CN110835952A - 一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构及构建方法 - Google Patents

一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构及构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构及构建方法，框架结构在混凝土基础上进行构建，包括钢管混凝土柱、角钢支撑、连接螺杆、限位组件、锚杆、钢梁、抗剪连接件、拉杆和阻尼器；阻尼器由高强螺栓固定在钢梁的上部翼缘，抗剪连接件由销栓连接安装在钢梁腹板上，可沿钢梁腹板上的长圆形滑孔滑动，拉杆一端穿过混凝土柱中预留孔洞并固定在柱外侧的垫板上，另一端穿过挡板组件和碟形弹簧组并固定在挡板组件外侧碟形弹簧组的端部，钢管混凝土柱底端插入混凝土基础顶面形成的凹槽内，锚杆穿过角钢支撑和限位组件与混凝土基础内部固定，该框架中的碟形弹簧组和阻尼器使框架在强震作用下拥有自复位功能的同时提高节点的整体耗能能力。

Description

一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构及构建方法
技术领域
本发明涉及抗震结构体系技术领域，尤其涉及抗震韧性结构；更具体的说是涉及一种预制装配式抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构及其构建方法。
背景技术
传统的钢结构体系通过自身材料特性和结构变形来抵抗地震，耗散地震能量，可能震后没有倒塌但却往往有很大的残余变形，或者在结构某些薄弱部位发生脆性破坏，由于残余变形不可恢复，给震后修复工作带来很大不便甚至拆除。
现今，可恢复功能结构成为研究热点，而现有的自复位混凝土框架节点，大多在混凝土梁或柱内部设置有无粘结预应力筋，虽然在震后有一定的自复位效果，但是在强大的地震冲击力下，大多数混凝土结构无法满足空间变形的要求，且在安装施工的时候操作不方便；
因此，如何提供一种抗震能力强、结构韧性高，可恢复且结构构件容易替换，施工方便的自复位框架及其构建方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构及构建方法，旨在解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，在混凝土基础上进行构建，包括：钢管混凝土柱、角钢支撑、连接螺杆、限位组件、锚杆、钢梁、抗剪连接件、拉杆和阻尼器；
所述钢管混凝土柱竖直布置，且底端插入所述混凝土基础顶面形成的凹槽内，所述钢管混凝土柱与所述凹槽之间填充有剪压橡胶垫层；
所述角钢支撑由L形连接板和焊接在其两侧的两块加劲肋组成，且两块所述角钢支撑对称位于所述钢管混凝土柱对应的侧壁；
所述连接螺杆的数量为多个，且穿过所述钢管混凝土柱和所述角钢支撑将其固定连接；
所述限位组件固定在所述混凝土基础的顶面；
所述锚杆的数量为多个，且底端穿过所述限位组件与所述混凝土基础内部固定，顶端穿过所述角钢支撑并套设碟形弹簧组后固定；
所述钢梁水平对应布置在所述钢管混凝土柱侧壁，且靠近所述钢管混凝土柱一端的侧壁上并列开设有多个长圆形滑孔；所述钢梁靠近所述钢管混凝土柱一端的底部具有挡板组件；
所述抗剪连接件的数量为两块，且平行焊接固定在所述钢管混凝土柱的侧壁上，并位于所述钢梁的腹板两侧；所述抗剪连接件上开设有圆形螺孔，通过销栓连接所述抗剪连接件和所述钢梁，所述销栓可沿所述钢梁上的长圆形滑孔滑动；
所述拉杆一端穿过所述钢管混凝土柱侧壁固定，另一端穿过所述钢管混凝土柱对应的侧壁和所述挡板组件固定，且在所述挡板组件的两侧均套设有碟形弹簧组；
所述阻尼器位于所述钢梁的顶面，且与所述钢梁和所述钢管混凝土柱连接。
