用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构及制作方法

摘要

本发明提出了一种用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构及制作方法，该钢筋混凝土框架梁结构包括起波钢筋组、箍筋组和钢绞线，起波钢筋组包括若干平行设置的顶部起波钢筋和若干平行设置的底部起波钢筋；顶部起波钢筋和底部起波钢筋均包括至少一起波段；起波段上套设一隔离套；箍筋组包括若干箍筋，每个箍筋均包绕在所有起波钢筋和底部起波钢筋的外壁上；箍筋围成一封闭空间；钢绞线设置于顶部起波钢筋和底部起波钢筋之间；钢绞线穿过所有箍筋围成的封闭空间；钢绞线外套设一隔离套管。本发明通过设置起波钢筋和隔离套提高了该框架结构的变形能力；通过设置钢绞线和隔离套管提高了该框架结构的承载能力。

说明书

技术领域

本发明属于混凝土框架梁结构抗倒塌技术领域，具体涉及一种用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构及制作方法。

背景技术

混凝土框架结构在遭遇意外的极端荷载，例如爆炸、撞击、火灾时，其局部构件的损伤或破坏可能引发整体结构的倒塌，引发严重后果。钢筋混凝土框架结构在其倒塌的全过程中，会先后发展形成梁-压拱机制和悬链线机制。悬链线机制通常能够提供超出压拱阶段抗弯极限承载能力的抗力，它发挥着防止连续倒塌的最后一道防线的作用。然而，从压拱机制向悬链线机制的转化通常会导致梁柱交界面附近的钢筋断裂，在实际的连续倒塌过程中，要求构件不仅具有足够的承载能力，还要求结构具有足够的延性和转动能力，从而发展出悬链线机制。悬链线阶段的大变形主要是由梁柱接合部位的转动引起的，包括弯曲转动和固定端转动。固定端转动依赖于复杂应力下的钢筋锚固段的变形与局部滑移，实际中容易引起梁端钢筋断裂。

现有技术中，钢筋混凝土框架的抗连续倒塌能力在很大程度上取决于失效区域外的荷载重分布和水平构件承载能力。因此，钢筋混凝土框架梁的强度是大多数现行抗倒塌设计规范的一个主要关注点。影响混凝土框架悬链线机制能否有效激活的关键因素，是框架梁中的钢筋配置形式及有关构造措施。钢筋配置形式直接影响构件的连接性能、转动能力及承载能力等，梁柱接合部位的构造措施，决定了梁端的转动变形能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构及制作方法，通过设置起波钢筋和隔离套，提高了该框架结构的变形能力；通过设置钢绞线和隔离套管，提高了该框架结构的承载能力。由此该钢筋混凝土框架梁结构能够有效地防止结构的连续倒塌。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构，包括：

起波钢筋组，包括若干平行设置的顶部起波钢筋和若干平行设置的底部起波钢筋；所述顶部起波钢筋和底部起波钢筋均包括至少一起波段；所述起波段上套设一隔离套；

箍筋组，包括若干箍筋，每个所述箍筋均包绕在所有起波钢筋和底部起波钢筋的外壁上；所述箍筋围成一封闭空间；

钢绞线，设置于顶部起波钢筋和底部起波钢筋之间；所述钢绞线穿过所有所述箍筋围成的封闭空间；所述钢绞线外套设一隔离套管。

优选地，所述起波段包括两斜直线段，两个斜直线段之间通过第一过渡段相连；两条斜直线段远离第一过渡段的一端，分别与第二过渡段连接。

优选地，所述隔离套的开口方向与起波段的起波方向相同。

优选地，顶部起波钢筋的起波段与底部起波钢筋的起波段交错布置。

优选地，所述起波段的起波方向朝所述框架梁结构的内部。

优选地，所有所述顶部起波钢筋均位于同一水平高度；所有所述底部起波钢筋均位于同一水平高度。

优选地，靠近起波段的箍筋分布密度大于远离起波段的箍筋分布密度。

优选地，所述钢绞线为无粘结钢绞线。

一种用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构的制作方法，基于所述的用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构，包括以下步骤：在起波段上套设一隔离套，之后通过绑扎箍筋组将顶部起波钢筋和底部起波钢筋固定，然后将钢绞线套设于一隔离套管内，最后将隔离套管设置于顶部起波钢筋和底部起波钢筋之间。

