填充墙与框架柱的保险丝结构研制

填充墙与框架柱的保险丝结构研制

王嘉鑫屈洋广李忠腾邱一心

长安大学建工学院陕西西安710016

摘要：改革开放以来，随着社会经济的变革与不断转型，我国人民生活水平得到了质的提升，在很大程度上促进了建筑行业的繁荣发展。从原始的砖木结构房屋到如冷弯薄壁型轻钢等新型节能环保建筑材料，人民居住条件与环境在不断改善与创新，然而，以地震为例自然灾害却成为我们发展路上的绊脚石。地震强波带来的巨大能量对人类文明造成了巨大的破坏，生命凋零、经济损失、社会动荡，这样的冲击极易对社会、经济发展产生巨大阻力，因此房屋抗震技术长期以来都是建筑业研究关注的重点问题，而本文提出的“保险丝”新型抗震构件，打破了传统填充墙框架结构间的连接方式，结合已有技术优点，提出了一种“半柔半刚”性结构，对建筑物抗震性能的提高有巨大的帮助。本文主要介绍该新型构件的基本情况、创新性特点及在实际情况中具体应用的效果及意义。

关键词：建筑工程；创新构件；抗震；半刚半柔性连接；应用分析

1引言

随着经济、文化的不断发展进步，我们对建筑业的要求不断提高，尤其是如何使建筑物在地震后仍能保持完整的结构形态，不倒塌、不破坏。为了使这样的目标得到实现，我们不仅要在建筑结构、材料上进行优化与创新，在结构间的基本连接方式上也应做出有效的改变。因此，我们将传统的连接方式和新型的连接方式有机结合在一起，提出了一种半刚性半柔性的连接构件。该构件结合了现有技术的优点，并有效避免了其缺点性质的体现，使得填充墙框架结构能在复杂的地震作用下保持较高的稳定性，使得建筑物对地震带来的巨大影响有更强的承受力，减少了经济财产的损失。

2构件简介

如图，该构件由一根直的钢筋和一根弯曲钢筋构成。所述直钢筋1水平设置，两端分别与填充墙和框架柱内部钢筋连接，弯曲钢筋2两端以填充墙和框架柱间隙中心为分割线，对称连接在直钢筋1位于中心两侧部位，直钢筋1位于弯曲钢筋2两端之间的部分为断裂区3，断裂区钢筋3直径小于直钢筋其他部分直径。

构件尺寸：优选的断裂区直钢筋长度为30mm—50mm，弯曲钢筋长度为83mm—90mm；优选的直钢筋直径为8mm，弯曲钢筋直径为8mm，断裂区的直钢筋直径为6mm。

构件材料的选择：以小震不坏，大震不倒为原则。钢筋是“保险丝”构建的主要原材料，因此钢筋的性能是“保险丝”构件性能的主要决定因素。“保险丝”在小震中应具有一定的刚性特征，可以约束变形；在大震中应具有一定的柔性特征，减少约束作用带来的破坏。而钢筋的伸长率，弹性模量，钢筋最大拉应力这三个参数是最具有特征的力学性质，可以充分表现出材料变形的难易程度以及对力的承受能力，所以我们应据此选择钢筋种类。

据相关资料显示，HPB300钢筋伸长率大，弹性模量高，韧性好，且市面上应用普遍，即满足技术要求，又满足实践要求。所以均采用HPB300型钢筋。

构件间的连接：钢筋的主要连接方式有三种：绑扎连接；焊接连接；机械连接。绑扎连接适用于大型混凝土工程，且浪费钢筋，不适用于此小型构件连接；机械连接，操作简单，节约能源，工作不受时间地点限制，连接可靠，但成本较高，不适用于此型构件连接；焊接连接方法多，且质量可靠，一般不会存在强度、刚度等方面的缺陷，成本较低，宜优先选用，适用于“保险丝”构件的连接。

所以，弯曲钢筋与直钢筋采用焊接连接；直钢筋两端分别与填充墙和框架柱内部钢筋采用焊接连接；断裂区钢筋与直钢筋采用焊接连接。

图一：弯曲钢筋为S型，是实施案例一的结构示意图；图二：弯曲钢筋为弧形，是实施案例二的结构示意图；图三：弯曲钢筋为两段弧形，两段弧形以断裂区为轴线对称设置，是实施案例三的结构示意图。

3实际应用

如图4所示，所述框架柱4位于填充墙5的侧边，填充墙5与框架柱4间隙设置，间隙距离为30mm~50mm；“保险丝”结构位于此间隙中，并将此构件放置在理论破坏力最大的角点处。直钢筋1水平设置，两端分别与填充墙和框架柱内部钢筋连接。

如图4所示，本构件优选的弯曲钢筋2为S型。

如图4所示，当经历小型地震时，层间位移Δ/h≤1/2000，其中Δ为层间位移，h为层高，本实施例h取3000mm，当Δ=1.5mm时，“保险丝”发挥作用连接墙与柱，产生刚度效应，约束位移和变形，地震力稍大时，弯曲钢筋2随着直钢筋3的变形而逐渐拉开。

如图5所示，当经历中型地震时，Δ/h≤1/550，当Δ=5.45m时，断裂区直钢筋3因其受力较大断裂，而弯曲钢筋2逐渐拉直，保证了填充墙和框架的连接。此时S型钢筋像一根绳子一样金连接住墙柱，即所谓“半刚半柔”中的柔性。

