CN114164938B - 一种自平衡装配式框架薄壳结构体系及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

一种自平衡装配式框架薄壳结构体系及其构建方法，将拱形封边梁、拱形薄壳组成的薄壳体系按房间平面跨度预制完成，现场按照建筑要求进行拼装，将拱形封边梁、拱形薄壳四端放置在牛腿，将微膨胀混凝土浇实拱形封边梁之间的缝隙，然后绑扎好构造拉结钢筋和构造分布钢筋用细石混凝土浇筑，再在拱形封边梁内、拱形薄壳上用泡沫混凝土垫层进行填实找平，最后按110％的最终张拉控制应力张拉预应力钢绞线6后在结构平面边缘框架柱两侧固定，形成自平衡装配式框架薄壳结构体系。该体系通过薄壳的矢高将竖向荷载下的弯曲应力转化为薄壳内的压力和薄壳支座处的水平推力，利用预应力钢绞线或钢拉杆来平衡这种水平推力形成一种自平衡装配式框架薄壳结构体系。

Description

一种自平衡装配式框架薄壳结构体系及其构建方法
技术领域
本发明涉及一种自平衡装配式框架薄壳结构体系及其构建方法，适用于多层建筑结构体系设计与施工。
背景技术
据统计，城市中60％的碳排放来源于建筑材料生产以及建筑的建设、使用、维护与拆除，建筑行业的低碳化对我国实现“2030碳达峰，2060碳中和”的节能减排目标有重要影响。建筑业要实现可持续发展，减少建筑材料消耗至关重要。多层建筑结构多采用梁、板、柱组成的框架结构体系，其中梁、板的重量约占结构总重的65％。梁、板在结构中起到将竖向荷载实现水平跨越，主要以弯曲作用为主，但是弯矩作用下的梁、板在受拉一侧混凝土没有参与承载力贡献，反而增加了构件的重量，造成材料的浪费和碳排放的增加。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供受压为主的拱形薄壳来代替梁、板，通过拱形薄壳的矢高将竖向荷载下的弯曲应力转化为薄壳内的压力和薄壳支座处的水平推力，利用预应力钢绞线或钢拉杆来平衡这种水平推力形成一种自平衡装配式框架薄壳结构体系。该体系充分利用材料的抗压优点，大大减小水平构件的材料用量，由于这种力的有效转化和平衡，使得在竖向荷载作用下框架柱在层高位置没有弯矩，有效地减小了框架柱的设计难度和框架柱的截面尺寸。
本发明采用以下技术方案：
一种自平衡装配式框架薄壳结构体系的构建方法，在预制构件车间将框架柱(1)、牛腿(4)和洞口(5)组成的竖向承重构件按楼层分段预制，洞口(5)预留在框架柱(1)上，洞口(5)位于牛腿(4)的下方，将拱形封边梁(2)、拱形薄壳(3)组成的薄壳体系按房间平面跨度预制，现场按照建筑要求进行拼装，拼装时先将包含框架柱(1)、牛腿(4)和洞口(5)的竖向承重构件按照轴网位置竖向固定并将预应力钢绞线(6)穿过洞口(5)在结构平面边缘框架柱1两侧暂时固定，再将拱形封边梁(2)和拱形薄壳(3)放置在牛腿(4)，其中拱形封边梁(2)包围在拱形薄壳3()的四周，对拱形薄壳()3的边缘进行约束；按50-60％的最终张拉控制应力张拉预应力钢绞线(6)后在结构平面边缘框架柱(1)两侧暂时固定；将微膨胀混凝土(8)浇实拱形封边梁(2)之间的缝隙，拱形封边梁(2)的上表面高于拱形薄壳(3)上表面的高度，然后在两个拱形封边梁(2)顶部绑扎好构造拉结钢筋(9)和构造分布钢筋(10)，并用细石混凝土(11)浇实，再在拱形封边梁(2)内、拱形薄壳(3)上用泡沫混凝土垫层(7)进行填实找平，最后按105-110％的最终张拉控制应力张拉预应力钢绞线(6)后在结构平面边缘框架柱(1)两侧固定，形成一种自平衡装配式框架薄壳结构体系。
所述的构建方法，所述洞口(5)的总宽度应小于框架柱1对应边长的1/4，洞口(5)的个数可以是奇数也可以是偶数。
所述的构建方法，所述拱形封边梁(2)，宽度不小于100mm，面积配筋率不小于0.2％；拱形封边梁(2)对拱形薄壳(3)的边缘进行约束，提高拱形薄壳(3)的边缘的抗裂能力，通过构造拉结钢筋(9)和构造分布钢筋(10)用细石混凝土(11)浇筑后增强拱形封边梁(2)、拱形薄壳(3)组成的薄壳体系之间的整体性。
