本發(fā)明涉及鋼-混凝土混合框架建筑結(jié)構(gòu)，具體涉及一種鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系。

背景技術：

地震對人類生命財產(chǎn)造成的損失是巨大的，對人類社會生活的影響也是深遠和復雜的。地震不僅會直接造成建筑物的破壞、人員的傷亡以及引起間接的次生災害等，還對震后建筑物的修復和社會秩序的恢復提出了新的挑戰(zhàn)。因此，工程結(jié)構(gòu)的抗震設計理念，也逐漸從防止結(jié)構(gòu)倒塌轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)功能可維持、可恢復?，F(xiàn)行框架抗震設計的原則之一是分散損傷，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體盡可能多的構(gòu)件參與耗能，避免形成薄弱層而引發(fā)結(jié)構(gòu)倒塌。但框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度薄弱，主要通過承重構(gòu)件來抵抗側(cè)向荷載，在大震作用下會產(chǎn)生很大的層間位移，承重結(jié)構(gòu)受到較大的損壞，雖然結(jié)構(gòu)未傾覆，但使用功能難以恢復，造成巨大的經(jīng)濟損失。因而國際上有學者提出了可恢復功能結(jié)構(gòu)，即地震后不需修復或稍加修復即可恢復其使用功能的結(jié)構(gòu)，在地震作用下，主要通過可更換構(gòu)件的彈塑性變形，耗散地震能量，保護主體結(jié)構(gòu)不受破壞或只受輕微破壞，地震作用后更換耗能構(gòu)件即可恢復結(jié)構(gòu)功能。在國內(nèi)外目前研究較多的為鋼框架可更換結(jié)構(gòu)體系，以及剪力墻可更換結(jié)構(gòu)體系，對于其他結(jié)構(gòu)體系研究較少。

鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎上發(fā)展起來的一類重要結(jié)構(gòu)形式，它可以綜合兩者的各自特點，為結(jié)構(gòu)工程的創(chuàng)新和解決超高、大跨、重載、復雜結(jié)構(gòu)的設計施工難題提供新的選擇，在國內(nèi)外的工業(yè)及民用建筑中已經(jīng)得到廣泛應用。然而，目前國內(nèi)外對可更換結(jié)構(gòu)的研究主要針對的是鋼結(jié)構(gòu)體系，而對混合結(jié)構(gòu)體系的研究較少；在抗震設計理論方面也主要集中在可更換構(gòu)件本身，而關于可更換構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體性能的影響以及整體結(jié)構(gòu)的抗震設計方法方面的研究還不完善。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系存在的上述問題，本發(fā)明提出一種鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系，克服一般框架結(jié)構(gòu)在震后結(jié)構(gòu)功能難以恢復以及鋼框架應用范圍上的限制的不足，從而保障建筑物在大震后快速恢復使用功能，降低經(jīng)濟損失。

為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系，包括主框架和次框架，所述主框架包括鋼筋混凝土柱和與次框架共用的共用鋼柱以及連接在兩者之間的組合梁或鋼梁，三者共同構(gòu)成的鋼-混凝土混合框架；次框架包括鋼柱和與主框架共用的共用鋼柱以及連接在兩者之間的框架鋼梁，三者共同構(gòu)成的鋼框架；

連接在主框架鋼筋混凝土柱與次框架共用的共用鋼柱之間的組合梁或鋼梁為不可更換梁，分別通過梁柱外節(jié)點和梁柱內(nèi)節(jié)點連接；

連接在鋼柱與主框架共用的共用鋼柱之間的框架鋼梁為可更換梁，通過次框架梁柱節(jié)點連接；

主框架的鋼筋混凝土柱和與次框架共用的共用鋼柱以及次框架的鋼柱底部通過柱腳與基礎連接。

作為優(yōu)選，梁柱外節(jié)點和梁柱內(nèi)節(jié)點為剛接、半剛接或鉸接的連接方式。

進一步，所述梁柱外節(jié)點和梁柱內(nèi)節(jié)點采用剛接方式連接，即采用三邊圍焊角焊縫方式連接，相應組合節(jié)點采用腹板連續(xù)、翼緣部分切除的rcs組合節(jié)點連接方式。

