CN106285139A - 一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置及搭设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置及搭设方法，包括连接柱子的上梁和中梁，在上梁上设有梁端固定件，在柱子上设有柱底固定件，上梁上的梁端固定件和柱子上的柱底固定件上分别连接有钢拉索，各钢拉索通过若干个节点力转换器连接，各节点力转换器之间连接有线圈弹簧。本结构梁端固定件总长度l₀不小于上梁净跨长度Ln的1/5，梁端固定件的高度不小于上梁高的2/3，柱底固定件沿柱子纵向高度h不小于柱子净高H_n的1/4，宽度不小于柱子宽的2/3，该斜拉索搭设结构通过对称扭转预应力套筒向钢拉索施加预应力，应用粘滞阻尼器与线圈弹簧耗能大大缓解了地震对建筑结构造成的冲击和破坏，为一种增强整体刚度，并减小梁柱相对位移的较佳结构形式。

Description

一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置及搭设方法

技术领域

本发明属于古建筑木结构加固与修缮保护领域，具体涉及一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置，适合传统木结构古建筑抗震加固及修缮需求。

背景技术

木结构古建筑是我国古建筑的主要结构形式，由于建造年代久远，加上地震、自然风化以及虫害的影响，绝大多数都存在着不同程度的残损或者破坏，主要表现为木材开裂、槽朽、构件挠曲变形、节点拔榫等形式，使得木结构古建筑结构性能退化严重，潜伏极大的结构安全隐患，亟需修缮加固。当下木结构古建筑普遍采用的修缮加固方法主要为整体加固以及构件加固，其中整体加固方法分为落架大修、支顶拔正、修整加固等；构件加固则有墩接加固、嵌补加固、铁件加固、支顶加固、化学加固、FRP加固等形式。

相对于构件加固，经过整体加固修复后的建筑构架抗震性能提升明显，建筑空间整体性和刚度有较大的提高。在木构架变形小，构件位移不大的维修工程中，修整加固：即在不揭除瓦顶和不拆动构架的情况下，直接对木构架进行整体加固。就是一种合理且最优的加固方式。

而寻找用一种设计合理且工作稳定的修整加固方式，旨在提高柱架体系整体性，减小梁柱相对位移并在结构震动过程中提供抗力以耗散地震能量，成为目前本领域亟待解决的技术问题。粘滞性阻尼器的使用，可以在不增加结构刚度的情况下，吸收地震能，减小地震效应并且不影响结构自身动力参数，成为解决以上难题的一大切入点。通过粘滞性阻尼器与预应力钢索的协同作用，以上亟待解决难题在发明中得以解决。

发明内容

针对同类加固方法对于整体刚度提升不明显，且抗位移和抗变形能力提升不高的缺陷，本发明的目的在于，提供一种预应力斜拉索-阻尼器柱架加固结构(下文简称“预应力斜拉索体系”)及搭设方法，相比于同类加固方法，具有结构性能稳定，加固后整体刚度提升明显，梁柱节点咬合紧密等优点。该方法适用于穿斗式古建筑的梁柱维修加固，且可成为一种仿古建筑的抗震构造有效措施。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置，包括柱子，及连接柱子的上梁和中梁，在上梁上设有若干个梁端固定件，在柱子上设有柱底固定件，上梁上的若干个梁端固定件和柱子上的柱底固定件上分别连接有钢拉索，各钢拉索通过若干个节点力转换器连接，各节点力转换器之间连接有线圈弹簧。

进一步，上梁上设有三个梁端固定件，各梁端固定件通过螺钉与上梁连接。

进一步，所述梁端固定件和柱底固定件的上端为框型结构，下端为钢拉索连接板，钢拉索连接板上设有贯穿钢拉索的穿孔；各个梁端固定件通过角钢相互连接固定。

进一步，三个梁端固定件中两端的梁端固定件为框型结构，中间的梁端固定件和柱底固定件为垫板，钢绞线贯穿上梁和柱子与垫板连接。

进一步，连接上梁中部的梁端固定件的钢拉索上套有预应力套筒，连接上梁两端的梁端固定件的钢拉索上进一步套有粘滞性阻尼器。

进一步，所述节点力转换器为一个开有偏心孔的连接件，偏心孔的四周分布有连接线圈弹簧开孔、连接梁端固定件开孔和连接柱底固定件开孔，其中，连接梁端固定件开孔有两个，其间距大于其中一个梁端固定件开孔与连接线圈弹簧开孔之间的距离。

本发明进而给出了利用上述穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置进行预应力斜拉索的搭设方法，包括如下步骤：

