CN111962659A - 一种预制装配式自复位框架整体结构 - Google Patents

一种预制装配式自复位框架整体结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预制装配式自复位框架整体结构，包括基础、钢柱、横梁、楼板、预制填充墙板和U型卡；钢柱与基础形成自复位柱脚结构；横梁与其两侧连接的横梁形成自复位节点结构；当地震来临时，位于梁柱节点的自复位节点结构首先耗散地震能量，提高结构的水平承载力；其次因为楼板和预制填充墙板不与钢柱直接接触，且预制填充墙板与上部和两侧的U型卡底部留有一定间距，当整体结构有侧向倾覆的趋势时，楼板和预制填充墙板保持正常的稳定状态，保证整体结构的重心不随地震作用而大幅偏移，且使得整体结构在震后有自复位的能力；最后，自复位节点结构和自复位柱脚结构发挥作用，共同确保节点和柱脚不受太大的损伤，实现结构的耗能与自复位功能。

Description

一种预制装配式自复位框架整体结构
技术领域
本发明涉及建筑结构的消能减震领域，更具体的说是涉及一种预制装配式自复位框架整体结构。
背景技术
近些年的地震灾害表明，地震中建筑倒塌和人员死亡的数量已经得到了有效控制，但是地震所造成的经济损失和社会影响仍然十分巨大，其中很大一部分的经济损失是由于地震时建筑受损严重，震后难以修复；或者修复时间过长，建筑功能中断，影响正常生产和生活。基于此，研究者提出了可恢复功能结构的概念。地震可恢复功能结构是指地震后不需修复或者稍加修复即可恢复使用功能的结构，其主要目的是使结构具备震后快速恢复使用功能的能力，从而减轻由于结构震后功能中断带来的影响。
在高层建筑中，竖向荷载的作用是次要的，水平荷载的作用则处于主导地位。而处于抗震设防高烈度地区的建筑，地震荷载将起到决定性作用。开发自复位框架整体结构，不仅能确保结构满足正常使用和承载能力极限状态的刚度、强度以及延性要求，还能在强震时保护结构的抗震安全性，震后无需修复或稍许修复即可恢复整体框架结构的使用功能，而且施工方便，成本相比传统的框架结构相差不大，能够获得良好的社会和经济效益。
因此，研发一种具有极强的自复位性能和耗能能力，同时还具有优良的延性和抗疲劳性能的预制装配式自复位框架整体结构，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种预制装配式自复位框架整体结构，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种预制装配式自复位框架整体结构，包括：基础、钢柱、横梁、楼板、预制填充墙板和U型卡；
所述基础之间水平固定有基础梁；
所述钢柱竖直布置在所述基础的顶面，且底端与所述基础连接形成自复位柱脚结构；
所述横梁水平布置，且端头与所述钢柱的侧壁连接；所述钢柱与其两侧连接的横梁形成自复位节点结构；
所述楼板水平固定在所述横梁的顶面上，且与所述钢柱存在水平方向的间隙；
所述预制填充墙板竖直布置，且位于下方的所述基础梁、两侧的所述钢柱和上方的所述横梁围成的矩形框架中，以及位于上下对应的两根所述横梁和两侧的所述钢柱围成的矩形框架中；所述预制填充墙板的顶边和两侧边与所述横梁和钢柱之间填充有柔性材料；
所述U型卡的数量为多个，且均匀布置在所述预制填充墙板的四周边沿；所述U型卡的开口端径向卡设在所述预制填充墙板的边沿，且能够与所述预制填充墙板的两侧墙面产生相对滑动；另一端与所述基础梁、钢柱和横梁固定连接；位于所述预制填充墙板顶沿和两侧的所述U型卡的开口端均包裹所述柔性材料。
通过上述技术方案，当地震来临时，位于梁柱节点的自复位节点结构首先耗散地震能量，提高结构的水平承载力；其次因为楼板和预制填充墙板不与钢柱直接接触，且预制填充墙板与上部和两侧的U型卡底部留有一定间距，当整体结构有侧向倾覆的趋势时，楼板和预制填充墙板保持正常的稳定状态，保证整体结构的重心不随地震作用而大幅偏移，且使得整体结构在震后有自复位的能力；最后，自复位节点结构和自复位柱脚结构发挥作用，共同确保节点和柱脚不受太大的损伤，最终实现整个结构的耗能与自复位功能。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，所述自复位柱脚结构包括预埋钢板、悬挑板、锚杆和第一碟型弹簧组；
