专利名称：内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙，属于一种组合剪力墙。
背景技术：
近年来，型钢混凝土组合剪力墙结构在工程中得到了广泛的应用，受到了工程界的一致好评。但是，型钢与混凝土的粘结力较小，易发生滑移破坏，影响了其结构整体抗震性能的充分发挥。怎样使混凝土中型钢充分发挥其功效，以改善型钢剪力墙综合抗震性能成为一个关键技术问题。
现有的改善型钢剪力墙抗震性能的方案中，有在钢筋混凝土剪力墙中加设钢筋暗支撑的技术。其存在的问题是其斜向暗支撑核心部分为混凝土，抗拉、抗压能力尚不足。
现有的改善型钢剪力墙抗震性能的方案中还有一种加设钢板支撑的技术。其存在问题是钢板受力性能比其它型钢弱，抗拉、抗压能力不足，支撑端部易出现局部失稳。
现有的改善剪力墙抗震性能的方案中，还有在钢筋混凝土剪力墙中加设中心支撑钢桁架的技术。其存在的问题是支撑与型钢梁柱的节点连接，使节点受力较大，易造成节点先于构件破坏，不符合强节点的抗震设计原则；当多个支撑同时处于同一节点时，节点的施工难度大，难以保证施工质量。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是，显著提高型钢混凝土组合剪力墙的抗震能力问题。为了解决这一问题，本实用新型提出了一种内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙。
本实用新型采用的技术方案是内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙由边框和剪力墙板构成，在剪力墙板中配置由横向和纵向分布钢筋组成的钢筋网，在钢筋网之间用拉接钢筋13拉接，其特征在于剪力墙内暗藏偏心支撑钢桁架1，钢桁架1由型钢柱4、型钢梁5和型钢暗支撑10组成，设计承载力满足强柱、强撑、弱消能梁段的要求，随着地震作用的增加，型钢梁中消能梁段首先达到受剪屈服，其余区段仍处于未屈服受力状态。型钢柱4暗藏于剪力墙两端的边框中，型钢梁5暗藏于剪力墙的边框梁中，型钢暗支撑10与上下端的边框中型钢梁5连接，并且型钢暗支撑10的周围分布有钢筋暗支撑17，钢筋暗支撑17绕过边框中型钢梁5进行锚固，在混凝土剪力墙内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的偏心支撑钢桁架1。
消能梁段的长度不应过大，以保证消能梁段形成剪切屈服型消能梁段；消能梁段的长度也不应过小，以避免塑性变形角过大导致过早塑性变形。消能梁段的长度a满足以下关系hb≤a≤1.5hb式中a-消能梁段的长度，即型钢暗支撑与型钢梁交点至型钢柱面的距离；
hb-型钢消能梁段的截面高度所述的内藏钢桁架混凝土组合剪力墙，暗藏钢桁架1内的型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17呈人字形，其上端伸入上边框梁中与梁中型钢梁5中点连接，下端伸入下边框梁5的端部，与下边框梁中型钢梁5连接，型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17、型钢梁5和剪力墙两端的型钢柱4组合，在混凝土剪力墙内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的偏心支撑钢桁架1。
所述的内藏钢桁架混凝土组合剪力墙，暗藏钢桁架1内的型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17呈X形，其上端伸入上边框梁的端部内，与上边框梁中型钢梁5连接，下端伸入下边框梁的端部与下边框梁中型钢梁5连接，型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17、剪力墙两端的型钢柱4和边框梁中的型钢梁5组合，在混凝土剪力墙内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的偏心支撑钢桁架1。
所述的内藏钢桁架混凝土组合剪力墙，暗藏钢桁架1内的型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17呈八字形，其上端与梁中型钢梁5连接，下端伸入下边框梁的端部，与下边框梁中型钢梁5连接，型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17、边框梁中的型钢梁5和剪力墙两端的型钢柱4组合，在混凝土剪力墙内部形成强柱强撑弱消能梁段钢桁架1。
