一種在失效部位設置芯柱和可更換部件的鋼筋混凝土柱的制作方法

本發明屬于建筑結構領域，具體涉及一種在失效部位設置芯柱和可更換部件的鋼筋混凝土柱。

背景技術：

隨著基礎理論與技術的不斷進步以及高性能材料的推廣應用，人們對結構的性能要求越來越高，結構已由極限狀態設計逐步向可恢復功能設計轉變，以期將損失降到最低。呂西林等人在《帶有可更換構件的結構體系研究進展中》提到，通過在結構體系關鍵部位設置可更換部件，可以實現對受損部位進行快速修復與更換。可更換部件一般設置于結構易發生塑性變形的部位，將此部位用高延性材料、新型耗能材料替代原材料。設計構件的承載力與原部分基本一致，正常使用極限狀態亦滿足設計要求。當結構承受較強的水平作用時，受損部位將主要集中在可更換部件處，不僅可以利用其優良性能有效地耗能，而且有利于對受損的部件快速更換，盡快恢復結構的正常使用功能。

在汶川地震中，鋼筋混凝土框架較少出現如原建筑抗震設計規范所預期的“強柱弱梁”失效模式。葉列平等人在《從汶川地震框架結構震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現》一文中從鋼筋混凝土框架梁受力較為有利的角度對此現象進行了分析，指出樓板加強、梁端鋼筋超配等多種有利因素使得梁端抗彎承載力提高很多，而鋼筋混凝土柱受力較為不利，因而“強柱弱梁”失效模式較難出現。若要在鋼筋混凝土框架中嚴格實現“強柱弱梁”失效模式，即鋼筋混凝土框架柱具有高承載可靠性和高延性，不出現破壞，則必須將柱設計得很保守，混凝土和鋼筋材料用量將會大幅提升。

再者，蔣友寶等人在《基于彎矩和軸力隨機相關特性的rc偏壓構件可靠度分析》、《鋼筋混凝土框架柱和輕鋼拱結構失效方程復雜特性與設計可靠度》、《柱失效方程中荷載相關特性對承載力抗震設計可靠度的影響》等文中的分析表明，由于水平作用（風、地震）的隨機不確定性，鋼筋混凝土柱截面偏心距亦會隨機變化，當考慮抗力隨隨機偏心距的變化效應后，按現行方法設計的鋼筋混凝土大偏壓柱承載力可靠度會出現較大幅度地波動變化。在某些情形下，鋼筋混凝土柱的可靠性被高估了許多，設計偏于不安全。而隨機偏心距下按小偏壓設計的鋼筋混凝土柱的可靠度要明顯高于按大偏壓設計的情形（因鋼筋混凝土小偏壓柱的設計目標可靠度高），且可靠度的波動范圍較小，與設計目標可靠度相差不大。

鑒于此，有必要研發一種新型柱，既能實現在隨機偏心距下小偏壓柱的高承載可靠性，又能利用延性材料有效的耗散水平荷載輸入結構的能量，同時滿足構造簡單、施工方便、經濟合理、安全可靠以及受損后易于更換的要求。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，解決按現行方法設計的鋼筋混凝土柱在水平荷載作用下（風或地震）承載可靠度低于預期水平且破壞后修復困難的問題，提供一種在失效部位設置芯柱和可更換部件的鋼筋混凝土柱。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種在失效部位設置芯柱和可更換部件的鋼筋混凝土柱，包括鋼筋混凝土柱本體，其特征在于，還包括至少一段鋼筋混凝土芯柱，鋼筋混凝土芯柱兩端均與鋼筋混凝土柱本體固連，鋼筋混凝土芯柱的截面尺寸小于鋼筋混凝土柱本體的截面尺寸；

鋼筋混凝土柱還包括至少一個預埋鋼管組和至少一個可更換部件組，預埋鋼管組的個數、可更換部件組的個數均與鋼筋混凝土芯柱的段數相同，每一段鋼筋混凝土芯柱對應一個預埋鋼管組和一個可更換部件組，可更換部件組設于鋼筋混凝土芯柱外周；

