CN111188433A - 一种由异形截面柱框架和波形钢板墙组成的结构体系 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由异形截面柱框架和波形钢板墙组成的结构体系，属于结构工程技术领域。所述异形截面柱框架‑波形钢板墙结构体系由异形截面柱框架和内嵌在框架中的波形钢板墙组成。所述异形截面柱框架采用L形、T形和十字形等异形截面钢柱和异形截面钢管混凝土柱。所述波形钢板墙采用单波形钢板墙、加劲波形钢板墙、平行对扣连接的双波形钢板墙和正交对扣连接的双波形钢板墙等。所述加劲波形钢板墙，通过在波形钢板上设置角钢或槽钢等加劲肋形成。本发明提出的结构体系，具有平面布置灵活、建筑观感好、用钢量小、承载性能优、便于运输和安装以及波形钢板螺栓连接的特点，在住宅结构的应用中具有较大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种由异形截面柱框架和波形钢板墙组成的结构体系，属于结构工程技术领域。
背景技术
框架-剪力墙结构作为抗侧力体系在住宅结构中得到广泛应用。框架-剪力墙结构由框架和剪力墙组成。与传统的钢筋混凝土框架和剪力墙相比，钢框架和钢板剪力墙施工方便，通过合理设计能够改善结构在地震等水平往复荷载作用下的承载和变形性能，使得结构获得优越的消能减震特性。在建筑结构中，钢框架主要承受轴力和弯矩，钢板剪力墙主要承受水平力。钢板剪力墙在风荷载或者小震作用下一般保持弹性，起到单调承载作用，在大震作用下可以进入塑性，通过往复滞回耗散地震输入能量，从而起到承载构件和耗能阻尼的双重作用。但是在实际使用中，框架带来了露梁露柱的问题，常见形式的平钢板剪力墙的受力性能和正常使用功能存在局限，这些问题破坏了建筑观感，限制了建筑面积，影响了钢框架-钢板剪力墙体系的应用。
当框架-剪力墙结构应用于住宅结构时，框架柱的厚度往往与墙体不一致。钢筋混凝土框架一般采用矩形截面柱，钢框架一般采用H形钢或矩形钢管框架柱，都在导致框架柱凸出，同时梁柱节点暴露于室内空间。改变框架柱的截面形式，与墙体厚度一致，从而与结构平面布置相配合，可以改善露梁露柱问题。
当钢板剪力墙以平钢板作为内嵌钢板时，不同高厚比的钢板剪力墙具有不同的工作机理。高厚比小的厚钢板剪力墙一般不先于屈服发生屈曲，以钢板的全截面屈服为承载力极限状态，这导致厚钢板剪力墙的用钢量大、建造成本高。高厚比大的薄钢板剪力墙会先于屈服发生屈曲，屈曲后薄钢板形成斜向拉力带，产生稳定的屈曲后承载性能，能够节省用钢量。但是薄钢板拉力带对边缘梁柱的强度和刚度提出了更高的要求，并且薄钢板剪力墙在往复荷载作用下的滞回曲线出现捏拢现象，同时薄钢板反复屈曲会产生巨大噪声影响建筑结构的正常使用。
当钢板剪力墙以波形钢板作为内嵌钢板时，钢板剪力墙的面外刚度显著增加，在面内剪力作用下的屈曲荷载得到明显提升，利用较小的用钢量就可以满足屈曲不先于屈服发生。波形钢板剪力墙的承载性能优于相同用钢量的薄钢板剪力墙，表现出类似于厚钢板剪力墙的工作机理。同时在外力作用下波形钢板不易发生变形，便于构件运输和施工安装。波形钢板通过对平钢板冷轧形成，波形钢板的厚度受到了钢材的延性和加工设备的能力的制约，一般不超过8mm。这使得波形钢板剪力墙的承载性能受限，阻碍了波形钢板剪力墙体系在水平荷载起控制作用的高层建筑结构中的应用。
为了解决框架-剪力墙结构在实际应用中存在的局限，本发明提出一种异形截面柱框架-波形钢板墙结构体系，采用异形截面柱改进框架体系，采用单波形钢板墙、加劲波形钢板墙、平行对扣连接的双波形钢板墙和正交对扣连接的双波形钢板墙等改进钢板剪力墙体系，在住宅结构应用中具有较大的经济效益。
发明内容
本发明提出一种由异形截面柱框架和波形钢板墙组成的结构体系，是一般框架-剪力墙结构的改进形式，能够改善框架-剪力墙结构的受力性能、正常使用功能、经济效益和建筑观感，从而克服框架-剪力墙结构在住宅结构中的使用问题。
