CN112663866B - 用于超高层的混凝土连梁结构及其设计、预制和施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超高层的混凝土连梁结构及其设计、预制和施工方法，包括与剪力墙相连接的连梁、位于连梁内的钢筋骨架以及位于连梁内且穿过钢筋骨架沿连梁纵向弯折延伸的型钢，其中型钢包括间隔分布的折弯成Z字形结构的第一型钢和折弯成倒梯形结构的第二型钢，连梁任一横截面均具有至少1个型钢的倾斜部。本发明采用斜向折弯的型钢设置于连梁内，相较于等面积的平直型钢，斜向折弯的型钢在竖向的投影面积更大，因而在相同钢材用量的情况下可大幅提高连梁的受剪承载力；当型钢受剪承载力提高后，可减低箍筋数量要求，降低制作设计要求。

Description

用于超高层的混凝土连梁结构及其设计、预制和施工方法

技术领域

本发明涉及连梁结构，尤其涉及用于超高层的混凝土连梁结构及其设计、预制和施工方法。

背景技术

连梁指在剪力墙结构和框架—剪力墙结构中，连接墙肢与墙肢，在墙肢平面内相连的梁。连梁一般具有跨度小、截面大，与连梁相连的墙体刚度又很大等特点，在地震作用下，连梁端部的弯矩很大，而其跨度又小，则导致连梁端部的剪力非常大

在抗震设计中为了抵抗地震作用而引起连梁巨大的剪力，可以采取两方面的措施：(1)、增加构件的抗力以使构件能够承受巨大的内力；(2)、减小构件的刚度，以减小其受到的内力。

上述第(1)种方法可采取的方法有设置对角暗撑钢筋和增加连梁高度等方法。但增加梁高的方法必然会进一步增加构件的刚度，进一步吸引更大的剪力，形成恶性循环，极不经济，且增加梁高会影响建筑内空间的净空高度，影响使用。对于超高层结构，横向作用更加明显，如果在连梁中设置对角暗撑钢筋，钢筋数量会非常多，但对于连梁中对角暗撑的外皮尺寸有着严格规定，且为了保证钢筋与混凝土之间的咬合力，规范对钢筋间的净距又有一定的要求，因而对于一根截面尺寸固定的连梁而言，其对角暗撑里能设置的钢筋是非常有限的。即使在理论上可以将钢筋排布下，但是在施工绑扎钢筋的过程中，却会因剪力墙端部约束边缘构件中的型钢或连梁自身箍筋以及纵筋等钢筋的存在而导致无法施工。此外过于密集的钢筋会对混凝土的浇筑造成很大的困难，出现混凝土不密实的情况。

上述第(2)种方法可采取的方法有连梁分缝、计算地震作用时直接连梁折减刚度等措施；而连梁分缝虽然可以有效削弱连梁的刚度，但其抗弯承载力也会受到削弱且施工困难。此外虽然规定连梁在抗震作用下可以对连梁的刚度乘0.5～1.0的刚度折减系数，即允许大震下连梁开裂或损坏；但在一些小震情况下，连梁可能不发生破坏，或破坏不明显，刚度并未发生显著的削弱，这就导致结构设计的计算模型与实际情况不符。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种在相同钢材用量的情况下可大幅提高连梁的受剪承载力的用于超高层的混凝土连梁结构。

本发明的第二目的是提供该一种用于超高层的混凝土连梁结构的设计方法。

本发明的第三目的是提供该一种用于超高层的混凝土连梁结构的预制方法。

本发明的第司目的是提供该一种用于超高层的混凝土连梁结构的施工方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种用于超高层的混凝土连梁结构，包括与剪力墙相连接的连梁、位于连梁内的钢筋骨架以及位于连梁内且穿过钢筋骨架沿连梁纵向弯折延伸的型钢，其中型钢包括间隔分布的折弯成Z字形结构的第一型钢和折弯成倒梯形结构的第二型钢，连梁任一横截面均具有至少1个型钢的倾斜部。

