耗能鋼棒和具有其的混凝土耗能結構的製作方法
2023-05-26 10:56:16 2

本發明涉及土木工程結構消能減震技術領域,更具體地,涉及一種土木工程結構消能減震。
背景技術:
傳統結構通過節點的延性變形來耗能抗震。比如鋼框架,鋼筋混凝土框架,鋼筋混凝土剪力牆等結構體系,地震後結構節點處往往產生較大的塑性變形,混凝土壓潰,鋼筋受壓屈曲,損傷嚴重,因此增加了修復的費用和難度。
技術實現要素:
本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此,本發明提出了一種耗能鋼棒,所述耗能鋼棒的耗能能力強,變形能力大,可以提高結構的抗震性能,減小主體結構的損傷。
本發明還提出了一種具有上述耗能鋼棒的混凝土耗能結構。
根據本發明實施例的耗能鋼棒,包括:鋼棒本體,所述鋼棒本體上設有削弱其強度的削弱結構,以使所述鋼棒本體的至少一部分形成為耗能段;一個或兩個連接段,一個或兩個所述連接段設在所述鋼棒本體的一端或兩端且與所述鋼棒本體同軸設置,所述耗能段的強度小於所述鋼棒本體的未形成所述耗能段的部分的強度以及所述連接段的強度。
根據本發明實施例的耗能鋼棒,耗能能力強,變形能力大,可以提高結構的抗震性能,減小主體結構的損傷。
另外,根據本發明上述實施例的耗能鋼棒還可以具有如下附加的技術特徵:
根據本發明的一些實施例,所述鋼棒本體的橫截面形成為圓形,所述削弱結構形成為設在所述鋼棒本體的外周面的切邊結構,所述耗能段的橫截面形成為多邊形,所述多邊形以所述圓形為外接圓。
可選地,所述多邊形的每條邊形成為直線形或內凸弧形。
根據本發明的一些實施例,所述鋼棒本體的橫截面為方形,所述耗能結構形成為貫穿所述鋼棒本體的兩個相對側面的耗能孔,所述耗能孔為圓形孔或多邊形孔。
可選地,所述耗能孔包括多個,多個所述耗能孔沿所述鋼棒本體的軸向間隔開設置,每個所述耗能孔的延伸方向與所述耗能段的軸向垂直。
根據本發明的一些實施例,所述鋼棒本體的橫截面為方形,所述削弱結構形成為耗能槽,所述耗能槽設在所述鋼棒本體的兩個相對側面上且關於所述鋼棒本體的中心軸線對稱設置。
可選地,所述耗能槽為V形槽且沿所述鋼棒本體的軸向分布有多個,相鄰的兩個所述耗能槽的側壁相連且連接處與所述鋼棒本體的未設置耗能槽的外周面平齊。
可選地,所述鋼棒本體和所述連接段為一體件。
根據本發明實施例的混凝土耗能結構,包括:混凝土層、根據本發明上述實施例的耗能鋼棒和無粘結層,所述耗能鋼棒設在所述混凝土層內,所述連接段與所述混凝土層相連且伸出所述混凝土層;所述無粘結層包裹在所述耗能鋼棒上以將所述混凝土層和所述耗能鋼棒間隔開。
根據本發明實施例的混凝土耗能結構,可以提高結構的抗震性能,減小主體結構的損傷,並具有施工簡單、更換方便、成本低廉等優點。
根據本發明的一些實施例,所述無粘結層為無粘結保護套,所述無粘結保護套套設在所述耗能鋼棒上,所述連接段上設有固定孔,所述耗能鋼棒通過伸入所述固定孔內的螺紋緊固件與所述混凝土層相連。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出,部分將從下面的描述中變得明顯,或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
圖1是根據本發明實施例的耗能鋼棒的結構示意圖;
圖2是沿圖1中A-A線的剖視圖;
圖3是根據本發明實施例的耗能鋼棒的結構示意圖;
圖4是沿圖3中B-B線的剖視圖;
圖5是根據本發明實施例的耗能鋼棒的結構示意圖;
圖6是沿圖5中C-C線的剖視圖;
圖7是根據本發明實施例的耗能鋼棒的結構示意圖;
圖8是沿圖7中D-D線的剖視圖;
圖9是根據本發明實施例的耗能鋼棒的結構示意圖;
圖10是根據本發明實施例的耗能鋼棒的結構示意圖;
圖11是根據本發明一些實施例的混凝土耗能結構的結構示意圖;
圖12是根據本發明另一些實施例的混凝土耗能結構的結構示意圖;
圖13是根據本發明再一些實施例的混凝土耗能結構的結構示意圖。
附圖標記:
1000:混凝土耗能結構;
100:耗能鋼棒;200:混凝土層;300:無粘結層;401:框架柱;402:框架梁;403:基礎;
1:鋼棒本體;11:耗能段;12:耗能孔;13:耗能槽;
2:連接段;21:固定孔。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例,所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的,旨在用於解釋本發明,而不能理解為對本發明的限制,本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
