CN110029728A - 一种带架空构造的功能可恢复装配式混凝土框架柱脚节点 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带架空构造的功能可恢复预制装配式钢筋混凝土框架柱柱脚节点，其特征在于：钢筋混凝土框架柱为工厂预制，柱基础采用带架空构造的双层现浇钢筋混凝土基础。上层基础通过多根小柱与下层锥形基础相连。上层基础内对应框架柱周边预留多个孔道，穿入钢筋，该钢筋上、下端分别固定于框架柱侧和上层基础下表面的预埋钢件上。框架柱内中轴线位置预留孔道，内设无粘结预应力筋并贯通整个框架柱全高。本发明提出的预制装配式钢筋混凝土框架柱柱脚节点可实现在罕遇地震下零损伤或轻微损伤，且震后自主复位，显著提高装配式框架结构的抗震性能。该节点施工简便，造价较低，是值得大力推广的新型预制装配式混凝土框架柱脚节点连接技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种预制装配式混凝土结构节点连接技术，尤其是涉及一种具有特殊架空构造的震后功能易恢复特点的装配式混凝土框架柱柱脚连接节点。
背景技术
随着人民生活水平的日益提高，对建筑的安全性要求也越来越多样化，抗震性能化设计成为当前重要的研究发展方向。建筑的抗震设防除了要满足规范的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本要求外，其中具有性能化指标要求的建筑如何减轻地震损伤，提高其震后的可修复性是当前建筑抗震领域的前沿研究方向。
同时，以住宅产业化为标志的预制装配式混凝土结构技术由于符合绿色环保低碳的可持续发展理念，有着极为广泛的应用前景。然而，预制装配式混凝土结构的构件在工厂预制，现场通过特定的节点构造组装连接，其抗震性能一直是普遍关注的问题。目前国内的设计规范《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014）主要推荐装配整体式等同现浇的连接方式，包括装配整体式框架结构、框剪结构、剪力墙结构等。这些结构体系虽能满足现行规范抗震设防的基本要求，但显然无法满足地震零损伤或低损伤，震后可快速修复的要求。
另外，自2008年汶川大地震以来，国内外大地震频发，每次地震都给当地人民带来巨大的苦痛与灾难。历次大地震的善后工作中也发现，幸存人员的心理创伤除了缘于失去亲人的伤痛外，还在很大程度上缘于无家可归的感觉。其心理创伤能否快速平复在较大程度上取决于其是否能尽快回到自己的家中居住。而国内近年所发生的汶川、玉树等大地震中，许多建筑倒塌或严重损毁无法修复，导致受灾人员长期住在帐篷或临时建筑中，这对其心理创伤的恢复十分不利。因此，研究震后零损伤或低损伤，可快速修复的新型结构体系是当前工程抗震领域迫切需要解决的重要问题。
因此，研究开发新型的具有良好震后可修复性，功能易恢复的预制装配式建筑体系既符合可持续发展的绿色环保理念，更符合国家中长期科技发展纲要有关公共安全的重点领域中重大自然灾害监测与防御的优先主题，如能够将取得的研究成果在工程中推广应用，势必可以有效改善建筑结构的安全性能，提高房屋的安全性，实现对地震灾害的有效防御，保证人民生命财产的安全。
发明内容
本发明设计了一种具有在罕遇地震下低损伤，且震后自主复位、功能易恢复特点的装配式混凝土框架柱柱脚连接节点，其解决的技术问题主要是当前装配整体式的框架柱柱脚节点采用湿式全现浇连接节点，现场施工较为复杂，施工质量较难控制，且无法实现减轻地震损伤，提高震后可修复性的问题。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种预制装配式钢筋混凝土框架柱柱脚节点，其特征在于：钢筋混凝土框架柱（1）为工厂预制，柱基础（2）、（3）采用现浇钢筋混凝土基础，预制框架柱底面与现浇基础顶面形成接触面。现浇钢筋混凝土基础采用双层构造，上层基础（2）采用架空构造，通过多根小柱（8）与下层锥形基础（3）相连。上层基础（2）内对应框架柱（1）周边外侧预留多个孔道（9），穿入耗能钢筋（5），该钢筋上端固定于框架柱侧的预埋钢件（6）上伸出的耳板（7）上，下端固定于上层基础下表面预埋承压板（10）上，在地震作用下可以耗散地震能量，在震后易于更换。