CN115030306A - 柱端变形可控且柱身易更换的柱组件 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种柱端变形可控且柱身易更换的柱组件。该柱组件包括柱身(1)、柱头(2)、柱脚(3)和套筒(4)。所述柱身(1)包括柱身钢筋(11)，所述柱头(2)包括柱头钢筋(21)，所述柱脚(3)包括柱脚钢筋(31)，所述柱身钢筋(11)通过所述套筒(4)连接于所述柱头钢筋(21)和所述柱脚钢筋(31)，所述柱身(1)装在所述柱头(2)和所述柱脚(3)之间。

Description

柱端变形可控且柱身易更换的柱组件

技术领域

本申请属于建筑结构领域，尤其涉及一种柱端变形可控且柱身易更换的柱组件。

背景技术

面对地震的威胁，探究如何保证建筑的柱连接结构在地震来临时具有较好的抗震鲁棒性，以及受到破坏时如何更好恢复具有极大的研究意义。现有技术中，柱身与柱头、柱脚的连接位置处在地震时易损坏，抗震鲁棒性不佳且不易更换。

发明内容

为了改善或解决背景技术提出的问题，本申请提供了一种柱端变形可控且柱身易更换的柱组件。

该柱组件包括：

柱身，所述柱身包括柱身钢筋；

柱头，所述柱头包括柱头钢筋；

柱脚，所述柱脚包括柱脚钢筋；以及

套筒，所述套筒包括第一套筒和第二套筒，部分或全部所述柱身钢筋通过所述第一套筒连接于所述柱头钢筋，部分或全部所述柱身钢筋通过所述第二套筒连接于所述柱脚钢筋，所述柱身装在所述柱头和所述柱脚之间，

所述柱头钢筋在所述第一套筒中的锚固长度L1与所述柱身钢筋在所述第一套筒中的锚固长度L2之比满足，1.5≤L1/L2≤2，

所述柱脚钢筋在所述第二套筒中的锚固长度L3与所述柱身钢筋在所述第二套筒中的锚固长度L4之比满足，1.5≤L3/L4≤2。

在至少一个实施方式中，所述柱身钢筋的通过所述套筒连接于所述柱头钢筋或所述柱脚钢筋的截面面积与所述柱身钢筋的总截面面积之比大于50％。

在至少一个实施方式中，所述柱身钢筋沿纵向延伸，

所述柱头钢筋包括沿横向埋入所述柱头的横向柱头钢筋与沿所述纵向延伸的纵向柱头钢筋，所述横向柱头钢筋与所述纵向柱头钢筋由所述柱头钢筋一体弯折而成，

所述柱脚钢筋包括沿所述横向埋入所述柱脚的横向柱脚钢筋与沿所述纵向延伸的纵向柱脚钢筋，所述横向柱脚钢筋与所述纵向柱脚钢筋由所述柱脚钢筋一体弯折而成。

在至少一个实施方式中，所述纵向柱头钢筋凸出于所述柱头的朝向所述柱身的面，所述纵向柱脚钢筋凸出于所述柱脚的朝向所述柱身的面。

在至少一个实施方式中，所述套筒为直螺纹套筒。

在至少一个实施方式中，所述柱身包括形成柱体结构的柱身混凝土，所述柱身混凝土形成的柱体结构的上端面和下端面之间的距离为所述柱身的高度，所述柱身的高度小于所述柱头与所述柱脚之间的距离。

在至少一个实施方式中，所述柱身钢筋凸出所述柱身混凝土形成的柱体结构的所述上端面和所述下端面。

在至少一个实施方式中，在所述柱身装入所述柱头和所述柱脚之间的状态下，所述柱身混凝土形成的柱体结构的所述上端面与所述柱头之间具有用于填充空隙的填充混凝土，所述柱身混凝土形成的柱体结构的所述下端面与所述柱脚之间具有用于填充空隙的所述填充混凝土。

在至少一个实施方式中，所述柱组件包括圆球状的铰接球，在所述柱身装入所述柱头和所述柱脚之间的状态下，所述柱身的两端具有所述铰接球。

在至少一个实施方式中，所述柱头、所述柱脚和所述柱身中设置有球形凹槽，所述铰接球抵接所述球形凹槽。

本申请通过控制钢筋在套筒中的锚固长度控制钢筋的脱出难易程度，进而控制钢筋与套筒连接失效的极限变形时刻，使柱端变形可控。并且，通过套筒连接有利于柱身更换，便于柱组件快速恢复功能。在结构的关键柱构件(受轴力最大的柱)临近处增设这种柱端变形可控且柱身易更换的柱组件，能够提高结构的抗震鲁棒性和可恢复性。