与现有技术相比，本发明的优点为：

（1）在受到较大外力时，起波钢筋的变形首先发生在起波段，在起波段被完全拉直后，再发生与传统直线型钢筋相似的变形形式；因此提高了该框架结构的变形能力。

（2）起波段整体收纳在隔离套内，能够有效地将起波段与混凝土隔离，使起波段钢筋有足够的空间完全拉直。同时，避免起波段的钢筋在拉直过程中对混凝土产生压力，导致起波段从梁上崩出，使该截面出现较大的裂缝，降低梁截面弹塑性阶段的极限承载力。由此，隔离套增加了该框架结构的承载能力。

（3）隔离套管将钢绞线与混凝土隔离，因此钢绞线与混凝土没有直接接触。钢绞线在外部荷载作用下，可以发生相对于混凝土的变形。在大变形阶段，钢绞线发生较大弯曲，各点应力方向发生变化。随着钢绞线应力的不断增长，其竖向分力也不断增长。由此，钢绞线能利用其拉结能力，有效抵抗竖向荷载。

附图说明

图1为本发明一实施例的用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构的立体图；

图2为本发明一实施例的用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构与立柱的安装示意图；

图3为图2中去除隔离套的安装示意图；

图4为图1中起波钢筋的结构图；

图5为图4中起波段的拉直过程图；

图6为本发明一实施例的用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构，在隔离套处的钢筋混凝土框架梁结构截面图；

图7（a）为图1隔离套与起波段的安装示意图；

图7（b）为图1中隔离套的结构图；

图8为钢筋混凝土框架梁结构分别在竖向荷载、水平荷载下的弯矩对比图；

图9为钢筋混凝土框架梁结构在中柱失效工况下抵抗连续倒塌示意图。

其中，100-立柱，200-顶部起波钢筋，210-起波段，220-直线段，211-斜直线段，212-第一过渡段，213-第二过渡段，300-无粘结钢绞线，400-箍筋，230-隔离套。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1所示，一种用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构，包括起波钢筋组、隔离套230、箍筋组、钢绞线300和隔离套管。

如图2~3所示，将钢筋混凝土框架梁结构的起波钢筋组正交布置在相邻两个立柱100之间，之后对钢筋混凝土框架梁结构进行混凝土浇筑。

钢筋混凝土框架梁结构的具体结构如下：

起波钢筋组包括若干平行设置的顶部起波钢筋200和若干平行设置的底部起波钢筋，所有顶部起波钢筋200均位于同一水平高度；所有底部起波钢筋均位于同一水平高度。

顶部起波钢筋200和底部起波钢筋的结构相同，均包括直线段220和至少一起波段210，具体的，如图4所示，起波段210包括两斜直线段211，两个斜直线段211之间通过第一过渡段212相连；两条斜直线段211远离第一过渡段212的一端，分别与第二过渡段213连接，第二过渡段213与钢筋的直线段220连接。即起波段210处的钢筋结构如下：一直线段220、第二过渡段213、一斜直线段211、第一过渡段212、另一斜直线段211、另一第二过渡段213和另一直线段220依次连接。在本实施例中，两个斜直线段211成一定夹角，夹角可以是30°~150°，但不限于此。如图5所示，在受到较大外力时起，起波钢筋的变形首先发生在起波段210，斜直线段211和直线段220的角度逐渐减小，随着外力的增大，斜直线段211和直线段220的角度逐渐减小到0，也就是起波段210被拉直。在起波段210完全被拉直后，再发生与传统直线型钢筋相似的变形形式。因此，在钢筋强度相同的情况下，该钢筋混凝土框架结构有较强的变形能力，能够有效地防止结构的连续倒塌。

优选地，顶部起波钢筋200的起波段210与底部起波钢筋的起波段210交错布置，以避免正常使用下的梁剪切破坏；同一排钢筋（顶部起波钢筋200或底部起波钢筋）起波位置相同、起波段210的起波方向朝框架梁结构的内部。

优选地，位于梁顶部的起波段210离临近的梁柱节点区的距离近于梁底部的起波段210离临近的梁柱节点区的距离，且梁顶部和梁底部的起波段210分别位于梁结构在竖向荷载作用下的弯矩最小处的两侧。由此，在竖向荷载作用下，梁顶部和底部的钢筋起波段210均在受拉侧；起波钢筋的起波段210临近钢筋混凝土框架梁结构在竖向荷载作用下的弯矩最小处，不会对结构正常使用的安全性造成影响。

在本实施例中，通过控制起波段210的构造和大小，可以形成具有不同变形能力的起波钢筋。在本实施例中采用三角形的起波方式。另外，起波段210还可以采用其它形状比如抛物线或不同形状的叠加。

