CN108360709A - 一种保险丝式框架填充墙板及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保险丝式框架填充墙板及设计方法，其包括：框架梁、框架柱、填充墙、上保险丝、侧保险丝、柔性填充材料、弹性材料及其连接件，其中，框架梁、框架柱与填充墙之间分别设置水平间隙、竖向间隙，均填充柔性填充材料；框架梁、框架柱分别通过上保险丝、侧保险丝与填充墙连接。框架梁、框架柱及填充墙可按现行规范先行设计，之后，设计水平间隙、竖向间隙、上保险丝、侧保险丝及相应连接。通过保险丝的设置，实现各部件间的协调工作，设计合力、传力明确，既可有效消除填充墙对框架的刚度效应和约束作用，又使其成为抵御房屋倒塌的最后一道防线；且基本不改变传统框架的设计、建造方式，设计简单，易于施工、维护，从而降低成本。

Description

一种保险丝式框架填充墙板及其设计方法

技术领域

本发明属于结构工程抗震技术领域，涉及一种利用保险丝式框架填充墙板及设计方法。

背景技术

填充墙是框架结构体系中不可缺少的元件，通常起围护和分隔作用，在设计中通常不考虑其作用。由于填充墙的存在增加了框架结构的刚度和强度，因此大部人研究人员和设计人员乐观的认为填充墙的存在提高了框架结构的抗震性能。然而，大量震害表明，由于填充墙的作用造成大量框架房屋倒塌，究其原因主要是由于填充墙的刚度效应、及约束作用，使填充墙结构在地震作用下发生薄弱层破坏、扭转破坏使结构严重受损甚至倒塌，造成大量的人员伤亡和财产损失。

目前，针对上述问题，大量研究人员主要采用如下两种突破方案：一种是通过在填充墙中或填充墙与框架之间设置耗能材料（如“一种用于框架结构的阻尼抗震填充墙板”，申请号201110156375.3；“一种用于框架结构的新型耗能减震填充墙板”，申请号200910077078.2；“一种复合材料耗能型剪力墙”，申请号201410250159.9），提高填充墙的耗能能力；另一种，将框架与填充墙之间设置为柔性连接（如“砌体填充墙与混凝土结构的柔性连接结构”，申请号201510147303.0；“一种砌体填充墙与主体框架的柔性连接装置及方法”，申请号 201610172477.7；“砌体填充墙与混凝土结构的柔性连接结构”，申请号201510147303.0），减少框架与填充墙之间的相互作用，从而较少填充墙的刚度效应、及约束作用。第一种方案，由于在填充墙增加了耗能材料，有效的提高了整个框架体系的强度、耗能能力，但是该方案的目前还是要求填充墙与框架一起抵抗外荷载，不能避免填充墙引起的刚度效应及约束作用，且由于耗能材料的投入提高了整个体系的成本。第二种方案，在填充墙与框架梁柱之间设置柔性填充材料，形成柔性隔断，消除了填充墙对框架的刚度效应和约束作用，但是，由于柔性隔断极大的消弱了框架对填充墙板的约束，一方面增加了填充墙板平面外倒塌的风险，另一方面，没有充分发挥填充墙在结构体系中的抗力作用，是一种变相的浪费。同时，上述两种方案改变了传统施工方法，均需增加新的施工工艺，增加了施工难度，提高了成本。

发明内容

本发明针对上述研究的问题，提出了一种保险丝式框架填充墙板及设计方法，通过保险丝的设置及设计，实现框架填充墙板之间的协调工作，保证框架梁柱在弹性阶段、弹塑性阶段与填充墙之间的柔性连接性能，从而消除填充墙对框架的刚度效应和约束作用；当框架梁柱到达极限承载能力状态时，即将出现倒塌时，使得框架和填充墙接触，参与到抵抗外荷载中，共同抵御地震作用，使得填充墙成为抵御房屋倒塌的最后一道防线。同时，整个受力过程中，保险丝始终起到保护填充墙平面外的倒塌作用。该保险丝式框架填充墙板，设计合力、传力明确，可充分发挥各部件的能力，有效的提高了整体框架体系的抗倒塌能力，增加了传统抗震设计的设计防线，可以做到巨震不倒。此外，本发明的体系基本不改变传统框架结构的建造方式，易于施工，也可采用全螺栓装配式连接，拆装方便，便于维修，从而降低成本。

