自复位预制装配钢筋混凝土框架的制作方法
【专利摘要】本发明涉及结构工程抗震与减震【技术领域】，提供了一种自复位预制装配钢筋混凝土框架，其框架柱通过第一无粘结预应力筋与基础相连；其框架梁的端部通过水平运动限位副搭抵于自框架柱的本体伸出的悬臂梁上，且悬臂梁与框架梁的端部通过第二无粘结预应力筋连接。加载时，框架柱底转动抬升，梁板结构的重心将上移；此过程中，无粘结预应力筋储存弹性变形能，梁板结构重心上移形成重力势能。卸载时，重力势能有效参与结构的复位过程，与预应力筋共同促使构件发生转动与平动，实现复位。有效解决了既有自复位预制装配RC框架中消能元件耗能能力与预应力筋弹性储能能力必须同步提升的矛盾，同时大幅提高了自复位预制装配RC框架在极端条件下的可靠性。
【专利说明】自复位预制装配钢筋混凝土框架
【技术领域】
[0001]本发明涉及结构工程抗震与减震【技术领域】，尤其涉及一种自复位预制装配钢筋混凝土框架。
【背景技术】
[0002]随着城市化进程的不断加快，建筑业需要进一步强化标准化与工业化生产，实现建筑产业的升级转型。基于生产效率高、产品质量易于保障，尤其是可以改善劳动条件、减小环境影响的特点，预制装配式钢筋混凝土(RC)框架结构已成为未来建筑业发展的一个重要方向。
[0003]众所周知，地震灾害往往对建筑结构产生致使的影响，而预制装配式框架结构的薄弱环节在于装配式节点的整体性与耗能能力。近年来，可恢复功能结构作为一种新型的减震控制结构，引起了工程师和研究者们的广泛关注。它不仅能在地震发生时保护人们的生命财产安全，也有助于震后修复，尽快恢复正常生产生活，是结构抗震设计的一个理想的新方向；同时，结构抗震性能的结构构件可更换性研究工作是当前工程结构抗震与减震领域中的研究重点，即有意识地在结构中设置一些薄弱部位，利用薄弱部位次要构件的非线性变形来消耗地震能量，保护主要构件的安全，震后可以更换已经损坏的次要构件。目前广泛使用的各种阻尼器就是一种可更换的结构构件。
[0004]基于预制构件间采用预应力技术进行连接的技术，各国学者考虑在框架节点区域设置可更换的耗能元件，利用节点在振动过程中截面的开合进行耗能，以提高自复位框架的耗能能力，同时避免构件自身的损伤与破坏。如图1所示，其形式主要有以下几类:
[0005](I)内置部分无粘结低碳钢筋:
[0006]在梁柱节点和底柱柱根中使用内置式低碳钢筋耗散地震能量(图1a)。通过在RC梁端与柱端预留孔洞，后置低碳钢筋并进行部分灌浆(节点界面处无粘结处理)，实现节点张合过程中低碳钢屈服耗能。这种节点形式具有良好的耗能能力与复位能力，但不足之处在于耗能元件的安装过程较为复杂，同时震后耗能元件的更换较为不便。
[0007](2)外置低碳钢
[0008]为了提高节点耗能元件的可更换性，将低碳钢材外置于节点变形区域。在钢框架梁柱节点设置角钢作为耗能元件(图1b)，通过角钢的拉屈与压屈耗散地震能量，同时下部角钢还可作为临时支撑提供竖向抗剪能力。
[0009](3)外置屈曲耗能或粘滞阻尼器
[0010]为了进一步提高节点耗能元件的耗能能力与耗能稳定性，在RC梁柱节点和底柱的柱根设置外置式屈曲耗能阻尼器(图lc)。屈曲耗能阻尼器采用防屈曲支撑的耗能原理进行设计，主要由低碳钢棒与钢套筒组成，通过扣件与梁柱连接，在拉伸与压缩过程中实现双向耗能。
[0011](4)摩擦阻尼器
[0012]由于金属屈服耗能有屈服位移界限的控制，因此相对于各种形式的金属屈服耗能元件，摩擦阻尼器的优势在于其良好的位移敏感性。将摩擦板设置在钢梁的腹板(图ld)，通过平板摩擦阻尼装置进行能量耗散，具有良好的自恢复能力与耗能能力。
