CN110056087A - Sma-ecc自愈合装配式框架节点结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SMA‑ECC自愈合装配式框架节点结构及施工方法，包括内部设置钢筋骨架的预制梁、预制柱，预制梁、预制柱经其梁柱节点处的后浇SMA‑ECC水泥基材料相连接，所述后浇SMA‑ECC水泥基材料是在ECC水泥基材料中加入体积率不大于2%的超弹性镍钛形状记忆合金纤维而制成的复合纤维水泥基材料，预制柱端部设置有接缝，接缝内浇筑有灌浆料或经高强水泥砂浆填实，预制梁上部现浇混凝土形成叠合梁，框架节点核心区采用SMA‑ECC工程水泥基复合材料现浇实现梁柱节点的连接，本结构其节点具有高延性和高耗能能力，节点受外力产生的裂缝，在外力消失后能稳定地愈合裂缝，极大降低了维修加固的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构及施工方法。
背景技术
中国的建筑行业是一个历史悠久的传统产业，近年来，建筑行业占国民经济比重的7%，而其中结构装配化占建筑行业的15%。这是由于，装配式建筑具有工业化生产劳动效率高，现场施工方便、建造速度快，并且环保节能减排、有利于可持续发展，具有显著的经济效益。
框架结构是装配式建筑中使用最为广泛的一种结构体系，而梁柱节点作为框架结构最重要的组成部分，在地震作用下，承受水平方向上的周期性往复荷载，起着分配和传递内力，保证结构整体性的作用，是框架结构的抗震薄弱环节。历次震害表明：框架结构破坏主要集中在节点核心区及其附近区域。而抗震设计理念是按小震作用的承载能力设计，采用构造措施使结构具有足够的延性来抵抗大震。为了提高结构抗震性能，需在节点核心区配置大量的弯曲和剪切钢筋来提供更高的承载能力和能量耗散能力，但是在地震后通常会观察到钢筋与混凝土粘结分离、混凝土保护层剥落和外露钢筋屈服等破坏模式。这是因为混凝土的极限拉应变只有0.01%，存在脆性大、抗拉强度低的固有缺陷，在地震中易开裂且裂缝宽度难以控制，提供的耗能能力有限。而钢筋的极限拉应变超过1%，脆性混凝土与韧性钢筋之间的变形不相容，钢筋的能量耗散能力在地震中不能完全发挥作用。如果在节点部位使用更多的钢筋会导致施工难度增加，并且过多使用钢筋会降低结构的延性。虽然满足规范要求的混凝土结构可以在地震中存活，但是混凝土过早开裂和裂缝宽大，会使截面刚度降低，导致结构发生较大的变形和残余变形，大量的震后修复和加固工作增加了建筑物的成本。
根据资料显示，维修和维护占英国建筑业的45%，而对荷兰而言，大型土木工程年度预算的三分之一用于检测和维护。尤其当遭受地震之后，从现场结构震害调查中发现，大多数钢筋混凝土框架结构在地震中抗震性能表现良好，结构的主体震害一般较轻或者主体结构基本完好，但是梁、柱、板和梁柱节点处出现大量裂缝，框架节点起着分配和传递内力，保证结构整体性的作用。其中如果节点出现裂缝，会降低结构的承载力和耐久性。据统计，2008年汶川地震中90%的节点出现不同程度的裂缝，玉树地震中需要及时加固修复的节点裂缝达到77%。
发明内容
本发明提出一种SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构及施工方法。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构，包括预制梁、预制柱，预制梁、预制柱内部设置钢筋骨架，所述预制梁、预制柱经其梁柱节点处的后浇SMA-ECC水泥基材料相连接，所述后浇SMA-ECC水泥基材料是在ECC水泥基材料中加入体积率不大于2%的超弹性镍钛形状记忆合金（SMA）纤维而制成的复合纤维水泥基材料。
进一步的，所述钢筋骨架包括若干间隔设置的主筋，各个主筋经箍筋绑扎成一体，箍筋沿主筋长度方向间隔设置，预制柱两端的箍筋加密设置，即预制柱两端箍筋间距更小，此区域箍筋内密度更大，预制柱内的主筋两端由其两端部穿出，预制柱内的主筋上端由其上端穿出，下端套设在套筒内，套筒预制在预制柱下端。
进一步的，所述预制柱包括预制上柱、预制下柱，预制梁的节点端设置有键槽，预制下柱上端的主筋插入预制上柱下端对应的套筒内，套筒内浇筑有灌浆料，各个预制梁的主筋端部于梁柱节点处相连接。
进一步的，各个预制梁的主筋端部于梁柱节点机械连接、焊接或套筒灌浆连接。
进一步的，键槽的深度不小于30mm，宽度不小于深度的3倍且不大于深度的10倍。
