CN104847052A - 一种震损可更换组合柱结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种震损可更换组合柱结构，包括：一核心方钢管、一地梁端板和四可替换钢盒，核心方钢管设于地梁端板上，其下端封闭，其上端通过若干第一固接结构固接RC柱且开设一容纳RC柱下端的开口，地梁端板通过第二固接结构固设于地梁上，四可替换钢盒分别可拆卸的设置于核心方钢管的四壁以围绕该核心方钢管，震后此种构造能够只在***可替换钢盒部位出现屈曲破坏，而在核心方钢管部位只出现轻微的破坏或不出现破坏，在保证竖向承载能力的前提下实现损伤部位的可控性，抗震性能优良，并且震后将柱子复位，将可替换钢盒拆下，安装替换为完好的钢盒以实现了结构的震后快速修。

Description

一种震损可更换组合柱结构

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种震损可更换组合柱结构。

背景技术

实现结构震害快速修复和建筑功能快速恢复是当今地震工程研究领域的重要课题，也是建筑工业化实现可持续发展对装配结构体系创新提出新的要求和挑战。但迄今为止，可恢复性能结构领域的研究，主要集中在剪力墙的可更换消能连梁技术和自复位剪力墙结构等方面。如中国发明专利CN201220411822.5提出一种新型联肢剪力墙结构，包括墙肢和其连梁；所述连梁包括处于两端的端梁和处于中部且强度较弱的中段梁，所述中段梁与两所述端梁可拆装连接。

在框架结构体系中，为实现结构的震损可更换，一般采用钢结构类型的构件作为消能段和可替换段。如在钢筋混凝土柱-钢梁(简称RCS)结构体系中，钢梁的端部可作为消能段和替换段。一般认为，可更换钢梁作为RCS混合结构第一道抗震防线，能够在遭遇大震时率先屈服耗能，且在震后可只对可更换段进行替换即可恢复结构性能。

实际地震作用下，即使在RCS结构中设置了可更换钢梁，底层钢筋混凝土(简称RC)柱脚仍将不可避免地出现严重损坏或不可恢复的破坏。这主要出现在以下两种情况：(1)当可更换钢梁作为RCS结构第一道抗震防线出现塑性铰后，底层柱脚仍有可能在后续地震作用下出现塑性铰；(2)由于基础地梁的刚度远远大于首层钢梁的刚度，反弯点一般位于柱上端，造成柱底弯矩远大于柱顶弯矩。这种情况下，RC柱底往往难以避免比可更换钢梁节段先出现塑性铰，从而无法实现利用可更换钢梁实现震后快速恢复结构性能。

因此，研究RC柱脚震损可更换技术和自复位技术显得尤为重要。而目前有关RC柱脚震损可更换技术的研究仍很少，尚未见柱脚震损可更换技术的研究报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种震损可更换组合柱结构。

本发明的具体技术方案如下：

一种震损可更换组合柱结构，包括：一核心方钢管、一地梁端板和四可替换钢盒，核心方钢管设于地梁端板上，其下端封闭，其上端通过若干第一固接结构固接RC柱且开设一容纳RC柱下端的开口，地梁端板通过若干第二固接结构固设于地梁上，四可替换钢盒分别可拆卸的设置于核心方钢管的四壁以围绕该核心方钢管，每一可替换钢盒包括一矩形空心盒体、若干与矩形空心盒体等高的纵板、一连接纵板上端和矩形空心盒体上端的顶板、一连接纵板下端和矩形空心盒体下端的底板和至少一平行设于顶板和底板之间的加劲板。

在本发明的一个优选实施方案中，所述第一固接结构包括一第一螺母和一第一连接杆，该第一连接杆包括一适配第一螺母的第一螺杆段和一第一钢筋段，第一钢筋段埋入RC柱内，第一螺杆段伸出RC柱的下端，所述核心方钢管上端设有供第一螺杆段穿过的第一安装孔。

进一步优选的，所述第一螺杆段与所述第一安装孔通过点焊相连。

进一步优选的，所述顶板上设有适配所述第一螺杆段的第一U型孔，第一螺杆段依次穿过第一安装孔和第一U型孔后与第一螺母适配，使得RC柱、核心方钢管的上端和可替换钢盒的顶板相固定。

