一种钢绞线单跨通长布置的全装配式自复位框架结构的制作方法

1.本实用新型属于土木结构防震减灾技术领域，具体涉及一种钢绞线单跨通长布置的全装配式自复位框架结构。


背景技术：

2.传统框架结构通过延性设计使主要抗侧力构件在地震作用下产生塑性变形耗散地震能量，虽能保证建筑结构不发生造成重大生命损失的破坏性行为，但结构震后会因修复困难或无法修复而产生巨额经济损失。自复位框架结构针对性地解决了传统框架结构的缺点。目前已有的自复位框架结构中，多采用预应力钢绞线作为结构的复位元件。在布置上，钢绞线贯穿每一个框架柱，通长布置于框架的所有跨。受制于该方式，自复位框架施工时必须等梁柱构件现场拼接好后，再张拉钢绞线来实现自复位框架初始预应力的施加，而且张拉工作为现场高空作业，施工进度缓慢且张拉质量难以保证，不符合建筑结构装配化的发展要求。
3.为解决上述问题，只能避免钢绞线贯穿框架柱。通过在框架梁与框架柱之间额外设置锚固部件，使得框架梁与锚固部件之间在工厂通过张拉钢绞线形成后张拉式拼接，运往现场后将锚固部件与框架柱相连即可完成自复位框架预应力的施加。然而，为实现锚固部件与框架柱的连接，现有技术为栓焊连接或端板式螺栓连接。第一种方式还需现场焊接作业，并不能真正实现钢绞线的全装配式施工；第二种方式能实现钢绞线施工的全装配化，然而为预留钢绞线张拉施工空间，钢绞线需采用单边布置方式，即钢绞线一端锚固于锚固部件，一端锚固于框架梁中。该形式存在以下问题：(1)框架的每一跨需在两侧节点处各布置一道钢绞线，由此在导致所需锚具数量增多的同时，还需对两侧钢绞线分别张拉，效率低下且造价上升；(2)预应力筋单边布置的方式会使得节点转动时钢绞线内力变化不一致，远离转动侧的内力增加最快，当其到控制应力时其余钢绞线还未达到，每根钢绞线的承载力并未得到充分利用。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种钢绞线单跨通长布置的全装配式自复位框架结构，在解决钢绞线施工装配化的同时，实现其单跨通长布置，提升施工效率。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：
6.本实用新型公开的一种钢绞线单跨通长布置的全装配式自复位框架结构，包括至少两个柱体、连接在两个柱体之间的h型钢梁、连接在柱体底部的混凝土基础、梁柱连接件、预应力钢绞线和拉结杆；所述h型钢梁包括h型主梁和连接在h型主梁两端的h型连接短梁，所述h型主梁与h 型连接短梁可装配式连接；每个所述h型连接短梁的腹板两侧均设置有锚固板，同一h型主梁两端的两个h型连接短梁上的锚固板之间张拉有所述预应力钢绞线；所述h型连接短梁的上、下翼缘板上均设置有第一连接孔；每个所述h型连接短梁的上、下翼缘
处都连接有一个梁柱连接件；所述梁柱连接件为t型，梁柱连接件的腹板与h型连接短梁的翼缘板平行，梁柱连接件的腹板上设置有与所述第一连接孔位置对应的第二连接孔，梁柱连接件的端板设置有第三连接孔；所述柱体上贯通设置有与所述第三连接孔位置对应的穿芯孔，所述拉结杆通过穿芯孔将柱体与梁柱连接件上的端板连接。
7.优选的，所述h型主梁和h型连接短梁之间通过连接件连接，所述连接件包括端部连接板和垂直设置在端部连接板上的两个腹部连接板，两个腹部连接板均与h型主梁的腹板平行，且两个腹部连接板之间设置有供h型主梁的腹板插入的间隙；两个腹部连接板上均设置有第四连接孔，所述h 型主梁的腹板上设置有与第四连接孔位置对应的第五连接孔，所述端部连接板连接在h型连接短梁的端面上。
8.进一步的，所述端部连接板与h型连接短梁上的锚固板之间设置有第一加劲肋。
9.进一步的，所述h型主梁上连接有与其翼缘板贴合的补强板，所述补强板的端部与梁柱连接件的腹板的端部分别挤顶在端部连接板的两面，且补强板的外侧表面、端部连接板的侧面、梁柱连接件的腹板的外表面齐平。
10.进一步的，所述h型主梁翼缘板上设置有耗能组件，所述耗能组件包括耗能板和盖板，所述耗能板上设置有长条形槽，所述耗能板一端连接在h 型连接短梁处的梁柱连接件的腹板上，耗能板另一端连接在h型主梁翼缘板上；所述盖板连接在h型主梁翼缘板处的耗能板上，且盖板不超过h型主梁端面，盖板需要覆盖耗能板上的长条形槽。
