CN100469984C - 低成本耗能减震方法、相应装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
低成本耗能减震方法、相应装置及其使用方法，属建筑抗震技术领域。以X型钢筋混凝土杆件作为支撑构件、钢板夹持橡胶片作为摩擦型耗能器，将钢筋混凝土杆件的四个端点联接到建筑物框架的梁柱节点上，在摩擦型耗能器中，向夹持橡胶片的钢板预先施加一定大小的紧固力，以该紧固力使橡胶片与钢板间产生的静摩擦力作为摩擦型耗能器开始将外界输入建筑物的动能通过摩擦进行吸收和消耗的启动力。通过调节紧固力的大小来调节摩擦型耗能器的启动力。优点是低造价、高性能、易生产、便施工。在提高结构物抗震性能的同时，不仅不会使其造价增加，反而会有所降低。与传统结构体系相比，混凝土方量和钢筋用量明显降低，这一部分节约的造价已大大超过实施本发明的造价。
Description
技术领域
本发明属建筑的抗震技术领域。
背景技术
众所周知，在高烈度地震区，房屋高度达到一定程度后，多层建筑中常用的框架结构形式已难以满足抗震的各项要求。传统的解诀方法是采用框架-剪力墙、剪力墙、框架-筒体等结构形式，其共同特点是利用钢筋混凝土抗震墙作为主要的抗侧力构件，以满足结构物在地震作用下的强度和刚度要求。多年来，这种解决方法已在工程实践中得到了普遍的认同和采用，也经历了从小震到强烈地震的考验，已被证实是能够满足“小震不坏、中震可修，大震不倒”要求的。但是，随着社会经济发展水平的不断提高，地震灾害所造成的损失的特点也发生了很大的变化，一方面是人员伤亡越来越少，另一方面则是直接和间接的经济损失越来越大。这样就使人们认识到，应该利用不断发展的各种技术手段来提高结构物的抗震性能，以尽量减少地震灾害对社会经济发展的影响。各种结构抗震技术措施应运而生，其中较为典型的主动控制技术和被动控制技术得到了较快的发展。在我国现有的经济条件下，采用主动控制技术的最大障碍是结构物的造价大大地提高了。而被动控制技术中，比较成熟的则是在建筑物的框架中以钢构件作为支撑、以粘滞阻尼器作为耗能元件的消能技术，以及以橡胶隔震垫来延长结构周期、减少地震能量输入的基底隔震技术。在这两项技术的应用推广过程中，首要的困难仍是造价。现有的理论分析和实验研究表明，采用这两种技术可提高结构抗震性能，但在我国的工程实践中，所暴露出来的问题则是与采用传统的抗震体系相比，这两种技术在造价方面没有优势。显而易见，在商品经济条件下，一项新技术能否得到推广应用，除了其自身的技术先进性外，还应充分考虑经济的因素。否则，许多业主可能会倾向于选择传统的结构体系。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种低成本的耗能减震方法，以及为实施该方法而专门设计的耗能支撑装置及装置的使用方法。
本发明方法是：
1、以X型钢筋混凝土杆件作为支撑构件、钢板夹持橡胶片作为摩擦型耗能器，
2、将钢筋混凝土杆件的四个端点联接到建筑物框架的梁柱节点上，
3、在摩擦型耗能器中，向夹持橡胶片的钢板预先施加一定大小的紧固力，以该紧固力使橡胶片与钢板间产生的静摩擦力作为摩擦型耗能器开始将外界输入建筑物的动能通过摩擦进行吸收和消耗的启动力。
