[发明专利]自复位预制装配钢筋混凝土框架

说明书

技术领域

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

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。

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。

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：

(1)内置部分无粘结低碳钢筋：

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。

(2)外置低碳钢

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。

(3)外置屈曲耗能或粘滞阻尼器

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1c)。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。

(4)摩擦阻尼器

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1d)，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。

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。

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。

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。

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。

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。