CN111980218B - 一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架及其施工方法，包括钢板剪力墙和边界连接框架，钢板剪力墙为三层组合结构，包括中间的钢内板和分设于两侧的约束板，钢内板包括环形耗能阻尼器、钢连接板带和边界连接板带；约束板包括混凝土板和钢罩板，两侧约束板边缘设连接边，连接边中间嵌设钢连接板条，三者固定连接使剪力墙成为一体；钢板剪力墙顶底两侧的边界连接板带分别通过连接角钢与边界框架梁固连。本发明结构简单，制备方便，钢板剪力墙内设环形耗能阻尼器，与边界连接框架配合后整个结构耗能佳、延性和抗侧性能好，可以更好的吸收地震能量，在全寿命周期内最大限度地节约资源，保护环境，实现绿色建筑理念，适用于高层和抗震设防地区。

Description

一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架及其施工方法

技术领域

本发明涉及工业化钢结构领域，具体涉及一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架及其施工方法。

背景技术

抗震建筑，是指在抗震设防烈度为六度及以上地区必须进行抗震设计建筑。从全球的重大地震灾害调查中可以发现，95%以上的人命伤亡都是因为建筑物受损或倒塌所引致的。探讨建筑物于地震中受损倒塌的原因，并加以防范，从工程上建造经得起强震的抗震建筑是减少地震灾害最直接、最有效的方法。提高建筑物抗震性能，是提高城市综合防御能力的主要措施之一，同时也是防震减灾工作中一项“抗”的主要任务。中国作为一个地震多发国家，为了提高建筑抗震减灾能力、构建可持续发展的城市和社区，当务之急是在结构塑性变形能力、能耗性能、可修复性能等方面尽快提升。

装配式钢内板结构具有强度高、自重轻、延性好的特性，因此成为抗震性能优良的建筑结构形式，在地震中的受损率远低于其它结构形式，呈现出明显的抗震优势。相比于钢筋混凝土剪力墙结构自重大、施工复杂、施工周期长，受到环境因素影响容易发生开裂，造成结构的刚度下降，装配式钢内板结构自重轻、运输和施工简捷高效、承载力和刚度稳定。然而装配式钢内板结构滞回曲线不够饱满，如何将装配式钢内板结构与减震技术实现良好的融合，是目前亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明目的在于一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架及其施工方法，解决现有钢结构在墙板减震施工应用中耗能效果差、不能有效发挥钢结构强度高延性好等优势的技术问题，适用于高层和抗震设防地区。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：包括钢板剪力墙和边界连接框架；

所述钢板剪力墙为三层组合结构，包括中间的钢内板和分设于两侧的约束板；

所述钢内板包括环形耗能阻尼器、钢连接板带和边界连接板带；

所述边界连接板带围合形成外框；所述环形耗能阻尼器分散设于外框内部；相邻环形耗能阻尼器之间、环形耗能阻尼器与边界连接板带之间通过钢连接板带实现固定；

所述约束板包括混凝土板和钢罩板，所述钢罩板覆盖混凝土板的四个侧面和远离钢内板的一个底面，其左右两侧面靠近钢内板的一侧边沿分别设置连接边，顶底两侧比边界连接板带短，边界连接板带的外露部分形成连接部；

所述钢内板左右两侧分别设置钢连接板条，所述钢连接板条与两侧的连接边通过高强螺栓固定连接；

所述边界连接框架为矩形框架，包括左右两侧的边界框架柱和上下的边界框架梁；

所述钢板剪力墙设于边界连接框架内侧，其中钢板剪力墙的高度与边界连接框架的内部空间高度相适应，钢板剪力墙顶底两侧外漏的边界连接板带分别通过连接角钢与上下的边界框架梁固连。

作为本发明的优选技术方案，所述环形耗能阻尼器、钢连接板带和边界连接板带均为平面钢板结构，且三者共面设置。

进一步优选的，所述环形耗能阻尼器为偏平圆环结构，在外框内呈梅花状布置，每个环形耗能阻尼器与上下层相邻的环形耗能阻尼器之间通过钢连接板带连接。

进一步优选的，在相邻三层环形耗能阻尼器中，上层两个环形耗能阻尼器与下层对应的两个环形耗能阻尼器分别设于正方形的四个角部，中间层一个环形耗能阻尼器位于该正方形的中心；相应的，所述钢连接板带设于正方形的两个对角线上，分为四段，分别连接在两个环形耗能阻尼器之间。