模型计算结果和实物试验结果均表明，调节紧固力的大小可以有效地控制摩擦型耗能器的启动与锁定。设定好摩擦型耗能器的紧固力后，在地震时，摩擦型耗能器将会按设计要求进行耗能，其耗能性能是可靠的。因此本发明方法可以通过调节紧固力的大小来调节摩擦型耗能器的启动力。
在大型结构试验室，进行了1/3比例的框架模型试验。框架模型按本发明方法由带摩擦型耗能器的钢筋混凝土杆件来支撑。试验研究及分析结果表明：(1)、摩擦耗能支撑框架与普通框架结构相比，不但具有较高的初始刚度和承载能力，同时具有较好的延性和和极强的耗能能力。(2)摩擦耗能支撑框架的滞回曲线饱满，滞同环呈“纺锤形”，能耗散大量的能量。(3)滑动荷载和变形可根据需要设计和调节，有较大的适应性。(4)滑移前，摩擦耗能支撑和普通交叉支撑一样能增加结构刚度，减小结构变形：产生滑移后，结构变柔，减小地震反应。(5)整个摩擦耗能支撑框架的能量耗散主要依靠摩擦型耗能器的摩擦耗能。
以洱源振戎民族中学的教学楼为实例设立计算模型，其计算结果表明，钢筋混凝土杆件可以沿建筑物框架的对角方向布置，见图1。在设有门窗的地方，钢筋混凝土杆件也可以沿建筑物框架的非对角方向布置，见图2。
以位于丽江县城中心的物资大楼为实例设立计算模型，其时程分析结果表明，在端侧的框架上使用摩擦耗能支撑，其抗震效果优于在中间部位的框架上使用。
考虑到斜向设置的支撑杆件对框架节点可能造成不利的影响，因此采用分离式模型有限元模型分析摩擦耗能支撑框架节点的力学性能和构造形式。分别取框架中不同节点形式按照实际尺寸建立了有限元实体模型。节点有限元模型的边界条件利用结构整体分析得到的框架极限荷载和节点位移和转角值。对混凝土单元采用非线弹性的正交异性Darwin-Peknold模型和五参数Willam-Warnke破坏准则，钢筋单元采用弹性强化模型，屈服后的应力-应变关系简化为平缓的斜直线。从计算结果来看，节点区域增加了支撑后，对其受力有正反两方面的影响，有利的影响是支撑在节点位置起到了梁腋的作用。这使得一方面增加了节点的有效抗剪体积，另一方面使梁柱的出铰位置向远离节点的方向移动，这样就避免了裂缝向节点内开展，减少了钢筋的粘结恶化。增加支撑后对节点受力的不利影响是导致节点区域应力分布复杂。从节点的开裂位置和开裂荷载普遍较小说明节点应力集中现象明显。支撑的不利影响在中节点上体现尤为突出，从中节点破坏时的裂缝分布图中可以看到裂缝大量集中在支撑与节点相交的位置而且有向节点内发展的趋势。因此，在设计中应该对中节点的配筋作仔细的设计。最好在支撑位置、即钢筋混凝土杆件的四个端点与建筑物框架的梁柱节点的联结位置，沿裂隙可能的开展方向布置斜向钢筋以避免裂隙的过早出现。总的来看，随着荷载增加，各种类型的节点都由于在梁端首先出现塑性铰而破坏。说明在一定的配筋构造条下，能够保证强节点弱构件的概念设计要求。
试验研究结果还表明，摩擦型耗能器中的橡胶片最好用以下成分的橡胶组合物制成，所说橡胶组合物的重量份配比为：
天然胶 15～25 丁腈胶 65～85 硫磺 0.9～1.5
促进剂D 0.2～0.5 硫化剂DM 1.2～1.6 氧化锌 3.8～4.2
硬脂酯 1.4～1.6 高耐磨碳黑 30～50 二丁酯 5～8
酚醛树脂 3～6 防老剂4010NA 1.1～1.3 防老剂D 1.1～1.3
为实施本发明方法而专门设计的耗能支撑装置包括X型钢筋混凝土杆件和一个或一个以上的摩擦型耗能器单元，其中：
钢筋混凝土杆件的中部具有一上平台和一下平台，上、下平台间留有空间；
