CN111197361A - 一种梯度机制剪力墙结构及其施工方法 - Google Patents

一种梯度机制剪力墙结构及其施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于固定建筑物领域，涉及一种梯度机制剪力墙结构及其施工方法。该梯度机制剪力墙结构，在钢筋混凝土剪力墙和基础之间设置低强混凝土区和摇摆支座，低强混凝土区内埋设屈曲约束钢筋以代替墙体暗柱纵筋，摇摆支座由上支座和下支座构成，上支座下端面设有凸齿，下支座上端面设有凹槽，凹槽与凸齿相互配合以保证上支座可绕下支座侧边缘转动，同时也使摇摆支座具有抗压和抗剪的能力。本发明墙体中的低强混凝土区和摇摆支座可以使其兼具传统剪力墙和摇摆墙的双重功能，墙体功能机制的转变通过低强混凝土区的逐渐退出工作实现。本发明能够有效避免传统剪力墙结构在地震作用下易发生的脆性剪切破坏和失稳破坏，并使结构的损伤机制更为明确可控。

Description

一种梯度机制剪力墙结构及其施工方法
技术领域
本发明属于固定建筑物领域，涉及一种梯度机制剪力墙结构及其施工方法。
背景技术
钢筋混凝土剪力墙抗侧刚度大，可承担大部分水平地震作用，是建筑结构，特别是高层建筑结构的核心抗震构件。传统剪力墙的地震灾害主要表现为：延性性能较差，低矮剪力墙以剪切变形为主，常出现脆性剪切破坏；细高剪力墙以弯曲变形为主，墙底受压区纵向钢筋屈曲、混凝土破碎和平面外变形常引发其失稳破坏。上述地震灾害将造成墙体承载力和刚度突然下降，导致建筑结构产生薄弱层且震后难以修复。
目前改善剪力墙抗震性能的措施，一方面是对墙体自身加强，如采用高性能混凝土、高强钢筋、设置端柱和改变配筋形式等，但这种方法并没有从本质上改变剪力墙的损伤变形机制。另一方面是通过放松墙体与基础间约束形成摇摆墙，墙体的摇摆可有效避免主体结构层间破坏模式的产生，并改善结构的整体性，使强震作用下的损伤较为均匀的分布于各层，从而变不可控局部失效模式为更加易于预测的整体破坏模式；然而，由于铰接机构的加入，墙体抗侧刚度将出现较大幅度降低，在正常使用和小震下无法为结构提供足够的抗侧刚度。
上述两种方法均有一定程度的不足，难以满足结构在不同地震强度下的差异化功能需求，因此有必要研发一种具有多重功能的新型抗震墙体。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种兼具剪力墙和摇摆墙双重功能，能够在不同阶段实现不同功能目标，功能机制可根据结构受力状态自动转化的梯度机制剪力墙结构及其施工方法。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案：
一种梯度机制剪力墙结构，包括钢筋混凝土剪力墙1和基础2，钢筋混凝土剪力墙1位于基础2上方；所述钢筋混凝土剪力墙1包括暗柱3和墙身4，暗柱3位于墙身4的两侧，形成一体结构；
所述暗柱3与基础2之间设有低强混凝土区5，多根屈曲约束钢筋6竖直布置，依次穿过暗柱3、低强混凝土区5和基础2的内部，实现暗柱3和基础2之间的连接与固定；屈曲约束钢筋6外部套有小直径钢管14，小直径钢管14的底端位于低强混凝土区5内，上部位于暗柱3内；且屈曲约束钢筋6的外部还套有大直径钢管15，大直径钢管15的顶端套在小直径钢管14的底端，大直径钢管15的下部位于基础2内；所述屈曲约束钢筋6与小直径钢管14和大直径钢管15内壁之间无粘结，形成约束钢管区段；所述小直径钢管14与大直径钢管15之间采用橡胶封口和套接接头连接，套接接头位于低强混凝土区5内；
