CN112726816A - 一种预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，包括混凝土基础、混凝土柱、混凝土梁、柱脚节点结构以及梁端节点结构，混凝土柱通过钢靴垂直安装于混凝土基础的顶面的限位凹槽内，混凝土梁水平布置于混凝土柱的侧壁；柱脚节点结构包括悬挑板、锚杆以及柱脚碟形弹簧组；悬挑板连接于混凝土柱靠近底部的两侧并与钢靴连接；若干根锚杆穿过悬挑板与混凝土基础固定连接，柱脚碟形弹簧组套接于在悬挑板远离混凝土基础一侧的锚杆上。混凝土柱通过钢靴安装于限位凹槽限制了侧向位移；混凝土柱和混凝土基础仅接触无连接关系，发生强震时由于悬挑板的顶部设置柱脚碟形弹簧组，混凝土柱可在水平方向上发生轻微摇摆，避免了柱脚节点结构塑性铰的形成。

Description

一种预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构
技术领域
本发明涉及抗震结构体系技术领域，更具体地说，涉及一种预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构。
背景技术
早期抗震工程研究主要侧重于减少大震下的建筑物倒塌和人员伤亡，即“大震不倒”，但多次震害表明地震作用下建筑物丧失正常使用功能造成的经济损失越来越突出，即建筑物内部装修、非结构部件及室内重要装置等设备费用往往超过建筑物的结构成本。
为了提高建筑结构的抗震性能、保障人们的生命财产安全，能够在强震后快速回复结构正常使用功能的可恢复功能结构成为近年来抗震工程研究的热点。
自复位结构能够减小结构在地震中的响应及地震后的残余变形，结构在往复载荷作用下的滞回曲线近似“旗帜”型，因此在外力撤销后结构的顶点侧向位移可逐渐恢复至零；同时，结构的摇摆可以降低地震作用并提高结构自身的延性设计需求，减少地震破坏、节约结构造价。
综上所述，如何提供一种可在地震作用下摇摆且震后结构残余变形小的结构，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，减轻了结构在强震下的损伤，且在震后的结构残余变形小、有利于快速回复结构的使用功能。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，包括混凝土基础、混凝土柱、混凝土梁、柱脚节点结构以及梁端节点结构，所述混凝土柱通过钢靴垂直安装于所述混凝土基础的顶面的限位凹槽内，所述混凝土梁水平布置于所述混凝土柱的侧壁；
所述柱脚节点结构包括悬挑板、锚杆以及柱脚碟形弹簧组；
所述悬挑板连接于所述混凝土柱靠近底部的两侧并与所述钢靴连接；
若干根所述锚杆穿过所述悬挑板与所述混凝土基础固定连接，所述柱脚碟形弹簧组套接于在所述悬挑板远离所述混凝土基础一侧的所述锚杆上。
优选的，所述梁端节点结构包括加劲肋、超小牛腿、阻尼器、拉杆以及梁端碟形弹簧组；
若干根所述拉杆穿过所述混凝土柱的侧壁且在所述拉杆的端部设有所述梁端碟形弹簧组；
所述加劲肋安装于所述混凝土梁的腹板两侧且所述加劲肋的一端与所述混凝土梁用于与所述混凝土柱侧面贴合的端板连接；
所述超小牛腿的侧面与所述混凝土柱的侧壁连接且顶面与所述混凝土梁的下翼缘接触；
所述阻尼器安装于所述混凝土梁的顶面和/或底面上且与所述混凝土柱连接。
优选的，所述悬挑板与所述混凝土基础之间设置支撑板，所述悬挑板、所述钢靴均与所述支撑板连接。
优选的，所述混凝土柱的底部设有底板，所述底板与所述钢靴连接，所述混凝土柱中的钢筋穿过所述底板并与所述底板固定连接。
优选的，所述混凝土基础内设有预埋构件，所述锚杆与所述预埋构件连接。
优选的，所述锚杆远离所述混凝土基础的一端设有圆形垫片，所述柱脚碟形弹簧组设于所述圆形垫片与所述悬挑板之间。
优选的，所述混凝土梁的梁端处设有端锚板，所述混凝土梁的钢筋穿过所述端锚板并与所述端锚板固定连接；