一种保险丝式框架填充墙板，包括框架梁，框架柱，上保险丝，侧保险丝，填充墙板，柔性填充材料、弹性材料及其连接。框架梁与填充墙板之间设置水平间隙，框架柱与填充墙板之间设置竖向间隙，水平间隙与竖向间隙中均填充柔性填充材料，优选高压缩性保温隔热材料，如矿棉板、岩棉等，优选岩棉。框架梁与填充墙板之间通过上保险丝连接，其中，框架梁与上保险丝固端连接，可以焊接也可以螺栓连接，优选螺栓连接，方便上保险丝的拆装,；框架柱与填充墙板之间通过侧保险丝连接，其中，框架柱与侧保险丝固端连接，可以焊接也可以螺栓连接，优选螺栓连接，方便侧保险丝的拆装，填充墙板与侧保险丝通过弹性材料接触连接，弹性材料可选择SBS、TPV、TPU等具有良好弹性的材料，优选SBS。

一种保险丝式框架填充墙板，所述填充墙板，为了防止振动时对填充墙的冲击作用，在填充墙板两侧粘贴有弹性材料，用于与侧保险丝接触连接，通过侧保险丝限制其平面外的倒塌。填充墙板上部设置有加强块，加强块中设置有锚杆，用于与上保险丝螺栓连接，通过上保险丝实现框架填充墙板之间的协调工作，保证框架梁柱在弹性阶段、弹塑性阶段与填充墙之间的柔性连接性能，从而消除填充墙对框架的刚度效应和约束作用。同时，加强块的设置一方面避免由于钻孔对墙体造成的二次损伤，另一方面防止锚杆处的局压破坏。

一种保险丝式框架填充墙板，所述的上保险丝，设置为倒L型，其上端优选为矩形，并与框架梁固端连接，可焊接也可螺栓连接，优选螺栓连接，方便上保险丝的拆装。下端优选为弧形过渡为矩形，其弧形部分截面宽度的平方随截面距端部的距离呈线性变化，弧形设置是保证其受力时为等强度，从而减少材料用量，末端矩形设置防止由于其上设置的螺栓孔造成的应力集中而进行的局部加宽。上保险丝下端矩形设置区域内设置螺栓孔，螺栓孔设置为中间为矩形，两边为半圆型的孔洞，矩形的宽度及半圆形的直径大于锚杆直径，便于上保险丝安装及拆除。

一种保险丝式框架填充墙板，所述侧保险丝为L型板，其一侧设置为矩形与框架柱固端连接，可焊接也可以螺栓连接，优选螺栓连接，方便侧保险丝的拆装，另一侧优选为锥形，其锥形部分截面宽度随截面距右端部的距离呈线性变化，锥形的设置是保证其受力时为等强度，从而减少材料用量。

一种保险丝式框架填充墙板，所述的框架梁与填充墙之间设置的水平间隙宽度，应满足框架梁竖向自由变形的需求，大于框架梁自由变形与所填充柔性填充材料最大压缩量的和，减少整个过程中填充墙的存在引起的框架梁刚度的提高，避免强梁弱柱破坏的发生。框架柱与填充墙之间设置的竖向间隙，其宽度应等于框架达到极限承载能力时的位移值与所填充的柔性填充材料最大压缩量的和。