所述墙身4与基础2之间设有摇摆支座7，摇摆支座7主要由上支座8和下支座9构成；上支座8的下端面设有凸齿10，下支座9的上端面设有凹槽11，凸齿10与凹槽11相互配合，实现墙体摇摆；墙身4内对称布置多根竖向的第一直锚筋12，第一直锚筋12的底端与上支座8的上端面固定连接；基础2内对称布置多根竖向的第二直锚筋13，第二直锚筋13的顶端与下支座9的下端面固定连接，实现墙身4与基础2之间的连接。
所述低强混凝土区5，内部不设置箍筋和水平分布筋，其宽度Wd＝Waz，厚度Td＝Taz，高度Hd的取值范围为：100mm≤Hd≤400mm，其中，Waz和Taz分别为暗柱3的宽度和厚度。
所述摇摆支座7采用Q345钢制作，上支座8的宽度Wsz＝Ws、厚度Tsz＝Ts，下支座9的宽度Wxz＝Ws、厚度Txz＝Ts，其中，Ws和Ts分别为墙身4的宽度和厚度。
所述凸齿10的厚度ttc和凹槽11的厚度tac相等，ttc＝tac＝2Tsz/5，凸齿10和凹槽11的横截面均为倒等腰梯形，凸齿10的下底宽wtc2和凹槽11的上底宽wac1根据摇摆支座7的抗剪需求确定；凸齿10的上底宽wtc1＝wac1，凹槽11的下底宽wac2＝wtc2；凸齿10高度htc的取值为：htc＝θWsz+10mm，其中θ为剪力墙大震层间位移角设计值；凹槽11的高度hac的取值为：htc+5mm≤hac≤htc+10mm。
所述上支座8的高度Hsz为：Hsz≥htc+20mm，下支座9的高度Hxz为：Hxz≥hac+20mm，且满足Hsz+Hxz-htc＝Hd。
所述第一直锚筋12和第二直锚筋13采用HRB400级钢筋，直径为16～25mm。
所述钢筋混凝土剪力墙1，其内部按受力配有暗柱纵筋和箍筋、水平分布筋、竖向分布筋、拉筋。
所述屈曲约束钢筋6采用HRB400级钢筋，数量n＝4，以钢筋混凝土剪力墙1和基础2纵向中心线为轴，两两轴对称布置于低强混凝土区5内；低强混凝土区5内每侧两根屈曲约束钢筋6的间距dbr为：Wd/2≤dbr≤2Wd/3。
所述单根屈曲约束钢筋6的截面面积Abr1为：Abr1＝2Asfy/(nfybr)，其中As为钢筋混凝土剪力墙1单侧暗柱3的纵筋总截面面积，fy为暗柱3的纵筋抗拉强度，fybr为屈曲约束钢筋6的抗拉强度。
所述屈曲约束钢筋6，其上端埋入暗柱3内，其下端埋入在基础2内或者采用90°弯钩的锚固方式；所述屈曲约束钢筋6无粘结段(约束钢管区段)的长度Lu为：Lu＝θ(Wxz+Waz/2+dbr/2)/ε，其中，ε为与θ对应的屈曲约束钢筋6应变，取ε＝0.03。
所述小直径钢管14和大直径钢管15均采用Q235无缝钢管；
所述套接接头的长度Ltj为：Ltj＝θ(Wxz+Waz/2+dbr/2)+10mm；
所述大直径钢管15的长度Ldg为：Ldg＝Ldg1+Hxz，其中Ldg1为大直径钢管15埋入基础2内的长度；
所述小直径钢管14的长度Lxg为：Lxg＝Lxg1+Hsz-htc+Ltj，其中Lxg1为小直径钢管14埋入暗柱3内的长度，且满足Lxg1＝Lu-Hd-Ldg1。
所述小直径钢管14的内径dxg为：dbr+2mm≤dxg≤dbr+4mm，所述大直径钢管15的内径ddg为：dxg1+2mm≤ddg≤dxg1+4mm，其中dbr为屈曲约束钢筋6的直径，dxg1为小直径钢管14的外径。
上述梯度机制剪力墙结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤一：摇摆支座7的制作
按设计形状和尺寸加工制作摇摆支座7，在上支座8的上端面焊接第一直锚筋12，在下支座9的下端面焊接第二直锚筋13，然后对上支座8和下支座9做防锈处理。
