CN108678217B - 预应力筋斜置的自复位装置及钢管混凝土框架钢板剪力墙 - Google Patents

预应力筋斜置的自复位装置及钢管混凝土框架钢板剪力墙 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预应力筋斜置的自复位装置及钢管混凝土框架钢板剪力墙，所述自复位装置包括两个节点板、连接板、预应力筋和锚固钢板；钢管混凝土框架钢板剪力墙包括由钢管混凝土柱和H型钢梁构成的框架结构以及设置在梁柱节点处的自复位装置，其中预应力筋交叉设置在钢管混凝土框架内。本发明通过设置预应力筋与水平方向呈一定的夹角，预应力筋的斜向布置可增大预应力与转动节点之间的距离，同时使得层间位移与预应力筋伸长量能很好的匹配，为结构提供足够的恢复力矩，从而显著增大结构的复位能力，有效保证震后结构恢复到初始状态。

Description

预应力筋斜置的自复位装置及钢管混凝土框架钢板剪力墙
技术领域
本发明属于建筑结构防震减灾技术领域，涉及一种自复位钢板剪力墙结构，具体涉及一种预应力筋斜置的自复位装置及钢管混凝土框架钢板剪力墙。
背景技术
自复位结构是一种以减少建筑结构震后残余变形为目标的新型结构形式，通过在结构中引入预应力，实现控制结构最大变形，同时减小甚至消除结构残余变形的目标，使建筑结构能在震后快速恢复使用。自复位结构可实现“中震可修”的抗震设防目标，是建设可恢复功能城市的重要途径之一。近年来，自复位结构受到国内外研究者的广泛关注。
已有的自复位钢板剪力墙结构，均采用传统自复位梁柱节点复位机制，其复位能力通过梁绕上下翼缘、上翼缘、腹板销轴转动产生的梁柱相对位移实现，所能提供的预应力及其力臂有限，与钢板剪力墙所需的恢复力不易匹配。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种预应力筋斜置的自复位装置及钢管混凝土框架钢板剪力墙，解决现有的自复位梁柱节点所提供的预应力及其力臂有限，且与钢板剪力墙所需的恢复力不易匹配使结构复位能力差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种预应力筋斜置的自复位装置，包括两个节点板、连接板、预应力筋和锚固钢板；
所述的两个节点板平行设置，两个节点板之间设置有至少两个第一加劲肋，两个第一加劲肋分别与待连接的H型钢梁的两个翼缘板共面；
所述的连接板包括第一板体和两个第二板体，两个第二板体连接在第一板体上，且垂直于第一板体，两个第二板体之间预留有供H型钢梁的腹板插入的间隙，两个第二板体上相对应的设置有第一螺栓连接孔；所述的第一板体的板面固定在两个节点板的端部；
所述的锚固钢板对称设置在节点板的上下端，所述的锚固钢板上设置有连接预应力筋的连接孔，所述的预应力筋倾斜设置，用于连接钢管混凝土框架的两个对角。
具体的，节点板为矩形板，所述的锚固钢板对称设置在节点板靠近连接板的两端角位置。
具体的，两个节点板之间设置第二加劲肋，所述的第二加劲肋与节点板板面、第一加劲肋板面均垂直。
具体的，所述的第一加劲肋设置在节点板靠近连接板的一端，两个节点板之间设置有多个第一加劲肋，多个第一加劲肋相互平行，其中两个第一加劲肋分别与待连接H型钢梁的两个翼缘板共面。
本发明还公开了一种钢管混凝土框架钢板剪力墙，包括钢管混凝土柱和H型钢梁，所述的钢管混凝土柱之间通过H型钢梁连接形成钢管混凝土框架，框架内设置有钢板，还包括本发明所述的预应力筋斜置的自复位装置；所述的节点板一端设置在钢管混凝土柱内，节点板的另一端穿过钢管壁预留在钢管混凝土柱外；
