带半包裹式混凝土组合柱的钢板剪力墙结构及其锚固结构
阅读说明：本技术 带半包裹式混凝土组合柱的钢板剪力墙结构及其锚固结构 (Steel plate shear wall structure with semi-wrapped concrete combined column and anchoring structure thereof ) 是由 殷占忠 冯大哲 卯永生 杨博 陈程悦 王兆辉 延路瑶 吕文辉 朱有涛 刘星辰 刘 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了带半包裹式混凝土组合柱的钢板剪力墙结构及其锚固结构,能够有效提供钢板剪力墙结构边缘约束框架对内置钢板的锚固作用,使其形成充分且均匀的拉力场,充分发挥结构的抗震性能,结构的承载能力更高,滞回性能更为稳定,装配简单,包括两个双C槽钢组合截面柱、两个双C槽钢组合截面梁和内置钢板,双C槽钢组合截面柱和双C槽钢组合截面梁均包括相背设置的两个C型槽钢,内置钢板的边缘夹持设置于相背设置的两个C型槽钢之间,且内置钢板的边缘与C型槽钢通过高强螺栓锚固连接；双C槽钢组合截面柱的相背设置的两个C型槽钢的钢槽内部灌注有混凝土,以形成半包裹式混凝土组合柱。(The invention discloses a steel plate shear wall structure with a semi-wrapped concrete combined column and an anchoring structure thereof, which can effectively provide the anchoring effect of an edge constraint frame of the steel plate shear wall structure on an internal steel plate, so that a sufficient and uniform tension field is formed, the anti-seismic performance of the structure is fully exerted, the bearing capacity of the structure is higher, the hysteretic performance is more stable, the assembly is simple, the steel plate shear wall structure comprises two double-C channel steel combined section columns, two double-C channel steel combined section beams and an internal steel plate, the double-C channel steel combined section columns and the double-C channel steel combined section beams respectively comprise two C-shaped channel steels which are arranged in a back-to-back manner, the edge of the internal steel plate is clamped between the two C-shaped channel steels which are arranged in the back-to-back manner, and the edge of the internal steel plate; the steel channel insides of the two C-shaped channel steels which are arranged oppositely of the double C-shaped channel steel combined section column are filled with concrete to form a semi-wrapped concrete combined column.)