進一步，所述梁柱外節(jié)點和梁柱內(nèi)節(jié)點采用鉸接方式連接，即為螺栓連接。

進一步，所述梁柱外節(jié)點和梁柱內(nèi)節(jié)點采用半剛接方式連接，即為相應節(jié)點采用梁的上下翼緣與柱通過角鋼或t型鋼連接。

作為優(yōu)選，所述次框架中的框架鋼梁兩端分別與鋼柱和共用鋼柱剛接，采用高強螺栓端板連接的方式；僅設置在樓面層，或同時設置在樓面層和中間層。

作為優(yōu)選，連接所述鋼筋混凝土柱、與次框架共用的共用鋼柱和次框架的鋼柱柱腳為剛接或鉸接的連接方式。

進一步，所述鉸接柱腳為一個呈三角形鋼架結(jié)構(gòu)的鉸接支撐架，在三角形鋼架的節(jié)點處為鉸接連接方式，三角形的頂點鉸接連接鋼筋混凝土柱、與次框架共用的共用鋼柱和次框架的鋼柱，三角形的斜邊兩端鉸接連接基礎。

作為優(yōu)選，由所述若干跨的主框架和若干跨的次框架組成每榀鋼-混凝土混合框架，每榀鋼-混凝土混合框架中由主框架兩側(cè)分別設次框架，再在次框架外設主框架、次框架，依次類推；相鄰每榀鋼-混凝土混合框架之間的主框架和次框架的分布方式可交錯分布。

作為優(yōu)選，所述主框架的跨度為6.0m～9.0m；次框架的跨度為1.0m～1.5m。

本發(fā)明的有益效果在于，該混合結(jié)構(gòu)體系，主要通過在次框架層間及樓面層設置鋼梁作為耗能構(gòu)件，并與鋼柱通過可拆卸的方式連接，作為可更換構(gòu)件?？蓪崿F(xiàn)整體結(jié)構(gòu)功能的震后可快速恢復，且經(jīng)濟性好、造價低，能夠降低地震損失。

在地震作用下，通過鋼梁的彈塑性變形，集中耗散地震能量，保護主框架不受損壞或受輕微損壞。地震作用后，更換鋼梁即可恢復結(jié)構(gòu)功能，從而實現(xiàn)地震作用下結(jié)構(gòu)局部及整體性能的可控制、可恢復性。同時，所述結(jié)構(gòu)體系采用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮鋼和混凝土構(gòu)件各自的性能，具有較高的承載力、耗能能力以及良好的施工性和經(jīng)濟性，可廣泛應用于大跨、重載等公共建筑或工業(yè)建筑，也可用于城鎮(zhèn)普通建筑結(jié)構(gòu)，使用范圍得到極大擴展。

附圖說明

圖1為混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系具體組成構(gòu)件示意圖；

圖2為主框架梁柱外節(jié)點連接方式采用鉸接、內(nèi)節(jié)點采用剛接示意圖；

圖3為主框架梁柱外節(jié)點連接方式采用剛接、內(nèi)節(jié)點采用鉸接示意圖；

圖4為混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系主次框架跨數(shù)及跨度布置平面示意圖；

圖5為混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系框架1中主次框架跨數(shù)及跨度布置立面示意圖；

圖6為混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系框架2中主次框架跨數(shù)及跨度布置立面示意圖；

圖7為混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系框架3中主次框架跨數(shù)及跨度布置立面示意圖；

圖8(a)、圖8(b)分別為鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系的變形圖和鋼框架可更換結(jié)構(gòu)體系的變形圖；

圖9(a)、圖9(b)分別為鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系的最大應力圖和鋼框架可更換結(jié)構(gòu)體系的最大應力圖。

圖中：1、鋼筋混凝土柱，2、鋼梁或組合梁，3、鋼柱，3-1、共用鋼柱，4、次框架鋼梁，5、梁柱外節(jié)點，6、梁柱內(nèi)節(jié)點，7、次框架梁柱節(jié)點，8、次框架柱腳，8-1、主框架與次框架共用柱腳，9、主框架柱腳，10、基礎。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示，該鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系，包括主框架和次框架，主框架由鋼筋混凝土柱和鋼梁或者組合梁及鋼柱組成，屬于鋼-混凝土混合框架；次框架由鋼柱和鋼梁組成，屬于鋼框架。