其中，所述钢筋骨架包括穿设于连梁内的构造通长纵筋和间隔分布用于绑扎构造通长纵筋的构造箍筋。

优选的，所述相邻型钢的上翼缘通过翼缘固定板连接形成钢骨架。

再者，所述第一型钢的折弯处设有加筋板。

进一步，所述第二型钢的折弯处设有加筋板。

再者，所述第一型钢的折弯处为梁跨度的三分点处。

进一步，所述第二型钢的折弯A和B处为梁跨度的三分点处。

本发明一种用于超高层的混凝土连梁结构的设计方法，包括如下步骤：

(1)、确定连梁宽度和高度：连梁宽度与剪力墙的宽度相同，连梁高度不大于建筑层高减去规定的建筑净高；

(2)、确定构造通长纵筋和构造箍筋尺寸：依据连梁受到的剪力大小确定构造箍筋需满足的最小钢筋直径值，再在8mm～14mm内选用合适的钢筋直径，沿梁轴线方向的间距选用75mm～100mm；构造通长纵筋的钢筋直径选用18mm～25mm；

(3)、确定型钢尺寸：型钢翼缘宽度b_f＝b_f'选用连梁宽度的1/5～1/7，腹板高度h_w选用连梁高度的1/3～1/2；依据SATWE的电算结果，用连梁底部的配筋面积除以下翼缘宽度b_f得到下翼缘厚度t_f，用连梁顶部的配筋面积除以上翼缘宽度b_f'得到上翼缘厚度t_f'；依据SATWE的电算结果，用对角暗撑的钢筋面积A_s除以腹板高度h_w得到腹板厚度t_w；或者腹板厚度t_w＝(A_s-b_f×t_f-b_f'×t_f')/h_w；

(4)、加筋板与型钢腹板t_w等厚。

本发明一种用于超高层的混凝土连梁结构的预制方法，包括如下步骤：

(1)、依据连梁尺寸安装模板，在连梁与剪力墙的两个交接面设置端部模板，并在端部模板上开孔，孔尺寸与型钢尺寸、构造通长纵筋直径相同，使得型钢和构造通长纵筋穿过端部模板；

(2)、将构造通长纵筋和构造箍筋通过扎丝绑扎形成钢筋骨架；

(3)、在模板内间隔放入用于支撑钢筋骨架的垫块，垫块数量根据钢骨架和钢筋骨架自重确定；

(4)、按照设计尺寸预制第一型钢和第二型钢，并在型钢折弯处焊接加筋板；

(5)、用翼缘固定钢板将第一型钢和第二型钢的上翼缘焊接在一起，形成钢骨架；

(6)、将钢骨架穿入钢筋骨架后置入模板内的垫块上，并使得型钢和构造通长纵筋穿过两端部模板的开孔；

(7)、浇筑混凝土并养护至规定强度，拆模且垫块留在连梁内。

本发明一种用于超高层的混凝土连梁结构的施工方法，包括如下步骤：

(1)、将预制好的连梁吊装至指定标高；

(2)、现场使用全熔透对接焊缝将端部的第一型钢和第二型钢与剪力墙约束边缘构件中的剪力型钢连接起来；

(3)浇筑剪力墙中的混凝土。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)、本发明采用斜向折弯的型钢设置于连梁内，相较于等面积的平直型钢，斜向折弯的型钢在竖向的投影面积更大，因而在相同钢材用量的情况下可大幅提高连梁的受剪承载力；当型钢受剪承载力提高后，可减低箍筋数量要求，降低制作设计要求；

(2)、本发明在连梁的任意截面均有斜向的型钢，倾斜角度均一致，使得型钢上没有抗剪薄弱面，可能有效传递剪力墙间的剪力；同时在本发明中不管在何截面，均有斜向布置的型钢与裂缝正交，最大限度地发挥型钢的抗拉能力；

(3)、对于普通的连梁，支座处受到的约束大，跨中受到的约束小，则导致连梁在支座处易形成腹剪斜裂缝；而本发明采用第二型钢在中间，2个第一型钢在两侧的设计，使连梁在支座处的抗剪刚度会下降一些，因而吸引到的剪力也会相应下降；

