CN109372186A - 具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系 - Google Patents

具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，属于建筑结构技术和结构抗震减震领域。该体系主要包括由圆钢管混凝土长柱焊接钢缀板并外部浇筑混凝土制成的预制角柱、预制边柱、预制中柱、钢筋混凝土梁、钢板墙、预制钢楼板、柱‑柱连接套筒、柱‑梁锚固件、中柱‑梁锚固件、梁‑板连接件、ECC后浇带等。使用柱‑柱连接套筒连接上下层钢管混凝土，柱‑梁锚固件、中柱‑梁锚固件与圆钢管混凝土长柱通过销钉连接预制，增强梁柱节点连接性能。在梁与墙两端设置ECC后浇带并上下贯通浇筑，提高结构体系的耗能能力和抗震性能。本发明实现了隐藏柱棱、建筑美观的功能，且建造工程简便快捷，施工效率高，节点连接稳定可靠，结构体系抗震性能良好。

Description

具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系
技术领域
本发明涉及具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，属于新型建筑结构技术和结构抗震减震领域。
背景技术
异形柱指截面几何形状为L形、T形、十字形和一字形，且截面各肢的肢高与肢厚比不大于4的柱。异形柱框架体系是以异形柱代替传统的矩形柱作为竖向支承构件的框架体系，柱肢厚、梁宽度、和墙厚度尺寸相同，建筑美观，随着研究的深入，得到越来越多的推广应用。由于异形柱受到肢厚比和截面尺寸的限制，同时受到混凝土强度、配筋率的影响，钢筋混凝土异形柱承载力较低，轴压比限值过低，抗震性能不理想，使其发展受到限制。
钢管混凝土柱是在钢管中填充混凝土、使得钢管及其内部混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件，提高了钢管的抗屈曲能力，同时发挥混凝土的三向应力作用，具有承载力高、韧性好等优点，同时抗震性能也较好，在高层建筑中应用越来越多。将钢管混凝土应用在异形柱中，充分结合了钢管混凝土柱和钢筋混凝土异形柱的优势，造型美观的同时，弥补钢筋混凝土异形柱承载力低、抗震性能不佳的缺陷，适用于现浇结构和装配式结构，具有广阔应用前景。
预制装配式结构是以预制构件为主要构件，经装配、连接、部分现浇而成的结构，运用工业化的生产模式，具有施工速度快、工程质量好、施工周期短、建筑垃圾少等诸多优点，符合建筑工业化、住宅产业化发展的方向，是实现绿色建筑、绿色施工的重要途径。将装配式技术应用于钢管混凝土组合异形柱框架体系中能凸显装配式施工的优势，并在结构承载力方面有足够的保障。
框架节点在结构中起着连接梁柱、传递和分配内力、协调结构构件之间的变形、保证结构整体性的作用。在地震作用下，节点是框架中最薄弱、最易受损的部位之一。装配式结构的节点既要承担连接又要传递内力、协调变形，对于如何提高预制装配式结构的抗震性能，减少地震对生命财产的损失仍是人们关心的一个议题。因此，如何在装配式结构中实现钢管混凝土组合异形柱的节点之间连接合理、施工方便、节点及整体抗震性能优良是决定其推广应用的重要因素。
工程用水泥基复合材料(ECC)是一种具有高延性、高韧性和多缝稳态开裂的特征的纤维增强水泥基复合材料。相比于混凝土，ECC材料具有超高的韧性以及更好的耗能能力和耐久性，可以很好地解决传统混凝土由于易脆性、弱拉伸性而导致的种种缺陷，在提高结构性能方面具有广阔的应用前景。如将装配式混凝土框架的部分后浇带使用ECC材料浇筑，提升结构性能并兼顾经济性，促进装配式混凝土框架在地震区的推广应用。