通过上述技术方案，本发明的阻尼器由高强螺栓固定在钢梁的上部翼缘，抗剪连接件由销栓连接安装在钢梁腹板上，可沿钢梁腹板上的长圆形滑孔滑动，拉杆一端穿过混凝土柱中预留孔洞并固定在柱外侧的垫板上，另一端穿过挡板组件和碟形弹簧组并固定在挡板组件外侧碟形弹簧组的端部，钢管混凝土柱底端插入混凝土基础顶面形成的凹槽内，锚杆穿过角钢支撑和限位组件与混凝土基础内部固定，该自复位框架中的碟形弹簧组和阻尼器能够使框架结构在强震作用下拥有自复位功能的同时提高节点的整体耗能能力。
优选的，在上述一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构中，所述混凝土基础顶面形成的凹槽内固定有平齐式底板，所述平齐式底板的底部或四周包裹有所述剪压橡胶垫层。防止钢管混凝土柱底部和周围的混凝土基础发生破坏。
优选的，在上述一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构中，所述限位组件对称布置在所述钢管混凝土柱的两侧，包括支座底板、侧立板和加劲肋；所述支座底板通过高强螺杆固定在混凝土基础的顶面；所述侧立板和所述加劲肋焊接在所述支座底板上，所述侧立板的板面与所述钢管混凝土柱的侧壁对应，每个侧面的所述加劲肋的数量为两个或以上，所述侧立板与所述钢管混凝土柱具有间隙，且所述间隙内填充有弹性可伸缩性材料。本发明所说的弹性可伸缩性材料为橡胶材料。限位组件能够提高连接结构的稳定性，并为钢管混凝土柱和限位组件提供一定的震动韧性。在受到地震作用时，矩形钢管混凝土柱会发生倾斜，此时位于支座底板上的侧立板和钢管混凝土柱之间间隙中填充的弹性可伸缩性材料会起到传递剪力和缓冲的作用，避免因局部压强太大而破坏钢管混凝土柱和侧立板结构。
优选的，在上述一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构中，所述混凝土基础内水平固定有多块预埋钢板；所述锚杆穿过所述支座底板和所述预埋钢板并与所述预埋钢板底面固定；所述高强螺杆穿过所述预埋钢板并与其底面固定。便于预制连接，且提高连接的结构稳定性。
优选的，在上述一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构中，所述挡板组件焊接在所述钢梁的下翼缘，且留有用于所述拉杆穿过的圆形螺孔。便于拉杆的连接固定。
优选的，在上述一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构中，所述拉杆与所述钢管混凝土柱侧壁连接的一端垫设有垫板。提高连接的稳定性和耐磨性。
优选的，在上述一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构中，所述钢管混凝土柱上开设有用于所述拉杆和所述连接螺杆穿过的预留孔洞。便于拉杆和连接螺杆进行连接安装。
优选的，在上述一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构中，所述钢管混凝土柱中设有圆环内隔板，所述圆环内隔板焊接在所述钢管混凝土柱的钢管内壁上。提高钢管混凝土柱的结构强度。当连接角钢支撑的连接螺杆受到剪力，局部挤压钢管混凝土柱壁和其内部的混凝土时，圆环内隔板能将剪力均匀的分配到钢管混凝土柱壁上，防止钢管混凝土柱因剪力过于集中发生破坏。
优选的，在上述一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构中，所述阻尼器为C型阻尼器或耗能角钢。阻尼器的选择要求能够适应型钢混凝土梁的震动变化，能够进一步提高抗震效果。
需要注意的是，所述钢梁在与钢管混凝土柱连接的节点部位开有一定角度的缝隙，目的是梁柱接触面间预留有一定间距以供节点受力时绕动。
一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构的构建方法，包括以下步骤：
S1、将预埋钢板、锚杆和混凝土基础中预留的连接孔按预先设计的位置预埋好后将混凝土基础浇筑成型，混凝土基础浇筑时需预留与钢管混凝土柱尺寸相应的凹槽，混凝土基础完工后在其凹槽内放入剪压橡胶垫层和平齐式底板；
S2、安装钢管混凝土柱和限位装置，将锚杆上端穿过角钢支撑，并在锚杆顶端安装碟形弹簧组后固定；
