一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，包括框架柱，该框架柱至少在其上下两端头处内置有可侧滑的抗压模块，以在框架柱滞回损伤区传递轴压力，并阻断框架柱滞回损伤与框架柱抗压承载能力下降的耦合作用，同时具有摩擦耗能作用；该抗压模块与框架柱混凝土浇筑一体，形成组合柱。本发明采用至少在框架柱的上下端头处内置可侧滑的抗压模块，与混凝土浇注一体形成组合柱，可以提高框架柱的抗滞回损伤压溃能力、滞回变形能力和滞回耗能能力，及提高框架结构的抗地震倒塌能力。
【专利说明】一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱
【技术领域】
[0001]本发明涉及结构工程抗震领域，特别是涉及一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱。
【背景技术】
[0002]地震灾害调查时，往往将钢筋混凝土框架柱的滞回损伤压溃，作为判别结构地震破坏或倒塌的标志。钢筋混凝土框架梁或柱的滞回损伤主要发生于构件进入弹塑性变形之后，框架梁柱节点区如图1所示(图1中，3 '所指构件为楼板)，按框架强柱弱梁的抗震设计原则，梁2'可能先于柱I ^进入弹塑性变形，但因梁2 '轴力通常较小或为零，梁2 '滞回损伤演化速率相对小于柱^，且工程中少有梁2'出现压溃情况，梁2'破坏后其轴向抗拉或抗压并没有退出工作，仍对结构保持整体性发挥作用；柱I ^轴压力通常则较大，其滞回损伤使柱I ^有效抗压面积减小，导致其抗压承载能力下降，进而又加剧其滞回损伤演化，这种相关性最终将导致柱端头压馈，而压溃柱达到一定数量必然引发框架结构连续性倒塌。故，框架柱的抗滞回损伤压溃性能对框架结构抗地震倒塌有重要意义，是框架结构抗地震倒塌能力的直观体现。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，显著提升钢筋混凝土框架柱的抗滞回损伤压溃性能。
[0004]本发明解决 其技术问题所采用的技术方案是:一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，包括框架柱，该框架柱至少在其上下端头处内置有可侧滑的抗压模块，以在框架柱滞回损伤区传递轴压力，并阻断框架柱滞回损伤与其抗压承载能力下降的耦合作用；该抗压模块与框架柱混凝土浇筑一体，形成组合柱。
[0005]进一步的，所述抗压模块包括多个叠合面水平的块体，该多个块体沿所述框架柱的轴线方向依次层叠。
[0006]进一步的，所述抗压模块的侧面周圈为所述框架柱混凝土或包括有环绕层。
[0007]进一步的，所述各个块体的材质分别为天然石材或人工石材。
[0008]进一步的，所述各个块体的叠合面分别为正方形、长方形、菱形、圆形和椭圆形中的任意一种。
[0009]进一步的，所述各个块体的侧面分别向外鼓出。
[0010]进一步的，所述各个块体的叠合面分别为不光滑表面和/或所述各个块体的叠合面分别涂覆有石墨层。
[0011]进一步的，所述多个块体的中心分别设有一通孔，所述多个块体依次叠合后，其中心通孔竖穿有钢筋，该钢筋的上下两端分别伸出所述抗压模块外。
[0012]进一步的，所述环绕层为金属丝网、涤纶布、玻璃纤维布、金属片中的任意一种围成的结构。[0013]进一步的，所述环绕层紧贴并包裹所述抗压模块侧面周圈或所述环绕层与所述抗压模块之间填充有耗能材料。
[0014]本发明采用至少在框架柱的上下端头处内置可侧滑的抗压模块，与混凝土浇注一体形成组合柱，有以下有益效果:
[0015]⑴、提高框架柱的抗滞回损伤压溃能力:内置抗压模块可在框架柱端头钢筋混凝土滞回损伤而承载力下降时承担和传递轴压力，避免或延迟框架柱端头滞回损伤压溃。
[0016]⑵、提高框架柱的滞回变形和耗能能力:内置抗压模块阻断框架柱端头钢筋混凝土滞回损伤与抗压承载力下降的耦合作用，减慢框架柱端头钢筋混凝土的滞回损伤演化进程，相应提高了框架柱滞回变形和滞回耗能能力。
[0017]⑶、所述可侧滑抗压模块有消能减震作用:采用天然或人工石材制作所述抗压模块的各层叠块体，选材和加工容易，块体的叠合面分别为不光滑表面和/或分别涂覆有石墨层，使各块体随框架柱滞回变形而相对滑移时产生摩擦耗能；此外，抗压模块的各层叠块体侧面向外鼓出，抗压模块与侧面周圈的混凝土、紧贴包裹的环绕层或之间填充的耗能材料也有摩擦耗能或滞回耗能作用。
