CN107217897A - 建筑抗震构造 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种建筑抗震构造，其包括：一建筑物构体，其具有多个固定部；以及一预应力网状体，其覆盖于该建筑物构体的一预定区处且包含多根斜向预应力拉线，其中该斜向预应力拉线的相对两端固定于该固定部处，且该斜向预应力拉线相互交错并提供该建筑物构体抵抗侧向变形的一约束力。据此，本发明的建筑抗震构造可应用于新建筑物的抗震设计及既有建筑物的修复补强，以加强斜向连结，从而改善建筑物的抗震性。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑抗震构造，特别涉及一种具有网状结构的建筑抗震构造。
背景技术
地震攸关人民生命财产问题，其严重甚至会牵动全国经济，因此提高建筑物抗震性一直都是结构工程发展的重要课题。基于防震安全考虑，不仅需强化新建筑物的抗震设计，修补及补强既有建筑物的强度更是极为重要的必要减灾措施。
近年来，不仅已发展出各种隔震、消能、减震等提高建筑物抗震性的技术，为避免旧有建筑物受损或抗震性不足而造成更大灾害，也有各种修复补强工法被陆续提出。对于既有建筑物的补强工艺方法，大多属于翼墙补强、RC剪切力墙补强或扩柱补强等一些传统的工艺方法。由于该补强工艺方法常需要大量的布筋，不仅会对环境造成严重的粉尘及噪音污染，且有施工不易、施工时间长、施工成本高等缺点。此外，中国台湾专利I577952另外提出一种利用钢缆作为围束主钢筋以强化钢筋混凝土结构体的修复补强施工艺方法，相比于利用横箍筋或螺旋箍筋围束主钢筋的传统工艺方法，此工艺方法虽有施工较为快速简易、成本较低等优点，但由于其在进行修复补强时仍需先使主钢筋显露于外，接着再利用缆线以螺旋状地于周围逐圈围束主钢筋，故此工艺方法仍有不够实时快速且需要破坏原建筑物既有结构等缺点。
有鉴于此，目前仍亟需发展一种可快速施工，工期短，并同时适用于新建筑物抗震设计及既有建筑物修复补强的新技术。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种建筑抗震构造，其施工便利且快速，可强化建筑物的斜向连结，以达到有效约束结构侧向变形的效果，其不仅可应用于新建筑物的抗震设计，同时也可在最小空间下对既有建筑物进行抗震补强，降低补强时对既有建筑物造成的破坏。
为达上述目的，本发明提供一种建筑抗震构造，其包括：一建筑物构体，其具有多个固定部；以及一预应力网状体，其覆盖于该建筑物构体的一预定区处且包含多根斜向预应力拉线，其中该斜向预应力拉线的相对两端固定于该固定部处，且该斜向预应力拉线相互交错并提供该建筑物构体抵抗侧向变形的一约束力。
据此，本发明的建筑抗震构造可通过预应力网状体提供的斜向拉束力，将地震水平力造成的剪切应变传递至基础、柱或梁等处，以降低剪切力变形，进而有效约束结构的侧向变形。此外，由于预应力网状体适用于各种施工面积，故其可视实际情况和需求，进行大面积或小面积的抗震补强。因此，当欲通过预应力网状体对既有建筑物进行结构补强时，该预应力网状体可在最小空间下强化既有建筑物的抗震性，解决现有技术补强工艺方法需破坏原建筑物部分结构的问题。
在本发明中，该建筑抗震构造更可包括至少一预应力调整组件，其与该预应力网状体连接，并提供一预应力予该预应力网状体。在此，该预应力并无特殊限制，其可根据实际需求对预应力网状体提供适当的预应力。