11.优选的，所述拉结杆为螺杆螺母组件。
12.进一步的，所述梁柱连接件上设置有第三加劲肋。
13.进一步的，所述混凝土基础与柱体之间通过柱墩组件以及竖向预应力筋连接；所述柱墩组件包括支撑框架和连接在支撑框架顶部的支撑板，所述支撑框架底部预埋在混凝土基础中，支撑框架顶部外露；所述竖向预应力筋一端锚固于柱体柱身，另一端锚固在支撑板上；所述支撑板与柱体根部连接处设置有抗剪件。
14.进一步的，所述柱体与支撑板之间夹设有底板，底板的整体尺寸大于柱体的底部横截面尺寸；所述底板与抗剪件的接触面处设置为弧形面。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
16.(1)本实用新型在实现钢绞线各跨独立布置和施工全装配化的同时，能够实现其单跨通长布置，所需锚具数量减半且施工效率大大提升；
17.(2)本实用新型中h型连接短梁与柱体采用t型梁柱连接件连接，在进一步提升装配率的同时，而且可以满足节点刚性设计的需求。此外，t型梁柱连接件与h型连接短梁螺栓连接的特性可以改善h型钢梁在吊装时难以适应两侧柱体柱间净距的弊端。
18.本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
19.图1是本实用新型实施例记载的自复位框架结构整体示意图。
20.图2是本实用新型实施例记载的自复位框架结构梁柱连接节点详图。
21.图3是本实用新型实施例记载的h型主梁与h型连接短梁的拼装示意图。
22.图4是本实用新型实施例记载的耗能板详图。
23.图5是本实用新型实施例记载的自复位框架结构柱脚详图。
24.图6是本实用新型实施例记载的柱墩组件结构示意图。
25.图7是有限元模拟的框架荷载
‑
位移角滞回曲线。
26.图8是有限元模拟的框架首层梁处上下侧预应力钢绞线应力变化曲线
27.图中各标号表示为：
[0028]1‑
柱体，2
‑
h型钢梁，3
‑
混凝土基础，4
‑
梁柱连接件，5
‑
预应力钢绞线，6
‑
拉结杆，7
‑
柱墩组件，8
‑
竖向预应力筋，9
‑
水平锚固件，10
‑
底板；
[0029]
11
‑
穿芯孔；
[0030]
21
‑
h型主梁，22
‑
h型连接短梁，23
‑
锚固板，24
‑
连接件，25
‑
第一加劲肋，26
‑
补强板，27
‑
耗能组件；
[0031]
211
‑
第五连接孔，212
‑
第三螺栓孔；221
‑
第一连接孔；
[0032]
241
‑
端部连接板，242
‑
腹部连接板，243
‑
间隙，244
‑
第四连接孔；
[0033]
261
‑
第二螺栓孔；271
‑
耗能板，272
‑
盖板，273
‑
长条形槽，274
‑
凹槽， 275
‑
第一螺栓孔，276
‑
第四螺栓孔，277
‑
第二加劲肋；
[0034]
41
‑
端板，42
‑
腹板，43
‑
第三加劲肋；411
‑
第三连接孔；421
‑
第二连接孔；
[0035]
71
‑
支撑框架，72
‑
支撑板，73
‑
抗剪件，74
‑
加劲肋；
[0036]
711
‑
主板，712
‑
支板；721
‑
锚固孔。
[0037]
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
[0038]
以下给出本实用新型的具体实施方式，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。
[0039]
在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。
[0040]
本实用新型的具体实施例公开了一种钢绞线单跨通长布置的全装配式自复位框架结构，该结构包括至少两个柱体1、h型钢梁2、混凝土基础3、梁柱连接件4、预应力钢绞线5和拉结杆6。其中，h型钢梁2连接在两个柱体1之间，混凝土基础3连接在柱体1底部。
[0041]