在本发明的一个优选实施方案中，所述第二固接结构包括一第二螺母和一第二连接杆，该第二连接杆包括一适配第二螺母的第二螺杆段和一第二钢筋段，第二钢筋段埋入地梁内，第二螺杆段伸出地梁的上表面，所述地梁端板设有供第二螺杆段穿过的第二安装孔。

进一步优选的，所述第二螺杆段与所述第二安装孔通过点焊相连。

进一步优选的，所述底板上设有适配所述第二螺杆段的第二U型孔，第二螺杆段依次穿过第二安装孔和第二U型孔后与第二螺母适配，使得地梁、地梁端板和可替换钢盒的底板相固定。

在本发明的一个优选实施方案中，所述地梁端板上设有一适配核心方钢管下端的放置槽。

在本发明的一个优选实施方案中，所述可替换钢盒的顶板和底板的厚度大于纵板和加劲板的厚度以及矩形空心盒体的壁厚。

本发明的有益效果是：

本发明的一种震损可更换组合柱结构包括：一核心方钢管、一地梁端板和四可替换钢盒，核心方钢管设于地梁端板上，其下端封闭，其上端通过若干第一固接结构固接RC柱且开设一容纳RC柱下端的开口，地梁端板通过第二固接结构固设于地梁上，四可替换钢盒分别可拆卸的设置于核心方钢管的四壁以围绕该核心方钢管，震后此种构造能够只在***可替换钢盒部位出现屈曲破坏，而在核心方钢管部位只出现轻微的破坏或不出现破坏，在保证竖向承载能力的前提下实现损伤部位的可控性，抗震性能优良，并且震后将柱子复位，将可替换钢盒拆下，安装替换为完好的钢盒以实现了结构的震后快速修。

附图说明

图1为本发明的震损可更换组合柱结构的立体结构示意图；

图2为本发明的震损可更换组合柱结构的另一立体结构示意图；

图3为本发明的可替换钢盒的立体结构示意图；

图4为本发明的第一连接杆的立体结构示意图；

图5为本发明的第二连接杆的立体结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

如图1、图2和图3所示，一种震损可更换组合柱结构，包括：一核心方钢管1、一方形的地梁端板2和四可替换钢盒3，核心方钢管1设于地梁端板2上，其下端封闭，其上端通过若干第一固接结构4固接RC柱5且开设一容纳RC柱5下端的开口11，地梁端板2通过若干第二固接结构6固设于地梁7上，其上设有一适配核心方钢管1下端的放置槽21，四可替换钢盒3分别可拆卸的设置于核心方钢管1的四壁以围绕该核心方钢管1，每一可替换钢盒3包括一矩形空心盒体31、若干与矩形空心盒体31等高的纵板32、一连接纵板32上端和矩形空心盒体31上端的顶板33、一连接纵板32下端和矩形空心盒体31下端的底板34和至少一平行设于顶板33和底板34之间的加劲板35，使得可替换钢盒3能在受压状态下出现屈曲现，顶板33和底板34的厚度大于纵板32和加劲板35的厚度以及矩形空心盒体31的壁厚。

如图1、图2、图3和图4所示，所述第一固接结构4包括一第一螺母(图中未示出)和一第一连接杆42，该第一连接杆42包括一适配第一螺母的第一螺杆段421和一第一钢筋段422，第一钢筋段422埋入RC柱5内，第一螺杆段421伸出RC柱5的下端，所述核心方钢管1上端设有第一安装孔12，所述可替换钢盒3的顶板33上设有适配所述第一螺杆段421的第一U型孔36，第一螺杆段421依次穿过第一安装孔12和第一U型孔36后与第一螺母适配，且第一螺杆段421与所述第一安装孔12通过点焊相连，使得RC柱5、核心方钢管1的上端和可替换钢盒3的顶板33相固定，本实施例中，所述RC柱5的下端设有一上大下小的阶梯结构，所述核心方钢管1的上端侧壁向外延伸形成方形凸缘13以承托该阶梯结构，所述若干第一固接结构4均匀分布于核心方钢管1的方形凸缘13的四个顶角。