每個預埋鋼管組包括上下兩根預埋鋼管，上預埋鋼管的上端和下預埋鋼管的下端均埋入鋼筋混凝土柱本體中，上預埋鋼管的下端伸出鋼筋混凝土柱本體外，下預埋鋼管的上端伸出鋼筋混凝土柱本體外，伸出鋼筋混凝土柱本體外的上預埋鋼管的下端與相應可更換部件組的上端可拆卸連接，伸出鋼筋混凝土柱本體外的下預埋鋼管的上端與相應可更換部件組的下端可拆卸連接，上預埋鋼管和下預埋鋼管均為中空鋼管，鋼筋混凝土芯柱的兩端分別置于上預埋鋼管的中空結構內和下預埋鋼管的中空結構內。

預埋鋼管可為截面為方形的中空鋼管，也可為截面為圓形的中空鋼管，或截面為其它形狀的中空鋼管。預埋鋼管的截面形狀宜與鋼筋混凝土柱本體的截面形狀保持一致。

進一步，每個可更換部件組包括至少兩對可更換部件。可更換部件的對數可根據上下預埋鋼管的形狀進行實際選擇。預埋鋼管的截面形狀為方形時，每個可更換部件組包括四對可更換部件。預埋鋼管的截面形狀為圓形時，每個可更換部件組可包括兩對可更換部件，或者三對以上可更換部件。預埋鋼管的截面形狀為其它形狀時，每個可更換部件組包含的可更換部件的對數可根據實際需要進行選擇。

進一步，每對可更換部件包括內側可更換部件和外側可更換部件。內側可更換部件和外側可更換部件均為護板。護板選用鋼板。所述鋼板可由q235鋼材、q345鋼材、q390鋼材、q420鋼材或ly100鋼材、ly160鋼材、ly225鋼材中的一種制成。上下預埋鋼管可選用q235鋼材、q345鋼材、q390鋼材、q420鋼材中的一種制成。并且上下預埋鋼管所選用材料的屈服強度不得低于護板所選用材料的屈服強度。

所述護板可為平面護板、弧形護板等。護板的形狀可根據上下預埋鋼管的形狀進行實際選擇。預埋鋼管的截面形狀為方形時，用作內側可更換部件和外側可更換部件的護板可為平面護板。預埋鋼管的截面形狀為圓形時，用作內側可更換部件和外側可更換部件的護板可為弧形護板。預埋鋼管的截面形狀為其它形狀時，用作內側可更換部件和外側可更換部件的護板形狀亦可根據實際需要進行選擇。

伸出鋼筋混凝土柱本體外的上預埋鋼管的下端和伸出鋼筋混凝土柱本體外的下預埋鋼管的上端均設于內側可更換部件和外側可更換部件之間；

內側可更換部件的上端和外側可更換部件的上端均與上預埋鋼管的下端可拆卸連接，內側可更換部件的下端和外側可更換部件的下端均與下預埋鋼管的上端可拆卸連接。內側可更換部件和外側可更換部件的同時存在，有利于避免因可更換部件單面傳力，而使可更換部件在連接處承受彎矩而局部彎曲。

內側可更換部件的上端和外側可更換部件的上端通過高強螺栓與上預埋鋼管的下端進行可拆卸連接，內側可更換部件的下端和外側可更換部件的下端亦通過高強螺栓與下預埋鋼管的上端進行可拆卸連接。

進一步，鋼筋混凝土柱還包括縱向鋼筋和綁扎在縱向鋼筋上的箍筋。

進一步，縱向鋼筋包括設于鋼筋混凝土芯柱內的至少四根縱向鋼筋和設于鋼筋混凝土柱本體內的至少四根縱向鋼筋。設于鋼筋混凝土芯柱內的縱向鋼筋上綁扎有箍筋。設于鋼筋混凝土柱本體內的縱向鋼筋上亦綁扎有箍筋。設于鋼筋混凝土芯柱內的縱向鋼筋的端部伸入鋼筋混凝土柱本體內，以利于進行錨固。