所述的构建方法，所述拱形薄壳(3)，可以选择双抛物面薄壳或者抛物线型拱壳，矢跨比应不小于1/20，厚度与中曲面最小曲率半径之比不大于1/20且不小于50mm，采用双向配筋，单向的面积配筋率不小于0.25％，也可应纤维增强复合材料FRP材料代替钢筋。
所述的构建方法，所述预应力钢绞线(6)，采用普通的预应力钢绞线，也可用粗直径钢棒代替；预应力钢绞线截面面积可以按照下列公式估算：
Figure BDA0003441394410000021
q＝q1+q2；
Figure BDA0003441394410000022
式中，γf—薄壳内填充物的重度，kN/m3；Vf—薄壳内填充物的体积，m3；γs—薄壳的重度，kN/m3；As—薄壳的面积，m2；ts—薄壳的厚度，m；l—薄壳的跨度，m。q1—薄壳及薄壳上填充物折算面积荷载，kN/m2；q1—薄壳上其他附加面积荷载，kN/m2；Fp—薄壳下部水平推力，kN；Ap—预应力钢绞线的截面面积，m2；fpy—预应力钢绞线的抗拉设计强度，kN/m2。
所述的构建方法，所述泡沫混凝土垫层(7)，固体组成成分为：水泥50％～65％、粉煤灰25％～40％、发泡剂1％～2％、煤渣18％～23.6％、丙烯纤维为0.4％～0.6％，混合后与水的质量比为1.1:1。
所述的构建方法，所述微膨胀混凝土(8)，固体组成成分为：水泥18％～25％、砂22％～30％、细石55％～65％、膨胀剂7％～9％、丙烯纤维为0.4％～0.6％，混合后与水的质量比为1:0.1。
所述的构建方法，预制构件可以预制也可用全现浇混凝土结构。
一种自平衡装配式框架薄壳结构体系，包括框架柱(1)、拱形封边梁(2)、拱形薄壳(3)、牛腿(4)、洞口(5)、预应力钢绞线(6)、泡沫混凝土垫层(7)、微膨胀混凝土()8、构造拉结钢筋()9、构造分布钢筋(10)、细石混凝土(11)；框架柱(1)上预留有洞口(5)，洞口(5)位于牛腿(4)的下方，将包含框架柱(1)、牛腿(4)和洞口(5)的竖向承重构件按照轴网位置竖向固定，预应力钢绞线(6)穿过洞口(5)在结构平面边缘框架柱(1)两侧固定；拱形封边梁(2)和拱形薄壳(3)放置在牛腿(4)上，拱形封边梁(2)包围在拱形薄壳(3)的四周，对拱形薄壳(3)的边缘进行约束；微膨胀混凝土(8)浇实拱形封边梁(2)之间的缝隙，拱形封边梁2的上表面高于拱形薄壳(3)上表面的高度，然后在两个拱形封边梁(2)顶部绑扎好构造拉结钢筋(9)和构造分布钢筋(10)，并用细石混凝土(11)浇实，再在拱形封边梁(2)内、拱形薄壳(3)上用泡沫混凝土垫层(7)进行填实找平，最后按105-110％的最终张拉控制应力张拉预应力钢绞线(6)后在结构平面边缘框架柱(1)两侧固定，形成自平衡装配式框架薄壳结构体系。
所述的自平衡装配式框架薄壳结构体系，所述洞口5的总宽度应小于框架柱(1)对应边长的1/4，洞口(5)的个数可以是奇数也可以是偶数。
所述的自平衡装配式框架薄壳结构体系，所述拱形封边梁(2)，宽度不小于100mm，面积配筋率不小于0.2％；拱形封边梁(2)对拱形薄壳(3)的边缘进行约束，提高拱形薄壳(3)的边缘的抗裂能力，通过构造拉结钢筋(9)和构造分布钢筋(10)用细石混凝土(11)浇筑后增强拱形封边梁(2)、拱形薄壳(3)组成的薄壳体系之间的整体性。
所述的自平衡装配式框架薄壳结构体系，所述拱形薄壳(3)，可以选择双抛物面薄壳或者抛物线型拱壳，矢跨比应不小于1/20，厚度与中曲面最小曲率半径之比不大于1/20且不小于50mm，采用双向配筋，单向的面积配筋率不小于0.25％，也可应纤维增强复合材料FRP材料代替钢筋。
所述的自平衡装配式框架薄壳结构体系，所述预应力钢绞线(6)，采用普通的预应力钢绞线，也可用粗直径钢棒代替；预应力钢绞线截面面积可以按照下列公式估算：
Figure BDA0003441394410000041
q＝q1+q2；
Figure BDA0003441394410000042