所述的H型钢梁的腹板上设置有第二螺栓连接孔，所述的H型钢梁的腹板插接在第二板体之间的间隙中，通过螺栓将H型钢梁的腹板连接在连接板的第二板体上，所述的H型钢梁的上下翼缘板与节点板和第一加劲肋顶紧；
所述的锚固钢板对称设置在节点板的上下端，所述的预应力筋交叉设置在钢管混凝土框架内，所述的预应力筋的两端分别锚固在钢管混凝土框架对角位置的锚固钢板上；所述的预应力筋对称设置在钢板两侧。
进一步的，钢管混凝土柱上设置有用于连接钢板的鱼尾板，所述的H型钢梁上设置有用于连接钢板的鱼尾板；所述的鱼尾板上设置有第三螺栓连接孔，所述的钢板的边缘处设置有与第三螺栓连接孔相对应的第四螺栓连接孔。
进一步的，所述的钢板的拐角处设置有缺口；所述的缺口为凹向钢板内部的弧形凹陷。
具体的，预应力筋由第一预应力筋和第二预应力筋通过预应力转换板连接而成，所述的第一预应力筋有两簇，第一预应力筋的一端锚固在锚固钢板上，第一预应力筋的另一端锚固在预应力转换板上；所述的第二预应力筋的一端锚固在两簇第一预应力筋之间的预应力转换板上，第二预应力筋的另一端锚固在连接第一预应力筋的锚固钢板对角处的锚固钢板上。
进一步的，锚固钢板与节点板的连接处设置有第三加劲肋，所述的第三加劲肋设置在预应力筋一侧。
进一步的，节点板端部固定在钢管混凝土柱的钢管内壁上，所述的第二加劲肋延伸至钢管混凝土柱的钢管内壁上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的预应力筋斜置的自复位装置中预应力筋与水平方向具有一定的夹角，预应力筋的斜向布置可增大预应力与转动节点之间的距离，同时使得层间位移与预应力筋伸长量能很好的匹配，为结构提供足够的恢复力矩，从而显著增大结构的复位能力，有效保证震后结构恢复到初始状态。
(2)本发明的自复位装置固定在钢管混凝土柱上，并通过螺栓与梁连接，在传力过程中，梁端剪力通过螺栓传递，梁的压力通过节点板和节点板上与梁的翼缘板相对应位置的加劲肋共同传递，当结构受到较大的地震时，连接板上的螺栓孔和H型钢梁伸出的翼缘板可在一定范围内限制梁柱节点的转动，为结构实现“大震不倒”提供基本条件。
(3)本发明通过钢板剪力墙作为耗能构件，可通过调节两个节点板之间的间距，根据实际需要在钢板剪力墙上布置加劲构件、密肋构件或防屈曲构件，以增大结构的耗能能力。
(4)本发明的钢管混凝土框架钢板剪力墙结构，当邻跨也采用本发明结构时，中柱的节点板因贯穿柱壁而直接为相邻跨的预应力筋提供支撑，结构中的预应力水平分量在节点板处平衡，竖向分量则由柱体承受，受力合理。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明的预应力筋斜置的自复位装置。
图2是本发明的钢管混凝土框架钢板剪力墙的整体结构示意图。
图3是本发明的梁柱连接节点示意图。
图4是本发明的梁柱连接节点的正面剖视图。
图5是本发明的梁柱连接节点的侧面剖视图。
图6是本发明的梁柱连接节点的俯视剖面图。
图7是本发明的预应力筋的示意图。
图8是结构荷载-位移(层间位移角)曲线图。
图9是预应力筋应力-位移(层间位移角)曲线图。
图10是2％层间位移角时上层预应力筋(a)和下层预应力筋(b)的应力云图。
图11是2％层间位移角时边缘构件应力云图。
图12是2％层间位移角时上层钢板剪力墙(a)和下层钢板剪力墙(b)的应力云图。
图中各标号表示为：1-钢管混凝土柱，2-H型钢梁，3-钢板，4-自复位装置，5-螺栓，6-鱼尾板，7-第三加劲肋；
21-翼缘板，22-腹板；
31-缺口；
41-节点板；42-连接板；43-预应力筋；44-锚固钢板；45-第一加劲肋；46-第二加劲肋；
421-第一板体，422-第二板体，423-间隙；4221-第一螺栓连接孔；
