CN107761950A - 一种装配式钢筋混凝土角撑框架及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种装配式钢筋混凝土角撑框架及其施工方法,包括预制柱、叠合梁和防屈曲支撑;叠合梁包括预制梁和后浇混凝土;预制梁的两端分别与位于两侧的预制柱相铰接,预制梁的底部两侧各设置一个倾斜设置的防屈曲支撑,每根防屈曲支撑的一端与预制梁底部相铰接,每根防屈曲支撑的另一端与预制柱相铰接。本发明中梁与柱的连接,采用销轴连接,实现真正的装配式施工。同时,在承受荷载不变的情况下,梁高大大降低,建筑层高减少5~8%,屋内净高增加200~300mm。另外,预制柱的预制长度不受楼层现浇的限制,可根据运输条件等要求,将预制柱的预制长度加长,减少套筒灌浆连接的批次,提高柱的施工质量,缩短施工周期。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构技术领域,特别是一种装配式钢筋混凝土角撑框架及其施工方法。
背景技术
现有的装配式钢筋混凝土框架结构,从设计上与整体现浇混凝土结构没有区别,只是梁、板、柱变为叠合构件。在抗震性能上,也基本等同钢筋混凝土现浇结构,梁与柱的连接模型采用刚性连接做法。如图3所示,在施工上,柱采用预制柱,但梁柱节点区范围的柱要采用现浇混凝土,也即节点后浇区11。叠合梁与柱采用刚接做法,梁钢筋锚入柱节点现浇混凝土内。这样,叠合楼板的后浇混凝土、叠合梁的后浇混凝土,节点后浇区一并浇筑。混凝土养护达到龄期强度后,再采用灌浆套筒9灌注浆料10连接上一层的预制柱。因此,这种模拟纯现浇结构的做法,不免造成连接构造复杂,质量难以控制等问题。目前,现有技术的装配式梁柱的施工混凝土两次浇筑,势必造成预制与现浇部分,梁与柱的连接,柱与柱的连接等环节,存在钢筋碰撞、构造繁琐、工序复杂、施工尺寸的精度要求高等弊端。
装配式结构在设计、预制件制作,现场安装和混凝土浇筑等环节存在诸多协调配合上的问题,致使造成施工工期长、造价增加15~30%,成为推广应用的一大障碍。如何通过合理的构造设计,优化预制件的构造,简化施工流程,成为装配式建筑发展的重要技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,而提供一种装配式钢筋混凝土角撑框架,该装配式钢筋混凝土角撑框架中梁与柱的连接,采用销轴连接,实现真正的装配式施工。同时,在承受荷载不变的情况下,能使梁高大大降低,建筑层高能减少5~8%,也即屋内净高能增加200~300mm。另外,预制柱的预制长度不受楼层现浇的限制,可根据运输条件等要求,将预制柱的预制长度加长,减少套筒灌浆连接的批次,提高柱的施工质量,缩短施工周期。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种装配式钢筋混凝土角撑框架,包括预制柱、叠合梁和防屈曲支撑。
叠合梁水平设置,预制梁和后浇混凝土。
预制梁的两端分别与位于两侧的预制柱相铰接,预制梁的底部两侧各设置一个倾斜设置的防屈曲支撑,每根防屈曲支撑的一端与预制叠合梁底部相铰接,每根防屈曲支撑的另一端与预制柱相铰接。
防屈曲支撑与预制梁之间具有水平夹角α。
预制梁的两端各预埋一个梁柱连接端,相邻两个预制柱相向一侧的顶端各预埋一个梁柱铰接支座,梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座采用销轴相连接;预制叠合梁的底部两侧各预埋一个角撑连接端,位于梁柱铰接支座下方的每个预制柱顶部各设置一个角撑铰接支座,角撑连接端与相应的角撑铰接支座采用销轴相连接。
角撑铰接支座与梁柱铰接支座之间的距离为层高的20-50%。
预制梁的两端均为逐渐递减的变截面梁。
预制梁的梁高比现有叠合梁的梁高减少25-50%,现有叠合梁的梁高为(1/15-1/10)L,其中L为相邻两根预制柱之间的间距,也即梁跨度。