附图说明

图1示出了根据本申请实施方式的柱端变形可控且柱身易更换的柱组件的结构示意图。

图2示出了根据本申请实施方式的柱端变形可控且柱身易更换的柱组件的柱头钢筋与柱身钢筋通过套筒连接的结构示意图。

图3A示出了传统技术中节点端钢筋与柱身钢筋的连接结构示意图。

图3B、图3C示出了根据本申请实施方式的柱端变形可控且柱身易更换的柱组件的柱头钢筋与柱身钢筋的连接结构示意图及柱脚钢筋与柱身钢筋的连接结构示意图。

附图标记说明

1柱身；11柱身钢筋；12柱身混凝土；

2柱头；21柱头钢筋；211横向柱头钢筋；212纵向柱头钢筋；

3柱脚；31柱脚钢筋；311横向柱脚钢筋；312纵向柱脚钢筋；

4套筒；41第一套筒；42第二套筒；

5铰接球；

6填充混凝土；

21A第一钢筋；11A第二钢筋

具体实施方式

下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。

本申请的实施方式提供了一种柱端变形可控且柱身易更换的柱组件。如图1所示，该柱组件包括柱身1、柱头2和柱脚3。柱身1能够装入柱头2、柱脚3之间，承担载荷。柱头2可以为上楼板、结构梁或用于与上楼板、结构梁连接的独立连接件(例如柱帽)等。柱脚3可以为下楼板、承台、基础等。在本申请中，柱身1的延伸方向为纵向，与纵向垂直的方向为横向。

柱身1可以包括柱身钢筋11和柱身混凝土12。柱身1的横截面可以为圆形、矩形或其他形状。

柱头2可以包括主体材料(例如混凝土)与埋在主体材料内部(固定连接于柱头2内部)并朝向柱身1延伸的柱头钢筋21。柱头钢筋21可以包括横向埋入柱头2的横向柱头钢筋211与沿纵向延伸的纵向柱头钢筋212，纵向柱头钢筋212可以凸出柱头2的朝向柱身1的面，便于操作套筒4(后面介绍)连接纵向柱头钢筋212与柱身钢筋11。

横向柱头钢筋211与纵向柱头钢筋212可以由单根柱头钢筋21弯折形成，弯折设计可以使柱头钢筋21与柱头2的连接更紧密。柱头2中柱头钢筋21的数量可以不少于柱身钢筋11的数量。

柱脚3可以包括主体材料(例如混凝土)与埋在主体材料内部(固定连接于柱脚3内部)并朝向柱身1延伸的柱脚钢筋31。柱脚钢筋31可以包括横向埋入柱脚3的横向柱脚钢筋311与沿纵向延伸的纵向柱脚钢筋312，纵向柱脚钢筋312可以凸出柱脚3的朝向柱身1的面，便于操作套筒4(后面介绍)连接纵向柱脚钢筋312与柱身钢筋11。

横向柱脚钢筋311与纵向柱脚钢筋312可以由单根柱脚钢筋31弯折形成，弯折设计可以使柱脚钢筋31与柱脚3的连接更紧密。柱脚3中柱脚钢筋31的数量可以不少于柱身钢筋11的数量。

如图1、2所示，本申请提供的柱组件还包括套筒4。套筒4具有内螺纹。纵向柱头钢筋212的端部(朝向柱身1延伸一端)、柱身钢筋11的两端部、柱脚钢筋31的端部(朝向柱身1延伸一端)可以具有外螺纹，柱头钢筋21、柱身钢筋11、柱脚钢筋31能够通过套筒4方便地连接起来，使柱身1的装配简便、易更换。套筒4可以为直螺纹套筒。

参见《钢筋机械连接技术规程》(JGJ107-2016)的6.3.1及图3A，现有技术中，钢筋丝头应在套筒中央位置相互顶紧，在钢筋直径一致且钢筋通过套筒连接时，两个钢筋在套筒的锚固长度为均等分布。即第一钢筋21A在套筒4A中的锚固长度应当与第二钢筋11A在套筒4A中的锚固长度相等，且都等于套筒4A长度L的一半，即第一钢筋21A和第二钢筋11A的锚固长度都等于L/2。此种连接形式在遇到强震时，柱身钢筋11、套筒4会受到弯矩和剪力破坏，造成连接失效，柱身1失去承载能力。