(4)、本发明的翼缘较窄，局部稳定性较好，即使在地震中翼缘外侧的混凝土剥落，失去了对受压翼缘的约束作用，受压翼缘发生局部屈曲的可能性也较低；

(5)、本发明相邻型钢之间留有间隙可供箍筋穿过，便于施工，克服了现有连梁中因型钢翼缘较宽从而导致箍筋无法穿过翼缘等问题；

(6)、本发明的连梁结构可预制，预制好后现场吊装，简单焊接后即可完成连梁的施工；在预制过程中无需绑扎大量的钢筋，仅需绑扎四根通长构造纵筋和少量箍筋即可，预制过程非常方便；受力机理非常明确，便于设计人员在设计时确定型钢的尺寸。

附图说明

图1为本发明与剪力墙相连接的结构示意图；

图2为本发明中型钢的第一种横截面示意图；

图3为本发明中型钢的第二种横截面示意图；

图4(a)为本发明中连梁模板的结构示意图；

图4(b)为本发明中连梁一端端部模板的开孔示意图；

图4(c)为本发明中连梁另一端端部模板的开孔示意图；

图5(a)为本发明中构造通长纵筋和构造箍筋的结构示意图；

图5(b)为本发明中构造通长纵筋和构造箍筋的端部示意图；

图6(a)为本发明中连梁模板内设置垫板的一端部示意图；

图6(b)为本发明中连梁模板内设置垫板的另一端部示意图；

图6(c)为本发明中连梁模板内设置垫板的结构示意图；

图7(a)为本发明中连梁内第二型钢的结构示意图；

图7(b)为本发明中连梁内第一型钢的一种状态示意图；

图7(c)为本发明中连梁内第一型钢的另一种状态示意图；

图8(a)为本发明中型钢和翼缘固定板连接的结构示意图；

图8(b)为本发明中型钢和翼缘固定板连接的俯视图；

图9(a)为本发明中钢骨架穿入钢筋骨架的结构示意图；

图9(b)为本发明中钢骨架穿入钢筋骨架的俯视图；

图10(a)为本发明中钢骨架和钢筋骨架穿入连梁模板的结构示意图；

图10(b)为本发明中钢骨架和钢筋骨架穿入连梁模板的俯视图；

图11为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明一种用于超高层的混凝土连梁结构，包括连梁1、第一型钢2、第二型钢3、构造通长纵筋4、构造箍筋5、翼缘固定板6和加筋板7。其中连梁1用于连接剪力墙，由混凝土浇筑而成。构造通长纵筋4穿设于连梁内，构造箍筋5间隔分布用于绑扎构造通长纵筋4，并与构造通长纵筋4构成位于连梁内的钢筋骨架；其中构造箍筋可以从构造上限制梁的裂缝开展，构造通长纵筋与构造箍筋形成钢筋骨架保证构造箍筋的稳定性。第一型钢2和第二型钢3并排间隔分布于连梁1内且穿过钢筋骨架沿连梁1纵向弯折延伸，第一型钢2折弯成Z字形结构，第二型钢3折弯成倒梯形结构，连梁任一横截面均具有至少1个型钢的倾斜部，当具有至少2个倾斜部时相邻倾斜部的倾斜方向相反。第一型钢2的折弯处设有加筋板7，第二型钢3的折弯处设有加筋板7，以保证型钢在弯折处的受力性能；第一型钢1的折弯处为梁跨度的三分点处，第二型钢2的折弯A和B处为梁跨度的三分点处。第一型钢2的水平部与第二型钢3的倾斜部处于连梁的同一横截面，第一型钢2的倾斜部与第二型钢3的水平部处于连梁的同一横截面，保障连梁任一横截面均具有至少1个型钢的倾斜部，当具有至少2个倾斜部时相邻倾斜部的倾斜方向相反。本发明中选用2个第一型钢2，1个第二型钢3，第二型钢位于2个第一型钢之间，且2个第一型钢的倾斜部的倾斜方向相反，相邻型钢的上翼缘通过翼缘固定板6连接形成钢骨架，保证型钢形成稳定框架，不至在混凝土浇筑前出现型钢平面外稳定性不足的现象。如图2和图3所示，本发明的第一型钢和第二型钢的横截面为H型钢、方管钢或者H型钢与方管钢的组合。第一型钢和第二型钢在连梁两侧的下端始终保持有下翼缘，因而可以保证始终有下翼缘用于抗拉，第一型钢和第二型钢在连梁两侧的上端始终保持有上翼缘，因而可以保证始终有上翼缘在负弯矩区用于抗拉。

