專利名稱：搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種裝配式抗震結(jié)構(gòu)體系，用于提高鋼框架結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向變形的能力， 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震后的自動(dòng)復(fù)位，消除或減少鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的殘余變形和損傷， 通過摩擦裝置耗散地震能，減少震后修復(fù)的代價(jià)。
背景技術(shù)：
地震是全人類共同面對的自然災(zāi)害之一，對人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。國內(nèi)外的震害調(diào)查表明，對于常見的鋼框架結(jié)構(gòu)，其柱底和梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)均是容易破壞的區(qū)域，而這些部位恰是結(jié)構(gòu)保證承載力的關(guān)鍵部位，其破壞往往將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。同時(shí)， 對于鋼框架結(jié)構(gòu)體系，由于其抗側(cè)剛度較低，設(shè)計(jì)的主導(dǎo)因素往往是結(jié)構(gòu)的剛度而不是強(qiáng)度；在很多因變形過大而破壞的案例中，構(gòu)件中的應(yīng)力并不高。為提高鋼框架的抗變形能力，往往在鋼框架中設(shè)置一定數(shù)量的鋼支撐或鋼筋混凝土剪力墻。此外，傳統(tǒng)鋼框架在地震中的耗能主要通過鋼材自身的塑性變形來實(shí)現(xiàn)，震后存在較大的殘余變形；鋼支撐或鋼筋混凝土剪力墻也容易發(fā)生屈曲、混凝土開裂(壓碎)或鋼筋屈服等塑性損傷，給修復(fù)和后續(xù)使用帶來困難。針對上述現(xiàn)狀，本申請?zhí)岢隽艘环N“搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震結(jié)構(gòu)體系”，通過預(yù)應(yīng)力構(gòu)件使得結(jié)構(gòu)具有自定心功能(地震后結(jié)構(gòu)自動(dòng)復(fù)位)，有效地消除或減少了結(jié)構(gòu)的殘余變形；通過附加摩擦耗能裝置和墻體保護(hù)裝置，解決了結(jié)構(gòu)的耗能和剪力墻腳部的局部承壓問題，使得主體結(jié)構(gòu)在地震作用下的基本無損，減少了震后修復(fù)的代價(jià)。鑒于我國鋼產(chǎn)量的日益增多，鋼框架結(jié)構(gòu)在住宅，辦公樓等建筑中所占比例穩(wěn)步增長，而鋼框架結(jié)構(gòu)的震害非常普遍且修復(fù)的難度較大，本申請具有積極的社會(huì)意義和科學(xué)意義。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了克服傳統(tǒng)鋼框架的不足，本發(fā)明提供了一種工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震系統(tǒng)，以降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的殘余變形和結(jié)構(gòu)損傷，減少震后修復(fù)的工作量和代價(jià)。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括相對平行設(shè)置的第一鋼柱和第二鋼柱、位于第一鋼柱和第二鋼柱之間的混凝土墻和摩擦件，摩擦件包括結(jié)構(gòu)相同的第一摩擦件和第二摩擦件；第一鋼柱與混凝土墻之間通過第一摩擦件連接，第二鋼柱與混凝土墻之間通過第二摩擦件連接，其中，
混凝土墻通過豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線與基礎(chǔ)梁相連，樓板與混凝土墻固結(jié)，第一鋼柱和第二鋼柱分別通過鉸接裝置鉸接于基礎(chǔ)梁。優(yōu)選的，摩擦件包括T形連接件，角鋼，黃銅摩擦片及摩擦型高強(qiáng)螺栓；其中黃銅摩擦片貼于T形連接件的腹板兩側(cè)；
T形連接件的翼緣通過預(yù)埋在混凝土墻中的普通螺栓與混凝土墻連接，T形連接件的腹板上開有豎向的槽道，角鋼一邊通過普通螺栓與鋼柱連接，另一邊通過摩擦型高強(qiáng)螺栓夾緊T形連接件的腹板。優(yōu)選的，在混凝土墻的腳部外包有鋼套。優(yōu)選的，第一鋼柱與混凝土墻在每一樓層的半層高處通過第一摩擦件連接，第二鋼柱與混凝土墻在每一樓層的半層高處通過第二摩擦件連接。有益效果
