CN107524251A - 预应力钢板带砌体组合墙 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预应力钢板带砌体组合墙，包括砌体墙，所述砌体墙前后两个立面上均沿周边设置有矩形钢框，所述矩形钢框中间设置有施加预应力的正交钢板带，所述砌体墙前后两面相对的钢板带之间由穿过砌体墙的对拉螺栓连接。本发明通过施加预应力提高了钢板的利用效率，通过侧向约束可以有效地提高钢板的屈曲强度，预应力正交钢板带对砌体墙体形成一定的约束，提高墙体的延性能力，增加组合墙的横向承载能力和竖向承载能力，提高抗震性能，可以实现机械化成批量生产，生产效率高，施工方便，节约人工。

Description

预应力钢板带砌体组合墙
技术领域
本发明涉及土木工程，具体涉及一种预应力钢板带砌体组合墙。
背景技术
砌体是建筑材料之一，由其形成的墙体无论作为竖向承重构件还是作为框架结构的隔断或围护部分，在既有建筑物中所占比例超过50％。砌体墙一般由于以下几种原因需要进行加固：材料性能劣化，即抗力降低；竖向荷载增加，例如加层或使用功能改变；抗震设防类别或抗震设防烈度提高，例如教育建筑中幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂的抗震设防类别由标准设防类提高到重点设防类。其中，第三种情况的抗震加固又包括两个方面：砖混结构房屋中承重墙体的加固；框架结构房屋中砖砌体填充墙的改造，将填充墙加固为具有较好抗震性能的剪力墙，从而改变原来的结构体系。
现有常用加固方法包括钢筋混凝土面层加固法、钢筋网水泥砂浆面层加固法、粘贴纤维复合材加固法、钢丝绳网-聚合物改性水泥砂浆面层加固法和增设扶壁柱加固法，这些方法存在一定的缺点，有些加固方法涉及湿作业、施工工期较长、人工需求量较大；或增加构件尺寸较大影响使用空间；或承载力或刚度提高有限；或具有明显的不可逆性等。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种预应力钢板带砌体组合墙，解决人工需求大，安装不便，横向承载和竖向承载能力提高幅度有限，不具可逆性的问题。
技术方案：本发明所述的预应力钢板带砌体组合墙，包括砌体墙，所述砌体墙前后两个立面上均沿周边设置有矩形钢框，所述矩形钢框中间设置有施加预应力的正交钢板带，所述砌体墙前后两面相对的钢板带之间由穿过砌体墙的对拉螺栓连接。
为了加强钢框的整体稳定性，所述矩形钢框为角钢组成，相邻角钢之间通过焊接的方式连接。
为了便于施工保证质量，所述正交钢板带与所述矩形钢框通过焊接的方式连接。
为了提高钢板的利用率，所述正交钢板带中的竖向钢板带施加有预压应力，横向钢板带施加有预拉应力。
为了保证横向钢板带在对拉螺栓紧固后有一定的拉伸变形，钢板带的宽度为100～300mm，钢板带的厚度为3～10mm。
为了紧固对拉螺栓对钢板施加预应力时，使得钢板沿着长边方向发生整体移动产生均匀的压或拉应力，所述正交钢板带上设置有装配对拉螺栓的孔，孔为U型孔。
为了保证对拉螺栓在紧固过程中，钢板能够自由的拉伸或压缩变形，所述U型孔的中间矩形宽度为对拉螺栓直径的1.5倍，矩形长度为对拉螺栓直径的6倍，端部半圆的直径为对拉螺栓直径的1.5倍。