一种保险丝式框架填充墙所述的设计方法，首先，根据现行规范设计出相应的框架梁、框架柱以及填充墙；框架梁、框架柱可为钢筋混凝土结构或钢结构，填充墙可为传统的砌体结构，也可为耗能填充墙板。之后，选择柔性填充材料，根据设计的框架梁、框架柱、填充墙，来确定框架梁与填充墙之间设置的水平间隙、以及框架柱与填充墙之间设置的竖向间隙。框架梁与填充墙之间设置的水平间隙宽度，应满足框架梁竖向自由变形的需求，大于框架梁自由变形与所填充柔性填充材料最大压缩量的和，减少整个过程中填充墙的存在引起的框架梁刚度的提高，避免强梁弱柱破坏的发生。其中，框架梁的自由变形可根据现行荷载规范统计的梁上承受的最大荷载确定。框架柱与填充墙之间设置的竖向间隙，其宽度应等于框架达到极限承载能力时的位移值与所填充的柔性填充材料最大压缩量的和，从而保证在框架即将失去承载能力进入倒塌状态时，填充墙作为最后一道防线，参与到抵抗水平作用中，提高其抗倒塌的能力。其中，框架达到极限承载能力时的位移，可根据现行规范或有限元软件计算确定。最后，设计上保险丝及侧保险丝。

附图说明

图1为本发明专利的实施的结构示意图；

图2为本发明专利的填充墙板示意图；

图3为本发明专利的上保险丝轴测图；

图4为本发明专利的上保险丝连接侧视图；

图5为本发明专利的侧保险丝轴测图；

图6为本发明专利的上保险丝公式推导示意图；

图7为本发明专利的侧保险丝公式推导示意图；

图中：1框架梁、2框架柱、3上保险丝、4侧保险丝、5填充墙板、6柔性填充材料、7弹性材料、3-1螺栓孔、5-1加强块、5-2锚杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明专利实施的结构示意图。本实施实例包括框架梁1，框架柱2，上保险丝3，侧保险丝4，填充墙板5，柔性填充材料6，弹性材料7及其连接。框架梁1与填充墙板5之间设置水平间隙，框架柱2与填充墙板5之间设置竖向间隙，水平间隙与竖向间隙中均填充柔性填充材料6，优选高压缩性保温隔热材料，如矿棉板、岩棉等，优选岩棉。框架梁1与填充墙板5之间通过上保险丝3连接，其中，框架梁1与上保险丝3固端连接，可以焊接也可以螺栓连接，优选螺栓连接，方便上保险丝3的拆装,；框架柱2与填充墙板5之间通过侧保险丝4连接，其中，框架柱2与侧保险丝4固端连接，可以焊接也可以螺栓连接，优选螺栓连接，方便侧保险丝4的拆装，填充墙板5与侧保险丝4通过弹性材料7接触连接，弹性材料可选择SBS、TPV、TPU等具有良好弹性的材料，优选SBS。

图2所示为本发明专利的填充墙板示意图，填充墙板5两侧粘贴有弹性材料7，用于与侧保险丝接触连接，填充墙板5上部设置有加强块5-1，加强块中设置有锚杆5-2，用于与上保险丝螺栓连接。加强块的设置一方面避免由于钻孔对墙体造成的损伤，另一方面防止锚杆处的局压破坏。

图3为本发明专利的上保险丝的轴测图。上保险丝3通常设置为倒L型，其上端通过矩形金属板与框架梁底部固端连接，可焊接也可螺栓连接，优选螺栓连接，方便上保险丝的拆装。上保险丝3的下端为由弧形过度为矩形，弧形设置是保证其受力时为等强度，从而减少材料用量，末端矩形设置防止由于其上设置的螺栓孔造成的应力集中而进行的局部加宽。上保险丝3下端矩形设置区域内设置螺栓孔3-1，螺栓孔3-1设置为中间为矩形，两边为半圆型的孔洞，矩形的宽度及半圆形的直径大于锚杆直径，便于上保险丝3安装及拆除。

图4所示为本发明专利的上保险丝连接侧视图，框架梁1与上保险丝3固端连接，可焊接也可以螺栓连接，优选图示中的螺栓连接，方便上保险丝3的拆装，填充墙板5与上保险丝3通过其上设置的螺栓孔螺栓连接。

图5所示为本发明专利的侧保险丝的轴测图，侧保险丝4为L型板，其一侧设置为矩形与框架柱固端连接，可焊接也可以螺栓连接，优选图示中的螺栓连接，方便侧保险丝4的拆装，另一侧为矩形过渡为锥形，其锥形部分截面宽度随截面距右端部的距离呈线性变化。