1、在一榀鋼框架中的若干跨采用本申請的結(jié)構(gòu)形式后，整個(gè)鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下得損傷將會(huì)減小，抗震性能得到改善，可以獲得以下優(yōu)異的性能
2、具有自定心能力，大大減小了震后的殘余變形；
3、震后的損傷小，并且集中在耗能件等附屬構(gòu)件上，而鋼柱，剪力墻等主要構(gòu)件基本保持彈性，便于修復(fù)；
4、大部分構(gòu)件可以在工廠預(yù)制，然后現(xiàn)場組裝，有利于加快施工進(jìn)度、保證質(zhì)量和減少人工成本；
5、采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，剪力墻的初始抗側(cè)剛度大。


圖1為鋼框架的平面圖。圖2為選取的含有搖擺式自定心鋼框架一混凝土墻的一榀框架的立面圖。圖3為搖擺式自定心鋼框架一混凝土墻連接方式示意圖。圖4為H型鋼柱(構(gòu)件4)詳細(xì)構(gòu)造圖。也即通篇提及的第一鋼柱41和第二鋼柱 42。圖5為鋼柱鉸接于基礎(chǔ)的連接裝置(構(gòu)件8)的詳細(xì)構(gòu)造圖，其由13和14兩個(gè)構(gòu) 件通過高強(qiáng)螺栓連接。圖6a為構(gòu)件13的俯視圖，圖6b為構(gòu)件13的正立面圖，圖6c為構(gòu)件13的側(cè)立面圖。圖7a為構(gòu)件14的俯視圖，圖7b為構(gòu)件14的正立面圖，圖7c為構(gòu)件14的側(cè)立面圖。圖8a為構(gòu)件9的俯視圖，圖8b為構(gòu)件9的正立面圖，圖8c為構(gòu)件9的側(cè)立面圖。圖9a為構(gòu)件10的俯視圖，圖9b為構(gòu)件10的正立面圖，圖9c為構(gòu)件10的側(cè)立面圖。圖10a為構(gòu)件11的俯視圖，圖10b為構(gòu)件11的正立面圖，圖10c為構(gòu)件11的側(cè)
立面圖。圖11為摩擦件處的混凝土墻與鋼柱連接局部的立體圖。圖12為圖3中摩擦件的水平剖面圖(A-A剖面)。圖13為混凝土墻與H型鋼柱之間的摩擦件處的局部放大圖，也即摩擦件的正立面 圖。圖14為搖擺式自定心鋼框架——混凝土墻在地震作用下的變形圖。
圖中有普通鋼結(jié)構(gòu)框架梁(采用H型鋼)1 ;自定心鋼框架的框架梁2 ;普通鋼結(jié)構(gòu)柱(柱底固結(jié))3 ;第一鋼柱41 ;第二鋼柱42 ;混凝土墻5 ;樓(屋面)板6 ;預(yù)應(yīng)力孔道及預(yù)應(yīng)力筋7 ;柱底鉸接裝置8 ;摩擦件中的T形連接件9 ;摩擦件中的角鋼10 ;混凝土墻腳部的鋼套11 ;地基梁(基礎(chǔ))12 ;柱底鉸接裝置中的上半部分13 ;柱底鉸接裝置中的下半部分14。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。本發(fā)明提供了一種將一榀鋼框架中的一跨或若干跨的框架布置成搖擺的幾何可變的形式(以下討論皆針對這一跨框架)——這一跨的鋼柱柱腳與基礎(chǔ)鉸接。用一堵混凝土墻給這一跨框架提供抗側(cè)剛度，混凝土墻與鋼柱通過摩擦件連接，該摩擦件連接處具有使鋼柱與混凝土墻水平方向同位移，豎向方向可發(fā)生相對移動(dòng)的性質(zhì)，且當(dāng)發(fā)生豎向相對位移的時(shí)候由于摩擦力的緣故可耗散能量。這里的混凝土墻底部與基礎(chǔ)脫開，通過穿過混凝土墻中心的若干束豎向預(yù)應(yīng)力筋與基礎(chǔ)拉結(jié)。這樣，當(dāng)側(cè)向荷載大到一定程度，混凝土墻繞著一邊的腳點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，墻與基礎(chǔ)之間有間隙張開，而這時(shí)，由于水平方向的聯(lián)系，鋼柱隨墻一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而梁柱鉸接的形式使得這一跨鋼框架和墻保持同步一致的轉(zhuǎn)角，當(dāng)荷載卸去的時(shí)候，混凝土墻在豎向預(yù)應(yīng)力的作用下被拉回原來豎向中心位置，由于轉(zhuǎn)動(dòng)同步，整個(gè)鋼框架也回復(fù)到原有中心位置，這樣就實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的自定心。同時(shí)，結(jié)構(gòu)的殘余變形和損傷也較小。樓(屋面)板到下一層樓板之間的距離稱為層高，在這一層的層高的一半位置處稱為半層高處，例如圖3中，共有四層，構(gòu)件9和10分別位于每一層的相應(yīng)半層高處)。參見圖I 一 5，本發(fā)明提供的搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震系統(tǒng)，包括相對平行設(shè)置的第一鋼柱41和第二鋼柱42、位于第一鋼柱41和第二鋼柱42之間的混凝土墻5和摩擦件，摩擦件包括結(jié)構(gòu)相同的第一摩擦件和第二摩擦件；第一鋼柱41與混凝土墻 5之間通過第一摩擦件連接，第二鋼柱42與混凝土墻5之間通過第二摩擦件連接，其中，