所述端锚板与所述梁端碟形弹簧组之间设有空隙。
优选的，所述混凝土柱上设有用于供所述拉杆穿过的预留孔洞，所述拉杆依次穿过位于所述混凝土柱一侧的所述端板、所述预留孔洞和位于所述混凝土柱另一侧的所述端板与所述混凝土柱连接。
优选的，所述拉杆远离所述垫板的一端设有圆形垫片，所述梁端碟形弹簧组设于所述圆形垫片与所述垫板之间。
优选的，所述阻尼器包括C型阻尼器和耗能角钢。
本发明提供的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构在安装柱脚碟形弹簧组和梁端碟形弹簧组时，对二者施加一定的预压力，使其在未发生振动时处于稳定状态。
柱脚节点处，钢靴可对混凝土柱进行环形约束，提高了混凝土柱的抗压强度，防止其在轴向受压的情况下发生破坏；同时，混凝土柱通过钢靴安装于混凝土基础的限位凹槽内，限制了混凝土柱的侧向位移，且混凝土柱和混凝土基础仅接触、无连接关系，在发生强震时，由于悬挑板的顶部设置柱脚碟形弹簧组，混凝土柱可在竖直方向上发生轻微晃动，有效避免了柱脚节点结构塑性铰的形成。
更进一步地，本申请在梁端节点处设置梁端节点结构，在发生强震时，在梁端碟型弹簧组的作用下拉杆会沿梁端碟型弹簧组的轴线发生轻微摇摆，并在阻尼器的作用下实现耗能，将地震输入到梁端节点中的能量耗散，有效地避免了梁端节点结构塑性铰的形成，因此大震作用下梁端节点结构无损或轻微损伤、震后节点无需修复即可投入使用。同时，加劲肋和超小牛腿分别限制了梁端的径向和周向位移，提高了结构的抗震能力。
因此，本发明提供的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构在发生强震时可进行摇摆，避免了柱脚节点结构和梁端节点结构塑性铰的形成，使得柱脚节点结构和梁端节点结构无损伤或轻微损伤、震后节点无需修复即可投入使用，结构稳定性强且具备较强的自复位能力，可广泛应用于各类可恢复功能建筑结构。
为了方便装配、节省建造时间，混凝土基础和混凝土柱均为预制结构，在预制过程中在混凝土基础的顶面上设置限位凹槽，并在混凝土柱的底端设置钢靴，因此在施工现场仅需进行混凝土基础和混凝土柱间的装配、柱脚节点结构和梁端节点结构的搭建，节省了大量的建造时间。
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为本发明所提供的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构的具体实施例的主视示意图；
图2为图1中的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构的俯视示意图。
图1-图2中：
1为混凝土基础、2为混凝土柱、21为钢靴、22为底板、3为柱脚节点结构、31为锚杆、32为柱脚碟形弹簧组、33为悬挑板、34为支撑板、4为混凝土梁、41为端锚板、5为梁端节点结构、51为拉杆、52为梁端碟形弹簧组、53为加劲肋、54为超小牛腿、55为阻尼器、56为端板。
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。
本发明的核心是提供一种预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，减轻了结构在强震下的损伤，且在震后的结构残余变形小、有利于快速回复结构的使用功能。
请参考图1-图2，图1为本发明所提供的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构的具体实施例的主视示意图；图2为图1中的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构的俯视示意图。
需要进行说明的是，本申请文件中的底部和底端指相对靠近混凝土基础1的一端，顶端指相对远离混凝土基础1的一端；本申请文件中提到的柱脚碟形弹簧组32和梁端碟形弹簧组52在安装时，需要施加一定的预压力，使其在未发生振动时处于稳定状态。
