CN110306660B - 用于钢结构建筑的装配式抗震钢骨架及抗震墙体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于钢结构建筑的装配式抗震钢骨架及抗震墙体，是一种高强度、半柔性的抗震结构。抗震墙体包括由钢柱和钢梁组成的框架结构，以及碳纤维组件，以及隔墙板，以及填充在内外两层隔墙板之间的填充物，其中，钢柱上固定有连接板Ⅰ，钢梁的中部设置有连接板Ⅱ；连接板Ⅰ和连接板Ⅱ成对设置且在两连接板之间通过碳纤维组件进行预拉紧，碳纤维组件交叉设置并将所述框架结构内部空间分割为多个三角区域，使用夹具将交叉的碳纤维组件固定成一体，碳纤维组件被填充物包覆。本发明采用碳纤维带对钢柱和钢梁之间的区域进行连接、强化和加固，当地震发生时，碳纤维带的高韧性、一定的柔性和弹性，可以消耗更多的震动能量。

Description

用于钢结构建筑的装配式抗震钢骨架及抗震墙体
技术领域
该发明涉及装配式钢结构抗震减震墙体技术领域，具体的说是一种新型结构的，具有更加优异性能的装配式抗震钢骨架及抗震墙体，给墙体技术优先应用于钢结构技术中。
背景技术
钢结构建筑，无论是焊接式的钢结构建筑还是全装配式的钢结构建筑，其抗震性能都优于钢筋混凝土建筑。
从抗震原理上来说，在钢结构的框架支撑系统中，钢梁连接至钢柱，在梁柱连接点，无论是以焊接方式连接至梁和柱，还是螺栓连接梁和柱。当强震发生时，梁柱节点位置是首先发生断裂或者开裂的点。
目前，钢结构工程中，通常在钢结构框架中设置抗震墙体来消耗地震能量。通过设置抗震墙体，让抗震墙体具有较佳的减震耗能效果。
例如，专利文献CN 107740508A中，公布了一种抗震墙体的构建方法：即，搭建方形框架，并在方形框架的四个角部均焊接端板；安装减震耗能构件。本发明在由梁和柱的方形框架的对角之间设置有减震耗能构件，在发生地震时，方形框架发生变形，方形框架将震动和变形传递到减震耗能构件上，使减震耗能构件吸收一部分地震能量，降低对方形框架的影响，保持墙体整体的稳定性。本技术的缺点在于，框架和框架四个角位置设置的端板均为焊接结构，易发生疲劳损坏，形成开裂点。
在传统的耗能抗震墙体结构中，通常使用钢件作为斜支撑和耗能构件使用，其原理是，强震发生时，通过钢制斜支撑的破坏来消耗能量，该过程是不可逆的，也就是说，斜支撑一旦受损，必须进行更换，否则存在安全隐患。
基于此，本发明的目的就是设计一种具有良好耗能效果的、具有自恢复功能的、同时具有良好的连接强度的新型结构的抗震墙体。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种用于钢结构建筑的装配式抗震钢骨架及抗震墙体，通过碳纤维带的使用，解决现有的抗震墙体整体抗震强度不高、抗震墙体内部构件易损换的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
用于钢结构建筑的装配式抗震钢骨架，是由钢柱和钢梁组成的框架结构，所述钢柱和钢梁之间通过高强度螺栓装配施工，其特征在于：
在梁柱节点处，所述钢柱上固定有连接板Ⅰ，所述连接板Ⅰ上设置有销轴孔；所述钢梁的中部设置有连接板Ⅱ；
所述连接板Ⅰ和连接板Ⅱ成对设置且在两连接板之间通过碳纤维组件进行预拉紧，所述碳纤维组件交叉设置并将所述框架结构内部空间分割为多个三角区域。