一种由异形截面柱框架和波形钢板墙组成的结构体系，其特征在于，所述结构体系由异形截面柱框架和内嵌在框架中的波形钢板墙组成。
在上述结构体系中，所述异形截面柱框架采用L形、或T形、或十字形异形截面钢柱、或异形截面钢管混凝土柱。
在上述结构体系中，所述波形钢板墙采用单波形钢板墙、或加劲波形钢板墙、或平行对扣连接的双波形钢板墙、或正交对扣连接的双波形钢板墙。
在上述结构体系中，所述单波形钢板墙由波形钢板通过对平钢板的冷轧处理形成，在一个方向上形成波形；所述单波形钢板采用波形钢板的波形棱线水平放置，或波形钢板的波形棱线竖直放置。
在上述结构体系中，所述加劲波形钢板墙通过在波形钢板上设置角钢或槽钢加劲肋形成，所述波形钢板在对应连接位置开有孔洞，通过穿行的对拉螺栓实现波形钢板和加劲肋的连接。
在上述结构体系中，所述平行对扣连接的双波形钢板墙由两块平行放置的波形钢板在波谷处紧靠连接形成；所述两块波形钢板在波谷处对应位置开有孔洞，通过穿行的对拉螺栓实现两块波形钢板的连接；所述平行对扣连接的双波形钢板采用波形钢板的波形棱线水平放置，或波形钢板的波形棱线竖直放置。
在上述结构体系中，所述正交对扣连接的双波形钢板由两块正交放置的波形钢板在波谷处紧靠连接形成；所述两块波形钢板在波谷处对应位置开有孔洞，通过穿行的对拉螺栓实现两块波形钢板的连接。
在上述结构体系中，所述波形钢板墙采用不同的波形形式，梯形波折波形形式或矩形波折波形形式。
在上述结构体系中，所述波形钢板墙采用两种与框架梁柱之间的连接方式：焊接连接或通过T形连接件进行螺栓连接；所述T形连接件包括波形钢板连接板和框架梁柱连接板，在波形钢板连接板和框架梁柱连接板上设有加劲肋板和长圆孔，通过高强螺栓连接两块连接板。
本发明具有以下显著优点：
(1)异形截面柱框架采用L形、T形和十字形等异形截面钢柱和异形截面钢管混凝土柱，框架柱截面与结构平面布置配合，克服了露梁露柱的问题，满足了住宅结构灵活平面布置的要求；
(2)波形钢板墙由于内嵌钢板的波折特点，屈曲荷载明显高于相同用钢量的平钢板，利用较小的用钢量就可以满足屈曲不先于屈服发生，因而波形钢板表现出类似于厚钢板剪力墙的工作机理；
(3)加劲波形钢板墙通过在波形钢板上设置角钢或槽钢等加劲肋形成。加劲肋将波形钢板墙分为若干区格，有效抑制波形钢板墙在水平剪力作用下的整体屈曲，显著提升波形钢板墙的受剪承载力；
(4)平行对扣连接的双波形钢板墙，由于两块板对扣后形成闭口截面，其截面抗弯刚度及扭转刚度显著高于两块独立的波形钢板抗弯刚度及扭转刚度的和，因而平行对扣连接后的屈曲荷载远高于两块独立的波形钢板屈曲荷载的和，能够改善只有一块波形钢板的轧制厚度限制且承载性能不足问题。平行对扣连接的双波形钢板墙滞回曲线饱满，消能减震特性更加优越。特别在结构设计要求其剪力墙抗侧刚度不大而耗能性能优越的情况，平行对扣连接的双波形钢板墙的屈曲荷载增大，保证屈服而不屈曲，更能满足结构设计要求；
(5)正交对扣连接的双波形钢板墙，由于其两块波形钢板对扣后形成准闭口截面，其截面抗弯刚度及扭转刚度显著高于两块独立波形钢板抗弯刚度及扭转刚度的和，因而正交对扣连接的双波形钢板的屈曲荷载远高于两块独立的波形钢板的屈曲荷载的和，同样能够改善只有一块波形钢板的轧制厚度限制且承载性能不足问题。特别是两块厚度较小的钢板正交对扣后，在两个方向互为加强，其抗剪承载力几乎由屈服强度控制，而不由剪切屈曲荷载控制，其抗剪承载力大大提高；
(6)波形钢板墙，尤其是双波形钢板墙的截面抗弯和扭转刚度增大，易于满足构件运输和安装的刚度要求；
(7)波形钢板墙可以在其周边设置T形连接件(板)，并采用螺栓与边缘框架梁柱连接，可以真正实现工厂制作、工地现场装配化安装的目的。
附图说明