本实施例提供的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，包括混凝土基础1、混凝土柱2、混凝土梁4、柱脚节点结构3以及梁端节点结构5，混凝土柱2通过钢靴21垂直安装于混凝土基础1的顶面的限位凹槽内，混凝土梁4水平布置于混凝土柱2的侧壁；柱脚节点结构3包括悬挑板33、锚杆31以及柱脚碟形弹簧组32；悬挑板33连接于混凝土柱2靠近底部的两侧并与钢靴21连接；若干根锚杆31穿过悬挑板33与混凝土基础1固定连接，柱脚碟形弹簧组32套接于在悬挑板33远离混凝土基础1一侧的锚杆31上。
钢靴21设置于混凝土柱2用于与混凝土基础1配合的接触的一端，可对混凝土柱2进行环形约束，提高了混凝土柱2的抗压强度，防止其在轴向受压的情况下发生破坏。
优选的，混凝土柱2的底部可以设有底板22，底板22与钢靴21连接，混凝土柱2中的钢筋穿过底板22并与底板22固定连接。需要进行说明的是，此处的固定连接，可以是钢筋穿过底板22在底板22靠近混凝土基础1的一侧通过螺母连接，也可以是钢筋穿过底板22上的安装孔后塞焊连接。
优选的，请参考图1，底板22可以为齐平式底板，底板22与钢靴21的底面齐平。
钢靴21安装于混凝土基础1顶面的限位凹槽中，限位凹槽的尺寸与钢靴21的尺寸相适应，深度根据实际生产中的需要确定。
优选的，可以在钢靴21与混凝土基础1的限位凹槽间设置吸震垫板，以便对地震输入到柱脚节点中的能量进行耗散。
锚杆31用于连接悬挑板33和混凝土基础1，锚杆31的底端与混凝土基础1固定连接，顶端穿过悬挑板33和柱脚碟形弹簧组32后利用螺母等紧固件固定。
优选的，混凝土基础1内可以设有预埋构件，锚杆31与预埋构件连接。预埋构件的具体种类以及预埋构件与锚杆31的连接方式请参考现有技术，在此不再赘述。
优选的，锚杆31远离混凝土基础1的一端设有圆形垫片，柱脚碟形弹簧组32设于圆形垫片与悬挑板33之间。
柱脚碟形弹簧组32用于实现对柱脚刚度、弯矩和转角的限制，柱脚碟形弹簧组32套接于锚杆31上，且设置于悬挑板33的上方，相比于设置于混凝土基础1上，有效地减小了混凝土柱2的转动半径。
柱脚碟形弹簧组32内碟形弹簧的数量越多，柱脚节点结构3可承受的形变越大，柱脚节点结构3的自主恢复能力越强。
混凝土梁4水平布置于混凝土柱2的侧壁，优选的，混凝土梁4的梁端处可以设有端锚板41，混凝土梁4的钢筋穿过端锚板41并与端锚板41固定连接；端锚板41与梁端碟形弹簧组52之间设有空隙，以提供强震时拉杆51的摇摆空间。
需要进行说明的是，此处的固定连接，可以是混凝土梁4的钢筋穿过端锚板41在靠近混凝土柱2的一侧通过螺母连接，也可以是混凝土梁4的钢筋穿过端锚板41上的安装孔后塞焊连接。
柱脚节点处，钢靴21可对混凝土柱2进行环形约束，提高了混凝土柱2的抗压强度，防止其在轴向受压的情况下发生破坏；同时，混凝土柱2通过钢靴21安装于混凝土基础1的限位凹槽内，限制了混凝土柱2的侧向位移，且混凝土柱2和混凝土基础1仅接触、无连接关系，在发生强震时，由于悬挑板33的顶部设置柱脚碟形弹簧组32，混凝土柱2可在竖直方向上发生轻微晃动，有效避免了柱脚节点结构3塑性铰的形成。
因此，本实施例提供的摇摆自复位混凝土结构避免了柱脚节点结构3处塑性铰的形成，使得柱脚节点结构3震中无损伤或轻微损伤、震后节点无需修复即可投入使用，结构稳定性强且具备较强的自复位能力，可广泛应用于各类可恢复功能建筑结构。
优选的，可以在悬挑板33与混凝土基础1之间设置支撑板34，悬挑板33、钢靴21均与支撑板34连接，有效地防止了悬挑板33被破坏。
支撑板34的形状可以为如1所示的三角形，当然也可以设置为其他几何形状。