本发明专利的具体设计方法为：首先，根据现行规范设计出相应的框架梁、框架柱以及填充墙；框架梁、框架柱可为钢筋混凝土结构或钢结构，填充墙可为传统的砌体结构，也可为耗能填充墙板。之后，选择柔性填充材料，根据设计的框架梁、框架柱、填充墙，来确定框架梁与填充墙之间设置的水平间隙、以及框架柱与填充墙之间设置的竖向间隙。框架梁与填充墙之间设置的水平间隙宽度，应满足框架梁竖向自由变形的需求，大于框架梁自由变形与所填充柔性填充材料最大压缩量的和，减少整个过程中填充墙的存在引起的框架梁刚度的提高，避免强梁弱柱破坏的发生。其中，框架梁的自由变形可根据现行荷载规范统计的梁上承受的最大荷载确定。框架柱与填充墙之间设置的竖向间隙，其宽度应等于框架达到极限承载能力时的位移值与所填充的柔性填充材料最大压缩量的和，从而保证在框架即将失去承载能力进入倒塌状态时，填充墙作为最后一道防线，参与到抵抗水平作用中，提高其抗倒塌的能力。其中，框架达到极限承载能力时的位移，可根据现行规范或有限元软件计算确定。最后，设计上保险丝及侧保险丝。

本发明专利所述的上保险丝的设计，根据所设计的数目和填充墙的抗剪承载力确定，使得所有上保险丝的总抗剪强度小于所设置填充墙的抗剪强度值。首先，根据现有砌体规范计算出填充墙的抗剪强度承载力F _y。之后，根据 Q _max=F _y/n，其中n为所设计上保险丝的数目，计算出单个保险丝所能承受的最大剪力值Q _max。最后，按如下等强度设计方法设计。

等强度上保险丝设计方法如下：将上保险丝视为一端固定端，另一端为铰接，如图6，图中x为上保险丝螺栓孔中心到计算截面的距离。

根据材料力学知识，可知：

M=Q _max x

σ=M/W

W=bh ²/6

σ=6Q _max x/ bh ²

若要实现上保险丝等强度，σ沿上保险长度方向应为常数，

故h ² =kx，此时

σ=6Q _max/ kb

M为计算截面上的弯矩，

Q _max为上保险丝所受的力，

σ为上保险丝计算截面所受的最大应力值，

W为计算截面的抗弯截面系数，

b为上保险丝厚度，

h为计算截面的长度，

x为上保险丝自由端到计算截面的距离。

这样根据上面推导的公式及k值，计算出保险丝计算截面所受的最大应力值，从而设计出上保险丝。根据设计的保险丝，通过有限元软件分析其弹性阶段的变形值、塑形阶段的变形值，通过多次试算调整k值，使上保险丝的变形满足要求：弹性阶段时，保险丝的弹性变形值等于框架与填充墙弹性变形值的差值，保证弹性结构整体的协调变形；塑形阶段时，保险丝变形值不小于框架塑性变形值与填充墙最大弹性变形值的差值，减少该阶段填充墙与框架之间的相互作用，避免由于填充墙的过早损伤甚至倒塌造成人员的伤亡。

等强度侧保险丝设计方法，与上保险丝相似，具体如下：根据边界条件，将侧保险丝视为悬臂梁，如图7，图中x为上保险丝螺栓孔中心到计算截面的距离。

根据材料力学知识，可知：

M=Q _max x

σ=M/W

W=bh ²/6

σ=6Q _max x/ bh ²

若要实现侧保险丝等强度，σ应为常数，

故，h=kx

σ=6Q _max/ kb ²

M为计算截面上的弯矩，

Q _max为侧保险丝所受的力，

σ为侧保险丝计算截面所受的正应力，

W为计算截面的抗弯截面系数，

b为侧保险丝厚度，

x为侧保险丝自由端到计算截面的距离。

故当截面宽度随截面距端部的距离呈线性变化时，可确保地震时侧保险丝任意截面所受应力相等。另外，为使侧保险丝在整个受力过程中均保持在填充墙上自由滑动，其长度大于所设置竖向间隙的宽度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人而言，可以理解在不脱离本发明的原来和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权力要求及其等同物限定。