步骤二：构筑基础2
按设计完成架设模板、绑扎钢筋，并将屈曲约束钢筋6、大直径钢管15和下支座9锚固在基础2上，然后浇筑基础混凝土并养护；其中，大直径钢管15的下端口采用橡胶密封。
步骤三：构筑低强混凝土区5
将小直径钢管14自上而下穿过屈曲约束钢筋6并与大直径钢管15按设计长度套接连接，临时固定小直径钢管14，采用橡胶封住套接接头缝隙；然后将上支座8安装在下支座9上方并临时固定；最后支模板浇筑低强混凝土并养护。
步骤四：构筑钢筋混凝土剪力墙1
采用橡胶密封小直径钢管14的上端口，按设计完成绑扎钢筋、架设模板后，浇筑钢筋混凝土剪力墙1的混凝土，在混凝土经养护凝固后拆除模板，结束施工。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在墙体底部设置低强混凝土区和摇摆支座，可使该新型墙体在中、小地震作用下通过其较大的初始刚度发挥传统剪力墙的承载功能，而在大震作用下具有摇摆墙的变形协调功能；墙体功能机制的转变通过低强混凝土区的逐渐退出工作实现。墙体进入摇摆状态后，可以充分激发结构的整体耗能能力，避免出现局部薄弱层失效。通过合理设计，可使墙体承载力和延性可控。
2、本发明中摇摆支座通过凹槽与凸齿相互配合，在保证上支座可绕下支座侧边缘自由转动的同时，也使摇摆支座具有抗压和抗剪的能力；通过合理设计凹槽、凸齿、墙体水平分布筋，能够有效避免墙体发生脆性剪切破坏。
3、本发明通过设置小直径钢管和大直径钢管，可有效避免钢筋受压屈曲，从而保证屈曲约束钢筋具有受压与受拉相近的力学性能，这有助于提高结构滞回耗能能力，减小结构地震反应；该新型墙体将损伤集中于低强混凝土区和屈曲约束钢筋中，其损伤范围小、机制明确，不会发生因钢筋压曲、混凝土破碎、平面外变形引发的墙体失稳破坏。
4、本发明通过设置套接接头，可使小直径钢管和大直径钢管沿轴向发生相对位移，保证钢管只起到约束钢筋横向变形的作用。
附图说明
图1为本发明的梯度机制剪力墙结构的示意图；
图2为图1中A-A剖面图；
图3为上支座示意图；
图4为下支座示意图；
图5为图3中B-B剖面图；
图6为图4中C-C剖面图；
图7为屈曲约束钢筋示意图。
图中：1钢筋混凝土剪力墙，2基础，3暗柱，4墙身，5低强混凝土区，6屈曲约束钢筋，7摇摆支座，8上支座，9下支座，10凸齿，11凹槽，12第一直锚筋，13第二直锚筋，14小直径钢管，15大直径钢管。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本实施例的梯度机制剪力墙结构，包括钢筋混凝土剪力墙1和基础2，二者均采用C40混凝土和HRB400级钢筋。钢筋混凝土剪力墙1由暗柱3和墙身4构成，暗柱3的厚度Taz＝150mm、宽度Waz＝400mm，墙身4的厚度Ts＝150mm、宽度Ws＝700mm。所述钢筋混凝土剪力墙1按受力配有水平分布筋
Figure BDA0002363382170000061
竖向分布筋
Figure BDA0002363382170000062
拉筋
Figure BDA0002363382170000063
(呈梅花形布置)，暗柱纵筋
Figure BDA0002363382170000064
箍筋
Figure BDA0002363382170000065
所述基础2的横截面为矩形，按照受力配有相应的钢筋。
在暗柱3和基础2之间设置有低强混凝土区5，所述低强混凝土区5采用C20混凝土，高度Hd＝200mm、厚度Td＝150mm、宽度Wd＝400mm，其体内不设置箍筋和水平分布筋。