如图1、图2、图3和图5所示，所述第二固接结构6包括一第二螺母(图中未示出)和一第二连接杆62，该第二连接杆62包括一适配第二螺母的第二螺杆段621和一第二钢筋段622，第二钢筋段622埋入地梁7内，第二螺杆段621伸出地梁7的上表面，所述地梁端板2设有第二安装孔22，所述可替换钢盒3的底板34上设有适配所述第二螺杆段621的第二U型孔37，第二螺杆段621依次穿过第二安装孔22和第二U型孔37后与第二螺母适配，且所述第二螺杆段621与所述第二安装孔22通过点焊相连，使得地梁7、地梁端板2和可替换钢盒3的底板34相固定。本实施例中，所述若干第二固接结构6均匀分布于方形的地梁端板2的四个顶角。

优选的，第一连接杆42的第一螺杆段421的材质为高强度金属材质(M20 10.9级或M20 8.8级)制成，第一钢筋段422为普通钢筋，第一螺杆段421的平头和第一钢筋段422的端部通过对位焊接的方式进行连接，同样的，第二连接杆62的第二螺杆段621的材质为高强度金属材质(M20 10.9级或M20 8.8级)制成，第二钢筋段622为普通钢筋，第二螺杆段621的平头和第二钢筋段622的端部通过对位焊接的方式进行连接。

本发明的具体安装方法及工作原理如下：

(1)将带有放置槽21的地梁端板2与第二连接杆62的第二螺杆段621在地梁端板2的第二开孔处通过点焊的方式连接在一起,保证第二连接杆62与地梁端板2对位精确。将穿过第二连接杆62的地梁端板2置于地梁7钢筋笼中，保证地梁端板2水平，浇筑混凝土形成带有放置槽21的地梁端板2以及第二螺杆段621的地梁7。

地梁端板2四个角点处第二螺杆段621下端与钢板焊接在一起，锚杆长度相同以保证端板水平，钢板底面与地梁7底面平面平齐。

(2)核心方钢管1内内置U型插筋，保证在地震作用下核心方钢管1上端界面处不会出现混凝土与方钢管上端的方形凸缘13的脱开现象，将核心方钢管1上端开口11与第一连接杆42在第一安装孔12处通过点焊的方式连接于一体，绑扎上部钢筋笼，浇筑核心方钢管1内部及上柱段混凝土。

核心方钢管1截面比RC柱5的阶梯结构上部的截面小，第一钢筋段422与第一螺杆段421平头对位焊接，采用四周围焊的方式，保证第一钢筋段422与第一螺杆段421的焊接为等强焊。

(3)将上柱段核心方钢管1放置于地梁端板2的放置槽21内完成上柱段与地梁7对位拼接，将四可替换钢盒3塞入核心方钢管1四周完成可替换钢盒3的对位拼装，拧固第一螺母和第二螺母，完成整个拼装柱的拼接。

核心方钢管1放置于放置槽21内后在方钢管与地梁7接触部位不设置任何连接措施，保证在地震力作用下核心方钢管1能与地梁端板2可以实现“铰接”的连接方式。此种连接方式可以保证在地震作用下拼装段中部核心方钢管1承担弯矩较小，而大部分地震能量由外部可替换钢盒3承担，实现柱脚位置处结构在地震作用下破坏形态及位置的可控。可替换钢盒3的顶板33和底板34相对较厚以防止发生局部屈曲

矩形空心盒体31的壁的厚度和纵板32的厚度较薄，受压屈服出现屈曲并耗散大部分地震能量，可以在可替换钢盒3受拉的时候抵抗部分拉力。在纵板32之间设置水平加劲板35以增加纵板32的受压屈服承载力，防止纵板32过早发生受压屈曲。为了进一步提高薄腹板受压屈服能力以致提高整个可替换钢盒3受压屈服能力，可以在纵板32间多设置加劲板35或是在可替换钢盒3侧边设置面板的方式实现。在纵板32之间留有拧固第一螺母和第二螺母的施工空间，方便可替换钢盒3的拧固及更换。

