装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构及施工方法

摘要

本发明提供一种装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构及施工方法，剪力墙结构由上下钢梁、左右钢柱、钢板墙、预应力筋构成，钢板墙由至少一层箱型钢板构成，预应力筋穿过箱型钢板翼缘上的预应力筋孔、上下钢梁上的预应力筋孔，锚固在上下钢梁上，形成装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构。本发明的装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构，高厚比大、初始刚度及承载力高、屈曲耗能能力强，满足强度和刚度要求的前提下用钢量低，本发明无需焊接、方便安装、工期短、成本低。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及建筑结构工程领域，主要涉及箱形薄钢板剪力墙，尤其是装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构及施工方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展及科学技术的快速进步，装配式钢结构建筑因其良好抗震性能越来越受到重视，目前在超高层建筑中广泛应用。钢板剪力墙是建筑工程领域一种重要的抗侧力结构形式，具有良好的延性和优越的耗能能力。其核心工作原理是让钢板在地震作用下先于钢框架梁、柱屈服，钢板屈曲后形成拉力带耗散地震能量。

研究表明，钢板剪力墙屈曲后形成的拉力带能够继续为结构提供侧向承载力，使结构具有较好的延性和较强的侧向刚度，表现出优良的耗能性能，且利用钢板剪力墙可以降低钢材用量，提高经济效益。然而，钢板剪力墙属于超长、超宽构件，加劲肋布置较少，稳定性较差，挠度难以控制；其次，钢板剪力墙现场焊缝多，多数焊缝为超长焊缝，焊接量大，焊接方法不当，将会造成焊缝长度方向出现不可逆的波浪变形；并且，在钢板较薄时，由于薄钢板剪力墙屈曲承载力小，过早的屈曲会造成严重的平面外变形，并伴随巨大的响声，影响建筑的舒适度和使用功能，钢板较厚时又存在用钢量过大的问题。因此急需一种方便安装、无需焊接、高厚比大、初始刚度及承载力高、屈曲耗能能力强的薄钢板剪力墙。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构，高厚比大、初始刚度及承载力高、屈曲耗能能力强，满足强度和刚度要求的前提下用钢量低，本发明无需焊接、方便安装。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了一种装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构，由上下钢梁、左右钢柱、钢板墙、预应力筋构成，其中，

所述钢梁、钢柱均采用H形钢，上下钢梁两端焊接固定于左右钢柱的翼缘侧面，钢梁内外两侧沿钢梁的纵向各开设有一排螺栓孔和一排预应力筋孔，螺栓孔和预应力筋孔开设在钢梁腹板内外两侧的翼缘上；

钢板墙由至少一层箱型钢板构成，箱型钢板安装在上下钢梁之间形成剪力墙，在箱型钢板腹板内外两侧的上下翼缘各开设有一排螺栓孔和一排预应力筋孔，箱型钢板上的螺栓孔与钢梁上的螺栓孔对应，箱型钢板的上下翼缘通过螺栓与上下钢梁固定；

预应力筋穿过箱型钢板翼缘上的预应力筋孔、上下钢梁上的预应力筋孔，两端锚固在上下钢梁的翼缘上，使得箱型钢板固定在上下钢梁之间，形成装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构。

作为一种改进，所述钢板墙由多层箱型钢板构成，上下层箱型钢板之间由螺栓穿过上层箱型钢板下翼缘与下层箱型钢板上翼缘上的螺栓孔安装固定。

作为一种改进，所述上下钢梁翼缘上的预应力筋孔的位置靠近钢梁腹板，上层箱型钢板上翼缘上的预应力筋孔与上钢梁翼缘上的预应力筋孔位置对应，下层箱型钢板下翼缘上的预应力筋孔与下钢梁翼缘上的预应力筋孔位置对应，自上下钢梁向钢板墙的中央，箱型钢板翼缘上的预应力筋孔距箱型钢板腹板的距离递增，使得预应力筋的两端靠近钢梁的腹板，预应力筋中间部分逐渐远离箱型钢板的腹板，箱型钢板腹板两侧的预应力筋在箱型钢板的截面上整体呈梭形布置。

作为一种改进，所述钢梁腹板内外两侧翼缘上的螺栓孔和预应力筋孔关于钢梁腹板对称，以及箱型钢板腹板内外两侧翼缘上的螺栓孔和预应力筋孔关于箱型钢板腹板对称。

作为一种改进，所述预应力筋为预应力钢绞线。

作为一种改进，所述箱型钢板翼缘的宽度不超过钢梁、钢柱翼缘的宽度。

作为一种改进，所述钢梁、钢柱翼缘的宽度相同。

本发明进一步提供一种根据所述装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构的施工方法，包括如下步骤：