所述的内藏钢桁架混凝土组合剪力墙，暗藏钢桁架1内的型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17为单斜杆，其上端与梁中型钢梁5连接，下端伸入下边框梁的端部，与下边框梁中型钢梁5连接，型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17、边框梁中的型钢梁5和剪力墙两端的型钢柱4组合，在混凝土剪力墙内部形成强柱强撑弱消能梁段钢桁架1。
本实用新型的内藏桁架剪力墙适用于混凝土墙板作为抗震的第一道防线的剪力墙，当墙板在抗震中破坏后，暗支撑与边框梁柱形成桁架保持结构的整体稳定性。当地震力继续增大时，在偏心支撑的偏心段，即消能梁段，出现屈服和塑性变形，以消耗输入结构的地震能量。
本实用新型的内藏桁架结构是一个强柱、强撑、弱消能梁段体系，型钢梁的其余段、型钢暗支撑、型钢柱的设计承载力高于消能梁段达到屈服时所对应的承载力，当消能梁段出现屈服和塑性变形时，型钢梁的其余段、型钢暗支撑、型钢柱仍处于未屈服阶段。
本实用新型的内藏桁架中，暗支撑由型钢暗支撑、钢筋暗支撑、支撑箍筋、约束混凝土共同组成，提高了结构的承载力，同时保证消能梁段出现屈服和塑性变形时桁架仍具有相对稳定的滞回性能，改善了结构的延性。
本实用新型降低了型钢在混凝土中发生滑移破坏的程度。由于型钢桁架自身形成一个几何不变的传力体系，在混凝土与型钢共同工作的过程中，型钢与混凝土的粘结力不起主要传递力作用，不易发生粘结破坏；另外，在型钢暗支撑与钢筋暗支撑共同形成的暗支撑中，钢筋暗支撑绕过型钢梁进行锚固，大大增强了型钢暗支撑与混凝土的粘结作用。
本实用新型由内藏的偏心支撑钢桁架与混凝土剪力墙组合形成，形成过程是两者相加的过程，但组合后结构的抗震能力显著高于钢桁架与剪力墙独立工作的相加。原因在于组合结构处分发挥了两者各自的优点，有效地弥补了两者在抗震中的不足。对于混凝土墙体，内藏钢桁架在不改变外形尺寸的条件下，显著地提高了其承载力，改善了延性，增加了建筑使用面积，节约了建筑成本。对于暗藏于剪力墙中的钢桁架，型钢杆件受到钢筋混凝土束的约束，不易发生失稳破坏，承载力和延性都得到提高。另外，普通偏心支撑钢桁架在抗震中消能梁段发生塑性变形后，易造成楼板破坏，中震后难以修复，而本实用新型的第一道抗震防线是剪力墙，消能梁段作为组合结构第二道抗震防线在大震中屈服。与带钢板暗支撑剪力墙、带钢筋混凝土暗支撑型钢剪力墙、内藏中心支撑暗桁架混凝土组合剪力墙等组合结构相比，本实用新型承载能力提高，承载力和刚度衰减慢，后期抗震性能相对稳定，底部剪切滑移破坏减轻。
由于型钢剪力墙是建筑结构的核心抗侧力部件，提高了型钢剪力墙的抗震能力，也就提高了型钢剪力墙结构的整体抗震能力，当建筑物遭遇强烈地震时，可减轻其震害，防止其倒塌。
图1是本实用新型内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈人字形时剪力墙一个结构单元的结构配筋示意图；图2是图1中A-A剖面放大示意图；图3是图1中B-B剖面放大示意图；图4是本实用新型内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈X形时剪力墙一个结构单元的结构配筋示意图；
图5是本实用新型内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈八字形时剪力墙一个结构单元的结构配筋示意图；图6是本实用新型内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙中型钢暗支撑和钢筋暗支撑为单斜杆时剪力墙一个结构单元的结构配筋示意图；图7是本实用新型内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈人字形网状布置时剪力墙一个结构单元的结构配筋示意图；图8是本实用新型内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈X形网状布置时剪力墙一个结构单元的结构配筋示意图；图9是本实用新型内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈八字形网状布置时剪力墙一个结构单元的结构配筋示意图；图中，1-钢桁架2-边框柱钢筋3-边框柱箍筋4-型钢柱5-型钢梁6-边框梁钢筋7-边框梁箍筋8-剪力墙墙板横向钢筋9-剪力墙墙板竖向钢筋10-型钢暗支撑17-钢筋暗支撑18-暗支撑箍筋。
具体实施方式