进一步优选的，所述环形耗能阻尼器、钢连接板带和边界连接板带的厚度相同，且三者为一体成形结构。

进一步优选的，所述混凝土板在钢罩板内浇筑成形，其厚度与钢罩板的内容厚度相适应；所述混凝土板的尺寸不小于边界连接板带围合空间的尺寸。

进一步优选的，所述钢连接板条的厚度与钢内板的厚度相适应，长宽尺寸与连接边的长宽尺寸相适应；所述钢内板的宽度与钢罩板的宽度相适应，高度等于钢罩板与连接角钢的高度之和。

进一步优选的，所述钢罩板和连接边一体成形；所述连接边与钢罩板的侧壁之间还间隔设置有加劲肋。

更优选的，所述钢板剪力墙在厚度上均设于边界连接框架的中间位置；所述连接角钢共四段，分别在钢板剪力墙上下的边界连接板带两侧对称布置；所述连接角钢其中一侧与边界连接板带贴合并通过高强螺栓固连，另一侧与边界框架梁对应的底面板或顶面板贴合并通过高强螺栓固连。

此外，本发明还提供上述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、准备工作：依据设计要求确定边界连接框架的尺寸；

步骤二、钢板剪力墙尺寸确定：依据步骤一确定的边界连接框架尺寸和耗能要求，确定钢内板和约束板的整体尺寸；

步骤三、构件尺寸确定：依据整体尺寸和耗能需求确定环形耗能阻尼器的大小及布置间距，钢连接板带和边界连接板带的宽度，以及钢罩板的尺寸；

步骤四、制备钢内板和钢罩板：依据确定的尺寸，在工厂进行钢内板和钢罩板的预制加工，采用整板切割或焊接形成；

步骤五、浇筑混凝土板：在钢罩板内浇混凝土并养护，确保混凝土外表面与连接边平齐，形成约束板；

步骤六、钢板剪力墙拼装：在钢内板两侧分别设约束板，在两层连接边之间嵌设钢连接板条，将三层钢结构通过高强螺栓固定连接，顶底两侧边界连接板带的外露部分形成连接部；

步骤七、在钢板剪力墙上安装连接角钢：在钢板剪力墙顶部和底部的边界连接板带上通过高强螺栓固连连接角钢；

步骤八、钢板剪力墙的安装：吊装钢板剪力墙至边界连接框架的中间位置，将连接角钢的另一侧与边界连接板带贴合并通过高强螺栓固连，至此，施工完成。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1、本发明结构简单，钢内板仅需要环形耗能阻尼器、钢连接板带和边界连接板带三种构造，材料也仅限于钢板，制备方便；

2、本发明钢板剪力墙采用多个环形耗能阻尼器组合而成，与边界连接框架配合形成一个整体，耗能佳、延性和抗侧性能好，在地震荷载作用下，可以更好的吸收地震能量，保护主体结构少破坏，甚至不破坏；

3、本发明钢内板可以作为第一道抗震防线，先于框架破坏，为震后重建起着不可忽视的作用，在全寿命周期内最大限度地节约资源，保护环境，实现绿色建筑理念。

本发明适宜在地震多发带建造，特别适用于高层和抗震设防地区。

附图说明

图1为本发明涉及的装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架的整体结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明涉及的装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架的构造立体结构示意图；

图4为本发明涉及的装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架的构造平面结构示意图；

图5为本发明涉及的钢内板的结构示意图；

图6为本发明涉及的面外约束耗能钢板剪力墙正立面Mises应力图；

图7为本发明涉及的面外约束耗能钢板剪力墙侧立面Mises应力图；

图8为本发明涉及的装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架的滞回曲线图。

附图标记：1-钢内板、1.1-环形耗能阻尼器、1.2-钢连接板带、1.3-边界连接板带、2-约束板、2.1-混凝土板、2.2-钢罩板、2.3-连接边、2.4-加劲肋、3-高强螺栓、4-钢连接板条、5-连接角钢、6-边界框架柱、7-边界框架梁。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5，一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：包括钢板剪力墙和边界连接框架；钢板剪力墙为三层组合结构，包括中间的钢内板1和分设于两侧的约束板2。

