CN105735721B - 一种高强大变形c状薄壳自复位结构 - Google Patents

一种高强大变形c状薄壳自复位结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种震后具有大变形自复位功能的工业化装配式多、高层层间隔震/基础隔震结构体系，属于防震减灾技术领域；包括高强高弹大变形C状薄壳自复位并联柱、预制可替换混凝土框架第一、第二防线支撑柱及耗能减震装置，高强高弹大变形C状薄壳自复位并联柱具有极大的竖向荷重比刚度和承载力，在大变形后可保持弹性状态，并具有自复位功能，此结构体系在大震作用下，隔震层的耗能减震装置以及被压坏的第一防线支撑柱可耗散大部分地震能量，大震结束时，由第二防线支撑柱承担竖向荷载，大震结束后，由液压千斤顶与C状薄壳自复位并联柱一起进行隔震层复位，同时替换掉已损坏的各个装置，实现“小震不坏，中震可修，大震亦可修”的设计理念。

Description

一种高强大变形C状薄壳自复位结构
技术领域
本发明属于建筑结构防震减灾技术领域，特别涉及一种高强高弹大变形C状薄壳自复位结构。
背景技术
现阶段，建筑结构应对地震危害的主要为“两阶段，三水准”设计方法，即保证结构“小震不坏，中震可修，大震不倒”，该设计理念是通过控制各层的最大位移和最大层间角等指标来实现，为此，需要较大的承载力和刚度，造成建设成本上升。在中震作用下，保证结构可维修，但维修成本往往巨大；在大震作用下，结构发生弹塑性破坏后直接废弃，不仅造成巨大的经济损失，而且生成了巨量的建筑垃圾。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高强高弹大变形C状薄壳自复位结构，是一种震后具有大变形自复位功能的工业化装配式多、高层层间隔震/基础隔震结构体系；利用高强高弹大变形的C状薄壳自复位并联柱具有极大的竖向刚度和承载力且侧向抗侧刚度比较小，具有较大的水平变形能力，在大变形后仍可保持为弹性状态，并有一定的自复位功能的特性，结合支撑柱与耗能装置，可实现结构“小震不坏，中震可修，大震亦可修”的设计理念。从而降低建筑建设成本和震后的维修成本，提高结构的抗震能力，同时具有安全性能高，环境污染小，工程造价低等诸多优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高强大变形C状薄壳自复位结构，包括若干隔震层6，所述隔震层6包括上、下楼盖和设置在上、下楼盖之间的：
若干预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1；
若干预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2；
若干C状薄壳自复位并联柱3；
以及
若干耗能减震装置4。
所述隔震层6的上下楼盖均由交错设置的X向及Y向主、次梁体组成，且上、下层主、次梁的位置上下一致。
所述预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1均匀布置于隔震层6的外主梁位置，所述预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2布置于主、次梁体的交汇处，所述C状薄壳自复位并联柱3和耗能减震装置4均布置在框内X、Y向梁体的水平交汇处，在X向和Y向，C状薄壳自复位并联柱3和耗能减震装置4均交替布置。
所述C状薄壳自复位并联柱3布置于主次梁体的交汇处，且与预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2交替布置；所述耗能减震装置4布置于主次梁上。
所述C状薄壳自复位并联柱3由多个C状薄壳31并联在一起组成，C状薄壳31采用高强优质碳素结构钢制成，每个C状薄壳31的两端均通过螺栓或者焊接于柱帽上的C形肋相连接，所述C状薄壳31是截面为C形的钢材，同一C状薄壳自复位并联柱3的各C状薄壳31的C形弧度方向一致。
所述C状薄壳31的弧度曲率半径R与钢材厚度t之比如果控制在一个范围内，这种薄壳结构在屈曲荷载作用下发生大变形折叠后，不发生材料屈服，而仅发生弹性变形；在屈服荷载卸载后，结构能恢复原状的变形性能。
所述预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1为预制钢筋混凝土柱，柱内钢筋与柱端钢板焊接，预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1与隔震层6的水平外框节点通过螺栓连接，所连节点处对应位置预埋螺杆。
所述预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2为预制钢筋混凝土柱，柱内钢筋与柱端钢板焊接，预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2下端与隔震层6的下框架节点通过螺栓连接，所连节点处对应位置预埋螺杆，上端与隔震层6的上框架保持一定距离。
所述耗能减震装置4为摩擦耗能器、钢弹塑性耗能器、铅挤压阻尼器、粘弹性阻尼器或粘滞阻尼器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)具有更高的稳定性和承载力，与同样截面大小的矩形柱相比，具有更高的稳定性。
(2)具有自恢复特性，在产生弯曲变形后，具有较强的恢复特性，在较小的回复力作用下就可以恢复原有结构形状，继续提供竖向的支撑作用，因此，在结构产生大变形后，易于结构的维修和构件替换。
(3)层间隔震层的设置可以改变结构震动性能，减小结构的地震反应。