在本發明的描述中,需要理解的是,術語「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係,僅是為了便於描述本發明和簡化描述,而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作,因此不能理解為對本發明的限制。
此外,術語「第一」、「第二」僅用於描述目的,而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此,限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中,「多個」的含義是至少兩個,例如兩個,三個等,除非另有明確具體的限定。
在本發明中,除非另有明確的規定和限定,第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸,或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且,第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可以是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方,或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方,或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
下面結合附圖詳細描述根據本發明實施例的耗能鋼棒100,該耗能鋼棒100可以應用於混凝土耗能結構1000中,但不限於此。
參照圖1-10所示,根據本發明實施例的耗能鋼棒100可以包括鋼棒本體1和一個或兩個連接段2。
鋼棒本體1上可以設有削弱其強度的削弱結構,以使鋼棒本體1的至少一部分形成為耗能段11。由於削弱結構的強度被削弱,削弱結構可具有較大的變形能力,在受到外界拉力的作用時,耗能段11可以屈服耗能,在受到外界壓力的作用時,耗能段11可以發生高階模態屈曲耗能,因此具有較強的耗能能力。
如圖1-圖10所示,一個或兩個連接段2可以設在鋼棒本體1的一端或兩端,以方便鋼棒本體1的連接。例如,如圖1所示,連接段2可為兩個,兩個連接段2分別設在鋼棒本體1的兩端。連接段2可與鋼棒本體1同軸設置,以在耗能鋼棒100受力時連接段2可將手裡傳遞給耗能段11,由耗能段11變形耗能。
耗能段11的強度可以小於鋼棒本體1的未形成耗能段11的部分以及連接段2的強度。也就是說,耗能段11的強度小於耗能鋼棒100的其餘部分的強度。從而耗能鋼棒100不受外力時,耗能鋼棒100可具有一定強度以提供支撐作用,而耗能鋼棒100在受外力作用時,耗能段11優先發生變形,消耗能量。
將耗能鋼棒100應用在建築結構中,發生地震時,耗能段11優先發生變形,消耗地震能量,從而可以提高結構的抗震性能,減小建築主體結構的損傷。
根據本發明實施例的耗能鋼棒100,通過在鋼棒本體1上設置削弱其強度的削弱結構,將鋼棒本體1的至少一部分形成為耗能段11,將一個或兩個連接段2設在鋼棒本體1的一端或兩端,使耗能段11與鋼棒本體1同軸設置,並將耗能段11的強度設置為小於鋼棒本體1的未形成耗能段11的部分的強度以及連接段2的強度,從而在受到外力作用時,耗能段11優先發生變形,可以利用耗能段11的變形消耗能量,耗能能力強,變形能力大,進而可以提高結構的抗震性能,減小主體結構的損傷。
根據本發明的一些實施例,如圖1-圖6所示,鋼棒本體1的橫截面可以形成為圓形,削弱結構可以形成為設在鋼棒本體1的外周面的切邊結構,耗能段11的橫截面可以形成為多邊形,多邊形以所述圓形可為外接圓。
也就是說,鋼棒本體1為圓柱,鋼棒本體1的外周面上設置可以削弱鋼棒本體1的強度的切邊結構,使耗能段11形成為多邊形柱。可以理解的是,多邊形以所述圓形為外接圓時,該多邊形為正多邊形,並且該多邊形相對於鋼棒本體1的中心軸線對稱。
例如,在如圖1和圖2所示的示例中,鋼棒本體1的橫截面為圓形,耗能段11的橫截面為三角形,三角形以鋼棒本體1的橫截面圓形為外接圓。在圖3和圖4所示的示例中,鋼棒本體1的橫截面為圓形,耗能段11的橫截面為正方形,正方形以鋼棒本體1的橫截面圓形為外接圓。而在圖5和圖6所示的示例中,鋼棒本體1的橫截面為圓形,耗能段11的橫截面為八邊形,並且八邊形以鋼棒本體1的橫截面圓形為外接圓。當然,本發明的結構不限於此,耗能段11的橫截面不限於以上描述,還可以是其他多邊形,這對本領域的技術人員來說是可以理解的,在此不再詳細描述。
