CN106869569A - 一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，包括内部芯柱、外侧预制叠层空心柱段、空心柱段间减阻装置、串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒。芯柱截面尺寸小，长细比大，水平变形能力强，易于达到结构的变形需求；外侧柱段纵向不连续，柱段间可发生相对错动，较少承担剪力，主要承担竖向荷载；芯柱与外侧柱段互为约束和支撑，两者共同作用，优势互补。叠层加芯柱可实现大轴压比下中柱的变形能力大于侧墙，当侧墙达到变形极限时，中柱的竖向承载能力不会明显下降，避免结构因中柱薄弱而过早破坏。本发明解决了典型地下框架结构中柱水平变形能力不足的问题，同时构造简单、安装方便，符合建筑工业化趋势。

Description

一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱
技术领域
本发明涉及土木工程设计与施工领域，尤其涉及地下结构抗震领域，具体的说，是一种适用于提高地下框架结构抗震性能的叠层加芯柱。
背景技术
柱作为最重要的竖向承重构件，对其承载力和延性的要求也日益提高。地铁车站结构包括支撑两侧土体的侧墙，承受上部荷载的顶板，设置于底部土体上的底板，顶板和底板之间设有对顶板进行支撑的中柱，多层结构还设置平行于底板的中板。由于地铁安全等级高，上覆土体重，设计时为满足要求，地下结构往往设计成强墙板梁、弱柱的结构体系，形成箱体的墙、板、梁刚度较大、延性好，具有较强的抗震能力，中柱轴压比大，水平变形能力小，成为结构在地震中的薄弱环节。
高轴压比柱的低周往复荷载试验表明：随着轴压比的增大，试件的极限变形能力呈现明显减小趋势。轴压比过高不仅会使构件在较小位移延性比下即出现明显强度退化和较大位移延性比下出现滞回环不稳定现象，而且容易突然丧失对竖向荷载的承受能力。
大量试验和震害结果表明，柱的一种主要破坏模式为：水平往复荷载作用下，柱脚和柱顶塑性铰区混凝土承受反复交替的拉压荷载，受拉侧产生水平裂缝，受压侧产生竖向裂缝，最终混凝土被压碎剥落，纵筋屈服外鼓呈灯笼状，柱丧失竖向承载能力而破坏。究其原因，柱顶和柱底弯矩最大，截面上的应力分布严重不均。在受拉侧产生拉应力导致混凝土开裂，削弱了混凝土的抗压能力；受压侧截面压应力大，甚至超过混凝土的极限抗压承载力，导致混凝土压碎，钢筋压屈。
1995年日本阪神地震(M7.2)，大开车站发生严重破坏，中柱破坏导致顶板塌陷、地表沉降。相关研究表明，中柱的变形能力小于侧墙的变形能力，在同样变形的情况下，中柱先丧失竖向承载能力，导致车站结构整体倒塌，而侧墙基本完好。
柱的变形能力的主要影响因素有轴压比、剪跨比和配箍率。减小轴压比往往需要增大柱截面，造成截面刚度过大，剪跨比过小，易发生剪切破坏。提高配箍率对于其变形能力的影响有限。
发明内容
为了解决传统地下框架结构中柱因水平变形能力不足而成为抗震薄弱环节的问题，提高中柱在高轴压比下的变形能力，保证大变形下中柱不会丧失竖向承载能力。本发明提供了一种可提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，包括内部芯柱(1)、外侧预制叠层空心柱段(2)、空心柱段间减阻装置(3)、串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒(4)。外侧预制叠层空心柱段(2)由各预制层依次叠加组成中空结构，内部芯柱(1)与外侧预制叠层空心柱段(2)中间的中空结构相配合，空心柱段间减阻装置(3)设置在外侧预制叠层空心柱段(2)的各预制层之间；串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒(4)纵向插入在外侧预制叠层空心柱段(2)的预留孔内。
所述的内部芯柱(1)截面尺寸小，长细比大，变形能力强。包括但不限于：增加配筋量的钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱或纤维混凝土柱。
所述的外侧预制叠层空心柱段(2)为预制构件，包括但不限于钢管混凝土柱段或高配箍率钢筋混凝土柱段，混凝土采用高强混凝土，提高柱段受压性能。
所述的外侧预制叠层空心柱段(2)截面为两个同心圆环，外环沿高度方向为等截面，内环沿高度方向为变截面，外侧预制叠层空心柱段(2)的顶部内径(7)大于外侧预制叠层空心柱段(2)的底部内径(6)，底部内径(6)等于内部芯柱(1)的直径，以满足内部芯柱(1)在外侧预制叠层空心柱段(2)内部的变形需求，其内径差值根据侧墙(9)极限水平层间位移角确定；外侧预制叠层空心柱段(2)还能够设计为两个半圆环截面，施工时通过焊接或螺栓连接等方式将两个半圆环闭合为整环，提高装配效率。
所述的外侧预制叠层空心柱段(2)沿柱轴向各段的高度及叠层段数根据结构的受力和变形特点进行调整。