所述预埋钢板预埋固定在所述基础内部；
所述悬挑板水平固定在所述钢柱靠近所述基础的侧壁上；
所述锚杆的数量为多个，且竖直布置；所述锚杆的两端分别穿过所述悬挑板和预埋钢板，并通过第一高强螺母紧固；
所述第一碟型弹簧组套设在所述锚杆的顶端，且顶紧在所述悬挑板的顶面和顶端的所述第一高强螺母之间。
结构发生摆动，钢柱底部的悬挑板倾斜并压迫第一碟形弹簧组，第一碟形弹簧组产生反力迫使结构回到初始位置，从而达到使柱脚结构自复位的效果；同时由于第一碟形弹簧组上第一高强螺母的限制，结构最大摇摆位受第一高强螺母高度限制，增加了摇摆可控性。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，在所述自复位柱脚结构中：
所述基础顶面开设有用于所述钢柱插入的限位凹槽；所述钢柱的底端固定有底板；所述底板和所述限位凹槽之间固定有缓冲橡胶垫；
所述悬挑板的底面和所述钢柱的侧壁之间固定有支撑板。
设置在钢柱底端的缓冲橡胶垫在震中能起到缓冲作用，且限位凹槽实现对钢柱底部侧向位移的控制。支撑板能够有效提高悬挑板的结构稳定性。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，所述自复位节点结构包括端板、高强拉杆和C型消能钢板；
所述端板固定在所述横梁的端头；
所述高强拉杆的数量为多个，且水平穿过所述钢柱侧壁和两块所述端板，并通过第二高强螺母在其两端端头紧固；所述高强拉杆至少一端套设有顶紧在所述端板和第二高强螺母之间的第二碟型弹簧组；
所述C型消能钢板的数量为多块；所述C型消能钢板的两端分别与所述钢柱的侧壁和所述横梁的翼缘固定连接。
在地震中，横梁发生摆动时，通过梁柱之间的C型消能钢板实现震中耗散地震能量；当横梁上下摆动时，连接梁柱的多组高强拉杆上的第二碟形弹簧组的形变增大，从而实现框架结构的震后快速自复位；最终实现梁柱节点的耗能与自复位功能，解决了地震后梁柱残余变形大的问题，使结构具有在震中消能、震后快速恢复使用功能的能力。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，在所述自复位节点结构中：
所述钢柱的两侧壁之间焊接固定有多块加劲肋，且所述加劲肋在所述高强拉杆之间和上下布置。
多块所述加劲肋的最高布置水平面与所述横梁的顶面平齐，最低布置水平面与所述横梁的底面平齐。
既能够提高钢柱的强度，又能够提高钢柱和横梁连接的结构强度。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，所述C型消能钢板的两端分别与所述钢柱的侧壁和所述横梁的翼缘焊接固定、或采用螺栓固定。C型消能钢板可以为易于更换维修的非永久连接，也可以是稳定的永久连接。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，所述柔性材料为聚苯板和/或挤塑板。能够满足柔性填充需求。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，所述楼板为压型钢板、或钢筋桁架楼承板；所述楼板顶面铺设有沥青和/或油毡。能够起到良好的防水效果。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，所述U型卡通过射钉与所述基础梁、钢柱和横梁固定连接。连接简单方便、稳固可靠。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，所述钢柱为型钢柱、或钢管柱、或钢管混凝土柱；所述横梁为工字钢梁、或钢管混凝土梁。能够扩大本发明结构的使用范围。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，所述第一碟形弹簧组的上下垫设有刚性垫板。
