CN107013074A - 具有阈值屈曲卸载自复位功能的c型薄壳层间隔震装置与体系 - Google Patents
具有阈值屈曲卸载自复位功能的c型薄壳层间隔震装置与体系 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，包括上钢板、下钢板以及连接在上钢板和下钢板之间的C形开口圆柱壳；C形开口圆柱壳可以为阵列形/环形形式，本装置具有很大竖向承载力及刚度，可有效地支撑建筑物的重量，C形开口圆柱壳结构在水平方向可发生大变形弹性位移，故本发明配合阻尼系统及支撑防护系统的结构体系，可有效隔离地震能量，避免地震能量向上部结构传输，减少建筑物的地震反应，使建筑物主体结构在强震作用下不损坏或倒塌；C形开口圆柱壳结构大变形时可积聚弹性应变能，故本发明在地震中具有良好的自复位功能，震后可借助液压千斤顶完全恢复隔震装置承载功能，实现“大震可修”的可持续发展工程抗震目标。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构防震减震技术领域，特别涉及一种具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置与体系。
背景技术
可恢复功能结构是一种新型的减震控制结构，它不仅能在地震时保护人们的生命财产安全，也能帮助人们在大地震之后，尽快恢复正常生活，是结构抗震设计的一个理想的新方向。我国现阶段的抗震思想是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。但由于地震的不确定性和复杂性，结构有可能遭受比抗震设防烈度更大的地震作用，从而使结构构件严重损伤。另外，结构在遭受设防烈度的地震后虽然没有倒塌，但有部分构件因破坏位置的特殊性以及破坏严重性使其难以加固修复，最后整个结构只能被推倒重建，造成巨大的浪费，也影响了人们的正常生活。
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具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置与体系，装置具有很大竖向承载力及刚度，可有效地支撑建筑物的重量，并且隔震支座水平方向可发生大变形弹性位移，配合阻尼系统及支撑防护系统，可有效地隔离地震能量，避免地震能量向上部结构传输，有效地减少建筑物的地震反应，使建筑物主体结构在强震作用下不损坏或倒塌，使得建筑结构在中震、大震的作用下达到抗震设防的预期目标，并且能够在强震后快速恢复其正常使用功能，从而实现“大震可修”的设防目标。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，包括：
上钢板1；
下钢板3，设置在钢筋混凝土柱4的顶部；
以及
连接在上钢板1和下钢板3之间的C形开口圆柱壳2。
所述上钢板1和下钢板3大小、形状均一致。
所述C形开口圆柱壳2有多个，呈多层均匀分布，每一层上的C形开口圆柱壳2位于同一个圆周上，且开口均朝向圆心位置。
所述上钢板1和下钢板3均为矩形，所述C形开口圆柱壳2有多个，各C形开口圆柱壳2的开口均朝向矩形的短边均匀布置，每排C形开口圆柱壳2开口方向一致，且相邻两排开口方向相反。
所述C形开口圆柱壳2的壳厚为1-3mm，开口角度为30°-90°，曲率半径为100-200mm，高为300-500mm。。
所述C形开口圆柱壳2采用过火后的高强度优质弹簧钢或高强优质碳素结构钢制成。
所述C形开口圆柱壳2高强度优质弹簧钢或高强优质碳素结构钢的具体过火工艺为：第一步构件进入660°的井式高温炉中，随后缓慢加热到860°保持温度，30分钟后出炉空冷，待试件完全冷却，进入200°的炉中进行回火1小时，然后出炉空冷，第二步再次进入860°炉中进行保温，15分钟后，沾油极冷，随后放入460°炉中回火保温半小时，最后出炉在空气中冷却。
所述C形开口圆柱壳2与上下钢板通过高强螺栓连接固定，且其轴线垂直于上下钢板。
所述钢筋混凝土柱4采用矩形截面，与下钢板3通过高强螺栓5连接固定。
本发明还提供了一种利用所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置的结构体系，包括隔震层，隔震层包括上下框架，在上下框架之间设置一定数量的具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置6、预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱9、预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱8以及耗能减震装置7。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明具有可复位功能的隔震支座中的C形开口圆柱壳采用过火后的高强度优质弹簧钢或高强优质碳素结构钢制成，所用过火后的高强度优质弹簧钢或高强优质碳素结构钢具有优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能等。在规定的范围之内，该种弹簧钢弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形，故这种材料制成的C形开口圆柱壳不仅自重轻，承载力高，能够承担上部建筑物的重量。