S3、将钢梁放置在预定位置，通过拉杆与抗剪连接件连接，并安装碟形弹簧组和阻尼器。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构及构建方法，具有以下有益效果：
1、本发明的阻尼器由高强螺栓固定在钢梁的上部翼缘，抗剪连接件由销栓连接安装在钢梁腹板上，可沿钢梁腹板上的长圆形滑孔滑动，拉杆一端穿过混凝土柱中预留孔洞并固定在柱外侧的垫板上，另一端穿过挡板组件和碟形弹簧组并固定在挡板组件外侧碟形弹簧组的端部，钢管混凝土柱底端插入混凝土基础顶面形成的凹槽内，锚杆穿过角钢支撑和限位组件与混凝土基础内部固定，该自复位框架中的碟形弹簧组和阻尼器能够使框架结构在强震作用下拥有自复位功能的同时提高节点的整体耗能能力。
2、本发明提供的抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构可以在强震作用下实现柱脚发生摇摆，梁柱节点发生滑动摩擦，并在碟形弹簧组和阻尼器体系的作用下能够实现自复位的同时耗散地震能量，使得主体结构的残余变形很小；该框架结构的自复位和阻尼器均设置在主体结构外部，受损后更换维修也很方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的框架结构竖直剖面示意图；
图2附图为本发明提供的混凝土基础上表面剖面俯视图。
其中：
1-钢管混凝土柱，2-钢梁，3-混凝土基础，4-阻尼器，5-抗剪连接件，6-碟形弹簧组，7-挡板组件，8-拉杆，9-垫板，10-角钢支撑，11-连接螺杆，12-锚杆，13圆环内隔板，1401-支座底板，1402-侧立板，1403-加劲肋，1404-高强螺杆，1405-弹性可伸缩材料；15高强螺栓，16平齐式底板，17剪压橡胶垫层，18预埋钢板，19预留孔洞。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见附图1至附图2，本发明实施例公开了一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，在混凝土基础3上进行构建，包括：钢管混凝土柱1、角钢支撑10、连接螺杆11、限位组件、锚杆12、钢梁2、抗剪连接件5、拉杆8和阻尼器4；
钢管混凝土柱1竖直布置，且底端插入混凝土基础3顶面形成的凹槽内，钢管混凝土柱1与凹槽之间填充有剪压橡胶垫层17；
角钢支撑10由L形连接板和焊接在其两侧的两块加劲肋组成，且两块角钢支撑10对称位于钢管混凝土柱1对应的侧壁；
连接螺杆11的数量为多个，且穿过钢管混凝土柱1和角钢支撑10将其固定连接；
限位组件固定在混凝土基础3的顶面；
锚杆12的数量为多个，且底端穿过限位组件与混凝土基础3内部固定，顶端穿过角钢支撑10并套设碟形弹簧组6后固定；
钢梁2水平对应布置在钢管混凝土柱1侧壁，且靠近钢管混凝土柱1一端的侧壁上并列开设有多个长圆形滑孔；钢梁2靠近钢管混凝土柱1一端的底部具有挡板组件7；
抗剪连接件5的数量为两块，且平行焊接固定在钢管混凝土柱1的侧壁上，并位于钢梁2的腹板两侧；抗剪连接件5上开设有圆形螺孔，通过销栓连接抗剪连接件5和钢梁2，销栓可沿钢梁2上的长圆形滑孔滑动；
拉杆8一端穿过钢管混凝土柱1侧壁固定，另一端穿过钢管混凝土柱1对应的侧壁和挡板组件7固定，且在挡板组件7的两侧均套设有碟形弹簧组6；
阻尼器4位于钢梁2的顶面，且与钢梁2和钢管混凝土柱1连接。
为了进一步优化上述技术方案，混凝土基础3顶面形成的凹槽内固定有平齐式底板16，平齐式底板16的底部或四周包裹有剪压橡胶垫层17。
为了进一步优化上述技术方案，限位组件对称布置在钢管混凝土柱1的两侧，包括支座底板1401、侧立板1402和加劲肋1403；支座底板1401通过高强螺杆1404固定在混凝土基础3的顶面；侧立板1402和加劲肋1403焊接在支座底板1401上，侧立板1402的板面与钢管混凝土柱1的侧壁对应，每个侧面的加劲肋1403的数量为两个或以上，侧立板1402与钢管混凝土柱1具有间隙，且间隙内填充有弹性可伸缩性材料1405。