钢内板1包括环形耗能阻尼器1.1、钢连接板带1.2和边界连接板带1.3；边界连接板带1.3围合形成外框；环形耗能阻尼器1.1分散设于外框内部；相邻环形耗能阻尼器1.1之间、环形耗能阻尼器1.1与边界连接板带1.3之间通过钢连接板带1.2实现固定；边界连接框架为矩形框架，包括左右两侧的边界框架柱6和上下的边界框架梁7；钢板剪力墙设于边界连接框架内侧，其中钢板剪力墙的高度与边界连接框架的内部空间高度相适应，钢板剪力墙顶底两侧外漏的边界连接板带1.3分别通过连接角钢5与上下的边界框架梁7固连。环形耗能阻尼器1.1、钢连接板带1.2和边界连接板带1.3均为平面钢板结构，且三者共面设置。环形耗能阻尼器1.1、钢连接板带1.2和边界连接板带1.3的厚度相同，且三者为一体成形结构。环形耗能阻尼器1.1为偏平圆环结构，在外框内呈梅花状布置，每个环形耗能阻尼器1.1与上下层相邻的环形耗能阻尼器1.1之间通过钢连接板带1.2连接。优选在相邻三层环形耗能阻尼器1.1中，上层两个环形耗能阻尼器1.1与下层对应的两个环形耗能阻尼器1.1分别设于正方形的四个角部，中间层一个环形耗能阻尼器1.1位于该正方形的中心；相应的，钢连接板带1.2设于正方形的两个对角线上，分为四段，分别连接在两个环形耗能阻尼器1.1之间。钢板剪力墙在厚度上均设于边界连接框架的中间位置；连接角钢5共四段，分别在钢板剪力墙上下的边界连接板带1.3两侧对称布置；连接角钢5其中一侧与边界连接板带1.3贴合并通过高强螺栓3固连，另一侧与边界框架梁7对应的底面板或顶面板贴合并通过高强螺栓3固连。

约束板2包括混凝土板2.1和钢罩板2.2，钢罩板2.2覆盖混凝土板2.1的四个侧面和远离钢内板的一个底面，其左右两侧面靠近钢内板1的一侧边沿分别设置连接边2.3，顶底两侧比边界连接板带1.3短，边界连接板带1.3的外露部分形成连接部；混凝土板2.1在钢罩板2.2内浇筑成形，其厚度与钢罩板2.2的内容厚度相适应；混凝土板2.1的尺寸不小于边界连接板带1.3围合空间的尺寸。

钢内板1左右两侧分别设置钢连接板条4，钢连接板条4与两侧的连接边2.3通过高强螺栓3固定连接；钢连接板条4的厚度与钢内板1的厚度相适应，长宽尺寸与连接边2.3的长宽尺寸相适应；钢内板1的宽度与钢罩板2.2的宽度相适应，高度等于钢罩板2.2与连接角钢5的高度之和。钢罩板2.2和连接边2.3一体成形；连接边2.3与钢罩板2.2的侧壁之间还间隔设置有加劲肋2.4。

此外，本发明还提供上述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、准备工作：依据设计要求确定边界连接框架的尺寸；

步骤二、钢板剪力墙尺寸确定：依据步骤一确定的边界连接框架尺寸和耗能要求，确定钢内板1和约束板2的整体尺寸；

步骤三、构件尺寸确定：依据整体尺寸和耗能需求确定环形耗能阻尼器1的大小及布置间距，钢连接板带2和边界连接板带1.3的宽度，以及钢罩板2.2的尺寸；

步骤四、制备钢内板和钢罩板：依据确定的尺寸，在工厂进行钢内板1和钢罩板2.2的预制加工，采用整板切割或焊接形成；

步骤五、浇筑混凝土板：在钢罩板2.2内浇混凝土并养护，确保混凝土外表面与连接边2.3平齐，形成约束板2；

步骤六、钢板剪力墙拼装：在钢内板1两侧分别设约束板2，在两层连接边2.3之间嵌设钢连接板条4，将三层钢结构通过高强螺栓3固定连接，顶底两侧边界连接板带1.3的外露部分形成连接部；

