CN107829505A - 一种采用x型钢板加强的连梁结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用X型钢板加强的连梁结构及其设计方法，所述的连梁结构包括连梁和墙肢，所述的连梁中布置X型钢板，墙肢中布置锚固构件，所述的X型钢板通过两侧的锚固构件支撑。本发明采用X型钢板埋入连梁形成钢筋混凝土组合连梁结构，采用了合理的钢板分布形式结并且合了钢板与混凝土连梁自身的优点，其原理是采用分布为“X”形状的钢板抵抗荷载作用下连梁中的弯矩与剪力，能在破坏界面上提供有效截面积用以抵抗产生的拉力，以及沿斜对角平行方向的裂缝之间提供有效的截面抵抗拉力与沿裂缝之间错动的剪力。本方法克服了传统连梁结构承载力差、延性低、耗能能力差等问题。并且能够同时减少传统连梁中配筋复杂、施工不便的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高层建筑结构中连梁的设计技术，特别是一种采用X型钢板加强的连梁结构的设计方法。
背景技术
连梁是高层建筑结构中剪力墙之间的重要连接构件，在相关结构设计中通常被设计为首先进入屈服的构件，作为抗震设防的第一道防线发挥作用。连梁在荷载作用下的变形如图1所示。
当连梁为跨度较大而梁高较小的情况时，设计原则可采用普通梁设计原则，这种梁的破坏一般也与框架梁类似，但很多情况下存在于连肢剪力墙结构中的连梁通常为跨度较小的深梁(跨高比小于3)，其两侧相连接的为刚度较大的墙肢，剪力墙在水平力作用下产生弯曲变形，与之相连的连梁两端产生弯矩与剪力；并且连梁的弯矩在连梁两端方向相反，沿全跨剪力相等，反弯点位于连梁中央(如图2所示)，这种反弯作用使得连梁能产生很大的剪切变形，很容易产生斜剪裂缝，在往复荷载下产生交叉斜裂缝，导致脆性剪切破坏。采用常规配筋设计的连梁无法有效提高连梁承载力及延性，对脆性剪切破坏的改善情况也较为有限，这种情况下连梁破坏突然，耗能能力低，一旦破坏之后无法有效耗散地震能量，不利于结构整体抗震。
根据已有的研究成果，连梁易于发生的破坏为弯曲剪切破坏和剪切破坏，弯曲滑移破坏则较少出现，弯曲剪切破坏和剪切破坏都具有类似的斜向交叉裂缝，弯曲剪切破坏还会在梁端产生塑性铰，这与这种小跨高比连梁的受力特点有密切关系。这几种破坏模式如下：
1、弯曲滑移破坏：如图3(a)所示，施加荷载后连梁首先在与墙肢交接位置的受拉一侧出现垂直于连梁的弯曲裂缝。荷载反向后，受拉裂缝闭合，受压区变为受拉区，同一截面的另一受拉边出现同样的裂缝。随着荷载的增加及反复，垂直裂缝不断延伸、扩展，最终贯通于整个连梁截面，连梁沿上述裂缝发生滑移，丧失承载能力并发生破坏。试件的抗剪能力主要依靠纵筋的销栓作用，梁中不出现或很少出现斜裂缝。
2、弯曲剪切破坏：如图3(b)所示，弯矩作用使得在连梁端部首先出现弯曲裂缝，斜裂缝在纵向钢筋达到屈服以前产生，并在纵筋屈服以后逐渐开展，弯曲裂缝也逐渐加大，连梁梁腹不断出现新的斜裂缝，其中一条斜裂缝发展成为控制裂缝，破坏时连梁被相交叉的裂缝分割为许多小部分，破坏主要由与控制裂缝相交的箍筋屈服，纵筋屈服后塑性铰部位丧失抗剪能力而引起。
3、连梁的剪切破坏分为对角受拉破坏与对角受压破坏：如图3(c)所示，在配箍率较小的连梁中，连梁被对角斜裂缝分成两个三角形部分，与对角斜裂缝相交的箍筋达到屈服，连梁发生对角受拉破坏；在配筋率与抗弯纵筋配筋率较大的试件中，拱效应将会起主要作用，连梁最终在对角斜压作用下发生对角线方向斜裂缝间混凝土受压破坏而丧失承载力。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能提高小跨高比连梁的承载能力、延性和耗能能力，从而提高整体结构的抗震性能的采用X型钢板加强的连梁结构及其设计方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种采用X型钢板加强的连梁结构，包括连梁和墙肢，所述的连梁中布置X型钢板，墙肢中布置锚固构件，所述的X型钢板通过两侧的锚固构件支撑并锚固；所述的X型钢板关于水平中心线对称、关于垂直中心线对称；所述的锚固构件长度方向与水平面垂直，两侧的锚固构件相互平行。