431-第一预应力筋，432-第二预应力筋，433-预应力转换板；
61-第三螺栓连接孔。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
在下述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。
如图1所示，本发明公开了一种预应力筋斜置的自复位装置，包括两个节点板41、连接板42、预应力筋43和锚固钢板44；两个节点板41平行设置，两个节点板之间设置有至少两个第一加劲肋45，两个第一加劲肋45分别与待连接的H型钢梁2的两个翼缘板21共面；其中，节点板41所在面与工字形梁的腹板所在面平行；
连接板42包括第一板体421和两个第二板体422，两个第二板体422连接在第一板体421上，且垂直与第一板体421，两个第二板体422之间预留有供H型钢梁2的腹板22插入的间隙423，两个第二板体422上相对应的设置有第一螺栓连接孔4221，第一板体421的板面固定在两个节点板41的端部；其中，可通过焊接的方式固定在两个节点板的端部。
锚固钢板44对称设置在节点板41的上下端，锚固钢板44上设置有连接预应力筋43的连接孔，预应力筋43倾斜设置，用于连接钢管混凝土框架的两个对角。
具体的，如图1所示，节点板41为矩形板，锚固钢板44对称设置在节点板41靠近连接板42的两端角位置，预应力筋43通过锚具垂直锚固在锚固钢板上，锚固钢板44与水平方向存在一定夹角，使得预应力筋与水平方向存在一定夹角。
具体的，如图1所示，第一加劲肋45设置在节点板41靠近连接板42的一端，两个节点板41之间设置有多个第一加劲肋45，多个第一加劲肋45相互平行，其中两个第一加劲肋45分别与待连接的H型钢梁2的两个翼缘板21共面。在梁柱节点传力过程中，梁端剪力通过螺栓传递，梁的压力通过节点板和节点板上与梁的翼缘板21相对应位置的第一加劲肋45共同传递。
具体的，第一螺栓连接孔4221为长圆孔，该长圆孔的长度根据极限层间位移来确定，结合H型钢梁2上下翼缘板21可在一定范围内限制梁柱节点的转动。
进一步的，如图1所示，在本发明的一个实施例中，两个节点板41之间设置第二加劲肋46，第二加劲肋46与节点板41板面、第一加劲肋45板面均垂直。第二加劲46肋用于加劲节点板和柱体之间的稳定性，其中，第二加劲肋46通过焊接的方式固定在节点板之间。
进一步的，如图7所示，在本发明的一个实施例中，预应力筋43由第一预应力筋431和第二预应力筋432通过预应力转换板433连接而成，第一预应力筋431有两簇，第一预应力筋431的一端锚固在锚固钢板44上，第一预应力筋的另一端锚固在预应力转换板433上；第二预应力筋432的一端锚固在两簇第一预应力筋之间的预应力转换板433上，这样，可保证两个预应力筋的受力平衡，第二预应力筋的另一端锚固在连接第一预应力筋的锚固钢板对角处的锚固钢板44上。最好的，将两簇第一预应力筋431位于每个框架的下方的两个拐角处，方便施工。本发明通过在预应力转换板433将框架对角处的两端预应力筋锚固在一起，通过在预应力转换板433处施加预应力，使用时先将第一预应力筋431和第二预应力筋432分别锚固到节点板和预应力转换板433上，施加预应力时，仅需要在预应力转换板433施加上即可，施工便捷、有效。
如图2，本发明还公开了一种钢管混凝土框架钢板剪力墙，包括钢管混凝土柱1、H型钢梁2和本发明公开的预应力筋斜置的自复位装置4，钢管混凝土柱1之间通过H型钢梁2连接形成钢管混凝土框架，框架内设置有钢板3。