本实用新型的柱体1可为钢筋混凝土柱、h型钢柱或方钢管混凝土柱，本实用新型下述实施例中的柱体1为方钢管混凝土柱。本实用新型的框架结构可以是不同的框架形式，如图1所示为一榀三跨三层结构，主要包括四个柱体1、三跨h型钢梁2和四个混凝土基础3，图1所示仅仅为一种布置形式，当然也可以是两个柱体、一跨h型钢梁或三个柱体、两个跨h型钢梁等不同的组合形式。
[0042]
如图3所示，h型钢梁2包括h型主梁21和连接在h型主梁21两端的h型连接短梁22，h型主梁21与h型连接短梁22可装配式连接；每个 h型连接短梁22的腹板两侧均设置有锚固板23，同一h型主梁21两端的两个h型连接短梁22上的锚固板23之间张拉有预应力钢绞线5，可以看出，预应力钢绞线5通长布置在整个h型钢梁2上。
[0043]
每个h型连接短梁22的上、下翼缘处都连接有一个梁柱连接件4，如图2所示。梁柱连接件4为t型，梁柱连接件4由端板41和垂直焊接在端板41上的腹板42形成t型结构，腹板42与h型连接短梁22的翼缘板平行，腹板42上设置有第二连接孔421，h型连接短梁22的上、下翼缘板上均设置有第一连接孔221，第一连接孔221与第二连接孔421的位置对应，通过螺
栓将h型连接短梁22的翼缘板与梁柱连接件4的腹板连接。
[0044]
需要注意的是，在装配时h型连接短梁22端部与梁柱连接件4的端板 41之间留有调节装配误差的调节间隙，该调节间隙一般为30mm左右，用以改善施工误差的影响，解决h型主梁21与两侧h型连接短梁22在工厂拼装完成后运往现场与柱体1装配时难以适应柱间净距的弊端。
[0045]
梁柱连接件4的端板41上设置有第三连接孔411，柱体1上贯通设置有穿芯孔11，穿芯孔11与第三连接孔411位置对应。第三连接孔411沿腹板42对称设置，本实施例中第三连接孔411设置有四个，穿芯孔11也对应的设置有四个。拉结杆6通过穿芯孔11将柱体1与梁柱连接件4上的端板 41连接，具体的，当柱体1两侧均连接有h型钢梁2时，拉结杆6通过穿芯孔11将柱体1两侧的梁柱连接件4上的端板41固定在柱体1柱壁上；当柱体1只有一侧连接有h型钢梁2时，拉结杆6一端通过穿芯孔11与梁柱连接件4上的端板41连接，另一端连接在柱体1另一侧柱壁上。本实施例中拉结杆6优选为螺杆螺母组件。
[0046]
为满足框架节点刚性设计的需求，梁柱连接件4上设置有第三加劲肋 43，第三加劲肋43设置在不与h型连接短梁22接触的一侧，第三加劲肋 43与端板41、腹板4均焊接。
[0047]
作为本实用新型的具体实施例方案，为了实现h型主梁21和h型连接短梁22的装配式连接，在h型主梁21和h型连接短梁22之间设置有一个连接件24。如图3所示，连接件24包括端部连接板241和垂直设置在端部连接板241上的两个腹部连接板242，两个腹部连接板242均与h型主梁 21的腹板平行，且两个腹部连接板242之间设置有间隙243，供h型主梁 21的腹板插入，间隙243略大于h型主梁21的腹板厚度。
[0048]
两个腹部连接板242上均设置有第四连接孔244，本实施例优选的，第四连接孔244为长圆孔，长圆孔沿h型主梁21长度方向延伸，在地震时当该节点转动一定角度后长圆孔可限制h型主梁21和h型连接短梁22之间的进一步转动。在h型主梁21的腹板上设置有第五连接孔211，第五连接孔211与第四连接孔244位置对应，h型主梁21的腹板插入连接件24的腹部连接板242的间隙243后通过螺栓连接，如图3右侧所示。
[0049]
端部连接板241连接在h型连接短梁22的端面上，具体的，端部连接板241与h型连接短梁22的翼缘板端面、腹板端面均焊接固定。在端部连接板241和锚固板23上均设置有连接孔，用于预应力钢绞线5穿过。
[0050]
上述预应力钢绞线5的张拉工作以及h型主梁21与两侧的h型连接短梁22的拼接工作均可在工厂完成，现场只需吊装装配，施工效率得到极大提高。
[0051]
作为本实用新型上述实施方案的优选实施例，在端部连接板241与h 型连接短梁22上的锚固板23之间设置有第一加劲肋25，第一加劲肋25为水平板，如图2所示。
[0052]
