CN116950260A - 一种钢结构体系及预制装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢结构体系，包括水平抗侧框架以及设置于相邻水平抗侧框架之间的竖向承载框架；所述水平抗侧框架与竖向承载框架上滑动设置用于摩擦耗能的叠合楼板；所述水平抗侧框架包括第一框架柱、第一框架梁以及设置于框架内实现复位功能的自复位支撑；竖向承载框架包括第二框架柱和第二框架梁；第一框架梁通过连接部件与第二框架柱连接，第一框架梁和第二框架梁两端对称设置叠合楼板。一种钢结构体系的预制装配方法，包括预制框架柱、框架梁、自复位支撑、叠合楼板单元和盖板，根据现场施工的需要选用上述模块完成模块之间的装配。本发明可有效改善结构的传力机制，提高结构的抗震韧性；且各组成部件可在工厂预制生产，施工效率高。

Description

一种钢结构体系及预制装配方法
技术领域
本发明属于建筑结构技术领域，尤其是涉及一种钢结构体系及预制装配方法。
背景技术
钢框架—支撑结构体系是目前应用较多的钢结构体系之一，该体系是在钢框架结构基础上设置竖向支撑，提高结构的整体抗侧刚度。钢框架主要承受竖向荷载和少部分的水平荷载，钢支撑则承担水平荷载，形成双重抗侧力的结构体系。现有的钢框架-支撑体系仍存在以下缺陷：节点为梁、柱和钢支撑三种构件的连接，构造和受力复杂；传力路线较长，抗侧效果较差；中心支撑在地震后易发生侧向屈曲，导致结构体系无法继续正常工作；偏心支撑的构造复杂，大震后耗能梁的屈服会导致楼板破坏，支撑会出现变形，耗能能力有限；支撑常常影响洞口的设置，降低了建筑布局的灵活性，且在钢支撑处无法采用墙板，只能采用砌筑方式；预制混凝土叠合楼板是我国钢结构住宅中使用较多的楼板类型之一，具有整体性好，刚度大，可节省模板，而且板的上下表面平整，便于饰面层装修等优点，但叠合楼板中的桁架高度误差经常导致较大线管无法正常预埋，放射筋外露等现象。
此外，就抗震机制而言，在传统钢结构中，承担结构使用功能的体系与承担结构地震作用的体系为同一体系，承担使用功能的结构构件与承担地震作用的结构构件为同一构件，截面中耗散能量部分与承担使用功能部分处于同一截面，这种串联式的抗震机制无法满足结构的抗震韧性需求。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种抗震韧性好、施工难度小的钢结构体系；本发明的另一目的是提供一种钢结构体系的预制装配方法。
技术方案：一种钢结构体系，包括水平抗侧框架以及设置于相邻水平抗侧框架之间的竖向承载框架；所述水平抗侧框架与竖向承载框架上滑动设置用于摩擦耗能的叠合楼板；所述水平抗侧框架包括第一框架柱、第一框架梁以及设置于框架内实现复位功能的自复位支撑；竖向承载框架包括第二框架柱和第二框架梁；第一框架梁通过连接部件与第二框架柱连接，第一框架梁和第二框架梁两端对称设置叠合楼板。
其中，所述叠合楼板包括叠合楼板单元、后浇混凝土、复位高强拉杆、盖板和防撞条；叠合楼板单元设置于第一框架梁上，复位高强拉杆穿过第二框架柱设置于第二框架梁上，叠合楼板内设置后浇混凝土，叠合楼板上侧的端部连接盖板，盖板、框架柱及叠合楼板之间通过防撞条嵌填密实。
其中，所述叠合楼板单元包括相邻设置的标准叠合楼板单元和圆角叠合楼板单元；复位高强拉杆包括拉杆主体和设置预留孔的肋片，相邻高强拉杆之间的肋片和冷弯薄壁型钢片通过自攻螺钉拉结；盖板为预制槽型混凝土板。
其中，所述第一框架柱和第二框架柱均为设置预留螺栓孔的型钢构件，第二框架柱还设置加劲肋；第一框架梁和第二框架梁均为上翼缘开槽的型钢构件；第一框架梁的两端和跨中下翼缘均设置预留螺栓孔；第二框架梁在两端设置预留螺栓孔且梁端呈楔形。