优选的，在上述一种预制装配式自复位框架整体结构中，此整体结构可为多层，所述预制填充墙板为预制板，整体施工方式可采用装配式。
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预制装配式自复位框架整体结构，具有以下有益效果：
1、本发明当地震来临时，位于自复位节点结构中的C型消能钢板首先耗散地震能量，同时协助高强拉杆受剪从而提高结构的水平承载力；其次因为楼板和预制填充墙板不与钢柱直接接触，且墙体与上部和两侧的U型卡底部留有一定间距，当整体结构有侧向倾覆的趋势时，楼板和预制填充墙板保持正常的稳定状态，保证整体结构的重心不随地震作用而大幅偏移，且使得整体结构在震后有自复位的能力；最后，梁柱节点上的第二碟形弹簧组的形变增大，钢柱下部自复位柱脚发挥作用，共同确保节点和柱脚不受太大的损伤，最终实现整个结构的耗能与自复位功能。
2、自复位能力强：框架整体通过基于巧妙设置的碟形弹簧为自复位节点结构和自复位柱脚结构提供自复位力，实现大震作用下梁柱节点和柱脚无损伤或轻微损伤，大震后梁柱节点和柱脚更换构件即可继续投入使用。
3、系统提出了自复位框架结构的整体构造形式：本发明基于自复位框架的变形模式，提出了预制填充墙板和楼板在自复位框架的设置方式，为自复位框架的工程应用奠定了坚实基础。
4、延性高且耗能能力强：本发明在强震时利用C型消能钢板耗散地震能量，能够显著提高结构的抗震性能。
5、安装、更换部件方便：填充墙板可预制，U型卡安装和更换方便，整体施工方式可采用装配式。
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预制装配式自复位框架整体结构示意图；
图2附图为本发明提供的预制装配式自复位框架整体结构俯视图；
图3附图为本发明提供的预制装配式自复位框架整体结构的墙体部分侧视图；
图4附图为本发明提供的自复位柱脚结构的结构示意图；
图5附图为本发明提供的自复位节点结构的结构示意图。
其中：
1-基础；
11-基础梁
12-限位凹槽；
13-缓冲橡胶垫；
2-钢柱；
21-底板；
22-支撑板；
3-横梁；
4-楼板；
5-预制填充墙板；
6-U型卡；
61-射钉；
7-自复位柱脚结构；
71-预埋钢板；
72-悬挑板；
73-锚杆；
74-第一碟形弹簧组；
75-第一高强螺母；
76-刚性垫板；
77-翼缘加强板；
78-传力加强板；
8-自复位节点结构；
81-端板；
82-高强拉杆；
83-C型消能钢板；
84-第二高强螺母；
85-第二碟形弹簧组；
86-加劲肋。
9-柔性材料。
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。
参见附图1至附图5，本发明实施例公开了一种预制装配式自复位框架整体结构，包括：基础1、钢柱2、横梁3、楼板4、预制填充墙板5和U型卡6；
基础1之间水平固定有基础梁11；
钢柱2竖直布置在基础1的顶面，且底端与基础1连接形成自复位柱脚结构7；
横梁3水平布置，且端头与钢柱2的侧壁连接；钢柱2与其两侧连接的横梁3形成自复位节点结构8；
楼板4水平固定在横梁3的顶面上，且与钢柱2存在水平方向的间隙；
预制填充墙板5竖直布置，且位于下方的基础梁11、两侧的钢柱2和上方的横梁3围成的矩形框架中，以及位于上下对应的两根横梁3和两侧的钢柱2围成的矩形框架中；预制填充墙板5的顶边和两侧边与横梁3和钢柱2之间填充有柔性材料9；
U型卡6的数量为多个，且均匀布置在预制填充墙板5的四周边沿；U型卡6的开口端径向卡设在预制填充墙板5的边沿，且能够与预制填充墙板5的两侧墙面产生相对滑动；另一端与基础梁11、钢柱2和横梁3固定连接；位于预制填充墙板5顶沿和两侧的U型卡6的开口端均包裹柔性材料9。
为了进一步优化上述技术方案，自复位柱脚结构7包括预埋钢板71、悬挑板72、锚杆73和第一碟型弹簧组74；
预埋钢板71预埋固定在基础1内部；
悬挑板72水平固定在钢柱2靠近基础1的侧壁上；
