特性与设计可靠度》、《柱失效方程中荷载相关特性对承载力抗震设计可靠度的影响》等文中的分析表明，由于水平作用（风、地震）的随机不确定性，钢筋混凝土柱截面偏心距亦会随机变化，当考虑抗力随随机偏心距的变化效应后，按现行方法设计的钢筋混凝土大偏压柱承载力可靠度会出现较大幅度地波动变化。在某些情形下，钢筋混凝土柱的可靠性被高估了许多，设计偏于不安全。而随机偏心距下按小偏压设计的钢筋混凝土柱的可靠度要明显高于按大偏压设计的情形（因钢筋混凝土小偏压柱的设计目标可靠度高），且可靠度的波动范围较小，与设计目标可靠度相差不大。

鉴于此，有必要研发一种新型柱，既能实现在随机偏心距下小偏压柱的高承载可靠性，又能利用延性材料有效的耗散水平荷载输入结构的能量，同时满足构造简单、施工方便、经济合理、安全可靠以及受损后易于更换的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，解决按现行方法设计的钢筋混凝土柱在水平荷载作用下（风或地震）承载可靠度低于预期水平且破坏后修复困难的问题，提供一种在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，包括钢筋混凝土柱本体，其特征在于，还包括至少一段钢筋混凝土芯柱，钢筋混凝土芯柱两端均与钢筋混凝土柱本体固连，钢筋混凝土芯柱的截面尺寸小于钢筋混凝土柱本体的截面尺寸；

钢筋混凝土柱还包括至少一个预埋钢管组和至少一个可更换部件组，预埋钢管组的个数、可更换部件组的个数均与钢筋混凝土芯柱的段数相同，每一段钢筋混凝土芯柱对应一个预埋钢管组和一个可更换部件组，可更换部件组设于钢筋混凝土芯柱外周；

每个预埋钢管组包括上下两根预埋钢管，上预埋钢管的上端和下预埋钢管的下端均埋入钢筋混凝土柱本体中，上预埋钢管的下端伸出钢筋混凝土柱本体外，下预埋钢管的上端伸出钢筋混凝土柱本体外，伸出钢筋混凝土柱本体外的上预埋钢管的下端与相应可更换部件组的上端可拆卸连接，伸出钢筋混凝土柱本体外的下预埋钢管的上端与相应可更换部件组的下端可拆卸连接，上预埋钢管和下预埋钢管均为中空钢管，钢筋混凝土芯柱的两端分别置于上预埋钢管的中空结构内和下预埋钢管的中空结构内。

预埋钢管可为截面为方形的中空钢管，也可为截面为圆形的中空钢管，或截面为其它形状的中空钢管。预埋钢管的截面形状宜与钢筋混凝土柱本体的截面形状保持一致。

进一步，每个可更换部件组包括至少两对可更换部件。可更换部件的对数可根据上下预埋钢管的形状进行实际选择。预埋钢管的截面形状为方形时，每个可更换部件组包括四对可更换部件。预埋钢管的截面形状为圆形时，每个可更换部件组可包括两对可更换部件，或者三对以上可更换部件。预埋钢管的截面形状为其它形状时，每个可更换部件组包含的可更换部件的对数可根据实际需要进行选择。

进一步，每对可更换部件包括内侧可更换部件和外侧可更换部件。内侧可更换部件和外侧可更换部件均为护板。护板选用钢板。所述钢板可由Q235钢材、Q345钢材、Q390钢材、Q420钢材或LY100钢材、LY160钢材、LY225钢材中的一种制成。上下预埋钢管可选用Q235钢材、Q345钢材、Q390钢材、Q420钢材中的一种制成。并且上下预埋钢管所选用材料的屈服强度不得低于护板所选用材料的屈服强度。

所述护板可为平面护板、弧形护板等。护板的形状可根据上下预埋钢管的形状进行实际选择。预埋钢管的截面形状为方形时，用作内侧可更换部件和外侧可更换部件的护板可为平面护板。预埋钢管的截面形状为圆形时，用作内侧可更换部件和外侧可更换部件的护板可为弧形护板。预埋钢管的截面形状为其它形状时，用作内侧可更换部件和外侧可更换部件的护板形状亦可根据实际需要进行选择。