本发明一种用于超高层的混凝土连梁结构的设计方法，包括如下步骤：

(1)、确定连梁宽度和高度：连梁宽度与剪力墙的宽度相同，连梁高度不大于建筑层高减去规定的建筑净高；

(2)、确定构造通长纵筋和构造箍筋尺寸：依据连梁受到的剪力大小确定构造箍筋需满足的最小钢筋直径值，再在8mm～14mm内选用合适的钢筋直径，沿梁轴线方向的间距选用75mm～100mm；构造通长纵筋的钢筋直径选用18mm～25mm；

(3)、确定型钢尺寸：型钢翼缘宽度b_f＝b_f'选用连梁宽度的1/5～1/7，腹板高度h_w选用连梁高度的1/3～1/2；依据SATWE的电算结果，用连梁底部的配筋面积除以下翼缘宽度b_f得到下翼缘厚度t_f，用连梁顶部的配筋面积除以上翼缘宽度b_f'得到上翼缘厚度t_f'；依据SATWE的电算结果，用对角暗撑的钢筋面积A_s除以腹板高度h_w得到腹板厚度t_w；或者腹板厚度t_w＝(A_s-b_f×t_f-b_f'×t_f')/h_w；

(4)、加筋板与型钢腹板t_w等厚。

本发明一种用于超高层的混凝土连梁结构的预制方法，包括如下步骤：

(1)、依据连梁尺寸安装模板，在连梁与剪力墙的两个交接面设置端部模板8，并在端部模板上开孔，孔尺寸与型钢尺寸、构造通长纵筋直径相同，使得型钢和构造通长纵筋穿过端部模板，如图4(a)～4(c)所示；

(2)、将构造通长纵筋和构造箍筋通过扎丝绑扎形成钢筋骨架，如图5(a)～5(b)所示；

(3)、在模板内间隔放入用于支撑钢筋骨架的垫块9，垫块数量根据钢骨架和钢筋骨架自重确定，如图6(a)～6(c)所示；

(4)、按照设计尺寸预制第一型钢和第二型钢，并在型钢折弯处焊接加筋板，如图7(a)～7(c)所示；

(5)、用翼缘固定钢板将第一型钢和第二型钢的上翼缘焊接在一起，形成钢骨架，如图8(a)～8(b)所示；

(6)、将钢骨架穿入钢筋骨架后置入模板内的垫块上，并使得型钢和构造通长纵筋穿过两端部模板的开孔，如图9(a)～9(b)和图10(a)～10(b)所示；

(7)、浇筑混凝土并养护至规定强度，拆模且垫块留在连梁内，如图11所示。

本发明一种用于超高层的混凝土连梁结构的施工方法，包括如下步骤：

(1)、将预制好的连梁吊装至指定标高；

(2)、现场使用全熔透对接焊缝将端部的第一型钢和第二型钢与剪力墙约束边缘构件中的剪力型钢10连接起来；

(3)浇筑剪力墙中的混凝土，如图1所示。

Claims (10)