[0013]显然，上述的自复位RC框架耗能节点在形式上各有不同，由这些节点连接组成的框架结构却有着相同的耗能模式，请一并参见图2。如果不考虑构件的弹性变形，即界面张合过程中视梁柱为刚体，并忽略结构自身阻尼耗散的能量，那么在正向加载阶段，输入到结构的地震能量最终转化为预应力筋的弹性变形能和消能元件的正向耗能，在反向卸载阶段，预应力筋中的弹性变形能释放，转化为消能元件的反向耗能与结构的动能(如果复位时速度大于零)。因此，结构在卸载后构件界面能完全闭合的必要条件是加载阶段预应力筋存储的弹性变形能大于消能元件的反向复位耗能。
[0014]由此可见，既有自复位预制装配RC框架的自复位能力取决于预应力筋弹性储能能力与消能元件复位耗能能力的相对关系，增强结构耗能能力的同时要确保结构的自复位能力，则只能通过增加预应力筋数量与张拉度的方式来实现。
[0015]此外，既有自复位RC框架梁柱界面的竖向抗剪能力是由界面摩擦、预应力筋的销栓作用和临时支撑(或耗能元件)三个部分组成的，由于前两者与框架梁中的预应力筋密切相关，而后者由于要避免对梁端转动的过分限制，其支撑长度与能力往往有限。受其工作原理的限制，对于既有自复位预制RC框架结构，其框架梁中的预应力筋对梁柱节点的竖向抗剪能力有着重要影响，即结构的竖向承载能力同样有赖于预应力筋的数量与张拉度。
[0016]因此，在火灾、爆炸等极端条件下，或长期的锈蚀作用下，预应力筋或锚具的破坏将不仅仅导致结构在水平地震作用下自复位能力的不足，更重要的是会引起结构在重力荷载下的竖向承载能力不足，从而造成结构的竖向垮塌。
[0017]有鉴于此，亟待另辟蹊径针对抗震框架结构作进一步改进，以克服既有自复位预制装配RC框架在水平动载下的自复位能力与竖向静载下的节点抗剪能力均有赖于预应力筋数量与张拉度的缺陷。
【发明内容】
[0018](一)要解决的技术问题
[0019]本发明要解决的技术问题是解决既有自复位预制装配RC框架的自复位能力及节点抗剪能力均有赖于预应力筋数量与张拉度的缺陷，以提高结构在极端条件下的可靠性，并有效控制结构的施工难度与成本。
[0020]( 二 )技术方案
[0021]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自复位预制装配钢筋混凝土框架，包括框架柱和框架梁，所述框架柱通过第一无粘结预应力筋与基础相连；所述框架梁的端部通过水平运动限位副搭抵于自所述框架柱的本体伸出的悬臂梁上，且所述悬臂梁与所述框架梁的端部通过第二无粘结预应力筋连接。
[0022]优选的，所述框架梁的端部的下表面和所述悬臂梁的上表面，两者中一者嵌固有圆形截面钢棒、另一者嵌固有钢制卡槽；相适配的所述钢棒与卡槽形成所述水平运动限位副。
[0023]优选的，相适配的所述钢棒与卡槽为沿所述悬臂梁的长度方向间隔设置的至少两组。
[0024]优选的，所述框架梁的端部和所述悬臂梁的叠合区域的侧表面设置有摩擦耗能装置。
[0025]优选的，所述摩擦耗能装置包括第一外包钢板、第二外包钢板和摩擦板；其中，所述第一外包钢板固定于所述框架梁的端部，所述第二外包钢板固定于所述悬臂梁，所述摩擦板贴合于所述第一外包钢板和所述第二外包钢板，并通过水平设置的螺栓将所述摩擦板分别与包覆有钢板的所述悬臂梁和所述框架梁的端部预紧拉结；其中，所述摩擦板上开设的用于插装与所述悬臂梁连接的螺栓的穿装孔为圆孔、用于插装与所述框架梁的端部连接的螺栓的穿装孔为竖向条形孔，或者，所述摩擦板上开设的用于插装与所述悬臂梁连接的螺栓的穿装孔为竖向条形孔、用于插装与所述框架梁的端部连接的螺栓的穿装孔为圆孔。
[0026]优选的，所述第一外包钢板具体为包覆在所述框架梁的端部底面及两侧面的“U”字型钢板；所述第二外包钢板具体为包覆在所述悬臂梁的顶面及两侧面的“U”字型钢板，位于两侧的两块所述摩擦板由相应螺栓预紧拉结形成一组所述摩擦耗能装置。
[0027]优选的，所述摩擦耗能装置为沿所述悬臂梁的长度方向间隔设置的至少两组。
[0028]优选的，所述框架梁的端部和所述悬臂梁均开设有水平设置的预留孔，以穿装预紧拉结用的所述螺栓。
[0029]优选的，每组所述摩擦耗能装置中，所述竖向条形孔及相应设置的所述预留孔和螺栓配置为至少两排两列设置。