式中，γf—薄壳内填充物的重度，kN/m3；Vf—薄壳内填充物的体积，m3；γs—薄壳的重度，kN/m3；As—薄壳的面积，m2；ts—薄壳的厚度，m；l—薄壳的跨度，m。q1—薄壳及薄壳上填充物折算面积荷载，kN/m2；q1—薄壳上其他附加面积荷载，kN/m2；Fp—薄壳下部水平推力，kN；Ap—预应力钢绞线的截面面积，m2；fpy—预应力钢绞线的抗拉设计强度，kN/m2。
所述的自平衡装配式框架薄壳结构体系，所述泡沫混凝土垫层(7)，固体组成成分为：水泥50％～65％、粉煤灰25％～40％、发泡剂1％～2％、煤渣18％～23.6％、丙烯纤维为0.4％～0.6％，混合后与水的质量比为1.1:1。
所述的自平衡装配式框架薄壳结构体系，所述微膨胀混凝土(8)，固体组成成分为：水泥18％～25％、砂22％～30％、细石55％～65％、膨胀剂7％～9％、丙烯纤维为0.4％～0.6％，混合后与水的质量比为1:0.1。
所述的自平衡装配式框架薄壳结构体系，预制构件可以预制也可用全现浇混凝土结构。
该体系通过薄壳的矢高将竖向荷载下的弯曲应力转化为薄壳内的压力和薄壳支座处的水平推力，利用预应力钢绞线或钢拉杆来平衡这种水平推力形成一种自平衡装配式框架薄壳结构体系。该体系充分利用材料的抗压优点，大大减小水平构件的材料用量，由于这种力的有效转化和平衡，使得在竖向荷载作用下框架柱在层高位置没有弯矩，有效地减小了框架柱的设计难度和框架柱的截面尺寸。
附图说明
图1为本发明一种自平衡装配式框架薄壳结构体系平面图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是图1的B-B剖面图；
图4是图2的C-C剖面图；
图5是图2的D-D剖面图；
图6是实施案例自平衡装配式框架薄壳结构体系的三维示意图；
图7是实施案例的柱网布置示意图；
图中1、框架柱；2、拱形封边梁；3、拱形薄壳；4、牛腿；5、洞口；6、预应力钢绞线；7、泡沫混凝土垫层；8、微膨胀混凝土；9、构造拉结钢筋；10、构造分布钢筋；11、细石混凝土。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图1-5所示，一种自平衡装配式框架薄壳结构体系，包括框架柱1、拱形封边梁2、拱形薄壳3、牛腿4、洞口5、预应力钢绞线6、泡沫混凝土垫层7、微膨胀混凝土8、构造拉结钢筋9、构造分布钢筋10、细石混凝土11。在预制构件车间将框架柱1、牛腿4和洞口5组成的竖向承重构件按楼层分段预制完成，其中洞口5预留在框架柱1上，洞口5位于牛腿4的下方，将拱形封边梁2、拱形薄壳3组成的薄壳体系按房间平面跨度预制完成，现场按照建筑要求进行拼装，拼装时先将包含框架柱1、牛腿4和洞口5的竖向承重构件按照轴网位置竖向固定并将预应力钢绞线6穿过洞口5在结构平面边缘框架柱1两侧暂时固定，再将预制完成的拱形封边梁2、拱形薄壳3四端放置在牛腿4上，按60％的最终张拉控制应力张拉预应力钢绞线6后在结构平面边缘框架柱1两侧暂时固定。将微膨胀混凝土8浇实两个拱形封边梁2之间的缝隙，拱形封边梁2的上表面高于拱形薄壳3上表面的高度，然后在两个拱形封边梁2顶部两侧绑扎构造拉结钢筋9和构造分布钢筋10，并用细石混凝土11浇实，增强拱形封边梁2、拱形薄壳3组成的薄壳体系之间的整体性，再在拱形封边梁2、拱形薄壳3上用泡沫混凝土垫层7进行填实找平满足室内地坪的平整需要，最后按110％的最终张拉控制应力张拉预应力钢绞线6后在结构平面边缘框架柱1两侧固定，形成一种自平衡装配式框架薄壳结构体系。
所述拱形薄壳3具有一定的大于零的矢高，拱形薄壳3的顶面和底面均呈拱形，拱形薄壳3平面投影呈长方形或正方形，该长方形或正方形拱形薄壳3的中轴断面均呈拱形，如图1及图1的B-B剖面图3所示，图1的竖直方向B-B剖面和横向B-B剖面均呈现出拱形。
所述拱形封边梁2的顶面为平面，底面形状为和拱形薄壳3的底面相同或类似的拱形。
所述洞口5的总宽度应小于框架柱1对应边长的1/4，洞口5的个数可以是奇数也可以是偶数；
所述拱形封边梁2，宽度不小于100mm，面积配筋率不小于0.2％；拱形封边梁2对拱形薄壳3的边缘进行约束，提高拱形薄壳3的边缘的抗裂能力，通过构造拉结钢筋9和构造分布钢筋10，用细石混凝土11浇筑后增强拱形封边梁2、拱形薄壳3组成的薄壳体系之间的整体性。
