CN113073785B - 一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其包括内嵌钢板、钢盖板和连接钢板。内嵌钢板位于两块钢盖板之间，内嵌钢板和钢盖板均位于两块连接钢板之间，连接钢板分别与内嵌钢板和钢盖板固定连接。内嵌钢板的边缘包括两条互为对边的第一竖边以及两条互为对边的第一横边，第一竖边与连接钢板固定连接；钢盖板的边缘包括两条互为对边的第二竖边以及两条互为对边的第二横边，第二竖边与连接钢板固定连接。内嵌钢板上靠近第一竖边处均设置有第一耗能孔组，第一耗能孔组包括多个相互平行设置的第一矩形孔；钢盖板上靠近第二竖边处均设置有第二耗能孔组，第二耗能孔组包括多个相互平行设置的第二矩形孔。

Description

一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁

技术领域

本发明涉及装配式连梁设计技术领域，尤其涉及一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁。

背景技术

框架-核心筒结构体系具有较强的抗侧刚度和承载能力，在高层及超高层建筑中受到广泛应用。连梁作为框架-核心筒结构体系在地震作用下的重要耗能构件，其抗震性能对框架-核心筒结构体系的整体抗震性能具有重要影响。现有技术中，钢筋混凝土连梁抗震性能提升主要依赖改善连梁配筋方式，通过对无斜筋的钢筋混凝土连梁引入斜筋，提升连梁耗能能力和延性，但存在钢筋布置拥挤且制作复杂等问题。为此，有学者提出在传统混凝土中使用新型水泥基材料以简化钢筋混凝土连梁内钢筋布置，新型水泥基材料可以提高连梁耗能能力和抗剪能力。

将钢板嵌入钢筋混凝土连梁中以形成钢板混凝土连梁，钢板和混凝土通过剪力钉共同抵抗剪力，能够提高连梁的延性、强度和耗能能力。然而，钢板传递强大剪力导致混凝土发生严重破坏，钢板破坏模式为局部屈曲，从而造成连梁承载力迅速降低。为此，有学者提出带肋钢板连梁改善钢板连梁在地震作用下屈曲行为，或削弱连梁承载力使得塑性变形集中于连梁内，从而保护相邻剪力墙且震后可更换。但是，现有钢筋混凝土结构中连梁存在以下几个方面问题：

现有连梁如引入新型水泥基材料的连梁，虽能提高连梁抗剪能力，但其实际抗剪强度远高于连梁设计抗剪强度，连梁过强抗剪强度易造成相邻剪力墙在强地震作用下损伤严重。而现有削弱连梁承载能力虽能控制结构塑性变形集中于连梁内，但往往以牺牲连梁刚度实现连梁承载能力削弱，易导致结构整体初始抗侧刚度不足，不利于结构在小震作用下的抗震性能。因此，现有连梁的刚度和承载力不能独立调控，易导致连梁承载力过大造成相邻剪力墙损伤严重或由于连梁承载力削弱造成整体结构初始抗侧刚度不足等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁旨在解决刚度和承载力不能单独调节的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明提供了一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其特征在于，其包括：内嵌钢板、钢盖板和连接钢板；

所述钢盖板成对设置，且所述内嵌钢板位于两块所述钢盖板之间，所述连接钢板成对设置，且所述内嵌钢板和所述钢盖板均位于两块所述连接钢板之间，所述连接钢板分别与所述内嵌钢板和所述钢盖板固定连接；所述连接钢板上设置有用于与剪力墙连接的通孔；

所述内嵌钢板的形状和所述钢盖板的形状均为矩形，所述内嵌钢板的边缘包括两条互为对边的第一竖边以及两条互为对边的第一横边，所述第一竖边与所述连接钢板固定连接；所述钢盖板的边缘包括两条互为对边的第二竖边以及两条互为对边的第二横边，所述第二竖边与所述连接钢板固定连接；

所述内嵌钢板上靠近所述第一竖边处均设置有第一耗能孔组，所述第一耗能孔组包括多个相互平行设置的第一矩形孔，同组所述第一耗能孔组中的所述第一矩形孔的中心的连线与所述第一横边垂直；所述钢盖板上靠近所述所述第二竖边处均设置有第二耗能孔组，所述第二耗能孔组包括多个相互平行设置的第二矩形孔，同组所述第二耗能孔组中的所述第二矩形孔的中心的连线与所述第二横边垂直。

优选地，所述内嵌钢板上设置有第一耗能段，所述第一耗能段包括同组第一耗能孔组中两个相邻的所述第一矩形孔之间的区域，所述第一耗能段的宽为对应两个相邻的所述第一矩形孔之间的距离，所述第一耗能段的长为第一矩形孔与第一耗能段相连的边的边长，所述第一耗能段的长宽比大于2。