为了进一步优化上述技术方案，混凝土基础3内水平固定有多块预埋钢板18；锚杆12穿过支座底板1401和预埋钢板18并与预埋钢板18底面固定；高强螺杆1404穿过预埋钢板18并与其底面固定。
为了进一步优化上述技术方案，挡板组件7焊接在钢梁2的下翼缘，且留有用于拉杆8穿过的圆形螺孔。
为了进一步优化上述技术方案，拉杆8与钢管混凝土柱1侧壁连接的一端垫设有垫板9。
为了进一步优化上述技术方案，钢管混凝土柱1上开设有用于拉杆8和连接螺杆11穿过的预留孔洞19。
为了进一步优化上述技术方案，钢管混凝土柱1中设有圆环内隔板13，圆环内隔板13焊接在钢管混凝土柱1的钢管内壁上。
为了进一步优化上述技术方案，阻尼器4为C型阻尼器或耗能角钢。
本发明的阻尼器4由高强螺栓固定在钢梁2的上部翼缘，抗剪连接件5由销栓连接安装在钢梁2腹板上，可沿钢梁2腹板上的长圆形滑孔滑动，拉杆8一端穿过钢管混凝土柱1中预留孔洞并固定在柱外侧的垫板9上，另一端穿过挡板组件7和碟形弹簧组6并固定在挡板组件7外侧碟形弹簧组6的端部，钢管混凝土柱1底端插入混凝土基础3顶面形成的凹槽内，锚杆12穿过角钢支撑10和限位组件与混凝土基础3内部固定，该自复位框架中的碟形弹簧组6和阻尼器4能够使框架结构在强震作用下拥有自复位功能的同时提高节点的整体耗能能力。
实施例2：
本发明实施例公开了一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构的构建方法，包括以下步骤：
S1、先将锚杆12、高强螺杆1404和预埋钢板18在混凝土基础3中预埋固定，设计预留好基础凹槽尺寸，然后浇筑混凝土基础3；
S2、待混凝土基础3完工后，安装限位装置于混凝土基础3表面之上，用高强螺杆1404固定；
S3、钢管混凝土柱1、钢梁2均为预制，角钢支撑10预先安装在钢管混凝土柱1上，混凝土基础3的预留凹槽中预先填入剪压橡胶垫层17；
S4、将钢管混凝土柱1插入限位装置之间的凹槽内固定，锚杆12穿过限位装置的支座底板1401、角钢支撑10和碟形弹簧组6，并将碟形弹簧组6固定在角钢支撑10上部的锚杆12顶端；
S5、将钢梁2放入预定位置，安装阻尼器4、抗剪连接件5和碟形弹簧组；其中碟形弹簧组的具体安装过程为：拉杆8一端穿过钢管混凝土柱1中的预留孔洞19并固定在柱外侧的垫板9上，另一端穿过挡板组件7和碟形弹簧组6并固定在挡板组件7外侧的碟形弹簧组6的端部，两组碟形弹簧组6施加有预应力。
设计方法需先计算得到节点结构的梁端弯矩需求值和抗剪需求值，设计碟形弹簧6等部件，然后根据柱脚弯矩和剪力设计值设计柱脚各受力部件。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，其特征在于，在混凝土基础(3)上进行构建，包括：钢管混凝土柱(1)、角钢支撑(10)、连接螺杆(11)、限位组件、锚杆(12)、钢梁(2)、抗剪连接件(5)、拉杆(8)和阻尼器(4)；
所述钢管混凝土柱(1)竖直布置，且底端插入所述混凝土基础(3)顶面形成的凹槽内，所述钢管混凝土柱(1)与所述凹槽之间填充有剪压橡胶垫层(17)；
所述角钢支撑(10)由L形连接板和焊接在其两侧的两块加劲肋组成，且两块所述角钢支撑(10)对称位于所述钢管混凝土柱(1)对应的侧壁；
所述连接螺杆(11)的数量为多个，且穿过所述钢管混凝土柱(1)和所述角钢支撑(10)将其固定连接；
所述限位组件固定在所述混凝土基础(3)的顶面；
所述锚杆(12)的数量为多个，且底端穿过所述限位组件与所述混凝土基础(3)内部固定，顶端穿过所述角钢支撑(10)并套设碟形弹簧组(6)后固定；
所述钢梁(2)水平对应布置在所述钢管混凝土柱(1)侧壁，且靠近所述钢管混凝土柱(1)一端的侧壁上并列开设有多个长圆形滑孔；所述钢梁(2)靠近所述钢管混凝土柱(1)一端的底部具有挡板组件(7)；
所述抗剪连接件(5)的数量为两块，且平行焊接固定在所述钢管混凝土柱(1)的侧壁上，并位于所述钢梁(2)的腹板两侧；所述抗剪连接件(5)上开设有圆形螺孔，通过销栓连接所述抗剪连接件(5)和所述钢梁(2)，所述销栓可沿所述钢梁(2)上的长圆形滑孔滑动；
