一种钢‑混凝土混合框架可更换结构体系的制作方法

本发明涉及钢-混凝土混合框架建筑结构，具体涉及一种钢-混凝土混合框架可更换结构体系。

背景技术：

地震对人类生命财产造成的损失是巨大的，对人类社会生活的影响也是深远和复杂的。地震不仅会直接造成建筑物的破坏、人员的伤亡以及引起间接的次生灾害等，还对震后建筑物的修复和社会秩序的恢复提出了新的挑战。因此，工程结构的抗震设计理念，也逐渐从防止结构倒塌转向结构功能可维持、可恢复。现行框架抗震设计的原则之一是分散损伤，以实现结构整体尽可能多的构件参与耗能，避免形成薄弱层而引发结构倒塌。但框架结构侧向刚度薄弱，主要通过承重构件来抵抗侧向荷载，在大震作用下会产生很大的层间位移，承重结构受到较大的损坏，虽然结构未倾覆，但使用功能难以恢复，造成巨大的经济损失。因而国际上有学者提出了可恢复功能结构，即地震后不需修复或稍加修复即可恢复其使用功能的结构，在地震作用下，主要通过可更换构件的弹塑性变形，耗散地震能量，保护主体结构不受破坏或只受轻微破坏，地震作用后更换耗能构件即可恢复结构功能。在国内外目前研究较多的为钢框架可更换结构体系，以及剪力墙可更换结构体系，对于其他结构体系研究较少。

钢-混凝土混合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一类重要结构形式，它可以综合两者的各自特点，为结构工程的创新和解决超高、大跨、重载、复杂结构的设计施工难题提供新的选择，在国内外的工业及民用建筑中已经得到广泛应用。然而，目前国内外对可更换结构的研究主要针对的是钢结构体系，而对混合结构体系的研究较少；在抗震设计理论方面也主要集中在可更换构件本身，而关于可更换构件对结构整体性能的影响以及整体结构的抗震设计方法方面的研究还不完善。

技术实现要素：

针对现有结构体系存在的上述问题，本发明提出一种钢-混凝土混合框架可更换结构体系，克服一般框架结构在震后结构功能难以恢复以及钢框架应用范围上的限制的不足，从而保障建筑物在大震后快速恢复使用功能，降低经济损失。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种钢-混凝土混合框架可更换结构体系，包括主框架和次框架，所述主框架包括钢筋混凝土柱和与次框架共用的共用钢柱以及连接在两者之间的组合梁或钢梁，三者共同构成的钢-混凝土混合框架；次框架包括钢柱和与主框架共用的共用钢柱以及连接在两者之间的框架钢梁，三者共同构成的钢框架；

连接在主框架钢筋混凝土柱与次框架共用的共用钢柱之间的组合梁或钢梁为不可更换梁，分别通过梁柱外节点和梁柱内节点连接；

连接在钢柱与主框架共用的共用钢柱之间的框架钢梁为可更换梁，通过次框架梁柱节点连接；

主框架的钢筋混凝土柱和与次框架共用的共用钢柱以及次框架的钢柱底部通过柱脚与基础连接。

作为优选，梁柱外节点和梁柱内节点为刚接、半刚接或铰接的连接方式。

进一步，所述梁柱外节点和梁柱内节点采用刚接方式连接，即采用三边围焊角焊缝方式连接，相应组合节点采用腹板连续、翼缘部分切除的rcs组合节点连接方式。

进一步，所述梁柱外节点和梁柱内节点采用铰接方式连接，即为螺栓连接。

进一步，所述梁柱外节点和梁柱内节点采用半刚接方式连接，即为相应节点采用梁的上下翼缘与柱通过角钢或t型钢连接。

作为优选，所述次框架中的框架钢梁两端分别与钢柱和共用钢柱刚接，采用高强螺栓端板连接的方式；仅设置在楼面层，或同时设置在楼面层和中间层。

作为优选，连接所述钢筋混凝土柱、与次框架共用的共用钢柱和次框架的钢柱柱脚为刚接或铰接的连接方式。

进一步，所述铰接柱脚为一个呈三角形钢架结构的铰接支撑架，在三角形钢架的节点处为铰接连接方式，三角形的顶点铰接连接钢筋混凝土柱、与次框架共用的共用钢柱和次框架的钢柱，三角形的斜边两端铰接连接基础。

作为优选，由所述若干跨的主框架和若干跨的次框架组成每榀钢-混凝土混合框架，每榀钢-混凝土混合框架中由主框架两侧分别设次框架，再在次框架外设主框架、次框架，依次类推；相邻每榀钢-混凝土混合框架之间的主框架和次框架的分布方式可交错分布。