框架柱内中和轴位置预留孔道（11），上层基础（2）对应位置也预留孔道（12），孔道（11）、（12）内设置无粘结预应力筋（4），无粘结预应力筋贯通整个框架柱全高，上端锚固于框架柱顶面，下端通过锚具（15）锚固于上层基础下表面预埋承压板（13）上，通过沿轴向施加预应力连接预制框架柱（1）和现浇基础（2）、（3）。无粘结预应力筋（4）设计为在罕遇地震作用下保持弹性，可以保证该节点在地震后自主复位。采用该节点的预制装配式钢筋混凝土框架结构体系可实现在罕遇地震下框架柱脚零损伤或轻微损伤，且震后自主复位，抗震能力大幅度提高。
进一步，上层基础（2）采用架空构造，通过多根小柱（8）与下层锥形基础（3）相连。上层基础（2）与小柱（8）和下层基础（3）内配钢筋，一次性浇筑。上层基础相应截面和配筋根据计算确定，应确保其承载能力高于框架柱的承载能力。上层基础与下层基础之间的架空高度应能保证耗能钢筋（5）能够较为容易地安装或拆卸。
进一步，上层基础（2）内对应框架柱（1）周边外侧预留的孔道（9）内预埋钢管，并穿入耗能钢筋（5），钢管内径比钢筋（5）外径大2-3mm，钢管内填充无粘结微膨胀材料，保证钢筋（5）在孔道（9）内可自由滑动。钢筋（5）端部套丝，上端采用螺母固定于框架柱（1）侧面的预埋钢件（6）上伸出的耳板（7）上，下端采用螺母固定于上层基础下表面预埋承压板（10）上。上层基础（2）孔道（9）的位置应能保证孔道内的耗能钢筋（5）可以较为容易地安装或拆卸。
进一步，框架柱（1）内中和轴位置沿柱全高采用薄壁钢管预留孔道（11），上层基础（2）对应位置采用薄壁钢管预留孔道（12），孔道（11）、（12）内设置无粘结预应力筋（4），无粘结预应力筋沿柱全高设置，上端锚固于该建筑框架柱顶，下端通过锚具（15）锚固于上层基础（2）下表面预埋承压板（13）上。无粘结预应力筋（4）的数量及张拉控制应力根据计算确定，应保证预应力筋在对应设防烈度的罕遇地震下保持弹性。
进一步，预制框架柱（1）底端与现浇基础顶面形成接触面。预制框架柱底端及四围外包钢板（6），上层基础（2）顶面预埋钢板（14），上述钢板均采用预埋方式，与混凝土之间设置锚固钢筋，保证与混凝土共同工作。
进一步，框架柱（1）当与具有相同自复位作用的框架梁柱节点共同应用时，框架柱内预留的孔道（11）位置也可适当偏离中和轴位置，保证与框架梁中预应力筋孔道相互错开，确保无粘结预应力筋（4）顺利通过。
进一步，所述无粘结预应力筋（4）为外包防腐润滑脂和聚乙烯护套的无粘结高强低松弛钢绞线，所述耗能钢筋（5）为普通热轧钢筋。
该预制装配式混凝土框架柱柱脚连接节点与传统的装配整体式的框架柱柱脚连接节点相比，具有以下有益效果：
（1）本发明提出的预制装配式混凝土框架结构柱脚连接节点，可以有效提高预制装配式混凝土框架结构的抗震性能，减轻结构的地震损伤，且结构震后变形可以自主恢复，大幅度提高了结构的震后可修复性。
（2）本发明中预应力筋采用外包防腐润滑脂和聚乙烯护套的无粘结高强低松弛钢绞线，因而预应力筋相对于框架柱和柱基础可以产生相对滑移，同时预应力筋用量也根据在罕遇地震下保持弹性的设防标准确定，从而确保震后结构的自主复位。
（3）本发明中现浇钢筋混凝土基础采用双层构造，上层基础采用架空构造，从而保证了安装于上层基础预留孔道内的耗能钢筋易于安装和更换。在地震作用下，普通耗能钢筋耗散地震能量，成本明显低于屈曲约束支撑，同时该钢筋易于更换，可以成为结构在地震作用下的耗能“保险丝”。
（4）本发明属于干式连接节点，除了基础现浇以外，现场无湿作业，施工操作简便，质量易于控制，施工现场噪音低，扬尘少，绿色环保，是值得大力推广的新型预制装配式混凝土框架梁柱连接技术。
附图说明
图1：本发明一种低损伤自复位装配式混凝土框架柱柱脚节点的立面剖面结构示意图；
图2：图1的平面结构示意图；
图3：图1的三维组装示意图；
图4：图1的各组成构件的三维分解图。
附图标记说明：