耗能器单元设有两块或两块以上的钢板、夹持于所说钢板间的橡胶片以及能对钢板竖向施压且其压力可调的紧固力施加机构；
耗能器单元位于钢筋混凝土杆件上、下平台之间，且每个耗能器单元中至少有一块钢板与所说平台紧固联接。
耗能器单元可以具有两块钢板，一块橡胶片夹持于两块钢板之间；也可以具有三块钢板，两块橡胶片间隔夹持于三块钢板之间；也可以具有四块钢板，三块橡胶片间隔夹持于四块钢板之间；依此类推。但耗能器单元最好是具有三块钢板，两块橡胶片间隔夹持于三块钢板之间。
耗能器单元的紧固力施加机构可以是竖向穿越全部钢板和橡胶片、或是竖向穿越上下两块钢板、并且能够拧紧的螺栓；也可以是竖向穿越钢筋混凝土杆件的上平台或下平台，且其一端能抵压相邻钢板的螺栓；当然还可以是其他公知结构的加压机构。若采用所说螺栓，进一步的试验研究还表明，耗能器单元的启动力与螺栓的预紧力成线性关系，因此相应装置的使用方法之是采用调整拧紧螺栓时扭矩的方法来获得所需的启动力。
可以在钢筋混凝土杆件的上平台和/或下平台内预埋钢板，将耗能器单元中相应的钢板与所说的预埋钢板直接焊接紧固，或先将耗能器单元中的钢板与连接钢件的一端紧固联接，然后再将连接钢件的另一端与所说的预埋钢板焊接紧固。
使用时，将钢筋混凝土杆件的四个端点联接到建筑物框架的梁柱节点上。本装置既可以用于新建建筑，也可以用于已有建筑。
工作原理：各耗能器单元的紧固力使橡胶片与钢板间产生的静摩擦力之和就是本装置的启动力。在风载荷或小震作用下，各耗能器单元所共同承担的剪力低于这个启动力，钢板与橡胶片之间没有相对滑动，此时装置对建筑结构水平刚度的贡献类似于普通的刚性支撑。在大震作用下，各耗能器单元中的钢板与橡胶片之间出现相对滑动，一方面将地震输入的动能由摩擦进行耗散，另一方面还降低了结构的水平刚度，达到减小地震反应的目的，从而让主体结构免于在大震中被破坏或产生大的变形。
耗能支撑装置一种优化的结构是：耗能器单元的紧固力施加机构为竖向穿越全部钢板和橡胶片并且能够拧紧的螺栓，在钢筋混凝土杆件的上平台和/或下平台内预埋钢板，耗能器单元中的钢板与一连接钢件的一端紧固联接，该连接钢件的另一端与所说的预埋钢板焊接紧固。通过拧紧螺栓来给耗能器单元的钢板和橡胶片施加竖向紧固力，该过程可以在工厂完成，耗能器单元出厂前，对其额定的启动力进行标定或检测。这样不仅使耗能器单元中钢板和橡胶片间紧固力的精确控制成为可能，同时也极大地降低了现场安装的精度要求，使现场工作简便易行，并有利于该装置的标准化和产业化。
本发明的有益效果：低造价、高性能、易生产、便施工。在提高结构物抗震性能的同时，不仅不会使其造价增加，反而会有所降低。直接的效益是：将传统结构体系中的整片钢筋混凝土抗震墙用斜支撑杆件代替，混凝土方量和钢筋用量明显地降低了，这一部分节约的造价已大大超过实施本发明的造价。间接的效益是，由于结构的受力特点和性能得到了改善，与传统结构体系相比，梁、柱的截面尺寸和配筋量也有所降低。建筑层数越多，抗震设计的设防烈度越高，节约的土建造价比例也越高。
附图说明
图1为沿建筑物框架对角方向布置钢筋混凝土杆件时的示意图。
图2为沿建筑物框架非对角方向布置钢筋混凝土杆件时的示意图。
图3为实施例1的剖面结构示意图。
图4为实施例2的剖面结构示意图。
图5为实施例3中耗能器单元的立体结构示意图。
具体实施方式
