发明内容
本发明所要解决的技术问题就是显著提高框支剪力墙结构抗震性能,且能减小构件截面尺寸,改善建筑使用功能。
为解决这一问题,本发明提出了及其制作方法,具体如下:
(1)近年来,型钢混凝土在工程中得到了广泛的应用,型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构相比,具有承载力高、减小构件断面尺寸、延性好的特点。如果采用型钢混凝土框支柱,则不仅可以减小柱截面尺寸,还可提高其抗震性能;
(2)框支剪力墙因上部剪力墙不落地,应设计转换构件将荷载传递到框支柱上,梁式转换构件因施工简单、受力明确,应用较广泛。当采用型钢混凝土框支柱、钢筋混凝土转换梁时,由于钢筋混凝土转换梁一般会配置较多的纵向受力钢筋,势必有较多的钢筋穿过柱型钢,影响框支柱的受力性能,造成梁柱节点区域复杂的构造设计。如果改用型钢混凝土转换梁,节点连接类似钢结构梁柱节点的连接,受力明确,且型钢混凝土转换梁承载力高、刚度大,可大大减小截面尺寸,抗震性能也优于钢筋混凝土转换梁。
本发明提出一种新型框支剪力墙结构,包括框支柱、转换梁,剪力墙和基础,框支柱和转换梁均采用型钢混凝土结构。
进一步,该框支柱型钢延伸入上层剪力墙中,延伸长度大于或等于上层剪力墙层高的一半。
柱内栓钉沿柱全高布置在柱型钢翼缘上;梁内栓钉沿梁全跨布置在梁型钢上翼缘上。
框支柱包括型钢、钢筋、混凝土、栓钉和柱脚锚栓,其中,型钢由柱型钢翼缘、柱型钢腹板和加劲肋组成,钢筋由纵筋和箍筋组成;转换梁由型钢、钢筋、混凝土和栓钉组成,其中,型钢由梁型钢翼缘、梁型钢腹板组成,钢筋由纵筋和箍筋组成;剪力墙由型钢、钢筋和混凝土组成,其中,钢筋由纵筋和水平及竖向分布钢筋组成。
上述的新型框支剪力墙结构的制作方法,梁型钢翼缘与柱型钢翼缘采用全熔透对接焊缝连接,梁型钢腹板与柱型钢翼缘通过节点板焊接。
首先将梁型钢翼缘切成坡口,并与柱型钢翼缘采用全熔透对接焊缝连接:梁型钢腹板通过节点板与柱型钢翼缘采用角焊缝连接,预先在梁型钢腹板和节点板的对应位置留柱箍筋预留孔。
梁纵筋穿过柱型钢翼缘时,在孔洞处加焊补强钢板。
本发明的型钢混凝土梁柱框支剪力墙结构不仅构件截面尺寸小,可有效地提供建筑大空间使用要求,而且结构承载力高、刚度大、延性好、变形能力和耗能能力强,适用于地震区的底部大空间剪力墙结构采用。
具体实施方式
本发明为一种涉及结构工程的底部大空间框支剪力墙,包括框支柱1、转换梁2、剪力墙3和基础4。框支柱1包括型钢11、钢筋12、混凝土13、栓钉14和柱脚锚栓15,其中,型钢由柱型钢翼缘111、柱型钢腹板112和加劲肋113组成,钢筋由纵筋121和箍筋122组成。柱型钢11延伸入上部剪力墙的长度应不小于上层剪力墙层高的一半,如果受到限制,可只将柱型钢腹板112伸入上层剪力墙中,延伸长度不小于上层剪力墙层高的一半。栓钉14应沿柱全高布置在型钢翼缘111上。转换梁2由型钢21、钢筋22、混凝土23和栓钉24组成,其中,型钢由梁型钢翼缘211、梁型钢腹板212组成,钢筋由纵筋221和箍筋222组成。,栓钉24应沿梁全跨布置在型钢上翼缘211上。通过选择合适的型钢截面,可保证梁纵筋221不穿过柱型钢翼缘111,如不可避免穿过柱型钢翼缘111,则应在孔洞处加焊补强钢板。梁型钢翼缘211与柱型钢翼缘111采用全熔透对接焊缝连接,梁型钢腹板212与柱型钢翼缘111通过节点板焊接(如图2)。剪力墙3由型钢31、钢筋32和混凝土33组成,其中,钢筋由纵筋321和水平及竖向分布钢筋322组成。剪力墙竖向分布钢筋322应可靠地锚固在转换梁内(如图6所示)。