参见图3B，而本申请的一个实施方式中，柱头2处，柱头钢筋21通过第一套筒41连接于柱身钢筋11，且柱头钢筋21在第一套筒41中的锚固长度L1大于柱身钢筋11在第一套筒41中的锚固长度L2。并且，1.5≤L1/L2≤2。参见图3C，柱脚3处同理，柱脚钢筋31通过第二套筒42连接于柱身钢筋11，且柱脚钢筋31在第二套筒42中的锚固长度L3大于柱身钢筋11在第二套筒42中的锚固长度L4。并且，1.5≤L3/L4≤2。钢筋在套筒中可以顶紧，也可以具有间隙。

钢筋锚固在套筒中的锚固长度不同，钢筋在受到载荷时，从套筒4中拔出时对应的变形条件不同。将柱身钢筋11锚固于套筒4中的长度设置得相对较短使得柱身钢筋11易于拔出套筒4。

若载荷未达到变形设计值，柱身钢筋11锚固在套筒4中，柱身1可以与柱头2、柱脚3正常连接；当载荷达到变形设计值，柱身钢筋11与套筒4的连接失效，柱身钢筋11被拔出，柱端部分形成铰结构。铰结构可以在柱身1因受破坏不能承受弯矩和剪力时，为建筑物继续提供轴力支撑，在一定程度上维持纵向承载力。本申请的实施方式正是通过控制钢筋在套筒4中的锚固长度，进而控制套筒4连接失效的极限变形时刻，例如可以在地震带来的载荷达到破坏柱身1之前，使柱身1能够拔出，避免柱身1被弯矩和剪力破坏而失去全部承载能力，即所谓柱端变形可控。

参见《钢筋机械连接技术规程》(JGJ107-2016)中4.0.3的规定2，接头(套筒)宜避开有抗震设防要求的框架的梁端、柱端箍筋加密区；当无法避开时，应采用Ⅱ级接头或Ⅰ级接头，且接头面积百分率(同一连接区段内有接头的受力钢筋截面面积占受力钢筋总截面面积的百分率)不应大于50％。

而本申请中，柱端连接区域的套筒4(接头)的面积百分率可以大于50％，可以等于100％，即所有柱身钢筋11均通过套筒4连接于柱头钢筋21和柱脚钢筋31。本申请与现有技术明显不同，本申请的设置方式使柱身钢筋11易拔出套筒4，使柱端成铰，即不仅推荐在柱端设置套筒4，且推荐尽量使用套筒4，使接头面积百分率大于50％，克服了柱端不宜设置套筒的技术偏见和接头面积百分率不应大于50％的技术偏见。

可以理解，地震过程中，柱身钢筋11和柱身混凝土12将承受轴力和地震剪力。在例如小震、中震发生时及发生后，柱端载荷低于设计值，柱身1仍能正常发挥作用，承担地震或其他因素导致的载荷。当强震发生时，即当柱端变形达到某一阈值后，柱身钢筋11的端部将从套筒中拔出，柱端部分形成铰结构，为建筑物继续提供轴力支撑。且套筒4使柱身1能够快速、容易地更换，实现预期的恢复性。即本申请提供的柱组件能够在受损后承担一定纵向载荷，且可快速恢复功能。

柱身1可以提前浇筑成装配用的模块，柱身混凝土12形成的柱体结构的上端面和下端面之间的距离为柱身1的高度，柱身1的高度可以略小于柱头2、柱脚3之间的距离，便于柱身1装配入柱头2、柱脚3之间。可以在通过套筒4将柱头钢筋21、柱身钢筋11、柱脚钢筋31连接起来后，再用填充混凝土6填充柱身1的上端面与柱头2之间的空隙、柱身1的下端面与柱脚3之间的空隙。可以理解，图1示意性地表达出了柱身混凝土12与填充混凝土6的位置关系。

本申请的实施方式提供的柱组件还包括铰接球5。铰接球5可以为实心圆球、空心圆球等，铰接球5的材料可以为钢或不锈钢等。柱头2、柱脚3、柱身1中固定设置有球形凹槽，球形凹槽可以由两个具有半球形凹槽的钢板拼接而成。例如，半球形凹槽分别位于柱身1的两端部，以及柱头2、柱脚3朝向柱身1的面上。铰接球5设置在球形凹槽中，与球形凹槽具有抵接关系，使得柱身1在装入柱头2、柱脚3之间的状态下，柱身1的两端具有该铰接球5。