进一步的，预制柱端部设置有接缝，接缝内浇筑有灌浆料或经高强水泥砂浆填实。接缝宽度为20mm
进一步的，预制梁上部现浇混凝土形成叠合梁，框架节点核心区采用SMA-ECC工程水泥基复合材料现浇实现梁柱节点的连接。
进一步的，预制梁与后浇混凝土层、梁柱节点处的后浇SMA-ECC水泥基材料间的接触面上设置粗糙面，粗糙面的面积大于结合面的80%。使新旧混凝土之间的骨料相互咬合，提高摩擦系数，增强节点的抗剪能力。
进一步的，ECC混凝土中的PVA纤维能由PE纤维、钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高韧性植物纤维、剑麻纤维、玻璃纤维、牧草纤维、稻草纤维、椰壳纤维、黄麻纤维、竹碳纤维、岩棉纤维和高炉渣纤维中的一种或者几种替换。
一种SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤1：制作预制梁和预制柱的模具，绑扎钢筋，定位套筒灌浆的位置，制备预制柱和预制梁的预制构件；预制时在预制柱、预制梁与后浇区的接触面上用粗糙剂进行毛化处理，获得粗糙面
步骤2：上层预制柱与下层柱对齐定位好后，在柱侧加侧向支撑固定，再通过套筒灌浆与下层柱连接起来；
步骤3：将预制梁吊装就位，设置梁上部通长筋，绑扎箍筋；
步骤4：在后浇区的梁端放置挡板；
步骤5：在预制梁上部浇筑普通混凝土，在节点核心区浇筑SMA-ECC工程水泥基复合材料，浇筑完后撤走挡板，振捣密实；
步骤6：用灌浆料或者高强水泥砂浆把柱底的接缝填实。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：节点具有高延性和高耗能能力，节点受外力产生的裂缝，在外力消失后能稳定地愈合裂缝，极大降低了维修加固的成本。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为节点连接结构的节点示意图；
图2为预制柱底箍筋加密区域构造示意图；
图3为预制柱构造详图；
图4为预制梁构造详图；
图5为形状记忆合金（SMA）的超弹性原理示意图。
图中：1-预制柱；2-预制梁；3-后浇混凝土层；4-后浇ECC混凝土部；5-挡板；6-键槽；7-接缝；8-预制柱下端加密区的箍筋；9-箍筋的加密区；10-套筒；11--预制柱上非加密区的箍筋；12-钢筋接头；13-预制梁上的箍筋。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1-5所示，一种SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构，包括预制梁、预制柱，预制梁、预制柱内部设置钢筋骨架，所述预制梁、预制柱经其梁柱节点处的后浇SMA-ECC水泥基材料相连接，所述后浇SMA-ECC水泥基材料是在ECC水泥基材料中加入体积率不大于2%的超弹性镍钛形状记忆合金（SMA）纤维而制成复合纤维水泥基材料。
ECC混凝土中加入超弹性镍钛记忆合金纤维（SMA）构成SMA-ECC工程水泥基复合材料，其是一种能够与混凝土干燥收缩性能协调，具有高延性，高耗能能力，多裂纹开裂，最大裂缝宽度在40µm以下，并且能够稳定愈合裂缝的一种新型自愈合水泥基材料，在节点出现裂缝后，可以稳定地愈合裂缝。由于SMA-ECC水泥基材料优越的抗拉能力，可适当减少节点核心区的箍筋配置而不会降低抗震性能，有效的解决了箍筋过密而造成的施工困难问题。
ECC在拉力作用下具有拉伸应变-硬化的特点，其极限拉伸应变可稳定达到3%，但是，ECC的延性是以大量的自控式微裂缝为代价取得的。正是ECC的多裂缝开裂特征，避免了脆性材料特有的大裂缝和断裂，ECC最大裂缝宽度能够控制在40μm以下。而镍钛形状记忆合金，由于其超弹性的特性，可恢复变形达到6%-8%，能够有效愈合裂缝。该材料能够愈合裂缝取决于SMA纤维的超弹性特性，其工作原理如图5所示：SMA分为奥氏体和马氏体两种形态，这两种形态间可以相互转换，当相变温度达到奥氏体完成温度时，发生超弹性性质，则处于奥氏体状态的形状记忆合金首先发生弹性变形（①→②），当达到临界相变应力后，将产生应力诱发的马氏体相变，SMA从奥氏体转变为孪晶马氏体（②）；当应变继续增加，孪晶马氏体退孪成为退孪马氏体（②→③），此过程中SMA的应力-应变曲线出现应力平台；当马氏体相变结束后，继续加载，退孪马氏体会产生弹性变形（③→④）。在荷载消失过程中，SMA首先弹性恢复（④→⑤），当应力低于逆相变临界应力时，将产生马氏体逆向变，应力-应变曲线出现低于加载时的应力平台，退孪马氏体恢复到母相（⑤→⑥）；最后通过母相的弹性变形使宏观变形完全消失（⑥→①）。