伸出钢筋混凝土柱本体外的上预埋钢管的下端和伸出钢筋混凝土柱本体外的下预埋钢管的上端均设于内侧可更换部件和外侧可更换部件之间；

内侧可更换部件的上端和外侧可更换部件的上端均与上预埋钢管的下端可拆卸连接，内侧可更换部件的下端和外侧可更换部件的下端均与下预埋钢管的上端可拆卸连接。内侧可更换部件和外侧可更换部件的同时存在，有利于避免因可更换部件单面传力，而使可更换部件在连接处承受弯矩而局部弯曲。

内侧可更换部件的上端和外侧可更换部件的上端通过高强螺栓与上预埋钢管的下端进行可拆卸连接，内侧可更换部件的下端和外侧可更换部件的下端亦通过高强螺栓与下预埋钢管的上端进行可拆卸连接。

进一步，钢筋混凝土柱还包括纵向钢筋和绑扎在纵向钢筋上的箍筋。

进一步，纵向钢筋包括设于钢筋混凝土芯柱内的至少四根纵向钢筋和设于钢筋混凝土柱本体内的至少四根纵向钢筋。设于钢筋混凝土芯柱内的纵向钢筋上绑扎有箍筋。设于钢筋混凝土柱本体内的纵向钢筋上亦绑扎有箍筋。设于钢筋混凝土芯柱内的纵向钢筋的端部伸入钢筋混凝土柱本体内，以利于进行锚固。

纵向钢筋和箍筋可采用HPB300、HRB335、HRB400、RRB400或HRB500中的一种钢筋。

进一步，埋入钢筋混凝土柱本体中的上预埋钢管的上端内壁和埋入钢筋混凝土柱本体中的下预埋钢管的下端内壁均设有抗剪栓钉，以增强其锚固性。

钢筋混凝土芯柱和可更换部件组设置在钢筋混凝土柱的可能失效部位。本发明通过分离的钢筋混凝土芯柱和可更换部件组，改进钢筋混凝土柱可能失效部位的力学性能和可修复性能等，其中柱的可能失效部位应根据每根柱子具体的受力情况来确定合适位置。

本发明在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，在竖向和水平荷载联合作用下，钢筋混凝土芯柱承担主要轴向压力和部分弯矩，可更换部件承担主要弯矩和部分轴向力。在低于设计值的水平荷载作用下（如正常使用时），钢筋混凝土柱为弹性受力状态；在相当于设计值的水平荷载作用下，钢筋混凝土柱的可更换部件会出现一定的塑性变形，芯柱仍保持弹性受力状态；在大幅超出设计值的水平荷载作用下，钢筋混凝土柱的可更换部件会出现严重的塑性变形，结构损伤亦主要集中在具有较强耗能性能的可更换部件上，芯柱可能只出现少量损伤，有效避免柱的整体失效。当可更换部件损坏时，只需旋松可更换部件上下两端的高强螺栓，对可更换部件进行更换即可。

本发明具有以下有益效果：

在钢筋混凝土柱的柱脚或柱顶等可能的失效部位设置具有较强耗能能力的可更换部件组，能显著提高失效部位塑性铰的耗能能力，延缓塑性铰刚度退化速率；将塑性变形集中于可更换部件组上，结构其他部分仍然保持弹性，有利于减少受损后的修复工作。

伸出钢筋混凝土柱本体外的上预埋钢管的下端与相应可更换部件组的上端可拆卸连接（如通过高强螺栓进行可拆卸连接），伸出钢筋混凝土柱本体外的下预埋钢管的上端与相应可更换部件组的下端可拆卸连接（如通过高强螺栓进行可拆卸连接），既方便组装，又有利于受损后能快速将可更换部件拆卸并进行更换。

失效部位的钢筋混凝土芯柱为小偏压受力状态，使得本发明之钢筋混凝土柱实为小偏压钢筋混凝土柱。由于小偏压钢筋混凝土柱在水平荷载作用（随机偏心距）下的承载可靠度高，因而本发明之钢筋混凝土柱的可靠度高于按大偏压受力状态设计的情形，以利于达到高承载可靠性的目的，提升结构在设计水平荷载下的可靠性。