(4)连接件可以工业化大批生产，给提供方便快捷的施工优点。
总体来讲，高强高弹大变形C状薄壳自复位并联柱与装置与传统的支撑柱相比，具有更高的承载力和稳定性，在结构产生大变形后能够方便的进行维修和结构构建替换，可以广泛的应用于框架结构和其他具有框架层的结构体系。因此，对本发明的高强高弹大变形C状薄壳自复位结构开展深入研究促进其推广应用极具工程实际意义。
附图说明
图1为本发明可运用于结构体系中的立面位置示意图。
图2为图1中A-A向剖视图。
图3为图2中B-B向剖视图。
图4为C状薄壳自复位并联柱结构示意图。
图5为本发明运用于结构体系中的自复位装震后修复工作置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，为本发明可运用于结构体系中的立面位置示意图。其中，加固隔震层、地下室均可布置为隔震层6，分别形成层间隔震或基础隔震层。
如图2和图3所示，本发明隔震层包括上下楼盖，在上下楼盖之间设置一定数量的高强高弹大变形的C状薄壳自复位并联柱3、预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1、预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2以及耗能减震装置4。
其中，上下楼盖均由交错设置的X向及Y向主、次梁体组成，且上、下层主、次梁的位置上下一致。预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1布置于隔震层外围主梁的四个顶角位置，预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2和C状薄壳自复位并联柱3布置于主、次梁体的交汇处，且交替布置。C状薄壳自复位并联柱3和耗能减震装置4均布置在X、Y向主、次梁体的水平交汇处，在X向和Y向，C状薄壳自复位并联柱3和耗能减震装置4均交替布置。耗能减震装置4同时还布置于主、次梁上。
如图4所示，C状薄壳自复位并联柱3由多个C状薄壳31并联在一起组成，C状薄壳31采用高强优质碳素结构钢制成，每个C状薄壳31的两端均通过螺栓或者焊接于柱帽上的C形肋相连接，所述C状薄壳31是截面为C形的钢材，同一C状薄壳自复位并联柱3的各C状薄壳31的C形弧度方向一致。
C状薄壳自复位并联柱3具有极大的竖向荷重比刚度和承载力，而其侧向抗侧刚度比较小，具有一定水平变形能力，且在竖向大变形后仍可保持为弹性状态，并具有一定的自复位性能。
预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1为预制钢筋混凝土柱，柱内钢筋与柱端钢板焊接，预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1与隔震层的水平外框节点通过螺栓连接，所连节点处对应位置预埋螺杆。
预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2为预制钢筋混凝土柱，柱内钢筋与柱端钢板焊接，预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2下端与隔震层的下框架节点通过螺栓连接，所连节点处对应位置预埋螺杆，上端与隔震层的上框架保持一定距离。
耗能减震装置4可以为摩擦耗能器、钢弹塑性耗能器、铅挤压阻尼器、粘弹性阻尼器或粘滞阻尼器等。
如图5，预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1由于耗能损坏可替换、C状薄壳自复位并联柱3在千斤顶5的作用下可恢复承载力、可替换混凝土框架第二防线支撑柱2作为大震后得支撑，如损伤严重，也可替换。耗能减震装置4在大震后如损伤严重，也可替换。
本发明的具体调节方法如下：
本发明提出的结构形式在小震与中震作用下，C状薄壳自复位并联柱3可提供水平回复力，预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1与C状薄壳自复位并联柱3一起承担竖向与水平荷载。在大震作用下，C状薄壳自复位并联柱3可发生大变形弹性位移，一方面隔震层作为结构薄弱层，可吸收大部分地震能量，保证其他各层结构不破坏；另一方面，预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱1被压坏可耗散一部分地震能量，耗能减震装置4亦可耗散大部分地震能量，大震结束时，结构由预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱2承担竖向荷载。C状薄壳31由于“卷尺效应”在达到临界荷载时会发生弹性屈曲，卸荷后，C状薄壳31可以恢复成原来的状态，并恢复原有承载能力。因此，大震结束后，由液压千斤顶5与C状薄壳自复位并联柱3一起进行隔震层复位，替换掉已损坏的预制可替换混凝土框架第一防线、第二防线支撑柱以及耗能减震装置4，结构恢复原状，达到“大震亦可修”的预期目标。所谓“卷尺效应”就是高强优质碳素结构钢，压塑成类似于钢卷尺的C形薄壳形状，若控制薄壳曲率半径R与厚度t之比在一定范围内(这个范围需要根据所选钢材通过试验测得)，这种薄壳结构在屈曲荷载作用下发生大变形折叠后，不发生材料屈服，而仅发生弹性变形；在屈服荷载卸载后，结构能恢复原状的变形性能。
可见，与现有技术相比，本发明形成的震后自复层间隔震/基础隔震结构体系是对传统的混凝土结构建筑结构的颠覆，可实现“小震不坏，中震可修，大震亦可修”的设计理念，同时具有安全性能高，环境污染小，工程造价低等诸多优点。