如图3所示，预应力筋斜置的自复位装置包括两个节点板41、连接板42、预应力筋43和锚固钢板44；两个节点板41平行设置，两个节点板之间设置有至少两个第一加劲肋45，两个第一加劲肋45分别与待连接的H型钢梁2的两个翼缘板21共面。节点板41一端设置在钢管混凝土柱1内其中，该端焊接在钢管内壁上，钢管为方形钢管，节点板41的另一端穿过钢管壁预留在钢管混凝土柱1外。其中，节点板41所在面与工字形梁的腹板所在面平行。
连接板42包括第一板体421和两个第二板体422，两个第二板体422连接在第一板体421上，且垂直与第一板体421，两个第二板体422之间预留有供H型钢梁2的腹板22插入的间隙423，两个第二板体422上相对应的设置有第一螺栓连接孔4221，第一板体421的板面固定在两个节点板41的端部，其中，可通过焊接的方式固定在两个节点板的端部。H型钢梁2的腹板22上设置有第二螺栓连接孔221，H型钢梁的腹板22两端插接在第二板体之间的间隙423中，通过螺栓5将H型钢梁的腹板22连接在连接板的第二板体422上，H型钢梁的上下翼缘板21与节点板41和第一加劲肋45顶紧。
锚固钢板44对称设置在节点板41的上下端，锚固钢板44上设置有连接预应力筋43的连接孔，预应力筋43交叉设置在钢管混凝土框架内，预应力筋43的两端分别锚固在钢管混凝土框架对角位置的锚固钢板44上；预应力筋43对称设置在钢板3两侧，如图5所示。
两个节点板之间的间隙423控制预应力筋43与钢板3的距离，调整该间隙距离可方便引入加劲钢板剪力墙、密肋网格钢板剪力墙、防屈曲钢板剪力墙等具有更高耗能能力的钢板剪力墙。
具体的，如图6所示，第二加劲肋46延伸至钢管混凝土柱1的钢管内壁上。更具体的，在节点板与钢管内壁之间设置第二加劲肋46，其中，第二加劲肋的通过焊接的方式固定在节点板和钢管混凝土柱1的钢管内壁上。
具体的，如图4所示，H型钢梁的上下翼缘板21较腹板22伸出一定长度，该长度正好为第一板体421的厚度。其中，翼缘板21伸出的长度(即第一板体的厚度)根据极限层间位移确定。
具体的，如图3所示，钢管混凝土柱1上设置有用于连接钢板3的鱼尾板6，H型钢梁2上设置有用于连接钢板3的鱼尾板6；鱼尾板6上设置有第三螺栓连接孔61，钢板3的边缘处设置有与第三螺栓连接孔61相对应的第四螺栓连接孔。
具体的，在钢板3的拐角处设置有缺口32，防止钢板拐角处与梁、柱衔接处卡死，方便钢板与梁柱之间的转动。其中，缺口32的形状可为矩形、弧形等，优选的，缺口32为凹向钢板内部的弧形凹陷，避免产生应力集中现象。
具体的，如图1所示，节点板41为矩形板，锚固钢板44对称设置在节点板41靠近连接板42的两端角位置，预应力筋43通过锚具垂直锚固在锚固钢板上，锚固钢板44与水平方向存在一定夹角，使得预应力筋与水平方向存在一定夹角。
具体的，如图1所示，第一加劲肋45设置在节点板41靠近连接板42的一端，两个节点板41之间设置有多个第一加劲肋45，多个第一加劲肋45相互平行，其中两个第一加劲肋45分别与待连接的H型钢梁2的两个翼缘板21共面。在梁柱节点传力过程中，梁端剪力通过螺栓传递，梁的压力通过节点板和节点板上与梁的翼缘板21相对应位置的第一加劲肋45共同传递。
具体的，第一螺栓连接孔4221为长圆孔，该长圆孔的长度根据极限层间位移来确定，在一定范围内限制梁柱节点的转动。
进一步的，如图1所示，在本发明的一个实施例中，两个节点板41之间设置第二加劲肋46，第二加劲肋46与节点板41板面、第一加劲肋45板面均垂直。第二加劲46肋用于加劲节点板和柱体之间的稳定性，其中，第二加劲肋46焊接在节点板之间。