技术领域
本发明属于建筑施工及结构抗震领域，具体涉及带半包裹式混凝土组合柱的钢板剪力墙结构及其锚固结构。
背景技术
钢板剪力墙结构单元主要由内嵌钢板、竖向边缘约束构件和水平边缘约束构件三部分构成，内置钢板宽厚比较大，需要嵌入边缘约束框架来抵抗侧向位移，随着侧向力的逐渐增大钢板易发生局部屈曲，并沿对角线方向形成拉力带，鼓起的拉力带起到斜撑的作用，提高了结构的承载能力。
钢板剪力墙结构充分发挥抗震性能的前提是钢板发生大面积屈曲并沿对角方向形成均匀分布的拉力带，然而拉力带的形成会对边缘柱产生较大的附加弯矩，这就需要边缘约束框架对内置钢板提供足够的锚固作用，然而普通型钢边缘柱刚度较小，大震中往往过早的屈曲而发生破坏，这就导致拉力带更多的作用在了边缘约束梁上，致使靠近边缘约束柱附近的钢板无法得到充分利用，从而形成“不充分的拉力场”，结构有效抗侧区域减少，耗能性能难以充分发挥。
内置钢板作为重要的耗能构件与边缘约束框架常采用焊接的方式进行连接，由于施焊过程中焊件处于约束状态，且焊接时对接焊缝存在冷热不均匀现象，致使焊缝残余应力较大，钢板扭曲变形严重，甚至强行将钢板拉裂，对结构造成了一定的安全隐患；其次由于内置钢板幅尺寸较大，对其焊缝质量要求也相对较高，受现场焊接站位、焊接空间等条件的限制，拼接焊缝的质量不易保证，而且也不利于焊缝的检测工作；另外现场拼装焊接作业量较大，不利于节能环保。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了带半包裹式混凝土组合柱的钢板剪力墙结构及其锚固结构，能够有效提供钢板剪力墙结构边缘约束框架对内置钢板的锚固作用，使其形成充分且均匀的拉力场，充分发挥结构的抗震性能，结构的承载能力更高，滞回性能更为稳定，装配简单，无焊接工作，提高生产效率节约能源。
为了实现以上目的，本发明提供了一种钢板剪力墙的锚固结构，包括两个双C槽钢组合截面柱、两个双C槽钢组合截面梁和内置钢板，两个所述双C槽钢组合截面柱和两个所述双C槽钢组合截面梁围设形成边缘约束框架，所述双C槽钢组合截面柱和所述双C槽钢组合截面梁均包括相背设置的两个C型槽钢，所述C型槽钢包括腹板以及设置于所述腹板的两侧的翼缘，所述内置钢板的边缘夹持设置于相背设置的两个所述C型槽钢之间，且所述内置钢板的边缘与所述C型槽钢通过高强螺栓锚固连接。
进一步地，所述腹板间隔设置有多个连接孔，所述内置钢板的边缘对应位置也设置有多个连接孔，且相背设置的两个所述C型槽钢与所述内置钢板的连接孔一一对应设置，所述高强螺栓穿过相背设置的两个所述C型槽钢和所述内置钢板的连接孔进行锚固连接。
进一步地，所述连接孔的直径为D，所述C型槽钢的连接孔的中心至所述腹板的边缘的距离≥1.5D，且相邻的两个所述连接孔之间的中心距离≥3D。
进一步地，所述内置钢板为矩形薄钢板，宽度A≥高度B，高度B和厚度t的比例＞250，所述内置钢板的连接孔与所述内置钢板的边缘的最大距离为4D和8t中的较小值，且相邻的两个连接孔的中心最大间距为8D和12t中的较小值。
进一步地，所述双C槽钢组合截面梁的轴向两端包裹设置于所述双C槽钢组合截面柱内。
进一步地，所述双C槽钢组合截面柱的所述C型槽钢的翼缘的轴向端部固定设置有连接板，所述连接板、所述双C槽钢组合截面梁的所述C型槽钢的腹板的轴向端部，以及所述内置钢板的对应位置均设置有连接孔，高强螺栓穿过所述连接板、所述双C槽钢组合截面梁和所述内置钢板的连接孔锚固连接，且所述连接板位于所述双C槽钢组合截面梁的所述C型槽钢的腹板外侧。