优选地，所述第一矩形孔与所述第一竖边的最小距离不大于0.1L，L为所述第一横边的长度。

优选地，所述钢盖板上设置有与所述第一矩形孔对应的固定通孔，第一紧固件穿过所述固定通孔和所述第一矩形孔将所述钢盖板和所述内嵌钢板固定在一起。

优选地，所述钢盖板上设置有第二耗能段，所述第二耗能段包括同组第二耗能孔组中两个相邻的所述第二矩形孔之间的区域，所述第二耗能段的宽为对应两个相邻的所述第二矩形孔之间的距离，所述第二耗能段的长为第二矩形孔与第二耗能段相连的边的边长，所述第二耗能段的长宽比大于1.5。

优选地，所述承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁还包括角钢，所述角钢包括相互连接的第一角板和第二角板，所述第一角板和所述第二角板的夹角为90度，所述第一角板设置在所述钢盖板上，且所述第一角板靠近所述第二竖边设置，所述第二角板固定设置在所述连接钢板上。

优选地，所述钢盖板上设置有用于固定连接所述第一角板的连接通孔，所述内嵌钢板和所述第一角板上均设置有与所述连接通孔相对应的通孔，第二紧固件能够穿过第一角板上的通孔、所述连接通孔以及所述内嵌钢板上的通孔进而将所述角钢、所述钢盖板和所述内嵌钢板固定在一起。

优选地，所述连接通孔与所述第二竖边的最小距离小于所述第二矩形孔与所述第二竖边的最小距离。

优选地，所述内嵌钢板、所述钢盖板和所述第二角板均通过焊接的方式固定在所述连接钢板上。

(三)有益效果

本发明通过将内嵌钢板设置在两块钢盖板之间，并且内嵌钢板和钢盖板的两端上均设置有与剪力墙固定连接的连接钢板，使得发生地震时，钢盖板先发生破坏，连梁后续的极限承载力由内嵌钢板提供，所以能够通过调节钢盖板的厚度及第二矩形孔的尺寸来调控连梁的初始刚度，调节内嵌钢板厚度及第一矩形孔的尺寸来调控连梁极限承载力。实现刚度和承载力的独立调节，同时由于在内嵌钢板和钢盖板上均分别设置第一耗能段和第二耗能段，使得在发生地震时，钢盖板和内嵌钢板能够先后发生弯曲破坏提升连梁耗能的作用，且内嵌钢板耗能集中于远离剪力墙的第一耗能段，保护了剪力墙不会受到破坏。

附图说明

图1为本发明一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁的整体结构示意图；

图2为本发明中内嵌钢板的正视图；

图3为本发明中钢盖板的正视图。

【附图标记说明】

1：内嵌钢板；11：第一横边；12：第一竖边；13：第一耗能孔组；14：第一矩形孔；15：第一耗能段；

2：钢盖板；21：第二横边；22：第二竖边；23：第二耗能孔组；24：第二矩形孔；25：第二耗能段；26：固定通孔；27：第一紧固件；28：连接通孔；29：第二紧固件；

3：连接钢板；4：角钢；41：第一角板；42：第二角板。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明提供了一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其包括：内嵌钢板1、钢盖板2和连接钢板3。钢盖板2成对设置，且内嵌钢板1位于两块钢盖板2之间，连接钢板3成对设置，且内嵌钢板1和钢盖板2均位于两块连接钢板3之间，连接钢板3分别与内嵌钢板1和钢盖板2固定连接；连接钢板3上设置有用于与剪力墙连接的通孔。内嵌钢板1的形状和钢盖板2的形状均为矩形，内嵌钢板1的边缘包括两条互为对边的第一竖边12以及两条互为对边的第一横边11，第一竖边12与连接钢板3固定连接；钢盖板2的边缘包括两条互为对边的第二竖边22以及两条互为对边的第二横边21，第二竖边22与连接钢板3固定连接。内嵌钢板1上靠近第一竖边12处均设置有第一耗能孔组13，第一耗能孔组13包括多个相互平行设置的第一矩形孔14，同组第一耗能孔组13中的第一矩形孔14的中心的连线与第一横边11垂直；钢盖板2上靠近第二竖边22处均设置有第二耗能孔组23，第二耗能孔组23包括多个相互平行设置的第二矩形孔24，同组第二耗能孔组23中的第二矩形孔24的中心的连线与第二横边21垂直。