2.本发明具有可复位功能的隔震支座中的C形开口圆柱壳采用过火后的高强度优质弹簧钢或高强优质碳素结构钢制成，由于“卷尺效应”这种C形开口圆柱壳还具有很好的变形能力和自复位能力。和设置在结构中的耗能器、阻尼器配合，可形成结构有效耗能隔震层，能有效的发挥耗能层耗能减震的作用，以减少地震能量向上部结构的传递，保证了上部结构不会损坏。
3.在大震作用后，在设有可复位功能的隔震支座的隔震层，可通过千斤顶等设备，利用C形开口圆柱壳的“卷尺效应”实现本层间结构的复位。另外，该构件的自复位功能能够避免隔震装置在震后产生塑性变形，从而使结构在地震后能恢复初始弹性状态，恢复大部分承载力而继续使用。
4.与同样截面大小的矩形柱相比，具有更高的稳定性和承载力。
5.本发明的具有可复位功能的隔震支座构造简单，加工制作方便，造价较低，可在短时间内完成大规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图。
图2为本发明实施例1中C形开口圆柱壳分布平面图。
图3为本发明实施例2结构示意图。
图4为本发明实施例2中C形开口圆柱壳分布平面图。
图5为本发明配合阻尼系统及支撑防护系统运用于结构体系中的使用示意图。
图6为本发明运用于结构体系中的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。
实施例1
如图1和图2所示，本发明隔震装置包括：上钢板1，下钢板3，C形开口圆柱壳2，其中上钢板1与下钢板3大小形状完全相等，均采用矩形形式，下钢板3通过高强螺栓5设置在钢筋混凝土柱4的顶部。上钢板1与下钢板3上均设置螺栓孔，C形开口圆柱壳2有多个，朝向矩形的短边均匀布置，每排C形开口圆柱壳开口方向一致，且相邻两排开口方向相反。C形开口圆柱壳2通过拼接件由高强螺栓分别与上钢板1和下钢板3连接固定，且其轴线垂直于上下钢板。
本实施例中，C形开口圆柱壳2的壳厚为2mm，开口角度为30°，曲率半径为150mm，高为400mm。
实施例2
如图3和图4所示，本发明隔震装置包括：上钢板1，下钢板3，C形开口圆柱壳2，其中上钢板1与下钢板3大小相等，均采用矩形形式，下钢板3通过高强螺栓5设置在钢筋混凝土柱4的顶部。上钢板1与下钢板3上均设置螺栓孔。C形开口圆柱壳2呈多层均匀分布，每一层上的C形开口圆柱壳2位于一个圆周上，开口均朝向矩形中心位置。C形开口圆柱壳2通过拼接件由高强螺栓分别与上钢板1和下钢板3连接固定，且其轴线垂直于上下钢板。
本实施例中，C形开口圆柱壳2的壳厚为3mm，开口角度为90°，曲率半径为200mm，高为500mm。
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，预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱9，与具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置6一起承担竖向与水平荷载，如图5所示。该结构中，隔震层包括上下框架，在上下框架之间设置一定数量的具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置6、预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱9、预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱8以及耗能减震装置7。
在大震作用下，具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置6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9被压坏可耗散一部分地震能量，耗能减震装置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8承担竖向荷载。具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置6由于“卷尺效应”在达到临界荷载时会发生弹性屈曲，如图6所示，预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱9由于耗能损坏可替换、具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置在液压千斤顶的帮助下完全恢复隔震装置承载功能、可替换混凝土框架第二防线支撑柱8作为大震后得支撑，如损伤严重，也可替换，耗能减震装置7在大震后如损伤严重，也可替换。大震结束后，由液压千斤顶与具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置6一起进行隔震层复位，复位后，具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置6可以恢复成原来的状态，并恢复原有承载能力，可在短时间内独立承受结构竖向荷载。因此，在大震结束后应及时替换掉已损坏的预制可替换混凝土框架第一防线柱9、第二防线支撑柱8以及耗能减震装置7，结构恢复原状，达到“大震亦可修”的预期目标。