在所述低强混凝土区5内埋设有
Figure BDA0002363382170000066
的屈曲约束钢筋6，以钢筋混凝土剪力墙1和基础2纵向中心线为轴，两两轴对称布置于低强混凝土区5内；低强混凝土区5内每侧两根屈曲约束钢筋6间距dbr＝200mm，在暗柱3和基础2内分别设有足够锚固长度。
如图1、图3至图6所示，在墙身4和基础2之间设置有摇摆支座7，所述摇摆支座7采用Q345钢制作，由上支座8和下支座9构成，上支座8和下支座9对应设置，上支座8下端面设置的凸齿10与下支座9上端面设置的凹槽11相互配合。所述上支座8的宽度Wsz＝700mm，厚度Tsz＝150mm，高度Hsz＝115mm；所述下支座9的宽度Wxz＝700mm，厚度Txz＝150mm，高度Hxz＝125mm。所述凸齿10的厚度ttc＝60mm，其横截面为上底宽wtc1＝88mm、下底宽wtc2＝100mm、高度htc＝40mm的倒等腰梯形；所述凹槽11的厚度tac＝60mm，其横截面为上底宽wac1＝88mm、下底宽wac2＝100mm、高度hac＝50mm的倒等腰梯形。
如图1、图5和图6所示，上支座8和下支座9分别通过第一直锚筋12和第二直锚筋13与墙身4和基础2固定连接；所述第一直锚筋12为单排布置的
Figure BDA0002363382170000071
钢筋，与上支座8的上端面焊接连接，在墙身4内有足够的埋入长度；所述第二直锚筋13为单排布置的
Figure BDA0002363382170000072
钢筋，与下支座9的下端面焊接连接，在基础2内有足够的埋入长度。
如图7所示，在屈曲约束钢筋6的中间区段Lu＝670mm约束有小直径钢管14和大直径钢管15，钢管套接接头位于低强混凝土区5内，长度Ltj＝30mm。小直径钢管14采用φ30mm×3mm，内径dxg＝24mm，长度Lxg＝575mm，其中埋入暗柱3内的长度Lxg1＝470mm；大直径钢管15采用φ42mm×4mm，内径ddg＝34mm，长度Ldg＝225mm，其中埋入基础2内的长度Ldg1＝100mm。
所述屈曲约束钢筋6与小直径钢管14和大直径钢管15的内壁无粘结。
所述小直径钢管14和大直径钢管15采用橡胶封口。
本实施例梯度机制剪力墙结构的施工包括以下步骤：
步骤一：摇摆支座7的制作
按设计形状和尺寸，采用Q345钢加工制作所述摇摆支座7，按设计长度分别截取
Figure BDA0002363382170000073
的第一直锚筋12和第二直锚筋13，在上支座8的上端面焊接第一直锚筋12，在下支座9的下端面焊接第二直锚筋13；然后对第一直锚筋12和第二直锚筋13表面除锈，上支座8和下支座9做防锈处理。
步骤二：构筑基础2
首先截取4根长度为225mm的大直径钢管15，然后按设计架设模板、绑扎基础钢筋，根据锚固长度布设屈曲约束钢筋6、大直径钢管15(采用橡胶密封其下端口)和下支座9并临时固定，最后浇筑C40混凝土并养护。
步骤三：构筑低强混凝土区5
首先截取4根长度为575mm的小直径钢管14，分别自上而下穿过各屈曲约束钢筋6，小直径钢管14与大直径钢管15按30mm长度套接连接，临时固定小直径钢管14，采用橡胶封住套接接头缝隙；将上支座8对应安装在下支座9上方并临时固定；最后支模板浇筑C20混凝土并养护。
步骤四：构筑钢筋混凝土剪力墙1
采用橡胶密封小直径钢管14的上端口，按设计完成绑扎钢筋、架设模板后，浇筑C40混凝土形成钢筋混凝土剪力墙1；在混凝土经养护后拆除模板，结束施工。

Claims (9)

