CN110409647B - 一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点 - Google Patents
一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点，包括预制柱和预制梁，预制梁上方设置后浇区，预制柱和预制梁的连接处设置剪力传递部件，预制柱分别设置互相平行的第一钢筋和第二钢筋，后浇区内设置第三钢筋，预制梁内设置第四钢筋，第一钢筋和第三钢筋相连，第二钢筋和第四钢筋通过可更换耗能部件相连，预制柱和预制梁之间设置缝隙。本发明的节点形式，传力路径清晰，不仅具有优良的延性和耗能性能，而且具有良好的可施工性；在地震激励下，结构的损伤仅集中在连接件，震后只需更换连接件即可实现结构的快速修复；其受弯承载能力由梁端下侧的可更换耗能部件所控制，易于实现“强柱弱梁”的抗震原则。
Description
技术领域
本发明涉及装配式混凝土框架结构，具体为一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点。
背景技术
强烈地震是土木工程结构物可能受到的最大威胁之一。为此，研究安全可靠、经济适用的结构抗震体系与减震方法，最大限度减轻地震灾害影响，是工程领域的一项重大需求和迫切任务。消能减震通过耗能装置吸收和耗散地震能量，能有效减小结构的响应和损伤，避免主体结构发生严重破坏，是实现基于性能抗震的重要手段。
装配式混凝土结构是一种将混凝土结构主要承重构件在工厂预制成型后，运输到施工现场通过拼接及必要的连接建造而成的结构形式。这种结构的施工方式与现代制造业的生产方式一致，便于实现工业化建造、提高建造效率、对环境影响小，且避免了天气等因素对施工的影响，是住宅和公共建筑建造方式革命的一个重要方向。我国处在工业化、信息化、城镇化、市场化、国际化深入发展的重要时期，装配式混凝土结构的发展可以有效推动建筑工业化的进程，对这种结构的研究符合我国未来建筑业发展的需求。
装配式混凝土框架结构体系中梁、柱等主要构件的受力性能与一般现浇结构差别不大，最大的区别在梁柱的连接部位。近年来我国的装配式结构工程实践中，主要以“等同现浇”为原则，并已取得了长足的进步和发展。这种湿连接的体系虽然可以做到与现浇结构等效或接近，但也继承了现浇结构在强震下损伤分散的特点。地震作用下，框架结构梁端塑性铰的延性主要依赖梁端纵向钢筋的屈服来体现，但其延性系数受限于混凝土极限压应变，而混凝土的极限压应变数值较小。当塑性铰的转动导致受压区混凝土压碎的时候，受压屈服的纵向钢筋将挣脱箍筋的约束而屈曲，从而导致其抵抗弯矩的能力瞬间降低。这种破坏尤其容易发生在相对受压区高度较大的梁底受压的负弯矩下。地震后，虽然开裂或轻微压酥的混凝土可以被修复，但是曾经屈服损伤的纵向钢筋则难以实现维修或替换。因此，现浇混凝土结构在震后修复实施方面的难度较大。
另一方面，地震作用下框架结构的理想破坏模式是实现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的“三强三弱”抗震原则。通过上述原则的贯彻，使结构发生相对有利的整体耗能机制，充分利用构件和结构的延性来减小地震响应。但是，大量的震害调查表明，虽然在框架结构的设计中充分强调了“强柱弱梁”抗震原则，但在实际地震激励下框架结构仍往往表现为“强梁弱柱”，即框架柱的受弯承载能力比梁弱，导致发生不利的层间变形机制，限制整体结构抗震能力的发挥。这主要是由于作为框架梁翼缘的楼板范围内也有面积不小的板钢筋，这些钢筋在承受负弯矩时与梁内纵向钢筋一起为抵抗弯矩提供贡献，导致梁受弯承载能力出现超强，无法实现理想的出铰机制。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种延性好、耗能性能好、可施工性强的单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点。