关于本发明构件之间的连接和相互位置关系,其施工工艺为:制作梁柱型钢21、11→预套柱箍筋122→柱型钢11安装、校正、固定→支梁底模板→预套梁箍筋222→梁型钢21就位、校正,与柱型钢11焊接成骨架→柱钢筋12绑扎→支柱模板→浇柱混凝土→梁钢筋22绑扎→梁上部剪力墙3插筋→梁柱节点处箍筋焊接→支梁侧模板、楼板模板→浇筑梁、板、墙混凝土。
在进行框支柱1和转换梁2截面设计时,应尽量避免梁纵筋221穿过柱型钢翼缘111,方法是:尽量加大柱型钢11截面高度和加大型钢翼缘111厚度以减小型钢翼缘111宽度;尽量采用高强度、大直径的梁纵筋221以减小其数量,且梁纵筋221尽量在外侧布置。
关于“梁型钢翼缘211与柱型钢翼缘111采用全熔透对接焊缝连接,梁型钢腹板212与柱型钢翼缘111通过节点板焊接”,采用这种节点连接方式在实际工程中不常见,因此,为了验证这种连接方式应用到型钢混凝土框支剪力墙结构中的可靠性,本发明采用了这种连接方法,试验结果说明了其可靠性。是本发明的一个创新点。具体的加工制作方法,请参阅图8:首先将梁型钢翼缘211切成坡口,并与柱型钢翼缘111采用全熔透对接焊缝连接;全熔透坡口焊8,梁型钢腹板212通过节点板5与柱型钢翼缘111采用角焊缝6连接,预先在梁型钢腹板212和节点板5的对应位置留柱箍筋122预留孔7。
以下通过4个模型试件拟静力试验结果来说明型钢混凝土梁柱框支剪力墙与钢筋混凝土梁柱框支剪力墙相比所具备的优越性。
(1)模型设计
3个型钢混凝土梁柱框支剪力墙试件编号分别为SRC-1、SRC-2和SRC-3,其中SRC-1施加竖向荷载和单调水平荷载,SRC-2和SRC-3施加竖向荷载和低周往复水平荷载;1个钢筋混凝土梁柱框支剪力墙试件编号为RC-1,施加竖向荷载和低周往复水平荷载。
试件模型比例为1:4,总高度2750mm,跨度1500mm,剪力墙高1350mm、厚150mm,框支层高1100mm,正方形框支柱截面边长200mm,梁截面宽150mm、高300mm,地梁高300mm。混凝土强度等级为C30,箍筋和剪力墙分布钢筋采用HPB235级,纵筋采用HRB335级,内埋型钢由Q235-B级钢板焊接而成。试件含钢率、配筋率和配箍率列于表1中。
表1 试件含钢率、配筋率和配箍率(%)
(2)承载力
表2列出了试件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载。开裂荷载取试件受拉区出现第一条裂缝时相应的荷载;屈服荷载取钢筋或型钢达到屈服应变时相应的荷载:极限荷载取试件承受荷载最大时相应的荷载。
表2 试件承载力
试件编号 | 开裂荷载 P<sub>c</sub>(kN) | 屈服荷载 P<sub>y</sub>(kN) | 极限荷载 P<sub>m</sub>(kN) | α<sub>ym</sub> =P<sub>y</sub>/P<sub>m</sub> |
SRC-1 | 30.0 | 272.0 | 351.0 | 0.775 |
SRC-2 | 70.0 | 259.0 | 334.9 | 0.773 |
SRC-3 | 120.0 | 267.0 | 347.0 | 0.769 |
RC-1 | 130.0 | 201.0 | 221.9 | 0.906 |
由表2可看出:
1)SRC-1~SRC-3的开裂荷载值较分散,但均小于RC-1,说明内埋型钢对开裂荷载没有贡献,构件截面***配置越多的受位纵筋对抑制裂缝的开展越有利;
2)由屈服荷载与极限荷载的比值(即屈强比)可知,RC-1比SRC-1~SRC-3大很多,说明有型钢的试件屈服后承载性能更好,间接反映了延性好的特点;