实施例1内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙一个结构单元的结构配筋示意图如图1、图2和图3所示，它是由带内藏人字形型钢暗支撑10的偏心支撑钢桁架1和带钢筋暗支撑17的混凝土剪力墙板组合构成。其正四边形截面边框柱内的型钢暗藏工字形型钢柱4，配筋是每边有两根钢筋2，沿柱纵筋分布地绑扎着四边形箍筋3，其箍筋分布贯通至梁与柱相接的节点内区域；其矩形截面边框梁的型钢梁为工字型钢5，配筋是每边有等距离的两根纵筋6，沿梁纵筋分布地绑扎着矩形箍筋7，边框梁的箍筋分布至梁端；剪力墙的配筋是，在两侧沿横向及竖向分别均匀地布置剪力墙板横向钢筋8和竖向钢筋9，并在交叉点绑扎固定，形成两片钢筋网，横向钢筋8和竖向钢筋9的两端分别插入边框柱和边框梁中，并使其分别满足锚固长度的要求。四根钢筋围绕着型钢暗支撑10形成钢筋暗支撑17，钢筋暗支撑17绕过边框梁中的型钢梁锚固，钢筋暗支撑17外均匀的固装着箍筋18。型钢暗支撑10上端伸入上边框梁与梁中型钢5连接，其下端伸入下边框梁的端部，与下边框梁中型钢梁5连接，形成内藏钢桁架1。四根钢筋17绕过型钢梁5、型钢柱4进行锚固。其它构造配筋有，在暗支撑与边框梁相交的节点处分别固接着第一固接筋11和第二固接筋12。剪力墙两片钢筋网之间用间距小于或等于600mm的拉接筋13相连。最后将内藏钢桁架及剪力墙的边框和墙板配筋，通过浇捣混凝土一次成型为内藏偏心支撑钢桁架的混凝土组合剪力墙。
实施例2内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的第二种结构形式如图4所示，暗藏钢桁架的型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17为X形，其上端伸入上边框梁的端部，与上边框梁中型钢梁5连接。下端伸入下边框梁的端部中，与下边框梁中型钢梁5连接。在暗支撑与边框梁相交的节点处分别固接着第三固接筋14和第四固接筋15，其它方面与第一种形式相同。
实施例3内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的第三种结构形式如图5所示，是在剪力墙板两片钢筋网内侧设置八字形型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17，其上端伸入上边框梁与梁中型钢梁5连接，其下端伸入下边框梁的端部，与下边框梁中型钢梁5连接。在暗支撑与边框梁相交的节点处分别固接着第五固接筋11和第六固接筋16，其它方面与第一种形式相同。
实施例4内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的第四种结构形式如图6所示，暗藏钢桁架1内的型钢暗支撑10和钢筋暗支撑17为单斜杆，其上端与梁中型钢梁5连接，下端伸入下边框梁的端部，与下边框梁中型钢梁5连接，在暗支撑与边框梁相交的节点处分别固接着第三固接筋14和第四固接筋15，其它方面与第一种形式相同。
实施例5、6、7内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的第五、六、七种结构形式分别如图7、图8、图9所示，当楼层高度与剪力墙宽度相比较小时，墙板中内藏钢桁架的方式可选上述三种方式之一，以控制暗支撑的角度在45度至60度之间，其它结构与第一种方式相同。
实施例2是由普通剪力墙和偏心支撑钢桁架组合而成的，由于组合后形成的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的抗震性能明显高于普通剪力墙和偏心支撑钢桁架独立工作的相加。一方面提高了混凝土墙板的承载力、刚度及延性，另一方面降低了钢桁架失稳的可能，并且钢筋暗支撑提高了型钢暗支撑与混凝土的粘结。以下通过三个模型构件来比较实施例2与未形成组合之前的钢筋混凝土剪力墙和钢桁架的抗震性能。
1)模型设计设计了三个模型构件，模型缩尺为1∶3，构件1为带X形工字钢偏心支撑的钢框架，跨度为1000mm，高度为1500mm，记作SBF；构件2为普通混凝土剪力墙，截面为一字形、墙板宽度为1000mm，高度为1500mm，厚度为150mm的剪力墙，记作SW-1000；构件3为内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙，在构件2的墙板中内藏了工字钢框架SBF，施工方法同实施例二，记作SBW-ST。配筋及构造要求参考了混凝土结构设计规范、建筑抗震设计规范、型钢混凝土组合结构技术规程和钢筋砼带暗支撑墙研究成果。各试件尺寸及配筋见表1。墙板宽度为1000mm的剪力墙混凝土的设计强度等级为C40。
三个构件之间的关系为构件1中内藏构件2，并在型钢暗支撑周围配钢筋暗支撑和箍筋，形成组合暗支撑，构成了构件3。