基于预制装配式结构常见的连接节点可靠性及结构抗震性能需求，本发明提出了含钢管混凝土分肢组合异形柱及耗能墙的框架体系，创新之处主要是由钢缀板连接圆钢管混凝土长柱作为异形柱骨架，外部浇筑混凝土，提高结构承载力、延性，增强耐火和耐腐蚀能力；结构的所有预制构件均可在工厂实现预制，实现施工效率的提高；增加柱-梁锚固件，加强节点连接性能；使用ECC材料贯通浇筑梁、墙后浇带，保证结构在正常使用状态下和地震作用下安全可靠。
发明内容
本发明提供了一种抗震性能良好、节点连接可靠、施工过程简便的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系。该结构在日常使用状态下可以满足荷载需求，在承受地震作用时可以表现出良好的延性和耗能性能，具有优越的抗震性能。主要包括圆钢管混凝土分肢组合异形柱、钢筋混凝土梁、钢楼板、钢板墙及相关连接件。体系的主要构件均可在加工厂中实现预制，在施工现场对体系节点部分进行连接。该框架体系不露梁不露柱，布置灵活，增大房间使用面积，方便空间利用，节点采用现浇连接方式，连接处加强锚固，保证框架体系在正常使用状态下的承载力要求。该框架体系使用ECC材料对后浇带进行贯通浇筑，增强体系在地震作用下的延性和耗能能力，很大程度上改善了传统钢筋混凝土异形柱框架体系的抗震性能。
本发明采用的技术方案为具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，包括圆钢管混凝土长柱1、钢缀板2、预制角柱3、预制边柱4、预制中柱5、钢筋混凝土梁6、钢板墙7、预制钢楼板8、柱-柱连接套筒9、柱-梁锚固件10、中柱-梁锚固件11和梁-板连接件12、ECC后浇带13。通过若干钢缀板2焊接连接两相邻的圆钢管混凝土长柱1后作为骨架，并在骨架的外部浇筑有混凝土，圆钢管混凝土长柱1的端部预留有后浇区域，制作成预制角柱3、预制边柱4、预制中柱5。预制角柱3、预制边柱4和预制中柱5分别设置在装配框架体系的角部、边部和中部。
柱-柱连接套筒9用于连接上下两根圆钢管混凝土长柱1。圆钢管混凝土长柱1端部侧面使用销钉连接柱-梁锚固件10或中柱-梁锚固件11。钢筋混凝土梁6通过侧面的预埋钢筋连接有梁-板连接件12。钢筋混凝土梁6与钢板墙7连接；梁-板连接件12通过预埋钢筋与钢筋混凝土梁6侧面连接预制，预制钢楼板8下方对应位置预留螺栓孔，通过单边螺栓，从梁-板连接件12下表面连接预制钢楼板8。该装配框架体系中的所有构件均能够在工厂预制。
圆钢管混凝土长柱1厚度为内直径的1/20至1/30，直径为高度的1/10至1/20，外部混凝土厚度不小于肢厚的1/6。圆钢管混凝土分柱1的钢管及钢缀板2采用屈服强度不低于345MPa的钢材，内外浇筑的混凝土立方体抗压标准强度不低于30MPa。
钢缀板2长宽比为2至5，厚度为长度的1/20至1/50，间隔不超过钢管长度的1/4，两圆钢管混凝土长柱1的钢管外直径加缀板2的长度与圆钢管混凝土长柱1的钢管外直径的比值不大于4。
预制角柱3、预制边柱4、预制中柱5的各肢延柱长配置矩形构造箍筋，矩形构造箍筋的间距不大于柱肢长，混凝土保护层厚度不小于40mm，以防止外部的混凝土开裂。预制角柱3、预制边柱4、预制中柱5的总高度与柱截面肢长比值为3至7。