1.一种梯度机制剪力墙结构，其特征在于，所述的梯度机制剪力墙结构包括钢筋混凝土剪力墙(1)和基础(2)，钢筋混凝土剪力墙(1)位于基础(2)上方；所述钢筋混凝土剪力墙(1)包括暗柱(3)和墙身(4)，暗柱(3)位于墙身(4)的两侧，形成一体结构；
所述暗柱(3)与基础(2)之间设有低强混凝土区(5)，多根屈曲约束钢筋(6)竖直布置，依次穿过暗柱(3)、低强混凝土区(5)和基础(2)的内部，实现暗柱(3)和基础(2)之间的连接与固定；屈曲约束钢筋(6)外部套有小直径钢管(14)，小直径钢管(14)的底端位于低强混凝土区(5)内，上部位于暗柱(3)内；且屈曲约束钢筋(6)的外部还套有大直径钢管(15)，大直径钢管(15)的顶端套在小直径钢管(14)的底端，大直径钢管(15)的下部位于基础(2)内；所述屈曲约束钢筋(6)与小直径钢管(14)和大直径钢管(15)内壁之间无粘结，形成约束钢管区段；所述小直径钢管(14)与大直径钢管(15)之间采用橡胶封口和套接接头连接，套接接头位于低强混凝土区(5)内；
所述墙身(4)与基础(2)之间设有摇摆支座(7)，摇摆支座(7)主要由上支座(8)和下支座(9)构成；上支座(8)的下端面设有凸齿(10)，下支座(9)的上端面设有凹槽(11)，凸齿(10)与凹槽(11)相互配合，实现墙体摇摆；墙身(4)内对称布置多根竖向的第一直锚筋(12)，第一直锚筋(12)的底端与上支座(8)的上端面固定连接；基础(2)内对称布置多根竖向的第二直锚筋(13)，第二直锚筋(13)的顶端与下支座(9)的下端面固定连接，实现墙身(4)与基础(2)之间的连接。
2.根据权利要求1所述的一种梯度机制剪力墙结构，其特征在于，
所述屈曲约束钢筋(6)采用HRB400级钢筋，数量n＝4，以钢筋混凝土剪力墙(1)和基础(2)纵向中心线为轴，两两轴对称布置于低强混凝土区(5)内；低强混凝土区(5)内每侧两根屈曲约束钢筋(6)的间距dbr为：Wd/2≤dbr≤2Wd/3；
所述单根屈曲约束钢筋(6)的截面面积Abr1为：Abr1＝2Asfy/(nfybr)，其中As为钢筋混凝土剪力墙(1)单侧暗柱(3)的纵筋总截面面积，fy为暗柱(3)的纵筋抗拉强度，fybr为屈曲约束钢筋(6)的抗拉强度；
所述屈曲约束钢筋(6)，其上端埋入暗柱(3)内，其下端埋入在基础(2)内或者采用90°弯钩的锚固方式；所述屈曲约束钢筋(6)无粘结段的长度Lu为：Lu＝θ(Wxz+Waz/2+dbr/2)/ε，其中，ε为与θ对应的屈曲约束钢筋(6)应变；
所述小直径钢管(14)和大直径钢管(15)均采用Q235无缝钢管；
所述套接接头的长度Ltj为：Ltj＝θ(Wxz+Waz/2+dbr/2)+10mm；
所述大直径钢管(15)的长度Ldg为：Ldg＝Ldg1+Hxz，其中Ldg1为大直径钢管(15)埋入基础(2)内的长度；
所述小直径钢管(14)的长度Lxg为：Lxg＝Lxg1+Hsz-htc+Ltj，其中Lxg1为小直径钢管(14)埋入暗柱(3)内的长度，且满足Lxg1＝Lu-Hd-Ldg1；
所述小直径钢管(14)的内径dxg为：dbr+2mm≤dxg≤dbr+4mm，所述大直径钢管(15)的内径ddg为：dxg1+2mm≤ddg≤dxg1+4mm，其中dbr为屈曲约束钢筋(6)的直径，dxg1为小直径钢管(14)的外径。
3.根据权利要求1或2所述的一种梯度机制剪力墙结构，其特征在于，
所述摇摆支座(7)采用Q345钢制作，上支座(8)的宽度Wsz＝Ws、厚度Tsz＝Ts，下支座(9)的宽度Wxz＝Ws、厚度Txz＝Ts，其中，Ws和Ts分别为墙身(4)的宽度和厚度；
