阅读说明：本技术 基于法兰连接可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构及方法 (Detachable and replaceable reinforced concrete column-column connection structure and method based on flange connection ) 是由 门进杰 霍文武 兰涛 周琦 史庆轩 张谦 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于法兰连接可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构及方法,包括上、下段钢筋混凝土柱和在两段混凝土柱之间的可拆可换钢筋混凝土柱,可拆可换钢筋混凝土柱两端设有法兰盘,上、下段钢筋混凝土柱两端设有带外伸板的法兰盘,上、中、下段钢筋混凝土柱中均预埋抗剪连接件,抗剪连接件与法兰盘焊接连接；通过法兰盘使用高强螺栓将可拆可换钢筋混凝土柱连接到上、下段钢筋混凝土柱之间,在上、下法兰盘外伸板之间使用千斤顶实现对钢筋混凝土柱进行拆卸和更换。本发明结构构造形式简洁,加工制作方便,传力路径明确,实现了钢筋混凝土柱在全生命周期可拆可换,为全生命周期可拆可换结构体系奠定了基础。(The invention discloses a flange connection-based detachable and replaceable reinforced concrete column-column connection structure and a flange connection-based detachable and replaceable reinforced concrete column-column connection method, wherein the flange connection-based detachable and replaceable reinforced concrete column-column connection structure comprises an upper section of reinforced concrete column, a lower section of reinforced concrete column and a detachable and replaceable reinforced concrete column between the two sections of reinforced concrete columns, flanges are arranged at two ends of the detachable and replaceable reinforced concrete column, flanges with outward extending plates are arranged at two ends of the upper section of reinforced concrete column and the lower section of reinforced concrete column, shear connectors are pre-embedded in the upper section; the flange plates are connected between the upper section of reinforced concrete column and the lower section of reinforced concrete column through high-strength bolts, and the lifting jacks are used between the outer extending plates of the upper flange plate and the lower flange plate to detach and replace the reinforced concrete columns. The invention has simple structure and construction form, convenient processing and manufacturing and clear force transmission path, realizes the detachability and the replaceability of the reinforced concrete column in the whole life cycle and lays a foundation for the detachability and the replaceability of the structure system in the whole life cycle.)

基于法兰连接可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构及方法

技术领域

本发明涉及全生命周期可拆可换结构体系中柱-柱连接领域，具体涉及一种基于法兰连接的可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构及方法。

背景技术

全生命周期可拆可换结构体系是一种全新的结构体系概念，契合绿色建筑和可持续发展的抗震设计理念。即结构在正常使用状态或服役期满后能够将结构拆解为单个构件，实现构件的回收或重复利用；结构在地震作用下能按预期模式破坏，对受损可拆可换构件进行拆卸更换，实现震后结构功能的快速恢复；原有结构使用功能发生变化时，对可拆可换构件进行拆卸更新，从而实现结构使用功能的快速更新。

目前国内外学者对可拆卸结构的研究，主要是从结构构件的预制装配及服役期满后可以对构件拆除的角度进行的，瞄准的是结构拆除后不产生或仅产生少量建筑垃圾，并可对拆除后的构件进行再利用。可拆卸结构的局限性主要体现在两个方面：一是只能在服役期满后对结构整体进行按自上而下的顺序拆除，而不能在服役期间对结构构件进行局部拆除或更换；二是未能解决地震作用后结构使用功能快速恢复的问题。

全生命周期可拆可换结构体系将“可拆卸”与“可更换”两大功能进行了有机融合，既可以实现结构在服役期间因使用功能的变化对原有不满足功能需求的构件进行拆卸更换，实现结构使用功能的快速更新；又能在结构结束服役后对构件进行拆卸、回收和再利用；还可以在地震作用后对结构受损可拆可换构件进行拆卸更换，实现震后结构使用功能的快速恢复。

由于传统柱-柱连接结构不能很好地适用于所提出的全生命周期可拆可换结构体系，为此本发明提出一种基于法兰连接的可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构。本发明是全生命周期可拆可换结构体系的重要组成部分，是实现可拆可换结构体系理念的重要支撑。本发明不仅适用于全生命周期可拆可换结构体系，还可以很好地适用于现有装配式结构体系。

发明内容

针对现有钢筋混凝土柱-柱连接结构不能很好地适用于全生命周期可拆可换结构体系，本发明提出一种基于法兰连接的可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构及方法。本发明结构构造形式简洁，加工制作方便，传力路径明确，开拓了钢筋混凝土柱-柱连接新思路，实现了钢筋混凝土柱在全生命周期可拆可换，为全生命周期可拆可换结构体系奠定了基础。