1—预制混凝土框架柱；2—现浇钢筋混凝土上层基础；3—现浇钢筋混凝土下层基础；4—无粘结预应力筋；5—普通钢筋；6—框架柱底端及四周预埋钢板；7—钢耳板；8—现浇钢筋混凝土小柱；9—上层基础内预留普通钢筋孔道；10—上层基础下表面预埋承压板；11—预制框架柱内预留预应力筋孔道；12—上层基础内预留预应力筋孔道；13—上层基础下表面预埋预应力承压板；14—上层基础上表面预埋钢板；15—预应力筋固定端锚具。
具体实施方式
下面结合图1至图4，对本发明做进一步说明：
如图1、2所示，该连接节点包括预制混凝土框架柱（1）、现浇钢筋混凝土框架柱基础（2）、（3）。其中现浇钢筋混凝土基础采用双层构造，上层基础（2）采用架空构造，通过多根小柱（8）与下层锥形基础（3）相连。预制框架柱底面与现浇上层基础（2）的顶面形成接触面。预制框架柱底端及四围外包钢板（6），上层基础（2）顶面预埋钢板（14），上述钢板均采用预埋方式，与混凝土之间设置锚固钢筋，保证与混凝土共同工作。预制柱（1）底部外包的钢板（6）一方面可以在吊装过程中对柱端起到保护作用，另一方面可以提高柱端的承压能力，减轻其在地震作用下的损坏程度。上层基础（2）顶面的预埋钢板（14）主要用于提高上层基础（2）的局部承压能力，防止其在地震作用下由于预制柱（1）底端发生转动使上层基础（2）顶面承受的局部压力过大而发生损伤。
框架柱（1）与柱基础（2）通过普通耗能钢筋（5）和无粘结预应力筋（4）相连接。钢筋（5）沿框架柱四周布置，每根钢筋穿过上层柱基础（2），上端固定于框架柱侧的预埋钢件（6）上伸出的耳板（7）上，下端固定于上层基础下表面预埋承压板（10）上，该钢筋（5）在地震作用下可以耗散地震能量，在震后易于更换。无粘结预应力筋（4）贯通整个框架柱全高，上端锚固于框架柱顶面，向下穿过上层基础（2），下端通过锚具（15）锚固于上层基础下表面预埋承压板（13）上。通过张拉无粘结预应力筋（4）使柱底端与上层基础上表面之间保持受压状态，既可以抵抗框架柱底端剪力，又可使框架柱的水平变形恢复。无粘结预应力筋（4）的数量及张拉控制应力根据计算确定，应保证预应力筋（4）在相应设防烈度的罕遇地震下保持弹性。
如图1所示，钢筋（5）端部套丝，穿过上层基础（2）内预留的孔道（9），采用螺母固定于框架柱（1）底部四周侧面的预埋钢件（6）上焊接的耳板（7）上。上层基础的孔道（9）内预埋钢管，钢管内径比钢筋（5）外径大2-3mm，并填充无粘结微膨胀材料，保证钢筋（5）在孔道（9）内可自由滑动。上层基础（2）孔道（9）的位置应能保证孔道内的热轧钢筋（5）可以较为容易地安装或拆卸。
框架柱（1）内中和轴位置沿全高采用薄壁钢管预留孔道（11），上层基础（2）对应位置也采用薄壁钢管预留孔道（12），孔道（11）、（12）内设置无粘结预应力筋（4）。孔道（11）和（12）的内径应根据能容纳所设置的无粘结预应力筋（4）的原则确定。
具体实施步骤如下：
第一步：预制装配式框架结构柱脚的施工安装自下而上，首先浇筑基础垫层，然后绑扎现浇基础（2）、（3）的钢筋，预埋钢板（10）、（13）和（14），预埋孔道（9）、（12）的薄壁钢管，支基础模板并浇筑基础（2）（3）（8）的混凝土。
第二步：基础混凝土达到设计强度后，在现场下料并安装无粘结预应力筋束（4）和固定端锚具（15），使无粘结预应力筋束（4）穿过上层基础（2）的预留孔（12），下端固定于预埋承压板（13）上。吊装就位本层预制框架柱（1），应采取措施使预装的无粘结预应力筋伸入预制柱（1）的预留孔（11）中，同时使柱底部伸出的耳板（7）上的开孔与上层基础（2）的预留孔（9）对齐，为保证上述吊装精度和稳定性，宜采用必要的临时支撑。
第三步：在每个柱脚节点部位，将事先加工好的耗能钢筋（5）穿过柱侧耳板（7）上预留孔，向下进一步穿过上层基础的预留孔（9）中，预留孔（9）中灌注无粘结微膨胀材料，孔口封闭。耗能钢筋（5）的两端安装固定螺母，紧固耗能钢筋（5）。
第四步：重复上述第一步至第三步，依次安装首层所有预制框架柱（1）柱脚节点。
第五步：首层全部预制框架柱（1）安装就位后，安装首层框架梁及楼板。
第六步：依次安装上面各层的预制框架柱（1）、框架梁和楼板。注意在安装上面各层预制框架柱（1）时，应采取措施使预装的无粘结预应力筋伸入预制柱（1）的预留孔（11）中。