进一步地，所述边缘约束框架的四个角顶部均设置有顶底角钢，所述顶底角钢的两肢分别与所述双C槽钢组合截面梁和所述双C槽钢组合截面柱的翼缘相对应，所述顶底角钢的两肢之间固定设置有三角板，所述顶底角钢的两肢、所述翼缘、所述三角板和所述内置钢板均设置有连接孔，高强螺栓穿过所述顶底角钢的两肢和所述双C槽钢组合截面梁和所述双C槽钢组合截面柱的翼缘的连接孔锚固连接，高强螺栓穿过所述三角板和所述内置钢板的连接孔锚固连接。
本发明还提供了一种带半包裹式混凝土组合柱的钢板剪力墙结构，包括上述的一种钢板剪力墙的锚固结构，所述双C槽钢组合截面柱的相背设置的两个所述C型槽钢的钢槽内部灌注有混凝土，以形成半包裹式混凝土组合柱。
进一步地，所述双C槽钢组合截面柱的所述C型槽钢的两侧翼缘之间间隔固定设置有多个拉结钢筋。
进一步地，所述双C槽钢组合截面柱的所述C型槽钢的腹板和两侧的翼缘作为混凝土浇筑的模板，混凝土标号不低于C30。
与现有技术相比，本发明采用相背设置的两个C型槽钢作为双C槽钢组合截面柱和双C槽钢组合截面梁，两个双C槽钢组合截面柱和两个双C槽钢组合截面梁围设形成边缘约束框架，将内置钢板夹持在双C槽钢之间，通过摩擦型高强螺栓进行锚固连接，装配式锚固方式可靠性高，可为内置钢板提供足够的锚固，使其形成充分且均匀的拉力场，充分发挥结构的抗震性能；高强螺栓受力性能好，安装简易方便，其对内置钢板的锚固能力强，使整个结构的承载能力更高，滞回性能更为稳定；再者，装配现场无焊接工作，提高生产效率节约能源，降低对环境的负面影响，具有很好的工程应用前景。
进一步地，高强螺栓可作为剪力键，承受并传递内置钢板与边缘约束构件中的剪力，也可达到防止槽钢与内置钢板掀起的目的；其次，高强螺栓在半包裹混凝土组合柱中可作为剪力连接件将钢材和混凝土两种不同性质的材料连接成受力整体，抵抗钢和混凝土界面处的水平剪力，防止二者之间的相对滑移；再者，螺栓的螺帽也能起到限制混凝土构件和钢构件分隔的作用，从而改善结构的力学性能。
进一步地，双C槽钢组合截面梁的轴向两端通过连接板包裹设置于双C槽钢组合截面柱内，保证内置钢板四边均被锚固在边缘约束框架内。
进一步地，顶底角钢不仅可有效缓解梁柱节点的应力，而且能够加强对内置钢板的固定。
本发明的钢板剪力墙结构，在双C槽钢组合截面柱的钢槽中浇筑混凝土形成具有高强度和刚度的半包裹式混凝土组合柱，内填混凝土既可提高边缘约束框架柱对内置钢板的锚固作用，也可以限制槽钢翼缘过早的局部屈曲，裸露在外部的混凝土可以提升结构的抗火性能，槽钢的腹板和翼缘可约束混凝土变形，也可以作为混凝土浇筑模板，从而加快施工进度，经济效益高；地震作用下内置钢板可先于边缘约束框架进行屈曲耗能，半包裹式混凝土组合柱可作为结构的第二道抗震防线补充耗能，提高了结构的安全储备。
附图说明
图1是本发明实施例的钢板剪力墙的锚固结构示意图；
图2a是本发明实施例的内置钢板的结构示意图；图2b是本发明实施例的双C槽钢组合截面柱的C型槽钢的结构示意图；图2c是本发明实施例的双C槽钢组合截面梁的结构示意图；
图3a是本发明实施例的顶底角钢和三角板的结构示意图；图3b是图3a中沿A-A向的示意图；图3c是图3b中沿B-B向的示意图；
图4是本发明实施例的内置钢板和C型槽钢的连接结构示意图；
图5是本发明实施例的钢板剪力墙的结构示意图；
图6a是本发明实施例的双C槽钢组合截面梁的截面结构示意图；图6b是本发明实施例的半包裹式混凝土组合柱的截面结构示意图；