图1为异形截面柱框架-波形钢板墙结构体系平面布置示意图。
图2-1为波形钢板与框架梁柱焊接的水平放置单波形钢板墙的正视图和剖面图。
图2-2为波形钢板与框架梁柱焊接的竖直放置单波形钢板墙的正视图和剖面图。
图2-3为波形钢板与框架梁柱通过螺栓连接的水平放置单波形钢板墙的正视图和剖面图。
图2-4为波形钢板与框架梁柱通过螺栓连接的竖直放置单波形钢板墙的正视图和剖面图。
图3-1为波形钢板与框架梁柱焊接的加劲波形钢板墙的正视图和剖面图。
图3-2为波形钢板与框架梁柱通过螺栓连接的加劲波形钢板墙的正视图和剖面图。
图4-1为波形钢板与框架梁柱焊接的水平放置平行对扣连接的双波形钢板墙的正视图和剖面图。
图4-2为波形钢板与框架梁柱焊接的竖直放置平行对扣连接的双波形钢板墙的正视图和剖面图。
图4-3为波形钢板与框架梁柱通过螺栓连接的水平放置平行对扣连接的双波形钢板墙的正视图和剖面图。
图4-4为波形钢板与框架梁柱通过螺栓连接的竖直放置平行对扣连接的双波形钢板墙的正视图和剖面图。
图5-1为波形钢板与框架梁柱焊接的正交对扣连接的双波形钢板墙的正视图和剖面图。
图5-2为波形钢板与框架梁柱焊接的正交对扣连接的双波形钢板墙的后视图。
图5-3为波形钢板与框架梁柱通过螺栓连接的正交对扣连接的双波形钢板墙的正视图和剖面图。
图5-4为波形钢板与框架梁柱通过螺栓连接的正交对扣连接的双波形钢板墙的后视图。
图6-1为波形钢板墙的波形钢板板件形式示意图：梯形波折形式。
图6-2为波形钢板墙的波形钢板板件形式示意图：矩形波折形式。
图7-1为波形钢板与框架梁柱通过螺栓连接的T形连接件正视图。
图7-2为波形钢板与框架梁柱通过螺栓连接的T形连接件侧视图。
具体实施方式
结合附图1～7，详细说明本发明的具体实施方式。一种异形截面柱框架-波形钢板墙结构体系包括以下部分：
1——波形钢板墙，其中：1-1——单波形钢板；1-2——加劲波形钢板墙；1-3——平行对扣连接的双波形钢板墙；1-4——正交对扣连接的双波形钢板墙；
2——异形截面柱(以L形截面示意)；
3——框架梁；
4——对拉螺栓；
5——焊缝；
6——T形连接件，其中：6-1——波形钢板连接板；6-2——框架梁柱连接板；6-3——长圆孔高强螺栓；6-4——加劲肋板。
7——加劲肋
8——波形钢板波形形式，其中：8-1——梯形波折形式波形钢板；8-2——矩形波折形式波形钢板；
如图1所示，所述的异形截面柱框架-波形钢板墙结构体系由异形截面柱框架和波形钢板墙组成，异形截面柱根据平面布置要求采用L形、T形和十字形截面，波形钢板墙根据性能要求采用单波形钢板墙、加劲波形钢板墙、平行对扣连接的双波形钢板墙和正交对扣连接的双波形钢板墙。
如图2-1～2-4所示，所述的单波形钢板墙由边缘框架梁柱(2和3)以及内嵌单波形钢板(1-1)组成。所述的单波形钢板(1-1)，其特征在于，波形钢板通过对平钢板的冷轧处理形成，在一个方向上形成波形。所述的单波形钢板根据结构设计要求可以采用两种放置方式：如图2-1和图2-3所示的波形钢板的波形棱线水平放置和如图2-2和图2-4所示的波形钢板的波形棱线竖直放置。
如图3-1～3-2所示，所述的加劲波形钢板墙由边缘框架梁柱(2和3)以及内嵌加劲波形钢板(1-2)组成。所述的加劲波形钢板墙(1-2)，其特征在于，加劲波形钢板通过在波形钢板上设置角钢或槽钢等加劲肋(7)形成。波形钢板在对应连接位置开有孔洞，通过穿行的对拉螺栓(4)实现波形钢板和加劲肋的连接。
如图4-1～4-4所示，所述的平行对扣连接的双波形钢板墙由边缘框架梁柱(2和3)以及内嵌平行对扣连接的双波形钢板(1-3)组成。所述的平行对扣连接的双波形钢板(1-3)是由两块平行放置的波形钢板在波谷处紧靠连接形成的。两块波形钢板在波谷处对应位置开有孔洞，通过穿行的对拉螺栓(4)实现两块波形钢板的连接。所述平行对扣连接的双波形钢板(1-3)可以采用两种放置方式：如图4-1和图4-3所示的波形钢板的波形棱线水平放置或者如图4-2和图4-4所示的波形钢板的波形棱线竖直放置。