顶部起波钢筋200、底部起波钢筋均为一体成型结构，可通过对传统直线型钢筋加工而成，例如钢筋的冷加工工艺，技术简单、成型方便，可有效降低成本。

隔离套230，用于隔离混凝土和起波段210，以保证起波段210充分拉直。如图7（a）和图7（b）所示，隔离套230套设在起波段210上，隔离套230的开口方向与起波段210的起波方向相同，隔离套230能够有效地将起波段210与混凝土隔离，给起波段210留有足够的空间，保证钢筋的起波段210在受到较大外力时能够被充分拉直，保证变形能力。隔离套230能够有效地将起波段210与混凝土隔离，避免起波段210钢筋在拉直过程中对混凝土产生压力，导致起波段210从梁上崩出，使该截面出现较大的裂缝，影响塑性铰的承载力。进一步地，如图6所示，位于梁顶部的顶部起波钢筋200的起波段210凸起方向斜向下，位于梁底部的底部起波钢筋的起波段210凸起方向斜向上。起波钢筋的起波段210与竖直面成一定夹角向内凸起，夹角为30~75°，但不限于此。梁截面有效高度为受压区边缘至受拉钢筋合力重心的距离，起波程度相同的情况下，相较于竖向起波，斜向起波梁截面有效高度更大，受拉钢筋总拉力对受压区中心的力矩更大，梁的抗弯承载力更大。

箍筋组，包括若干箍筋400，每个箍筋400均包绕在所有起波钢筋和底部起波钢筋的外壁上；箍筋400围成一封闭空间；靠近起波段210的箍筋400分布密度大于远离起波段210的箍筋400分布密度，即在起波钢筋起波段210附近加密配置箍筋400，使得起波段210截面在屈服后有更好的转动能力，充分耗散地震能量。

钢绞线300，设置于顶部起波钢筋200和底部起波钢筋之间；钢绞线300穿过所有箍筋400围成的封闭空间；钢绞线300外套设一隔离套管，隔离套管用于隔离混凝土和钢绞线300。在本实施例中，钢绞线300为无粘结钢绞线300，为松弛状态或低应力状态，对钢筋混凝土框架梁结构的抗倒塌承载力具有增强作用。钢绞线300在外部荷载作用下，可以发生相对于混凝土的变形，这是因为它与混凝土没有直接产生接触。无粘结钢绞线300具有较强的拉结能力，在大变形阶段，钢绞线300发生较大弯曲，各点应力方向发生变化。随着钢绞线300应力的不断增长，其竖向分力也不断增长，在抵抗竖向荷载过程中发挥重要作用。

该用于复合配筋形式的钢筋混凝土框架梁结构的制作方法，包括以下步骤：在起波段210上套设一隔离套230，之后通过箍筋组中的箍筋400将顶部起波钢筋200和底部起波钢筋固定，然后将钢绞线300套设于一隔离套管内，最后将隔离套管设置于顶部起波钢筋200和底部起波钢筋之间。

图8示意了该钢筋混凝土框架梁结构在竖向均布荷载F1和水平集中荷载F2下的弯矩对比图。由图8所示，该框架梁结构在竖向荷载F1作用下，钢筋起波段210附近弯矩接近于零。在正常使用情况下，钢筋混凝土框架梁结构主要承受竖向荷载，如建筑自重和楼面活荷载等，钢筋起波段210设置的位置附近的弯矩较小。虽然钢筋起波段210的设置对截面承载力有所削弱，但由于起波方向斜向设置（如图6所示），起波对梁的承载力削弱并不多，并且梁的中间层增设了无粘结钢绞线300，加强了承载力，因此截面承载力仍是足够的。

图9示意了该框架梁结构在中柱失效工况下抵抗连续倒塌的情况。由图9所示，在中柱失效作用下的发生的局部连续倒塌。中柱两侧梁底部的底部钢筋起波段210被拉直，中柱远端梁顶部的钢筋起波段210被拉直。在本实施例中，如图9所示，“中柱失效”是指位于中间位置的立柱100失效。

综上，该钢筋混凝土框架梁结构同时设置起波钢筋和无粘结钢绞线300，力求在结构连续倒塌大变形阶段提高悬链线的作用能力，而不降低前期梁-压拱作用阶段的承载力。其中，在梁端设置钢筋弯折段延缓了钢筋的过早断裂；而在梁的中间层增设无粘结钢绞线300，有助于防止梁的意外剪切破坏，提升结构的拉结能力和承载力，解决了弯折钢筋的设置对框架梁前期抗弯承载力的削弱问题。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。