所述拉杆(8)一端穿过所述钢管混凝土柱(1)侧壁固定，另一端穿过所述钢管混凝土柱(1)对应的侧壁和所述挡板组件(7)固定，且在所述挡板组件(7)的两侧均套设有碟形弹簧组(6)；
所述阻尼器(4)位于所述钢梁(2)的顶面，且与所述钢梁(2)和所述钢管混凝土柱(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，其特征在于，所述混凝土基础(3)顶面形成的凹槽内固定有平齐式底板(16)，所述平齐式底板(16)的底部或四周包裹有所述剪压橡胶垫层(17)。
3.根据权利要求1所述的一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，其特征在于，所述限位组件对称布置在所述钢管混凝土柱(1)的两侧，包括支座底板(1401)、侧立板(1402)和加劲肋(1403)；所述支座底板(1401)通过高强螺杆(1404)固定在所述混凝土基础(3)的顶面；所述侧立板(1402)和所述加劲肋(1403)焊接在所述支座底板(1401)上，所述侧立板(1402)的板面与所述钢管混凝土柱(1)的侧壁对应，每个侧面的所述加劲肋(1403)的数量为两个或以上，所述侧立板(1402)与所述钢管混凝土柱(1)具有间隙，且所述间隙内填充有弹性可伸缩性材料(1405)。
4.根据权利要求3所述的一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，其特征在于，所述混凝土基础(3)内水平固定有多块预埋钢板(18)；所述锚杆(12)穿过所述支座底板(1401)和所述预埋钢板(18)并与所述预埋钢板(18)底面固定；所述高强螺杆(1404)穿过所述预埋钢板(18)并与其底面固定。
5.根据权利要求1所述的一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，其特征在于，所述挡板组件(7)焊接在所述钢梁(2)的下翼缘，且留有用于所述拉杆(8)穿过的圆形螺孔。
6.根据权利要求1所述的一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，其特征在于，所述拉杆(8)与所述钢管混凝土柱(1)侧壁连接的一端垫设有垫板(9)。
7.根据权利要求1所述的一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，其特征在于，所述钢管混凝土柱(1)上开设有用于所述拉杆(8)和所述连接螺杆(11)穿过的预留孔洞(19)。
8.根据权利要求1所述的一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，其特征在于，所述钢管混凝土柱(1)中设有圆环内隔板(13)，所述圆环内隔板(13)焊接在所述钢管混凝土柱(1)的钢管内壁上。
9.根据权利要求1所述的一种抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构，其特征在于，所述阻尼器(4)为C型阻尼器或耗能角钢。
10.一种权利要求1-9任一项所述的抗震韧性钢管混凝土柱与钢梁框架结构的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将预埋钢板(18)、锚杆(12)和混凝土基础(3)中预留的连接孔按预先设计的位置预埋好后将混凝土基础(3)浇筑成型，混凝土基础(3)浇筑时需预留与钢管混凝土柱(1)尺寸相应的凹槽，混凝土基础(3)完工后在其凹槽内放入剪压橡胶垫层(17)和平齐式底板(16)；
S2、安装钢管混凝土柱(1)和限位装置，将锚杆(12)上端穿过角钢支撑(10)，并在锚杆(12)顶端安装碟形弹簧组(6)后固定；
S3、将钢梁(2)放置在预定位置，通过拉杆(8)与抗剪连接件(5)连接，并安装碟形弹簧组(6)和阻尼器(4)。
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