所述的空心柱段间减阻装置(3)设置于外侧预制叠层空心柱段(2)之间，保证高轴压比下柱段间可发生相对水平滑动。具体形式包括但不限于橡胶层或辊轴摩擦装置。
所述的外侧预制叠层空心柱段(2)截面中设有预留孔道(5)，穿设串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒(4)，提高外侧预制叠层空心柱段(2)间的变形协调性和柱的整体性，避免中柱(11)在弯矩作用下柱段间变形不及时导致的受拉侧柱段间缝隙张开过大。
叠层加芯柱的一种设计方法为：在保证侧墙(9)在罕遇地震作用下亦不发生破坏的前提下，先进行内部芯柱(1)变形能力设计，要求其变形能力大于侧墙(9)的变形能力，再进行外侧预制叠层空心柱段(2)的竖向承载能力设计，要求其满足竖向承载要求。
本发明的有益效果为：
1、针对地下框架结构抗侧力构件中侧墙强而中柱弱的情况，叠层加芯柱可实现大轴压比下中柱的变形能力大于侧墙，两者共同变形时，侧墙先于中柱达到水平变形限值而发生破坏，避免了结构因中柱薄弱而过早破坏。
2、叠层加芯柱可明显改善中柱的受力性能。受压时，芯柱与外侧柱段共同承担竖向荷载，可达到与普通现浇柱相同的抗压能力；受弯时，弯矩全部由芯柱承担，外侧柱段可实现全截面受压，明显改善普通现浇柱外侧弯压区压应力过大的不利影响，避免弯矩作用下受压侧外围混凝土过早压碎剥落导致纵筋的压屈和柱承载能力的降低，同时避免了受拉侧混凝土开裂导致的柱抗震性能的削弱。
3、构造简单、安装方便；预制构件质量易于控制；符合建筑工业化趋势。
附图说明
图1为本发明叠层加芯柱构件立体示意图。
图2为本发明叠层加芯柱构件剖面图。
图3为本发明叠层加芯柱的一个具体实施例。
图4为阪神地震中大开典型车站截面。
图中，1–内部芯柱；2–外侧预制叠层空心柱段；3–空心柱段间减阻装置；4–串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒；5–预留孔道；6–柱段底部内径；7–柱段顶部内径；8–车站顶板；9–侧墙；10–车站底板；11–中柱；12–顶梁；13–底梁；14–柱帽；15–柱底杯口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明适用的典型地下地铁车站框架结构横断面如图4所示，包括承受上部土体自重的顶板(8)，支撑两侧土体的侧墙(9)，设置于底部土体上的底板(10)，侧墙(9)之间设有对顶板(8)进行支撑的中柱(11)，中柱(11)和顶板(8)之间设置传力的顶梁(12)，中柱(11)和底板(10)之间设置传力的底梁(13)。
顶板(8)厚度0.8m，侧墙(9)厚度0.7m，底板(10)厚度0.85m，顶板(8)、侧墙(9)、底板(10)现浇形成的箱体抗侧刚度很大。中柱(11)截面尺寸为0.4m×1m，承担较大的竖向荷载。
本发明叠层加芯柱构件立体示意图如图1，包括内部芯柱(1)、外侧预制叠层空心柱段(2)、空心柱段间减阻装置(3)、串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒(4)。内部芯柱(1)截面尺寸小，长细比大，水平变形能力强，易于达到结构的变形需求；外侧预制叠层空心柱段(2)纵向不连续，柱段间发生相对错动，较少承担剪力，主要承担竖向荷载。
内部芯柱(1)截面尺寸小，长细比大，变形能力强。具体实施方式包括但不限于：增加配筋量的钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱、纤维混凝土柱。
外侧预制叠层空心柱段(2)采用预制构件，具体实施方式包括但不限于钢管混凝土柱段、高配箍率钢筋混凝土柱段，混凝土可采用高强混凝土，提高柱段抗压性能。
外侧预制叠层空心柱段(2)截面为两个同心圆环，外环沿高度方向为等截面，内环沿高度方向为变截面，柱段顶部内径(7)略大于柱段底部内径(6)(底部内径(6)等于芯柱(1)直径)，其间平滑过渡，差值可根据侧墙(9)极限水平层间位移角确定；外侧预制叠层空心柱段(2)沿柱轴向各段的高度及叠层段数可根据结构的受力和变形特点进行调整；外侧预制叠层空心柱段(2)可设计为两个半圆环截面，施工时通过可靠的连接工艺闭合为环，提高装配效率。
减阻装置(3)设置于外侧预制叠层空心柱段(2)之间，保证高轴压比下柱段间可以发生相对水平滑动。具体实施方式包括但不限于橡胶层或辊轴摩擦装置。
外侧预制叠层空心柱段(2)截面设有预留孔道(5)，穿设通长预应力钢绞线或钢棒(4)，提高外侧柱段(2)间的变形协调性和柱的整体性，避免中柱(11)在弯矩作用下柱段间变形不及时导致的受拉侧柱段间缝隙张开过大
芯柱(1)可利用安装好的外侧预制叠层空心柱段(2)为模板，外侧柱段(2)内侧加入分隔材料后现浇内部芯柱(1)；同时芯柱(1)也可以采用预制构件插入空心柱段(2)中。