钢筋混凝土梁6为钢筋混凝土矩形梁，具体配筋满足混凝土设计规范，梁高为长度的1/6至1/12，宽度不小于200mm，高宽比不大于4。梁端预留混凝土后浇带和ECC后浇带13，受力钢筋应留出足够长度作锚固使用。预留混凝土后浇带宽度不小于钢筋混凝土梁6跨度的1/20，ECC后浇带13宽度不小于钢筋混凝土梁6跨度的1/10。
预制角柱3、预制边柱4中，圆钢管混凝土长柱1在与钢筋混凝土梁6连接侧的端部侧面使用销钉预制连接柱-梁锚固件10。预制中柱5中，圆钢管混凝土长柱1在双钢管一侧使用销钉预制连接中柱-梁锚固件11，在单钢管一侧使用销钉预制连接柱-梁锚固件10。柱-梁锚固件10和中柱-梁锚固件11上的孔径大于梁中纵筋直径，且孔的间距与纵筋间距相同，锚固件宽度小于梁宽度，保证混凝土浇筑。连接框架梁柱时，将预制的钢筋混凝土梁6梁端钢筋插入柱-梁锚固件10或中柱-梁锚固件11的对应孔内，上下层框架柱之间采用柱-柱连接套筒9连接圆钢管混凝土长柱1，使用灌浆料灌注缝隙，外部整体浇筑混凝土，实现节点的连接。
柱-柱连接套筒9内径大于圆钢管混凝土长柱1外径，预留灌浆不小于壁厚为内径的1/10至1/20且不小于3mm，高度不小于圆钢管混凝土长柱1的1/10。
钢板墙7侧面预制成马牙槎形式，马牙槎长度为钢板墙7长度的1/20至1/40，两片钢板墙7的外侧距离等于梁宽度，钢板墙7之间预留有ECC后浇带13，其他位置填充有玻璃棉、木丝板、泡沫玻璃、聚乙烯泡沫、发泡陶瓷等隔声保温材料。钢筋混凝土梁6和钢板墙7预留的ECC后浇带13上下贯通，布置受力钢筋，最后使用ECC材料贯通浇筑。
因梁柱节点预留后浇带，为保持平整安装，预制钢楼板8的板角需要预留L形，宽度为梁宽度二分之一，肢长与钢板墙7的ECC后浇带13宽度相同，保证混凝土浇筑及ECC后浇带13的贯通浇筑。
柱-柱连接套筒9、柱-梁锚固件10、中柱-梁锚固件11、梁-板连接件12与钢管均采用同种强度钢材，钢板墙7、预制钢楼板8采用同种强度的钢材。为增强结构耗能性能，钢板墙7和预制钢楼板8采用钢材屈服强度不低于235MPa，不高于钢管及缀板所用钢材强度。
柱网采用矩形柱网，柱网尺寸统一，柱列纵横贯通。现场施工时，首先将预制异形柱吊装就位，上下两层框架之间在圆钢管混凝土柱1连接处外套柱-柱连接套筒9并浇筑灌浆料。将钢筋混凝土梁6吊装就位，预制的钢筋混凝土梁6梁端钢筋插入柱-梁锚固件10或中柱-梁锚固件11的对应孔内，对柱梁节点浇筑混凝土。养护后，吊装预制钢楼板8进行螺栓连接，吊装预制钢板墙8，对柱墙连接处浇筑混凝土，对梁端、墙端预留ECC后浇带13贯通浇筑ECC材料。养护后可拆除临时支撑进行下一层安装。
本发明具有以下优点：
(1)本发明涉及的结构体系构件全预制，预制效率高，构件种类少，构件之间在施工现场现浇连接，施工质量好，湿作业显著减少，劳动强度低，大幅缩短工期，减少施工材料损耗和建筑垃圾排放，节能节材，具有经济效益。
(2)异形柱截面形状随框架柱位置变化而改变，保证柱角不突出墙面，建筑美观，适宜房间布置，可以做到隐藏柱棱、扩大房屋使用面积等好处，建筑设计和使用更加灵活。
(3)圆钢管混凝土长柱之间通过若干缀板连接构成异形柱骨架，改善钢管混凝土长柱的稳定承载能力，混凝土的约束作用提高了钢管的抗屈曲能力。外部浇筑混凝土，结构的耐火、耐腐蚀性能得到提升，钢管与混凝土共同工作，提高结构的承载力和抗震性能。
(4)梁柱节点的锚固件与柱整体预制，使现浇连接的梁柱节点连接加强，保证节点稳定传力。在剪切荷载作用下，构件可以表现出良好的变形能力和耗能性能，能有效避免在地震作用下发生剪切破坏。
(5)在梁端部及墙的钢板之间预留后浇带，贯通浇筑ECC材料，能够大幅提高结构整体韧性，耗散更多地震能量，进一步提高结构体系的抗震性能，同时兼顾经济性，方便推广应用。