[0030]优选的，所述悬臂梁与所述框架梁的端部相应开设有竖向设置的预留孔，以穿装所述第二无粘结预应力筋。
[0031](三)有益效果
[0032]本发明的上述技术方案具有如下优点:
[0033]首先，强震作用时框架柱底转动(以顺时针转动趋势为例)抬升，框架梁的端部底面与悬臂梁顶面转动后张开，与此同时梁板结构的重心将上移；此过程中，一方面，第一无粘结预应力筋和第二无粘结预应力筋储存弹性变形能，另外重心上移后的梁板结构形成重力势能。卸载时，根据内力分析可知，变形状态的自复位框架结构在水平外力为零时将处于不平衡状态，即结构构件将发生运动，其运动趋势是:框架梁发生顺时针转动与向左的平动，右柱由于框架梁转动下压作用而发生逆时针转动，与此同时，框架梁的平动通过水平运动限位副形成作用于左柱的推力(剪力)而发生逆时针转动；并且，第一无粘结预应力筋和第二无粘结预应力筋释放所储存弹性变形能，同步参与复位。如此设置，重力势能转化为各梁柱动能的过程，即重力势能有效参与结构复位的过程，梁板结构的重力和梁柱中的预应力筋共同促使构件发生转动与平动，实现界面闭合、结构复位。与现有技术相比，本发明中结构的自复位能力由重力势能和预应力筋共同提供，解决了消能元件耗能能力与预应力筋弹性储能能力必须同步提升的矛盾。
[0034]其次，梁柱节点的竖向抗剪能力完全由RC悬臂梁提供，与预应力筋、消能元件无关，结构竖向承载能力的耐久性与可靠性大幅提高。
[0035]再次，应用本发明提供的自复位预制装配钢筋混凝土框架，可大大减少框架梁部分的预应力张拉工作，施工效率提升；且安装简单，维护、更换方便。
[0036]最后，在框架梁端部与悬臂梁的叠合区域设置摩擦装置，界面张合时，摩擦板与框架梁端外包钢板摩擦耗能，可进一步提高节点的耗能能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1示出了现有技术中四种典型的自复位装配框架结构示意图；
[0038]图2为现有自复位装配框架结构的耗能模式与复位条件的原理框图；
[0039]图3为【具体实施方式】中所述自复位预制装配钢筋混凝土框架的整体结构示意图；
[0040]图4为【具体实施方式】中所述自复位预制装配钢筋混凝土框架变形后的构件姿态示意图；
[0041]图5为【具体实施方式】中所述水平运动限位副的装配关系示意图；
[0042]图6为【具体实施方式】中所述水平运动限位副上下分离的原理示意图；
[0043]图7为【具体实施方式】中所述框架梁柱节点的立体结构示意图；
[0044]图8为【具体实施方式】中所述框架梁柱节点的立面示意图；
[0045]图9为图8的A — A剖面示意图；
[0046]图10为【具体实施方式】中所述自复位装配框架结构的耗能模式原理框图。
[0047]图中:框架柱1、悬臂梁11、第一无粘结预应力筋2、框架梁3、水平运动限位副
4、圆形截面钢棒41、钢制卡槽42、第二无粘结预应力筋5、摩擦耗能装置6、第一外包钢板61、第二外包钢板62、摩擦板63、圆孔631、竖向条形孔632、螺栓64、预留孔7。
【具体实施方式】
[0048]下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0049]如图3所示，本实施方式所述自复位预制装配钢筋混凝土框架，其框架柱I自本体伸出形成悬臂梁11，且框架柱I通过第一无粘结预应力筋2与基础相连；其框架梁3的端部通过水平运动限位副4搭抵于自框架柱I的本体伸出的悬臂梁11上，即预制框架梁3搁置在预制框架柱I的悬臂梁11上，该悬臂梁11与框架梁3的端部通过第二无粘结预应力筋5连接，具体地，悬臂梁11与框架梁3的端部相应开设有竖向设置的预留孔，以穿装第二无粘结预应力筋5。这里，“水平运动限位副”是指框架梁3搭抵搁置于悬臂梁11，不限制框架梁3相对于悬臂梁11的上下运动，但限制两者之间相对水平运动。