其中，1-C型槽钢、1-1-腹板、1-2-翼缘、2-内置钢板、3-连接板、4-顶底角钢、5-三角板、6-连接孔、7-高强螺栓、8-拉结钢筋、9-双C槽钢组合截面柱、10-双C槽钢组合截面梁、11-半包裹式混凝土组合柱、12-混凝土。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明实施例提供了一种钢板剪力墙的锚固结构，参见图1，其包括两个双C槽钢组合截面柱9、两个双C槽钢组合截面梁10和内置钢板2，两个双C槽钢组合截面柱9和两个双C槽钢组合截面梁10围设形成边缘约束框架，双C槽钢组合截面柱9和双C槽钢组合截面梁10均包括相背设置的两个C型槽钢1，相背设置的两个C型槽钢1的材料与几何尺寸均相同，C型槽钢1包括腹板1-1以及设置于腹板1-1的两侧的翼缘1-2，内置钢板2的边缘夹持设置于相背设置的两个C型槽钢1之间，且内置钢板2的边缘与C型槽钢1通过高强螺栓7锚固连接。
本实施例中，C型槽钢1的腹板1-1间隔设置有多个连接孔6，内置钢板2的边缘对应位置也设置有多个连接孔6，且相背设置的两个C型槽钢1与内置钢板2的连接孔6一一对应设置，高强螺栓7穿过相背设置的两个C型槽钢1和内置钢板2的连接孔6进行锚固连接。
本实施例中，双C槽钢组合截面梁10组装时轴向两端预留出双C槽钢组合截面柱9中C型槽钢1的安装位置，双C槽钢组合截面柱9高度与内置钢板2墙体等高，双C槽钢组合截面梁10的轴向两端包裹设置于双C槽钢组合截面柱9内，保证内置钢板2的矩形四边均被锚固在边缘约束框架内。
优选地，双C槽钢组合截面柱9的C型槽钢1的翼缘1-2的轴向端部固定设置有连接板3，连接板3、双C槽钢组合截面梁10的C型槽钢1的腹板1-1的轴向端部，以及内置钢板2的对应位置均设置有连接孔6，高强螺栓7穿过连接板3、双C槽钢组合截面梁10和内置钢板2的连接孔6锚固连接，且连接板3位于双C槽钢组合截面梁10的C型槽钢1的腹板1-1外侧。即边缘约束框架梁柱节点处的双C槽钢组合截面柱9的两个C型槽钢1的外部翼缘1-2上固定设置有一对连接板3，并预留连接孔6，高强螺栓7依次穿过前连接板3预留的连接孔6、双C槽钢组合截面梁10的前C型槽钢1的腹板1-1的连接孔6、内置钢板2对应的连接孔6、双C槽钢组合截面梁10的后C型槽钢1的腹板1-1的连接孔6以及后连接板3的连接孔6进行锚固连接。
优选地，为缓解梁柱节点域应力集中，于边缘约束框架所围成的矩形的四个角部各安装顶底角钢4，顶底角钢4等边设置，顶底角钢4不伸出钢板墙边缘约束框架，肢背对接于边缘约束框架梁柱的C型槽钢1的翼缘1-2交接处，两肢通过高强螺栓7穿过预留连接孔6与梁柱的C型槽钢1的内侧翼缘1-2固定连接，并通过截面一侧三角板5的连接孔6对内置钢板2栓接进行再次固定。具体而言，边缘约束框架的四个角顶部均设置有顶底角钢4，顶底角钢4的两肢分别与双C槽钢组合截面梁10和双C槽钢组合截面柱9的内侧翼缘1-2相对应，顶底角钢4的两肢之间固定设置有三角板5，顶底角钢4的两肢、翼缘1-2、三角板5和内置钢板2均设置有连接孔6，高强螺栓7穿过顶底角钢4的两肢和双C槽钢组合截面梁10和双C槽钢组合截面柱9的翼缘1-2的连接孔6锚固连接，高强螺栓7穿过三角板5和内置钢板2的连接孔6锚固连接。
在本实施例中，所有钢构件均需在装配前进行预制，并于螺栓连接处预留连接孔，具体参见图2a、图2b和图2c，边缘框架均采用两个长度及截面尺寸相同的C型槽钢1，双C槽钢组合截面柱9的C型槽钢1的截面C为h1*b1*d1，双C槽钢组合截面梁10的C型槽钢1的截面C为h2*b2*d2，h为腹板1-1的高度，b为翼缘1-2宽度，d为C型槽钢1的厚度，优选地，双C槽钢组合截面柱9的C型槽钢1的腹板1-1的高度h1可小于双C槽钢组合截面梁10的C型槽钢1的腹板1-1的高度h2。优选地，C型槽钢1的腹板1-1开设两列多排直径为D的连接孔6，连接孔6的中心至腹板1-1的边缘距离≥1.5D，相邻的两个连接孔6之间的中心距离≥3D，同时保证相背的两个C型槽钢1的腹板1-1的每个连接孔6一一对应。