在两两相交区域内使用夹具将交叉的碳纤维固定成一体。
所述碳纤维组件包括碳纤维带和金属扣，其中，金属扣位于碳纤维带的两端，且两端的所述金属扣通过金属销和连接板Ⅰ、Ⅱ连接。
所述金属扣中具有楔形的锁紧空间，锁紧空间内设置锁紧块，楔形的锁紧块夹持碳纤维带并将碳纤维带固定。
所述锁紧块的表面设置防滑的凸起和凹槽。
所述钢梁端部与钢柱配合面处设置有间隙。
用于钢结构建筑的装配式抗震墙体，包括，由钢柱和钢梁组成的框架结构，以及隔墙板，以及填充在内外两层隔墙板之间的填充物，其中，所述钢柱和钢梁之间通过高强度螺栓装配施工，其特征在于：
在梁柱节点处，所述钢柱上固定有连接板Ⅰ，所述连接板Ⅰ上设置有销轴孔；所述钢梁的中部设置有连接板Ⅱ；
所述连接板Ⅰ和连接板Ⅱ成对设置且在两连接板之间通过碳纤维组件进行预拉紧，所述碳纤维组件交叉设置并将所述框架结构内部空间分割为多个三角区域，在两两相交区域内使用夹具将交叉的碳纤维组件固定成一体，所述碳纤维组件被填充物包覆。
所述隔墙板通过高强度螺栓与所述钢梁和钢柱进行装配式连接。
所述碳纤维组件包括碳纤维带和金属扣，其中，金属扣位于碳纤维带的两端，且两端的所述金属扣通过金属销和连接板Ⅰ、Ⅱ连接。
所述金属扣中具有楔形的锁紧空间，锁紧空间内设置锁紧块，楔形的锁紧块夹持碳纤维带并将碳纤维带固定。
本发明的有益效果是：
本发明技术中，采用碳纤维带对钢柱和钢梁之间的区域进行连接、强化和加固，当地震发生时，碳纤维带的高韧性、一定的柔性和弹性，可以消耗更多的震动能量，且可以将框架的区域分割为不同的多个小三角形区域，使得框架的整体形变被控制在适当的范围之内，防止钢梁或者钢柱在强震发生时发生过早的塑性变形，是一种安全的技术。
附图说明
图1为装配式抗震钢骨架的立体图。
图2为图1的主视图。
图3为抗震钢骨架右下角节点的局部示意图。
图4为钢梁中间连接板部位的局部立体图。
图5为抗震钢骨架右上角节点的局部示意图。
图6为碳纤维带组件局部的立体图。
图7为实施例二的主视图。
图8为实施例二中夹具的平面图。
图9为夹具的立柱图。
图10为实施例三的结构图。
图11为抗震墙体的一种断面状态下的示例。
图中：
100钢柱，110连接板Ⅰ，111销轴孔，
200钢梁，210角码组件，220连接耳部，230连接板Ⅱ，
300碳纤维组件，310碳纤维带，320金属扣，321销孔，322锁紧空间，323锁紧块，
400夹具，410通道，411凸起或者凹槽，
510填充层，520内隔墙板。
具体实施方式
本发明的具体实施例，以示例的样式给出。
钢柱100，本实施例中钢柱为工字钢。在钢柱100上，按照楼层高度的间隔，通过焊接的方式形成连接板Ⅰ110，连接板Ⅰ为两块，居中设置，并在其上钻通孔，形成销轴孔111，用于安装碳纤维组件，形成铰接安装点。并根据需要在连接板Ⅰ上进行钻孔，例如螺栓孔，用于钢梁的安装。整体进行表层防腐处理，形成防腐层。
本实施例中钢柱为工字钢，也可以为箱式钢柱，例如水平断面为矩形的钢柱。
钢梁200，本实施例中，钢梁200优选为工字钢，通常有焊接的腹板和翼缘组成。在钢梁200的端部通过角钢的角码组件210和钢柱进行螺栓连接，即，更加详细的安装结构；在钢梁200的翼缘和钢柱的翼缘表面通过角码组件、高强度螺栓组件进行加固，参考示例3和附图5，在钢梁200的腹板和钢柱的翼缘表面通过角码组件、高强度组件进行加固。