在本发明中，该预应力网状体的网状结构并无特殊限制，其可根据实际需求设计成任何构型的网状结构。例如，该斜向预应力拉线可包含多根右斜向预应力拉线及多根左斜向预应力拉线，藉此可通过该右斜向预应力拉线与该左斜向预应力拉线相互交错，以构成该预应力网状体。在此，该右斜向预应力拉线及左斜向预应力拉线的偏斜角并无特殊限制，其可根据实际需求，以任何合适的偏斜角进行结构斜向链接的强化，其中该右斜向预应力拉线的个数可与该左斜向预应力拉线的个数相同或相异，且该右斜向预应力拉线自垂直线向右偏斜的角度也可与该左斜向预应力拉线自垂直线向左偏斜的角度相同或相异。此外，该预应力网状体可应用于钢构造、钢筋混凝土构造、砖构造等建筑物上，且可固定于建筑物的梁、柱、墙、板等结构体处，以罩盖于建筑物构体的一预定侧表面上，故在此所述的建筑物构体可为钢造、钢筋混凝土造或砖造的梁、柱、墙、板等结构体。
在本发明中，该斜向预应力拉线可通过至少一线形构材在该固定部间连续折绕而形成。例如，在本发明的一具体实施例中，该右斜向预应力拉线可由两根接续连接的第一线形构材在该固定部间连续折绕而形成，而该左斜向预应力拉线则可由两根接续连接的第二线形构材在该固定部间连续折绕而形成。在此，该两根第一线形构材及该两根第二线形构材可分别具有相对的一固定端及一连接端，其中第一及第二线形构材的固定端皆固定至该建筑物构体，且第一及第二线形构材的连接端则可分别通过第一预应力调整组件及第二预应力调整组件，分别与另一第一及第二线形构材的连接端相互连接。较佳为，该第一及第二预应力调整组件在预定区的对角线上分别连接第一及第二线形构材的连接端。藉此，在邻近预定区中心处分别提供预应力至两根第一线形构材及两根第二线形构材，可有利于使第一及第二线形构材平均受力。在此，第一及第二线形构材可依需求选择任何具有线状构型的适合构材，如各式钢索、钢缆、钢绞线和钢线等。
在本发明中，该至少一线形构材可利用任何构件作为编织节点，例如，该建筑物构体可设有多个吊耳作为固定部，藉此，该至少一线形构材可以该吊耳作为编织节点，通过斜向编织方式而形成多根两端固定于固定部处的斜向预应力拉线。
综上所述，本发明主要是利用网状结构，以强化建筑物的斜向连结，进而达到有效约束建筑物侧向变形的效果。相比于现有技术的工艺方法，本发明所提出的网状抗震构造不仅可应用于钢造及钢筋混凝土建筑物，其也可与砖墙结合，以避免砖墙发生面外坍塌，具有应用性广泛、施工简易快速、通风采光优良、可塑性大、具经济性等优点，且可同时适用于新建筑物的抗震设计及既有建筑物的修复补强。尤其，本发明的网状抗震构造可依需求而设计成任何网状型态，故其不仅可强化建筑物的抗震性，且可作为建筑的设计元素。
为让上述目的、技术特征和优点能更明显易懂，下文以较佳实施例配合所附附图进行详细说明。
附图说明
图1为本发明一具体实施例中建筑抗震构造的示意图；
图2为本发明一具体实施例中右斜向预应力拉线设置示意图；
图3为本发明一具体实施例中左斜向预应力拉线设置示意图；
图4为本发明一具体实施例中斜向预应力拉线固定至固定部的示意图；
图5为本发明一具体实施例中斜向预应力拉线固定至固定部的另一方案示意图；
图6为本发明一具体测试例中补强构架试体的示意图；
图7为本发明一具体测试例中试体A在TCU129_800地震模式下的抗震能力结果图；
图8为本发明一具体测试例中试体B在TCU129_800地震模式下的抗震能力结果图；
图9为本发明一具体测试例中试体C在TCU129_800地震模式下的抗震能力结果图；
图10为本发明一具体测试例中试体A、B及C在TCU129_800地震模式下的楼层最大位移比较图；
图11为本发明一具体测试例中试体A、B及C在TCU129_800地震模式下的层间位移比较图；
图12为本发明一具体测试例中试体A、B及C在TCU129_800地震模式下的层间变位角比较图；