技术方案：本发明所述的一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点，包括预制柱和预制梁，预制梁上方设置后浇区，预制柱和预制梁的连接处设置剪力传递部件，预制柱分别设置互相平行的第一钢筋和第二钢筋，后浇区内设置第三钢筋，预制梁内设置第四钢筋，第一钢筋和第三钢筋相连，第二钢筋和第四钢筋通过可更换耗能部件相连，预制柱和预制梁之间设置缝隙。缝隙能够让节点在遭受地震荷载作用时，可以更自由的转动，从而保护预制柱和预制梁不会因挤压产生破坏；同时，梁柱接触面开缝，减小了节点区下部的应力，预制柱和预制梁之间不会发生挤压，根据力矩平衡，节点上部的钢筋应力也会因此减少，从而使得节点上部的钢筋尽可能地保持在弹性状态，方便节点的震后快速修复；由于下部尽可能的减少力，使得节点中心轴上移，从而减少节点上部的变形量。
剪力传递部件包括柱侧剪力键和梁侧剪力键，柱侧剪力键设置在预制柱侧面，梁侧剪力键设置在预制梁的两个端面，柱侧剪力键和梁侧剪力键上下搭接，可以开合，有一个相对的支承平面，用以支承梁的向下剪力，像是其他梁柱节点的牛腿一样，只起到传递剪力的作用。剪力传递部件包括固定连接的柱侧暗牛腿和预制梁支承企口，柱侧暗牛腿设置在预制柱侧面，预制梁支承企口设置在预制梁端面，柱侧暗牛腿和梁端支承企口有一个相对的支承平面，用以支承梁的向下剪力，预制柱和预制梁通过坐浆区贴合。而当节点承受正弯矩、产生向上的剪力时，上部后浇区内的混凝土受压，可以形成可靠的剪压区来传递这一剪力，由于节点的受弯承载能力由可更换耗能部件来控制，其屈服弯矩均可准确预测，因此预制梁所承受的剪力也被限制，从而实现“强剪弱弯”。剪力键的存在还方便了预制构件的安装，将梁吊装到位、搁置在柱剪力键上之后，吊车即可移走，实现无支架施工。
第一钢筋和第三钢筋通过第一套筒固定连接，第一套筒设置在预制柱内。
可更换耗能部件通过第一连接件与第二钢筋相连，通过第二连接件与第四钢筋相连，第一连接件设置在预制柱内，第二连接件设置在预制梁内。第一连接件为钢块或第二套筒。第二连接件为钢块或第二套筒。当第一连接件、第二连接件都是钢块时，与可更换耗能部件的两端焊接，当第一连接件、第二连接件都是第二套筒时，与可更换耗能部件的两端螺纹连接，可更换耗能部件的屈服承载能力小于其与第二连接件和第一连接件的连接承载能力，也小于锚固的第二钢筋、第一连接件、第二连接件、第四钢筋的连接承载能力，也小于锚固的第二钢筋、第四钢筋的屈服承载能力。
预制梁底部安装可更换耗能部件的位置设置企口，可更换耗能部件安装完成后，企口采用细石混凝土或高强灌浆料填充。
第四钢筋由预制梁的底部纵向钢筋替代。第一钢筋的数量比第三钢筋多，第一钢筋和第三钢筋的屈服强度比下部可更换耗能器屈服强度高。可更换耗能部件为屈曲约束型耗能部件、摩擦型耗能部件、金属屈服型耗能部件和粘滞阻尼型耗能部件中的任意一种，可方便安装于节点下部，起到耗能作用。
工作原理：预制梁、预制柱之间留有缝隙，能够有效避免预制梁下部的混凝土受压，从而保护这部分混凝土不因弯矩引起的压力而破坏，这样，在负弯矩作用下，下部的第一连接件、第二连接件承受所有的压力，从而与上部第一钢筋、第三钢筋的拉力一起形成一对力偶，平衡外荷载作用下产生的弯矩。上部第一钢筋、第三钢筋的屈服承载能力大于下部的可更换耗能部件，同时使下部第二钢筋、第四钢筋的屈服承载能力大于可更换耗能器，无论梁端承受正弯矩或负弯矩，屈服仅可能发生在可更换耗能部件内，可以避免上部第一钢筋、第三钢筋在受压和受拉过程中的屈服，从而保证梁、柱的混凝土负弯矩下不被压碎或出现太大的裂缝，也可以避免连接件所连接的锚固钢筋和下部纵向钢筋的锚固失效或屈服，确保在受力过程中梁体的其他部位均处于无损或微损的状态，增强结构的可修性。地震之后仅需更换可更换耗能部件，即可恢复结构功能。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、结构损伤集中，耗能性能良好，由于在梁端的下部安装了易屈服的可更换耗能部件，使得地震作用下塑性损伤集中在连接件上，而作为主要承重构件的板、梁、柱本身不会发生塑性变形，采用的耗能部件可为屈曲约束型耗能部件、摩擦耗能型部件、金属屈服型耗能部件及粘滞阻尼型耗能部件等耗能部件形式，中震及强震作用下耗能件屈服，利用耗能部件部件优异的延性性能，能够使梁柱节点发挥出优良的抗震性能和耗能能力；
2、结构震后修复简便，修复后结构性能可得到保证，在地震作用下，采用本发明连接的框架结构损伤集中在可更换耗能连接组件上，而其它主要构件并不发生明显损伤；可更换耗能连接组件件被安置于梁端下部，震后可快速更换，不需为更换耗能连接组件而破坏楼板；因梁端上部配筋屈服承载能力大于可更换耗能部件的屈服承载能力，可使梁端上部钢筋始终保持在弹性范围内，只需在震后修补该处开裂混凝土即可，震后去除连接企口处后浇筑的混凝土并更换新的耗能连接组件即可恢复结构的功能，维修过程非常简便；