进一步地，所述的X型钢板的垂直中心线与连梁的垂直中心线共线。
进一步地，所述的X型钢板与锚固构件通过焊缝连接。
进一步地，所述的锚固构件为工字钢、H型钢、对称布置的双肢角钢或T型钢。
进一步地，所述的X型钢板的尺寸在沿连梁高度方向不超出连梁箍筋范围。
一种采用X型钢板加强的连梁结构的设计方法，包括以下步骤：
A、设计X型钢板
A1、X型钢板为一层，居中放置于连梁中央；X型钢板关于水平中心线对称、关于垂直中心线对称，连梁跨中任意横截面中钢板的横截面积均相等，其厚度及尺寸由连梁的尺寸所需构造要求及该连梁的承载能力要求确定，钢板截面尺寸计算方法如下；
连梁所承受剪力V、弯矩M分别由两部分组成：X型钢板部分所承担的剪力Vsp、弯矩Msp，钢筋混凝土连梁部分承担剪力Vsc、弯矩Msc。
即：
V＝Vsp+Vsc
M＝Msp+Msc
由以上各式确定X型钢板的截面尺寸tsp和hsp1，其中：
γRE—抗震承载力调整系数；
h0—连梁截面有效高度；
as—受拉钢筋合力作用点至受拉截面边缘距离；
fy—钢筋抗拉强度设计值；
As—连梁中纵向受拉钢筋截面面积；
ft—混凝土抗拉强度设计值；
Av—配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；
fyv—连梁中箍筋的抗拉强度设计值；
τsp—X型钢板抗剪强度设计值；
σsp—最不利截面即墙梁交界处截面受弯最大正应力值；
Wsp—最不利截面即墙梁交界处截面钢板截面抵抗矩；
fsp—X型钢板抗压强度设计值；
X型钢板两侧的夹角α同时受连梁几何尺寸与最不利截面抵抗矩Wsp的约束，即夹角α既满足X型钢板的尺寸不超出连梁范围，又满足最不利截面抵抗矩Wsp大于最小截面抵抗矩的要求；
A2、X型钢板的材料为牌号为Q235-B.C.D级的碳素结构钢；
A3、X型钢板表面焊接抗剪栓钉，焊接要求满足JGJ138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》及GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定；
A4、X型钢板位于连梁箍筋内部；
B、设计锚固构件
B1、锚固构件为型钢，包括工字钢、H型钢、对称布置的双肢角钢或T型钢，其截面尺寸由下列公式确定：
式中：M为连梁端部弯矩，V为连梁端部剪力，A为锚固构件横截面积，W为锚固构件截面抵抗矩，f为锚固构件钢材屈服强度设计值；
B2、锚固构件选用Q345-B.C.D.E级的低合金高强度结构钢；
B3、锚固构件沿墙肢上下贯通布置；若受条件限制，锚固构件伸出连梁上下表面的长度h4不小于连梁高度h。
B4、X型钢板与锚固构件之间的焊缝要求满足GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定。
B5、锚固构件表面焊接抗剪栓钉，焊接要求满足JGJ138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》及GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定。
B6、锚固构件位于墙肢的分布钢筋或边缘构件的箍筋内部，重叠位置箍筋焊接于该锚固构件上，锚固构件边缘距离墙肢边缘距离da不小于80mm。
C、设计钢筋混凝土
C1、连梁的跨高比小于1:3，其厚度大于150mm；
C2、钢筋混凝土材料的选用符合相关国家规范的要求。