縱向鋼筋和箍筋可采用hpb300、hrb335、hrb400、rrb400或hrb500中的一種鋼筋。

進一步，埋入鋼筋混凝土柱本體中的上預埋鋼管的上端內壁和埋入鋼筋混凝土柱本體中的下預埋鋼管的下端內壁均設有抗剪栓釘，以增強其錨固性。

鋼筋混凝土芯柱和可更換部件組設置在鋼筋混凝土柱的可能失效部位。本發明通過分離的鋼筋混凝土芯柱和可更換部件組，改進鋼筋混凝土柱可能失效部位的力學性能和可修復性能等，其中柱的可能失效部位應根據每根柱子具體的受力情況來確定合適位置。

本發明在失效部位設置芯柱和可更換部件的鋼筋混凝土柱，在豎向和水平荷載聯合作用下，鋼筋混凝土芯柱承擔主要軸向壓力和部分彎矩，可更換部件承擔主要彎矩和部分軸向力。在低于設計值的水平荷載作用下（如正常使用時），鋼筋混凝土柱為彈性受力狀態；在相當于設計值的水平荷載作用下，鋼筋混凝土柱的可更換部件會出現一定的塑性變形，芯柱仍保持彈性受力狀態；在大幅超出設計值的水平荷載作用下，鋼筋混凝土柱的可更換部件會出現嚴重的塑性變形，結構損傷亦主要集中在具有較強耗能性能的可更換部件上，芯柱可能只出現少量損傷，有效避免柱的整體失效。當可更換部件損壞時，只需旋松可更換部件上下兩端的高強螺栓，對可更換部件進行更換即可。

本發明具有以下有益效果：

在鋼筋混凝土柱的柱腳或柱頂等可能的失效部位設置具有較強耗能能力的可更換部件組，能顯著提高失效部位塑性鉸的耗能能力，延緩塑性鉸剛度退化速率；將塑性變形集中于可更換部件組上，結構其他部分仍然保持彈性，有利于減少受損后的修復工作。

伸出鋼筋混凝土柱本體外的上預埋鋼管的下端與相應可更換部件組的上端可拆卸連接（如通過高強螺栓進行可拆卸連接），伸出鋼筋混凝土柱本體外的下預埋鋼管的上端與相應可更換部件組的下端可拆卸連接（如通過高強螺栓進行可拆卸連接），既方便組裝，又有利于受損后能快速將可更換部件拆卸并進行更換。

失效部位的鋼筋混凝土芯柱為小偏壓受力狀態，使得本發明之鋼筋混凝土柱實為小偏壓鋼筋混凝土柱。由于小偏壓鋼筋混凝土柱在水平荷載作用（隨機偏心距）下的承載可靠度高，因而本發明之鋼筋混凝土柱的可靠度高于按大偏壓受力狀態設計的情形，以利于達到高承載可靠性的目的，提升結構在設計水平荷載下的可靠性。

通過設置預埋鋼管并在其內壁設置抗剪栓釘解決了連接處剛度突變和抗剪的問題，使得可更換構件對于結構性能的影響在可控范圍之內。

附圖說明

圖1為本發明之在失效部位設置芯柱和可更換部件的鋼筋混凝土柱的剖面示意圖。

圖2為構件截面形式為方形時內外側可更換部件結構示意圖。

圖3為構件截面形式為圓形時內外側可更換部件結構示意圖。

圖4為構件截面形式為方形時上下預埋鋼管與內外側可更換部件組裝結構示意圖。

圖5為構件截面形式為圓形時上下預埋鋼管與內外側可更換部件組裝結構示意圖。

圖6為構件截面形式為方形時上預埋鋼管結構示意圖。

圖7為構件截面形式為圓形時上預埋鋼管結構示意圖。

圖8為構件截面形式為方形時鋼筋混凝土柱本體和芯柱連接結構示意圖。

圖9為構件截面形式為圓形時鋼筋混凝土柱本體和芯柱連接結構示意圖。

圖10為構件截面形式為方形時預埋鋼管組與可更換部件組在鋼筋混凝土柱內的連接示意圖。

圖11為構件截面形式為圓形時預埋鋼管組與可更換部件組在鋼筋混凝土柱內的連接示意圖。

圖中：1為上預埋鋼管，2為下預埋鋼管，3為外側可更換部件，4為內側可更換部件，5為鋼筋混凝土柱本體，6為鋼筋混凝土芯柱，7為焊接在預埋鋼管內壁的抗剪栓釘，8為鋼筋混凝土柱本體內配置的縱向鋼筋，9為綁扎在鋼筋混凝土柱本體內縱向鋼筋上的箍筋，10為鋼筋混凝土芯柱內配置的縱向鋼筋，11為綁扎在鋼筋混凝土芯柱內縱向鋼筋上的箍筋，12為高強螺栓。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。