如图5-1～5-4所示，所述的正交对扣连接的双波形钢板墙由边缘框架梁柱(2和3)以及内嵌正交对扣连接的双波形钢板(1-4)组成。所述的正交对扣连接的双波形钢板(1-4)是由两块正交放置的波形钢板在波谷处紧靠连接形成的。两块波形钢板在波谷处对应位置开有孔洞，通过穿行的对拉螺栓(4)实现两块波形钢板的连接。
所述的波形钢板墙可以采用两种与框架梁柱之间的连接方式：如图2-1、图2-2、图3-1、图4-1、图4-2、图5-1和图5-2所示的焊接，和如图2-3、图2-4、图3-2、图4-3、图4-4、图5-3和图5-4所示的通过T形连接件进行螺栓连接。
如图6-1～6-2所示，所述的波形钢板可以采用不同的波形形式，包括梯形波折波形形式(8-1)、矩形波折波形形式(8-2)等。
如图7-1～7-2所示，所述的波形钢板墙的T形连接件包括波形钢板连接板(6-1)和框架梁柱连接板(6-2)，分别焊接在波形钢板外边缘和框架梁柱内边缘。在波形钢板连接板和框架梁柱连接板上设有长圆孔高强螺栓(6-3)。在双波形钢板连接板和框架梁柱连接板上设有加劲肋板(6-4)。
所述的异形截面柱框架-波形钢板墙结构体系的安装过程如下：
步骤1，在工厂完成异形截面柱和波形钢板墙的钢结构加工制作，将其运输到施工现场；
步骤2，按照顺序完成框架梁柱的施工，浇注混凝土；
步骤3，将波形钢板墙通过焊接或者T形连接件安装在框架梁柱内部。
本实施例仅为举例说明本发明的一种实施方式，但不限于此。
Claims (9)
1.一种由异形截面柱框架和波形钢板墙组成的结构体系，其特征在于，所述结构体系由异形截面柱框架和内嵌在框架中的波形钢板墙组成。
2.根据权利要求1所述的结构体系，其特征在于，所述异形截面柱框架采用L形、或T形、或十字形异形截面钢柱、或异形截面钢管混凝土柱。
3.根据权利要求1所述的结构体系，其特征在于，所述波形钢板墙采用单波形钢板墙、或加劲波形钢板墙、或平行对扣连接的双波形钢板墙、或正交对扣连接的双波形钢板墙。
4.根据权利要求1或3所述的结构体系，其特征在于，所述单波形钢板墙由波形钢板通过对平钢板的冷轧处理形成，在一个方向上形成波形；所述单波形钢板采用波形钢板的波形棱线水平放置，或波形钢板的波形棱线竖直放置。
5.根据权利要求1或3所述的结构体系，其特征在于，所述加劲波形钢板墙通过在波形钢板上设置角钢或槽钢加劲肋形成，所述波形钢板在对应连接位置开有孔洞，通过穿行的对拉螺栓实现波形钢板和加劲肋的连接。
6.根据权利要求1或3所述的结构体系，其特征在于，所述平行对扣连接的双波形钢板墙由两块平行放置的波形钢板在波谷处紧靠连接形成；所述两块波形钢板在波谷处对应位置开有孔洞，通过穿行的对拉螺栓实现两块波形钢板的连接；所述平行对扣连接的双波形钢板采用波形钢板的波形棱线水平放置，或波形钢板的波形棱线竖直放置。
7.根据权利要求1或3所述的结构体系，其特征在于，所述正交对扣连接的双波形钢板由两块正交放置的波形钢板在波谷处紧靠连接形成；所述两块波形钢板在波谷处对应位置开有孔洞，通过穿行的对拉螺栓实现两块波形钢板的连接。
8.根据权利要求1所述的结构体系，其特征在于，所述波形钢板墙采用不同的波形形式，梯形波折波形形式或矩形波折波形形式。
9.根据权利要求1所述的结构体系，其特征在于，所述波形钢板墙采用两种与框架梁柱之间的连接方式：焊接连接或通过T形连接件进行螺栓连接；所述T形连接件包括波形钢板连接板和框架梁柱连接板，在波形钢板连接板和框架梁柱连接板上设有加劲肋板和长圆孔，通过高强螺栓连接两块连接板。
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