一种装配式钢筋混凝土角撑框架的施工方法,其特征在于:包括如下步骤。
步骤1:预制柱的预制:根据运输条件要求,将预制柱的预制长度设定为建筑楼层层高的2-5倍,在每个楼层层高的对应部位分别预埋梁柱铰接支座和角撑铰接支座。
步骤2,预制梁的预制:按照设定形状及尺寸对预制梁进行预制,预制时,在预制梁的两端分别预埋梁柱连接端,预制梁的底部两侧分别预埋角撑连接端。
步骤3,预制柱施工:将预制柱运输至施工地点,并对预制柱进行施工。
步骤4,预制梁施工:将预制梁分别吊装至对应楼层层高处,采用销轴将预制梁中的梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座相铰接;再采用销轴将预制梁中的角撑连接端与相应的角撑铰接支座相铰接。
步骤5,叠合梁的后浇混凝土:在每个预制梁的顶部分别浇筑一层钢筋混凝土,叠合梁的后浇混凝土与预制梁形成一个整体,构成叠合梁。
步骤1中,预制柱的预制长度为建筑楼层层高的3~5倍。
步骤2中,叠合梁的梁高比现有叠合梁的梁高减少25-50%,现有叠合梁的梁高为(1/15-1/10)L,其中L为相邻两根预制柱之间的间距,也即梁跨度。
步骤5中,2~5层的叠合梁顶部的后浇混凝土同步浇筑。
本发明具有如下有益效果:
1.梁高大大降低:与现有技术的梁柱连接方式相比,在整体结构的刚度与位移指标相同的前提下,本发明的混凝土梁截面高度大大减小。这完全来自于梁端部的支撑给梁提供了中间两个竖向支承点,由于设置了两个支点,两有单跨梁变为3跨梁,梁的弯矩、剪力大大降低,配筋也大大降低。
2.对建筑层高与净高的影响大,使用功能大大改善,经济效益明显。梁高度降低,对建筑的影响巨大。首先,在建筑层高不变时,梁下高度大,建筑室内净高更高,室内使用空间效果大大改善。第二,在建筑室内净高要求不变的情况下,可以减少建筑层高5~8%。按照每层节省200~300mm计算,原本15层高的建筑可以做成16层,经济效益明显。
3.预制柱柱的预制长度突破楼层限制,可以两层、三层甚至更多层一次预制,没有中间的接头,不仅施工方便,缩短施工周期,成型质量优异,而且抗震性能大大提升。
4.预制梁易于制造:预制梁的截面变小,重量变小,便于预制件的制造、运输、吊装及安装调整。
5.对柱基本没有不利影响:算例仅是单层单跨,看似柱内力变大。柱的内力变化是针对竖向荷载,这对结构来说很容易解决,造价影响也小。实际上,当建筑中间位置,柱子四面或三面都受到梁与支撑的约束,支撑对柱的影响可以两两相互抵消。
6.大震状态下,即使连梁破坏,更换非常方便。这对现有技术的混凝土连梁,更换将是非常困难。
7.大大改善梁柱节点部位的抗震性能、施工要求,工期大大缩短,造价降低。
附图说明
图1显示了本发明一种装配式钢筋混凝土角撑框架的结构示意图。
图2显示了本发明一种装配式钢筋混凝土角撑框架的爆炸图。
图3显示了表1中常规装配式结构的构造大样示意图。
图4显示了表1中本发明装配式钢筋混凝土角撑框架的的构造大样示意图。
其中有:1、预制柱,2、预制梁,3、后浇混凝土,4、防屈曲支撑,5、梁柱铰接支座。6、角撑铰接支座。7、梁柱连接端。8、角撑连接端;9、灌浆套筒;10.浆料;11.节点后浇区;12.结构标高。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示,一种装配式钢筋混凝土角撑框架,包括预制柱1、叠合梁和防屈曲支撑4。
叠合梁水平设置,叠合梁包括预制梁2和位于预制梁顶部的后浇混凝土3。
预制梁的两端均优选为逐渐递减的变截面梁。变截面梁的设置,便于安装的同时,能使防屈曲支撑与预制叠合梁之间具有水平夹角α增加,支撑效果更好;另外,还能节省钢筋混凝土的使用。
预制梁的两端分别与位于两侧的预制柱相铰接,预制梁的底部两侧各设置一个倾斜设置的防屈曲支撑,每根防屈曲支撑的一端与预制梁底部相铰接,每根防屈曲支撑的另一端与预制柱相铰接。