本实施例中，角码组件210的作用在于连接钢梁和钢柱，具体的尺寸和样式，可以根据实际位置和需求进行单独的设计。
在钢梁200的上翼缘上表面焊接形成两个连接耳部220，该连接耳部220用于和钢柱的连接板Ⅰ110之间进行固定连接，该固定连接使用高强度螺栓组件，如此，在钢梁200端部和钢柱之间通过若干连接点形成全螺栓的装配式连接。也就是说，钢梁和钢柱两者之间是通过高强度螺栓和角码
在钢梁200的中部设置有连接板Ⅱ230，连接板Ⅱ成对设置，在在连接板Ⅱ230中设置有成对的销轴孔231。
钢梁200两端与钢柱配合之处具有微小的伸缩空隙，或者使用橡胶垫片隔离，也就是说钢梁和钢柱之间设计有形变的伸缩空间，以防止该节点处的过早塑性形变。
碳纤维组件300，碳纤维组件两端通过钢销以活动连接的方式连接在对应的钢梁和钢柱的连接板Ⅰ、Ⅱ上，也就是说，每一组碳纤维组件一端通过铰接的方式连接到连接板Ⅰ，另一端以铰接的方式连接到连接板Ⅱ。
作为一种可以实现的方式，碳纤维组件300的具体构造，包括碳纤维板或者碳纤维带310，以碳纤维带为例，在碳纤维带310的两端固定有金属扣320，金属扣为金属材质，具体的形态和样式参考图6所示，在金属材质中，有一个销孔321，用于和连接板Ⅰ或Ⅱ进行铰接连接。在金属扣320中具有一个锥形的锁紧空间322，并配合一个锁紧块323进行锁紧，具体的，将碳纤维带310的一端或者中部缠绕在锁紧块323上，该锁紧块为由两个斜面的楔形结构，锁紧块323自侧面的缺口处插入到锁紧空间322内，该锁紧块323是楔形块，向外扯动碳纤维带，使得锁紧块将碳纤维带锁紧在锁紧空间322内，实现完全的锁紧。在锁紧块323的表面设置防滑的凸起和凹槽，可以实现快速的、紧固的锁紧。
进一步地优化后，在锁紧块和金属扣之间设置销钉324或者螺钉，对锁紧后的锁紧块进行固定。
上述的碳纤维组件300两两一组，呈交叉状，两端分被安装在连接板Ⅰ和连接板Ⅱ中，形成加固，并在该碳纤维组件上预先加载一定的预应力，例如，10KN，也就是说，在钢梁和钢柱之间形成轻微的拉应力。
实施例二
参考图7/8/9，在两根交叉的碳纤维带的交叉部位，增加一套夹具400，该夹具400采用为钢板夹具，钢板夹具是由两个扣件组成的，在夹具中具有一个交叉的十字形的通道410，分别用于两碳纤维带的布置，在通道410中，设置防滑的凸起或者凹槽411，起到夹持碳纤维带的作用。两块夹具扣件之间使用铆钉进行紧固，形成一体。
本实施，制作夹具的两个扣件采用一次冲压成型的钢板制作。
这种结构下，介绍本结构的墙体的建造过程。
首先，搭建由钢梁200和钢柱100的框架系统，该搭建过程使用高强度螺栓组件进行紧固，该安装过程是全装配式的，施工现场无焊接作业；
第二步，将碳纤维组件固定在对应的连接板上，并使用钢销进行紧固。
第三步，在两两碳纤维组件的交叉处使用夹,400进行固定，将钢梁和钢柱之间的空间分割为若干三角形的空间；
第四步，在钢梁和钢柱之间进行防火、隔音材料的填充，形成填充层510，并最终进行内墙隔板520的固定，其中，内墙隔板520通过紧固件与钢柱和钢梁进行固定连接，也就是说内隔墙板与钢梁和钢柱的连接也是全装配式连接，安装完毕的效果图参考图11。