图13为本发明一具体测试例中试体B及C在不同地震模式下的第一楼层层间变位放大倍率结果图；
图14为本发明一具体测试例中试体A及C在EL_200数值模拟分析下的最大位移比较图；
图15为本发明一具体测试例中试体A及C在EL_200数值模拟分析下的层间位移比较图；以及
图16为本发明一具体测试例中试体A及C在EL_200数值模拟分析下的层间变位角比较图。
符号说明
建筑抗震构造 100
建筑物构体 1
固定部 11
穿耳 111
滑轮 13
预应力网状体 2
斜向预应力拉线 20
第一线形构材 201、202
第二线形构材 203、204
右斜向预应力拉线 21
第一右斜线 211
第二右斜线 213
左斜向预应力拉线 23
第一左斜线 231
第二左斜线 233
第一预应力调整组件 31
第二预应力调整组件 33
预定区 A
上侧边 A1
左侧边 A2
下侧边 A3
右侧边 A4
对角线 L1、L2
固定端 T1
连接端 T2
箭头 P
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。只是需要注意的是，以下附图均为简化的示意图，附图中的组件数目、形状及尺寸可依实际实施状况而随意变更，且组件布局状态可更为复杂。本发明也可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[实施例]
请参见图1，其为本发明一具体实施例的建筑抗震构造100示意图，其包括一建筑物构体1及一预应力网状体2，其中该预应力网状体2覆盖于该建筑物构体1的一预定区A处，以提供建筑物构体1抵抗侧向变形的约束力，以在最小空间下对建筑物构体1进行抗震性能的加强。更详细地说，如图1所示，该建筑物构体1设有多个固定部11，且该预应力网状体2包含多根相互交错的斜向预应力拉线20，其中该斜向预应力拉线20的相对两端固定于该固定部11处，藉此，该斜向预应力拉线20可强化该建筑物构体1的斜向连结，有效约束建筑物构体1侧向变形。
在本发明中，该预应力网状体2适用于钢造、钢筋混凝土造或砖造等建筑物上，且可根据需求固定于建筑物的梁、柱、墙、板等结构体处，以加强建筑物的抗震效果。在此，本具体实施例将以钢构架方案的建筑物构体1作进一步的示例性说明及抗震测试。如图1所示，本具体实施例分别在建筑物构体1的四边框上各设有多个等距间隔的固定部11，而构成该预应力网状体2的斜向预应力拉线20则包含有多根右斜向预应力拉线21(以实线绘示)及多根左斜向预应力拉线23(以虚线绘示)，其中右斜向预应力拉线21可提供上侧边A1与左侧边A2间及右侧边A4与下侧边A3间的斜向连结，而左斜向预应力拉线23则可提供上侧边A1与右侧边A4间及左侧边A2与下侧边A3间的斜向连结，藉此，右斜向预应力拉线21与左斜向预应力拉线23相互交错，以于四边框所围成的预定区A处形成该预应力网状体2，可有效约束建筑物构体1侧向变形。
接着，请再一并参见图2及图3，其分别仅绘示右斜向预应力拉线21与左斜向预应力拉线23，以进一步分别说明右斜向预应力拉线21与左斜向预应力拉线23的布设方式。在此，本发明可利用一根或多根线形构材进行网状编织，以形成该右斜向预应力拉线21与左斜向预应力拉线23。以下将以多根线形构材作进一步的示例性说明。