所述凸齿(10)的厚度ttc和凹槽(11)的厚度tac相等，ttc＝tac＝2Tsz/5，凸齿(10)和凹槽(11)的横截面均为倒等腰梯形，凸齿(10)的下底宽wtc2和凹槽(11)的上底宽wac1根据摇摆支座(7)的抗剪需求确定；凸齿(10)的上底宽wtc1＝wac1，凹槽(11)的下底宽wac2＝wtc2；凸齿(10)高度htc的取值为：htc＝θWsz+10mm，其中θ为剪力墙大震层间位移角设计值；凹槽(11)的高度hac的取值为：htc+5mm≤hac≤htc+10mm；
所述上支座(8)的高度Hsz为：Hsz≥htc+20mm，下支座(9)的高度Hxz为：Hxz≥hac+20mm，且满足Hsz+Hxz-htc＝Hd。
4.根据权利要求1或2所述的一种梯度机制剪力墙结构，其特征在于，
所述低强混凝土区(5)，内部不设置箍筋和水平分布筋，其宽度Wd＝Waz，厚度Td＝Taz，高度Hd的取值范围为：100mm≤Hd≤400mm，其中，Waz和Taz分别为暗柱(3)的宽度和厚度。
5.根据权利要求3所述的一种梯度机制剪力墙结构，其特征在于，
所述低强混凝土区(5)，内部不设置箍筋和水平分布筋，其宽度Wd＝Waz，厚度Td＝Taz，高度Hd的取值范围为：100mm≤Hd≤400mm，其中，Waz和Taz分别为暗柱(3)的宽度和厚度。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种梯度机制剪力墙结构，其特征在于，
所述第一直锚筋(12)和第二直锚筋(13)采用HRB400级钢筋，直径为16～25mm；
所述钢筋混凝土剪力墙(1)，其内部按受力配有暗柱纵筋和箍筋、水平分布筋、竖向分布筋和拉筋。
7.根据权利要求3所述的一种梯度机制剪力墙结构，其特征在于，
所述第一直锚筋(12)和第二直锚筋(13)采用HRB400级钢筋，直径为16～25mm；
所述钢筋混凝土剪力墙(1)，其内部按受力配有暗柱纵筋和箍筋、水平分布筋、竖向分布筋和拉筋。
8.根据权利要求4所述的一种梯度机制剪力墙结构，其特征在于，
所述第一直锚筋(12)和第二直锚筋(13)采用HRB400级钢筋，直径为16～25mm；
所述钢筋混凝土剪力墙(1)，其内部按受力配有暗柱纵筋和箍筋、水平分布筋、竖向分布筋和拉筋。
9.权利要求1-8任一所述的梯度机制剪力墙结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：摇摆支座(7)的制作
按设计形状和尺寸加工制作摇摆支座(7)，在上支座(8)的上端面焊接第一直锚筋(12)，在下支座(9)的下端面焊接第二直锚筋(13)，然后对上支座(8)和下支座(9)做防锈处理；
步骤二：构筑基础(2)
按设计完成架设模板、绑扎钢筋，并将屈曲约束钢筋(6)、大直径钢管(15)和下支座(9)锚固在基础(2)上，然后浇筑基础混凝土并养护；其中，大直径钢管(15)的下端口采用橡胶密封；
步骤三：构筑低强混凝土区(5)
将小直径钢管(14)自上而下穿过屈曲约束钢筋(6)并与大直径钢管(15)按设计长度套接连接，临时固定小直径钢管(14)，采用橡胶封住套接接头缝隙；然后将上支座(8)安装在下支座(9)上方并临时固定；最后支模板浇筑低强混凝土并养护；
步骤四：构筑钢筋混凝土剪力墙(1)
采用橡胶密封小直径钢管(14)的上端口，按设计完成绑扎钢筋、架设模板后，浇筑钢筋混凝土剪力墙(1)的混凝土，在混凝土经养护凝固后拆除模板，结束施工。
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