有益效果：本发明中钢板属于延性材料，具备较高的强度与耗能能力；砌体属于脆性材料，延性较差，且既有砌体墙中存在应力超前。预应力钢板带与砌体通过对拉螺栓组合后，竖向钢板带中施加了预压应力，横向钢板带中施加了预拉应力，钢板的利用效率得到了大幅度提高，此外，砌体墙通过侧向约束可以有效地提高钢板的屈曲强度，预应力正交钢板带对砌体墙体形成一定的约束，可以提高墙体的延性能力，两者组合可以更好地提高组合墙的横向承载能力和竖向承载能力，同时提高抗震性能。在实际应用中，本发明的组合墙可与建筑物中既有框架结构连接，组合墙中的砌体墙可以为重新砌筑或者利用既有的砌体填充墙。因此，在多高层框架结构的抗震加固改造中，可以充分地利用既有框架与砌体填充墙。本发明的组合墙可以在施工现场由工厂里生产好的钢板带、角钢与砌体墙通过焊接与对拉螺栓拼装而成。因此，该组合墙的整个生产过程所涉及的湿作业少且工期短，可以减少劳动的人员数量和人力成本。本发明所采用的钢板带、角钢与对拉螺栓都可以在工厂里进行机械化生产，可以实现机械化成批量生产，生产效率高，同时减少施工现场的噪音与环境污染。本发明的预应力钢板带砌体组合墙体具备良好的可拆卸与重新组装特性，符合可持续发展和加固可逆性理念。
附图说明
图1是本发明预应力钢板带-砌体组合墙的轴测图；
图2是本发明预应力钢板带-砌体组合墙的立面图；
图3是本发明预应力钢板带-砌体组合墙应用于中间框架的结构示意图；
图4是图2中A-A截面图；
图5是图3中B-B截面图；
图6是周边角钢之间以及周边角钢与钢板带之间的连接详图；
图7是竖向和横向钢板带的结构示意图；
图8是竖向钢板带中施加预压应力的过程示意图；
图9是横向钢板带中施加预拉应力的过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-6所示，本发明的预应力钢板带砌体组合墙，包括砌体墙1，砌体墙1前后两个立面上均沿周边设置有矩形钢框6，矩形钢框为角钢组成，相邻角钢之间通过焊接形成的焊缝连接，角钢的肢长为80mm，厚度为10mm，可以根据实际需求选择肢长为50～200mm，厚度为3～18mm的角钢。矩形钢框中间设置有施加预应力的正交钢板带，正交钢板带通过焊接形成的焊缝5固定在矩形钢框6上，钢板带的宽度为100mm，厚度为5mm，可以根据实际需求选用宽度为100～300mm，厚度为3～10mm的钢板带。砌体墙与竖向钢板带之间设置有水泥砂浆层8。砌体墙前后两面相对的钢板带之间由穿过砌体墙的对拉螺栓4连接，两相邻的对拉螺栓4之间间距为100倍钢板厚度，可以根据实际情况设置对拉螺栓4之间间距为70～300倍钢板厚度，对拉螺栓4的直径为10mm，可以根据实际需求改变对拉螺栓4的直径，一般选择对拉螺栓4的直径的范围为10～30mm。钢板带上开设有装配对拉螺栓的孔9，孔9为U型孔。其中，如图8和9所示，通过对拉螺栓4的紧固来对正交钢板带中的横向钢板2带施加预拉应力，对竖向钢板3带施加预压应力。本发明与建筑物中既有的框架结构7相连接时，砌体墙可以是既有建筑物中已有的砌体填充墙，也可以是施工现场砌筑于建筑物中既有框架结构内的砌体填充墙。
安装本发明时，先根据结构整体的建模计算确定预应力钢板带-砌体组合墙需要承担的竖向力与水平力。然后根据确定的竖向力和水平力，以及现行相关规范中给定的承载力计算方法来确定预应力钢板带砌体组合墙体中钢板带、周边角钢的几何尺寸，确定钢板带中的预应力水平，确定对拉螺栓间距与螺杆直径。根据所得数据，在工厂里机械化生产钢板带、角钢与对拉螺栓。在既有的钢筋混凝土框架内部砌筑砌体填充墙，或者利用现场已存在砌体填充墙，在砖混结构房屋中利用既有砌体承重墙，在这些墙体两侧通过焊接与对拉螺栓紧固拼装钢板带、周边角钢。其中，正交钢板带需要通过对拉螺栓的紧固在钢板带中形成所设计的预应力水平，最终形成预应力钢板带砌体组合墙。关于钢板带中施加预应力的计算可以按如下示例进行：如竖向钢板带中需要预压应力60MPa，竖向钢板带为200mm宽、4mm厚Q235钢，砌体墙理论上需要竖向钢板带长度L＝2980mm；钢板的弹性模量E取200GPa。根据材料力学内容，钢板的压缩量ΔL与钢板的应力水平σ、弹性模量E、长度L之间的关系式如下：
