CN207974266U - 一种装配式x形防屈曲支撑连梁 - Google Patents

一种装配式x形防屈曲支撑连梁 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种装配式X形防屈曲支撑连梁,包括X形连梁、楼层过梁和洞口过梁;楼层过梁设置在楼层标高处,楼层过梁两端与墙肢相铰接;洞口过梁设置在洞口的顶部,洞口过梁两端与墙肢相铰接;X形连梁设置在楼层过梁与洞口过梁之间,X形连梁包括两个交叉后呈X形布置的防屈曲支撑;每个防屈曲支撑的两端均与墙肢相铰接。本实用新型的装配式X形防屈曲支撑连梁,从连梁受力特点出发,充分考虑施工安装的便捷性,充分考虑连梁的耗能需求,采用了防屈曲支撑连梁。另外,支撑制作简单、更换方便,同时受力简单,截面内力只有拉力或压力,且全截面等值;而且,防屈曲支撑连梁的延性性能高于现有的混凝土连梁和剪切式金属阻尼器连梁。

Description

一种装配式X形防屈曲支撑连梁
技术领域
本实用新型涉及建筑工程振(震)动控制技术领域,特别是一种装配式X形防屈曲支撑连梁。
背景技术
剪力墙中的连梁,两端连接着主要抗侧力构件-剪力墙肢,是重要的结构构件发挥着第一道防线的重要作用,如何保证连梁在“小震”、“中震”、“大震”地震作用下的刚度和承载能力,是结构抗震设计的重要内容。
连梁与墙肢的连接部位,对于现有的预制装配式工程,是重点、弱点、难点。这是结构抗震的关键受力部位,地震作用大,抗震要求高。当连接失效了,墙的约束失效,墙就变成楼房高的孤零零的悬臂墙,其抗弯与抗剪能力大大降低。
另外,现有连梁还存在着如下不足,有待改进。
第一,墙肢端部一般设置边缘构件,集中配置纵筋与箍筋。施工按照传统的现浇混凝土结构进行施工,支模、浇筑混凝土施工难度加大。
第二,混凝土连梁的截面高度大,预制件的制造、运输以及吊装都较为困难,钢筋较多,与墙的连接施工工作量大。
第三,现有技术连梁与墙肢的做法,工期长、造价高、抗震性能差。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,而提供一种装配式X形防屈曲支撑连梁,该装配式X形防屈曲支撑连梁,从连梁受力特点出发,充分考虑施工安装的便捷性,充分考虑连梁的耗能需求,采用了防屈曲支撑连梁。另外,支撑制作简单、更换方便,同时受力简单,截面内力只有拉力或压力,且全截面等值;而且,防屈曲支撑连梁的延性性能高于现有的混凝土连梁和剪切式金属阻尼器连梁。
为解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案是:
一种装配式X形防屈曲支撑连梁,包括X形连梁、楼层过梁和洞口过梁。
楼层过梁设置在楼层标高处,楼层过梁两端与墙肢相连接。
洞口过梁设置在洞口的顶部,洞口过梁两端与墙肢相连接。
X形连梁设置在楼层过梁与洞口过梁之间,X形连梁包括两个交叉后呈X形布置的防屈曲支撑;每个防屈曲支撑的两端均与墙肢相连接。
楼层过梁两端与墙肢相铰接,洞口过梁两端与墙肢相铰接,每个防屈曲支撑的两端均与墙肢相铰接。
每个防屈曲支撑均包括核心耗能管、内螺纹连接钢管、外螺纹连接钢管、外侧横向约束钢管和内侧横向约束件。
核心耗能管采用软钢材料制成,核心耗能管包括位于中部的耗能段和位于两端的连接段,且连接段与耗能段一体设置。
核心耗能管套装在内侧横向约束件的外周,外侧横向约束钢管套装在核心耗能管的外周。
位于一端的连接段通过内螺纹与内螺纹连接钢管螺纹连接,且内螺纹连接钢管与内侧横向约束件固定连接。
位于另一端的连接段通过外螺纹与外螺纹连接钢管螺纹连接,且外螺纹连接钢管与外侧横向约束钢管固定连接。
内螺纹连接钢管的尾部固定设置有端板一,外侧横向约束钢管的尾端与端板一之间具有外空隙。
外螺纹连接钢管的尾部设置有端板二,内侧横向约束件的尾端至端板二之间具有内空隙。