本发明的功能如下：
具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，预制角柱3、预制边柱4、预制中柱5、钢筋混凝土梁6、钢板墙7、预制钢楼板8全部预制，通过柱-柱连接套筒9、柱-梁锚固件10、中柱-梁锚固件11加强节点处连接，使用梁-板连接件12连接钢筋混凝土梁6与预制钢楼板8，采用混凝土整体后浇节点方式实现框架节点连接，传力可靠，施工快捷，主要构件在工厂中加工，减小现场工作量，缩短工期。
柱截面布置灵活，柱角不露出，钢管与混凝土共同工作，提高结构承载力和抗震性能。
框架节点处的锚固件与柱整体预制，并通过混凝土整体浇筑节点连接框架柱与梁，加强节点，保证整体性和稳定的传力性能，实现“强节点、弱构件”的设计准则。
在梁与墙两端设置ECC后浇带并上下贯通浇筑，使体系在地震中耗散更多能量，使ECC材料与钢板墙、钢楼板、圆钢管混凝土柱在地震中共同耗能，从而构成复合的抗震设防线。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明中的预制角柱钢管混凝土与缀板立体图。
图3为本发明中的预制边柱钢管混凝土与缀板立体图。
图4为本发明中的预制中柱钢管混凝土与缀板立体图。
图5为本发明中的钢筋混凝土梁立体图。
图6为本发明中的钢板墙立体图。
图7为本发明中的柱-梁锚固件立体图。
图8为本发明中的中柱-梁锚固件立体图。
图9为本发明中的梁-板连接件剖面图。
图中：1-圆钢管混凝土长柱、2-钢缀板、3-预制角柱、4-预制边柱、5-预制中柱、6-钢筋混凝土梁、7-钢板墙、8-预制钢楼板、9-柱-柱连接套筒、10柱-梁锚固件、11-中柱-梁锚固件、12-梁-板连接件、13-ECC后浇带。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
对于某预制装配式混凝土框架结构，共4层，每层层高为3米，柱网纵向为各7.2米的5跨，横向为各5.4米的3跨，单跨如图1所示。圆钢管混凝土分柱1钢管外直径均为150mm，钢管壁厚均为5mm，采用Q345钢材，灌注混凝土强度C40。连接相邻两圆钢管混凝土分柱1的钢缀板2长200mm，宽80mm，厚6mm。预制角柱3、预制边柱4、预制中柱5的柱截面肢长为700mm，肢宽均为200mm，延柱长布置箍筋，箍筋间距300mm，混凝土保护层厚度40mm。钢筋混凝土梁6截面尺寸为450mm×200mm，采用C40混凝土浇筑，梁两端各预留ECC后浇带600mm，上部受力钢筋2根，下部受力钢筋2根，并布置两根弯起钢筋，钢筋长度与跨度相等，以保证锚固。柱-梁锚固件10和中柱-梁锚固件11宽度为170mm，高度为80mm，孔径40mm，孔的间距与纵筋间距相同。预制角柱3、预制边柱4中连接钢筋混凝土梁6一侧的圆钢管混凝土长柱1侧面使用销钉连接柱-梁锚固件10。预制中柱5中，圆钢管混凝土长柱1在双钢管一侧使用销钉连接中柱-梁锚固件11，在单钢管一侧使用销钉预制连接柱-梁锚固件10。柱-柱连接套筒9内径为170mm，高度为30mm，壁厚5mm。钢板墙7采用Q235钢材，侧面预制成马牙槎形式，马牙槎长度为150mm高度为300mm，钢板厚30mm，两片钢板外侧距离200mm，钢板之间预留ECC浇筑带400mm，布置4根受力钢筋。预制钢楼板8采用Q235钢材，板角预留L形缺口，肢宽100mm。梁-板连接件12横截面尺寸为80mm×180mm，高度120mm，通过预埋钢筋与钢筋混凝土梁6侧面连接预制，预制钢楼板8下方对应位置预留螺栓孔。