ECC水泥基材料中加入超弹性镍钛记忆合金纤维（SMA）构成SMA-ECC水泥基复合材料，具有高延性，高耗能能力，多裂纹开裂，最大裂缝宽度在40µm以下，并且能够稳定愈合裂缝。浇筑于梁柱节点核心区的SMA-ECC水泥基材料，经过干燥收缩设计，获得与混凝土匹配的干缩性能，避免在两种材料结合面的翘曲和剥离。
装配式混凝土框架结构的梁柱节点为后浇混凝土区域，本结构将SMA-ECC用于该处，大幅减少节点箍筋的使用，易于施工，成本可控，可显著提高结构的延性和耗能能力，减小地震作用下节点处的裂缝宽度，并且由于SMA纤维超弹性的作用，震后裂缝能够完全愈合，减少震后修复的费用，是一种新型智慧结构。
在本实施例中，所述钢筋骨架包括若干间隔设置的主筋，各个主筋经箍筋绑扎成一体，箍筋沿主筋长度方向间隔设置，预制柱两端的箍筋加密设置，即预制柱两端箍筋间距更小，此区域箍筋内密度更大，预制柱内的主筋两端由其两端部穿出，预制柱内的主筋上端由其上端穿出，下端套设在套筒内，套筒预制在预制柱下端。
在本实施例中，所述预制柱包括预制上柱、预制下柱，预制梁的节点端设置有键槽，预制下柱上端的主筋插入预制上柱下端对应的套筒内，套筒内浇筑有灌浆料，各个预制梁的主筋端部于梁柱节点处相连接。
在本实施例中，各个预制梁的主筋端部于梁柱节点机械连接、焊接或套筒灌浆连接。
在本实施例中，键槽的深度不小于30mm，宽度不小于深度的3倍且不大于深度的10倍。
在本实施例中，预制柱端部设置有接缝，接缝内浇筑有灌浆料或经高强水泥砂浆填实，接缝宽度为20mm。
在本实施例中，预制梁上部现浇混凝土形成叠合梁，框架节点核心区采用SMA-ECC工程水泥基复合材料现浇实现梁柱节点的连接。
在本实施例中，预制梁与后浇混凝土层、梁柱节点处的后浇SMA-ECC水泥基材料间的接触面上设置粗糙面，粗糙面的面积大于结合面的80%，使新旧混凝土之间的骨料相互咬合，提高摩擦系数，增强节点的抗剪能力。
在本实施例中，ECC混凝土中的PVA纤维能由PE纤维、钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高韧性植物纤维、剑麻纤维、玻璃纤维、牧草纤维、稻草纤维、椰壳纤维、黄麻纤维、竹碳纤维、岩棉纤维和高炉渣纤维中的一种或者几种替换。
在本实施例中，SMA-ECC中60%以上是粉煤灰，主要来源于火力发电产的废渣，而预制构件中的SMA-ECC是对废渣的再利用，因此SMA-ECC是一种环境友好型材料，再保证自己的特有性能外，还对资源可以再利用，达到环保的要求。
一种SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤1：制作预制梁和预制柱的模具，绑扎钢筋，定位套筒灌浆的位置，制备预制柱和预制梁的预制构件，预制时在预制柱、预制梁与后浇区的接触面上用粗糙剂进行毛化处理，获得粗糙面；
步骤2：上层预制柱与下层柱对齐定位好后，在柱侧加侧向支撑固定，再通过套筒灌浆与下层柱连接起来；
步骤3：将预制梁吊装就位，设置梁上部通长筋，绑扎箍筋；
步骤4：在后浇区的梁端放置挡板；
步骤5：在预制梁上部浇筑普通混凝土，在节点核心区浇筑SMA-ECC工程水泥基复合材料，浇筑完后撤走挡板，振捣密实；
步骤6：用灌浆料或者高强水泥砂浆把柱底的接缝填实。
SMA-ECC自愈合装配式框架节点作为一种符合工业化生产方式的构件形式，可以提高劳动生产率，减少现场作业，改善施工环境，施工速度快，预制构件的工厂化还可以保证构件的质量。
考虑到SMA-ECC的生产成本相对较高，整个预制框架结构采用SMA-ECC不太现实，根据框架结构的受力特点，在框架节点核心区使用此材料，其他部分仍然用普通混凝土，使得材料在工程上的应用是经济可行的。
在设计SMA-ECC水泥基材料的时候，应考虑它的干燥收缩性能，尽可能接近混凝土，避免在节点处两种材料的结合处出现翘曲和剥离现象。
SMA-ECC自愈合装配式框架节点具有高延性和高耗能能力，在外力作用下，只会产生宽度小于40μm的微裂缝，且在外力消失后，裂缝可自愈合，极大降低了维修加固的成本。
由于SMA-ECC水泥基材料优越的抗拉能力，可适当减少节点核心区的箍筋配置而不会降低抗震性能，有效的解决了箍筋过密而造成的施工困难问题。