作为优选，所述主框架的跨度为6.0m～9.0m；次框架的跨度为1.0m～1.5m。

本发明的有益效果在于，该混合结构体系，主要通过在次框架层间及楼面层设置钢梁作为耗能构件，并与钢柱通过可拆卸的方式连接，作为可更换构件。可实现整体结构功能的震后可快速恢复，且经济性好、造价低，能够降低地震损失。

在地震作用下，通过钢梁的弹塑性变形，集中耗散地震能量，保护主框架不受损坏或受轻微损坏。地震作用后，更换钢梁即可恢复结构功能，从而实现地震作用下结构局部及整体性能的可控制、可恢复性。同时，所述结构体系采用钢-混凝土混合结构，可充分发挥钢和混凝土构件各自的性能，具有较高的承载力、耗能能力以及良好的施工性和经济性，可广泛应用于大跨、重载等公共建筑或工业建筑，也可用于城镇普通建筑结构，使用范围得到极大扩展。

附图说明

图1为混合框架可更换结构体系具体组成构件示意图；

图2为主框架梁柱外节点连接方式采用铰接、内节点采用刚接示意图；

图3为主框架梁柱外节点连接方式采用刚接、内节点采用铰接示意图；

图4为混合框架可更换结构体系主次框架跨数及跨度布置平面示意图；

图5为混合框架可更换结构体系框架1中主次框架跨数及跨度布置立面示意图；

图6为混合框架可更换结构体系框架2中主次框架跨数及跨度布置立面示意图；

图7为混合框架可更换结构体系框架3中主次框架跨数及跨度布置立面示意图；

图8(a)、图8(b)分别为钢-混凝土混合框架可更换结构体系的变形图和钢框架可更换结构体系的变形图；

图9(a)、图9(b)分别为钢-混凝土混合框架可更换结构体系的最大应力图和钢框架可更换结构体系的最大应力图。

图中：1、钢筋混凝土柱，2、钢梁或组合梁，3、钢柱，3-1、共用钢柱，4、次框架钢梁，5、梁柱外节点，6、梁柱内节点，7、次框架梁柱节点，8、次框架柱脚，8-1、主框架与次框架共用柱脚，9、主框架柱脚，10、基础。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，该钢-混凝土混合框架可更换结构体系，包括主框架和次框架，主框架由钢筋混凝土柱和钢梁或者组合梁及钢柱组成，属于钢-混凝土混合框架；次框架由钢柱和钢梁组成，属于钢框架。

主框架包括钢筋混凝土柱1和与次框架共用的共用钢柱3-1共同组成竖向混合承重体系，且可承受重载，还包括连接在两者之间的组合梁或钢梁2，三者共同构成钢-混凝土混合框架；次框架包括钢柱3和与主框架共用的共用钢柱3-1共同组成竖向混合承重体系，还包括连接在两者之间的框架钢梁4，三者共同构成钢框架；连接在主框架钢筋混凝土柱1与次框架共用的共用钢柱3-1之间的组合梁或钢梁2为不可更换梁，分别通过梁柱外节点5和梁柱内节点6连接；连接在钢柱3与主框架共用的共用钢柱3-1之间的框架钢梁4为可更换梁，通过次框架梁柱节点7连接；主框架的钢筋混凝土柱1和与次框架共用的共用钢柱3-1以及次框架的钢柱3底部通过柱脚与基础10连接。即次框架的钢柱3与基础10在次框架柱脚8处连接，主框架与次框架共用的共用钢柱3-1与基础10在主框架与次框架共用柱脚8-1处连接；主框架的钢筋混凝土柱1与基础10在主框架柱脚9处连接。

其中，组合梁或钢梁2为不可更换梁，梁柱外节点5和梁柱内节点6为刚接(见图1所示)、半刚接(见图2、图3所示)或铰接的连接方式。其中，刚接是梁柱外节点5和梁柱内节点6采用三边围焊角焊缝刚接方式连接，或相应组合节点可采用腹板连续、翼缘部分切除的rcs组合节点。采用铰接的连接方式，可采用螺栓连接。半刚接是梁柱外节点5和梁柱内节点6相应节点可采用梁的上下翼缘与柱通过角钢或t型钢连接。

其中，次框架中的钢梁4为可更换构件，其两端分别与钢柱3和共用钢柱3-1刚接，可采用高强螺栓端板连接的方式；可仅设置在楼面层，或同时设置在楼面层和中间层。

下面给出不同的实施例来进一步说明本发明。

如图2所示，为一个梁柱外节点5为铰接，梁柱内节点6为刚接，钢筋混凝土柱1、与次框架共用的共用钢柱3-1和次框架的钢柱3柱脚为刚接方式。次框架柱脚8及主框架与次框架共用柱脚8-1处采用刚接的连接方式，主框架柱脚9采用刚接的连接方式，均采用混凝土现浇的方式实现。

