一种抗冲切钢桁架

本发明涉及钢筋混凝土板柱节点技术领域，特别涉及一种抗冲切钢桁架。

背景技术：

混凝土板柱结构由于其节点易发生脆性冲切破坏，是其结构体系的薄弱环节。板柱节点冲切破坏过程极其短暂，其安全性较梁柱节点差，特别是在竖向荷载和水平地震的共同作用下，地震作用引起的不平衡弯矩又加剧了节点区的剪应力，抗冲切能力更差。板柱节点的冲切破坏可近似看成三维的斜向剪切破坏，在竖向荷载或集中力作用下，板截面存在正应力和剪应力，随着荷载的增加，逐渐在板柱节点四周出现较大的主拉应力。当拉应力超过混凝土抗拉强度时，板四周出现明显的径向裂缝，最终破坏形式表现为板截面出现斜裂缝并形成冲切锥体连同柱头冲出板体，锥体斜截面大体呈45°倾角，其破坏截面由于受拉应力达到极限形成一圈撕开状裂痕。所以，为加强板柱节点的抗冲切性能，抗冲切元件应充分抵御混凝土的斜向拉应力。

国内外对混凝土板柱结构的抗震性能和设计方法开展了较多的研究，特别是板柱节点的受冲切性能与设计方法、非线性分析方法、以及配置箍筋、弯起钢筋、锚栓、型钢剪力架等抗冲切键板柱节点受冲切性能等。但相比其它混凝土结构形式，我国混凝土板柱结构研究工作开展还不够，现行规范有关内容较少，滞后于工程实际，针对近年来我国地震形势的严峻性，许多新建和在建的建筑都面临着严重的地震威胁，亟需开展进一步研究，提高板柱节点受冲切性能及其结构抗震性能。基于已有板柱节点内置锚栓、型钢剪力架等抗冲切键抗冲切性能的研究，结合我国工程实际，以提高节点的塑性变形能力为出发点，提出在板柱节点内置由纵向弦杆和横向缀板焊接组成的钢桁架的抗冲切键。

技术实现要素：

为了克服传统抗冲切键的受力不能充分发挥以及无法提高结构抗震性能的不足，本发明的目的在于提供一种抗冲切钢桁架，以改善钢筋混凝土板柱节点的抗冲切性能及延性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种抗冲切钢桁架，包括上部纵向弦杆1和下部纵向弦杆2，上部纵向弦杆1和下部纵向弦杆2分别为两根，上部的两根上部纵向弦杆1在同一水平面上左右对称设置，下部的两根下部纵向弦杆2在同一水平面上左右对称设置，每侧的上部纵向弦杆1和下部纵向弦杆2在同一竖直面上，所述同一侧上两端的上部纵向弦杆1和下部纵向弦杆2通过垂直设置的腹杆3连接，同一水平面上两端的上部纵向弦杆1和下部纵向弦杆2之间通过水平设置的腹杆3连接，所述同一侧的上部纵向弦杆1和下部纵向弦杆2之间设置有起抗冲切作用腹杆4。

优选地，所述腹杆3将上部纵向弦杆1和下部纵向弦杆2构成空间结构体系。

优选地，所述上部纵向弦杆1和下部纵向弦杆2选用角钢或带肋钢筋，截面尺寸不宜过大，其规格、等级和形状均可满足实际需求。

优选地，所述起连接作用腹杆3和起抗冲切作用腹杆4采用钢板条，所述钢板条厚度≥6mm且横截面≥100mm²，其规格、等级和形状均可满足实际需求。

优选地，所述上部纵向弦杆1、下部纵向弦杆2、起连接作用腹杆3和起抗冲切作用腹杆4两两连接节点处通过设备电流焊接，各焊点强度均满足设计要求，焊接为一体结构。

优选地，所述上部纵向弦杆1与下部纵向弦杆2的间距≥0.5h0，其中h0为板的有效厚度。

优选地，所述起抗冲切作用腹杆4包括竖向腹杆和斜向腹杆，竖向腹杆和斜向腹杆交叉等距排列设置。

优选地，所述起抗冲切作用腹杆4中斜向腹杆与下部纵向弦杆2呈45°角。

本发明的有益效果：

钢桁架不仅可增大与混凝土的粘结性能，又可实现对混凝土约束，能有效改善板柱节点的弹塑性性能；此外钢桁架还具有容易安装、与钢筋施工布置干扰少、节约钢材等优点。另外，板柱节点内置钢桁架，使得结构局部采用钢-混凝土组合结构，可进一步改善节点的受冲切性能和弹塑性变形能力，提高节点和整体结构的安全性和抗震性能。