步骤1、测量接合完好的柱子与上梁梁柱之间封闭框架的尺寸，并确定梁端固定件和柱底固定件的尺寸大小；

步骤2、将梁端固定件和柱底固定件分别安装在上梁和柱子上；

步骤3、梁端固定件安装结束后，在上梁各梁端固定件之间对称安装等边角钢；

步骤4、在已安装梁端固定件和柱底固定件的封闭框架内，分别将通过节点力转换器连接的钢拉索与梁端固定件和柱底固定件连接，构成斜拉索搭设结构；

步骤5、对称扭转预应力套筒向钢拉索施加预应力为35-40kN，通过类铰节点—节点力转换器的传导，使预应力布满斜拉索搭设结构；

步骤6、施加预应力后，对称安装粘滞性阻尼器，自此完成预应力斜拉索体系的搭设过程。

进一步，所述步骤2中，上梁设置三处梁端固定件的横向长度l₀不小于上梁净跨长度Ln的1/5，梁端固定件的高度不小于上梁梁高的2/3。

进一步，所述步骤2中，柱底固定件沿柱子纵向高度h不小于柱子净高H_n的1/4，宽度不小于柱子宽的2/3。

进一步，柱底固定件安装时，考虑到木框架徐变，和防止地震作用过程中柱底固定件对于中梁的影响，底部应距离中梁有一定距离X(30mm≤X≤50mm)

相对于现有技术，本发明的特点在于：

1.利用穿斗式建筑较密的立柱和穿组成的封闭空间布置本预应力斜拉索体系。

2.索结构是由一系列高强度钢索组成的一种张力结构，其结构受力合理，用料经济，通过预应力的施加，可提高钢索的受拉能力。同时其施工便捷，所需设施简单，易于操作。本装置利用其受力合理，传力简单的特点拟采用圆钢(或钢绞线)作为基本传力和施加预应力构件。

3.应用粘滞阻尼器与线圈弹簧耗能：粘滞性阻尼器是根据流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理而制成的，是一种与刚度、速度相关型阻尼器。在地震来临时，阻尼器最大限度吸收和消耗了地震对建筑结构的冲击能量，大大缓解了地震对建筑结构造成的冲击和破坏。线圈弹簧可通过自身拉伸压缩等变形，实现消耗地震能的作用，从某种角度上来讲也是一种预应力形式。

本加固体系利用预应力斜拉索体系受力合理且轻便，粘弹性阻尼器、线圈弹簧耗能效率高等优点，设计出诣在提高柱架体系整体性，增强整体刚度，并减小梁柱相对位移的较佳结构形式。

附图说明

图1为斜拉索-阻尼器柱架加固装置示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为梁柱固定端安装示意图；

图4为使用钢绞线为主要预应力承受构件时的设计方案图；

图5为节点力转换器平面图；

图6为节点力转换器等轴测图。

图中标号分别表示：1.钢拉索；2.粘滞性阻尼器；3.线圈弹簧；4.预应力套筒；5.角钢；6.节点力转换器；7.柱底固定件；8.梁端固定件；9.梁中固定端；10.柱子；11.上梁；12.中梁(穿)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置,包括柱子10，及连接柱子10的上梁11和中梁12，在上梁11上设有三个梁端固定件8，在柱子10上设有柱底固定件7，上梁11上若干个梁端固定件8和柱子10上的柱底固定件7上分别连接有钢拉索1，各钢拉索1通过若干个节点力转换器6连接，各节点力转换器6之间连接有线圈弹簧3。

其中，上梁11上三个梁端固定件8的各梁端固定件8通过螺钉与上梁11连接，上梁11上的中部梁中固定端9上的梁端固定件8并通过角钢5将其两端的各个梁端固定件8相互连接固定。连接上梁11梁端固定件8的钢拉索1上套有预应力套筒4，连接上梁11两端部梁端固定件8的钢拉索1上进一步套有粘滞性阻尼器2。

如图2所示，梁端固定件8上端为框型结构，下端为钢拉索连接板，钢拉索连接板上设有贯穿钢拉索1的穿孔。

如图5、图6所示，节点力转换器为一个开有偏心孔6-1的连接件，偏心孔6-1的四周依次分布有连接线圈弹簧开孔6-2、连接内梁端固定件开孔6-3、连接内梁端固定件开孔6-4和连接柱底固定件开孔6-5，其中，连接线圈弹簧开孔6-2与连接内梁端固定件开孔6-3之间的距离小于连接内梁端固定件开孔6-3与连接内梁端固定件开孔6-4之间的距离。偏心孔6-1在节点力转换器上设有上下端的凸沿。

本发明的预应力斜拉索体系的搭设方法，具体包括如下步骤：

步骤1、在接合完好的柱子10与上梁11梁柱之间封闭框架上，测量柱子10与上梁11的尺寸，并确定梁端固定件8和柱底固定件7的尺寸大小。

步骤2、将梁端固定件8和柱底固定件7分别安装在上梁11和柱子10上；其中，上梁设置三处梁端固定件的横向长度l₀不小于上梁净跨长度Ln的1/5，梁端固定件的高度不小于上梁梁高的2/3。柱底固定端沿柱子纵向高度h不小于柱子净高H_n的1/4，宽度不小于柱子宽的2/3(当柱为圆柱时，以固定端包裹柱截面优弧为标准)，参见图3。

需要说明的是，柱底固定端安装时，底部应距离中梁有一定距离X(30mm≤X≤50mm)，以防止固定端变形对于中梁的影响。

步骤3、梁端固定端8安装结束后，须在上梁各梁端固定端8之间对称安装等边角钢5(剖面如剖面图2所示)，安装方式是通过对拉螺栓固定，以保证体系在工作过程中梁支座相对距离保持不变，示例角钢型号为L90*10，前后对称安装。