实施例1：见图3。X型钢筋混凝土杆件1的中部具有一上平台2和一下平台3，二者之间留有空间。共装有两个耗能器单元，每个耗能器单元设有三块钢板4、以及间隔夹持于所说钢板4中的两块橡胶片5。每个耗能器单元的紧固力施加机构是竖向穿越钢筋混凝土杆件1的上平台2、且其一端能抵压最上面一块钢板4的两个螺栓6。在钢筋混凝土杆件下平台3内预埋钢板7，将每个耗能器单元中最下面一块钢板4与所说的预埋钢板4直接焊接紧固。图中8为埋设于上平台2的预埋钢板，螺栓6也穿越预埋钢板8。本实施例需现场安装时，通过拧紧螺栓6来给耗能器单元的钢板和橡胶片施加竖向紧固力。
实施例2：见图4。装有一个耗能器单元，该耗能器单元设有三块钢板9、以及夹持于所说钢板9间的两块橡胶片10。耗能器单元的紧固力施加机构是竖向穿越全部钢板9和橡胶片10并且能够拧紧的三个螺栓11。在钢筋混凝土杆件1的下平台3内预埋钢板12，将耗能器单元中部的一块钢板9之延长部分用大螺栓12与预埋钢板12紧固联结。图中13为埋设于上平台2的预埋钢板，两块连接钢件14的一端与耗能器单元的钢板9紧固联接、另一端与预埋钢板13焊接紧固。本实施例通过拧紧螺栓11来给耗能器单元的钢板和橡胶片施加竖向紧固力，该过程可以在工厂完成，耗能器单元出厂前，对其额定的启动力进行标定或检测。这样不仅使耗能器单元中钢板和橡胶片间紧固力的精确控制成为可能，同时也极大地降低了现场安装的精度要求，使现场工作简便易行，并有利于该装置的标准化和产业化。
实施例3：见图5。耗能器单元具有上下两块钢板15和中间一块钢板19，以及分别夹持于所说钢板三块间的两块橡胶片16。耗能器单元的紧固力施加机构是竖向穿越上下两块钢板15并且能够拧紧的四个螺栓17。中间一块钢板19的延长部分设有两个凹口，耗能器单元主体的两侧也设有两个凹口，并相应地配有能嵌入上述四个凹口内的四块紧固用钢板18，每块钢板18的一端带有坡面。安装耗能器单元时，将紧固用钢板18嵌入相应的凹口内，两块钢板18的坡面朝上，两块钢板18的坡面朝下，并分别将坡面的顶部与钢筋混凝土杆件上、下平台内的预埋钢板焊接牢固。图中虚线表示的零件为嵌入相应凹口内之前的紧固用钢板18，箭头表示嵌入时的用力方向。
以上实施例仅为了对本发明作进一步说明，而本发明的范围不受所举实施例的局限。
Claims (1)
1、一种耗能支撑装置，包括X型钢筋混凝土杆件和一个或一个以上的摩擦型耗能器单元，其中：
钢筋混凝土杆件的中部具有一上平台和一下平台，上、下平台间留有空间；
耗能器单元设有三块钢板、间隔夹持于所说钢板间的两块橡胶片，以及能对钢板竖向施压且其压力可调的紧固力施加机构；
耗能器单元位于钢筋混凝土杆件上、下平台之间，且每个耗能器单元中至少有一块钢板与所说平台紧固联接；
其特征是：耗能器单元的紧固力施加机构是竖向穿越上下两块钢板并且能够拧紧的四个螺栓，中间一块钢板的延长部分设有两个凹口，耗能器单元主体的两侧也设有两个凹口，并相应地配有能嵌入上述四个凹口内的四块紧固用钢板，每块紧固用钢板的一端带有坡面，紧固用钢板嵌入相应的凹口内，两块紧固用钢板的坡面朝上、两块的坡面朝下，并分别将坡面的顶部与钢筋混凝土杆件上、下平台内的预埋钢板焊接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090318 Termination date: 20120703 |