进一步的，如图7所示，在本发明的一个实施例中，预应力筋43由第一预应力筋431和第二预应力筋432通过预应力转换板433连接而成，第一预应力筋431有两簇，第一预应力筋431的一端锚固在锚固钢板44上，第一预应力筋的另一端锚固在预应力转换板433上；第二预应力筋432的一端锚固在两簇第一预应力筋之间的预应力转换板433上，这样，可保证两个预应力筋的受力平衡，第二预应力筋的另一端锚固在连接第一预应力筋的锚固钢板对角处的锚固钢板44上。最好的，将两簇第一预应力筋431位于每个框架的下方的两个拐角处，方便施工。本发明通过在预应力转换板433将框架对角处的两端预应力筋锚固在一起，通过在预应力转换板433处施加预应力，使用时先将第一预应力筋431和第二预应力筋432分别锚固到节点板和预应力转换板433上，施加预应力时，仅需要在预应力转换板433施加上即可，施工便捷、有效。
进一步的，如图3所示，在本发明的一个实施例中，锚固钢板44与节点板41的连接处设置有第三加劲肋7，第三加劲肋设置在预应力筋一侧。在预应力筋受拉过程中，第三加劲肋7可直接受压。
本发明通过调整预应力筋总面积、梁、柱的尺寸和节点区刚度使结构的复位能力与耗能能力匹配。
以下通过建立有限元模型来模拟本发明钢筋混凝土框架钢板剪力墙的节点受力：
(1)模型建立
建立单跨两层预应力筋斜置的自复位方钢管混凝土框架-钢板剪力墙结构数值计算模型，模型跨度为8000mm，层高4200mm，模型几何尺寸如表1所示。
表1模型几何尺寸
表1中，钢管柱的几何尺寸□800×30中，□表示钢管柱截面为矩形800×30表示钢管柱的边长×厚度；H800×400×24×28表示H型钢梁截面的高度×翼缘宽度×腹板厚度×翼缘厚度；—3×3700×8200表示钢板的钢板厚度×宽度×长度。
钢材采用理想弹塑性模型，屈服强度取fy＝345MPa，弹性模量E＝206000MPa，泊松比取υ＝0.3。混凝土采用C30强度等级及相应的塑性损伤模型。预应力筋采用理想弹塑性模型，弹性模量为EPT＝19500MPa，屈服强度为1860MPa，以15％屈服应力作为预应力筋的初始张拉应力。考虑构件的几何非线性和接触非线性，按位移控制加载方法在顶梁处施加位移荷载，取2％作为极限层间位移角。
(2)结果分析
如图8所示，结构荷载-位移曲线呈明显的双旗帜形(其中，图8中的Δ表示层间位移量，θ表示层间位移角度)；当侧移达到2％层间位移角后，结构的残余变形为0.167％层间位移角，满足自复位结构残余变形小于0.20％的层间位移角要求。
如图9是结构在整个加载过程中预应力筋的应力与荷载的关系(荷载用层间位移来表示)，从图9可以看出，预应力损失较小，预应力筋始终保持在弹性状态。图10表示结构处于弹塑性层间位移角极限值2％时，预应力筋的应力状态，预应力筋的最大应力为1713N/mm2，而本模型中预应力筋的屈服强度为1860MPa，说明预应力筋没有屈服，即没有发生破坏。从图10还可以看出，由于预应力筋斜向布置，当结构达到一定水平位移时一侧预应力筋处于张紧状态，另一侧预应力筋处于无预应力状态。
如图11所示，当侧移达到2％层间位移角时边缘构件均处于弹性状态。
如图12所示，当侧移达到2％层间位移角时钢板剪力墙已屈服并形成拉力带。

Claims (7)

1.一种预应力筋斜置的自复位装置，其特征在于，包括两个节点板(41)、连接板(42)、预应力筋(43)和锚固钢板(44)；
所述的两个节点板(41)平行设置，两个节点板之间设置有至少两个第一加劲肋(45)，两个第一加劲肋(45)分别与待连接的H型钢梁(2)的两个翼缘板(21)共面；