其中，所述第一框架梁与第一框架柱、第二框架柱通过带肋T型钢板、第一角钢进行连接；第二框架梁与第一框架柱、第二框架柱通过不带肋T型钢板、第二角钢连接。
其中，所述自复位支撑通过铰接件与第一框架梁以及框架柱进行连接，通过楔形件与第一框架梁连接。
其中，所述自复位支撑包括主杆以及设置于主杆上部的套筒，套筒内设有齿条杆，齿条杆的两端通过碟型弹簧与套筒内部的两个端面连接，齿条杆与设置于外板上的齿轮相啮合；主杆两端设有主杆和齿条杆的端部均设置连接铰。
其中，所述套筒包括下端的封板，封板设置内螺纹螺栓孔，主杆与封板通过螺栓连接，套筒的上端沿筒的内径设置挡条，套筒的筒身开设有槽；齿条杆的中部为设置双面齿的矩形齿条，矩形齿条的一端焊有尾板，另一端与螺杆焊接成整体。
其中，所述外板为预留螺栓孔的L型钢构件，两组外板之间通过连接铰固定齿条杆实现能量的传递与消耗。
一种钢结构体系的预制装配方法，包括以下步骤：
步骤1、预制、装配框架柱和框架梁：根据楼层高度和跨度确定第一框架柱、第一框架梁、第二框架柱、第二框架梁的预留螺栓孔和加劲肋的位置并进行预制；将第一框架柱、第二框架柱安装在目标楼层的设计位置后，将连接板与第一框架柱和第二框架柱固定连接；将第一框架梁、第二框架梁安装在目标位置后，将第一框架梁、第二框架梁与连接板固定连接，并将第一框架柱、第一框架梁、第二框架柱、第二框架梁通过连接角钢进一步固定连接，完成目标楼层的框架柱和框架梁的安装；
步骤2、预制、装配自复位支撑：将套筒、齿条杆、碟型弹簧、齿轮、衬片、挡块和外板组装完成后，将主杆与套筒通过螺栓固定连接，完成自复位支撑的预制；将铰接件和楔形件分别安装在目标位置后，将主杆的连接铰和外板分别与铰接件和楔形件固定连接，完成目标楼层的自复位支撑的安装；
步骤3、预制、装配叠合楼板：根据框架柱的轴线间距确定标准叠合楼板单元尺寸和圆角叠合楼板单元的切口位置并进行叠合楼板单元的预制；将叠合楼板单元安装至设计位置后，在第一框架梁和第二框架梁的目标位置设置摩擦片和楼板预留孔；将高强拉杆安装在目标位置后，将相邻高强拉杆的肋片和冷弯薄壁型钢片通过自攻螺钉进行拉结；布置线管，后浇混凝土，完成叠合楼板的安装；
步骤4、预制安装盖板，安装防撞条和高强螺栓：按圆角叠合楼板单元的半径扣除防撞条宽度后的尺寸预制盖板；将高强螺栓依次穿过步骤中叠合楼板的预留孔、摩擦片、第一框架梁和第二框架梁上翼缘的预留槽、垫板后固定连接并施加预紧力；安装盖板并在盖板与框架柱及叠合楼板之间通过防撞条嵌填密实；完成目标楼层的安装；
步骤5、按照上述步骤依次安装其余楼层；对各楼层中的高强拉杆施加预紧力，完成整体结构的安装。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著的进步：
(1)本发明通过以下手段实现结构中结构体系、构件和截面三个层次抗震与使用功能的并联：a.分别设置水平抗侧框架和竖向承载框架实现承担结构使用功能的体系与承担结构地震作用的体系的划分；b.通过在水平抗侧框架中设计自复位支撑耗能、第一框架柱和第一框架梁抗剪、抗弯，在竖向承载框架中设计第二框架梁与第二框架柱铰接，实现承担使用功能的结构构件与承担地震作用的结构构件的划分；c.通过设计自复位支撑与第一框架柱和第一框架梁铰接、叠合楼板与第一框架梁和第二框架梁之间可相对滑动摩擦耗能实现截面层次上耗散能量部分与承担使用功能部分的划分。
(2)本发明中的自复位支撑具有碟型弹簧可变形耗能和复位，齿条带动齿轮与衬片之间摩擦可放大耗能效果的特点，使自复位支撑在较小的轴向变形即可具备较大的耗能能力，且自复位支撑两端与第一框架柱和第一框架梁铰接，传力简单，避免支撑在过大的拉压变形下出现连接破坏或支撑失稳破坏等不利破坏模式，确保水平抗侧框架的抗震可恢复性。