如图6所示，在大型地震的破坏下，逐渐拉直的弯钢筋2发挥其良好的延伸性能，延续了直钢筋3的连接力，使得填充墙5和框架柱4即使在理论地震最大破坏力下仍保持连接状态，防止了墙柱分离，墙体甩脱，减小了房屋倒塌的可能性，减小了经济损失，保证了群众的人身安全。即所谓“半刚半柔”中的刚性。

4项目实施的目的及意义

在现代建筑工程中，填充墙框架结构十分常见。框架结构由梁，柱通过节点连接组成，它是建筑物的主体骨架，填充墙一般在主体骨架施工完成后，在进行施工，起到分割内部空间和围护作用。填充墙是非承重墙，但它与框架结构共同抵抗破坏力。近年来强震在世界各地频发，尤其是“5.12”汶川大地震中建筑物大量倒塌的实际震害表明：在地震作用下，墙柱间存在的复杂的相互作用力，是改善结构的抗震性能的主要切入点之一。

在小型地震作用下，地震力由填充墙和框架柱共同承担；在中型地震作用下，允许填充墙部分开裂；在大震作用下，墙体开裂严重并基本退出承担地震力的工作。此时主要由主体框架承担地震破环作用。

为了满足人们对安全意识日益增长的需求，增强建筑物在遭受如地震等自然灾害或人为灾害的抵抗破环的能力，实际生活中，我们通过设置伸缩缝来减小温度变化引起的建筑物变形所产生的不利影响；设置沉降缝来避免因不同位置竖向荷载差异较大引起建筑物竖向变形不一致所产生的不利影响；设置地震缝或耗能缝来提高结构的抗震能力，如果在此基础上将“保险丝”结构放入其中，则可以改变墙柱间的连接方式，分担并减缓地震的破坏力，使其在不同等级的地震作用下，灵活的发挥同等有效的作用。

项目实施的意义

（1）减缓震中房屋严重破坏，倒塌的情况。

（2）减少灾后经济损失，人员伤亡。

（3）项目研究成果在实际工程中便于使用，易于推广，具有一定的工程价值。

5项目拟解决的问题

为了提高建筑物的抗震能力，可通过改变墙柱间的连接方式来减小他们之间的相互作用力，从而改善结构的抗震性能。

广泛应用于实际工程中的连接方式主要有刚性连接和柔性连接。

刚性连接因技术成熟，成本较低而被广泛应用。在建筑工程中，刚性连接使填充墙和框架柱成为一个整体，发生地震时，二者并不产生相对位移和相对变形。这个过程可以形象的比喻为“硬碰硬”。因此对用于刚性连接的材料的要求较高。但任何材料都有承载极限，当大震来临时，墙柱间的强相互作用力超过连接构件的承载力极限时，连接构件发生塑性变形并断裂，使墙柱分离，造成严重的房屋倒塌事故。由此可知，刚性连接在一定程度上，虽能保持结构的完整性，约束结构部件间的相对变形，减少相对位移，增加结构刚度，但正是因为这种约束作用，改变了框架结构的受力方式，在破坏力更大的情况下，会产生更严重的破坏，最终导致房屋倒塌。

而柔性连接却可以有效避免这种因“约束”较大而产生破坏的情况。柔性连接通俗上讲就是使墙柱在受力时，允许二者发生相对位移和变形。正是因为这种我们所希望的变形，使建筑物经历地震时，可以起到一定的“缓冲”作用。但纯柔性连接却不能保证地震破坏力相对较小时，大型建筑物的稳定型，并且柔性连接技术目前发展并不是非常成熟，规范中也没有对柔性连接方式给出系统的规定，成本较高，不适合实际工程中大量生产使用。

综合上述情况，如果将刚性连接与柔性连接结合起来，综合二者的优点，使他们在不同破坏作用下，发挥有效的作用，改善结构的抗震性能；在破坏力较小的情况下，半刚半柔性连接将填充墙和框架柱紧密连接，约束位移、变形，发挥其“刚性作用”；在破坏力较大的情况下，减少墙柱间的相互影响，发挥其“柔性作用”，降低了建设成本，经济有效的避免了填充墙倒塌。

“保险丝”就是一种半刚性半柔性的连接构件，他可以使填充墙和框架柱体协同工作，并且在不同等级地震中保证房屋的安全性，防止或减轻灾害，保护墙体不至于过早开裂，并且可避免填充墙在地震时被甩脱失。

进行半刚性半柔性连接的研究，并合理设计，对提高现代建筑物的抗震性能具有重要的理论意义和工程价值。

6结束语

在漫长的历史长河中，社会制度经济不断的发展和变革，但房屋建筑业一直是所有行业的基石。回顾历史，古人用用其智慧不断的改善居住环境，建成一代又一代的“新型”建筑。富丽堂皇的故宫，气势磅礴的大明宫，碧瓦朱檐的阿房宫，雕栏玉砌的滕王阁，无不展现出古时中华民族的强大，经济的富饶；在看今朝，建筑行业不仅作为基本保障行业，且建筑业的发展，建筑群的外观及结构框架的科学性，也展现出了一个国家的综合实力。在不断追求建筑物更高更美的同时，提高建筑物的抗震性能，是我们今后的目标。而“保险丝”结构的出现，使我们向目标接近了一步，减少了震区建筑的破坏以及财产损失，加速了灾区重建工作，具有一定的经济效益；“保险丝”生产方便，成本合理，具有一定的工程实践意义。

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