所述的连接板(42)包括第一板体(421)和两个第二板体(422)，两个第二板体(422)连接在第一板体(421)上，且垂直于第一板体，两个第二板体(422)之间预留有供H型钢梁(2)的腹板(22)插入的间隙(423)，两个第二板体(422)上相对应的设置有第一螺栓连接孔(4221)；所述的第一板体(421)的板面固定在两个节点板(41)的端部；
所述的锚固钢板(44)对称设置在节点板(41)的上下端，所述的锚固钢板(44)上设置有连接预应力筋(43)的连接孔，所述的预应力筋(43)倾斜设置，用于连接钢管混凝土框架的两个对角；
所述的预应力筋(43)由第一预应力筋(431)和第二预应力筋(432)通过预应力转换板(433)连接而成，所述的第一预应力筋(431)有两簇，第一预应力筋(431)的一端锚固在锚固钢板(44)上，第一预应力筋的另一端锚固在预应力转换板(433)上；所述的第二预应力筋(432)的一端锚固在两簇第一预应力筋之间的预应力转换板(433)上，第二预应力筋的另一端锚固在连接第一预应力筋的锚固钢板对角处的锚固钢板(44)上；
所述的节点板(41)为矩形板，所述的锚固钢板(44)对称设置在节点板(41)靠近连接板(42)的两端角位置；
两个节点板(41)之间设置第二加劲肋(46)，所述的第二加劲肋(46)与节点板(41)板面、第一加劲肋(45)板面均垂直。
2.如权利要求1所述的预应力筋斜置的自复位装置，其特征在于，所述的第一加劲肋(45)设置在节点板(41)靠近连接板的一端，两个节点板(41)之间设置有多个第一加劲肋(45)，多个第一加劲肋(45)相互平行，其中两个第一加劲肋(45)分别与待连接H型钢梁的两个翼缘板(21)共面。
3.一种钢管混凝土框架钢板剪力墙，包括钢管混凝土柱(1)和H型钢梁(2)，所述的钢管混凝土柱(1)之间通过H型钢梁(2)连接形成钢管混凝土框架，框架内设置有钢板(3)，其特征在于，还包括权利要求1或2所述的预应力筋斜置的自复位装置(4)；所述的节点板(41)一端设置在钢管混凝土柱(1)内，节点板(41)的另一端穿过钢管壁预留在钢管混凝土柱(1)外；
所述的H型钢梁的腹板(22)上设置有第二螺栓连接孔(221)，所述的H型钢梁的腹板(22)插接在第二板体之间的间隙(423)中，通过螺栓(5)将H型钢梁的腹板(22)连接在连接板的第二板体(422)上，所述的H型钢梁的上下翼缘板(21)与节点板(41)和第一加劲肋(45)顶紧；
所述的锚固钢板(44)对称设置在节点板(41)的上下端，所述的预应力筋(43)交叉设置在钢管混凝土框架内，所述的预应力筋(43)的两端分别锚固在钢管混凝土框架对角位置的锚固钢板(44)上；所述的预应力筋(43)对称设置在钢板(3)两侧。
4.如权利要求3所述的钢管混凝土框架钢板剪力墙，其特征在于，所述的钢管混凝土柱(1)上设置有用于连接钢板(3)的鱼尾板(6)，所述的H型钢梁(2)上设置有用于连接钢板(3)的鱼尾板(6)；所述的鱼尾板(6)上设置有第三螺栓连接孔(61)，所述的钢板(3)的边缘处设置有与第三螺栓连接孔(61)相对应的第四螺栓连接孔。
5.如权利要求3所述的钢管混凝土框架钢板剪力墙，其特征在于，所述的钢板(3)的拐角处设置有缺口(31)；所述的缺口(31)为凹向钢板内部的弧形凹陷。
6.如权利要求3所述的钢管混凝土框架钢板剪力墙，其特征在于，所述的锚固钢板(44)与节点板(41)的连接处设置有第三加劲肋(7)，所述的第三加劲肋设置在预应力筋一侧。
7.如权利要求3所述的钢管混凝土框架钢板剪力墙，其特征在于，所述的节点板(41)端部固定在钢管混凝土柱(1)的钢管内壁上，所述的第二加劲肋(46)延伸至钢管混凝土柱(1)的钢管内壁上。
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