混凝土墻5通過豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線7與基礎(chǔ)梁12相連，樓板與混凝土墻5固結(jié)，第一鋼柱41和第二鋼柱42分別通過鉸接裝置8鉸接于基礎(chǔ)梁12。摩擦件包括T形連接件9，角鋼10，黃銅摩擦片及摩擦型高強(qiáng)螺栓；其中黃銅摩擦片貼于T形連接件9的腹板兩側(cè)；
T形連接件9的翼緣通過預(yù)埋在混凝土墻5中的普通螺栓與混凝土墻連接，T形連接件 9的腹板上開有豎向的槽道，角鋼10—邊通過普通螺栓與鋼柱4連接，另一邊通過摩擦型高強(qiáng)螺栓夾緊T形連接件9的腹板。在混凝土墻5的腳部外包有鋼套11。第一鋼柱41與混凝土墻5在每一樓層的半層高處通過第一摩擦件連接，第二鋼柱 42與混凝土墻5在每一樓層的半層高處通過第二摩擦件連接。說明上面提及的鋼柱41和42都是構(gòu)件，這里為了清楚的表達(dá)各構(gòu)件之間具體的位置關(guān)系和連接關(guān)系，將混凝土墻左右兩邊的鋼柱區(qū)分為第一鋼柱41和第二鋼柱42。摩擦件由T形連接件9和角鋼10組成，同理，為了表達(dá)的方便，這里將混凝土墻左右兩邊的摩擦件區(qū)分為第一摩擦件和第二摩擦件。將工廠預(yù)制的H型鋼、角鋼、混凝土墻等構(gòu)件在現(xiàn)場吊裝就位，并在混凝土墻的預(yù)留孔道中穿入鋼絞線，然后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。后張的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線既是施工階段的拼接手段，又可以在使用階段提供抗傾覆彎矩。為了提供在地震作用下的耗能能力，在混凝土墻與鋼柱之間設(shè)置摩擦耗能裝置。該耗能裝置由安裝在混凝土墻一側(cè)的T形連接件9、固定于鋼柱上的兩個(gè)角鋼10以及摩擦型高強(qiáng)螺栓和黃銅摩擦片組成。通過摩擦型高強(qiáng)螺栓 (對拉式)提供垂直于摩擦面的壓力，接觸面設(shè)有黃銅摩擦片。與混凝土墻直接相連的兩個(gè)鋼柱41，42 (或統(tǒng)稱構(gòu)件4)柱腳與基礎(chǔ)梁12的連接采用鉸接。在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的壓力作用下，混凝土墻5與基礎(chǔ)梁12緊密相連；混凝土墻5與鋼柱41，42通過摩擦件連接。當(dāng)混凝土墻底面的彎矩超過了消壓彎矩時(shí)，混凝土墻底面與地面之間的間隙張開，鋼絞線的應(yīng)力隨之增加；地震作用后，混凝土墻在鋼絞線7預(yù)應(yīng)力的作用下恢復(fù)到原來的豎向中心位置(自定心)，由于鋼柱41，42在水平方向與剪力墻的聯(lián)系作用，鋼柱也恢復(fù)到原來的豎向中心位置(自定心)，從而消除(或大大降低)結(jié)構(gòu)在地震作用下的殘余變形。在這種搖擺式自定心鋼框架-混凝土墻體系之外，可以設(shè)置若干跨普通鋼框架，并與之相連。本發(fā)明的搖擺式自定心鋼框架一混凝土墻結(jié)構(gòu)是應(yīng)用于鋼框架中的一跨或若干跨，其余各跨仍按原設(shè)計(jì)進(jìn)行，在地震中，采用本發(fā)明的這些跨可以給整個(gè)結(jié)構(gòu)提供自定心能力和耗能能力，進(jìn)而減少地震帶來的結(jié)構(gòu)損傷。對于本發(fā)明的這一跨鋼框架與剪力墻的具體連接形式見于圖3。圖3中標(biāo)注的各構(gòu)件的詳圖參見附圖。鋼框架中的柱可采用H型鋼，也可采用箱形型鋼，其中柱的強(qiáng)軸可以和墻平面平行，也可以相互垂直。以柱強(qiáng)軸與墻平行的情況為例，鋼柱的柱腳采用鉸接，混凝土墻和鋼柱采用摩擦件連接，摩擦件的具體構(gòu)造參見圖11 (立體圖)、圖12 (水平剖面圖)和圖13 (正立面圖)。通過無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼絞線7，對混凝土墻5施加壓力，令其與基礎(chǔ)梁12緊密連接。另外，為防止混凝土墻腳部的混凝土壓碎，在混凝土墻的兩個(gè)腳部采用鋼套11包裹以產(chǎn)生混凝土的三向受壓，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，鋼套的具體細(xì)節(jié)參見圖10(a，b，C)。連接于混凝土墻上的T形連接件9，其翼緣通過混凝土墻體內(nèi)部的預(yù)埋錨栓與墻體連接，T形連接件腹板上設(shè)有豎向的槽道，兩側(cè)貼有摩擦材料(黃銅片)。用兩個(gè)角鋼通過高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺栓將T形連接件的腹板夾緊(圖11、圖12、圖13)。