步骤七、在钢板剪力墙上安装连接角钢5：在钢板剪力墙顶部和底部的边界连接板带1.3上通过高强螺栓3固连连接角钢5；

步骤八、钢板剪力墙的安装：吊装钢板剪力墙至边界连接框架的中间位置，将连接角钢5的另一侧与边界连接板带1.3贴合并通过高强螺栓3固连，至此，施工完成。

本发明钢内板1采用多个环形耗能阻尼器组合而成，在地震荷载作用下，可以更好的吸收地震能量，保护主体结构少破坏，甚至不破坏；采用的面外约束钢混凝土组合板厚度小、自重轻、便于运输和安装，震后不发生破坏，可以重复使用；该耗能钢板剪力墙可以不依靠边界连接框架提供补充荷载，可以防止框架先于剪力墙破坏，为震后重建起着不可忽视的作用。

如图6-8，设置环形耗能阻尼器1、钢连接板带2和边界连接板带1.3的厚度均为12mm，剪力墙整体宽度为1950mm，整体高度为2450mm。环形耗能阻尼器1的内径为80mm，外径为150mm，钢连接板带2的宽度为80mm，边界连接板带1.3的宽度为225mm，建立一个带有环形阻尼器的耗能钢内板ABAQUS有限元模型。

图6和图7分别为本发明涉及的装配式面外约束耗能钢板剪力墙正立面和侧立面的Mises应力图，从图中看出，环形耗能阻尼器全部进入屈服阶段破坏耗能，钢连接板带大部分进入屈服阶段，边界连接板带小部分进入屈服阶段，同时该剪力墙平面外变形不大。

图8为本发明涉及的装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架的滞回曲线图，从图中可以看出，该剪力墙滞回曲线整体较为饱满，耗能性能良好，但仍然存在捏缩现象。边界连接板带起到了支撑作用，使得剪力墙与边界框架两边连接得以实现。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：包括钢板剪力墙和边界连接框架；

所述钢板剪力墙为三层组合结构，包括中间的钢内板（1）和分设于两侧的约束板（2）；

所述钢内板（1）包括环形耗能阻尼器（1.1）、钢连接板带（1.2）和边界连接板带（1.3）；

所述边界连接板带（1.3）围合形成外框；所述环形耗能阻尼器（1.1）分散设于外框内部；相邻环形耗能阻尼器（1.1）之间、环形耗能阻尼器（1.1）与边界连接板带（1.3）之间通过钢连接板带（1.2）实现固定；所述环形耗能阻尼器（1.1）、钢连接板带（1.2）和边界连接板带（1.3）均为平面钢板结构；

所述约束板（2）包括混凝土板（2.1）和钢罩板（2.2），所述钢罩板（2.2）覆盖混凝土板（2.1）的四个侧面和远离钢内板的一个底面，其左右两侧面靠近钢内板（1）的一侧边沿分别设置连接边（2.3），顶底两侧比边界连接板带（1.3）短，边界连接板带（1.3）的外露部分形成连接部；

所述钢内板（1）左右两侧分别设置钢连接板条（4），所述钢连接板条（4）与两侧的连接边（2.3）通过高强螺栓（3）固定连接，使钢内板（1）和约束板（2）连接为一体；

所述边界连接框架为矩形框架，包括左右两侧的边界框架柱（6）和上下的边界框架梁（7）；

所述钢板剪力墙设于边界连接框架内侧，其中钢板剪力墙的高度与边界连接框架的内部空间高度相适应，钢板剪力墙顶底两侧外漏的边界连接板带（1.3）分别通过连接角钢（5）与上下的边界框架梁（7）固连，所述连接角钢（5）共四段，分别在钢板剪力墙上下的边界连接板带（1.3）两侧对称布置；所述环形耗能阻尼器（1.1）、钢连接板带（1.2）和边界连接板带（1.3）三者共面设置。