(3)本发明中具有楔形截面的第二框架梁与第二框架柱铰接，这种处理使竖向承载框架中的梁柱节点弯矩得到释放，第二框架梁和叠合楼板之间可充分滑动变形，将难以修复的梁铰破坏耗能机制转变为可更换摩擦片的楼板摩擦低损伤耗能机制，此外，梁柱节点处弯矩的释放亦可避免负弯矩区叠合楼板开裂，结构的抗震韧性可大幅提高。
(4)本发明中的高强拉杆一方面为叠合楼板提供了复位功能，另一方面，肋片与冷弯薄壁型钢片相互拉结后使后浇混凝土受到三向“环箍”作用，可替代放射筋，既保证了叠合楼板的整体性，也便于线管埋设。同时，本发明中的盖板可拆卸，便于线管检修，且放宽了叠合楼板桁架钢筋的预制误差，提高了叠合楼板的施工便捷性。
(5)一种钢结构体系的各组成部件可在工厂预制生产，现场装配仅需少量集中的后浇处理，人工需求量少且不需要模板和临时支撑，大大提高了施工效率。
附图说明
图1为本发明中钢结构体系的结构示意图；
图2为本发明中水平抗侧框架的构造示意图；
图3为本发明中竖向承载框架的构造示意图；
图4为本发明第一框架柱——第一框架梁节点构造详图；
图5为本发明第二框架柱——第二框架梁节点构造详图。
图6为本发明中第一框架梁和第二框架梁的构造示意图；
图7为本发明中自复位支撑的构造示意图；
图8为本发明中自复位支撑的A-A剖面示意图；
图9为本发明中自复位支撑套筒内部结构示意图；
图10为本发明中自复位支撑外板的结构示意图；
图11为本发明叠合楼板拼装示意图；
图12为本发明高强拉杆结构示意图；
图13为本发明相连高强拉杆之间的拉结示意图；
图14为本发明中连接板构造示意图；
图15为本发明中连接角钢构造示意图；
图16为本发明中铰接件的结构示意图；
图17为本发明中楔形件的结构示意图。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明中的一种钢结构体系，包括水平抗侧框架1、竖向承载框架2、叠合楼板3和连接部件4；水平抗侧框架1为实现承担结构使用功能的体系和竖向承载框架2为承担结构地震作用的体系。水平抗侧框架1由第一框架柱11、第一框架梁12和自复位支撑13组成；竖向承载框架2由第二框架柱21和第二框架梁22组成；叠合楼板3由叠合楼板单元31、后浇混凝土32、复位高强拉杆33、盖板34和防撞条35组成；连接部件4包括连接板41、连接角钢42、高强螺栓43、垫板44、摩擦片45、铰接件46和楔形件47；水平抗侧框架1与竖向承载框架2上滑动设置用于摩擦耗能的叠合楼板3；水平抗侧框架1包括第一框架柱11、第一框架梁12以及设置于框架内实现复位功能的自复位支撑13；竖向承载框架2包括第二框架柱11和第二框架梁22；第一框架梁12通过连接部件4与第二框架柱11连接，第一框架梁12和第二框架梁22两端对称设置叠合楼板3；在水平抗侧框架1中设计自复位支12撑耗能、第一框架柱11和第一框架梁12抗剪、抗弯，在竖向承载框架2中设计第二框架梁22与第二框架柱21铰接，分别承担使用功能与地震作用。
如图4-6所示，第一框架柱11和第二框架柱21均为设置预留螺栓孔的型钢构件；区别在于：第二框架柱21还设置加劲肋211。第一框架梁12和第二框架梁22均为上翼缘开槽的型钢构件；区别在于：第一框架梁12的两端和跨中下翼缘均设置预留螺栓孔；第二框架梁22仅在两端设置预留螺栓孔且梁端呈楔形；第一框架梁12与第一框架柱11、第二框架柱21通过带肋T型钢板411、第一角钢421进行连接；第二框架梁22与第一框架柱11、第二框架柱21通过不带肋T型钢板412、第二角钢422连接。