(4)可替换钢盒3在地震力作用下，出现屈曲破坏的形态，吸收大部分地震能量，此时中间核心方钢管1混凝土仍处于弹性阶段或有轻微圧曲，并未出现大的塑性变形。经历中度或强烈地震作用后，将柱子复位，松开第一螺母和第二螺母，将损坏的***可替换钢盒3拆下，安装替换为完好的可替换钢盒3，重新紧固高强螺栓，从而实现了结构的震后快速修复。同时为了保证替换后结构能力与震前相当，可以替换上更强的可替换钢盒3。

小震时，核心方钢管1和***可替换钢盒3共同作用，提供结构抗侧刚度，减小层间位移，核心方钢管1和***可替换钢盒3均处于弹性状态，满足规范“小震不坏”的第一水准设防目标；

中震时，核心方钢管1***的可替换钢盒3产生较大变形，吸收大部分地震能量，控制结构层间位移，核心方钢管1仍处于弹性状态，满足规范“中震可修”的第二水准设防目标；

大震时，结构层间位移过大，***可替换钢盒3产生剧烈变形直至损坏，变形以及能量耗散主要集中在***可替换钢盒3部位，使得核心方钢管1部分得到保护，保证结构不发生倒塌，满足规范“大震不倒”的第三水准设防目标。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种震损可更换组合柱结构，其特征在于：包括：一核心方钢管、一地梁端板和四可替换钢盒，核心方钢管设于地梁端板上，其下端封闭，其上端通过若干第一固接结构固接RC柱且开设一容纳RC柱下端的开口，地梁端板通过若干第二固接结构固设于地梁上，四可替换钢盒分别可拆卸的设置于核心方钢管的四壁以围绕该核心方钢管，每一可替换钢盒包括一矩形空心盒体、若干与矩形空心盒体等高的纵板、一连接纵板上端和矩形空心盒体上端的顶板、一连接纵板下端和矩形空心盒体下端的底板和至少一平行设于顶板和底板之间的加劲板。

2.如权利要求1所述的一种震损可更换组合柱结构，其特征在于：所述第一固接结构包括一第一螺母和一第一连接杆，该第一连接杆包括一适配第一螺母的第一螺杆段和一第一钢筋段，第一钢筋段埋入RC柱内，第一螺杆段伸出RC柱的下端，所述核心方钢管上端设有供第一螺杆段穿过的第一安装孔。

3.如权利要求2所述的一种震损可更换组合柱结构，其特征在于：所述第一螺杆段与所述第一安装孔通过点焊相连。

4.如权利要求3所述的一种震损可更换组合柱结构，其特征在于：所述顶板上设有适配所述第一螺杆段的第一U型孔，第一螺杆段依次穿过第一安装孔和第一U型孔后与第一螺母适配，使得RC柱、核心方钢管的上端和可替换钢盒的顶板相固定。

5.如权利要求1所述的一种震损可更换组合柱结构，其特征在于：所述第二固接结构包括一第二螺母和一第二连接杆，该第二连接杆包括一适配第二螺母的第二螺杆段和一第二钢筋段，第二钢筋段埋入地梁内，第二螺杆段伸出地梁的上表面，所述地梁端板设有供第二螺杆段穿过的第二安装孔。

6.如权利要求5所述的一种震损可更换组合柱结构，其特征在于：所述第二螺杆段与所述第二安装孔通过点焊相连。

7.如权利要求6所述的一种震损可更换组合柱结构，其特征在于：所述底板上设有适配所述第二螺杆段的第二U型孔，第二螺杆段依次穿过第二安装孔和第二U型孔后与第二螺母适配，使得地梁、地梁端板和可替换钢盒的底板相固定。

8.如权利要求1所述的一种震损可更换组合柱结构，其特征在于：所述地梁端板上设有一适配核心方钢管下端的放置槽。

9.如权利要求1所述的一种震损可更换组合柱结构，其特征在于：所述可替换钢盒的顶板和底板的厚度大于纵板和加劲板的厚度以及矩形空心盒体的壁厚。