锚杆73的数量为多个，且竖直布置；锚杆73的两端分别穿过悬挑板72和预埋钢板71，并通过第一高强螺母75紧固；
第一碟型弹簧组74套设在锚杆73的顶端，且顶紧在悬挑板72的顶面和顶端的第一高强螺母75之间。
为了进一步优化上述技术方案，在自复位柱脚结构7中：
基础1顶面开设有用于钢柱2插入的限位凹槽12；钢柱2的底端固定有底板21；底板21和限位凹槽12之间固定有缓冲橡胶垫13；
悬挑板72的底面和钢柱2的侧壁之间固定有支撑板22。
为了进一步优化上述技术方案，自复位节点结构8包括端板81、高强拉杆82和C型消能钢板83；
端板81固定在横梁3的端头；
高强拉杆82的数量为多个，且水平穿过钢柱2侧壁和两块端板81，并通过第二高强螺母84在其两端端头紧固；高强拉杆82至少一端套设有顶紧在端板81和第二高强螺母84之间的第二碟型弹簧组85；
C型消能钢板83的数量为多块；C型消能钢板83的两端分别与钢柱2的侧壁和横梁3的翼缘固定连接。
为了进一步优化上述技术方案，在自复位节点结构8中：
钢柱2的两侧壁之间焊接固定有多块加劲肋86，且加劲肋86在高强拉杆82之间和上下布置。
多块加劲肋86的最高布置水平面与横梁3的顶面平齐，最低布置水平面与横梁3的底面平齐。
为了进一步优化上述技术方案，C型消能钢板83的两端分别与钢柱2的侧壁和横梁3的翼缘焊接固定、或采用螺栓固定。
为了进一步优化上述技术方案，柔性材料9为聚苯板和/或挤塑板。
为了进一步优化上述技术方案，楼板4为压型钢板、或钢筋桁架楼承板；楼板4顶面铺设有沥青和/或油毡。
为了进一步优化上述技术方案，U型卡6通过射钉61与基础梁11、钢柱2和横梁3固定连接。
为了进一步优化上述技术方案，钢柱2为型钢柱、或钢管柱、或钢管混凝土柱；横梁3为工字钢梁、或钢管混凝土梁。
为了进一步优化上述技术方案，第一碟形弹簧组74的上下垫设有刚性垫板76。
为了进一步优化上述技术方案，当钢柱2为工字钢时，在自复位柱脚结构7中，钢柱2的翼缘内侧固定有翼缘加强板77，翼缘加强板77和底板21之间固定有传力加强板78。
当地震来临时，位于自复位节点结构8中的C型消能钢板83首先耗散地震能量，同时协助高强拉杆82受剪从而提高结构的水平承载力；其次因为楼板4和预制填充墙板5不与钢柱2直接接触，且墙体与上部和两侧的U型卡6底部留有一定间距，当整体结构有侧向倾覆的趋势时，楼板4和墙体保持正常的稳定状态，保证整体结构的重心不随地震作用而大幅偏移，且使得整体结构在震后有自复位的能力；最后，自复位节点结构8上的第二碟形弹簧组85的形变增大，钢柱2下部自复位柱脚结构7发挥作用，共同确保节点和柱脚不受太大的损伤，最终实现整个结构的耗能与自复位功能。
本发明具有自复位、抗侧力和耗能能力强等特点，本发明概念清晰、施工方便、造价合理，将广泛应用于高层、超高层建筑结构中。
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)

1.一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，包括：基础(1)、钢柱(2)、横梁(3)、楼板(4)、预制填充墙板(5)和U型卡(6)；
所述基础(1)之间水平固定有基础梁(11)；
所述钢柱(2)竖直布置在所述基础(1)的顶面，且底端与所述基础(1)连接形成自复位柱脚结构(7)；
所述横梁(3)水平布置，且端头与所述钢柱(2)的侧壁连接；所述钢柱(2)与其两侧连接的横梁(3)形成自复位节点结构(8)；
所述楼板(4)水平固定在所述横梁(3)的顶面上，且与所述钢柱(2)存在水平方向的间隙；
所述预制填充墙板(5)竖直布置，且位于下方的所述基础梁(11)、两侧的所述钢柱(2)和上方的所述横梁(3)围成的矩形框架中，以及位于上下对应的两根所述横梁(3)和两侧的所述钢柱(2)围成的矩形框架中；所述预制填充墙板(5)的顶边和两侧边与所述横梁(3)和钢柱(2)之间填充有柔性材料(9)；