3)有型钢试件与无型钢试件相比,屈服荷载和极限荷载均有较大的提高。
(3)刚度
表3列出了试件刚度实测值。弹性刚度为试件初始加载时骨架曲线的切线刚度;开裂刚度为骨架曲线开裂点处的割线刚度:屈服刚度为骨架曲线屈服点处的割线刚度;βc0为开裂刚度与弹性刚度的比值,表示试件从弹性到开裂阶段刚度的衰减;βyc为屈服刚度与开裂刚度的比值,表示试件从开裂到屈服阶段刚度的衰减。
表3 试件刚度
试件编号 | 弹性刚度 k<sub>0</sub>(kN/mm) | 开裂刚度 k<sub>c</sub>(kN/mm) | 屈服刚度 k<sub>y</sub>(kN/mm) | β<sub>c0</sub> =k<sub>c</sub>/k<sub>0</sub> | β<sub>yc</sub> =k<sub>y</sub>/k<sub>c</sub> |
SRC-1 | 290.91 | 43.48 | 35.51 | 0.149 | 0.817 |
SRC-2 | 245.55 | 66.04 | 38.26 | 0.269 | 0.579 |
SRC-3 | 202.36 | 58.54 | 34.72 | 0.289 | 0.593 |
RC-1 | 161.43 | 56.52 | 24.91 | 0.350 | 0.441 |
由表3可看出:
1)SRC-1~SRC-3的弹性刚度和屈服刚度比RC-1提高很多,开裂刚度相差不大;
2)SRC-1~SRC-3的βc0小于RC-1,βyc大于RC-1,说明开裂对含型钢试件刚度衰减影响大,而由开裂到屈服的刚度衰减比无型钢试件的影响小。
(4)位移及延性性能
试件墙顶位移及延性系数见表4。开裂位移、屈服位移和极限位移取与开裂荷载、屈服荷载和极限荷载相应的位移;设计极限位移取试件在最大荷载出现之后,随变形增加而荷载下降至最大荷载的85%时的相应的位移;延性系数取设计极限位移与屈服位移的比值,称为“可用延性系数”。
表4 试件墙顶位移及延性系数
试件编号 | 开裂位移 Δ<sub>c</sub>(mm) | 屈服位移 Δ<sub>y</sub>(mm) | 极限位移 Δ<sub>m</sub>(mm) | 设计极限位移 Δ<sub>u</sub>(mm) | 可用延性系数 μ=Δ<sub>u</sub>/Δ<sub>y</sub> | 相对极限变形 Δ<sub>u</sub>/H |
SRC-1 | 0.69 | 7.66 | 19.02 | 73.78 | 9.632 | 1/34 |
SRC-2 | 1.06 | 6.77 | 19.99 | 55.04 | 8.130 | 1/45 |
SRC-3 | 2.05 | 7.69 | 27.33 | 48.89 | 6.358 | 1/51 |
RC-1 | 2.30 | 8.07 | 13.98 | 22.58 | 2.798 | 1/110 |
由表4司以看出:
1)SRC-1~SRC-3的墙项相对极限变形(弹塑性位移角)可达到RC-1的2倍以上,因此在进行罕遇地震作用下结构弹塑性变形验算时,型钢混凝土框支剪力墙结构的弹塑性位移角限值可适当放大;
2)RC-1的延性较差,延性系数仅为2.798,验证了钢筋混凝土框支剪力墙抗震性能差的结论;
3)与RC-1相比,在SRC-1、SRC-2和SRC-3的延性系数分别是RC-1的3.44倍、2.90倍和2.27倍,抗震性能大大改善;
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。