如图7-10所示，自复位支撑13包括主杆131、套筒132、齿条杆133、碟型弹簧134、齿轮135、衬片136、挡块137和外板138；其中，套筒132的封板1321设置内螺纹螺栓孔，主杆131与封板1321通过螺栓连接，套筒132的另一端沿筒的内径设置挡条1322，套筒132的筒身1323开槽1324；齿条杆133的中部为设置双面齿的矩形齿条1331，矩形齿条1331的一端焊有尾板1332，另一端与螺杆1333焊接成整体；齿轮135和衬片136均设置圆形和弧形螺栓孔；挡块137中心设置圆形孔；外板138为预留螺栓孔的L型钢构件；主杆131和齿条杆133的端部均设置连接铰139；矩形齿条1331带动齿轮135与衬片136之间摩擦可放大耗能效果的特点，使自复位支撑13在较小的轴向变形即可具备较大的耗能能力，且自复位支撑13两端与第一框架柱11和第一框架梁12铰接，传力简单，避免支撑在过大的拉压变形下出现连接破坏或支撑失稳破坏等不利破坏模式，确保水平抗侧框架的抗震可恢复性。
如图4-5、11-13所示，叠合楼板单元31包括标准叠合楼板单元311和圆角叠合楼板单元312；复位高强拉杆33包括拉杆主体331和设置预留孔的肋片332，相邻高强拉杆33之间的肋片332和冷弯薄壁型钢片333通过自攻螺钉334拉结；盖板34为预制槽型混凝土板；盖板34与框架柱及叠合楼板3之间通过防撞条35嵌填密实；叠合楼板31提供了复位功能，另一方面，肋片332与冷弯薄壁型钢片相互拉结后使后浇混凝土受到三向“环箍”作用，可替代放射筋，既保证了叠合楼板的整体性，也便于线管埋设。
如图2-5、14-17所示，连接板41为预留螺栓孔的T型钢板，包括带肋T型钢板411和不带肋T型钢板412，其中带肋T型钢板411用于第一框架梁12下翼缘与框架柱的连接，不带肋T型钢板412用于第二框架梁22下翼缘与框架柱的连接；连接角钢42包括第一角钢421和第二角钢422，第一角钢421用于第一框架梁12腹板与框架柱的连接，第二角钢422用于第二框架梁22腹板与框架柱的连接；铰接件46为焊接成型一体钢构件，用于自复位支撑13与第一框架梁12上翼缘和框架柱之间的连接；楔形件47为上翼缘开孔、下翼缘开槽的焊接一体型钢构件，用于自复位支撑13与第一框架梁12下翼缘之间的连接。
一种钢结构体系的预制方法包括以下步骤：预制框架柱、框架梁、连接板41和连接件42：根据楼层高度和跨度确定第一框架柱11、第一框架梁12、第二框架柱21、第二框架梁22的预留螺栓孔和加劲肋的位置并进行预制；预制连接板41和连接角钢42；预制自复位支撑13、铰接件46和楔形件47：将套筒132、齿条杆133、碟型弹簧134、齿轮135、衬片136、挡块137和外板138组装完成后，将主杆131与套筒132通过螺栓固定连接，完成自复位支撑13的预制；预制铰接件46和楔形件47；预制叠合楼板单元31和盖板34：根据框架柱的轴线间距确定标准叠合楼板单元311尺寸和圆角叠合楼板单元312的切口位置并进行叠合楼板单元31的预制；按圆角叠合楼板单元312的半径扣除防撞条35宽度后的尺寸预制盖板34；
根据上述步骤中预制的框架柱、框架梁、自复位支撑13、叠合楼板单元31、盖板34和连接件4完成钢结构体系的现场安装，其装配方法包括以下步骤：
步骤1、装配框架柱和框架梁：如图1-3所示，将第一框架柱11、第二框架柱21安装在目标楼层的设计位置后，将连接板41与第一框架柱11和第二框架柱21固定连接；将第一框架梁12、第二框架梁22安装在目标位置后，将第一框架梁12、第二框架梁22与连接板41固定连接，并将第一框架柱11、第一框架梁12、第二框架柱21、第二框架梁22通过连接角钢42进一步固定连接，完成目标楼层的框架柱和框架梁的安装；