[0050]下面以强震作用时框架柱底产生顺时针转动趋势为例，详细说明其自动复位原理。
[0051]在强震作用下，框架柱I底顺时针转动抬升，如图4所示，框架梁3的端部底面与悬臂梁11顶面转动后张开，与此同时梁板结构的重心将上移。此过程中，第一无粘结预应力筋2和第二无粘结预应力筋5储存弹性变形能，重心上移后的梁板结构同时形成重力势能。当卸载时，根据内力分析可知，变形状态的自复位框架结构在水平外力为零时将处于不平衡状态，即结构构件将发生运动，其运动趋势是:框架梁3发生顺时针转动与向左的平动，右框架柱I由于框架梁3转动下压作用而发生逆时针转动，与此同时，框架梁3的平动通过水平运动限位副4形成作用于左框架柱I的推力(剪力)而发生逆时针转动；并且，第一无粘结预应力筋2和第二无粘结预应力筋5释放所储存弹性变形能参与复位。
[0052]本文中所使用的方位词“上”、“下”、“顺时针”和“逆时针”均以图中所示构件位置为基准定义的，应当理解，上述方位词的使用对于本申请请求保护的技术方案并不构成限制。
[0053]对于水平运动限位副4而言，可以采用不同的结构形式实现。本方案中，水平运动限位副4由相适配的圆形截面钢棒41和钢制卡槽42构成。如图5所示，圆形截面钢棒41嵌固于框架梁3的端部的下表面，钢制卡槽42嵌固于悬臂梁11的上表面，装配完成后，圆形截面钢棒41与钢制卡槽42适配形成水平运动限位副4，卡槽42不限制钢棒41的上下运动，请一并参见图6所示；但限制钢棒41的水平运动，从而实现悬臂梁11与框架梁3之间的水平剪力传递机制，对界面的张开开构成任何限制。当然，圆形截面钢棒41和钢制卡槽42也可以反向设置，即圆形截面钢棒嵌固于悬臂梁11的上表面，钢制卡槽嵌固于框架梁3的端部的下表面(图中未示出)，如此设置，同样可以实现相同的功能作用。
[0054]为了提高搭抵配合的稳定性，相适配的钢棒41与卡槽42为沿悬臂梁11的长度方向间隔设置的两组；也可以设置为间隔设置的其他复数组，显然，数量过多则需要确保各组水平运动限位副的加工和装配误差，故，框架梁3的每个端部设置两组水平运动限位副4为最优方案。
[0055]另外，为了进一步提高节点的耗能能力，在框架梁3的端部和悬臂梁11的叠合区域的侧表面设置有摩擦耗能装置6，这样，界面张合时可产生摩擦耗能。如图7所示，该摩擦耗能装置6包括固定于框架梁3端部的第一外包钢板61，固定于悬臂梁11的第二外包钢板62，以及贴合于第一外包钢板61和第二外包钢板62的摩擦板63，并通过水平设置的螺栓64将摩擦板63分别与包覆有钢板的悬臂梁11和框架梁3的端部预紧拉结。
[0056]具体请一并参见图8和图9所示，摩擦板63上开设的用于插装与悬臂梁11连接的螺栓的穿装孔为圆孔631，其上用于插装与框架梁3的端部连接的螺栓的穿装孔为竖向条形孔632。相应地，框架梁3端部与悬臂梁11设置水平向预留孔，螺栓64通过预留孔7将摩擦板63预紧拉结。摩擦板63下部开圆孔631，上部开竖向条形孔632，以实现摩擦板63与悬臂梁11的固定连接，与框架梁3端部的滑动连接；这样，界面张合时，摩擦板63与框架梁3端部外包钢板实现摩擦耗能。
[0057]此外，本方案中的第一外包钢板61可以为包覆在框架梁3的端部底面及两侧面的“U”字型钢板；第二外包钢板可以为包覆在悬臂梁33的顶面及两侧面的“U”字型钢板，以避免界面张合过程中混凝土的局部破坏，同时提供摩擦表面。位于两侧的两块摩擦板63由相应螺栓64预紧拉结形成一组摩擦耗能装置4。为了获得较佳的摩擦耗能效果，摩擦耗能装置6为沿悬臂梁11的长度方向间隔设置的至少两组。优选地，每组摩擦耗能装置6中，竖向条形孔632及相应设置的预留孔和螺栓64配置为至少两排两列设置。
[0058]需要说明的是，用于建立滑动摩擦耗能，摩擦板63上的竖向条形孔和圆孔也可以反向设置，即，用于插装与悬臂梁连接的螺栓的穿装孔为竖向条形孔，相应地，用于插装与框架梁的端部连接的螺栓的穿装孔为圆孔(图中未示出)。
