CN101046109B - 一种新型框支剪力墙结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型框支剪力墙结构及其制作方法，在框支柱和转换梁中配置型钢，框支柱和转换梁均采用型钢混凝土结构；框支柱型钢延伸入上层剪力墙中；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；柱内栓钉沿柱全高布置在型钢翼缘上，梁内栓钉沿梁全跨布置在型钢上翼缘上；柱型钢预留的梁钢筋贯穿孔处加焊补强钢板。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。
Description
技术领域
本发明属于建筑领域，涉及一种型钢混凝土与底部大空间框支剪力墙结合为一体的建筑结构体系。
背景技术
城市沿街建筑中，建筑使用功能沿竖向往往要发生变化，房屋底部一层或几层常用作商场、餐厅、展览厅、文化娱乐等公共用房，上部楼层用作住宅、办公、旅馆等使用；在一些住宅楼的设计中，建筑师为了体现其视觉效果，有时将建筑的底层设计成架空层。为了满足这种建筑使用功能的需求，相应地，应采用一种安全适用的结构型式。底部大空间框支剪力墙结构恰好满足上述建筑及结构功能，因此在方案设计时经常被结构工程师所采纳。但是，在底部大空间框支剪力墙结构中由于部分剪力墙不落地，易形成薄弱层，抗震性能较差。
轴压比是影响地震作用下框支柱延性的主要因素，规范对框支柱规定了较为严格的限值。但是，为满足轴压比限值的要求，工程中设计的钢筋混凝土框支柱截面往往很大，会严重影响建筑使用功能。
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。
附图说明
图1是本发明的结构立面示意图；
图2是本发明的框支剪力墙配筋示意图；
图3是本发明的框支柱截面示意图；
图4是本发明的转换梁截面示意图；
图5是本发明的梁柱节点示意图；
图6是本发明的梁墙节点示意图；
图7是本发明的柱墙节点示意图；
图8是本发明的柱墙节点示意图。
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。
Claims (5)
1.一种新型框支剪力墙结构，包括框支柱(1)、转换梁(2)，剪力墙(3)和基础(4)，其特征在于：框支柱和转换梁均采用型钢混凝土结构，框支柱型钢(11)延伸入上层剪力墙(3)中，延伸长度大于或等于上层剪力墙层高的一半。
2.根据权利要求1所述的新型框支剪力墙结构，其特征在于：柱内栓钉(14)沿柱全高布置在柱型钢翼缘(111)上；梁内栓钉(24)沿梁全跨布置在梁型钢上翼缘(211)上。
3.根据权利要求1或2所述的新型框支剪力墙结构，其特征在于：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；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；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。
4.权利要求3所述的新型框支剪力墙结构的制作方法，其特征在于：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→浇注混凝土→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→浇注梁、板、墙混凝土，其中，梁型钢(21)与柱型钢(11)焊接通过梁型钢翼缘(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，具体为：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；梁型钢腹板(212)通过节点板与柱型钢翼缘(111)采用角焊缝连接，预先在梁型钢腹板(212)和节点板的对应位置留柱箍筋(122)预留孔。
5.根据权利要求4所述的新型框支剪力墙结构的制作方法，其特征在于：梁纵筋(221)穿过柱型钢翼缘(111)时，在孔洞处加焊补强钢板。
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Owner name: ARCHITECTURAL DESIGN + RESEARCH INSTITUTE OF TONGJ Free format text: FORMER OWNER: TONGJI UNIVERSITY Effective date: 20110811 |
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| COR | Change of bibliographic data |
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Effective date of registration: 20110811 Address after: 200092 Shanghai City, Yangpu District Siping Road No. 1230 Patentee after: The Architectural and Research Institute of Tongji university Address before: 1239 Siping Road, Shanghai, No. 200092 Patentee before: Tongji University |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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