3、易于控制梁端承载能力，确保抗震原则的实施，要实现“三强三弱”原则，最为关键的问题是控制梁端的抗弯能力，要让这一延性较好的破坏模式发生在其它延性较差或脆性的破坏之前，通过预留装配式框架结构梁柱之间天然缝隙的下半部分，避免了梁端下侧混凝土在正、负弯矩作用下参与手里，从而保证了无论是正弯矩还是负弯矩下均产生梁端下侧单侧屈服，梁的屈服弯矩由可更换耗能部件的受压或受拉屈服承载力决定，因此可以方便地控制梁端抗弯承载能力；
4、可将可更换耗能部件制成标准元件，便于工业化生产与应用，可更换耗能部件部件可采用屈曲约束性耗能部件、摩擦耗能型约束部件、金属屈服型耗能部件及粘滞阻尼型耗能部件等耗能部件形式，在机械制造方面具有成熟的工艺，便于采用工业化的方式进行生产，经理论、试验及计算分析之后，可以总结出常用的连接件规格参数，形成连接件的标准化设计和应用，对实现这种结构的工业化建造和节省震后修复时间具有突出的意义；
5、实用性强，不影响美观，本发明中，节点上部钢筋的连接以及下部可更换耗能连接组件的安装都预留有足够的施工间隙，同时，上部钢筋连接区域在连接后将通过后浇法对该处后浇，在保证节点连接操作面的情况下，不影响节点的美观，可更换耗能连接组件安置于节点下部，与节点下部钢筋在同一水平线上，在震后修复过程中，更换耗能连接组件，只需在节点下部操作即可，不需要后期破坏楼板，避免破坏结构整体美观。
附图说明
图1为本发明第一种剪力传递部件4所构造的节点形式的主视图。
图2为本发明第一种剪力传递部件4所构造的节点形式的结构示意图。
图3为本发明第二种剪力传递部件4所构造的节点形式的主视图。
图4为本发明第二种剪力传递部件4所构造的节点形式的结构示意图。
具体实施方式
以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。
实施例1
如图1～2，混凝土预制柱1与混凝土预制梁2通过剪力传递部件4搭接，其中预制梁2端的底部有连接企口15，剪力传递部件4下部有可更换耗能部件9，一端与第一连接件13连接，另一端与第二连接件14连接；预制梁2上部钢筋分为预制柱1内锚固的第一钢筋5、预制梁2内的第三钢筋7两部分，第一钢筋5、第三钢筋7通过螺纹连接的第一套筒12相连，再通过后浇法在预留后浇区3将节点浇注形成整体，节点下部预留缝隙10；节点上部通过增大配筋量，使得节点中性轴上移，同时单根钢筋应力减小，使得单根钢筋应力始终保持在弹性范围内，可有效避免节点上部开裂。在一般竖向荷载作用下，预制梁2端弯矩通过可更换耗能部件9以及梁上部第三钢筋7来传递给预制柱1，预制梁2端剪力通过剪力传递部件4承担。
顶部不张开的装配式混凝土框架延性耗能节点，剪力传递部件4为两侧型剪力传递部件4的节点，预制柱1带有柱侧剪力键41；预制梁2两侧固定梁侧剪力键42。节点拼装时，预制梁2两侧梁端剪力传递部件4被搁置于柱侧剪力键41上部，第一套筒12将预制柱1内锚固的第一钢筋5和预制梁2内的第三钢筋7连接形成整体，对后浇区3进行现场后浇，使节点形成整体。通过连接构件组装为一体后，可以有效利用剪力传递部件4提高节点的抗剪能力。
可更换耗能部件9通过第一连接件13与第二钢筋6相连，通过第二连接件14与第四钢筋6相连，第一连接件13设置在预制柱1内，第二连接件14设置在预制梁2内。第一连接件13为钢块或第二套筒。第二连接件14为钢块或第二套筒。当第一连接件13、第二连接件14都是钢块时，与可更换耗能部件9的两端焊接，当第一连接件13、第二连接件14都是第二套筒时，与可更换耗能部件9的两端螺纹连接，可更换耗能部件9的屈服承载能力小于其与第二连接件14和第一连接件13的连接承载能力，也小于锚固的第二钢筋6、第一连接件13、第二连接件14、第四钢筋8的连接承载能力，也小于锚固的第二钢筋6、第四钢筋8的屈服承载能力。第四钢筋8可由预制梁的底部纵向钢筋替代。
实施例2
如图3～4，顶部不张开的装配式混凝土框架延性耗能节点，与实施例1的区别在于：剪力传递部件4为牛腿的节点，预制梁2有连接企口15；预制柱1预埋有剪力传递部件4。节点拼装时，预制梁2的梁端支承企口44被搁置于柱侧暗牛腿43上部，柱侧暗牛腿43与预制梁2间有缝隙二11，第一套筒12将预制柱1内锚固的第一钢筋5和预制梁2内的第三钢筋7连接形成整体，对后浇区3进行现场后浇，使节点形成整体。通过连接构件组装为一体后，可以有效利用柱侧暗牛腿43提高节点的抗剪能力。