通过设置预埋钢管并在其内壁设置抗剪栓钉解决了连接处刚度突变和抗剪的问题，使得可更换构件对于结构性能的影响在可控范围之内。

附图说明

图1为本发明之在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱的剖面示意图。

图2为构件截面形式为方形时内外侧可更换部件结构示意图。

图3为构件截面形式为圆形时内外侧可更换部件结构示意图。

图4为构件截面形式为方形时上下预埋钢管与内外侧可更换部件组装结构示意图。

图5为构件截面形式为圆形时上下预埋钢管与内外侧可更换部件组装结构示意图。

图6为构件截面形式为方形时上预埋钢管结构示意图。

图7为构件截面形式为圆形时上预埋钢管结构示意图。

图8为构件截面形式为方形时钢筋混凝土柱本体和芯柱连接结构示意图。

图9为构件截面形式为圆形时钢筋混凝土柱本体和芯柱连接结构示意图。

图10为构件截面形式为方形时预埋钢管组与可更换部件组在钢筋混凝土柱内的连接示意图。

图11为构件截面形式为圆形时预埋钢管组与可更换部件组在钢筋混凝土柱内的连接示意图。

图中：1为上预埋钢管，2为下预埋钢管，3为外侧可更换部件，4为内侧可更换部件，5为钢筋混凝土柱本体，6为钢筋混凝土芯柱，7为焊接在预埋钢管内壁的抗剪栓钉，8为钢筋混凝土柱本体内配置的纵向钢筋，9为绑扎在钢筋混凝土柱本体内纵向钢筋上的箍筋，10为钢筋混凝土芯柱内配置的纵向钢筋，11为绑扎在钢筋混凝土芯柱内纵向钢筋上的箍筋，12为高强螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1:

参照图1、图2、图4、图6、图8、图10，一种在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，包括钢筋混凝土柱本体5，还包括至少一段钢筋混凝土芯柱6，钢筋混凝土芯柱6两端均与钢筋混凝土柱本体5固连，钢筋混凝土芯柱6的截面尺寸小于钢筋混凝土柱本体5的截面尺寸；

钢筋混凝土柱还包括至少一个预埋钢管组和至少一个可更换部件组，预埋钢管组的个数、可更换部件组的个数均与钢筋混凝土芯柱的段数相同，每一段钢筋混凝土芯柱对应一个预埋钢管组和一个可更换部件组，可更换部件组设于钢筋混凝土芯柱6外周；

每个预埋钢管组包括上下两根预埋钢管1、2，上预埋钢管1的上端和下预埋钢管2的下端均埋入钢筋混凝土柱本体5中，上预埋钢管1的下端伸出钢筋混凝土柱本体5外，下预埋钢管2的上端伸出钢筋混凝土柱本体5外，伸出钢筋混凝土柱本体5外的上预埋钢管1的下端与相应可更换部件组的上端可拆卸连接，伸出钢筋混凝土柱本体5外的下预埋钢管2的上端与相应可更换部件组的下端可拆卸连接，上预埋钢管1和下预埋钢管2均为中空钢管，钢筋混凝土芯柱6的两端分别置于上预埋钢管1的中空结构内和下预埋钢管2的中空结构内。

本实施例中，预埋钢管为方形截面的中空钢管。预埋钢管也可为截面为其它形状的中空钢管。预埋钢管的截面形状宜与钢筋混凝土柱本体的截面形状保持一致。

每个可更换部件组包括至少两对可更换部件。可更换部件的对数可根据上下预埋钢管1、2的形状进行实际选择。本实施例中，预埋钢管的截面形状为方形，每个可更换部件组包括四对可更换部件。预埋钢管的截面形状为其它形状时，每个可更换部件组包含的可更换部件的对数可根据实际需要进行选择。