所述拱形薄壳3，矢跨比应不小于1/20，厚度与中曲面最小曲率半径之比不大于1/20且不小于50mm，采用双向配筋，单向的面积配筋率不小于0.25％，也可应纤维增强复合材料FRP材料代替钢筋。
所述预应力钢绞线6，采用普通的预应力钢绞线，也可用粗直径钢棒代替；预应力钢绞线截面面积可以按照下列公式估算：
Figure BDA0003441394410000071
q＝q1+q2；
Figure BDA0003441394410000072
式中，γf—薄壳内填充物的重度，kN/m3；Vf—薄壳内填充物的体积，m3；γs—薄壳的重度，kN/m3；As—薄壳的面积，m2；ts—薄壳的厚度，m；l—薄壳的跨度，m。q1—薄壳及薄壳上填充物折算面积荷载，kN/m2；q1—薄壳上其他附加面积荷载，kN/m2；Fp—薄壳下部水平推力，kN；Ap—预应力钢绞线的截面面积，m2；fpy—预应力钢绞线的抗拉设计强度，kN/m2。
所述泡沫混凝土垫层7，固体组成成分为：水泥50％～65％、粉煤灰25％～40％、发泡剂1％～2％、煤渣18％～23.6％、丙烯纤维为0.4％～0.6％，混合后与水的质量比为1.1:1。
所述微膨胀混凝土8，固体组成成分为：水泥18％～25％、砂22％～30％、细石55％～65％、膨胀剂7％～9％、丙烯纤维为0.4％～0.6％，混合后与水的质量比为1:0.1。
所述装配式结构体系可以用装配式也可用全现浇混凝土结构。
实施案例：
如图6所示，五层钢筋混凝土框架办公楼，层高3.6m，抗震设防烈度为7.5度(0.15g)，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，平面布置4跨×4跨，柱距为8m，如图(7)所示。楼面和屋面附加恒荷载均为2.0kN/m2，活荷载为2.0kN/m2。混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB400。以国内现行设计规范设计成钢筋混凝土框架结构和本发明专利的自平衡装配式框架薄壳结构体系后，二者的材料用量与CO2排放比较见表1，自平衡装配式框架薄壳结构体系比钢筋混凝土框架结构的混凝土、钢筋用量分别减小了1167.7吨和35.1吨，减少的百分比为48.9％和35.6％，CO2排放量减少220吨。
表1材料用量与CO2排放比较
Figure BDA0003441394410000073
Figure BDA0003441394410000081
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种自平衡装配式框架薄壳结构体系的构建方法，其特征在于，在预制构件车间将框架柱(1)、牛腿(4)和洞口(5)组成的竖向承重构件按楼层分段预制，洞口(5)预留在框架柱(1)上，洞口(5)位于牛腿(4)的下方，将拱形封边梁(2)、拱形薄壳(3)组成的薄壳体系按房间平面跨度预制，现场按照建筑要求进行拼装，拼装时先将包含框架柱(1)、牛腿(4)和洞口(5)的竖向承重构件按照轴网位置竖向固定并将预应力钢绞线(6)穿过洞口(5)在结构平面边缘框架柱(1)两侧暂时固定，再将拱形封边梁(2)和拱形薄壳(3)放置在牛腿(4)，其中拱形封边梁(2)包围在拱形薄壳(3)的四周，对拱形薄壳(3)的边缘进行约束；按50-60％的最终张拉控制应力张拉预应力钢绞线(6)后在结构平面边缘框架柱(1)两侧暂时固定；将微膨胀混凝土(8)浇实拱形封边梁(2)之间的缝隙，拱形封边梁(2)的上表面高于拱形薄壳(3)上表面的高度，然后在两个拱形封边梁(2)顶部绑扎好构造拉结钢筋(9)和构造分布钢筋(10)，并用细石混凝土(11)浇实，再在拱形封边梁(2)内、拱形薄壳(3)上用泡沫混凝土垫层(7)进行填实找平，最后按105-110％的最终张拉控制应力张拉预应力钢绞线(6)后在结构平面边缘框架柱(1)两侧固定，形成一种自平衡装配式框架薄壳结构体系。
2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述洞口(5)的总宽度应小于框架柱(1)对应边长的1/4，洞口(5)的个数是奇数或者偶数。