[0059]在不考虑构件的弹性变形，并忽略结构自身阻尼耗散能量的前提下，本发明提供的自复位装配框架结构的耗能模式如图10所示的框图。在加载阶段，地震能量除了转化为预应力筋的弹性变形能和摩擦板的正向耗能外，还转化为了梁板结构的重力势能。在卸载阶段，重力势能与预应力筋弹性变形能同时释放，转化为摩擦板的复位耗能与结构动能。显然，该框架结构在卸载时能够复位的条件是梁板结构的重力势能与预应力筋弹性储能之和应大于摩擦板的复位耗能。综上所述，本发明提供的结构复位能力并不完全依赖于预应力筋的弹性储能能力，这就减少了对预应力筋数量与张拉度的要求。同时，梁柱节点的竖向抗剪能力完全由悬臂梁提供，而与预应力筋无关。
[0060] 最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种自复位预制装配钢筋混凝土框架，包括框架柱和框架梁，所述框架柱通过第一无粘结预应力筋与基础相连；其特征在于，所述框架梁的端部通过水平运动限位副搭抵于自所述框架柱的本体伸出的悬臂梁上，且所述悬臂梁与所述框架梁的端部通过第二无粘结预应力筋连接。
2.根据权利要求1所述的自复位预制装配钢筋混凝土框架，其特征在于，所述框架梁的端部的下表面和所述悬臂梁的上表面，两者中一者嵌固有圆形截面钢棒、另一者嵌固有钢制卡槽；相适配的所述钢棒与卡槽形成所述水平运动限位副。
3.根据权利要求2所述的自复位预制装配钢筋混凝土框架，其特征在于，相适配的所述钢棒与卡槽为沿所述悬臂梁的长度方向间隔设置的至少两组。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的自复位预制装配钢筋混凝土框架，其特征在于，所述框架梁的端部和所述悬臂梁的叠合区域的侧表面设置有摩擦耗能装置。
5.根据权利要求4所述的自复位预制装配钢筋混凝土框架，其特征在于，所述摩擦耗能装置包括: 第一外包钢板，固定于所述框架梁的端部； 第二外包钢板，固定于所述悬臂梁；和 摩擦板，贴合于所述第一外包钢板和所述第二外包钢板，并通过水平设置的螺栓将所述摩擦板分别与包覆有钢板的所述悬臂梁和所述框架梁的端部预紧拉结； 其中，所述摩擦板上开设的用于插装与所述悬臂梁连接的螺栓的穿装孔为圆孔、用于插装与所述框架梁的端部连接的螺栓的穿装孔为竖向条形孔，或者，所述摩擦板上开设的用于插装与所述悬臂梁连接的螺栓的穿装孔为竖向条形孔、用于插装与所述框架梁的端部连接的螺栓的穿装孔为圆孔。
6.根据权利要求5所述的自复位预制装配钢筋混凝土框架，其特征在于，所述第一外包钢板具体为包覆在所述框架梁的端部底面及两侧面的“U”字型钢板；所述第二外包钢板具体为包覆在所述悬臂梁的顶面及两侧面的“U”字型钢板，位于两侧的两块所述摩擦板由相应螺栓预紧拉结形成一组所述摩擦耗能装置。
7.根据权利要求6所述的自复位预制装配钢筋混凝土框架，其特征在于，所述摩擦耗能装置为沿所述悬臂梁的长度方向间隔设置的至少两组。
8.根据权利要求7所述的自复位预制装配钢筋混凝土框架，其特征在于，所述框架梁的端部和所述悬臂梁均开设有水平设置的预留孔，以穿装预紧拉结用的所述螺栓。
9.根据权利要求8所述的自复位预制装配钢筋混凝土框架，其特征在于，每组所述摩擦耗能装置中，所述竖向条形孔及相应设置的所述预留孔和螺栓配置为至少两排两列设置。
10.根据权利要求1所述的自复位预制装配钢筋混凝土框架，其特征在于，所述悬臂梁与所述框架梁的端部相应开设有竖向设置的预留孔，以穿装所述第二无粘结预应力筋。
【文档编号】E04B1/20GK104131616SQ201410338465
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】刘哲锋, 郭佳, 李鹏 申请人:长沙理工大学