在上述的技术方案中，本发明提供的一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁(后面简称为连梁)的初始刚度由内嵌钢板1和钢盖板2共同提供，由于钢盖板2在中震作用下提前破坏，连梁极限承载力仅由内嵌钢板1提供。通过调节钢盖板2的厚度及第二矩形孔24的尺寸来调控连梁初始刚度，通过调节内嵌钢板1厚度及第一矩形孔14的尺寸来调控连梁极限承载力。实现提供一种承载力和刚度可独立调控的连梁，既能保证连梁具有足够的初始刚度，又能满足连梁在承受预期极限承载力时，塑性变形集中于连梁内，保护相邻剪力墙免受损伤。而且将内嵌钢板1设置在两块钢盖板2之间，使得钢盖板2在中震作用下仅端部第二耗能段25发生破坏，大部分钢盖板2主体部分起到防屈曲盖板作用，防止内嵌钢板1在地震作用下发生屈曲行为，提升内嵌钢板1耗能能力。

此外，通过在连接钢板3上设置用于与剪力墙连接的通孔，可以用螺栓和螺母配合的方式将连接钢板3固定在剪力墙上，实现本发明提供的连梁与剪力墙具有易安装可拆卸以及快速恢复功能等优势。内嵌钢板1、钢盖板2以及连接钢板3均采用焊接或高强螺栓连接等“干连接”方式，能够在工厂中预制安装而避免施工现场湿作业，具有生产效率高、施工速度快、构件质量好以及节约资源和保护环境等优点。连梁在中震作用下仅钢盖板2发生破坏，内嵌钢板1完好无损，震后仅需更换钢盖板2即可恢复连梁功能。连梁在大震作用下钢盖板2和内嵌钢板1均发生塑性变形，震后仅需将连接钢板3上的螺栓松紧，即可更换全新装配式防屈曲钢板连梁，快速恢复结构功能。

进一步地，钢盖板2上设置有与第一矩形孔14对应的固定通孔26，第一紧固件27穿过固定通孔26和第一矩形孔14将钢盖板2和内嵌钢板1固定在一起，第一紧固件27可以为螺栓，在此方案中，螺栓的直径小于第一矩形孔14的宽度以及固定通孔26的直径，所以内嵌钢板1和钢盖板2之间不传递内力，仅传递内嵌钢板1和钢盖板2之间的摩擦力，防止钢盖板2在大震作用下由于内嵌钢板1传递内力过大而损伤严重，避免失去钢盖板2的防屈曲作用。

一方面，内嵌钢板1上设置有第一耗能段15，第一耗能段15包括同组第一耗能孔组13中两个相邻的第一矩形孔14之间的区域，第一耗能段15的宽为对应两个相邻的第一矩形孔14之间的距离，第一耗能段15的长为第一矩形孔14与第一耗能段15相连的边的边长，如图2所示，此时第一耗能段的长为B，宽为A，第一耗能段15的长宽比大于2。在内嵌钢板1上设置长宽比大于2的第一耗能段15使得在大震的作用下，内嵌钢板1上的第一耗能段15发生弯曲破坏，进行屈服耗能，避免剪力墙收到破坏。在优选的实施方案中，第一矩形孔14与第一竖边12的最小距离不大于0.1L，L为第一横边11的长度。在发生较大的地震时，内嵌钢板1塑性铰的位置靠近第一竖边12处，在本方案中将第一矩形孔14与第一竖边12的最小距离设置为不大于0.1L能够有避免连梁内嵌钢板1端部发生破坏，从而避免剪力墙由于连梁内嵌钢板1端部承载力过大而导致剪力墙损伤严重，提高了内嵌钢板1的耗能效果。

另一方面，钢盖板2板上设置有第二耗能段25，第二耗能段25包括同组第二耗能孔组23中两个相邻的第二矩形孔24之间的区域，第二耗能段25的宽为对应两个相邻的第二矩形孔24之间的距离，第二耗能段25的长为第二矩形孔24与第二耗能段25相连的边的边长，如图3所示，此时第二耗能段25的长为D，宽为C，第二耗能段25的长宽比大于1.5。在连梁正常使用状态下和小震作用下，内嵌钢板1和钢盖板2共同承担由连接钢板3传递过来的内力，连梁初始刚度由内嵌钢板1和钢盖板2共同提供。在中震作用下，钢盖板2的第二耗能段25率先进入塑性变形，第二耗能段25破坏断裂后，钢盖板2不再承担由连接钢板3传递过来的内力，仅起到防止内嵌钢板1面外屈曲的作用。

综上，通过在两块钢盖板2之间设置一块内嵌钢板1，并在内嵌钢板1和钢盖板2上均分别设置第一耗能段15和第二耗能段25，使得钢盖板能够在小震作用下，独立工作并起到提升连梁耗能作用，此时内嵌钢板1为连梁提供极限承载力；当钢盖板2上的第二耗能段25在中震作用下发生破坏断裂后，内嵌钢板1上的第一耗能段15能够继续发挥耗能能力，并且此时发生断裂破坏后的钢盖板2能够继续起到防止内嵌钢板1发生面外屈曲的作用，保证了内嵌钢板在各级地震强度作用下的高耗能能力，使得本发明提供的连梁能够适应更多的强地震工况。