步骤4、在已安装梁端固定件8和柱底固定件7的封闭框架内，分别将通过节点力转换器6连接的钢拉索1与梁端固定件8和柱底固定件7连接，其中，先将梁端固定件8两端部的固定孔中穿入带有套接粘滞性阻尼器2和预应力套筒4的钢拉索1，将两根钢拉索1的另一端分别连接一节点力转换器6，两节点力转换器6通过线圈弹簧3水平连接；两节点力转换器6上端再分别贯穿一根带有预应力套筒4的钢拉索1，与上梁中部的梁端固定件8的固定孔连接；两节点力转换器6下端分别贯穿一根钢拉索1，分别与柱底固定件7连接，构成斜拉索搭设结构。

需要说明的是，此阶段安装过程中无施加预应力过程，务必保持杆件与节点精确安装，尽量使各个零件对称布置。

步骤5、对称扭转预应力套筒4向钢拉索1施加预应力，通过类铰节点—节点力转换器6的传导，使预应力布满现有体系。需要说明的是，通过套筒施加预应力必须对称施加，以保证预应力均匀分配，所施加的预应力依圆钢的具体型号及设计抵抗效应值的不同而异。实例所应用的圆钢尺寸为Φ27，预施加应力值为35-40kN。

步骤6、施加预应力后，依图所示对称安装粘滞性阻尼器，自此完成预应力斜拉索体系的搭设过程。本实施例所使用的阻尼器型号为OTP 30/100。

本发明另一种实施方式，对于框架内部狭小的情况，为简化构造，使用钢绞线代替圆钢作为钢拉索承受预应力，钢绞线通过端部张拉被施加预应力，端部固定处设有一定厚度的垫板，如图4所示。三个梁端固定件中两端的梁端固定件6为框型结构，中间的梁端固定件和柱底固定件为垫板，钢绞线贯穿上梁和柱子与垫板连接。安装步骤同上述。

需说明，本发明保护范围不限于以上图示实例尺寸与相应构件参数。在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置，包括柱子，及连接柱子的上梁和中梁，其特征在于，在上梁上设有若干个梁端固定件，在柱子上设有柱底固定件，上梁上的若干个梁端固定件和柱子上的柱底固定件上分别连接有钢拉索，各钢拉索通过若干个节点力转换器连接，各节点力转换器之间连接有线圈弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置，其特征在于，上梁上设有三个梁端固定件，各梁端固定件通过螺钉与上梁连接。

3.根据权利要求2所述的一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置，其特征在于，所述梁端固定件和柱底固定件的上端为框型结构，下端为钢拉索连接板，钢拉索连接板上设有贯穿钢拉索的穿孔；各个梁端固定件通过角钢相互连接固定。

4.根据权利要求2所述的一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置，其特征在于，三个梁端固定件中两端的梁端固定件为框型结构，中间的梁端固定件和柱底固定件为垫板，钢绞线贯穿上梁和柱子与垫板连接。

5.根据权利要求1所述的一种穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置，其特征在于，连接上梁中部的梁端固定件的钢拉索上套有预应力套筒，连接上梁两端的梁端固定件的钢拉索上进一步套有粘滞性阻尼器。

6.根据权利要求1所述的穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置，其特征在于，所述节点力转换器为一个开有偏心孔的连接件，偏心孔的四周分布有连接线圈弹簧开孔、连接梁端固定件开孔和连接柱底固定件开孔，其中，连接梁端固定件开孔有两个，其间距大于其中一个梁端固定件开孔与连接线圈弹簧开孔之间的距离。

7.一种利用穿斗式木结构古建筑柱架耗能加固装置进行预应力斜拉索的搭设方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、测量接合完好的柱子与上梁梁柱之间封闭框架的尺寸，并确定梁端固定件和柱底固定件的尺寸大小；

步骤2、将梁端固定件和柱底固定件分别安装在上梁和柱子上；

步骤3、梁端固定件安装结束后，在上梁各梁端固定件之间对称安装等边角钢；

步骤4、在已安装梁端固定件和柱底固定件的封闭框架内，分别将通过节点力转换器连接的钢拉索与梁端固定件和柱底固定件连接，构成斜拉索搭设结构；

步骤5、对称扭转预应力套筒向钢拉索施加预应力为35-40kN，通过类铰节点—节点力转换器的传导，使预应力布满斜拉索搭设结构；

步骤6、施加预应力后，对称安装粘滞性阻尼器，自此完成预应力斜拉索体系的搭设过程。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，上梁设置三处梁端固定件的横向长度l₀不小于上梁净跨长度Ln的1/5，梁端固定件的高度不小于上梁梁高的2/3。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，柱底固定件沿柱子纵向高度h不小于柱子净高H_n的1/4，宽度不小于柱子宽的2/3。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，柱底固定件安装时，底部应距离中梁有一定距离X，30mm≤X≤50mm。