ΔL＝(σL)/E
为了达到在竖向钢板带中产生预期的压应力水平，实际安装时需要的竖向钢板带长度应为(ΔL+L)。此时
ΔL＝(60×2980)/200000＝0.894mm
ΔL+L＝2980.894mm
因此，在实际安装时，钢板带的实际长度取2980.894mm，通过对拉螺栓的横向紧固如图8所示，使得长度为2980.894mm的钢板压缩至2980mm。此时，竖向钢板带中会产生预压应力值为60MPa。如果在钢板带中不施加压应力，竖向钢板带安装完成后，钢板带中的压应力为0。此时竖向钢板带属于被动加固，必须等到墙体发生竖向压缩变形时，竖向钢板带中才会产生压应力，钢板带相比较于墙体存在明显的应力滞后，钢板的利率效率会大幅度降低，墙体的竖向承载力提高幅度也将非常有限。通过施加预压应力的竖向钢板带属于主动加固，钢板的利用效率将会大幅度提高。
同理，对于横向钢板带，假定竖向钢板带的中心间距为800mm，竖向钢板带底部砂浆层厚度为3mm。此时，竖向钢板带的净间距为600mm。根据图9所示的几何关系与对拉螺栓紧固后的状态，则横向钢板带在800mm范围内的拉伸长度为0.1633mm。此时，在横向钢板带中产生的预拉应力为：
σ＝E×ΔL/L＝200000×0.1633/800＝40.8MPa
同竖向钢板带一样，如果横向钢板带不通过对拉螺栓的横向紧固产生预拉应力，则横向钢板带安装完后的拉应力为0。此时横向钢板带属于被动加固，必须等到墙体发生横向变形甚至开裂时，横向钢板带中才会产生有效的拉应力，从而起到约束墙体的作用。

Claims (7)

1.一种预应力钢板带砌体组合墙，包括砌体墙(1)，其特征在于，所述砌体墙(1)前后两个立面上均沿周边设置有矩形钢框(6)，所述矩形钢框(6)中间设置有施加预应力的正交钢板带，所述砌体墙(1)前后两面相对的钢板带之间由穿过砌体墙的对拉螺栓(4)连接。
2.根据权利要求1所述的预应力钢板带-砌体组合墙，其特征在于，所述矩形钢框(6)为角钢组成，相邻角钢之间通过焊接的方式连接。
3.根据权利要求1所述的预应力钢板带-砌体组合墙，其特征在于，所述正交钢板带与所述矩形钢框通过焊接的方式连接。
4.根据权利要求1所述的预应力钢板带-砌体组合墙，其特征在于，所述正交钢板带中的竖向钢板带(3)施加有预压应力，横向钢板带(2)施加有预拉应力。
5.根据权利要求1所述的预应力钢板带-砌体组合墙，其特征在于，所述正交钢板带中每条钢板带的宽度为100～300mm，每条钢板带的厚度为3～10mm。
6.根据权利要求1所述的预应力钢板带-砌体组合墙，其特征在于，所述正交钢板带中横向钢板带和竖向钢板带上均设置有装配对拉螺栓(4)的孔，孔为U型孔。
7.根据权利要求6所述的预应力钢板带-砌体组合墙，其特征在于，所述U型孔的中间矩形宽度为对拉螺栓(4)直径的1.5倍，矩形长度为对拉螺栓直径的6倍，端部半圆的直径为对拉螺栓直径的1.5倍。
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