端板一通过耳环与墙肢上的预埋件相铰接,端板二通过耳环与墙肢上的预埋件相铰接。
外空隙的长度不小于核心耗能管的最大轴向拉伸变形。
内空隙的长度不小于核心耗能管的最大轴向压缩变形。
楼层过梁和洞口过梁均为型钢或钢筋混凝土。
位于楼层过梁和洞口过梁之间的X形连梁的外侧包封有水泥板或防火材料。
X形连梁与楼层过梁和洞口过梁形成的四个三角形区域内穿设有电缆桥架、消防水管或送排风管。
本实用新型具有的有益效果是:本实用新型的装配式X形防屈曲支撑连梁,从连梁受力特点出发,充分考虑施工安装的便捷性,充分考虑连梁的耗能需求,采用了防屈曲支撑连梁。另外,支撑制作简单、更换方便,同时受力简单,截面内力只有拉力或压力,且全截面等值;而且,防屈曲支撑连梁的延性性能高于现有的混凝土连梁和剪切式金属阻尼器连梁。
附图说明
图1显示了本实用新型一种装配式X形防屈曲支撑连梁的结构示意图。
图2显示了本实用新型一种装配式X形防屈曲支撑连梁的剖面图。
图3显示了防屈曲支撑第一种实施例的结构示意图。
图4显示了防屈曲支撑第二种实施例的结构示意图。
图5显示了常规预制装配式连梁的构造大样图。
图6显示了本实用新型中装配式X形防屈曲支撑连梁的构造大样图。
图7显示了X形连梁出力-位移曲线。
图8显示了现有技术连梁出力-位移曲线。
图9显示了X形连梁的剪力墙计算简图。
其中有:
10、X形连梁;
11、核心耗能管;12、内螺纹连接钢管;121、端板一;13、外螺纹连接钢管;131、端板二;14、外侧横向约束钢管;15、内侧横向约束件;16、耗能段;17、连接段;
20、楼层过梁;21、楼层标高;22、后浇混凝土;
30、洞口过梁;40、墙肢;50、洞口;60、预制梁。
另外,图3中字母a表示外空隙,字母b表示内空隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1、图2和图6所示,一种装配式X形防屈曲支撑连梁,包括X形连梁10、楼层过梁20和洞口过梁30。
结合楼板,在楼层标高21处设置楼层过梁,楼层过梁两端与墙肢40相连接,优选采用销轴与墙肢上的预埋件相铰接。其中,墙肢为预制墙。
洞口过梁设置在洞口50的顶部,洞口过梁两端与墙肢相连接,优选采用销轴与墙肢上的预埋件相铰接。
进一步,楼层过梁和洞口过梁均优选为型钢或钢筋混凝土等。
由于连梁部位的竖向荷载小而水平作用的内力大,因此,楼层过梁20和洞口过梁30的设置,可以将连梁的竖向荷载作用和水平作用分开。在竖向,由楼层过梁20和洞口过梁30 组成的简支梁承载。
X形连梁设置在楼层过梁与洞口过梁之间,X形连梁包括两个交叉后呈X形布置的防屈曲支撑;每个防屈曲支撑的两端均与墙肢相连接,优选为相铰接。
如图3和图4所示,每个防屈曲支撑均包括核心耗能管11、内螺纹连接钢管12、外螺纹连接钢管13、外侧横向约束钢管14和内侧横向约束件15。
核心耗能管采用软钢或铝材料制成,核心耗能管包括位于中部的耗能段16和位于两端的连接段17,且连接段与耗能段一体设置。
当核心耗能管采用铝材制成时,能适用于变形较大的情况,且铝材取材容易,制作成本低。当然,作为替换,当现有技术中其他结构的核心耗能管若也采用铝材制成,将与本申请的构思相同,也属于本申请的保护范围之内。
核心耗能管套装在内侧横向约束件的外周,内侧横向约束件可以是如图3所示的钢管,也可以是如图4所示的混凝土柱。
外侧横向约束钢管套装在核心耗能管的外周。
位于一端的连接段通过内螺纹与内螺纹连接钢管螺纹连接,且内螺纹连接钢管与内侧横向约束件固定连接,不允许其沿纵向自由滑动。
当内侧横向约束件为钢管时,内螺纹连接钢管与内侧横向约束件之间优选采用点焊连接。
当内侧横向约束件为混凝土柱时,优选采用螺栓或现浇等方式进行固定连接。