表1 3个截面高度为1000mm剪力墙试件设计参数
2)承载力各构件的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载见表2。
表2各试件的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载值
表2中Fc为混凝土墙体开裂的水平荷载；Fy为试件明显屈服水平荷载；Fu为试件最大水平荷载；
分析表2可以看出(1)内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷比普通剪力墙均有提高。与墙体SW-1000相比，SBW-ST的开裂荷载提高了36.56％；屈服荷载提高了137.76％；极限荷载提高了198.48％。
墙体SW-1000和SBF的屈服荷载的和为342.66kN，与之相比，SBW-ST的屈服荷载提高了106.07％；墙体SW-1000和SBF的极限荷载的和为382.8kN，与之相比，SBW-ST的极限荷载提高了145.78％。
(2)内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的开裂荷载与极限荷载的比值比普通剪力墙明显小，说明试件从开裂到极限荷载的历程相对较长，对抗震有利。
(3)内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的屈服荷载与极限荷载的比值(屈强比)比普通剪力墙明显小，说明试件从屈服到极限荷载有约束的屈服段较长，对抗震有利。
3)刚度由于本实用新型主要目的是改善剪力墙的抗震性能，故这里只比较了各剪力墙的刚度及衰减系数，各剪力墙刚度及各阶段刚度衰减系数见表3表3试件各阶段刚度值
表中K0为试件初始弹性刚度；Kc为试件开裂割线刚度；Ky为试件明显屈服割线刚度；βc0＝Kc/K0为开裂刚度与初始刚度的比值，它表示从初始弹性到开裂过程中刚度的衰减；βy0＝Ky/K0为屈服刚度与初始刚度的比值，它表示从初始阶段到屈服时刚度的衰减；βyc＝Ky/Kc为屈服刚度与开裂刚度的比值，它表示从开裂到屈服刚度的衰减；βy0相对值表示内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的βy0与其相应普通剪力墙βy0的比值。由表3可见(1)两个剪力墙墙体的初始弹性刚度非常接近，说明初始刚度主要由混凝土强度和试件尺寸决定。
(2)内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的屈服刚度比普通混凝土剪力墙明显提高，说明内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的刚度衰减速度较慢，内藏偏心支撑钢桁架对混凝土的开裂形成了有效约束，有利于稳定结构的后期刚度，提高结构后期的抗震能力。
(3)内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的βyc比相应普通混凝土剪力墙明显提高，这是由于其屈服刚度提高程度大于开裂刚度提高程度的结果。内藏偏心支撑钢桁架组合剪力墙的βy0值比普通混凝土剪力墙显著提高，这是由于其初始刚度接近而内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的屈服刚度显著提高的结果。
4)延性性能分析只比较了各剪力墙的位移及延性系数，各剪力墙的位移及延性系数见表4。
表4各剪力墙位移及延性系数
表中位移指与水平加载点同一高度处的相应水平位移正负向均值。其中Uc为与Fc对应的开裂位移；Uy为与Fy对应的屈服位移；Ud为弹塑性最大位移；μ＝Ud/Uy为延性系数；θP为弹塑性位移角。
由表4可见(1)内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的弹塑性最大位移比普通混凝土剪力墙明显提高，弹塑性最大位移提高比例为21.6％。
(2)内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙试件延性系数比普通混凝土剪力墙的延性系数明显提高，比例为26.6％。
(3)SBW-ST的弹塑性位移角达到1/24，可满足大震对构件变形的要求，并且大于普通混凝土剪力墙的弹塑性位移角。
结论分析结果表明，内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙的承载力显著提高，大大高于普通混凝土剪力墙与工字钢框架的承载力之和，同时其屈强比，后期刚度，延性系数，弹塑性位移均在普通混凝土剪力墙的基础上显著提高，抗震能力明显提高。