每对可更换部件包括内侧可更换部件4和外侧可更换部件3。内侧可更换部件4和外侧可更换部件3均为护板。护板选用钢板。所述钢板可由Q235钢材、Q345钢材、Q390钢材、Q420钢材或LY100钢材、LY160钢材、LY225钢材中的一种制成。上下预埋钢管选用Q235钢材、Q345钢材、Q390钢材、Q420钢材中的一种制成，并且上下预埋钢管所选用材料的屈服强度不得低于护板所选用材料的屈服强度。本实施例中，所述护板为平面护板。护板的形状可根据上下预埋钢管1、2的形状进行实际选择。预埋钢管的截面形状为方形时，用作内侧可更换部件4和外侧可更换部件3的护板为平面护板（参见图2）。预埋钢管的截面形状为其它形状时，用作内侧可更换部件4和外侧可更换部件3的护板形状可根据实际需要进行选择。

伸出钢筋混凝土柱本体5外的上预埋钢管1的下端和伸出钢筋混凝土柱本体5外的下预埋钢管2的上端均设于内侧可更换部件4和外侧可更换部件3之间；

内侧可更换部件4的上端和外侧可更换部件3的上端均与上预埋钢管1的下端可拆卸连接，内侧可更换部件4的下端和外侧可更换部件3的下端均与下预埋钢管2的上端可拆卸连接。内侧可更换部件4和外侧可更换部件3的同时存在，有利于避免因可更换部件单面传力，而使可更换部件在连接处承受弯矩而局部弯曲。

内侧可更换部件4的上端和外侧可更换部件3的上端通过高强螺栓与上预埋钢管1的下端进行可拆卸连接，内侧可更换部件4的下端和外侧可更换部件3的下端亦通过高强螺栓与下预埋钢管2的上端进行可拆卸连接。

钢筋混凝土柱还包括纵向钢筋和绑扎在纵向钢筋上的箍筋。

纵向钢筋包括设于钢筋混凝土芯柱6内的至少四根纵向钢筋10和设于钢筋混凝土柱本体5内的至少四根纵向钢筋8。设于钢筋混凝土芯柱6内的纵向钢筋10上绑扎有箍筋11。设于钢筋混凝土柱本体5内的纵向钢筋8上亦绑扎有箍筋9。设于钢筋混凝土芯柱6内的纵向钢筋10的端部伸入钢筋混凝土柱本体5内，以利于进行锚固。

纵向钢筋和箍筋采用HPB300、HRB335、HRB400、RRB400或HRB500中的一种钢筋。

埋入钢筋混凝土柱本体5中的上预埋钢管1的上端内壁和埋入钢筋混凝土柱本体5中的下预埋钢管1的下端内壁均设有抗剪栓钉7，以增强其锚固性。

内侧可更换部件4和外侧可更换部件3的截面尺寸，其钢板的高度、厚度，连接处设置高强螺栓的个数以及上下预埋钢管与钢筋混凝土芯柱6的截面属性均须根据实际受力情况确定。

在失效部位采用钢筋混凝土芯柱6和高强螺栓连接的内侧可更换部件4和外侧可更换部件3组合而成的整体截面刚度和承载力与钢筋混凝土柱本体5一致，以满足结构正常使用和承载能力极限状态的要求。

钢筋混凝土芯柱6和可更换部件组设置在钢筋混凝土柱的可能失效部位。本发明通过分离的钢筋混凝土芯柱6和可更换部件组，改进钢筋混凝土柱可能失效部位的力学性能和可修复性能等，其中柱的可能失效部位应根据每根柱子具体的受力情况来确定合适位置。

本发明在失效部位设置芯柱6和可更换部件的钢筋混凝土柱，在竖向和水平荷载联合作用下，钢筋混凝土芯柱6承担主要轴向压力和部分弯矩，可更换部件承担主要弯矩和部分轴向力。在低于设计值的水平荷载作用下（如正常使用时），钢筋混凝土柱为弹性受力状态；在相当于设计值的水平荷载作用下，钢筋混凝土柱的可更换部件会出现一定的塑性变形，芯柱6仍保持弹性受力状态；在大幅超出设计值的水平荷载作用下，钢筋混凝土柱的可更换部件会出现严重的塑性变形，结构损伤亦主要集中在具有较强耗能性能的可更换部件上，芯柱6可能只出现少量损伤，有效避免柱的整体失效。在强风或强震等作用下，当可更换部件损坏时，只需旋松更换部件上下两端的高强螺栓12，对可更换部件进行更换即可。可更换构件的结构简单，材料廉价，满足结构更换的经济适用性。