C3、连梁中分布钢筋的选用满足JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用X型钢板埋入连梁形成钢筋混凝土组合连梁结构。这种设计方法采用了合理的钢板分布形式结并且合了钢板与混凝土连梁自身的优点，其原理是采用分布为“X”形状的钢板抵抗荷载作用下连梁中的弯矩与剪力，钢板所采用的材料为低强度具有良好延性的钢材，钢板“X”型的布置使得截面惯性矩的分布大致与连梁弯矩的分布一致，交叉布置的钢板方向与主应力方向非常接近，主压应力由钢板和混凝土共同承担，而主拉应力由钢板以及相应的箍筋承担，混凝土能够防止混凝土中的钢板受压屈曲失稳。而且基于一些学者研究的结论：连梁发生对角开裂破坏时的破坏截面为沿着连梁与墙的上下交点的对角线所成的平面。因此采用“X”形状布置的钢板能在破坏界面上提供有效截面积用以抵抗产生的拉力，以及沿斜对角平行方向的裂缝之间提供有效的截面抵抗拉力与沿裂缝之间错动的剪力。由于X型钢板的加入并对连梁承载力的有效贡献，可以一定程度上减少连梁中钢筋的布置，并且钢板为片状构件，浇捣混凝土时也不会因为过于密集的钢筋影响混凝土浇捣质量。通过这种技术手段，将克服传统设计方法设计的连梁承载力差、延性低、耗能能力差等问题。并且这种设计方法能够同时减少传统连梁中配筋复杂、施工不便的问题。
2、本发明能有效提高连梁的承载能力、耗能能力及延性，从而使高层建筑结构具有更佳的整体承载能力、延性及耗能能力，使得建筑结构在面临地震荷载的时候具有更好的安全性能，从而有效避免人员伤亡和财产损失。
附图说明
图1是连肢剪力墙荷载作用下变形情况图。
图2是连梁受力状态与对角斜裂缝示意图。
图3是连梁的破坏模式示意图。
图4是连梁尺寸图。
图5是图4的A-A截面图。
图6是连梁结构及尺寸示意图。
图7是图6的A-A截面图。
图8是图6的B-B截面图。
图9是图6的C-C截面图。
图10是X型钢板示意图。
图11是锚固构件与X型钢板连接示意图之一。
图12是锚固构件与X型钢板连接示意图之二。
图13是锚固构件与X型钢板连接示意图之三。
图中：1、X型钢板；2、连梁；3、墙肢；4、锚固构件，5、焊缝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图4-10所示，一种采用X型钢板加强的连梁结构，包括连梁2和墙肢3，所述的连梁2中布置X型钢板1，墙肢3中布置锚固构件4，所述的X型钢板1通过两侧的锚固构件4支撑并锚固；所述的X型钢板1关于水平中心线对称、关于垂直中心线对称；所述的锚固构件4长度方向与水平面垂直，两侧的锚固构件4相互平行。
进一步地，所述的X型钢板1的垂直中心线与连梁2的垂直中心线共线。
进一步地，所述的X型钢板1与锚固构件4通过焊缝5连接。
进一步地，所述的锚固构件4为工字钢、H型钢、对称布置的双肢角钢或T型钢。
进一步地，所述的X型钢板1的尺寸在沿连梁2高度方向不超出连梁箍筋范围。
如图4-13所示，一种采用X型钢板加强的连梁结构的设计方法，包括以下步骤：
A、设计X型钢板1
A1、X型钢板1为一层，居中放置于连梁2中央；X型钢板1关于水平中心线对称、关于垂直中心线对称，连梁2跨中任意横截面中钢板的横截面积均相等，其厚度及尺寸由连梁2的尺寸所需构造要求及该连梁2的承载能力要求确定，钢板截面尺寸计算方法如下；
连梁2所承受剪力V、弯矩M分别由两部分组成：X型钢板1部分所承担的剪力Vsp、弯矩Msp，钢筋混凝土连梁2部分承担剪力Vsc、弯矩Msc。
即：
V＝Vsp+Vsc
M＝Msp+Msc
由以上各式确定X型钢板1的截面尺寸tsp和hsp1，其中：
γRE—抗震承载力调整系数；
h0—连梁2截面有效高度；
as—受拉钢筋合力作用点至受拉截面边缘距离；
fy—钢筋抗拉强度设计值；
As—连梁2中纵向受拉钢筋截面面积；
ft—混凝土抗拉强度设计值；
Av—配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；
fyv—连梁2中箍筋的抗拉强度设计值；
τsp—X型钢板1抗剪强度设计值；
σsp—最不利截面即墙梁交界处截面受弯最大正应力值；
Wsp—最不利截面即墙梁交界处截面钢板截面抵抗矩；
fsp—X型钢板1抗压强度设计值；