作为本实用新型的上述实施方案的优选实施例，为避免h型主梁21与 h型连接短梁22形成的张拉式拼接在地震作用下张开时，h型主梁21翼缘板因应力集中而发生屈服和屈曲，每跨h型主梁21上均设置有补强板26，如图3所示。具体的，补强板26贴合在h型主梁21的翼缘板上，补强板 26的端部与梁柱连接件4的腹板42的端部分别挤顶在端部连接板241的两面，且补强板26的外侧表面、端部连接板241的侧面、梁柱连接件4的腹板42的外表面齐平，即三者在同一个平面上。本实施例的补强板26为与h 型主梁21翼缘板宽度相同的钢板。
[0053]
作为本实用新型的上述实施方案的优选实施例，为了增加框架结构的耗能能力，在h型主梁21的上下翼缘板设置有耗能组件27，如图2所示。具体的，本实施例的耗能组件27
包括耗能板271和盖板272。耗能板271上设置有长条形槽273，耗能板271一端连接在h型连接短梁22处的梁柱连接件4的腹板42上，耗能板271另一端连接在h型主梁21翼缘板或者补强板26上。盖板272连接在耗能板271上，盖板272不超过h型主梁21 端面，而且盖板272需覆盖耗能板271上的长条形槽273，盖板272用以防止耗能板271发生面外变形。长条形槽273使耗能板271在受压状态下易发生面内弹塑性屈曲，以使结构更容易实现震后复位的性能目标。
[0054]
具体的，为了耗能板271与腹板42、h型主梁21翼缘板或者补强板26 的连接，在耗能板271两端设置有第一螺栓孔275，第一螺栓孔275的位置分别与第二连接孔421、补强板26上的第二螺栓孔261或h型主梁21翼缘板上的第三螺栓孔212的位置一一对应，耗能板271的两端分别通过螺栓连接在梁柱连接件4的腹板42以及补强板26或h型主梁21翼缘板上。盖板 272两端设置有两组第四螺栓孔276，盖板272上的两组第四螺栓孔276的位置与补强板26上的两组第二螺栓孔261或者h型主梁21翼缘板上的两组第三螺栓孔212位置一一对应，且h型主梁21翼缘板上距离其端部较远处的一组第三螺栓孔212与耗能板271上的一组第一螺栓孔275位置对应。
[0055]
长条形槽273的长度沿h型主梁22长度方向延伸，长条形槽273依次并列设置有多个。本实施例为两个，长条形槽273均位于耗能板271中部，且耗能板271中部的两边缘设置有向内凹的凹槽274，凹槽274与长条形槽 273的位置对应、长度也相同。本实用新型可通过合理设计耗能板271中间段长条形槽273的数量与尺寸，使耗能组件27可以灵活调节结构的耗能需求，并适应结构的复位能力。
[0056]
进一步的，为了满足盖板272的钢性要求，在盖板272上表面连接有第二加劲肋277，具体焊接在盖板272上，第二加劲肋277与盖板272连接后整体形成一个t型结构。
[0057]
作为本实用新型的另一优选实施例，为了进一步减轻结构柱脚处的损伤，本实用新型优选的混凝土基础3与柱体1之间也采用后张拉式技术进行连接。具体的，如图5，混凝土基础3与柱体1之间通过柱墩组件7以及竖向预应力筋8连接。其中，柱墩组件7包括支撑框架71和连接在支撑框架 71顶部的支撑板72，支撑框架71底部预埋在混凝土基础3中，支撑框架 71顶部外露。竖向预应力筋8一端锚固于柱体1柱身，另一端锚固在支撑板72上，这样，竖向预应力筋8不用预埋在混凝土基础3中，方便竖向预应力筋8的检修及更换。具体的，在柱体1柱身一定高度连接有一个水平锚固件9，竖向预应力筋8锚固于该水平锚固件9上，水平锚固件9为牛腿结构，与柱体1焊接；水平锚固件9设置高度根据实际结构受力要求和使用功能确定。
[0058]
如图6所示，本实施例的支撑框架71由一个主板711和连接在主板711 两侧的多个支板712组成，其中主板711和支板712均为竖直板，竖直板的两侧依次对称连接有多个支板712，同一侧相邻支板712之间设置有间隔，支撑板72上设置的用于连接竖向预应力筋8的锚固孔721位于两相邻支板 712的间隔中。另外，支撑框架71在混凝土基础3中的预埋深度和上部的外露段高度应根据竖向预应力筋8的抗拔设计要求和施工及更换检修要求确定。
[0059]