2.根据权利要求1所述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：所述环形耗能阻尼器（1.1）为偏平圆环结构，在外框内呈梅花状布置，每个环形耗能阻尼器（1.1）与上下层相邻的环形耗能阻尼器（1.1）之间通过钢连接板带（1.2）连接。

3.根据权利要求1所述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：在相邻三层环形耗能阻尼器（1.1）中，上层两个环形耗能阻尼器（1.1）与下层对应的两个环形耗能阻尼器（1.1）分别设于正方形的四个角部，中间层一个环形耗能阻尼器（1.1）位于该正方形的中心；相应的，所述钢连接板带（1.2）设于正方形的两个对角线上，分为四段，分别连接在两个环形耗能阻尼器（1.1）之间。

4.根据权利要求1所述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：所述环形耗能阻尼器（1.1）、钢连接板带（1.2）和边界连接板带（1.3）的厚度相同，且三者为一体成形结构。

5.根据权利要求1所述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：所述混凝土板（2.1）在钢罩板（2.2）内浇筑成形，其厚度与钢罩板（2.2）的内容厚度相适应；所述混凝土板（2.1）的尺寸不小于边界连接板带（1.3）围合空间的尺寸。

6.根据权利要求1所述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：所述钢连接板条（4）的厚度与钢内板（1）的厚度相适应，长宽尺寸与连接边（2.3）的长宽尺寸相适应；所述钢内板（1）的宽度与钢罩板（2.2）的宽度相适应，高度等于钢罩板（2.2）与连接角钢（5）的高度之和。

7.根据权利要求1所述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：所述钢罩板（2.2）和连接边（2.3）一体成形；所述连接边（2.3）与钢罩板（2.2）的侧壁之间还间隔设置有加劲肋（2.4）。

8.根据权利要求1所述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架，其特征在于：所述钢板剪力墙在厚度上均设于边界连接框架的中间位置；所述连接角钢（5）共四段，分别在钢板剪力墙上下的边界连接板带（1.3）两侧对称布置；所述连接角钢（5）其中一侧与边界连接板带（1.3）贴合并通过高强螺栓（3）固连，另一侧与边界框架梁（7）对应的底面板或顶面板贴合并通过高强螺栓（3）固连。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种装配式面外约束耗能钢板剪力墙框架的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、准备工作：依据设计要求确定边界连接框架的尺寸；

步骤二、钢板剪力墙尺寸确定：依据步骤一确定的边界连接框架尺寸和耗能要求，确定钢内板（1）和约束板（2）的整体尺寸；

步骤三、构件尺寸确定：依据整体尺寸和耗能需求确定环形耗能阻尼器（1.1）的大小及布置间距，钢连接板带（1.2）和边界连接板带（1.3）的宽度，以及钢罩板（2.2）的尺寸；

步骤四、制备钢内板和钢罩板：依据确定的尺寸，在工厂进行钢内板（1）和钢罩板（2.2）的预制加工，采用整板切割或焊接形成；

步骤五、浇筑混凝土板：在钢罩板（2.2）内浇混凝土并养护，确保混凝土外表面与连接边（2.3）平齐，形成约束板（2）；

步骤六、钢板剪力墙拼装：在钢内板（1）两侧分别设约束板（2），在两层连接边（2.3）之间嵌设钢连接板条（4），将三层钢结构通过高强螺栓（3）固定连接，顶底两侧边界连接板带（1.3）的外露部分形成连接部；

步骤七、在钢板剪力墙上安装连接角钢（5）：在钢板剪力墙顶部和底部的边界连接板带（1.3）上通过高强螺栓（3）固连连接角钢（5）；

步骤八、钢板剪力墙的安装：吊装钢板剪力墙至边界连接框架的中间位置，将连接角钢（5）的另一侧与边界连接板带（1.3）贴合并通过高强螺栓（3）固连，至此，施工完成。

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