护板选用钢板，力学性能更优，能显著提高失效部位塑性铰的耗能能力，延缓塑性铰刚度退化速率，将塑性变形集中于可更换部件，便于对受损的部位进行快速修复或更换。

实施例2：

参照图3、图5、图7、图9和图11，本实施例中，预埋钢管为圆形截面的中空钢管。

预埋钢管的截面形状为圆形，每个可更换部件组可包括两对可更换部件，或者三对以上可更换部件。本实施例中，可更换部件组的数量为三对(参见图3)。所述护板为弧形护板，即用作内侧可更换部件4和外侧可更换部件3的护板为弧形护板。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是示意性的，并不是限制性的，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所作的等效的修饰以及变化，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，包括钢筋混凝土柱本体，其特征在于，还包括至少一段钢筋混凝土芯柱，钢筋混凝土芯柱两端均与钢筋混凝土柱本体固连，钢筋混凝土芯柱的截面尺寸小于钢筋混凝土柱本体的截面尺寸；

钢筋混凝土柱还包括至少一个预埋钢管组和至少一个可更换部件组，预埋钢管组的个数、可更换部件组的个数均与钢筋混凝土芯柱的段数相同，每一段钢筋混凝土芯柱对应一个预埋钢管组和一个可更换部件组，可更换部件组设于钢筋混凝土芯柱外周；

每个预埋钢管组包括上下两根预埋钢管，上预埋钢管的上端和下预埋钢管的下端均埋入钢筋混凝土柱本体中，上预埋钢管的下端伸出钢筋混凝土柱本体外，下预埋钢管的上端伸出钢筋混凝土柱本体外，伸出钢筋混凝土柱本体外的上预埋钢管的下端与相应可更换部件组的上端可拆卸连接，伸出钢筋混凝土柱本体外的下预埋钢管的上端与相应可更换部件组的下端可拆卸连接，上预埋钢管和下预埋钢管均为中空钢管，钢筋混凝土芯柱的两端分别置于上预埋钢管的中空结构内和下预埋钢管的中空结构内；

每个可更换部件组包括至少两对可更换部件；每对可更换部件包括内侧可更换部件和外侧可更换部件，内侧可更换部件和外侧可更换部件均为护板。

2.根据权利要求1所述的在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，其特征在于：护板选用钢板。

3.根据权利要求1所述的在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，其特征在于：伸出钢筋混凝土柱本体外的上预埋钢管的下端和伸出钢筋混凝土柱本体外的下预埋钢管的上端均设于内侧可更换部件和外侧可更换部件之间；

内侧可更换部件的上端和外侧可更换部件的上端均与上预埋钢管的下端可拆卸连接，内侧可更换部件的下端和外侧可更换部件的下端均与下预埋钢管的上端可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，其特征在于：内侧可更换部件的上端和外侧可更换部件的上端通过高强螺栓与上预埋钢管的下端进行可拆卸连接，内侧可更换部件的下端和外侧可更换部件的下端亦通过高强螺栓与下预埋钢管的上端进行可拆卸连接。

5.根据权利要求1或2所述的在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，其特征在于：钢筋混凝土柱还包括纵向钢筋和绑扎在纵向钢筋上的箍筋；纵向钢筋包括设于钢筋混凝土芯柱内的至少四根纵向钢筋和设于钢筋混凝土柱本体内的至少四根纵向钢筋；设于钢筋混凝土芯柱内的纵向钢筋上绑扎有箍筋；设于钢筋混凝土柱本体内的纵向钢筋上亦绑扎有箍筋；设于钢筋混凝土芯柱内的纵向钢筋的端部伸入钢筋混凝土柱本体内。

6.根据权利要求1所述的在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱，其特征在于：埋入钢筋混凝土柱本体中的上预埋钢管的上端内壁和埋入钢筋混凝土柱本体中的下预埋钢管的下端内壁均设有抗剪栓钉。