预制梁与预制柱的铰接优选设置方式为:预制梁的两端各预埋一个梁柱连接端7,相邻两个预制柱相向一侧的顶端各预埋一个梁柱铰接支座5,梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座采用销轴相连接。
防屈曲支撑分别与预制柱及预制梁的铰接优选设置方式为:预制梁的底部两侧各预埋一个角撑连接端8,位于梁柱铰接支座下方的每个预制柱顶部各设置一个角撑铰接支座6,角撑连接端与相应的角撑铰接支座采用销轴相连接。
防屈曲支撑与预制梁之间具有水平夹角α。
对叠合梁的改善程度取决于防屈曲支撑的位置与角度。位置越靠近叠合梁中部,效果越好。防屈曲支撑与叠合梁的水平夹角α越大,效果越好。水平夹角α一般优选取值为20-60°。
角撑铰接支座与梁柱铰接支座之间的距离优选为层高的20-50%。
进一步,叠合梁的梁高比现有叠合梁的梁高减少25-50%,现有叠合梁的梁高为(1/15-1/10)L,其中L为相邻两根预制柱之间的间距,也即梁跨度。
一种装配式钢筋混凝土角撑框架的施工方法,其特征在于:包括如下步骤。
步骤1:预制柱的预制:根据运输条件要求,将预制柱的预制长度设定为建筑楼层层高的2-5倍,优选为3倍。在每个楼层层高的对应部位分别预埋梁柱铰接支座和角撑铰接支座。
步骤2,预制梁的预制:按照设定形状及尺寸对预制梁进行预制,预制时,在预制梁的两端分别预埋梁柱连接端,预制梁的底部两侧分别预埋角撑连接端。
步骤3,预制柱施工:将预制柱运输至施工地点,并对预制柱进行施工。
步骤4,预制梁施工:将预制梁分别吊装至对应楼层层高处,采用销轴将预制梁中的梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座相铰接;再采用销轴将预制梁中的角撑连接端与相应的角撑铰接支座相铰接。
步骤5,叠合梁的后浇混凝土:在每个预制梁的顶部分别浇筑一层钢筋混凝土,后浇混凝土与预制梁形成一个整体,构成叠合梁。本步骤5中,2~5层的叠合梁顶部的后浇混凝土同步浇筑。
为表明本发明相对于现有技术的优越性,特举一个单层单跨的框架为例。该框架跨度7.5米,层高3.3米,梁上荷载40kn/m,设防地震烈度8度,设计地震基本加速度0.2g。现有技术的框架和本发明的框架,采用表格的方式,进行对比,见后续表1以及续表1。
现有技术中的常规装配式结构的大样,如图3所示;本发明装配式钢筋混凝土角撑框架的构造大样如图4所示。
下面结合后续表1、续表1以及图3和图4,将本发明的结构总体控制指标与现有技术进行详细的比较与说明。
(1)结构自振周期
现有技术的结构自振周期0.2147秒,本发明的结构自振周期0.2138秒,两者相差0.4%,误差在工程允许范围5%的范围之内。
(2)层间位移角
现有技术的层间位移角1/3549,本发明的层间位移角1/3518,相差0.9%。误差在工程允许5%的范围之内。
(3)底层地震剪力
现有技术的底层剪力29KN,本发明的底层剪力29.8KN,相差2.7%。误差在工程允许5%的范围之内。
本发明与常规装配式结构的性能对比表1
本发明与常规装配式结构的性能对比续表1
三、结构构件的内力指标
上述三个指标是结构抗震设计的关键控制指标。三个指标相同的对比才具有科学意义。在此基础之上,其他指标的对比性如下:
(4)梁的竖向挠度
现有技术的梁挠度4.83,本发明梁挠度4.21,相差0.6mm,梁挠度更小,设计更优。
(5)梁弯矩
跨中正弯矩,现有技术为287kn.m,本发明为127kn.m,降低56%,直接影响梁下部纵筋配筋面积降低56%,
梁端负弯矩,现有技术为-139kn.m,本发明为-83kn.m,降低40%,直接影响梁下部纵筋配筋面积降低40%,
因此,梁的纵筋配筋可以减低50%左右。
(6)梁剪力
现有技术的梁最大剪力214kn,本发明梁最大剪力143,降低33%,箍筋更省。