地下框架结构保证侧墙(9)在罕遇地震作用下亦不发生破坏的情况下，中柱(11)的一种设计方法：先进行芯柱(1)变形能力设计，要求其变形能力大于侧墙(9)的变形能力，再进行外侧预制叠层空心柱段(2)的竖向承载能力设计，要求其满足竖向承载要求。
施工时，要严格控制柱的变形，采取必要的临时加固措施。
图3为本发明叠层加芯柱的一个具体实施例。
步骤1：现浇结构底板(10)、底梁(13)并预留芯柱柱底杯口(15)；
步骤2：将外侧预制叠层空心钢管高强混凝土柱段(2)叠放于杯口(15)上方，柱段制作时嵌入橡胶垫(3)，安装时穿设预应力筋(4)；
步骤3：将预制的高配箍率钢筋混凝土芯柱(1)吊装置于叠层柱段(2)内部并立于杯口(15)中，灌浆于杯口(15)中将缝隙填实；
步骤4：加固柱体并支模现浇顶板(8)和顶梁(12)，顶梁(12)底部制作为柱帽(14)的形式，芯柱(1)伸出最上侧柱段部分与柱帽(14)现浇结合。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容不能被认为用于限定本发明的实施范围，凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，包括内部芯柱(1)、外侧预制叠层空心柱段(2)、空心柱段间减阻装置(3)、串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒(4)；外侧预制叠层空心柱段(2)由各预制层依次叠加组成中空结构，内部芯柱(1)与外侧预制叠层空心柱段(2)中间的中空结构相配合，空心柱段间减阻装置(3)设置在外侧预制叠层空心柱段(2)的各预制层之间；串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒(4)纵向插入在外侧预制叠层空心柱段(2)的预留孔内。
2.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，所述的内部芯柱(1)为增加配筋量的钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱或纤维混凝土柱。
3.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，所述的外侧预制叠层空心柱段(2)为预制的钢管混凝土柱段或高配箍率钢筋混凝土柱段，混凝土采用高强混凝土，提高柱段抗压性能。
4.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，所述的外侧预制叠层空心柱段(2)截面为两个同心圆环，外环沿高度方向为等截面，内环沿高度方向为变截面，外侧预制叠层空心柱段(2)的顶部内径(7)大于外侧预制叠层空心柱段(2)的底部内径(6)，底部内径(6)等于内部芯柱(1)的直径，以满足内部芯柱(1)在外侧预制叠层空心柱段(2)内部装配时的变形需求，其内径差值根据侧墙(9)极限水平层间位移角确定；外侧预制叠层空心柱段(2)还能够设计为两个半圆环截面，施工时通过焊接或螺栓连接等方式将两个半圆环闭合为整环，提高装配效率。
5.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，所述的外侧预制叠层空心柱段(2)沿柱轴向各段的高度及叠层段数根据结构的受力和变形特点进行调整。
6.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，所述的空心柱段间减阻装置(3)设置于外侧预制叠层空心柱段(2)之间，保证高轴压比下柱段间可发生相对水平滑动；具体形式包括但不限于橡胶层或辊轴摩擦装置。
7.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，所述的外侧预制叠层空心柱段(2)截面中设有预留孔道(5)，穿设串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒(4)，提高外侧预制叠层空心柱段(2)间的变形协调性和柱的整体性，避免中柱(11)在弯矩作用下柱段间变形不及时导致的受拉侧柱段间缝隙张开过大。
8.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，叠层加芯柱的具体实施如下：
步骤1：现浇结构底板(10)、底梁(13)并预留芯柱柱底杯口(15)；
步骤2：将外侧预制叠层空心钢管高强混凝土柱段(2)叠放于杯口(15)上方，柱段制作时嵌入橡胶垫(3)，安装时穿设预应力筋(4)；
步骤3：将预制的高配箍率钢筋混凝土芯柱(1)吊装置于叠层柱段(2)内部并立于杯口(15)中，灌浆于杯口(15)中将缝隙填实；
步骤4：加固柱体并支模现浇顶板(8)和顶梁(12)，顶梁(12)底部制作为柱帽(14)的形式，芯柱(1)伸出最上侧柱段部分与柱帽(14)现浇结合。
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