Claims (13)

1.一种保险丝式框架填充墙板，其特征在于：包括框架梁、框架柱、填充墙、上保险丝、侧保险丝、柔性填充材料、弹性材料及其连接件，其中，框架梁与填充墙之间设置水平间隙，框架柱与填充墙之间设置竖向间隙，水平间隙与竖向间隙内均填充柔性填充材料；框架梁通过上保险丝与填充墙上部连接，其中，框架梁底部与上保险丝固端连接，上保险丝通过其上螺栓孔与填充墙上锚杆螺栓连接；框架柱通过侧保险丝与填充墙侧面连接，其中，框架柱与侧保险丝固端连接，侧保险丝通过与填充墙之间填充的弹性材料接触连接。

2.权利要求1所述保险丝式框架填充墙板，其特征在于：所述的填充墙板上部与上保险丝连接位置，设置加强块，加强块中设置锚杆；所述的填充墙板侧面与侧保险丝连接位置，粘贴弹性材料。

3.权利要求1所述保险丝式框架填充墙板，其特征在于：所述的上保险丝，设置为倒L型，其上端优选为矩形，下端优选为弧形过渡为矩形，其弧形部分截面宽度的平方随截面距端部的距离呈线性变化。

4.权利要求1所述保险丝式框架填充墙板，其特征在于：所述的上保险丝与填充墙上锚杆相连的螺栓孔，设置为中间为矩形，两边为半圆型的孔洞，矩形的宽度及半圆形的直径大于锚杆直径。

5.权利要求1所述保险丝式框架填充墙板，所述的侧保险丝，其一侧设置为矩形与框架柱固端连接，另一侧为锥形，其锥形部分截面宽度随截面距右端部的距离呈线性变化。

6.一种保险丝式框架填充墙板设计方法，其特征在于：首先，根据现行结构设计规范设计框架梁、框架柱及填充墙；其次，通过受力分析以及所选择的柔性填充材料，设计框架梁与填充墙之间的水平间隙、框架柱与填充墙之间竖向间隙；最后，设计上保险丝、侧保险丝及相应的连接。

7.权利要求6所述保险丝式框架填充墙板设计方法，其特征在于：所述的框架梁与填充墙之间设置的水平间隙，其宽度应满足框架梁竖向自由变形的需求，大于框架梁自由变形与所填充柔性填充材料最大压缩量的和。

8.权利要求6所述保险丝式框架填充墙板设计方法，其特征在于：所述的框架柱与填充墙之间设置的竖向间隙，其宽度应等于框架达到极限承载能力时的位移值与所填充的柔性填充材料最大压缩量的和。

9.权利要求6所述保险丝式框架填充墙板设计方法，其特征在于：所述的上保险丝，优选低屈服点金属材料，数目不少于3对，所有上保险丝的总抗剪强度小于所设置填充墙的抗剪强度值。

10.权利要求6所述保险丝式框架填充墙板设计方法，其特征在于：所述的上保险丝，其弹性阶段的变形值等于框架与填充墙弹性变形值的差值，其塑形阶段的变形值不小于框架塑性变形值与填充墙最大弹性变形值的差值。

11.权利要求6所述保险丝式框架填充墙板设计方法，其特征在于：所述的上保险丝，其长度不小于所设置的水平间隙的宽度加500mm，且在整个受力过程中不发生断裂。

12.权利要求6所述保险丝式框架填充墙板设计方法，其特征在于：所述的侧保险丝，数目不少于三对，其长度大于所设置竖向间隙的宽度，且其在整个受力过程中均保持在填充墙上自由滑动。

13.权利要求6所述保险丝式框架填充墙板设计方法，其特征在于：所述的保险丝与框架及填充墙的连接，在整个受力过程中保持完好。