本发明具有可复位功能的隔震支座中的C形开口圆柱壳2采用过火后的高强度优质弹簧钢或高强优质碳素结构钢制成，具体过火工艺为：第一步构件进入660°的井式高温炉中，随后缓慢加热到860°保持温度，30分钟后出炉空冷，待试件完全冷却，进入200°的炉中进行回火1小时，然后出炉空冷，第二步再次进入860°炉中进行保温，15分钟后，沾油极冷，随后放入460°炉中回火保温半小时，最后出炉在空气中冷却。其轴向承载力高，变形能力强和自复位能力好，当发生地震时，可有效发挥其减震作用，减少地震能量向上部结构的传递，保证了上部结构不会损坏。
本发明具有可复位功能的隔震支座中下部的钢筋混凝土柱4与下钢板3通过高强螺栓5连接固定，便于构件的安装、拆卸和更换。
本发明具有可复位功能的隔震支座不仅自重轻，承载力高，而且由于具备“卷尺效应”还具有很好的变形能力和自复位能力，具有传统结隔振支座无可比拟的良好受力性能，可使建筑物具备在强震后快速恢复其正常使用功能，实现建筑物“大震可修”的自复位目标。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，且恢复大部分承载力。
对于阵列形开口圆柱薄壳层间隔震装置，受到朝向截面长边方向的地震作用时，上部的C状圆柱薄壳隔震支座可以发生较大的弹性变形，有效的消耗了地震能量，且震后可借助液压千斤顶实现装置的复位。
对于环形开口圆柱薄壳层间隔震装置，可有效地对任意水平方向和扭转地震反应进行有效地控制。
使用时，将具有可复位功能的隔震支座下钢板3与下部结构连接，连接方式为螺栓连接，将具有可复位功能的隔震支座上钢板1与上部结构连接，连接方式为螺栓连接。
Claims (10)
1.一种具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，其特征在于，包括：
上钢板(1)；
下钢板(3)，设置在钢筋混凝土柱(4)的顶部；
以及
连接在上钢板(1)和下钢板(3)之间的C形开口圆柱壳(2)。
2.根据权利要求1所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，其特征在于，所述上钢板(1)和下钢板(3)大小、形状均一致。
3.根据权利要求1所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，其特征在于，所述C形开口圆柱壳(2)有多个，呈多层均匀分布，每一层上的C形开口圆柱壳(2)位于同一个圆周上，且开口均朝向圆心位置。
4.根据权利要求1所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，其特征在于，所述上钢板(1)和下钢板(3)均为矩形，所述C形开口圆柱壳(2)有多个，各C形开口圆柱壳(2)的开口均朝向矩形的短边均匀布置，每排C形开口圆柱壳(2)开口方向一致，且相邻两排开口方向相反。
5.根据权利要求1所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，其特征在于，所述C形开口圆柱壳(2)的壳厚为1-3mm，开口角度为30°-90°，曲率半径为100-200mm，高为300-500mm。
6.根据权利要求1所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，其特征在于，所述C形开口圆柱壳(2)采用过火后的高强度优质弹簧钢或高强优质碳素结构钢制成。
7.根据权利要求6所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，其特征在于，所述C形开口圆柱壳(2)高强度优质弹簧钢或高强优质碳素结构钢的具体过火工艺为：第一步构件进入660°的井式高温炉中，随后缓慢加热到860°保持温度，30分钟后出炉空冷，待试件完全冷却，进入200°的炉中进行回火1小时，然后出炉空冷，第二步再次进入860°炉中进行保温，15分钟后，沾油极冷，随后放入460°炉中回火保温半小时，最后出炉在空气中冷却。
8.根据权利要求1所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，其特征在于，所述C形开口圆柱壳(2)与上下钢板通过高强螺栓连接固定，且其轴线垂直于上下钢板。
9.根据权利要求1所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置，其特征在于，所述钢筋混凝土柱(4)采用矩形截面，与下钢板(3)通过高强螺栓(5)连接固定。
10.一种利用权利要求1所述具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置的结构体系，其特征在于，包括隔震层，隔震层包括上下框架，在上下框架之间设置一定数量的具有阈值屈曲卸载自复位功能的C型薄壳层间隔震装置(6)、预制可替换混凝土框架第一防线支撑柱(9)、预制可替换混凝土框架第二防线支撑柱(8)以及耗能减震装置(7)。
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