位于另一端的连接段通过外螺纹与外螺纹连接钢管螺纹连接,且外螺纹连接钢管与外侧横向约束钢管固定连接。外螺纹连接钢管与外侧横向约束钢管之间优选采用点焊连接,不允许其沿纵向自由滑动。
内螺纹连接钢管的尾部固定设置有端板一121,外侧横向约束钢管的尾端与端板一之间具有外空隙a,其中,外空隙的长度不小于核心耗能管的最大轴向拉伸变形。
外螺纹连接钢管的尾部设置有端板二131,内侧横向约束件的尾端至端板二之间具有内空隙b,其中,内空隙的长度不小于核心耗能管的最大轴向压缩变形。
端板一和端板二的外侧均优选固定设置有耳环,端板一和端板二分别通过耳环与对应墙肢上的预埋件相铰接。
内螺纹连接钢管和外螺纹连接钢管的强度应该足够大,保证其应力水平始终小于自身钢管的屈服强度。核心耗能管与内螺纹连接钢管和外螺纹连接钢管采用螺纹的连接方式,螺纹连接强度要远大于芯材的做大内力要求,从而解决了核心耗能管两端自由伸缩时的局部屈曲问题。
另外,外侧横向约束钢管和内侧横向约束件与核心耗能管之间的接触面均优选采用光滑耐磨材料。
进一步,位于楼层过梁和洞口过梁之间的X形连梁的外侧优选包封有水泥板或防火材料等。
进一步,X形连梁与楼层过梁和洞口过梁形成的四个三角形区域内穿设有电缆桥架、消防水管或送排风管等。
连梁的重点就集中在如何保证其延性能力,保证水平地震作用下连梁的承载能力不致失效。
本实用新型中,由于防屈曲支撑中的核心耗能管是耗能延性良好的芯材,芯材受到混凝土或钢材的横向约束,芯材承受水平地震作用下的拉力或压力作用,横向约束构件不承受结构内力。在横向约束作用下,核心耗能管受反复拉压作用时均只发生屈服而不发生屈曲。因此,本实用新型中的防屈曲支撑是力学性质良好的耗能构件。
防屈曲支撑两端与墙肢采用销轴式铰接支座,支座构造简单,防屈曲支撑就是标准的“二力杆”,受力明确。用“二力杆”的轴向刚度给墙肢提供约束刚度,用“二力杆”的轴向拉力或压力给墙肢提供约束弯矩和剪力,在“小震”、“中震”、“大震”不同的地震作用阶段,发挥防屈曲支撑不同阶段的刚度和承载能力。
上述楼层过梁和洞口过梁,允许在地震作用下,两端出现塑性铰,构成纯简支梁,继续承载。而X形连梁,则以其防屈曲性能,继续承担往复的水平地震作用而不损坏。因此,楼层过梁和洞口过梁与X形连梁,组成本实用新型的复合连梁体系。
进行结构设计时,直接输入等效斜杆,定义其为防屈曲支撑,在中国建筑科学研究院开发的PKPM设计软件上进行消能减震设计。在“小震”作用时,防屈曲支撑处于弹性阶段,其轴向刚度对墙肢提供约束作用。在“中震”作用和“大震”作用下,防屈曲支撑进入塑性阶段,通过滞回耗能消耗结构振动能量,达到消能减震目的。
在遭受地震作用以后,X形连梁、楼层过梁和洞口过梁可能会发生较大的塑性变形,X形连梁很容易更换。楼层过梁和洞口过梁当采用钢梁时,更换同样非常方便。楼层过梁和洞口过梁当采用混凝土过梁时,由于荷载小,跨度小,过梁截面和配筋下,重新植筋浇筑混凝土,施工也非常便捷。
为表明本实用新型相对于现有技术的优越性,特举一个单片双肢剪力墙为例。墙肢总长 6米,洞口宽2米。层高4.5米,洞高2.4米,连梁高度2.1米。墙上折算线荷载50kn/m,设防地震烈度8度,设计地震基本加速度0.3g。剪力墙中分别设有现有技术钢筋混凝土连梁和本实用新型X形防屈曲支撑连梁,其结构计算设计指标,采用如图9所示的表格方式,进行对比,见表1以及续表1。
本实用新型与常规结构的性能对比表1
本实用新型与常规结构的性能对比 续表1
连梁最主要的性能指标:结构自振周期、层间位移角、底层剪力,现将这些性能指标与现有连梁进行对比分析如下。
1、结构自振周期
现有技术的结构自振周期1.0186秒,本实用新型的结构自振周期1.0189秒,两者相差 0.0003%,误差在工程允许范围5%的范围之内。
2、层间位移角
