一种自复位可修复高性能预制rc柱
阅读说明：本技术 一种自复位可修复高性能预制rc柱 (Self-resetting repairable high-performance prefabricated RC column ) 是由 马高 马忍 王择文 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自复位可修复高性能预制RC柱,包括置换区,置换区上方为过渡区,过渡区上方为普通砼区,其中过渡区和置换区均为超高性能混凝土(UHPC)浇筑,普通砼区为普通混凝土浇筑；所述预制RC柱的四角沿纵向配置有由上到下贯穿整个预制RC柱的钢绞线；中部为由上到下贯穿整个预制RC柱的预应力钢绞线；所述预制RC柱的四面中部沿纵向配置有由上到下贯穿整个预制RC柱的普通钢筋,其中置换区普通钢筋用耗能钢筋代替,并采用螺纹套筒将普通钢筋和耗能钢筋连接,外围浇筑UHPC材料包裹。本发明的RC柱在低周反复荷载作用下具有低残余位移和良好的自复位能力,置换区耗能钢筋受损后可更换,便于实现RC柱地震后的可修复。(The invention discloses a self-resetting repairable high-performance prefabricated RC column, which comprises a displacement area, wherein a transition area is arranged above the displacement area, a common concrete area is arranged above the transition area, the transition area and the displacement area are both poured by Ultra High Performance Concrete (UHPC), and the common concrete area is poured by common concrete; steel strands penetrating through the whole prefabricated RC column from top to bottom are longitudinally arranged at four corners of the prefabricated RC column; the middle part is a prestressed steel strand which penetrates through the whole prefabricated RC column from top to bottom; and common steel bars penetrating through the whole prefabricated RC column from top to bottom are longitudinally arranged in the middle of four sides of the prefabricated RC column, the common steel bars in the replacement area are replaced by energy-consuming steel bars, the common steel bars and the energy-consuming steel bars are connected by adopting threaded sleeves, and UHPC (ultra high performance concrete) material packages are poured on the periphery of the common steel bars and the energy-consuming steel bars. The RC column has low residual displacement and good self-resetting capability under the action of low-cycle repeated load, and energy-consuming reinforcing steel bars in a replacement area can be replaced after being damaged, so that the RC column can be repaired conveniently after an earthquake.)