步骤2、装配自复位支撑13：如图2-5所示，将铰接件46和楔形件47分别安装在目标位置后，将主杆的连接铰139和外板138分别与铰接件46和楔形件47固定连接，完成目标楼层的自复位支撑13的安装；
步骤3、装配叠合楼板3：如图4-5、11-13所示，将叠合楼板单元31安装至设计位置后，在第一框架梁12和第二框架梁22的目标位置设置摩擦片45和楼板预留孔；将高强拉杆33安装在目标位置后，将相邻高强拉杆33的肋片332和冷弯薄壁型钢片333通过自攻螺钉334进行拉结；布置线管，后浇混凝土32，完成叠合楼板3的安装；
步骤4、安装盖板34、防撞条35和高强螺栓43：将高强螺栓43依次穿过步骤3中叠合楼板3的预留孔、摩擦片45、第一框架梁12和第二框架梁22上翼缘的预留槽、垫板44后固定连接并施加预紧力；安装盖板34并在盖板34与框架柱及叠合楼板3之间通过防撞条35嵌填密实；完成目标楼层的安装；
步骤5、按照上述步骤依次安装其余楼层；对各楼层中的高强拉杆33施加预紧力，完成整体结构的安装。

Claims (10)

1.一种钢结构体系，包括水平抗侧框架(1)以及设置于相邻水平抗侧框架(1)之间的竖向承载框架(2)；其特征在于：所述水平抗侧框架(1)与竖向承载框架(2)上滑动设置用于摩擦耗能的叠合楼板(3)；所述水平抗侧框架(1)包括第一框架柱(11)、第一框架梁(12)以及设置于框架内实现复位功能的自复位支撑(13)；竖向承载框架(2)包括第二框架柱(11)和第二框架梁(22)；第一框架梁(12)通过连接部件(4)与第二框架柱(11)连接，第一框架梁(12)和第二框架梁(22)两端对称设置叠合楼板(3)。
2.根据权利要求1所述的一种钢结构体系，其特征在于，所述叠合楼板(3)包括叠合楼板单元(31)、后浇混凝土(32)、复位高强拉杆(33)、盖板(34)和防撞条(35)；叠合楼板单元(31)设置于第一框架梁(12)上，复位高强拉杆(33)穿过第二框架柱(21)设置于第二框架梁(22)上，叠合楼板(3)内设置后浇混凝土(32)，叠合楼板(3)上侧的端部连接盖板(34)，盖板(34)、框架柱及叠合楼板(3)之间通过防撞条(35)嵌填密实。
3.根据权利要求2所述的一种钢结构体系，其特征在于，所述叠合楼板单元(31)包括相邻设置的标准叠合楼板单元(311)和圆角叠合楼板单元(312)；复位高强拉杆(33)包括拉杆主体(331)和设置预留孔的肋片(332)，相邻高强拉杆(33)之间的肋片(332)和冷弯薄壁型钢片(333)通过自攻螺钉(334)拉结；盖板(34)为预制槽型混凝土板。
4.根据权利要求1所述的一种钢结构体系，其特征在于，所述第一框架柱(11)和第二框架柱(21)均为设置预留螺栓孔的型钢构件，第二框架柱(21)还设置加劲肋(211)；第一框架梁(12)和第二框架梁(22)均为上翼缘开槽的型钢构件；第一框架梁(12)的两端和跨中下翼缘均设置预留螺栓孔；第二框架梁(22)在两端设置预留螺栓孔且梁端呈楔形。
5.根据权利要求4所述的一种钢结构体系，其特征在于，所述第一框架梁(12)与第一框架柱(11)、第二框架柱(21)通过带肋T型钢板(411)、第一角钢(421)进行连接；第二框架梁(22)与第一框架柱(11)、第二框架柱(21)通过不带肋T型钢板(412)、第二角钢(422)连接。
6.根据权利要求1所述的一种钢结构体系，其特征在于，所述自复位支撑(13)通过铰接件(46)与第一框架梁(12)以及框架柱进行连接，通过楔形件(47)与第一框架梁(12)连接。
7.根据权利要求6所述的一种钢结构体系，其特征在于，所述自复位支撑(13)包括主杆(131)以及设置于主杆(131)上部的套筒(132)，套筒(132)内设有齿条杆(133)，齿条杆(133)的两端通过碟型弹簧(134)与套筒(132)内部的两个端面连接，齿条杆(133)与设置于外板(138)上的齿轮(135)相啮合；主杆(131)两端设有主杆(131)和齿条杆(133)的端部均设置连接铰(139)。