所述U型卡(6)的数量为多个，且均匀布置在所述预制填充墙板(5)的四周边沿；所述U型卡(6)的开口端径向卡设在所述预制填充墙板(5)的边沿，且能够与所述预制填充墙板(5)的两侧墙面产生相对滑动；另一端与所述基础梁(11)、钢柱(2)和横梁(3)固定连接；位于所述预制填充墙板(5)顶沿和两侧的所述U型卡(6)的开口端均包裹所述柔性材料(9)。
2.根据权利要求1所述的一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，所述自复位柱脚结构(7)包括预埋钢板(71)、悬挑板(72)、锚杆(73)和第一碟型弹簧组(74)；
所述预埋钢板(71)预埋固定在所述基础(1)内部；
所述悬挑板(72)水平固定在所述钢柱(2)靠近所述基础(1)的侧壁上；
所述锚杆(73)的数量为多个，且竖直布置；所述锚杆(73)的两端分别穿过所述悬挑板(72)和预埋钢板(71)，并通过第一高强螺母(75)紧固；
所述第一碟型弹簧组(74)套设在所述锚杆(73)的顶端，且顶紧在所述悬挑板(72)的顶面和顶端的所述第一高强螺母(75)之间。
3.根据权利要求2所述的一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，在所述自复位柱脚结构(7)中：
所述基础(1)顶面开设有用于所述钢柱(2)插入的限位凹槽(12)；所述钢柱(2)的底端固定有底板(21)；所述底板(21)和所述限位凹槽(12)之间固定有缓冲橡胶垫(13)；
所述悬挑板(72)的底面和所述钢柱(2)的侧壁之间固定有支撑板(22)。
4.根据权利要求1所述的一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，所述自复位节点结构(8)包括端板(81)、高强拉杆(82)和C型消能钢板(83)；
所述端板(81)固定在所述横梁(3)的端头；
所述高强拉杆(82)的数量为多个，且水平穿过所述钢柱(2)侧壁和两块所述端板(81)，并通过第二高强螺母(84)在其两端端头紧固；所述高强拉杆(82)至少一端套设有顶紧在所述端板(81)和第二高强螺母(84)之间的第二碟型弹簧组(85)；
所述C型消能钢板(83)的数量为多块；所述C型消能钢板(83)的两端分别与所述钢柱(2)的侧壁和所述横梁(3)的翼缘固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，在所述自复位节点结构(8)中：
所述钢柱(2)的两侧壁之间焊接固定有多块加劲肋(86)，且所述加劲肋(86)在所述高强拉杆(82)之间和上下布置。
多块所述加劲肋(86)的最高布置水平面与所述横梁(3)的顶面平齐，最低布置水平面与所述横梁(3)的底面平齐。
6.根据权利要求4所述的一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，所述C型消能钢板(83)的两端分别与所述钢柱(2)的侧壁和所述横梁(3)的翼缘焊接固定、或采用螺栓固定。
7.根据权利要求1所述的一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，所述柔性材料(9)为聚苯板和/或挤塑板。
8.根据权利要求1所述的一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，所述楼板(4)为压型钢板、或钢筋桁架楼承板；所述楼板(4)顶面铺设有沥青和/或油毡。
9.根据权利要求1所述的一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，所述U型卡(6)通过射钉(61)与所述基础梁(11)、钢柱(2)和横梁(3)固定连接。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种预制装配式自复位框架整体结构，其特征在于，所述钢柱(2)为型钢柱、或钢管柱、或钢管混凝土柱；所述横梁(3)为工字钢梁、或钢管混凝土梁。
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