3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述拱形封边梁(2)，宽度不小于100mm，面积配筋率不小于0.2％；拱形封边梁(2)对拱形薄壳(3)的边缘进行约束，提高拱形薄壳(3)的边缘的抗裂能力，通过构造拉结钢筋(9)和构造分布钢筋(10)用细石混凝土(11)浇筑后增强拱形封边梁(2)、拱形薄壳(3)组成的薄壳体系之间的整体性。
4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述拱形薄壳(3)，选择双抛物面薄壳或者抛物线型拱壳，矢跨比应不小于1/20，厚度与中曲面最小曲率半径之比不大于1/20且不小于50mm，采用双向配筋，单向的面积配筋率不小于0.25％，或者用纤维增强复合材料FRP材料代替钢筋。
5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述预应力钢绞线(6)，采用普通的预应力钢绞线，或者用粗直径钢棒代替；预应力钢绞线截面面积按照下列公式估算：
式中，γf—薄壳内填充物的重度，kN/m3；Vf—薄壳内填充物的体积，m3；γs—薄壳的重度，kN/m3；As—薄壳的面积，m2；ts—薄壳的厚度，m；l—薄壳的跨度，m;q1—薄壳及薄壳上填充物折算面积荷载，kN/m2；q1—薄壳上其他附加面积荷载，kN/m2；Fp—薄壳下部水平推力，kN；Ap—预应力钢绞线的截面面积，m2；fpy—预应力钢绞线的抗拉设计强度，kN/m2。
6.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述泡沫混凝土垫层(7)，固体组成成分为：水泥50％～65％、粉煤灰25％～40％、发泡剂1％～2％、煤渣18％～23.6％、丙烯纤维为0.4％～0.6％，混合后与水的质量比为1.1:1。
7.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述微膨胀混凝土(8)，固体组成成分为：水泥18％～25％、砂22％～30％、细石55％～65％、膨胀剂7％～9％、丙烯纤维为0.4％～0.6％，混合后与水的质量比为1:0.1。
8.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，预制构件为预制或者全现浇混凝土结构。
9.一种自平衡装配式框架薄壳结构体系，其特征在于，包括框架柱(1)、拱形封边梁(2)、拱形薄壳(3)、牛腿(4)、洞口(5)、预应力钢绞线(6)、泡沫混凝土垫层(7)、微膨胀混凝土(8)、构造拉结钢筋(9)、构造分布钢筋(10)、细石混凝土(11)；框架柱(1)上预留有洞口(5)，洞口(5)位于牛腿(4)的下方，将包含框架柱(1)、牛腿(4)和洞口(5)的竖向承重构件按照轴网位置竖向固定，预应力钢绞线(6)穿过洞口(5)在结构平面边缘框架柱(1)两侧固定；拱形封边梁(2)和拱形薄壳(3)放置在牛腿(4)上，拱形封边梁(2)包围在拱形薄壳(3)的四周，对拱形薄壳(3)的边缘进行约束；微膨胀混凝土(8)浇实拱形封边梁(2)之间的缝隙，拱形封边梁(2)的上表面高于拱形薄壳(3)上表面的高度，然后在两个拱形封边梁(2)顶部绑扎好构造拉结钢筋(9)和构造分布钢筋(10)，并用细石混凝土(11)浇实，再在拱形封边梁(2)内、拱形薄壳(3)上用泡沫混凝土垫层(7)进行填实找平，最后按105-110％的最终张拉控制应力张拉预应力钢绞线(6)后在结构平面边缘框架柱(1)两侧固定，形成自平衡装配式框架薄壳结构体系。
10.根据权利要求9所述的自平衡装配式框架薄壳结构体系，其特征在于，所述拱形薄壳(3)，选择双抛物面薄壳或者抛物线型拱壳，矢跨比应不小于1/20，厚度与中曲面最小曲率半径之比不大于1/20且不小于50mm，采用双向配筋，单向的面积配筋率不小于0.25％，或者用纤维增强复合材料FRP材料代替钢筋。
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