實施例1:

參照圖1、圖2、圖4、圖6、圖8、圖10，一種在失效部位設置芯柱和可更換部件的鋼筋混凝土柱，包括鋼筋混凝土柱本體5，還包括至少一段鋼筋混凝土芯柱6，鋼筋混凝土芯柱6兩端均與鋼筋混凝土柱本體5固連，鋼筋混凝土芯柱6的截面尺寸小于鋼筋混凝土柱本體5的截面尺寸；

鋼筋混凝土柱還包括至少一個預埋鋼管組和至少一個可更換部件組，預埋鋼管組的個數、可更換部件組的個數均與鋼筋混凝土芯柱的段數相同，每一段鋼筋混凝土芯柱對應一個預埋鋼管組和一個可更換部件組，可更換部件組設于鋼筋混凝土芯柱6外周；

每個預埋鋼管組包括上下兩根預埋鋼管1、2，上預埋鋼管1的上端和下預埋鋼管2的下端均埋入鋼筋混凝土柱本體5中，上預埋鋼管1的下端伸出鋼筋混凝土柱本體5外，下預埋鋼管2的上端伸出鋼筋混凝土柱本體5外，伸出鋼筋混凝土柱本體5外的上預埋鋼管1的下端與相應可更換部件組的上端可拆卸連接，伸出鋼筋混凝土柱本體5外的下預埋鋼管2的上端與相應可更換部件組的下端可拆卸連接，上預埋鋼管1和下預埋鋼管2均為中空鋼管，鋼筋混凝土芯柱6的兩端分別置于上預埋鋼管1的中空結構內和下預埋鋼管2的中空結構內。

本實施例中，預埋鋼管為方形截面的中空鋼管。預埋鋼管也可為截面為其它形狀的中空鋼管。預埋鋼管的截面形狀宜與鋼筋混凝土柱本體的截面形狀保持一致。

每個可更換部件組包括至少兩對可更換部件。可更換部件的對數可根據上下預埋鋼管1、2的形狀進行實際選擇。本實施例中，預埋鋼管的截面形狀為方形，每個可更換部件組包括四對可更換部件。預埋鋼管的截面形狀為其它形狀時，每個可更換部件組包含的可更換部件的對數可根據實際需要進行選擇。

每對可更換部件包括內側可更換部件4和外側可更換部件3。內側可更換部件4和外側可更換部件3均為護板。護板選用鋼板。所述鋼板可由q235鋼材、q345鋼材、q390鋼材、q420鋼材或ly100鋼材、ly160鋼材、ly225鋼材中的一種制成。上下預埋鋼管選用q235鋼材、q345鋼材、q390鋼材、q420鋼材中的一種制成，并且上下預埋鋼管所選用材料的屈服強度不得低于護板所選用材料的屈服強度。本實施例中，所述護板為平面護板。護板的形狀可根據上下預埋鋼管1、2的形狀進行實際選擇。預埋鋼管的截面形狀為方形時，用作內側可更換部件4和外側可更換部件3的護板為平面護板（參見圖2）。預埋鋼管的截面形狀為其它形狀時，用作內側可更換部件4和外側可更換部件3的護板形狀可根據實際需要進行選擇。

伸出鋼筋混凝土柱本體5外的上預埋鋼管1的下端和伸出鋼筋混凝土柱本體5外的下預埋鋼管2的上端均設于內側可更換部件4和外側可更換部件3之間；

內側可更換部件4的上端和外側可更換部件3的上端均與上預埋鋼管1的下端可拆卸連接，內側可更換部件4的下端和外側可更換部件3的下端均與下預埋鋼管2的上端可拆卸連接。內側可更換部件4和外側可更換部件3的同時存在，有利于避免因可更換部件單面傳力，而使可更換部件在連接處承受彎矩而局部彎曲。