在上下钢梁腹板内外两侧的翼缘上的设计位置开设螺栓孔和预应力筋孔,在箱型钢板内外两侧的上下翼缘的设计位置开设螺栓孔和预应力筋孔，箱型钢板上的螺栓孔与钢梁上的螺栓孔对应；

将上下钢梁两端与左右钢柱的翼缘侧面焊接固定，组成梁、柱框架；

用螺栓穿过上下钢梁翼缘上的螺栓孔和箱型钢板翼缘上的螺栓孔将箱型钢板与上下钢梁连接固定，形成钢板墙；

将预应力筋穿过上下钢梁翼缘上的预应力筋孔和箱型钢板翼缘上的预应力筋孔，对预应力筋进行张拉，并用锚头将预应力筋两端锚固在上下钢梁翼缘上。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供的装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构，高厚比大、初始刚度及承载力高、屈曲耗能能力强，无需焊接、方便安装。具体而言，本发明至少具有如下有益效果：

（1）本发明特别针对薄钢板，引入预应力起到抑制作用，且特别针对短肢，抑制屈曲效果明显；

（2）采用箱型钢板，在不增大用钢量的前提下增大了薄钢板剪力墙的厚度，使薄钢板剪力墙发挥耗能作用所需的层间位移角增大，延长了钢柱进入塑性的时间；

（3）箱型钢板的翼缘承担着加劲肋的作用，改善了薄钢板剪力墙的实际受力状态，提高墙体的初始刚度和承载力，削弱薄钢板剪力墙的拉力场效应，减小其面外变形；

（4）预应力筋为薄钢板剪力墙屈曲后形成的拉力带提供侧向支撑作用，约束钢板面外变形，屈曲耗能能力强，并可通过调节预应力来改变面外约束刚度；

（5）采用螺栓安装箱型钢板，薄钢板剪力墙无需焊接，避免焊接残余应力的产生，方便安装，工作量小、工期短；

（6）预应力筋设计为在钢板面外梭形布置，更符合薄钢板剪力墙屈曲变形特点，受力更合理，能够对薄钢板剪力墙屈曲后形成的拉力带提供更符合受力变形特征的侧向支撑作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明一个实施方式的整体结构示意图；

图2为本发明一个实施方式的主视图；

图3为本发明一个实施方式的竖向截面示意图；

图4为本发明一个实施方式的箱型钢板结构示意图。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。图中标号的含义为：

1—钢梁，2—钢柱，3—箱型钢板，4—螺栓，5—预应力筋，6—锚头，7—螺栓孔，8—预应力筋孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1-4，本发明一个实施例首先提供的一种装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构，由上下钢梁1、左右钢柱2、钢板墙3、预应力筋5构成，上下钢梁1两端与左右钢柱2固接，具体可通过焊接固定，在每根钢梁的内外两侧，沿钢梁的纵向各开设有一排螺栓孔7和一排预应力筋孔8，具体如图4所示。

屈曲现象与钢板厚度密切相关关，本发明特别针对薄钢板引入预应力起到抑制作用，且特别针对短肢，抑制屈曲效果明显。

作为一种优选方案，本发明钢梁、钢柱均采用H形钢，H型钢承载能力强，稳定性好，适于用于超长、超宽构件。

上下钢梁1两端焊接固定于左右钢柱的翼缘侧面，螺栓孔7和预应力筋孔8开设在钢梁腹板内外两侧的翼缘上，预应力筋的两端锚固在上下钢梁的翼缘上，H型钢腹板较厚，在其上开孔不至于影响钢梁的截面强度。

钢板墙3由至少一层箱型钢板构成，参见图4，箱型钢板具有上下翼缘和两腹板，两腹板之间形成型腔，箱型钢板安装在上下钢梁之间形成剪力墙，箱型钢板抗弯、抗扭能力强，适于用于超长、超宽构件。本发明由箱型钢板拼装而成，增大了薄钢板剪力墙的厚度，使薄钢板剪力墙发挥耗能作用所需层间位移角增大，延长了钢柱进入塑性的时间；同时，箱型钢板的翼缘承担着加劲肋的作用，改善了薄钢板剪力墙的实际受力状态，提高墙体的初始刚度和承载力，削弱薄钢板剪力墙的拉力场效应，减小其面外变形。

在箱型钢板腹板内外两侧的上下翼缘各开设有一排螺栓孔7和一排预应力筋孔8，箱型钢板上的螺栓孔与钢梁上的螺栓孔对应，箱型钢板的上下翼缘通过螺栓4与上下钢梁固定，从而在上下钢梁与左右钢柱之间形成钢板剪力墙。本发明采用螺栓安装，避免了钢板墙的现场焊接，减少了工作量缩短了工期，更重要的是避免了大量焊缝、超长焊缝产生焊接残余应力，避免了焊接对结构强度的影响。