在抗冲切钢桁架中，其中起抗冲切作用腹杆4中的斜向腹杆与冲切破坏锥面成垂直状，使其充分受力，用于抵抗混凝土中的拉应力；起抗冲切作用腹杆中的竖向腹杆可提高节点和整体结构的抗震性能及延性。为使起抗冲切作用腹杆在钢筋混凝土板柱节点中更高效地发挥其抗冲切性能，就要为其提供可靠的锚固，上部纵向弦杆1、下部纵向弦杆2和起连接作用腹杆3不仅可固定起抗冲切作用腹杆4在混凝土中的位置，还可增加与混凝土的粘结作用，兼顾易安装控制、对主筋的放置无干扰、同时有效的控制板顶和板底剪切裂缝的宽度的优势，且具有安装方便、构造简单、锚固可靠、用途广泛、节约材料、可提前预制缩短工期的优点，有效提高板柱节点的抗冲切性能。

此种钢桁架形式在板厚≥150mm的钢筋混凝土板柱节点中得以推广应用。

附图说明

图1为抗冲切钢桁架的示意图。

图2为抗冲切钢桁架在板柱节点中的构造示意图。

图3为抗冲切钢桁架布置图。

图4为有无抗冲切钢桁架板柱节点的荷载-挠度曲线。

图5表示腹杆尺寸对钢筋混凝土板柱节点受冲切承载力的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，该抗冲切钢桁架，由上部纵向弦杆1、下部纵向弦杆2、起连接作用腹杆3和起抗冲切作用腹杆4焊接而成，其中起抗冲切作用腹杆分竖向和斜向两种。利用起连接作用腹杆3将上部纵向弦杆1和下部纵向弦杆2构成空间结构体系，并在与板平面的垂直方向的两侧面上分别放置多根起抗冲切作用腹杆4，其中斜向腹杆与下部纵向弦杆2呈45°角。

本发明的抗冲切钢桁架设计为一体结构，即上部纵向弦杆1、下部纵向弦杆2、起连接作用腹杆3和起抗冲切作用腹杆4焊接为一体，其将各部焊接为图1所示结构。起抗冲切作用腹杆4包括竖向腹杆和斜向腹杆，竖向腹杆和斜向腹杆交叉等距排列设置。上部纵向弦杆1与下部纵向弦杆2的间距≥0.5h0，h0为板的有效厚度。起连接作用腹杆3和起抗冲切作用腹杆4采用钢板条，其钢板厚度≥6mm且横截面≥100mm²。

该抗冲切钢桁架的应用范围是置于钢筋混凝土板中的靠近柱节点部分，在浇筑混凝土前，可在工厂提前预制好构件，在下层纵筋绑扎完毕后，将其放置在纵筋上即可，具体位置关系如图2所示，图中a即为本发明为抗冲切钢桁架，5为混凝土板，6为混凝土柱。之后再浇筑混凝土，其余施工过程与普通钢筋混凝土板柱节点施工过程一致。可根据板的冲切承载力在各方向设置不同的数量并设计不同布置形式，如十字形布置(如图3)等。

为分析配置抗冲切钢桁架对板柱节点受冲切性能的影响，进行了竖向荷载作用下内置抗冲切钢筋混凝土板柱节点抗冲切性能试验，其荷载-位移曲线如图4所示。其中st00试件为不配置抗冲切钢桁架的混凝土板柱节点，st01试件为配置抗冲切钢桁架的混凝土板柱节点，与试件st00相比，试件st01的极限承载力增加了4.62％，其峰值挠度增大可忽略不计。

采用有限元软件abaqus对内置钢桁架板柱节点在竖向荷载下全过程受力状态进行数值模拟分析，参数分析设置的变量为缀板截面尺寸，通过增加缀板厚度来改变截面尺寸，设置缀板的厚度有3mm、12mm、20mm和30mm，分别对应模型1-1、1-2、1-3和1-4，其余参数不变，其中模型1-1为基准，对应试件st01,详见表1。

表1腹杆尺寸参照

图5表示腹杆尺寸对钢筋混凝土板柱节点受冲切承载力的影响。以模型1-1为基准，随着腹杆的截面积增加，模型1-2、1-3、1-4的板柱节点受冲切承载力的分别增加了18.9％、28.4％、31.1％，峰值荷载对应的板中心挠度也随之增加。不难发现，单个腹杆截面积超过到200mm²时，继续增加截面积所能提高的冲切承载力是有限的，因此，可认为在一定范围内，腹杆尺寸越大则板柱节点的受冲切承载力越大。与无钢桁架的st00efa相比较，由图5所示，受冲切承载力提高幅度最高可达47.8％。综上，可认为钢桁架是一种具有良好抗冲切性能的空间构造形式，st01efa中设计的腹杆截面积过小，导致冲切承载力提高的不明显。

本发明抗冲切钢桁架的施工工艺如下：

该抗冲切钢桁架根据需要由相应规格的角钢或钢筋和钢板条焊接而成，各焊点强度均满足设计要求。由于抗冲切钢桁架与板中钢筋网片施工布置互不干扰，可直接将提前预制好的钢桁架放置于绑扎完毕的底部钢筋网片之上，减少施工现场作业量，进而有效缩短施工工期。钢桁架构造形式简单易加工、高效安全，改善了传统抗冲切键的受力形式，兼顾提高了钢筋混凝土板柱节点的抗冲切性能及抗震性能，能够创造一定的社会效益和经济效益。