技术领域
本发明属于震损可恢复技术领域，具体涉及一种自复位可修复高性能预制RC柱。
背景技术
目前抗震规范要求结构必须满足“三水准”抗震设防目标，即结构需满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震要求。依据“二阶段设计”方法，即通过承载力以及弹塑性变形验算，能够在一定程度上保证结构在遭受本地区众值烈度的地震动作用影响时，建筑物主体结构一般不受损坏或不需修理可继续使用；在遭受相当于本地区基本烈度的地震动作用影响时，建筑物可能发生损坏，但经一般修理仍可正常使用；在遭受本地区罕遇烈度的地震动作用影响时,建筑物仍能维持稳定。工程实际表明“三水准”抗震设防与“二阶段设计”是有效的，另外减震与隔震的研究与应用增强了结构的耗能性能并且使结构具有较小残余位移等优点。
然而地震灾害发生后带来的直接损失和间接损失是巨大的。在此背景下，人们开始对城市整体的抗震能力提出了更高的要求，希望城市拥有更多的冗余度，即城市在遭遇地震作用时，城市的各项功能还能尽量继续维持在较高水平，并且希望城市具有快速恢复的能力，即城市在遭遇地震作用后，城市的各项功能能够被快速恢复至震前水平乃至超越震前水平，尽量减少地震对人们正常生活的影响。因而,需要对材料、结构、系统、城市每个层次进行创新设计，期望城市具有更高的可恢复性。
现阶段具有可恢复功能的结构在工程中的实际运用并不多。在遭遇地震作用后，由于对结构设计时没有合理可行的可恢复构造，导致柱和结构产生较大残余变形等破坏，一旦残余变形过大，修复会非常困难，即使能修复也无法衡量其可靠性；另外，在地震作用后，即使破损只是发生在局部部位，但是为了安全也会拆除整个结构，也会带来严重的经济损失，特别是对于一些工业建筑等重要建筑，拆除重建的周期较长，造成的间接损失不可估量。因此，在地震作用后能够保持构件和结构具有良好的自复位、较小的残余位移对于可恢复设计具有重大意义，而且只有在低残余位移下的修复才是有意义的。在低残余位移的基础上，一种合理、可快速修复更换的方案也是震损修复的关键所在。但现阶段可恢复功能结构的创新设计以及理论研究还并不完善，这就需要对可恢复功能结构进行实用与可靠的设计,以期这类结构更多的在实际工程中得到推广运用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种自复位可修复高性能预制RC柱。本发明的RC柱在低周反复荷载作用下具有低残余位移和良好的自复位能力等优点，底部置换区耗能钢筋受损后可更换，便于实现RC柱地震后的可修复。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种自复位可修复高性能预制RC柱，包括底部置换区，底部置换区上方为过渡区，过渡区上方为普通砼区，其中过渡区和底部置换区均为超高性能混凝土浇筑，普通砼区为普通混凝土浇筑；所述预制RC柱的四角沿纵向配置有由上到下贯穿整个预制RC柱的钢绞线；预制RC柱的中部为由上到下贯穿整个预制RC柱的预应力钢绞线；其中，预应力钢绞线和置换区的钢绞线外均套设有套管；所述预制RC柱的四面中部配置有由上到下贯穿过渡区和普通砼区的普通钢筋，普通钢筋底部螺纹连接有第一螺纹套筒，第一螺纹套筒螺纹连接有处于底部置换区的耗能钢筋，所述耗能钢筋外侧套有防屈曲套筒，耗能钢筋底部螺纹连接有第二螺纹套筒。
进一步的改进，所述置换区的中部成形有核心区，核心区处于耗能钢筋内侧；核心区与耗能钢筋之间形成有间隙；核心区、过渡区和普通砼区预制形成整体构件，整体构件内固定有普通钢筋、钢绞线和套管，普通钢筋底部外露出所述整体构件。
进一步的改进，所述核心区的柱脚处固定置换区核心区柱底钢盒；过渡区底部固定有过渡区底部钢盒；所述套管为PVC管。
进一步的改进，所述预制RC柱装配时，先在整体构件内安装预应力钢绞线，然后在用普通钢筋底部螺纹连接第一螺纹套筒，第一螺纹套筒螺纹连接可更换的耗能钢筋，耗能钢筋螺纹连接第二螺纹套筒。
进一步的改进，所述预制RC柱固定在底梁上，底梁上预先固定有与第二螺纹套筒螺纹连接的底梁普通钢筋及与钢绞线和预应力钢绞线对应的连接孔；第二螺纹套筒与底梁普通钢筋螺纹连接后，将钢绞线穿过连接孔固定，然后将预应力钢绞线穿过连接孔后张拉施加预应力后固定。
进一步的改进，所述底梁上固定有中心带凹槽的底钢板；底梁普通钢筋穿过底钢板与第二螺纹套筒连接；底钢板下表面焊接有锚固到底梁的锚固钢板；锚固钢板开有水平孔洞，底梁的水平钢筋穿过锚固钢板上面的水平孔洞进行锚固。