[0018](4)、提高框架结构的抗地震倒塌能力:因框架柱滞回变形能力和抗滞回损伤压溃能力提高，框架结构的抗地震连续性倒塌能力随之提高；框架柱耗能能力提高及抗压模块起消能减振作用，也有利于削减框架结构的弹塑性地震响应。
[0019]以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱不局限于实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是现有技术的框架柱的结构示意图；
[0021]图2是本发明的结构示意图；
[0022]图3是本发明的抗压模块的组成示意图；
[0023]图4是本发明的单个块体的结构示意图(侧面鼓出)；
[0024]图5是本发明的组合柱的横截面示意图一(块体叠合面为正方形)；
[0025]图6是本发明的组合柱的横截面示意图二(块体叠合面为长方形)；
[0026]图7是本发明的组合柱的横截面示意图三(块体叠合面为圆形)；
[0027]图8是本发明的组合柱的横截面示意图四(块体叠合面为椭圆形)；
[0028]图9是本发明的组合柱的横截面示意图五(块体叠合面为菱形)；
[0029]图10是本发明的组合柱的横截面示意图六(抗压模块侧面包括紧贴包裹的环绕层)；
[0030]图11是本发明的组合柱的横截面示意图七(方形抗压模块侧面包括环绕层，形成内切腔体)；
[0031]图12是本发明的组合柱的横截面示意图八(圆形抗压模块侧面包括环绕层，形成内切腔体)。
【具体实施方式】
[0032]实施例，请参见图2-图12所示(图2中，标号3所指构件为楼板)，本发明的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，包括框架柱1，该框架柱I的上下两端头处分别内置有可侧滑的抗压模块2，以在框架柱I滞回损伤区传递轴压力，并阻断框架柱I滞回损伤演化与框架柱I抗压承载能力下降的耦合作用；该抗压模块2与框架柱I混凝土浇筑一体，形成组合柱。除此，也可以在框架柱I的整根柱体内设置所述可侧滑的抗压模块，即框架柱I从下端头至上端头通体均设置有可侧滑的抗压模块。
[0033]作为一种优选，所述抗压模块2包括多个叠合面水平的块体21，该多个块体21沿所述框架柱I的轴线方向依次层叠组成所述抗压模块2，且该抗压模块2的中心与框架柱I的轴心(横截面中心)基本重合，如图5-图12所示(图中，b为框架柱横截面宽度，h为框架柱高度)。抗压模块2的高度H等于或略大于框架柱I横截面高度h，或抗压模块2的高度为楼层底梁顶至同楼层顶梁底(此即框架柱I的整根柱体内设置有可侧滑的抗压模块2)。这里，各个块体21的叠合面为水平，包括完全水平和基本水平两种情况，基本水平是指块体21叠合面与水平面的倾角误差范围为±3°。
[0034]作为一种优选，所述各个块体21分别采用天然石材或人工石材加工制作，层叠组成抗压模块2后内置于框架柱1，可随框架柱I的滞回变形而相对滑移，抗压模块2是可侧滑的，以避免导致框架柱I主要滞回损伤部位转移。优选例采用花岗岩、大理石或其它高强天然石材等，花岗岩的立方抗压强度可达100?250MPa，其它一些天然石材有更高的立方抗压强度，而目前常用混凝土的立方抗压强度为15?80MPa，故容易选取抗压强度远高于框架柱I混凝土数倍的石材,加工制作块体21并层叠组成抗压模块2。
[0035]作为一种优选，所述各个块体21的叠合面(承压面)可加工成正方形、长方形、菱形、圆形或椭圆形，如图5?图9所示。作为一种优选实例，块体叠合面的面积适度取框架柱I横截面面积的1/8?1/3 ;块体21的厚度根据柱横截面高度适度取40mm?IOOmm等。
[0036]上述抗压模块2内置于框架柱I轴心处，其各叠合块体21的面积适度取框架柱I横截面积的1/8?1/3，对框架柱I的抗弯刚度及抗弯承载力影响小；抗压模块2削减了部分框架柱I横截面的混凝土面积，但抗压模块2对框架柱的斜剪切开裂和冲切有阻碍作用，故对框架柱I的抗剪承载能力也影响小；块体21的厚度应适度，过大则导致抗压模块2侧面混凝土对各块体21的相对侧滑产生较大的限制，影响抗压模块2的可侧滑性质，优选例中具体取块体21厚度为50mm，如图4。