內側可更換部件4的上端和外側可更換部件3的上端通過高強螺栓與上預埋鋼管1的下端進行可拆卸連接，內側可更換部件4的下端和外側可更換部件3的下端亦通過高強螺栓與下預埋鋼管2的上端進行可拆卸連接。

鋼筋混凝土柱還包括縱向鋼筋和綁扎在縱向鋼筋上的箍筋。

縱向鋼筋包括設于鋼筋混凝土芯柱6內的至少四根縱向鋼筋10和設于鋼筋混凝土柱本體5內的至少四根縱向鋼筋8。設于鋼筋混凝土芯柱6內的縱向鋼筋10上綁扎有箍筋11。設于鋼筋混凝土柱本體5內的縱向鋼筋8上亦綁扎有箍筋9。設于鋼筋混凝土芯柱6內的縱向鋼筋10的端部伸入鋼筋混凝土柱本體5內，以利于進行錨固。

縱向鋼筋和箍筋采用hpb300、hrb335、hrb400、rrb400或hrb500中的一種鋼筋。

埋入鋼筋混凝土柱本體5中的上預埋鋼管1的上端內壁和埋入鋼筋混凝土柱本體5中的下預埋鋼管1的下端內壁均設有抗剪栓釘7，以增強其錨固性。

內側可更換部件4和外側可更換部件3的截面尺寸，其鋼板的高度、厚度，連接處設置高強螺栓的個數以及上下預埋鋼管與鋼筋混凝土芯柱6的截面屬性均須根據實際受力情況確定。

在失效部位采用鋼筋混凝土芯柱6和高強螺栓連接的內側可更換部件4和外側可更換部件3組合而成的整體截面剛度和承載力與原鋼筋混凝土柱部分5一致，以滿足結構正常使用和承載能力極限狀態的要求。

鋼筋混凝土芯柱6和可更換部件組設置在鋼筋混凝土柱的可能失效部位。本發明通過分離的鋼筋混凝土芯柱6和可更換部件組，改進鋼筋混凝土柱可能失效部位的力學性能和可修復性能等，其中柱的可能失效部位應根據每根柱子具體的受力情況來確定合適位置。

本發明在失效部位設置芯柱6和可更換部件的鋼筋混凝土柱，在豎向和水平荷載聯合作用下，鋼筋混凝土芯柱6承擔主要軸向壓力和部分彎矩，可更換部件承擔主要彎矩和部分軸向力。在低于設計值的水平荷載作用下（如正常使用時），鋼筋混凝土柱為彈性受力狀態；在相當于設計值的水平荷載作用下，鋼筋混凝土柱的可更換部件會出現一定的塑性變形，芯柱6仍保持彈性受力狀態；在大幅超出設計值的水平荷載作用下，鋼筋混凝土柱的可更換部件會出現嚴重的塑性變形，結構損傷亦主要集中在具有較強耗能性能的可更換部件上，芯柱6可能只出現少量損傷，有效避免柱的整體失效。在強風或強震等作用下，當可更換部件損壞時，只需旋松更換部件上下兩端的高強螺栓12，對可更換部件進行更換即可。可更換構件的結構簡單，材料廉價，滿足結構更換的經濟適用性。

護板選用鋼板，力學性能更優，能顯著提高失效部位塑性鉸的耗能能力，延緩塑性鉸剛度退化速率，將塑性變形集中于可更換部件，便于對受損的部位進行快速修復或更換。

實施例2：

參照圖3、圖5、圖7、圖9和圖11，本實施例中，預埋鋼管為圓形截面的中空鋼管。

預埋鋼管的截面形狀為圓形，每個可更換部件組可包括兩對可更換部件，或者三對以上可更換部件。本實施例中，可更換部件組的數量為三對(參見圖3)。所述護板為弧形護板，即用作內側可更換部件4和外側可更換部件3的護板為弧形護板。

雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是熟悉本技術領域的技術人員應當理解，我們所描述的具體的實施例只是示意性的，并不是限制性的，熟悉本領域的技術人員在依照本發明的精神下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，所作的等效的修飾以及變化，均屬于本發明的保護范圍之內。