为解决以上问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于法兰连接可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构，包括上段钢筋混凝土柱、下段钢筋混凝土柱和在两段钢筋混凝土柱之间的可拆可换钢筋混凝土柱，可拆可换钢筋混凝土柱包括钢筋混凝土柱、法兰盘、抗剪连接件和高强螺栓，法兰盘设在钢筋混凝土柱两端，抗剪连接件预埋于上、中、下段钢筋混凝土柱中，带外伸板的法兰盘设在上、下段钢筋混凝土柱两端，通过高强螺栓将法兰盘和带外伸板的法兰盘连接，将可拆可换钢筋混凝土柱连接到上、下段钢筋混凝土柱之间，通过在上、下带外伸板的法兰盘之间支撑千斤顶实现对钢筋混凝土柱拆卸和更换。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案。

优选的，所述抗剪连接件与法兰盘焊接连接，抗剪连接件为十字形抗剪连接件、井字形抗剪连接件、内矩形抗剪连接件或外矩形抗剪连接件。

优选的，所述钢筋混凝土柱中预埋箍筋和纵筋，十字形抗剪连接件、井字形抗剪连接件或内矩形抗剪连接件设于箍筋和纵筋中，纵筋与法兰盘焊接连接。

优选的，所述外矩形抗剪连接件设于箍筋和纵筋外，外矩形抗剪连接件、纵筋分别与法兰盘焊接连接。

优选的，所述上段钢筋混凝土柱、下段钢筋混凝土柱中设箍筋、纵筋和抗剪连接件，带外伸板的法兰盘设在上、下段钢筋混凝土柱两端，上、下段钢筋混凝土柱中预埋抗剪连接件，抗剪连接件与带外伸板的法兰盘焊接连接。

优选的，所述上段钢筋混凝土柱、下段钢筋混凝土柱与中段可拆可换钢筋混凝土柱的配钢率满足：

其中，L₀为结构层高，L₁为可拆可换钢筋混凝土柱长，L₂为预埋型钢柱长，A₀为上、下段钢筋混凝土柱截面面积，A_S0为钢材截面面积；A₁为中段可拆可换钢筋混凝土柱截面面积，A_S1为钢材截面面积。

优选的，钢筋混凝土柱采用C40混凝土；纵筋采用HRB500钢筋；箍筋采用HRB400钢筋；抗剪连接件材料采用Q420钢材；法兰盘、带外伸板的法兰盘采用Q420钢材。

优选的，所述钢筋混凝土柱上端法兰盘到上段钢筋混凝土柱梁底的距离不大于600mm，下端法兰盘到下段钢筋混凝土柱楼板距离不大于600mm。

本发明相应地给出了一种基于法兰连接的可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接方法，包括如下步骤：

1)将所有构件均在工厂进行加工，将抗剪连接件和纵筋对焊在法兰盘上，箍筋和纵筋分布在抗剪连接件四周或内部；抗剪连接件、纵筋、箍筋及法兰盘连接完成后立模浇筑C40混凝土，形成两端带法兰盘的可拆可换钢筋混凝土柱；

2)将抗剪连接件和纵筋对焊在带外伸板的法兰盘上，箍筋和纵筋分布在抗剪连接件四周或内部；抗剪连接件、纵筋、箍筋及外伸板的法兰盘连接完成后立模浇筑C40混凝土，形成具有带外伸板的法兰盘的上段钢筋混凝土柱和下段钢筋混凝土柱；

3)通过高强螺栓将法兰盘和带外伸板的法兰盘连接，将可拆可换钢筋混凝土柱连接到上段钢筋混凝土柱和下段钢筋混凝土柱之间；

4)当钢筋混凝土柱需要拆换时，将千斤顶支撑于上、下带外伸板的法兰盘的外伸板之间，通过千斤顶实现对钢筋混凝土柱拆卸和更换。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

钢筋混凝土柱通过法兰盘使用高强螺栓连接，在法兰盘外伸板之间使用千斤顶对钢筋混凝土柱进行拆卸，并对新的钢筋混凝土柱进行安装，即通过法兰连接实现钢筋混凝土柱可拆可换。

通过配钢率控制上、中、下钢筋混凝土柱的刚度比，结构在预期荷载作用下塑性铰首先出现在中段钢筋混凝土柱身中部位置，法兰盘连接处不发生变形或仅产生较小变形。在上下法兰盘外伸板之间使用千斤顶对受损钢筋混凝土柱进行拆卸，并对新的钢筋混凝土柱进行安装，实现震后结构功能的快速恢复；原有结构使用功能发生变化时，使用千斤顶将不满足新使用功能需求的钢筋混凝土柱拆换为满足结构功能需求的钢筋混凝土柱，实现结构使用功能的快速更新。