更进一步地，承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁还包括角钢4，角钢4包括相互连接的第一角板41和第二角板42，第一角板41和第二角板42的夹角为90度，第一角板41设置在钢盖板2上，且第一角板41靠近第二竖边22设置，第二角板42固定设置在连接钢板3上。在优选的实施方案中，钢盖板2上设置有用于固定连接第一角板41的连接通孔28，内嵌钢板1和第一角板41上均设置有与连接通孔28相对应的通孔，第二紧固件29能够穿过第一角板41上的通孔、连接通孔28以及内嵌钢板1上的通孔进而将角钢4、钢盖板2和内嵌钢板1固定在一起。利用角钢4加固内嵌钢板1以及钢盖板2与连接钢板3的连接，提高了连梁的稳定性。内嵌钢板1、钢盖板2和第二角板42均通过焊接的方式固定在连接钢板3上。

最后，连接通孔28与第二竖边22的最小距离小于第二矩形孔24与第二竖边22的最小距离。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其特征在于，其包括：内嵌钢板、钢盖板和连接钢板；

所述钢盖板成对设置，且所述内嵌钢板位于两块所述钢盖板之间，所述连接钢板成对设置，且所述内嵌钢板和所述钢盖板均位于两块所述连接钢板之间，所述连接钢板分别与所述内嵌钢板和所述钢盖板固定连接；所述连接钢板上设置有用于与剪力墙连接的通孔；

所述内嵌钢板的形状和所述钢盖板的形状均为矩形，所述内嵌钢板的边缘包括两条互为对边的第一竖边以及两条互为对边的第一横边，所述第一竖边与所述连接钢板固定连接；所述钢盖板的边缘包括两条互为对边的第二竖边以及两条互为对边的第二横边，所述第二竖边与所述连接钢板固定连接；

所述内嵌钢板上靠近所述第一竖边处均设置有第一耗能孔组，所述第一耗能孔组包括多个相互平行设置的第一矩形孔，同组所述第一耗能孔组中的所述第一矩形孔的中心的连线与所述第一横边垂直；所述钢盖板上靠近所述第二竖边处均设置有第二耗能孔组，所述第二耗能孔组包括多个相互平行设置的第二矩形孔，同组所述第二耗能孔组中的所述第二矩形孔的中心的连线与所述第二横边垂直；

所述钢盖板上设置有第二耗能段，所述第二耗能段包括同组第二耗能孔组中两个相邻的所述第二矩形孔之间的区域，所述第二耗能段的宽为对应两个相邻的所述第二矩形孔之间的距离，所述第二耗能段的长为第二矩形孔与第二耗能段相连的边的边长，所述第二耗能段的长宽比大于1.5；

所述钢盖板上设置有与所述第一矩形孔对应的固定通孔，第一紧固件穿过所述固定通孔和所述第一矩形孔将所述钢盖板和所述内嵌钢板固定在一起。

2.如权利要求1所述的承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其特征在于，所述内嵌钢板上设置有第一耗能段，所述第一耗能段包括同组第一耗能孔组中两个相邻的所述第一矩形孔之间的区域，所述第一耗能段的宽为对应两个相邻的所述第一矩形孔之间的距离，所述第一耗能段的长为第一矩形孔与第一耗能段相连的边的边长，所述第一耗能段的长宽比大于2。

3.如权利要求2所述的承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其特征在于，所述第一矩形孔与所述第一竖边的最小距离不大于0.1L，L为所述第一横边的长度。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其特征在于，所述承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁还包括角钢，所述角钢包括相互连接的第一角板和第二角板，所述第一角板和所述第二角板的夹角为90度，所述第一角板设置在所述钢盖板上，且所述第一角板靠近所述第二竖边设置，所述第二角板固定设置在所述连接钢板上。

5.如权利要求4所述的承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其特征在于，所述钢盖板上设置有用于固定连接所述第一角板的连接通孔，所述内嵌钢板和所述第一角板上均设置有与所述连接通孔相对应的通孔，第二紧固件能够穿过第一角板上的通孔、所述连接通孔以及所述内嵌钢板上的通孔进而将所述角钢、所述钢盖板和所述内嵌钢板固定在一起。

6.如权利要求5所述的承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其特征在于，所述连接通孔与所述第二竖边的最小距离小于所述第二矩形孔与所述第二竖边的最小距离。

7.如权利要求4所述的承载力和刚度独立调控的装配式防屈曲钢板连梁，其特征在于，所述内嵌钢板、所述钢盖板和所述第二角板均通过焊接的方式固定在所述连接钢板上。

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