SMA-ECC中60%以上是粉煤灰，主要来源于火力发电产的废渣，而预制构件中的SMA-ECC是对废渣的再利用，因此SMA-ECC是一种环境友好型材料，再保证自己的特有性能外，还对资源可以再利用，达到环保的要求。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构，包括预制梁、预制柱，预制梁、预制柱内部设置钢筋骨架，其特征在于：所述预制梁、预制柱经其梁柱节点处的后浇SMA-ECC水泥基材料相连接，所述后浇SMA-ECC水泥基材料是在ECC水泥基材料中加入体积率不大于2%的超弹性镍钛形状记忆合金纤维而制成的复合纤维水泥基材料。
2.根据权利要求1所述的SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构，其特征在于：所述钢筋骨架包括若干间隔设置的主筋，各个主筋经箍筋绑扎成一体，箍筋沿主筋长度方向间隔设置，预制柱两端的箍筋加密设置，预制柱内的主筋两端由其两端部穿出，预制柱内的主筋上端由其上端穿出，下端套设在套筒内，套筒预制在预制柱下端。
3.根据权利要求2所述的SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构,其特征在于：所述预制柱包括预制上柱、预制下柱，预制梁的节点端设置有键槽，预制下柱上端的主筋插入预制上柱下端对应的套筒内，套筒内浇筑有灌浆料，各个预制梁的主筋端部于梁柱节点处相连接。
4.根据权利要求3所述的SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构,其特征在于：各个预制梁的主筋端部于梁柱节点机械连接、焊接或套筒灌浆连接。
5.根据权利要求3所述的SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构,其特征在于：键槽的深度不小于30mm，宽度不小于深度的3倍且不大于深度的10倍。
6.根据权利要求3所述的SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构,其特征在于：预制柱端部设置有接缝，接缝内浇筑有灌浆料或经高强水泥砂浆填实。
7.根据权利要求6所述的SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构,其特征在于：预制梁上部现浇混凝土形成叠合梁，框架节点核心区采用SMA-ECC工程水泥基复合材料现浇实现梁柱节点的连接。
8.根据权利要求7所述的SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构,其特征在于：预制梁与后浇混凝土层、梁柱节点处的后浇SMA-ECC水泥基材料间的接触面上设置粗糙面，粗糙面的面积大于结合面的80%。
9.根据权利要求1-8任意一项7所述的SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构,其特征在于：ECC混凝土中的PVA纤维能由PE纤维、钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高韧性植物纤维、剑麻纤维、玻璃纤维、牧草纤维、稻草纤维、椰壳纤维、黄麻纤维、竹碳纤维、岩棉纤维和高炉渣纤维中的一种或者几种替换。
10.一种SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构的施工方法，采用如权利要求1-8任意一项所述的SMA-ECC自愈合装配式框架节点结构,其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制作预制梁和预制柱的模具，绑扎钢筋，定位套筒灌浆的位置，制备预制柱和预制梁的预制构件；
步骤2：上层预制柱与下层柱对齐定位好后，在柱侧加侧向支撑固定，再通过套筒灌浆与下层柱连接起来；
步骤3：将预制梁吊装就位，设置梁上部通长筋，绑扎箍筋；
步骤4：在后浇区的梁端放置挡板；
步骤5：在预制梁上部浇筑普通混凝土，在节点核心区浇筑SMA-ECC工程水泥基复合材料，浇筑完后撤走挡板，振捣密实；
步骤6：用灌浆料或者高强水泥砂浆把柱底的接缝填实。
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