X型钢板1两侧的夹角α同时受连梁2几何尺寸与最不利截面抵抗矩Wsp的约束，即夹角α既满足X型钢板1的尺寸被限制于箍筋之内，又满足最不利截面抵抗矩Wsp大于最小截面抵抗矩的要求；
A2、X型钢板1的材料为牌号为Q235-B.C.D级的碳素结构钢；
A3、X型钢板1表面焊接抗剪栓钉，该栓钉的布置满足JGJ138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》及GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定；
A4、X型钢板1位于连梁2箍筋内部；
B、设计锚固构件4
B1、锚固构件4为型钢，包括工字钢、H型钢、对称布置的双肢角钢或T型钢，其截面尺寸由下列公式确定：
式中：M为连梁2端部弯矩，V为连梁2端部剪力，A为锚固构件4横截面积，W为锚固构件4截面抵抗矩，f为锚固构件4钢材屈服强度设计值；
B2、锚固构件4选用Q345-B.C.D.E级的低合金高强度结构钢；
B3、锚固构件4沿墙肢3上下贯通布置；若受条件限制，锚固构件4伸出连梁2上下表面的长度h4不小于连梁2高度h。
B4、X型钢板1与锚固构件4之间的焊缝5要求满足GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定。
B5、锚固构件4表面焊接抗剪栓钉，该栓钉的布置满足JGJ138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》及GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定。
B6、锚固构件4位于墙肢3的分布钢筋或边缘构件的箍筋内部，重叠位置箍筋焊接于该锚固构件4上，锚固构件4边缘距离墙肢3边缘距离da不小于80mm。
C、设计钢筋混凝土
C1、连梁2的跨高比小于1:3，其厚度大于150mm；
C2、钢筋混凝土材料的选用符合相关国家规范的要求。
C3、连梁2中分布钢筋的设计满足JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种采用X型钢板加强的连梁结构，包括连梁(2)和墙肢(3)，其特征在于：所述的连梁(2)中布置X型钢板(1)，墙肢(3)中布置锚固构件(4)，所述的X型钢板(1)通过两侧的锚固构件(4)支撑并锚固；所述的X型钢板(1)关于水平中心线对称、关于垂直中心线对称；所述的锚固构件(4)长度方向与水平面垂直，两侧的锚固构件(4)相互平行。
2.根据权利要求1所述的一种采用X型钢板加强的连梁结构，其特征在于：所述的X型钢板(1)的垂直中心线与连梁(2)的垂直中心线共线。
3.根据权利要求1所述的一种采用X型钢板加强的连梁结构，其特征在于：所述的X型钢板(1)与锚固构件(4)通过焊缝(5)连接。
4.根据权利要求1所述的一种采用X型钢板加强的连梁结构，其特征在于：所述的锚固构件(4)为工字钢、H型钢、对称布置的双肢角钢或T型钢。
5.根据权利要求1所述的一种采用X型钢板加强的连梁结构，其特征在于：所述的X型钢板(1)的尺寸在沿连梁(2)高度方向不超出连梁箍筋范围。
6.一种采用X型钢板加强的连梁结构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、设计X型钢板(1)
A1、X型钢板(1)为一层，居中放置于连梁(2)中央；X型钢板(1)关于水平中心线对称、关于垂直中心线对称，连梁(2)跨中任意横截面中钢板的横截面积均相等，其厚度及尺寸由连梁(2)的尺寸所需构造要求及该连梁(2)的承载能力要求确定，钢板截面尺寸计算方法如下；
连梁(2)所承受剪力V、弯矩M分别由两部分组成：X型钢板(1)部分所承担的剪力Vsp、弯矩Msp，钢筋混凝土连梁(2)部分承担剪力Vsc、弯矩Msc；
即：