第七步：结构封顶并且中间层柱接缝处后浇灌浆材料达到设计强度后，安装柱顶无粘结预应力筋张拉端锚具，并按设计控制应力进行张拉。
第八步：重新旋紧耗能钢筋（5）两端的螺母。
第九步：外露钢件表面封闭处理。
第十步：随着上述一到九步实施完毕，沿柱全高的预应力施加完成，整体结构装配完成，柱脚的安装施工全部完成。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种带架空构造的功能可恢复预制装配式钢筋混凝土框架柱柱脚节点，其特征在于：钢筋混凝土框架柱（1）为工厂预制，柱基础（2）、（3）采用现浇钢筋混凝土基础，预制框架柱底面与现浇基础顶面形成接触面；现浇钢筋混凝土基础采用双层构造，上层基础（2）采用架空构造，通过多根小柱（8）与下层锥形基础（3）相连；上层基础（2）内对应框架柱（1）周边外侧预留多个孔道（9），穿入耗能钢筋（5），该钢筋上端固定于框架柱侧的预埋钢件（6）上，下端固定于上层基础下表面预埋承压板（10）上，在地震作用下可以耗散地震能量，在震后易于更换；框架柱内中和轴位置预留孔道（11），上层基础（2）对应位置也预留孔道（12），孔道（11）、（12）内设置无粘结预应力筋（4），无粘结预应力筋贯通整个框架柱全高，上端锚固于框架柱顶面，下端通过锚具（15）锚固于上层基础下表面预埋承压板（13）上，通过沿轴向施加预应力连接预制框架柱（1）和现浇基础（2）、（3）；无粘结预应力筋（4）设计为在罕遇地震作用下保持弹性，可以保证该节点在地震后自主复位；采用该节点的预制装配式钢筋混凝土框架结构体系可实现在罕遇地震下框架柱脚零损伤或轻微损伤，且震后自主复位，抗震能力大幅度提高。
2.根据权利要求1所述预制装配式钢筋混凝土框架柱脚节点，其特征在于：所述上层基础（2）采用架空构造，通过多根小柱（8）与下层锥形基础（3）相连；上层基础（2）与小柱（8）和下层基础（3）内配钢筋，一次性浇筑；上层基础相应截面和配筋根据计算确定，应确保其承载能力高于框架柱的承载能力；上层基础与下层基础之间的架空高度应能保证耗能钢筋（5）能够较为容易地安装或拆卸。
3.根据权利要求1所述预制装配式钢筋混凝土框架柱脚节点，其特征在于：所述上层基础（2）内对应框架柱（1）周边外侧预留的孔道（9）内预埋钢管，并穿入耗能钢筋（5），钢管内径比钢筋（5）外径大2-3mm，钢管内填充无粘结微膨胀材料，保证钢筋（5）在孔道（9）内可自由滑动；钢筋（5）端部套丝，上端采用螺母固定于框架柱（1）侧面的预埋钢件（6）上伸出的耳板（7）上，下端采用螺母固定于上层基础下表面预埋承压板（10）上；上层基础（2）孔道（9）的位置应能保证孔道内的耗能钢筋（5）可以较为容易地安装或拆卸。
4.根据权利要求1所述预制装配式钢筋混凝土框架柱脚节点，其特征在于：所述框架柱（1）内中和轴位置沿柱全高采用薄壁钢管预留孔道（11），上层基础（2）对应位置采用薄壁钢管预留孔道（12），孔道（11）、（12）内设置无粘结预应力筋（4），无粘结预应力筋沿柱全高设置，上端锚固于该建筑框架柱顶，下端通过锚具（15）锚固于上层基础（2）下表面预埋承压板（13）上；无粘结预应力筋（4）的数量及张拉控制应力根据计算确定，应保证预应力筋在对应设防烈度的罕遇地震下保持弹性。
5.根据权利要求1所述预制装配式钢筋混凝土框架柱脚节点，其特征在于：所述预制框架柱（1）底端与现浇基础顶面形成接触面；预制框架柱底端及四围外包钢板（6），上层基础（2）顶面预埋钢板（14），上述钢板均采用预埋方式，与混凝土之间设置锚固钢筋，保证与混凝土共同工作。
6.根据权利要求1所述预制装配式钢筋混凝土框架柱脚节点，其特征在于：所述框架柱（1）当与具有相同自复位作用的框架梁柱节点共同应用时，框架柱内预留的孔道（11）位置也可适当偏离中和轴位置，保证与框架梁中预应力筋孔道相互错开，确保无粘结预应力筋（4）顺利通过。
7.根据权利要求1所述预制装配式钢筋混凝土框架柱脚节点，其特征在于：所述无粘结预应力筋（4）为外包防腐润滑脂和聚乙烯护套的无粘结高强低松弛钢绞线，所述耗能钢筋（5）为普通热轧钢筋。
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