主框架包括鋼筋混凝土柱1和與次框架共用的共用鋼柱3-1共同組成豎向混合承重體系，且可承受重載，還包括連接在兩者之間的組合梁或鋼梁2，三者共同構(gòu)成鋼-混凝土混合框架；次框架包括鋼柱3和與主框架共用的共用鋼柱3-1共同組成豎向混合承重體系，還包括連接在兩者之間的框架鋼梁4，三者共同構(gòu)成鋼框架；連接在主框架鋼筋混凝土柱1與次框架共用的共用鋼柱3-1之間的組合梁或鋼梁2為不可更換梁，分別通過梁柱外節(jié)點5和梁柱內(nèi)節(jié)點6連接；連接在鋼柱3與主框架共用的共用鋼柱3-1之間的框架鋼梁4為可更換梁，通過次框架梁柱節(jié)點7連接；主框架的鋼筋混凝土柱1和與次框架共用的共用鋼柱3-1以及次框架的鋼柱3底部通過柱腳與基礎10連接。即次框架的鋼柱3與基礎10在次框架柱腳8處連接，主框架與次框架共用的共用鋼柱3-1與基礎10在主框架與次框架共用柱腳8-1處連接；主框架的鋼筋混凝土柱1與基礎10在主框架柱腳9處連接。

其中，組合梁或鋼梁2為不可更換梁，梁柱外節(jié)點5和梁柱內(nèi)節(jié)點6為剛接(見圖1所示)、半剛接(見圖2、圖3所示)或鉸接的連接方式。其中，剛接是梁柱外節(jié)點5和梁柱內(nèi)節(jié)點6采用三邊圍焊角焊縫剛接方式連接，或相應組合節(jié)點可采用腹板連續(xù)、翼緣部分切除的rcs組合節(jié)點。采用鉸接的連接方式，可采用螺栓連接。半剛接是梁柱外節(jié)點5和梁柱內(nèi)節(jié)點6相應節(jié)點可采用梁的上下翼緣與柱通過角鋼或t型鋼連接。

其中，次框架中的鋼梁4為可更換構(gòu)件，其兩端分別與鋼柱3和共用鋼柱3-1剛接，可采用高強螺栓端板連接的方式；可僅設置在樓面層，或同時設置在樓面層和中間層。

下面給出不同的實施例來進一步說明本發(fā)明。

如圖2所示，為一個梁柱外節(jié)點5為鉸接，梁柱內(nèi)節(jié)點6為剛接，鋼筋混凝土柱1、與次框架共用的共用鋼柱3-1和次框架的鋼柱3柱腳為剛接方式。次框架柱腳8及主框架與次框架共用柱腳8-1處采用剛接的連接方式，主框架柱腳9采用剛接的連接方式，均采用混凝土現(xiàn)澆的方式實現(xiàn)。

如圖3所示，本發(fā)明在本圖中與圖2的不同之處在于，主框架梁柱外節(jié)點5采用剛接的連接方式，相應組合節(jié)點可采用腹板連續(xù)、翼緣部分切除的rcs組合節(jié)點，結(jié)構(gòu)體系，次框架的鋼柱之間在基礎頂部可通過鋼梁連接，進而減小基礎剪力。主框架梁柱內(nèi)節(jié)點6采用鉸接的連接方式，可采用螺栓連接。次框架柱腳8及主框架與次框架共用柱腳8-1處采用鉸接的連接方式，主框架柱腳9采用鉸接的連接方式，均采用螺栓連接的方式實現(xiàn)。

鉸接柱腳為一個呈三角形鋼架結(jié)構(gòu)的鉸接支撐架，在三角形鋼架的節(jié)點處為鉸接連接方式，三角形的頂點鉸接連接鋼筋混凝土柱1、與次框架共用的共用鋼柱3-1和次框架的鋼柱3，三角形的斜邊兩端鉸接連接基礎10。