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<mi>&tau;</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>&le;</mo>
<mn>1.1</mn>
<msub>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
由以上各式确定X型钢板(1)的截面尺寸tsp和hsp1，其中：
γRE—抗震承载力调整系数；
h0—连梁(2)截面有效高度；
as—受拉钢筋合力作用点至受拉截面边缘距离；
fy—钢筋抗拉强度设计值；
As—连梁(2)中纵向受拉钢筋截面面积；
ft—混凝土抗拉强度设计值；
Av—配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；
fyv—连梁(2)中箍筋的抗拉强度设计值；
τsp—X型钢板(1)抗剪强度设计值；
σsp—最不利截面即墙梁交界处截面受弯最大正应力值；
Wsp—最不利截面即墙梁交界处截面钢板截面抵抗矩；
fsp—X型钢板(1)抗压强度设计值；
X型钢板(1)两侧的夹角α同时受连梁(2)几何尺寸与最不利截面抵抗矩Wsp的约束，即夹角α既满足X型钢板(1)的尺寸不超出连梁(2)范围，又满足最不利截面抵抗矩Wsp大于最小截面抵抗矩的要求；
A2、X型钢板(1)的材料为牌号为Q235-B.C.D级的碳素结构钢；
A3、X型钢板(1)表面焊接抗剪栓钉，焊接要求满足JGJ138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》及GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定；
A4、X型钢板(1)位于连梁(2)箍筋内部；
B、设计锚固构件(4)
B1、锚固构件(4)为型钢，包括工字钢、H型钢、对称布置的双肢角钢或T型钢，其截面尺寸由下列公式确定：
<mrow>
<mfrac>
<mi>M</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>W</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>A</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&le;</mo>
<mi>f</mi>
</mrow>
式中：M为连梁(2)端部弯矩，V为连梁(2)端部剪力，A为锚固构件(4)横截面积，W为锚固构件(4)截面抵抗矩，f为锚固构件(4)钢材屈服强度设计值；
B2、锚固构件(4)选用Q345-B.C.D.E级的低合金高强度结构钢；
B3、锚固构件(4)沿墙肢(3)上下贯通布置；若受条件限制，锚固构件(4)伸出连梁(2)上下表面的长度h4不小于连梁(2)高度h；
B4、X型钢板(1)与锚固构件(4)之间的焊缝(5)要求满足GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定；
B5、锚固构件(4)表面焊接抗剪栓钉，焊接要求满足JGJ138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》及GB50017-2003《钢结构设计规范》的规定；
B6、锚固构件(4)位于墙肢(3)的分布钢筋或边缘构件的箍筋内部，重叠位置箍筋焊接于该锚固构件(4)上，锚固构件(4)边缘距离墙肢(3)边缘距离da不小于80mm；
C、设计钢筋混凝土
C1、连梁(2)的跨高比小于1:3，其厚度大于150mm；
C2、钢筋混凝土材料的选用符合相关国家规范的要求；
C3、连梁(2)中分布钢筋的选用满足JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求。
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