本发明的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系施工工序为：首先将预制异形柱吊装就位，上下层框架柱之间采用柱-柱连接套筒9连接圆钢管混凝土长柱1，使用灌浆料灌注缝隙，将钢筋混凝土梁、钢板墙8吊装就位，预制的钢筋混凝土梁6梁端钢筋插入柱-梁锚固件10或中柱-梁锚固件11的对应孔内，对柱梁节点和柱墙连接处浇筑混凝土，实现节点的连接。对梁端、墙端预留后浇带贯通浇筑ECC材料。养护后，吊装预制钢楼板8进行螺栓连接，安装完毕可拆除临时支撑进行下一层安装。
以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (10)

1.具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：包括圆钢管混凝土长柱(1)、钢缀板(2)、预制角柱(3)、预制边柱(4)、预制中柱(5)、钢筋混凝土梁(6)、钢板墙(7)、预制钢楼板(8)、柱-柱连接套筒(9)、柱-梁锚固件(10)、中柱-梁锚固件(11)、梁-板连接件(12)和ECC后浇带(13)；通过若干钢缀板(2)焊接连接两相邻的圆钢管混凝土长柱(1)后作为骨架，并在骨架的外部浇筑有混凝土，圆钢管混凝土长柱(1)的端部预留有后浇区域，制作成预制角柱(3)、预制边柱(4)、预制中柱(5)；预制角柱(3)、预制边柱(4)和预制中柱(5)分别设置在装配框架体系的角部、边部和中部；
柱-柱连接套筒(9)用于连接上下两根圆钢管混凝土长柱(1)；圆钢管混凝土长柱(1)端部侧面使用销钉连接柱-梁锚固件(10)或中柱-梁锚固件(11)；钢筋混凝土梁(6)通过侧面的预埋钢筋连接有梁-板连接件(12)；钢筋混凝土梁(6)与钢板墙(7)连接；梁-板连接件(12)通过预埋钢筋与钢筋混凝土梁(6)侧面连接预制，预制钢楼板(8)下方对应位置预留螺栓孔，通过单边螺栓，从梁-板连接件(12)下表面连接预制钢楼板(8)；该装配框架体系中的所有构件均能够在工厂预制。
2.根据权利要求1所述的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：圆钢管混凝土长柱(1)厚度为内直径的1/20至1/30，直径为高度的1/10至1/20，外部混凝土厚度不小于肢厚的1/6；圆钢管混凝土长柱(1)的钢管及钢缀板(2)采用屈服强度不低于345MPa的钢材，内外浇筑的混凝土立方体抗压标准强度不低于30MPa。
3.根据权利要求1所述的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：钢缀板(2)长宽比为2至5，厚度为长度的1/20至1/50，间隔不超过钢管长度的1/4，两圆钢管混凝土长柱(1)的钢管外直径加钢缀板(2)的长度与圆钢管混凝土长柱(1)的钢管外直径的比值不大于4。
4.根据权利要求1所述的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：预制角柱(3)、预制边柱(4)、预制中柱(5)的各肢延柱长配置矩形构造箍筋，矩形构造箍筋的间距不大于柱肢长，混凝土保护层厚度不小于40mm，以防止外部的混凝土开裂；预制角柱(3)、预制边柱(4)、预制中柱(5)的总高度与柱截面肢长比值为3至7。