(7)梁轴力
现有技术梁轴力54.2kn,本发明梁轴力最大87.2kn,比原有技术增大60%。由于梁的轴力基本有梁和面积庞大的现浇板在面内承担,因此,梁轴力问题历来不是结构设计需要额外考虑的因素。
(8)柱弯矩、剪力
在荷载下柱弯矩与剪力,本发明均与现有技术相比,有些位置大、有些位置小。主要是由于现有技术中,预制柱在防屈曲支撑处受到防屈曲支撑的集中力作用。这些荷载下的内力对预制柱设计不是关键要素。并且本发明的案例仅是单层单跨,看似预制柱内力变大。预制柱的内力变化是针对竖向荷载,这对结构来说很容易解决,造价影响也小。实际上,在建筑中间位置,预制柱四面或三面都受到叠合梁与防屈曲支撑的约束,防屈曲支撑对预制柱的影响可以两两相互抵消。
地震作用下,本发明与现有技术,总体性能数据指标上基本相同,相差5%以内。
通过上述案例计算指标的对比,发现本发明比现有技术,综合来看,本发明的结构设计指标明显由于现有技术。在此基础上,做技术经济性能的进一步对比。对比点包括:预制梁的设计,层高或净高,预制梁制造安装的便利性,预制柱的内力影响,震后可修复性,框架施工技术优越性,总工期,总造价等。
(1)梁内力更加合理
与现有技术的梁柱连接方式相比,在整体结构的刚度与位移指标相同的前提下,本发明的混凝土梁截面高度大大减小。这完全来自于梁端部的防屈曲支撑给梁提供了中间两个竖向支承点,由于设置了两个支点,两有单跨梁变为3跨梁,梁的弯矩、剪力大大降低,配筋也大大降低。
对叠合梁的改善程度取决于防屈曲支撑位置与角度。防屈曲支撑位置越靠近叠合梁中,效果越好。防屈曲支撑支撑与叠合梁的水平夹角越大,效果越好。
(2)对建筑层高与净高的影响大,使用功能大大改善,经济效益明显。
现有技术预制梁高大,梁下净高小。使用空间差。
本发明的预制梁构造,比现有技术预制梁高降低20%~50%,对建筑的影响巨大。首先,在建筑层高不变时,预制梁下的高度大,建筑室内净高更高,室内使用空间效果大大改善。第二,在建筑室内净高要求不变的情况下,可以减少建筑层高5~8%。按照每层节省200~300mm计算,原本15层高的建筑可以做成16层,经济效益明显。
(3)预制梁易于制造。
现有技术预制梁,截面大,总量大,制造、运输、吊装及安装调整。本发明的预制装配式预制梁的截面变小,重量变小,便于预制件的制造、运输、吊装及安装调整。
(4)对预制柱基本没有不利影响。
本发明的按例仅是单层单跨,看似预制柱内力变大。然而,预制柱的内力变化仅是针对竖向荷载,这对结构来说很容易解决,造价影响也小。实际上,当建筑中间位置,预制柱四面或三面都受到梁与支撑的约束,支撑对柱的影响可以两两相互抵消。
(5)大震状态下,现有技术叠合梁破坏后修复非常困难,本发明的叠合梁更换非常方便。
(6)大大改善梁柱节点部位的抗震性能、施工要求,工期大大缩短,造价降低。
梁柱相交的节点部位,对于现有的预制装配式工程,是重点、弱点、难点。这是结构的关键受力部位,要求高,作用大。当节点失效了,整个结构不复存在。
现有技术的主要施工特点:
(1)柱在每层需要连接,灌浆套筒抗震连接技术是非常明显的弱点。虽然经过试验,但毕竟是接头部位,当施工质量非常好时,才能满足理论假定的要求。
(2)当建筑中部位置,柱子四面有四根框架梁需要在此连接时,加上上下的柱子,共有6根构件在一个节点处连接,预制件外露钢筋的定位要求非常高,互相站位碰撞问题非常突出。节点区的后浇混凝土要与六个面的预制混凝土结合,设计与施工要求非常高。
(3)现有技术梁柱连接,工期长、造价高、抗震性能差。
本发明的梁柱铰接做法,相比起来,具有明显的优势:
(1)预制柱的预制长度突破楼层限制,可以两层、三层甚至更过层多一次预制,没有中间的接头,不仅施工方便,成型质量优异,而且抗震性能大大提升;
(2)梁与柱的连接就是两个销轴等铰接连接,施工极其快捷方便,连接技术更加可靠,节点抗震性能大大提升;