由此,可以通過切邊結構削弱鋼棒本體1的強度,使耗能段11能夠優先變形,消耗能量,並且,可以使耗能鋼棒100軸向受力時,耗能段11所受的力均勻分布,從而可以提高耗能鋼棒100受力時的穩定性。
可選地,如圖2和圖4所示,多邊形的每條邊可以形成為直線形,即削弱結構為平面切邊結構。或者,如圖6所示,對變形的每條邊可以形成為內凸弧形,即削弱結構為曲面切邊結構。可以理解的是,橫截面的每條邊為直線形的多邊形的耗能段11的強度高於橫截面的每條邊為內凸弧形的多邊形的耗能段11。這樣,可以根據實際需要設置多邊形中每條邊的形狀,以滿足不同需求。
在一些實施例中,如圖7和圖8所示,鋼棒本體1的橫截面可為方形,削弱結構可以形成為切邊結構,以形成橫截面為菱形的耗能段11,從而可以利用耗能段11的變形實現耗能。當然,本發明的結構不限於此,橫截面為方形的鋼棒本體1的削弱結構還可以形成為其他形狀,對此,本發明不做具體限定。
根據本發明的一些實施例,如圖9所示,鋼棒本體1的橫截面可為方形,削弱結構可以形成為貫穿鋼棒本體1的兩個相對側面的耗能孔12,其中,耗能孔12可為圓形孔或多邊形孔,通過設置耗能孔12,可以削弱耗能段11的強度,提高耗能段11的變形能力。
可選地,如圖9所示,耗能孔12可以包括多個,多個耗能孔12可沿鋼棒本體1的軸向間隔開設置,每個耗能孔12的延伸方向與耗能段11的軸向垂直。換言之,每個耗能孔12在垂直於耗能段11的軸向的方向上貫穿鋼棒本體1的兩個相對的側面。由此,可以進一步削弱耗能段11的強度,提高耗能段11的變形能力,從而提高耗能鋼棒100的耗能能力。
根據本發明的一些實施例,如圖10所示,鋼棒本體1的橫截面可為方形,削弱結構可以形成為耗能槽13,耗能槽13可以設在鋼棒本體1的兩個相對側面上,以削弱耗能段11的強度,並且耗能槽13關於鋼棒本體1的中心軸線對稱設置,使得耗能鋼棒100在受力時,耗能段11的受力可以均勻分布,提高耗能鋼棒100的穩定性。
可選地,如圖10所示,耗能槽13可以形成為V形槽,並且耗能槽13可沿鋼棒本體1的軸向分布有多個,換言之,方形鋼棒本體1的相對的兩個側面上可以設有多個用於削弱鋼棒本體1的耗能槽13,每個耗能槽13內凹形成為V形槽。
可選地,如圖10所示,相鄰的兩個耗能槽13的側壁相連,並且相連的兩個耗能槽13的連接處與鋼棒本體1的未設置耗能槽13的外周面可以平齊,從而可以使耗能槽13的結構簡單緊湊,而且可以提高耗能段11的受力均勻性,保證耗能段11沿軸向發生變形,提高耗能能力。
根據本發明的一些實施例,鋼棒本體1和連接段2可為一體件,從而可以使耗能鋼棒100具有一定的強度,在受力時,可以利用耗能段11的屈曲變形消耗能量,不受力時,可以起到一定的支撐作用。
圖11-圖13分別示出了耗能鋼棒100應用於混凝土耗能結構1000中的示意圖。如圖11-圖13所示,根據本發明實施例的混凝土耗能結構1000包括:混凝土層200、根據本發明上述實施例的耗能鋼棒100和無粘結層(圖中未示出)。
具體而言,耗能鋼棒100可以設在混凝土層200內,連接段2可與混凝土層200相連,並且連接段2可伸出混凝土層200,混凝土層200可以約束耗能鋼棒100受壓屈曲,無粘結層可以包裹在耗能鋼棒100上,以將混凝土層200和耗能鋼棒100間隔開,使得耗能鋼棒100的變形不影響混凝土層200的功能實現。
可以理解的是,由於無粘結層將混凝土層200和耗能鋼棒100間隔開,當發生地震時,耗能鋼棒100可以發生變形,消耗地震能量,而不會影響混凝土層200,從而可以提高混凝土耗能結構1000的抗震性能,減小混凝土層200的結構損傷。
並且,耗能鋼棒100發生變形後,可以更換新的耗能鋼棒100,實現震後混凝土耗能結構1000的快速恢復,施工簡單,成本低廉,而且更換方便。
根據本發明實施例的混凝土耗能結構1000,通過將根據本發明上述實施例的耗能鋼棒100設在混凝土層200內,並利用無粘結層將混凝土層200和耗能鋼棒100間隔開,可以通過耗能鋼棒100的屈曲變形提高結構的抗震性能,減小主體結構的損傷,並具有施工簡單、更換方便、成本低廉等優點。
根據本發明的一些實施例,無粘結層可為無粘結保護套,無粘結保護套可以套設在耗能鋼棒100上,連接段2上可設有固定孔21,耗能鋼棒100可以通過伸入固定孔21內的螺紋緊固件與混凝土層200相連。由此,可以利用結構本身進行屈曲約束,無需外加外圍約束,方便安裝,可以降低造價。