5.根据权利要求1所述的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：钢筋混凝土梁(6)为钢筋混凝土矩形梁，具体配筋满足混凝土设计规范，梁高为长度的1/6至1/12，宽度不小于200mm，高宽比不大于4；梁端预留混凝土后浇带和ECC后浇带(13)，受力钢筋应留出足够长度作锚固使用；预留混凝土后浇带宽度不小于钢筋混凝土梁(6)跨度的1/20，ECC后浇带(13)宽度不小于钢筋混凝土梁(6)跨度的1/10。
6.根据权利要求1所述的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：预制角柱(3)、预制边柱(4)中，圆钢管混凝土长柱(1)在与钢筋混凝土梁(6)连接侧的端部侧面使用销钉预制连接柱-梁锚固件(10)；预制中柱(5)中，圆钢管混凝土长柱(1)在双钢管一侧使用销钉预制连接中柱-梁锚固件(11)，在单钢管一侧使用销钉预制连接柱-梁锚固件(10)；柱-梁锚固件(10)和中柱-梁锚固件(11)上的孔径大于梁中纵筋直径，且孔的间距与纵筋间距相同，锚固件宽度小于梁宽度，保证混凝土浇筑；连接框架梁柱时，将预制的钢筋混凝土梁(6)梁端钢筋插入柱-梁锚固件(10)或中柱-梁锚固件(11)的对应孔内，上下层框架柱之间采用柱-柱连接套筒(9)连接圆钢管混凝土长柱(1)，使用灌浆料灌注缝隙，外部整体浇筑混凝土，实现节点的连接。
7.根据权利要求1所述的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：柱-柱连接套筒(9)内径大于圆钢管混凝土长柱(1)外径。
8.根据权利要求1所述的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：钢板墙(7)侧面预制成马牙槎形式，马牙槎长度为钢板墙(7)长度的1/20至1/40，两片钢板墙(7)的外侧距离等于梁宽度，钢板墙(7)之间预留有ECC后浇带(13)，其他位置填充有玻璃棉、木丝板、泡沫玻璃、聚乙烯泡沫、发泡陶瓷隔声保温材料；钢筋混凝土梁(6)和钢板墙(7)预留的ECC后浇带(13)上下贯通，布置受力钢筋，最后使用ECC材料贯通浇筑。
9.根据权利要求1所述的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：因梁柱节点预留后浇带，为保持平整安装，预制钢楼板(8)的板角需要预留L形，宽度为梁宽度二分之一，肢长与钢板墙(7)的ECC后浇带(13)宽度相同，保证混凝土浇筑及ECC后浇带(13)的贯通浇筑；
柱-柱连接套筒(9)、柱-梁锚固件(10)、中柱-梁锚固件(11)、梁-板连接件(12)与钢管均采用同种强度钢材，钢板墙(7)、预制钢楼板(8)采用同种强度的钢材；为增强结构耗能性能，钢板墙(7)和预制钢楼板(8)采用钢材屈服强度不低于235MPa，不高于钢管及缀板所用钢材强度。
10.根据权利要求1所述的具有钢管混凝土分肢组合异形柱及减震墙的装配框架体系，其特征在于：柱网采用矩形柱网，柱网尺寸统一，柱列纵横贯通；现场施工时，首先将预制异形柱吊装就位，上下两层框架之间在圆钢管混凝土柱(1)连接处外套柱-柱连接套筒(9)并浇筑灌浆料；将钢筋混凝土梁(6)吊装就位，预制的钢筋混凝土梁(6)梁端钢筋插入柱-梁锚固件(10)或中柱-梁锚固件(11)的对应孔内，对柱梁节点浇筑混凝土，养护后，吊装预制钢楼板(8)进行螺栓连接，吊装预制钢板墙(8)，对柱墙连接处浇筑混凝土，对梁端、墙端预留ECC后浇带(13)贯通浇筑ECC材料，养护后可拆除临时支撑进行下一层安装。
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