本申请提供的柱身易更换的柱组件的柱身更换过程可以表现为，提供预浇筑的柱身1，通过柱身钢筋11、柱头钢筋21、柱脚钢筋31快速定位柱身1与柱头2、柱脚3的连接位置，通过套筒4将柱身钢筋11与柱头钢筋21、柱脚钢筋31连接起来。随后在柱身1与柱头2、柱脚3之间的空隙浇筑填充混凝土6，完成柱身1更换过程。

本申请提出的柱组件应用场景不限制，优选地，可以将柱组件应用于深层地下结构中，可以有效提高地震作用下建筑物的鲁棒性和可恢复性，具有重要的科学、工程意义及广阔的应用前景。

以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种柱端变形可控且柱身易更换的柱组件，其特征在于，所述柱组件包括：

柱身(1)，所述柱身(1)包括柱身钢筋(11)；

柱头(2)，所述柱头(2)包括柱头钢筋(21)；

柱脚(3)，所述柱脚(3)包括柱脚钢筋(31)；以及

套筒(4)，所述套筒(4)包括第一套筒(41)和第二套筒(42)，部分或全部所述柱身钢筋(11)通过所述第一套筒(41)连接于所述柱头钢筋(21)，部分或全部所述柱身钢筋(11)通过所述第二套筒(42)连接于所述柱脚钢筋(31)，所述柱身(1)装在所述柱头(2)和所述柱脚(3)之间，

所述柱头钢筋(21)在所述第一套筒(41)中的锚固长度L1与所述柱身钢筋(11)在所述第一套筒(41)中的锚固长度L2之比满足，1.5≤L1/L2≤2，

所述柱脚钢筋(31)在所述第二套筒(42)中的锚固长度L3与所述柱身钢筋(11)在所述第二套筒(42)中的锚固长度L4之比满足，1.5≤L3/L4≤2。

2.根据权利要求1所述的柱组件，其特征在于，

所述柱身钢筋(11)的通过所述套筒(4)连接于所述柱头钢筋(21)或所述柱脚钢筋(31)的截面面积与所述柱身钢筋(11)的总截面面积之比大于50％。

3.根据权利要求1所述的柱组件，其特征在于，

所述柱身钢筋(11)沿纵向延伸，

所述柱头钢筋(21)包括沿横向埋入所述柱头(2)的横向柱头钢筋(211)与沿所述纵向延伸的纵向柱头钢筋(212)，所述横向柱头钢筋(211)与所述纵向柱头钢筋(212)由所述柱头钢筋(21)一体弯折而成，

所述柱脚钢筋(31)包括沿所述横向埋入所述柱脚(3)的横向柱脚钢筋(311)与沿所述纵向延伸的纵向柱脚钢筋(312)，所述横向柱脚钢筋(311)与所述纵向柱脚钢筋(312)由所述柱脚钢筋(31)一体弯折而成。

4.根据权利要求3所述的柱组件，其特征在于，

所述纵向柱头钢筋(212)凸出于所述柱头(2)的朝向所述柱身(1)的面，所述纵向柱脚钢筋(312)凸出于所述柱脚(3)的朝向所述柱身(1)的面。

5.根据权利要求1所述的柱组件，其特征在于，

所述套筒(4)为直螺纹套筒。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的柱组件，其特征在于，

所述柱身(1)包括形成柱体结构的柱身混凝土(12)，所述柱身混凝土(12)形成的柱体结构的上端面和下端面之间的距离为所述柱身(1)的高度，所述柱身(1)的高度小于所述柱头(2)与所述柱脚(3)之间的距离。

7.根据权利要求6所述的柱组件，其特征在于，

所述柱身钢筋(11)凸出所述柱身混凝土(12)形成的柱体结构的所述上端面和所述下端面。

8.根据权利要求6所述的柱组件，其特征在于，

在所述柱身(1)装入所述柱头(2)和所述柱脚(3)之间的状态下，所述柱身混凝土(12)形成的柱体结构的所述上端面与所述柱头(2)之间具有用于填充空隙的填充混凝土(6)，所述柱身混凝土(12)形成的柱体结构的所述下端面与所述柱脚(3)之间具有用于填充空隙的所述填充混凝土(6)。

9.根据权利要求1所述的柱组件，其特征在于，

所述柱组件包括圆球状的铰接球(5)，在所述柱身(1)装入所述柱头(2)和所述柱脚(3)之间的状态下，所述柱身(1)的两端具有所述铰接球(5)。

10.根据权利要求9所述的柱组件，其特征在于，

所述柱头(2)、所述柱脚(3)和所述柱身(1)中设置有球形凹槽，所述铰接球(5)抵接所述球形凹槽。

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