本实用新型与现有技术的2层以上各层的层间位移角基本相等,差别在工程允许5%的范围之内。对于一层,本实用新型的层间位移角降低40%,性能指标更好。
3、层间地震剪力
本实用新型与现有技术的各层的层间地震剪力基本相等,差别在工程允许5%的范围之内。
上述三个指标是结构抗震设计的关键控制指标。在此基础的对比才具有科学意义。在此基础之上,对结构构件的内力指标进行对比如下:
1、墙肢的轴压比、剪压比、剪跨比大大降低
墙肢的轴压比是影响墙肢抗震延性的重要指标,本实用新型的连梁墙肢,地震作用下墙肢轴压比降低61%。地震作用下墙肢剪压比降低33%。地震作用的影响大大衰减,墙肢延性大大增强。墙肢剪跨比变大,由0.62改为2.36,说明墙肢的抗剪能力大大改善,墙肢由受剪破坏模式变为受弯破坏模式,延性能力大大改善。
2、剪力墙边缘构件的配筋明显减小
本实用新型的连廊,剪力墙边缘构件的纵筋配筋由1206mm2减少至736mm2,占比40%。
3、连梁内力
现有技术,钢筋混凝土连梁,梁端弯矩、剪力大。本实用新型的新型连梁,梁内力仅仅是拉力和压力,内力形式非常简单,完全由屈曲支撑的核心钢材承受,充分利用钢的抗拉和抗压强度高的性能。
通过上述案例计算指标的对比,发现本实用新型比现有技术,综合来看,本实用新型的计算指标明显由于现有技术。在此基础上,做技术经济性能的进一步对比。对比点包括:首层位移、剪力墙边缘构件配筋、连梁抗震性能、连梁内力、管道穿行、连梁可更换性、连梁施工技术、造价工期等。
1、首层位移指标大大改善
与现有连梁的墙肢相比,在整体结构刚度与位移指标相同的前提下,本实用新型的X形连梁的墙肢结构,首层墙肢的位移角降低40%,大大改善了剪力墙底层的变形性能。这对整个结构非常重要。这完全来自于连梁对墙的变形约束点(连梁的下部铰接点)大大降低做出的贡献。
2、剪力墙边缘构件的配筋明显减小
本实用新型的连梁,剪力墙边缘构件的纵筋配筋由1206mm2减少至736mm2,占比40%。可大大节约钢筋。
3、连梁的抗震性能大大改善
首先连梁材料有脆性的混凝土改为受压不屈曲的钢管。材料的延性能力直接决定了构件的延性水平。第二,连梁的破坏由延性极差的拉剪破坏,变为不屈曲的塑性开展。这是连梁设计的重大改变。全现浇结构中,混凝土连梁中即使设置X型集中配筋,也远远达不到这样的延性效果。现有技术的普通混凝土连梁的出力-位移曲线,见图8所示,X形防屈曲连梁的出力-位移曲线,见图7所示。可见,X形防屈曲支撑连梁的出力-位移曲线非常饱满,面积大,耗能能力大。
4、现有技术的钢筋混凝土连梁,弯矩和剪力很大,连梁设计困难。本实用新型的X型防屈曲支撑连梁内力只有拉力或压力,设计非常简单。
5、现有技术的钢筋混凝土连梁,穿越管道困难,预留孔洞和后凿,对连梁的强度、刚度和延性影响很大。本实用新型的X型防屈曲支撑连梁,有四个三角形区域,面积大,通透。便于通风管道、消防水管、强弱电桥架垂直穿过连梁。
6、现有技术的混凝土连梁,更换将是非常困难。本实用新型的连梁,大震状态下即使连梁破坏,更换非常方便。
7、大大改善连梁的抗震性能、施工要求,工期大大缩短,造价降低。
连梁与墙肢的连接部位,对于现有的预制装配式工程,是重点、弱点、难点。这是结构的关键受力部位,要求高,作用大。当连接失效了,墙的约束实现,墙就变成楼房那么高的一段孤零零的的悬臂墙,自然抗弯抗剪能力大大降低。
现有技术的主要施工特点:
(1)墙肢端部一般设置边缘构件,集中配置纵筋与箍筋。施工依然按照传统的现浇混凝土结构进行施工,支模、浇筑混凝土施工难度加大。工期长,造价高。
(2)混凝土连梁的截面高度大,预制件的制造、运输以及吊装都较为困难,钢筋较多,与墙的连接施工工作量大。全现浇结构中,混凝土连梁中设置的X型集中配筋,在预制装配式工程中,由于斜向钢筋长,需要深入到本层和上册的现浇边缘构件内和墙体的预制件内,根本无法做到。
(3)现有技术梁柱连接,工期长、造价高、抗震性能差。