内置钢板2设定为板幅尺寸为A*B，厚度为t的矩形薄钢板，需满足A≥B，B/t＞250。优选地，内置钢板2横向及纵向的边缘梁柱安装位置处预留直径为D的连接孔6，开孔尺寸及位置与梁柱的C型槽钢1的腹板1-1的连接孔6一一对应。优选地，限制连接孔6的中心与内置钢板2的边缘最大距离为4D和8t中的较小值，相邻的两个连接孔6的中心最大间距为8D和12t中的较小值，保证高强螺栓7对内置钢板2的锚固能力。双C槽钢组合截面柱9中C型槽钢1的构件长度≥B，双C槽钢组合截面梁10中C型槽钢1构件长度为A-2h1。
优选地，双C槽钢组合截面柱9的C型槽钢1构件在预制时，将两只连接板3分别焊接于双C槽钢组合截面柱9构件轴向一端向内一侧的C型槽钢1外部翼缘1-2上。连接板3预留两排直径为D的连接孔6，连接孔6距连接板3边缘距离为1.5D，相邻连接孔6的中心间距为3D。
优选地，本实施例中双C槽钢组合截面柱9中C型槽钢1的两个翼缘1-2间焊接直径为6mm的拉结钢筋8，拉结钢筋8距翼缘外侧的距离为10mm，拉结钢筋间距取60mm，且拉结钢筋8与连接孔6的位置相错开，方便高强螺栓7的安装。
优选地，在临时装配固定后，于边缘约束框架内部的内置钢板2前后两面的四个角部共设置8个等边的顶底角钢4，顶底角钢4截面L为b3*d3，b3为顶底角钢4的肢长度，d3为厚度。具体参见图3a、图3b和图3c，顶底角钢4的两肢宽度S≤边缘框架槽钢构件的翼缘1-2宽度，两肢围成的侧面一侧设置有三角板5，并于顶底角钢4的两肢及三角板5沿肢尖方向预留直径为D连接孔6，并于边缘约束框架梁柱的C型槽钢1的翼缘1-2及内置钢板2与等边顶底角钢4连接处预留相应的连接孔6。
可以理解的是，本实施例采用双槽钢作为边缘约束框架通过高强螺栓7将内置钢板2进行锚固，具体参见图4、图6a和图6b，将两个C型槽钢1背对背分别置于内置钢板2前后两侧与边缘约束框架连接的设定位置处，将两只C型槽钢1的腹板1-1与内置钢板2对应的连接孔6进行对中后，通过高强度螺栓7依次穿过前C型槽钢1的腹板1-1、内置钢板2及后C型槽钢1的腹板1-2进行固定连接，形成对内置钢板2的锚固。
本发明实施例还提供了一种带半包裹式混凝土组合柱的钢板剪力墙结构，参见图5，包括上述的锚固结构，双C槽钢组合截面柱9的相背设置的两个C型槽钢1的钢槽内部灌注有混凝土12，以形成半包裹式混凝土组合柱11。
所有钢构件装配完成后，于双C槽钢组合截面柱9的两个C型槽钢1的钢槽内部灌注混凝土12，振捣后并以时日养护，形成带有带半包裹式混凝土组合柱11的钢板剪力墙结构，边缘约束框架梁仍为双C槽钢组合截面梁10。优选地，半包裹式混凝土组合柱11在浇筑时可将C型槽钢1的腹板1-1及翼缘1-2作为模板，混凝土标号不应低于C30，双C槽钢组合截面梁10及半包裹式混凝土组合柱11的截面参见图6a和图6b。
本发明采用两只材料与几何尺寸均相同的C型槽钢1作为钢板剪力墙边缘约束构件，内置钢板2夹在背对背双C型槽钢1的两腹板1-1之间，双C型槽钢1的两腹板1-1及内置钢板1边缘相应连接位置预留连接孔6，通过高强螺栓7穿过连接孔6对内置钢板2进行固定连接，装配完成后于边缘约束框架柱的两个槽钢的钢槽内部灌注混凝土12，形成带有高强度和刚度的半包裹式混凝土组合柱11的钢板剪力墙结构。利用螺栓预紧力对内置钢板2提供足够的锚固，使其在地震作用下沿对角线产生充分且均匀的拉力场，且装配现场无焊接工作；内填混凝土12既可以限制槽钢翼缘的局部屈曲，也可以提升结构的抗火性能，从而提高了结构的安全储备，具有很好的工程应用前景。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
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