在有害地震发生时，梁柱节点位置或多或少的发生扭转、变位，此时，上述的碳纤维带成交叉状布置，将钢梁和钢柱的平行四边形框架，分割为若干小的三角形构造，三角形构造具有稳固性，且三角形框架中的碳纤维带本身具有一定弹性，且抗拉伸强度大于钢材质的斜支撑，所以，碳纤维带310本身伸缩会消耗大量的震动能量，使得钢梁和钢柱的相对变形和位移发生在可控的、设计范围之内，保证建筑整体的安全。
本结构中，梁柱连接节点处有害力(由于大的地震类似力)传递属性大部分被碳纤维组件300吸收，且碳纤维带本身具有良好的强度，可以将钢梁和钢柱的相对扭动，移位控制在一定的区间内，有效防止过载造成的钢梁、钢柱、安装节点的疲劳损坏，因此，对于具有梁/柱/支撑节点的结构，本发明的技术可以对柱、柱进行有效的保护，如果没有本发明的碳纤维带，在柱、梁和节点之间会发生过早的塑性形变。
本发明并非简单的将传统的斜支撑钢件更换为碳纤维带，而是实现了碳纤维带的弹性耗能、抗震、轻质，柔性、高强度预拉应力等综合优势，所以其综合性能远远优于传统钢框架建筑中的柱、梁和斜支撑杆件抗震构造。且，进一步的通过夹具对炭纤维带的二次加固，使得柱和梁间区域形成三角形载荷区域，且碳纤维带处于预拉紧状态，具有更好的结构稳固性，抗震效果更明显。
在该墙体中，内外两侧的内墙隔板之间的填充材料，将碳纤维带包围在墙体内部，形成具有填充层的抗震墙体，其中内外侧的内隔墙板520有效采用水泥板或者水泥装饰板，填充材料优选无粘结材料，例如A级防火岩棉。
实施例三
参考图10，本实施例中，相对于实施例二，在实施例二的基础上，对碳纤维带进行了安全防护，具体的，在夹具和金属扣之间的碳纤维带外侧包覆一层网格布，或者具有类似性能的布料，对碳纤维带进行保护。例如通过在碳纤维带上缠绕形成。

Claims (2)

1.用于钢结构建筑的装配式抗震墙体，包括，由钢柱和钢梁组成的框架结构，以及隔墙板，以及填充在内外两层隔墙板之间的填充物，其中，所述钢柱和钢梁之间通过高强度螺栓装配施工，其特征在于：
在梁柱节点处，所述钢柱上固定有连接板Ⅰ，所述连接板Ⅰ上设置有销轴孔；所述钢梁的中部设置有连接板Ⅱ；
所述连接板Ⅰ和连接板Ⅱ成对设置且在两连接板之间通过碳纤维组件进行预拉紧，所述碳纤维组件交叉设置并将所述框架结构内部空间分割为多个三角区域，其中，所述碳纤维组件包括碳纤维带和金属扣，其中，所述金属扣位于碳纤维带的两端，且两端的所述金属扣通过金属销和连接板Ⅰ、Ⅱ快速连接；
在两两相交区域内使用夹具将交叉的碳纤维组件固定成一体，所述夹具中的两个扣件为钢板冲压件，在夹具中具有十字形的通道，在通道中设置防滑的凸起，两块夹具扣件之间使用铆钉进行紧固；
在夹具和金属扣之间的碳纤维带外侧包覆一层网格布；
所述碳纤维组件被填充物包覆；
在钢梁和钢柱之间进行防火、隔音材料的填充，形成填充层，其中，内墙隔板通过紧固件与钢柱和钢梁进行装配式连接。
2.根据权利要求1所述的用于钢结构建筑的装配式抗震墙体，其特征在于，所述金属扣中具有楔形的锁紧空间，锁紧空间内设置锁紧块，楔形的锁紧块夹持碳纤维带并将碳纤维带固定。
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