预应力筋5穿过箱型钢板翼缘上的预应力筋孔、上下钢梁上的预应力筋孔，锚固在上下钢梁上，使得箱型钢板固定在上下钢梁之间，形成装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构。本发明在钢板墙的表面采用预应力筋提供张拉强度，为薄钢板剪力墙屈曲后形成的拉力带提供侧向支撑作用，约束钢板面外变形，并可通过调节预应力来改变面外约束刚度，使得整个剪力墙结构受力更合理。

根据剪力墙的尺寸和箱型钢板的尺寸，本发明的箱型钢板可由一层、一块构成，当设置一层箱型钢板时，箱型钢板上翼缘上的螺栓孔与上钢梁下翼缘上的螺栓孔对应，箱型钢板下翼缘上的螺栓孔与下钢梁上翼缘上的螺栓孔对应，箱型钢板的上下翼缘通过螺栓4与上下钢梁固定。

作为一种优选方案，本发明钢板墙由多层箱型钢板构成，多层箱型钢板的顶层箱型钢板上翼缘上的螺栓孔与上钢梁下翼缘上的螺栓孔对应，底层箱型钢板下翼缘上的螺栓孔与下钢梁上翼缘上的螺栓孔对应，相邻箱型钢板翼缘上的螺栓孔对应，箱型钢板的上下翼缘通过螺栓4与上下钢梁固定，相邻箱型钢板通过螺栓4穿过上层箱型钢板下翼缘与下层箱型钢板上翼缘上的螺栓孔固定，如此形成超长、超宽剪力墙构件。

作为一种优选方案，如图3所示，上下钢梁翼缘上的预应力筋孔的位置靠近钢梁腹板，上层箱型钢板上翼缘上的预应力筋孔与上钢梁翼缘上的预应力筋孔位置对应，下层箱型钢板下翼缘上的预应力筋孔与下钢梁翼缘上的预应力筋孔位置对应，自上下钢梁向钢板墙的中央，箱型钢板翼缘上的预应力筋孔距箱型钢板腹板的距离递增，在钢板墙的中央位置处预应力筋孔距箱型钢板腹板的距离达到最大，如此使得预应力筋的锚固端靠近钢梁腹板，预应力筋中间部分逐渐远离箱型钢板的腹板，箱型钢板腹板两侧的预应力筋在箱型钢板的截面上整体呈梭形布置。梭形布置更符合薄钢板剪力墙屈曲变形特点，受力更合理，能够对薄钢板剪力墙屈曲后形成的拉力带提供更符合受力变形特征的侧向支撑作用。

本发明中，钢梁腹板内外两侧翼缘上的螺栓孔和预应力筋孔关于钢梁腹板对称，以及箱型钢板腹板内外两侧翼缘上的螺栓孔和预应力筋孔关于箱型钢板腹板对称。对称布置的侧向约束对面外刚度的约束更合理，使得剪力墙不容易发生变形失稳。

作为一种优选方案，本发明的预应力筋5采用预应力钢绞线，以提供更大的张拉作用。

本发明中，箱型钢板翼缘的宽度不超过钢梁、钢柱翼缘的宽度，如此方便更好地布设预应力拉索，否则箱型钢板翼缘过大将导致两端的拉索锚固端不便于布设在钢梁翼缘上。

作为一种优选方案，本发明中，钢梁1、钢柱2翼缘的宽度相同。

本发明装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构的施工方法如下：

在上下钢梁腹板内外两侧的翼缘上的设计位置开设螺栓孔和预应力筋孔,在箱型钢板内外两侧的上下翼缘的设计位置开设螺栓孔和预应力筋孔，箱型钢板上的螺栓孔与钢梁上的螺栓孔对应；

将上下钢梁两端与左右钢柱的翼缘侧面焊接固定，组成梁、柱框架；

用螺栓穿过上下钢梁翼缘上的螺栓孔和箱型钢板翼缘上的螺栓孔将箱型钢板与上下钢梁连接固定，形成钢板墙；

将预应力筋穿过上下钢梁翼缘上的预应力筋孔和箱型钢板翼缘上的预应力筋孔，对预应力筋进行张拉，并用锚头将预应力筋两端锚固在上下钢梁翼缘上。

通过本发明的阐述，所述装配式预应力抑制屈曲短肢箱形薄钢板剪力墙结构高厚比大、初始刚度及承载力高、屈曲耗能能力强，无需焊接、方便安装，能广泛地应用于装配式钢结构建筑中。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。