支撑板72与柱体1根部连接处设置有抗剪件73。抗剪件73为l型钢板，l型钢板内侧设置有加劲肋74，抗剪件73一端通过焊接方式或螺栓连接方式固定于支撑板72顶面，本实施例优选焊接方式，抗剪件73另一端挤顶在柱体1侧部。
[0060]
进一步的，在上述实施方案的基础上，为了实现抗剪件73仅约束结构柱脚处的平
动自由度而不约束其转动自由度，在柱体1与支撑板72之间夹设一个底板10，且底板10的整体尺寸大于柱体1的底部横截面尺寸，如本实施例的底板10为方形板，该方形板的各个边边长均大于柱体1的底部横截面的各边长，如图5所示，这样保证地震作用下结构柱脚处发生转动时柱体1的柱壁不与抗剪件73发生碰撞。更优选的，将底板10与抗剪件73的接触面处设置为弧形面，即底板10侧部进行圆角处理，进一步减轻柱脚转动时开口侧抗剪件73与下底板10之间的相互作用。
[0061]
本实用新型通过在混凝土基础3中预埋柱墩组件7，避免柱体1直接与下部混凝土基础3作用，不仅可以避免结构柱脚处在地震作用下发生转动时由于应力集中导致基础顶部混凝土压溃的问题，而且竖向预应力筋8的下端可以锚固于柱墩组件7的外露段而非混凝土基础3中或混凝土基础3的底部，能够为其前期施工和后期检修更换带来极大的便利。
[0062]
以下通过建立有限元模型来模拟本实用新型的自复位框架受力性能，本次模型为单跨两层框架结构：
[0063]
(1)模型建立
[0064]
采用有限元软件abaqus对本实用新型进行有限元模拟分析，建立单跨两层框架缩尺模型，跨度3000mm，层高1500mm。模型主要构件尺寸见表1。其中，水平预应力钢绞线单根初始预拉力为70kn，竖向预应力筋单根初始预拉力为180kn。按初始轴压比为0.1在每根柱顶施加竖向荷载。
[0065]
表1模型构件尺寸
[0066][0067][0068]
上表中，
□
表示方钢管混凝土柱的截面为方形。
[0069]
钢材采用理想弹塑性模型，弹性模量e＝206000mpa，泊松比取υ＝0.3，耗能板的屈服强度取f
y
＝300mpa，其余钢材的屈服强度取f
y
＝360mpa。混凝土采用c30强度等级及相应的塑性损伤模型。预应力钢绞线及竖向预应力筋均采用理想弹塑性模型，弹性模量为e
pt
＝19500mpa，屈服强度分别为 1860mpa和1080mpa。考虑到接触复杂性及计算效率，对本实用新型中的底部基础采用刚性平板代替，对节点处的螺栓采用连接单元简化处理。按位移控制加载方法在柱顶施加位移荷载，极限层间位移角取4％。
[0070]
(2)模拟结果分析
[0071]
框架结构的荷载
‑
位移角曲线如图7所示，由图可知，该框架结构的滞回曲线为典型的“双旗帜”形，卸载后基本无残余变形。表明该自复位框架结构具有良好的抗震性能和复位性能。
[0072]
图8为框架首层梁处的上下侧预应力钢绞线5的应力变化曲线，由图可知，预应力钢绞线5应力始终低于其屈服强度1860mpa，且在节点发生转动的过程中，上下侧预应力钢绞线5的应力值基本一致，表明预应力钢绞线5 采用通长的布置方式能够充分利用每一根钢绞线的承载能力。
[0073]
根据框架在4％位移角时的整体应力云图以及首层左侧梁柱节点的应力详图可知，即使当框架层间位移角达到4％，主体构件仍大部分处于弹性状态，仅h型主梁21翼缘处因应力集中而少部进入塑性。此外，由框架在4％位移角时的整体应力云图可知，梁柱连接件4的端板41并未与方钢管混凝土柱的柱壁产生分离，表面该连接方式能够达到刚性设计的需求。
[0074]
根据框架首层左侧梁柱节点处的耗能板应力云图可看出，耗能板271中间耗能段塑性发展充分，为框架提供了充分的滞回阻尼。受压侧耗能板中间耗能段发生了明显的面内屈曲面形，能够降低卸载时其对结构复位能力的要求。
[0075]
在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。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技术方案中的具体含义。
[0076]
在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本实用新型的思想，同样应当视其为本实用新型所公开的内容。