本实用新型的X形防屈曲支撑连梁,相比起来,具有明显的优势:
(1)墙肢的预制范围加大,将两端的边缘构件部分可以与内部墙肢一起整体预制,墙肢的施工质量好,施工快。工序连接少。而且抗震性能大大提升;
(2)连梁与墙肢采用铰接连接,施工极其快捷方便,连接技术更加可靠,节点抗震性能大大提升;
(3)本实用新型的梁柱连接方式,可完全节省掉墙肢边缘构件的钢筋绑扎、支模及混凝土浇筑时间与混凝土的养护时间,工期大大缩短。
(4)本实用新型由于后浇施工少,工期短,连接简便等,综合造价大大降低。
通过实例的计算指标的精确对比,进而对技术经济性的比较,本实用新型的X形防屈曲约束支撑连梁技术比现有的装配式钢筋混凝土连梁技术,结构更加合理,构造更加简洁,施工更加便捷,施工工期更短,工程总造价更低,本实用新型的X形防屈曲约束支撑连梁技术具有突出的技术经济优越性,便于大量开发应用,具有广阔的市场应用前景。
以上详细描述了本实用新型的优选实施方式,但是,本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节,在本实用新型的技术构思范围内,可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换,这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种装配式X形防屈曲支撑连梁,其特征在于:包括X形连梁、楼层过梁和洞口过梁;
楼层过梁设置在楼层标高处,楼层过梁两端与墙肢相连接;
洞口过梁设置在洞口的顶部,洞口过梁两端与墙肢相连接;
X形连梁设置在楼层过梁与洞口过梁之间,X形连梁包括两个交叉后呈X形布置的防屈曲支撑;每个防屈曲支撑的两端均与墙肢相连接。
2.根据权利要求1所述的装配式X形防屈曲支撑连梁,其特征在于:楼层过梁两端与墙肢相铰接,洞口过梁两端与墙肢相铰接,每个防屈曲支撑的两端均与墙肢相铰接。
3.根据权利要求1所述的装配式X形防屈曲支撑连梁,其特征在于:每个防屈曲支撑均包括核心耗能管、内螺纹连接钢管、外螺纹连接钢管、外侧横向约束钢管和内侧横向约束件;
核心耗能管采用软钢材料制成,核心耗能管包括位于中部的耗能段和位于两端的连接段,且连接段与耗能段一体设置;
核心耗能管套装在内侧横向约束件的外周,外侧横向约束钢管套装在核心耗能管的外周,
位于一端的连接段通过内螺纹与内螺纹连接钢管螺纹连接,且内螺纹连接钢管与内侧横向约束件固定连接;
位于另一端的连接段通过外螺纹与外螺纹连接钢管螺纹连接,且外螺纹连接钢管与外侧横向约束钢管固定连接;
内螺纹连接钢管的尾部固定设置有端板一,外侧横向约束钢管的尾端与端板一之间具有外空隙;外螺纹连接钢管的尾部设置有端板二,内侧横向约束件的尾端至端板二之间具有内空隙。
4.根据权利要求3所述的装配式X形防屈曲支撑连梁,其特征在于:端板一通过耳环与墙肢上的预埋件相铰接,端板二通过耳环与墙肢上的预埋件相铰接。
5.根据权利要求3所述的装配式X形防屈曲支撑连梁,其特征在于:外空隙的长度不小于核心耗能管的最大轴向拉伸变形。
6.根据权利要求3所述的装配式X形防屈曲支撑连梁,其特征在于:内空隙的长度不小于核心耗能管的最大轴向压缩变形。
7.根据权利要求1所述的装配式X形防屈曲支撑连梁,其特征在于:楼层过梁和洞口过梁均为型钢或钢筋混凝土。
8.根据权利要求1所述的装配式X形防屈曲支撑连梁,其特征在于:位于楼层过梁和洞口过梁之间的X形连梁的外侧包封有水泥板或防火材料。
9.根据权利要求1所述的装配式X形防屈曲支撑连梁,其特征在于:X形连梁与楼层过梁和洞口过梁形成的四个三角形区域内穿设有电缆桥架、消防水管或送排风管。
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