内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体的制作方法及筒体

摘要

本发明涉及一种内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体及其制作方法。这种筒体由四面剪力墙板封闭连接而成。每片剪力墙中配置两片分布钢筋组成的钢筋网，其特征在于：混凝土筒体内暗藏偏心支撑空间钢桁架(1)，钢桁架(1)由型钢柱(4)、型钢梁(5)和型钢支撑(10)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(17)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。本发明的筒体比现有筒体的初始刚度大、承载能力高、抗震防线多、延性好、整体抗震耗能能力强。

说明书

技术领域

本发明是一种内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体，属于一种筒体结构。

背景技术

在高层建筑中，核心筒作为主要的抗侧力构件，约承担着结构整体80％的水平地震作用。研制抗震性能好的筒体，是高层建筑抗震设计的核心技术。怎样使混凝土中型钢充分发挥其功效，以改善筒体结构综合抗震性能，成为国内外学者和工程界十分关注的问题。

现有的改善混凝土筒体抗震性能的方案中，有在钢筋混凝土筒体的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。

现有的改善混凝土筒体抗震性能的方案中还有一种在钢筋混凝土筒体的剪力墙中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。

现有的改善混凝土筒体抗震性能的方案中，还有在钢筋混凝土筒体的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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是显著提高钢筋混凝土筒体抗震能力的问题，为了解决这一问题，本发明提出了一种在筒体的剪力墙中内藏偏心支撑钢桁架的制作方法，及根据此方法设计的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体。

本发明所采用的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体的制作方法，其顺序如下：

1)在筒体底部四个角部的边框柱中配置型钢柱，型钢柱外部配置钢筋、箍筋，形成剪力墙暗柱；

2)在相邻的边框型钢之间配置型钢梁，型钢梁与型钢柱固结，型钢梁外配置纵筋、箍筋；

3)在每一片剪力墙中配置偏心型钢暗支撑，上下端分别与边框梁中的型钢固接，与型钢柱、型钢梁共同构成偏心支撑钢桁架；

4)在型钢暗支撑外配置钢筋暗支撑以及支撑箍筋；

5)在剪力墙边角部配置固接钢筋；

6)配置筒体各面剪力墙的纵向和横向分布钢筋；

7)将空间型偏心支撑钢桁架及四面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筒体的底部部分。

8)在已形成的筒体部分上部，多次重复以上7个步骤，形成内藏偏心支撑钢桁架的混凝土组合筒体。

在配置每一片剪力墙中的偏心型钢暗支撑时，型钢暗支撑上端伸入上型钢梁中部或端部，下端伸入下边框梁的端部，使型钢暗支撑与边框梁柱节点形成偏心连接。偏心支撑与型钢梁交点至柱之间的区段，在抗震中形成消能梁段。

在配置内藏在筒体中的偏心支撑钢桁架时，每一片剪力墙中的型钢梁、型钢柱及型钢暗支撑的设计承载力应满足强柱、强撑、弱消能梁段的要求，以保证随着地震作用的增加，型钢梁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。

在配置钢筋暗支撑时，四根钢筋围绕型钢暗支撑形成钢筋暗支撑，钢筋暗支撑绕过相连的型钢梁，在上一层中形成新的钢筋暗支撑，到达筒体顶部后，钢筋暗支撑绕过顶层型钢梁进行锚固。在钢筋支撑外固装分布箍筋，当浇注剪力墙混凝土后形成约束混凝土束。

配置固接钢筋的方法为在暗支撑与边框相交的节点处配置固接筋。

根据本发明的方法，采用的技术方案是：内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体由四面剪力墙连接成封闭状。相邻的两面剪力墙之间由共用的边框柱连接。每片剪力墙均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：每片剪力墙中暗藏平面偏心支撑钢桁架1。偏心支撑钢桁架1由型钢柱4、型钢梁5和型钢暗支撑10组成。在每一片剪力墙中，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。型钢柱4、型钢梁5和型钢暗支撑10的设计承载力应满足强柱、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。相邻的两面剪力墙中的平面钢桁架之间由共用的型钢柱4连接。形成内藏在钢筋混凝土筒体中的强柱、强撑、弱消能梁段的偏心支撑空间型偏心支撑钢桁架。

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：

        h_b≤a≤1.5h_b

        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；

              h_b-型钢消能梁段的截面高度

所述的内藏偏心钢桁架混凝土组合筒体，偏心支撑钢桁架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和型钢柱4组合，在混凝土筒体内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的偏心支撑空间钢桁架。

所述的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体，偏心支撑钢桁架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、型钢柱4和型钢梁5组合，在钢筋混凝土筒体内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的空间型偏心支撑钢桁架。

所述的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体，偏心支撑钢桁架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，在钢筋混凝土筒体内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的空间型偏心支撑钢桁架。

所述的内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体，其特征在于：偏心支撑钢桁架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，在钢筋混凝土剪力墙内部形成强柱、强撑、弱消能梁段的空间型偏心支撑钢桁架。

筒体属于空间受力结构部件，与平面受力构件剪力墙的受力特点有较大差异。在抗震设计中，筒体不仅要承受压力、剪力、弯矩，还要承受扭矩。内藏在筒体中的偏心支撑钢桁架可以与钢筋混凝土一起承受压力、剪力、弯矩，更重要的是，内藏在筒体中的偏心支撑钢桁架组成了空间钢桁架，能够大大提高钢筋混凝土的受扭能力。一方面筒体中的型钢柱、型钢梁、钢筋—型钢的复合偏心支撑均可以直接承受部分扭矩，其中复合偏心支撑与构件轴线成一定的夹角，更接近主拉应力方向，其抗扭作用更为明显；另一方面偏心支撑钢桁架能有效的限制在扭矩作用下沿筒体周边形成平行的螺旋形斜裂缝，限制了斜裂缝的宽度；复合偏心支撑对混凝土起到的很强的销栓作用，使裂缝间混凝土面积增大，提高混凝土参与抗扭的能力。