在上述实施例的基础上，对梁端节点结构5进行限定，梁端节点结构5可以包括加劲肋53、超小牛腿54、阻尼器55、拉杆51以及梁端碟形弹簧组52；若干根拉杆51穿过混凝土柱2的侧壁且在拉杆51的端部设有梁端碟形弹簧组52；加劲肋53安装于混凝土梁4的腹板两侧且加劲肋53的一端与混凝土梁4用于与混凝土柱2侧面贴合的端板56连接；超小牛腿54的侧面与混凝土柱2的侧壁连接且顶面与混凝土梁4的下翼缘接触；阻尼器55安装于混凝土梁4的顶面和/或底面上且与混凝土柱2连接。
可仅在拉杆51的一端设置梁端碟形弹簧组52，也可以在拉杆51的两端均设有梁端碟形弹簧组52。
拉杆51穿过混凝土柱2，两端套接梁端碟形弹簧组52后通过螺母等紧固件连接。优选的，混凝土柱2上设有用于供拉杆51穿过的预留孔洞，拉杆51依次穿过位于混凝土柱2一侧的端板56、预留孔洞和位于混凝土柱2另一侧的端板56与混凝土柱2连接。
优选的，拉杆51远离端板56的一端设有圆形垫片，梁端碟形弹簧组52设于圆形垫片与端板56之间。
梁端碟形弹簧组52内碟形弹簧的数量越多，梁端节点结构5可承受的形变越大，梁端节点结构5的自主恢复能力越强。
加劲肋53和超小牛腿54分别用于限制梁端的径向和周向位移，其尺寸需要根据实际生产中混凝土柱2的尺寸以及混凝土梁4的尺寸等进行确定，具体结构和具体安装位置的选择请参考现有技术，在此不再赘述。
阻尼器55用于对地震输入到梁端节点中的能量进行耗散，优选的，阻尼器55可以包括C型阻尼器和耗能角钢。
阻尼器55的具体结构和安装方式请参考现有技术，在此不再赘述。
梁端节点处，在发生强震时，在梁端碟形弹簧组52的作用下拉杆51会沿梁端碟形弹簧组52的轴线发生轻微摇摆，并在阻尼器55的作用下实现耗能，将地震输入到梁端节点中的能量耗散，有效地避免了梁端节点结构5塑性铰的形成，因此大震作用下梁端节点结构5无损或轻微损伤、震后节点无需修复即可投入使用。同时，加劲肋53和超小牛腿54分别限制了梁端的径向和周向位移，提高了结构的抗震能力。
因此，本实施例提供的摇摆自复位混凝土结构避免了梁端节点结构5处塑性铰的形成，使得梁端节点结构5震中无损伤或轻微损伤、震后节点无需修复即可投入使用，结构稳定性强且具备较强的自复位能力，可广泛应用于各类可恢复功能建筑结构。
为了方便装配、节省建造时间，混凝土基础和混凝土柱均为预制结构，在预制过程中在混凝土基础的顶面上设置限位凹槽，并在混凝土柱的底端设置钢靴，因此在施工现场仅需进行混凝土基础和混凝土柱间的装配、柱脚节点结构和梁端节点结构的搭建。
在某一具体实施例中，预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，包括混凝土基础1、混凝土柱2、混凝土梁4、柱脚节点结构3以及梁端节点结构5，混凝土柱2通过钢靴21垂直安装于混凝土基础1的顶面的限位凹槽内，混凝土梁4水平布置于混凝土柱2的侧壁；柱脚节点结构3包括悬挑板33、支撑板34、锚杆31以及柱脚碟形弹簧组32；梁端节点结构5包括加劲肋53、超小牛腿54、阻尼器55、拉杆51以及梁端碟形弹簧组52。
因此，本实施例提供的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构在发生强震时可进行摇摆，避免了柱脚节点结构3和梁端节点结构5塑性铰的形成，使得柱脚节点结构3和梁端节点结构5无损伤或轻微损伤、震后节点无需修复即可投入使用，结构稳定性强且具备较强的自复位能力，可广泛应用于各类可恢复功能建筑结构。
优选的，可以设置锚杆31为高强锚杆，拉杆51为高强拉杆。
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。
以上对本发明所提供的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，包括混凝土基础(1)、混凝土柱(2)、混凝土梁(4)、柱脚节点结构(3)以及梁端节点结构(5)，所述混凝土柱(2)通过钢靴(21)垂直安装于所述混凝土基础(1)的顶面的限位凹槽内，所述混凝土梁(4)水平布置于所述混凝土柱(2)的侧壁；