进一步的改进，所述底钢板和锚固钢板通过焊接的方式固定于底梁钢筋笼。
与相关技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的RC柱通过合理构造设计具有低残余位移和良好的自复位能力等优点。柱四角沿纵向配置4根贯穿整个RC柱的钢绞线，置换区钢绞线套有PVC管实现无粘结，置换区处于受力较大的塑性铰区域，采用无粘结技术避免该区域钢绞线应力集中，达到该区域钢绞线应力平均的受力效果；柱中心沿纵向配置一根预应力钢绞线；柱四面中部沿纵向配置4根贯穿整个RC柱的普通钢筋，其中置换区普通钢筋用耗能钢筋代替，并采用螺纹套筒将普通钢筋和耗能钢筋连接，并且耗能钢筋外侧套有防屈曲套筒，外围浇筑UHPC材料包裹。钢绞线是一种高抗拉，低粘结，大屈服应变材料，柱中心沿纵向贯穿整个RC柱配置一根预应力钢绞线，极大提高了摇摆柱定心恢复能力；UHPC是一种高抗压、高延性、耗能材料。因此，柱在低周反复荷载作用下具有低残余位移和良好的自复位能力等优点，底部置换区耗能钢筋受损后可更换，去除置换区外围损伤UHPC，通过松拧螺纹套筒的方式取下已屈服或断裂的耗能钢筋并更换上新的耗能钢筋，外围重新浇筑UHPC材料包裹，以此实现RC柱的可修复。
附图说明
本发明适用于方柱、圆柱、多边形等多种RC柱，附图以方柱为例，该附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明总体示意图；
图2为普通砼区和过渡区横截面图；
图3为置换区横截面图；
图4为置换区大样图；
图5为置换区可更换耗能钢筋连接图；
图6为过渡区底部钢盒图；
图7为置换区核心区柱底钢盒图；
图8为梁柱连接和锚固部件图；
图9为普通的RC柱进行OpenSees低周往复模拟结果图；
图10为本发明的RC柱进行OpenSees低周往复模拟结果图。
其中，普通砼区1，过渡区2，底部置换区3，底梁4，PVC管5，底钢板6，过渡区底部钢盒7，第一螺纹套筒8，耗能钢筋9，防屈曲套筒10，底梁普通钢筋11，柱身普通钢筋12，钢绞线13，预应力钢绞线14，箍筋15，置换区核心区柱底钢盒16，锚固钢板17，第二螺纹套筒18。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-8所示的一种自复位可修复高性能预制RC柱，包括底部置换区3，底部置换区3上方为过渡区2，过渡区2上方为普通砼区1，其中过渡区2和底部置换区3均为超高性能混凝土(UHPC)浇筑，普通砼区1为普通混凝土浇筑；所述预制RC柱的四角沿纵向配置有由上到下贯穿整个预制RC柱的钢绞线13，其中置换区3钢绞线13外侧套有PVC管5，旨在避免置换区钢绞线应力集中，达到该区域钢绞线应力平均的受力效果；中部为由上到下贯穿整个预制RC柱的预应力钢绞线14；所述预制RC柱的四面中部沿纵向配置有由上到下贯穿整个预制RC柱的普通钢筋12，其中置换区3普通钢筋12用耗能钢筋9代替，并采用螺纹套筒8将耗能钢筋9与普通钢筋12连接，采用螺纹套筒18将耗能钢筋9与普通钢筋11连接，并且耗能钢筋9外侧套有防屈曲套筒10。置换区3核心区已提前与过渡区2和普通砼区1预制好，装配时装配好钢绞线13、预应力钢绞线14以及用螺纹套筒8和螺纹套筒18连接好可更换耗能钢筋9，然后在置换区3外围浇筑UHPC材料包裹。置换区3核心区柱脚配置钢盒16，过渡区2底部配置钢盒7，旨在避免混凝土被局部压溃。柱底与底梁4连接界面配置有中心带凹槽的底钢板6，RC柱的底部核心区放入底钢板6凹槽，提供和增强RC柱的抗剪切能力，底梁4竖向钢筋11穿过底钢板6向上通过螺纹套筒18与耗能钢筋9连接；底钢板6下表面焊接有锚固到底梁的钢板17，并且该钢板17开有水平孔洞，底梁4水平钢筋穿过锚固钢板17上面的孔洞进行锚固；底钢板6和锚固钢板17通过焊接的方式固定于底梁4钢筋笼；预应力钢绞线14从柱顶贯穿到底梁4底部，中间穿过置换区核心区柱底钢盒16，置换区核心区柱底钢盒16中心提前预留孔洞，且该预应力钢绞线14在柱身及底梁4所经过的路径均预先放置PVC管5。
将本发明的RC柱与普通的RC柱进行OpenSees低周往复模拟结果比较如图9和图10所示，由模拟结果可知，本发明的预制RC柱残余位移小，具有良好的自复位效果。低残余位移和良好的自复位效果符合可恢复理念，更是可更换的前提，本发明在震后能够有效实现自复位，并且便于从底部置换区对震损RC柱进行置换和修复。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。