8.根据权利要求7所述的一种钢结构体系，其特征在于，所述套筒(132)包括下端的封板(1321)，封板(1321)设置内螺纹螺栓孔，主杆(131)与封板(1321)通过螺栓连接，套筒(132)的上端沿筒的内径设置挡条(1322)，套筒(132)的筒身(1323)开设有槽(1324)；齿条杆(133)的中部为设置双面齿的矩形齿条(1331)，矩形齿条(1331)的一端焊有尾板(1332)，另一端与螺杆(1333)焊接成整体。
9.根据权利要求7所述的一种钢结构体系，其特征在于，所述外板(138)为预留螺栓孔的L型钢构件，两组外板(138)之间通过连接铰(139)固定齿条杆(133)实现能量的传递与消耗。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的一种钢结构体系的预制装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、预制、装配框架柱和框架梁：根据楼层高度和跨度确定第一框架柱(11)、第一框架梁(12)、第二框架柱(21)、第二框架梁(22)的预留螺栓孔和加劲肋的位置并进行预制；将第一框架柱(11)、第二框架柱(21)安装在目标楼层的设计位置后，将连接板(41)与第一框架柱(11)和第二框架柱(21)固定连接；将第一框架梁(12)、第二框架梁(22)安装在目标位置后，将第一框架梁(12)、第二框架梁(22)与连接板(41)固定连接，并将第一框架柱(11)、第一框架梁(12)、第二框架柱(21)、第二框架梁(22)通过连接角钢(42)进一步固定连接，完成目标楼层的框架柱和框架梁的安装；
步骤2、预制、装配自复位支撑(13)：将套筒(132)、齿条杆(133)、碟型弹簧(134)、齿轮(135)、衬片(136)、挡块(137)和外板(138)组装完成后，将主杆(131)与套筒(132)通过螺栓固定连接，完成自复位支撑(13)的预制；将铰接件(46)和楔形件(47)分别安装在目标位置后，将主杆的连接铰(139)和外板(138)分别与铰接件(46)和楔形件(47)固定连接，完成目标楼层的自复位支撑(13)的安装；
步骤3、预制、装配叠合楼板(3)：根据框架柱的轴线间距确定标准叠合楼板单元(311)尺寸和圆角叠合楼板单元(312)的切口位置并进行叠合楼板单元(31)的预制；将叠合楼板单元(31)安装至设计位置后，在第一框架梁(12)和第二框架梁(22)的目标位置设置摩擦片(45)和楼板预留孔；将高强拉杆(33)安装在目标位置后，将相邻高强拉杆(33)的肋片(332)和冷弯薄壁型钢片(333)通过自攻螺钉(334)进行拉结；布置线管，后浇混凝土(32)，完成叠合楼板(3)的安装；
步骤4、预制安装盖板(34)，安装防撞条(35)和高强螺栓(43)：按圆角叠合楼板单元(312)的半径扣除防撞条(35)宽度后的尺寸预制盖板(34)；将高强螺栓(43)依次穿过步骤3中叠合楼板(3)的预留孔、摩擦片(45)、第一框架梁(12)和第二框架梁(22)上翼缘的预留槽、垫板(44)后固定连接并施加预紧力；安装盖板(34)并在盖板(34)与框架柱及叠合楼板(3)之间通过防撞条(35)嵌填密实；完成目标楼层的安装；
步骤5、按照上述步骤依次安装其余楼层；对各楼层中的高强拉杆(33)施加预紧力，完成整体结构的安装。
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