权利要求1.内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙，由边框和剪力墙板构成，在剪力墙板中配置由横向和纵向分布钢筋组成的钢筋网，在钢筋网之间用拉接钢筋(13)拉接，其特征在于剪力墙内暗藏偏心支撑钢桁架(1)，钢桁架(1)由型钢柱(4)、型钢梁(5)和型钢暗支撑(10)组成，设计承载力满足强柱、强撑、弱消能梁段；型钢柱(4)暗藏于剪力墙两端的边框中，型钢梁(5)暗藏于剪力墙的边框梁中，型钢暗支撑(10)与上下端的边框中型钢梁(5)连接，并且型钢暗支撑(10)的周围分布有钢筋暗支撑(17)，钢筋暗支撑(17)绕过边框中型钢梁(5)进行锚固，在混凝土剪力墙内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的偏心支撑钢桁架(1)。
2.按照权利要求1所述的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙，其特征在于消能梁段的长度满足以下关系hb≤a≤1.5hb式中a-消能梁段的长度，即型钢暗支撑与型钢梁交点至型钢柱面的距离；hb-型钢消能梁段的截面高度。
3.按照权利要求1所述的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙，其特征在于暗藏钢桁架(1)内的型钢暗支撑(10)和钢筋暗支撑(17)呈人字形，其上端伸入上边框梁中与梁中型钢梁(5)中点连接，下端伸入下边框梁(5)的端部，与下边框梁中型钢梁(5)连接，型钢暗支撑(10)和钢筋暗支撑(17)、型钢梁(5)和剪力墙两端的型钢柱(4)组合，在混凝土剪力墙内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的偏心支撑钢桁架(1)。
4.按照权利要求1所述的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙，其特征在于暗藏钢桁架(1)内的型钢暗支撑(10)和钢筋暗支撑(17)呈X形，其上端伸入上边框梁的端部内，与上边框梁中型钢梁(5)连接，下端伸入下边框梁的端部与下边框梁中型钢梁(5)连接，型钢暗支撑10和钢筋暗支撑(17)、剪力墙两端的型钢柱(4)和边框梁中的型钢梁(5)组合，在混凝土剪力墙内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的偏心支撑钢桁架(1)。
5.按照权利要求1所述的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙，其特征在于暗藏钢桁架(1)内的型钢暗支撑(10)和钢筋暗支撑(17)呈八字形，其上端伸入上边框梁内，与梁中型钢梁(5)连接，下端伸入下边框梁的端部，与下边框梁中型钢梁(5)连接，型钢暗支撑(10)和钢筋暗支撑(17)、边框梁中的型钢梁(5)和剪力墙两端的型钢柱(4)组合，在混凝土剪力墙内部形成强柱、强撑、弱消能梁段钢桁架(1)。
6.按照权利要求1所述的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙，其特征在于暗藏钢桁架(1)内的型钢暗支撑(10)和钢筋暗支撑(17)为单斜杆，其上端伸入上边框梁内，与梁中型钢梁(5)连接，下端伸入下边框梁的端部，与下边框梁中型钢梁(5)连接，型钢暗支撑(10)和钢筋暗支撑(17)、边框梁中的型钢梁(5)和剪力墙两端的型钢柱(4)组合，在混凝土剪力墙内部形成强柱、强撑、弱消能梁段钢桁架(1)。
专利摘要本实用新型涉及一种内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合剪力墙，属于一种剪力墙。这种剪力墙在剪力墙板中配置两排钢筋网，在钢筋网之间加配型钢暗支撑(10)和钢筋暗支撑(17)，其特征在于混凝土剪力墙内暗藏偏心支撑钢桁架(1)，钢桁架(1)由型钢柱、型钢梁和型钢支撑组成，设计承载力应满足强柱、强撑、弱消能梁段的要求，即满足消能梁段达到受剪屈服时，其余区段仍处于未屈服受力状态。钢筋暗支撑分布于型钢暗支撑周围，绕过型钢梁进行锚固；暗藏桁架的偏心型钢支撑和钢筋暗支撑组合成型钢混凝土暗支撑，其形状可呈人字形、X形或八字形。本发明的剪力墙比现有剪力墙的初始刚度大、承载能力高、抗震防线多、延性好、整体抗震耗能能力强。
文档编号E04C5/00GK2846574SQ20052011236
公开日2006年12月13日 申请日期2005年7月8日 优先权日2005年7月8日
发明者曹万林, 常卫华 申请人:北京工业大学