(3)本发明的梁柱连接方式,可完全节省掉预制梁柱的钢筋及混凝土浇筑时间,以及混凝土的养护时间,工期大大缩短。
(4)由于预制柱有足够的承载能力,还可两层或三层同时施工,工期大大缩减。造价大大节省。
通过实例的计算指标的精确对比,进而对技术经济性的比较,本发明的角撑框架梁技术比现有的装配式钢筋混凝土梁技术,结构更加合理,构造更加简洁,施工更加便捷,施工工期更短,工程总造价更低,本发明的角撑框架梁技术具有突出的技术经济优越性,便于大量开发应用,具有广阔的市场应用前景。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种等同变换,这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种装配式钢筋混凝土角撑框架,其特征在于:包括预制柱、叠合梁和防屈曲支撑;
叠合梁水平设置,叠合梁包括预制梁和位于预制梁顶部的后浇混凝土;
预制梁的两端分别与位于两侧的预制柱相铰接,预制梁的底部两侧各设置一个倾斜设置的防屈曲支撑,每根防屈曲支撑的一端与预制梁底部相铰接,每根防屈曲支撑的另一端与预制柱相铰接;
防屈曲支撑与预制梁之间具有水平夹角α。
2.根据权利要求1所述的装配式钢筋混凝土角撑框架,其特征在于:预制梁的两端各预埋一个梁柱连接端,相邻两个预制柱相向一侧的顶端各预埋一个梁柱铰接支座,梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座采用销轴相连接;预制梁的底部两侧各预埋一个角撑连接端,位于梁柱铰接支座下方的每个预制柱顶部各设置一个角撑铰接支座,角撑连接端与相应的角撑铰接支座采用销轴相连接。
3.根据权利要求2所述的装配式钢筋混凝土角撑框架,其特征在于:角撑铰接支座与梁柱铰接支座之间的距离为层高的20-50%。
4.根据权利要求1所述的装配式钢筋混凝土角撑框架,其特征在于:预制梁的两端均为逐渐递减的变截面梁。
5.根据权利要求1所述的装配式钢筋混凝土角撑框架,其特征在于:叠合梁的梁高比现有叠合梁的梁高减少25-50%,现有叠合梁的梁高为(1/15-1/10)L,其中L为相邻两根预制柱之间的间距,也即梁跨度。
6.一种装配式钢筋混凝土角撑框架的施工方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1:预制柱的预制:根据运输条件要求,将预制柱的预制长度设定为建筑楼层层高的2-5倍,在每个楼层层高的对应部位分别预埋梁柱铰接支座和角撑铰接支座;
步骤2,预制叠合梁的预制:按照设定形状及尺寸对预制叠合梁进行预制,预制时,在预制叠合梁的两端分别预埋梁柱连接端,预制叠合梁的底部两侧分别预埋角撑连接端;
步骤3,预制柱施工:将预制柱运输至施工地点,并对预制柱进行施工;
步骤4,预制梁施工:将预制梁分别吊装至对应楼层层高处,采用销轴将预制梁中的梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座相铰接;再采用销轴将预制梁中的角撑连接端与相应的角撑铰接支座相铰接;
步骤5,叠合梁的后浇混凝土:在每个预制梁的顶部分别浇筑一层钢筋混凝土,,后浇混凝土与预制梁形成一个整体,构成叠合梁。
7.根据权利要求6所述的装配式钢筋混凝土角撑框架的施工方法,其特征在于:步骤1中,预制柱的预制长度为建筑楼层层高的3~5倍。
8.根据权利要求6所述的装配式钢筋混凝土角撑框架的施工方法,其特征在于:步骤2中,叠合梁的梁高比现有叠合梁的梁高减少25-50%,现有叠合梁的梁高为(1/15-1/10)L,其中L为相邻两根预制柱之间的间距,也即梁跨度。
9.根据权利要求6所述的装配式钢筋混凝土角撑框架的施工方法,其特征在于:步骤5中,2~5层的叠合梁顶部的后浇混凝土同步浇筑。
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