基于法兰连接的可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接实现了钢筋混凝土柱在全生命周期可拆可换，且连接结构形式简洁，加工制作方便，可迅速实现结构构件工业化制作，快速提高工程施工效率。本发明是全生命周期可拆可换结构体系的重要组成部分，是实现可拆可换结构体系理念的重要支撑。本发明不仅适用于全生命周期可拆可换结构体系，还可以很好地适用于现有的装配式结构体系，具有极大的工程应用范围和应用前景。

附图说明

图1为本基于法兰连接的可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构整体示意图；

图2为本发明可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构外观结构示意图；

图3为可拆可换钢筋混凝土柱构件示意图；

图4为可拆可换钢筋混凝土柱构件内部构造示意图；

图5为可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构俯视图；

图6为工字形型钢柱抗剪连接件连接结构示意图；

图7为十字形型钢柱抗剪连接件连接结构示意图；

图8为井字形型钢柱抗剪连接件连接结构示意图；

图9为内矩形型钢柱抗剪连接件连接结构示意图；

图10为外矩形型钢柱抗剪连接件连接结构示意图；

图11为可拆可换钢筋混凝土柱在千斤顶装置辅助下拆换示意图。

其中，图中所示：1为上段钢筋混凝土柱、2为带外伸板的法兰盘、3为法兰盘、4为钢筋混凝土柱、5为纵筋、6为工字形抗剪连接件、7为箍筋、8为高强螺栓、9为下段钢筋混凝土柱、10为千斤顶、11为十字形抗剪连接件，12为井字形抗剪连接件，13为内矩形抗剪连接件，14为外矩形抗剪连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-图3所示，本实施例一种基于法兰连接可拆可换钢筋混凝土柱-柱连接结构，包括上段钢筋混凝土柱1、下段钢筋混凝土柱9和在两段钢筋混凝土柱之间的可拆可换钢筋混凝土柱，其中可拆可换钢筋混凝土柱包括钢筋混凝土柱4、法兰盘3、带外伸板的法兰盘2、抗剪连接件、千斤顶10和高强螺栓8。在钢筋混凝土柱4中预埋抗剪连接件、箍筋7和纵筋5，钢筋混凝土柱4中抗剪连接件和纵筋5与法兰盘3焊接连接。钢筋混凝土柱4上下法兰连接处构造相同，形成两端带有法兰盘的钢筋混凝柱。在上段钢筋混凝土柱1中预埋抗剪连接件、箍筋7和纵筋5，上段钢筋混凝土柱1中抗剪连接件和纵筋5与带外伸板的法兰盘2焊接连接。下段钢筋混凝土柱9法兰连接处构造与上段钢筋混凝土柱1相同，形成带外伸板法兰盘的钢筋混凝柱。上、下段钢筋混凝土柱1、9通过高强螺栓连接带外伸板的法兰盘2和钢筋混凝土柱4上下端法兰盘3，将可拆可换钢筋混凝土柱连接到上、下段钢筋混凝土柱1、9之间。

在上下带外伸板的法兰盘2之间使用千斤顶10对钢筋混凝土柱4进行拆卸，进而对新的钢筋混凝土柱进行安装，即通过法兰连接实现钢筋混凝土柱的可拆可换。可在地震作用后可对受损钢筋混凝土柱进行拆换，实现结构使用功能的快速恢复；在原有结构使用功能发生变化时，将不满足新功能需求的钢筋混凝土柱拆换为满足结构功能需求的钢筋混凝土柱，实现结构使用功能的快速更新。

具体地，在一个实施例中，在上、中、下段钢筋混凝土柱中预埋的抗剪连接件为工字形抗剪连接件6，如图4-图6所示，工字形抗剪连接件6设于箍筋7和纵筋5中，并与法兰盘3焊接接连。

在另一个实施例中，在上、中、下段钢筋混凝土柱中预埋的抗剪连接件为十字形抗剪连接件11，如图7所示，十字形抗剪连接件11设于箍筋7和纵筋5中，并与法兰盘3焊接接连。

在另一个实施例中，在上、中、下段钢筋混凝土柱中预埋的抗剪连接件为井字形抗剪连接件12，如图8所示，井字形抗剪连接件12设于箍筋7和纵筋5中，并与法兰盘3焊接接连。