可選地,無粘結保護套的壁厚可為1mm-2mm,無粘結保護套可以保證耗能鋼棒100承受拉壓的時候,不會影響外圍混凝土層200的基本受力性能,使得混凝土層200隻起到約束作用,保證混凝土耗能結構1000的耗能能力。
根據本發明的一些實施例,混凝土耗能結構1000可以用於梁柱節點,柱腳節點、剪力牆節點等混凝土結構現澆、裝配式節點區域,在節點區受到拉壓作用時,耗能鋼棒100受拉耗能,受壓時鋼棒受到混凝土層200的約束從而發生高階屈曲,也耗散地震能量,從而實現消能減震。
圖11示出了使用橫截面為圓形的耗能鋼棒100在現澆梁柱節點中的應用實例之一。
框架柱401和框架梁402分別在現場現澆成節點,框架梁402的預製鋼套通過可靠連接與梁整澆在一起。框架梁402的預製鋼套的外伸翼緣留有孔洞,以便耗能鋼棒100穿過。框架柱401在澆築時預埋無粘結保護套,以方便耗能鋼棒100穿過。
梁柱節點澆築完成後,可在現場安放並錨固耗能鋼棒100,連接段2通過固定螺絲錨固在梁端外伸翼緣的兩側,保證在耗能鋼棒100受拉或者受壓的情況下,錨固均發生效果。在結構遭遇地震後,耗能鋼棒100可進行快速更換,起到功能快速恢復的效果。
圖12示出了使用橫截面為圓形的耗能鋼棒100在現澆柱與基礎403節點中的應用實例之一。
框架柱401和基礎403分別在現場現澆成節點,框架柱401的預製鋼套通過可靠連接與柱整澆在一起。框架梁402的預製缸套的外伸翼緣留有孔洞,以便耗能鋼棒100穿過。基礎403在澆築時預埋無粘結保護套、螺絲孔洞,方便耗能鋼棒100穿過和錨固。
基礎403節點澆築完成後,可在現場安放並錨固耗能鋼棒100,連接段2通過固定螺絲錨固在柱端外伸翼緣的兩側,保證在耗能鋼棒100受拉或者受壓的情況下,錨固均發生效果。在結構遭遇地震後,耗能鋼棒100可進行快速更換,起到功能快速恢復的效果。
圖13示出了使用橫截面為矩形的耗能鋼棒100在現澆梁柱節點中的應用實例之一。
框架柱401和框架梁402分別在現場現澆成節點,框架柱401的預製鋼套通過可靠連接與柱整澆在一起。框架梁402的預製缸套的外伸鋼塊留有孔洞,以便固定耗能鋼棒100的連接段2,框架柱401預埋無粘結保護套,以方便耗能鋼棒100穿過節點。
澆築完成後,可在現場安放並錨固耗能鋼棒100,耗能鋼棒100使用螺栓錨固在梁端外伸鋼塊的兩側,保證在耗能鋼棒100受拉或者受壓的情況下,錨固均發生效果。在結構遭遇地震後,耗能鋼棒100可進行快速更換,起到功能快速恢復的效果。
綜上所述,根據本發明實施例的混凝土耗能結構1000,具有以下優點:
1)震後可快速恢復。傳統結構節點地震下破壞嚴重,修復困難。傳統構件節點混凝土破壞後,難以起到約束作用,鋼筋受壓屈曲,承載力小,更換困難。根據本發明實施例的混凝土耗能結構1000震後擁有在大變形情況下的耗能能力,拆裝方便,易於更換。
2)工業化生產效率高。根據本發明實施例的混凝土耗能結構1000的所有部件均在工廠生產,現澆現場只需預留孔洞,裝配式構件在工廠進行預留孔洞,現場進行拼裝。工業化生產可以保證耗能鋼棒100的性能,同時提高生產效率。
3)耗能能力突出。耗能鋼棒100通過屈曲約束耗能,滯回曲線飽滿,變形能力大,耗能能力強。
在本發明中,除非另有明確的規定和限定,術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解,例如,可以是固定連接,也可以是可拆卸連接,或成一體;可以是機械連接,也可以是電連接或彼此可通訊;可以是直接相連,也可以通過中間媒介間接相連,可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係,除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言,可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本說明書的描述中,參考術語「實施例」、「具體實施例」、「示例」或「具體示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中,對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且,描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外,在不相互矛盾的情況下,本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。