當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^一定幅值， 混凝土墻底部與基礎(chǔ)之間的間隙張開，此時(shí)，混凝土墻與鋼柱有相對豎向位移，實(shí)現(xiàn)了摩擦耗能，而鋼柱和混凝土墻在地震中的水平位移相同。該發(fā)明以提高地震作用下鋼框架的抗變形能力、耗能能力并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在震后的自定心(自動(dòng)復(fù)位)，消除或降低結(jié)構(gòu)的殘余變形和損傷。該結(jié)構(gòu)體系由搖擺式鋼柱和一個(gè)混凝土墻體構(gòu)成，兩者之間通過摩擦耗能裝置相互連接。搖擺式鋼柱的柱腳和基礎(chǔ)的連接為鉸接?；炷翂υ跓o粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼絞線的壓力下與基礎(chǔ)緊密連接。當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^一定幅值時(shí)，混凝土墻體與基礎(chǔ)的連接面張開，墻體和搖擺柱之間的摩擦件發(fā)生豎向的相對錯(cuò)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)耗能；地震過后，該縫隙在預(yù)應(yīng)力的作用下重新閉合，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自定心 (自動(dòng)復(fù)位)。為避免墻體擺動(dòng)過程中混凝土因局部壓強(qiáng)過大而破壞，在墻體兩側(cè)底端設(shè)置鋼套以實(shí)現(xiàn)對混凝土的保護(hù)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括相對平行設(shè)置的第一鋼柱(41)和第二鋼柱(42)、位于第一鋼柱(41)和第二鋼柱(42)之間的混凝土墻(5)和摩擦件，摩擦件包括結(jié)構(gòu)相同的第一摩擦件和第二摩擦件；第一鋼柱(41)與混凝土墻(5)之間通過第一摩擦件連接，第二鋼柱(42)與混凝土墻(5)之間通過第二摩擦件連接，其中，混凝土墻(5)通過豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線(7)與基礎(chǔ)梁(12)相連，樓板與混凝土墻(5)固結(jié)，第一鋼柱(41)和第二鋼柱(42)分別通過鉸接裝置(8)鉸接于基礎(chǔ)梁(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震系統(tǒng)，其特征在于摩擦件包括T形連接件(9)，角鋼(10)，黃銅摩擦片及摩擦型高強(qiáng)螺栓；其中黃銅摩擦片貼于T形連接件(9)的腹板兩側(cè)；T形連接件(9)的翼緣通過預(yù)埋在混凝土墻(5)中的普通螺栓與混凝土墻連接，T形連接件(9)的腹板上開有豎向的槽道，角鋼(10)—邊通過普通螺栓與鋼柱(4)連接，另一邊通過摩擦型高強(qiáng)螺栓夾緊T形連接件(9)的腹板。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震系統(tǒng)，其特征在于在混凝土墻(5)的腳部外包有鋼套(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震系統(tǒng)，其特征在于第一鋼柱(41)與混凝土墻(5)在每一樓層的半層高處通過第一摩擦件連接，第二鋼柱(42)與混凝土墻(5)在每一樓層的半層高處通過第二摩擦件連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種搖擺式自定心鋼框架-混凝土剪力墻抗震系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括相對平行設(shè)置的第一鋼柱(41)和第二鋼柱(42)、位于第一鋼柱(41)和第二鋼柱(42)之間的混凝土墻(5)和摩擦件，摩擦件包括結(jié)構(gòu)相同的第一摩擦件和第二摩擦件；第一鋼柱(41)與混凝土墻(5)之間通過第一摩擦件連接，第二鋼柱(42)與混凝土墻(5)之間通過第二摩擦件連接，其中，混凝土墻(5)通過豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線(7)與基礎(chǔ)梁(12)相連，樓板與混凝土墻(5)固結(jié)，第一鋼柱(41)和第二鋼柱(42)分別通過鉸接裝置(8)鉸接于基礎(chǔ)梁(12)。本發(fā)明使得整個(gè)鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下得損傷將會(huì)減小，抗震性能得到改善。
文檔編號E04B1/98GK102605872SQ20121007348
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者張國棟, 郭彤 申請人:東南大學(xué)