Claims (7)

1.一种高强高弹大变形C状薄壳自复位结构，包括若干隔震层(6)，所述隔震层(6)包括上、下楼盖和设置在上、下楼盖之间的：
若干预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱(1)；
若干预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱(2)；
若干高强高弹大变形C状薄壳自复位并联柱(3)；
以及
若干耗能减震装置(4)；
其特征在于，
所述C状薄壳自复位并联柱(3)由多个C状薄壳(31)并联在一起组成，C状薄壳(31)采用高强优质碳素结构钢制成，每个C状薄壳(31)的两端均通过螺栓或者焊接于柱帽上的C形肋相连接，所述C状薄壳(31)是截面为C形的钢材，同一C状薄壳自复位并联柱(3)的各C状薄壳(31)的C形弧度方向一致。
2.根据权利要求1所述高强高弹大变形C状薄壳自复位结构，其特征在于，所述隔震层(6)的上、下楼盖均由交错设置的X向及Y向主、次梁体组成，且上、下层主、次梁的位置上下一致。
3.根据权利要求2所述高强高弹大变形C状薄壳自复位结构，其特征在于，所述预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱(1)布置于隔震层(6)水平外框的四个顶角位置，所述预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱(2)布置于主、次梁体的交汇处，所述C状薄壳自复位并联柱(3)和耗能减震装置(4)均布置在框内主、次梁体的水平交汇处，在X向和Y向，C状薄壳自复位并联柱(3)和耗能减震装置(4)均交替布置。
4.根据权利要求3所述高强高弹大变形C状薄壳自复位结构，其特征在于，所述C状薄壳自复位并联柱(3)布置于主、次梁体的交汇处，且与预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱(2)交替布置；所述耗能减震装置(4)布置于主梁上。
5.根据权利要求1所述高强高弹大变形C状薄壳自复位结构，其特征在于，所述预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱(1)为预制钢筋混凝土柱，柱内钢筋与柱端钢板焊接，预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱(1)与隔震层(6)的水平外框节点通过螺栓连接，所连节点处对应位置预埋螺杆。
6.根据权利要求1所述高强高弹大变形C状薄壳自复位结构，其特征在于，所述预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱(2)为预制钢筋混凝土柱，柱内钢筋与柱端钢板焊接，预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱(2)下端与隔震层(6)的下楼盖节点位置处通过螺栓连接，所连节点处对应位置预埋螺杆，上端与隔震层(6)的上楼盖保持一定距离。
7.根据权利要求1所述高强高弹大变形C状薄壳自复位结构，其特征在于，所述耗能减震装置(4)为摩擦耗能器、钢弹塑性耗能器、铅挤压阻尼器、粘弹性阻尼器或粘滞阻尼器。
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