[0037]作为一种优选，所述块体21的侧面分别向外鼓出，目的是进一步减小抗压模块2侧面混凝土对块体21相对侧滑的限制，也可增加抗压模块2与侧面周圈混凝土的摩擦。优选例中具体采用块体21侧面向外鼓出5mm，如图4。
[0038]作为一种优选，各个块体21的叠合面分别为不光滑表面和/或所述各个块体的叠合面分别涂覆有石墨层，块体21之间有适度摩擦，使抗压模块2的各块体21随框架柱I滞回变形而相对滑移时产生摩擦耗能。具体，各个块体21的叠合面精度可选在精加工表面与半精加工表面之间，也可进一步在置合面涂覆石墨层。
[0039]细颗粒花岗岩块体21叠合面为半精加工表面(粗糙度为6)时，块体21表面的静滑动摩擦系数约为0.6，若用基底剪力法估算柱剪力设计值为柱轴力的0.85倍，而抗压模块2传递的轴力占比按有效抗压面积占比计算，则各块体21之间的最大静滑动摩擦力比柱剪力设计值小很多，不影响抗压模块2的可侧滑性质；或进一步在块体21叠合面涂覆不大于0.5毫米厚的石墨层，环境温度25C°时，石墨与石墨的静滑动摩擦系数约为0.3。[0040]可按下式选择块体21的叠合面粗糙度或进一步涂覆石墨层:
[0041]1.5 X块体21的叠合面静滑动摩擦系数X柱轴力设计值<柱剪力设计值
[0042]作为一种优选，块体21的中心加工预留一通孔22，多个块体21依次层叠组成抗压模块2，其中心通孔竖穿有钢筋3，且钢筋3的上下两端分别伸出所述抗压模块2外。作为优选实例，具体取该通孔22为直径9_的圆孔，竖穿钢筋3直径为8_，其上下两端分别伸出所述抗压模块外100_，如图3，以便于抗压模块2与钢筋骨架绑扎固定及调节水平。这里，竖穿钢筋的设置，不影响各块体21随框架柱I滞回变形而相对侧滑。
[0043]作为一种优选，可以使所述抗压模块2的侧面周圈包括有环绕层4 (如图2、图10、图11、图12所示)，具体该环绕层4可以是由金属丝网、涤纶布、玻璃纤维布、金属片等的任意一种围成的中空结构。当然，也可以不设置环绕层4，使所述抗压模块2的侧面直接与框架柱I混凝土浇筑一体，如图5?图9所示。
[0044]当所述抗压模块2的侧面周圈包括有环绕层4时，可以使环绕层4紧贴并包裹所述抗压模块2侧面周圈(如图2、图10所示)，也可以使抗压模块2与环绕层4之间具有间隙，并在该间隙中填充有耗能材料5。具体又分以下情况:⑴所述抗压模块2仅布置在框架柱I上下端头部位:可采用紧贴包裹抗压模块2的环绕层4，如图10所示，此时环绕层4为丝径较小的金属丝网、涤纶布或玻璃纤维布中的任意一种#)所述抗压模块2从框架柱下端头至上端头通体布置:可采用紧贴包裹抗压模块2的环绕层4，此时环绕层4为金属丝网、涤纶布、玻璃纤维布或金属片中的任意一种，如图10所示；ω所述抗压模块2沿框架柱下端头至上端头通体布置:也可采用内切于抗压模块2的环绕层4，此时环绕层4为金属片围成的腔体，所述环绕层4与所述抗压模块2之间填充高耗能材料5 (该高耗能材料可以是混凝土)，如图11、图12所示。
[0045]所述抗压模块2的侧面包括有环绕层4，可增加各块体21随框架柱I滞回变形而相对滑移的协调性，及增加框架柱I的滞回耗能和摩擦耗能。若所述抗压模块2仅布置在框架柱上下端头部位时，且采用金属丝网紧贴包裹时，该金属丝网的丝径宜较小，以避免框架柱I的主要滞回损伤部位从柱端头转移到其它部位，优选例采用为孔径30mm、丝径2mm、强度为Q235的低碳钢丝网(或其它低碳中高强钢丝网)。
[0046]框架柱I复合受扭较严重是，可采用所述抗压模块2从框架柱I的下端头至上端头通体布置，可避免或延迟框架柱I在轴压下中部发生斜冲剪破坏；并进一步可抗压模块2侧面布置所述环绕层4，优选例所述环绕层4可采用涤纶布、玻璃纤维布、低碳中高强的钢丝网或钢板，环绕层4可采用低碳中高强钢板，此时，将进一步提高框架柱I的水平承载能力、滞回变形能力和滞回耗能能力。
[0047]本发明的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其工作机理如下:
[0048]框架柱I受水平往复水平力作用时，滞回损伤主要发生在上下端头部位(一倍柱截面高度范围内)，在此区域内置所述抗压模块2形成组合框架柱。所述抗压模块2由一系列叠合面水平的块体21层叠组成，各块体21可随框架柱I的滞回变形而相对滑移，抗压模块2是可侧滑的。框架柱I滞回变形使其上下端头部位钢筋混凝土的有效抗压面积减小，抗压承载力下降，而内置的可侧滑抗压模块2没有滞回损伤，且其叠合块体21由花岗岩、大理石或其它高强石材制作，其抗压强度远高于框架柱I的混凝土抗压强度数倍，故框架柱I上下端头钢筋混凝土损伤而抗压承载能力下降后，将向抗压模块2卸载部分轴压力，从而维持组合框架柱的抗压承载能力，并避免或延迟框架柱I上下端头钢筋混凝土被压馈；此夕卜，抗压模块2使框架柱I上下端头钢筋混凝土实际承担的轴压力随其滞回损伤而不断减小(卸载给抗压模块2)，从而阻断其上下端头钢筋混凝土滞回损伤与其抗压承载力下降的耦合作用，减慢了框架柱I上下端头钢筋混凝土的滞回损伤演化进程，相应提高了框架柱I的滞回变形能力和滞回耗能能力。
[0049]抗压模块2的各叠合块体21的叠合面为不光滑表面，在协同框架柱I滞回变形而相对滑移时产生摩擦耗能；抗压模块2与侧面周圈混凝土或环绕层41剥离后，之间相对错动滑移产生摩擦耗能。所述抗压模块2从框架柱I的下端头至上端头通体布置，所述环绕层42为金属片形成的内切腔体，抗压模块2和周圈环绕层42之间孔隔内填充的高耗能材料在框架柱I滞回变形时产生滞回耗能。
[0050]所述抗压模块2从框架柱I的下端头至上端头通体布置，且抗压模块2的侧面周圈包括有所述环绕层4，所述环绕层4作为组合框架柱的抗力部件，将进一步提高组合框架柱的水平承载能力、滞回变形能力和滞回耗能能力。框架柱I复合受扭较严重时，所述抗压模块2和/或所述环绕层4将阻碍框架柱I中部的斜裂缝开展，抗压模块2也将为框架柱I的斜裂缝以上部分提供轴向支撑，避免或延迟框架柱I在轴压下沿中部斜裂缝集中处发生斜冲切破坏。
[0051]上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，包括框架柱，其特征在于:该框架柱至少在其上下两端头处内置有可侧滑的抗压模块，以在框架柱滞回损伤区传递轴压力，并阻断框架柱滞回损伤与其抗压承载能力下降的耦合作用；该抗压模块与框架柱混凝土浇筑一体，形成组合柱。
2.根据权利要求1所述的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其特征在于:所述抗压模块包括多个叠合面水平的块体，该多个块体沿所述框架柱的轴线方向依次层叠。
3.根据权利要求1所述的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其特征在于:所述抗压模块的侧面周圈为所述框架柱混凝土或包括有环绕层。
4.根据权利要求2所述的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其特征在于:所述各个块体的材质分别为天然石材或人工石材。
5.根据权利要求2所述的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其特征在于:所述各个块体的叠合面分别为正方形、长方形、菱形、圆形和椭圆形中的任意一种。
6.根据权利要求2所述的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其特征在于:所述各个块体的侧面分别向外鼓出。
7.根据权利要求2所述的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其特征在于:所述各个块体的叠合面分别为不光滑表面和/或所述各个块体的叠合面分别涂覆有石墨层。
8.根据权利要求2所述的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其特征在于:所述多个块体的中心分别设有一通孔，所述多个块体依次层叠后，其中心通孔竖穿有钢筋，该钢筋的上下两端分别伸出所述抗压模块外。
9.根据权利要求3所述的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其特征在于:所述环绕层为金属丝网、涤纶布、玻璃纤维布、金属片中的任意一种围成的结构。
10.根据权利要求3所述的一种抗滞回损伤压溃的钢筋混凝土框架柱，其特征在于:所述环绕层紧贴并包裹所述抗压模块侧面周圈或所述环绕层与所述抗压模块之间填充有耗能材料。
【文档编号】E04B1/98GK104032896SQ201410298477
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】黄庆丰 申请人:华侨大学