所述柱脚节点结构(3)包括悬挑板(33)、锚杆(31)以及柱脚碟形弹簧组(32)；
所述悬挑板(33)连接于所述混凝土柱(2)靠近底部的两侧并与所述钢靴(21)连接；
若干根所述锚杆(31)穿过所述悬挑板(33)与所述混凝土基础(1)固定连接，所述柱脚碟形弹簧组(32)套接于在所述悬挑板(33)远离所述混凝土基础(1)一侧的所述锚杆(31)上。
2.根据权利要求1所述的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，所述梁端节点结构(5)包括加劲肋(53)、超小牛腿(54)、阻尼器(55)、拉杆(51)以及梁端碟形弹簧组(52)；
若干根所述拉杆(51)穿过所述混凝土柱(2)的侧壁且在所述拉杆(51)的端部设有所述梁端碟形弹簧组(52)；
所述加劲肋(53)安装于所述混凝土梁(4)的腹板两侧且所述加劲肋(53)的一端与所述混凝土梁(4)用于与所述混凝土柱(2)侧面贴合的端板(56)连接；
所述超小牛腿(54)的侧面与所述混凝土柱(2)的侧壁连接且顶面与所述混凝土梁(4)的下翼缘接触；
所述阻尼器(55)安装于所述混凝土梁(4)的顶面和/或底面上且与所述混凝土柱(2)连接。
3.根据权利要求2所述的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，所述悬挑板(33)与所述混凝土基础(1)之间设置支撑板(34)，所述悬挑板(33)、所述钢靴(21)均与所述支撑板(34)连接。
4.根据权利要求3所述的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，所述混凝土柱(2)的底部设有底板(22)，所述底板(22)与所述钢靴(21)连接，所述混凝土柱(2)中的钢筋穿过所述底板(22)并与所述底板(22)固定连接。
5.根据权利要求4所述的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，所述混凝土基础(1)内设有预埋构件，所述锚杆(31)与所述预埋构件连接。
6.根据权利要求5所述的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，所述锚杆(31)远离所述混凝土基础(1)的一端设有圆形垫片，所述柱脚碟形弹簧组(32)设于所述圆形垫片与所述悬挑板(33)之间。
7.根据权利要求6所述的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，所述混凝土梁(4)的梁端处设有端锚板(41)，所述混凝土梁(4)的钢筋穿过所述端锚板(41)并与所述端锚板(41)固定连接；
所述端锚板(41)与所述梁端碟形弹簧组(52)之间设有空隙。
8.根据权利要求7所述的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，所述混凝土柱(2)上设有用于供所述拉杆(51)穿过的预留孔洞，所述拉杆(51)依次穿过位于所述混凝土柱(2)一侧的所述端板(56)、所述预留孔洞和位于所述混凝土柱(2)另一侧的所述端板与所述混凝土柱(2)连接。
9.根据权利要求8所述的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，所述拉杆(51)远离所述端板(56)的一端设有圆形垫片，所述梁端碟形弹簧组(52)设于所述圆形垫片与所述端板(56)之间。
10.根据权利要求2-9任一项所述的预制装配式摇摆自复位混凝土框架结构，其特征在于，所述阻尼器(55)包括C型阻尼器和耗能角钢。
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