如图3所示，本发明在本图中与图2的不同之处在于，主框架梁柱外节点5采用刚接的连接方式，相应组合节点可采用腹板连续、翼缘部分切除的rcs组合节点，结构体系，次框架的钢柱之间在基础顶部可通过钢梁连接，进而减小基础剪力。主框架梁柱内节点6采用铰接的连接方式，可采用螺栓连接。次框架柱脚8及主框架与次框架共用柱脚8-1处采用铰接的连接方式，主框架柱脚9采用铰接的连接方式，均采用螺栓连接的方式实现。

铰接柱脚为一个呈三角形钢架结构的铰接支撑架，在三角形钢架的节点处为铰接连接方式，三角形的顶点铰接连接钢筋混凝土柱1、与次框架共用的共用钢柱3-1和次框架的钢柱3，三角形的斜边两端铰接连接基础10。

主框架与次框架共同构成钢-混凝土混合框架结构体系，但地震损害主要集中于次框架，与主框架隔离。在楼面层的主框架梁柱内节点的楼板上方应预留缝隙，避免妨碍次框架钢梁4变形，同时保护混凝土楼板、缝隙处楼板钢筋贯通以保证正常传力。

如图4(平面布置图)、图5、图6和图7(立面布置图)所示，该钢-混凝土混合框架可更换结构体系中，每榀钢-混凝土混合框架由若干跨的主框架和若干跨的次框架组成，每榀钢-混凝土混合框架中主框架和次框架的数量，由结构的受力和设计需求确定，次框架的跨数和跨度布置可根据结构的受力情况和实际设计需求确定。每榀钢-混凝土混合框架中可由主框架两侧分别设次框架，再在次框架外设主框架、次框架，依次类推；相邻每榀钢-混凝土混合框架之间的主框架和次框架的分布方式可交错分布。

如图5、图6和图7所示，该钢-混凝土混合框架可更换结构体系中，主框架的跨度为6.0m～9.0m，次框架的跨度为1.0m～1.5m，其具体跨度根据结构的受力和设计需求确定。可更换构件仅设置在楼面层或同时设置在楼面层和中间层，可根据结构的受力情况和实际设计需求确定。

如图8(a)、图8(b)和图9(a)、图9(b)所示，对钢-混凝土混合框架可更换结构体系和钢框架可更换结构体系分别建模得出变形图与应力图。

下表1给出了建模的构件信息。

表1构件信息表

图8(a)、图8(b)分别为钢-混凝土混合框架可更换结构体系与钢框架可更换结构体系的对比。变形图如图8(a)、图8(b)，可看出图8(a)变形小于图8(b)；最大应力图如图9(a)、图9(b)，可看出图9(a)较图9(b)应力分布均匀，且更多集中在可更换钢梁，结果证明钢-混凝土混合框架可更换结构体系性能优于钢框架可更换结构体系。

在相同含钢率的情况下，本发明提出的钢-混凝土混合框架可更换结构体系变形较钢框架可更换结构体系相比，可承受大跨、重载，能获得更好的经济性。

本发明结构体系中的竖向承重体系由主框架钢筋混凝土柱和次框架钢柱及主框架和次框架共用钢柱共同组成，属于竖向混合承重体系，且可承受重载。结构体系的水平承重体系由主框架钢梁或者组合梁和次框架钢梁共同组成，属于水平混合承重体系，可承受重载并形成大跨度、大空间。结构的抗侧力体系由钢-混凝土混合框架(主框架)和钢框架(次框架)共同组成，属于钢-混凝土混合框架结构，可充分发挥钢筋混凝土柱的抗压性能好、稳定性好、耐久性和耐火性好，钢梁的抗弯性能好、质量轻、施工方便的特点，具有较高的承载力以及良好的施工性和经济性。

结构体系次框架中的钢梁是主要的水平耗能构件，在地震作用下集中耗能，保护主体结构。结构体系次框架中的钢梁采用可更换构件，可根据结构的受力和设计需求，可仅设置在楼面层，也可同时设置在楼面层和中间层，可减小基础剪力。次框架梁柱节点及主框架内节点刚接，可采用高强螺栓端板连接的方式。次框架中的钢梁是可更换构件，次框架中的钢梁是主要的水平耗能构件，在地震作用下，主要通过钢梁的弹塑性变形，集中耗散地震能量，保证主框架结构的正常工作状态，保证人身安全，降低结构破坏程度。可实现整体结构功能的震后可快速恢复，且经济性好、造价低，能够降低地震损失。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。