在另一个实施例中，在上、中、下段钢筋混凝土柱中预埋的抗剪连接件为内矩形抗剪连接件13，如图9所示，内矩形抗剪连接件13设于箍筋7和纵筋5中，并与法兰盘3焊接接连。

在另一个实施例中，在上、中、下段钢筋混凝土柱中预埋的抗剪连接件为外矩形抗剪连接件14，如图10所示，外矩形抗剪连接件14设于箍筋7和纵筋5外周，并与法兰盘3焊接接连。

在钢筋混凝土中预埋不同的抗剪连接件形成不同的工字形型钢柱、十字形型钢柱、井字形型钢柱、内矩形型钢柱或外矩形型钢柱，能够满足对不同结构形式的框架柱进行配型连接。

并且，在上段钢筋混凝土柱1、下段钢筋混凝土柱9中设箍筋7、纵筋5和抗剪连接件，上段钢筋混凝土柱1、下段钢筋混凝土柱9与中段可拆可换钢筋混凝土柱的配钢率关系为：

其中，L₀为结构层高，L₁为可拆可换钢筋混凝土柱长，L₂为预埋型钢柱长，A₀为上、下段钢筋混凝土柱1截面面积为，钢材截面面积A_S0为；A₁为中段可拆可换钢筋混凝土柱4截面面积为，A_S1为钢材截面面积为。

通过配钢率控制上、中、下钢筋混凝土柱的刚度比，结构在预期荷载作用下塑性铰首先出现在中段钢筋混凝土柱身中部位置，使钢筋混凝土柱4集中损伤耗能，保护结构其他部件不发生损伤。地震作用后，将受损的钢筋混凝土柱4更换为新的钢筋混凝土柱，从而实现结构功能的快速恢复。

图11为可拆可换钢筋混凝土柱在千斤顶装置辅助下拆换示意图，需要更换可拆可换钢筋混凝土柱时，将千斤顶10放在带外伸板的法兰盘2之间支撑，对钢筋混凝土柱进行拆卸更换。

下面通过本发明的可拆可换钢筋混凝土柱具体实例来进一步说明。

在一个实施例中，钢筋混凝土柱4截面尺寸为400×400，高度为2000mm，材料采用C40混凝土；纵筋5采用HRB500；箍筋7采用HRB400；工字形型钢柱抗剪连接件截面尺寸为HW200×200×15×15，高度为600mm，材料采用Q420钢材；法兰盘3带有12个螺栓连接孔，截面尺寸为600×600，厚度为20mm，材料采用Q420钢材；带外伸板的法兰盘2截面尺寸为600×1000，厚度为20mm，外伸板截面尺寸为600×200，厚度为20mm，材料采用Q420钢材；高强螺栓采用M27高强螺栓。钢筋混凝土柱4上端法兰盘3位置到梁底的距离为600mm，下端法兰盘位置到楼板距离为600mm。

上述实例中，所有构件均在工厂进行加工，法兰盘3是一具有12个螺栓连接孔的正方形钢板，带外伸板的法兰盘2是一矩形钢板，按整体尺寸裁剪加工。抗剪连接件6及纵筋5对焊在法兰盘3上，箍筋7和纵筋5分布在抗剪连接件四周。抗剪连接件、纵筋5、箍筋7及法兰盘3连接完成后立模浇筑C40混凝土，形成两端带法兰盘的可拆可换钢筋混凝土柱。与可拆可换钢筋混凝土柱相连的上、下段钢筋混凝土柱的法兰盘带有外伸板，用于后期使用千斤顶对钢筋混凝土柱构件进行拆换。

可拆可换钢筋混凝土柱4与上段钢筋混凝土柱1、下段钢筋混凝土柱9分别通过法兰盘使用高强螺栓连接。在原有结构使用功能发生变化，钢筋混凝土柱不能满足结构新功能需求时，可将钢筋混凝土柱拆卸更换为满足结构功能需求的钢筋混凝土柱，实现整体结构使用功能的快速更新。或在地震作用后，钢筋混凝土柱法兰盘连接处在预期荷载作用下不发生变形或仅产生较小变形。通过在上下法兰盘外伸板之间使用千斤顶，对受损钢筋混凝土柱构件进行拆换，实现结构功能的快速恢复。当原有结构使用功能发生变化，使用千斤顶将不满足结构新功能需求的钢筋混凝土柱更换为满足使用功能需求的钢筋混凝土柱，实现整体结构使用功能的快速更新。

以上所述，可较好的实现本发明，仅为本发明一种较佳的具体实施方式，并非用来限定本发明的实施范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，或依据本发明所做的变化与修饰，都为本发明权利要求保护的范围所涵盖。