主框架與次框架共同構(gòu)成鋼-混凝土混合框架結(jié)構(gòu)體系，但地震損害主要集中于次框架，與主框架隔離。在樓面層的主框架梁柱內(nèi)節(jié)點的樓板上方應預留縫隙，避免妨礙次框架鋼梁4變形，同時保護混凝土樓板、縫隙處樓板鋼筋貫通以保證正常傳力。

如圖4(平面布置圖)、圖5、圖6和圖7(立面布置圖)所示，該鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系中，每榀鋼-混凝土混合框架由若干跨的主框架和若干跨的次框架組成，每榀鋼-混凝土混合框架中主框架和次框架的數(shù)量，由結(jié)構(gòu)的受力和設計需求確定，次框架的跨數(shù)和跨度布置可根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況和實際設計需求確定。每榀鋼-混凝土混合框架中可由主框架兩側(cè)分別設次框架，再在次框架外設主框架、次框架，依次類推；相鄰每榀鋼-混凝土混合框架之間的主框架和次框架的分布方式可交錯分布。

如圖5、圖6和圖7所示，該鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系中，主框架的跨度為6.0m～9.0m，次框架的跨度為1.0m～1.5m，其具體跨度根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力和設計需求確定?？筛鼡Q構(gòu)件僅設置在樓面層或同時設置在樓面層和中間層，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況和實際設計需求確定。

如圖8(a)、圖8(b)和圖9(a)、圖9(b)所示，對鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系和鋼框架可更換結(jié)構(gòu)體系分別建模得出變形圖與應力圖。

下表1給出了建模的構(gòu)件信息。

表1構(gòu)件信息表

圖8(a)、圖8(b)分別為鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系與鋼框架可更換結(jié)構(gòu)體系的對比。變形圖如圖8(a)、圖8(b)，可看出圖8(a)變形小于圖8(b)；最大應力圖如圖9(a)、圖9(b)，可看出圖9(a)較圖9(b)應力分布均勻，且更多集中在可更換鋼梁，結(jié)果證明鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系性能優(yōu)于鋼框架可更換結(jié)構(gòu)體系。

在相同含鋼率的情況下，本發(fā)明提出的鋼-混凝土混合框架可更換結(jié)構(gòu)體系變形較鋼框架可更換結(jié)構(gòu)體系相比，可承受大跨、重載，能獲得更好的經(jīng)濟性。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)體系中的豎向承重體系由主框架鋼筋混凝土柱和次框架鋼柱及主框架和次框架共用鋼柱共同組成，屬于豎向混合承重體系，且可承受重載。結(jié)構(gòu)體系的水平承重體系由主框架鋼梁或者組合梁和次框架鋼梁共同組成，屬于水平混合承重體系，可承受重載并形成大跨度、大空間。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系由鋼-混凝土混合框架(主框架)和鋼框架(次框架)共同組成，屬于鋼-混凝土混合框架結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮鋼筋混凝土柱的抗壓性能好、穩(wěn)定性好、耐久性和耐火性好，鋼梁的抗彎性能好、質(zhì)量輕、施工方便的特點，具有較高的承載力以及良好的施工性和經(jīng)濟性。

結(jié)構(gòu)體系次框架中的鋼梁是主要的水平耗能構(gòu)件，在地震作用下集中耗能，保護主體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)體系次框架中的鋼梁采用可更換構(gòu)件，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力和設計需求，可僅設置在樓面層，也可同時設置在樓面層和中間層，可減小基礎剪力。次框架梁柱節(jié)點及主框架內(nèi)節(jié)點剛接，可采用高強螺栓端板連接的方式。次框架中的鋼梁是可更換構(gòu)件，次框架中的鋼梁是主要的水平耗能構(gòu)件，在地震作用下，主要通過鋼梁的彈塑性變形，集中耗散地震能量，保證主框架結(jié)構(gòu)的正常工作狀態(tài)，保證人身安全，降低結(jié)構(gòu)破壞程度。可實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)功能的震后可快速恢復，且經(jīng)濟性好、造價低，能夠降低地震損失。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。