本发明的内藏偏心支撑钢桁架组合筒体适用于混凝土墙板作为抗震的第一道防线的筒体结构，当墙板在抗震中破坏后，空间型偏心支撑钢桁架仍然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。

本发明的内藏偏心支撑钢桁架结构是一个强柱、强撑、弱消能梁段的空间桁架体系，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、暗支撑、型钢柱仍处于未屈服阶段。

本发明的内藏偏心支撑钢桁架中，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。

本发明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支撑共同形成的暗支撑中，钢筋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。

本发明的暗支撑均与型钢梁连接，避免了内藏中心支撑钢桁架筒体节点施工过于复杂的缺点，节省了工期，降低了造价，保证了施工质量。

本发明由内藏的空间型偏心支撑钢桁架与混凝土筒体组合形成，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筒体独立工作的相加。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。对于混凝土筒体，内藏偏心支撑钢桁架在不改变其外形尺寸的条件下，显著地提高了其承载力，增大了其刚度，改善了其延性，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偏心支撑钢桁架，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，而本发明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。与带钢板暗支撑筒体结构、带钢筋混凝土暗支撑型钢筒体结构、内藏中心支撑暗桁架混凝土组合筒体等组合结构相比，本发明承载能力提高，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。

由于筒体结构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。

附图说明

图1是本发明内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈人字形时，暗支撑的示意图，其中A1-B1-C1-D1-A2-B2-C2-D2、A2-B2-C2-D2-A3-B3-C3-D3、A3-B3-C3-D3-A4-B4-C4-D4、A4-B4-C4-D4-A5-B5-C5-D5分别代表筒体的一个结构单元。E1-F1-G2、E2-F2-G3、E3-F3-G4为一片剪力墙中的人字形暗支撑；

图2是本发明内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体的型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈人字形时，一个结构单元中一片剪力墙结构配筋示意图，其它三个侧面的配筋示意图与本图相同；

图3是图2中A-A剖面放大示意图；

图4是图2中B B剖面放大示意图；

图5是本发明内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈X形时，一个结构单元中一片剪力墙的配筋示意图；

图6是本发明内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈八字形时，一个结构单元中一片剪力墙的结构配筋示意图；

图7是本发明内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体中型钢暗支撑和钢筋暗支撑为单斜杆时，一个结构单元中一片剪力墙的结构配筋示意图；

图8是本发明内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈人字形网状布置时，一个结构单元中一片剪力墙的结构配筋示意图；

图9是本发明内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈X形网状布置时，一个结构单元中一片剪力墙的结构配筋示意图；

图10是本发明内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体中型钢暗支撑和钢筋暗支撑呈八字形网状布置时，一个结构单元中一片剪力墙的结构配筋示意图；

其中，图中：

1-偏心支撑钢桁架，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，11-第一固接筋，12-第二固接筋，13-拉接筋，14-第三固接筋，15-第四固接筋，17-钢筋暗支撑，18-暗支撑箍筋。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的优选实施例。

实施例1：

制作方法如下：

1)在筒体底部四个角部的边框柱中配置型钢柱，型钢柱外部配置钢筋、箍筋，形成剪力墙暗柱；

2)在相邻的边框型钢之间配置型钢梁，型钢梁与型钢柱固结，型钢梁外配置纵筋、箍筋；

3)在每一片剪力墙中配置偏心型钢暗支撑，上端与上边框梁的中点固接，下端下边框梁中的型钢端部固接，形成人字形暗支撑，与型钢柱、型钢梁共同构成偏心支撑钢桁架；

4)在型钢暗支撑外配置钢筋暗支撑以及支撑箍筋；

5)在剪力墙边角部配置固接钢筋；

6)配置剪力墙的纵向和横向分布钢筋；

7)将内藏偏心支撑钢桁架及四面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筒体的底部部分。

8)在已形成的筒体部分上部，多次重复以上7个步骤，形成内藏偏心支撑钢桁架的混凝土组合筒体。

内藏人字形偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体的结构配筋示意图如图1、图2、图3和图4所示，由带人字形型钢暗支撑10的空间型偏心支撑钢桁架1和4面带人字形钢筋暗支撑17的混凝土剪力墙板组合构成。相邻的两面剪力墙共用一根边框柱。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；四面剪力墙的配筋是，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，形成偏心支撑钢桁架1。四根钢筋绕过型钢梁5进行锚固，或形成相邻结构单元的钢筋暗支撑。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。每片剪力墙的两片钢筋网之间用间距小于或等于600mm的拉接筋13相连。最后将偏心支撑钢桁架及四面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筒体。

实施例2

内藏偏心支撑钢桁架混凝土组合筒体的第二种结构形式如图5所示，偏心支撑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筒体的第三种结构形式如图6所示，四面剪力墙中，墙板的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筒体的第四种结构形式如图7所示，偏心支撑钢桁架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端部连接，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。

另外，本发明的型钢暗支撑和钢筋暗支撑还可呈人字、X、八字形网状布置，分别参见图8、图9和图10。