1.一种用于超高层的混凝土连梁结构，其特征在于：包括与剪力墙相连接的连梁(1)、位于连梁内的钢筋骨架以及位于连梁内且穿过钢筋骨架沿连梁纵向弯折延伸的型钢，其中型钢包括2个第一型钢(2)和1个第二型钢(3)，第一型钢(2)折弯成Z字形结构，第二型钢(3)折弯成倒梯形结构，第二型钢(3)位于2个第一型钢(2)之间，且2个第一型钢(2)的倾斜部的倾斜方向相反；连梁任一横截面均具有至少1个型钢的倾斜部。

2.根据权利要求1的用于超高层的混凝土连梁结构，其特征在于：所述钢筋骨架包括穿设于连梁内的构造通长纵筋(4)和间隔分布用于绑扎构造通长纵筋的构造箍筋(5)。

3.根据权利要求1的用于超高层的混凝土连梁结构，其特征在于：所述相邻型钢的上翼缘通过翼缘固定板(6)连接形成钢骨架。

4.根据权利要求1的用于超高层的混凝土连梁结构，其特征在于：所述第一型钢(2)的折弯处设有加筋板(7)。

5.根据权利要求1的用于超高层的混凝土连梁结构，其特征在于：所述第二型钢(3)的折弯处设有加筋板(7)。

6.根据权利要求1的用于超高层的混凝土连梁结构，其特征在于：所述第一型钢(2)的折弯处为梁跨度的三分点处。

7.根据权利要求1的用于超高层的混凝土连梁结构，其特征在于：所述第二型钢(3)的折弯A和B处为梁跨度的三分点处。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种用于超高层的混凝土连梁结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、确定连梁宽度和高度：连梁宽度与剪力墙的宽度相同，连梁高度不大于建筑层高减去规定的建筑净高；

(2)、确定构造通长纵筋和构造箍筋尺寸：依据连梁受到的剪力大小确定构造箍筋需满足的最小钢筋直径值，再在8mm～14mm内选用合适的钢筋直径，沿梁轴线方向的间距选用75mm～100mm；构造通长纵筋的钢筋直径选用18mm～25mm；

(3)、确定型钢尺寸：型钢翼缘宽度b_f＝b′_f选用连梁宽度的1/5～1/7，腹板高度h_w选用连梁高度的1/3～1/2；依据SATWE的电算结果，用连梁底部的配筋面积除以下翼缘宽度b_f得到下翼缘厚度t_f，用连梁顶部的配筋面积除以上翼缘宽度b_f得到上翼缘厚度t′_f；依据SATWE的电算结果，用对角暗撑的钢筋面积A_s除以腹板高度h_w得到腹板厚度t_w；或者腹板厚度t_w＝(A_s-b_f×t_f-b′_f×t′_f)/h_w；

(4)、加筋板与型钢腹板t_w等厚。

9.根据权利要求1-7任一所述的一种用于超高层的混凝土连梁结构的预制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、依据连梁尺寸安装模板，在连梁与剪力墙的两个交接面设置端部模板(8)，并在端部模板上开孔，孔尺寸与型钢尺寸、构造通长纵筋直径相同，使得型钢和构造通长纵筋穿过端部模板；

(2)、将构造通长纵筋和构造箍筋通过扎丝绑扎形成钢筋骨架；

(3)、在模板内间隔放入用于支撑钢筋骨架的垫块(9)，垫块数量根据钢骨架和钢筋骨架自重确定；

(4)、按照设计尺寸预制第一型钢和第二型钢，并在型钢折弯处焊接加筋板；

(5)、用翼缘固定钢板将第一型钢和第二型钢的上翼缘焊接在一起，形成钢骨架；

(6)、将钢骨架穿入钢筋骨架后置入模板内的垫块上，并使得型钢和构造通长纵筋穿过两端部模板的开孔；

(7)、浇筑混凝土并养护至规定强度，拆模且垫块留在连梁内。

10.根据权利要求1-7任一所述的一种用于超高层的混凝土连梁结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、将预制好的连梁吊装至指定标高；

(2)、现场使用全熔透对接焊缝将端部的第一型钢和第二型钢与剪力墙约束边缘构件中的剪力型钢(10)连接起来；

(3)浇筑剪力墙中的混凝土。

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