牛腿型节点传力路径明确，剪力传递部件4主要用于将预制梁2在竖向荷载荷载及水平荷载作用下产生的剪力传递到预制柱1，而节点的弯矩主要通过节点上部的第三钢筋7以及节点下部的可更换耗能部件9共同作用抵抗弯矩。第三钢筋7中使用的第一套筒12有足够的强度可以满足上部第三钢筋7的拉压传力。同时在节点设计时，保证上部第三钢筋7不会屈服。
现场安装步骤：
(1)预制柱1先安装于现场，通过吊装将预制梁2支承企口搭接在剪力传递部件4上，此时剪力传递部件4承担自重产生的所有竖向剪力；
(2)预制柱1、预制柱2搭接后，后浇区3预留有足够操作面，方便第一套筒11连接预制柱1内锚固的第一钢筋5与预制梁2内的第三钢筋7；
(3)连接完上部第一钢筋5、第三钢筋7后，在节点下部将可更换耗能部件9两端分别与预制梁2、预制柱1中预埋的第一连接件12、第一连接件13连接；
(4)在所有连接完成后，运用后浇法在节点预留后浇区6浇筑混凝土，将预制梁2、预制柱1后浇形成一整体；
(5)预制梁2与预制柱1之间预留缝隙10，从而保证节点的自由转动，可更换耗能部件9有足够拉压变形空间。
Claims (6)
1.一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点，其特征在于：包括预制柱（1）和预制梁（2），所述预制梁（2）上方设置后浇区（3），所述预制柱（1）和预制梁（2）的连接处设置剪力传递部件（4），所述预制柱（1）分别设置互相平行的第一钢筋（5）和第二钢筋（6），所述后浇区（3）内设置第三钢筋（7），所述预制梁（2）内设置第四钢筋（8），所述第一钢筋（5）和第三钢筋（7）相连，所述第二钢筋（6）和第四钢筋（8）通过可更换耗能部件（9）相连，所述节点下部预留缝隙（10），所述第一钢筋（5）和第三钢筋（7）的屈服力比可更换耗能部件（9）屈服力高；
所述可更换耗能部件（9）通过第一连接件（12）与第二钢筋（6）相连，通过第二连接件（13）与第四钢筋（8）相连，所述第一连接件（12）设置在预制柱（1）内，所述第二连接件（13）设置在预制梁（2）内；
所述第一连接件（12）为钢块或第二套筒，且第一连接件（12）屈服力比第二钢筋（6）屈服力高；
所述第二连接件（13）为钢块或第二套筒，且第二连接件（13）屈服力比第四钢筋（8）屈服力高。
2.根据权利要求1所述的一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点，其特征在于：所述剪力传递部件（4）包括柱侧剪力键（41）和梁侧剪力键（42），所述柱侧剪力键（41）设置在预制柱（1）侧面，所述梁侧剪力键（42）设置在预制梁（2）端面，所述柱侧剪力键（41）和梁侧剪力键（42）有一个相对的支承平面。
3.根据权利要求1所述的一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点，其特征在于：所述剪力传递部件（4）包括固定连接的柱侧暗牛腿（43）和梁端支承企口（44），所述柱侧暗牛腿（43）设置在预制柱（1）侧面，所述梁端支承企口（44）设置在预制梁（2）端面，所述柱侧暗牛腿（43）和梁端支承企口（44）有一个相对的支承平面。
4.根据权利要求1所述的一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点，其特征在于：所述第一钢筋（5）和第三钢筋（7）通过第一套筒（11）固定连接，所述第一套筒（11）设置在预制柱（1）内。
5.根据权利要求1所述的一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点，其特征在于： 所述预制梁（2）底部安装可更换耗能部件（9）的位置设置企口（14），所述企口（14）采用细石混凝土或高强灌浆料填充。
6.根据权利要求1所述的一种单侧屈服的易修复装配式混凝土框架延性耗能节点，其特征在于：所述第四钢筋（8）由预制梁（2）的底部纵向钢筋替代。
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