如图2所示，本具体实施例通过两根接续连接的第一线形构材201(以虚线绘示)、202(以实线绘示)在固定部11间连续反折绕而形成右斜向预应力拉线21，其中该两根第一线形构材201、202分别具有相对的一固定端T1及连接端T2，且其固定端T1分别固定至建筑物构体1，而连接端T2则相互连接。更详细地说，第一线形构材201在预定区A的上侧边A1与左侧边A2间连续反折绕，且其固定端T1固定于上侧边A1的固定部11处，而连接端T2则与另一第一线形构材202的连接端T2连接；而另一第一线形构材202则在预定区A的下侧边A3与右侧边A4间连续反折绕，且其固定端T1固定于下侧边A3的固定部11处，而连接端T2则与第一线形构材201的连接端T2连接。藉此，将该两根第一线形构材201、202的固定端T1分别固定至上侧边A1及下侧边A3后，即可分别由预定区A的左上角及右下角开始进行右上左下的右斜向编织，最后再在预定区A的对角线L1上连接该两根第一线形构材201、202的连接端T2，以在该预定区A中构成多根右斜向预应力拉线21。在此，该右斜向预应力拉线21包含有多根相互平行的第一右斜线211以及多根相互平行的第二右斜线213，其中第一右斜线211与第二右斜线213具有不同的右倾角，且第一右斜线211与第二右斜线213交替接续连接。更详细地说，该第一右斜线211自垂直线向右偏斜约45度角，而该第二右斜线213的相对两端则分别连接相邻第一右斜线211的两相对端。此外，本具体实施例通过一第一预应力调整组件31，以连接第一线形构材201、202的连接端T2，并对第一线形构材201、202提供预应力，藉此，第一线形构材201、202的连接端T2可通过第一预应力调整组件31，而在预定区A的对角线L1上相互连接。由于本具体实施例于预定区A邻近中心处设置第一预应力调整组件31，故在调整预应力时，有利于使右斜向预应力拉线211能平均受力。
同样地，如图3所示，本具体实施例通过两根接续连接的第二线形构材203(以虚线绘示)、204(以实线绘示)在固定部11间连续反折绕而形成左斜向预应力拉线23，其中该两根第二线形构材203、204分别具有相对的一固定端T1及连接端T2，且其固定端T1分别固定至建筑物构体1，而连接端T2则相互连接。更详细地说，第二线形构材203在预定区A的上侧边A1与右侧边A4间连续反折绕，且其固定端T1固定于上侧边A1的固定部11处，而连接端T2则与另一第二线形构材204的连接端T2连接；而另一第二线形构材204则在预定区A的下侧边A3与左侧边A2间连续反折绕，且其固定端T1固定于下侧边A3的固定部11处，而连接端T2则与第二线形构材203的连接端T2连接。藉此，将该两根第二线形构材203、204的固定端T1分别固定至上侧边A1及下侧边A3后，即可分别由预定区A的右上角及左下角开始进行左上右下的左斜向编织，最后再在预定区A的对角线L2上连接该两根第二线形构材203、204的连接端T2，以在该预定区A中构成多根左斜向预应力拉线23。在此，该左斜向预应力拉线23以相同于右斜向预应力拉线21的偏斜角自垂直线向左偏斜。更详细地说，该左斜向预应力拉线23包含有多根相互平行的第一左斜线231及多根相互平行的第二左斜线233，其中第一左斜线231与第二左斜线233具有不同的左倾角，且第一左斜线231与第二左斜线233交替接续连接。更详细地说，该第一左斜线231自垂直线向左偏斜约45度角，而该第二左斜线233的相对两端则分别连接相邻第一左斜线231的两相对端。此外，本具体实施例通过一第二预应力调整组件33，以连接第二线形构材203、204的连接端T2，并对第二线形构材203、204提供预应力，藉此，第二线形构材203、204的连接端T2可通过第二预应力调整组件33，而在预定区A的对角线L2上相互连接。由于本具体实施例于预定区A邻近中心处设置第二预应力调整组件33，故在调整预应力时，有利于使左斜向预应力拉线23能平均受力。
需特别说明的是，本发明可视需求使用一个或多个预应力调整组件，以提供适当预应力予预应力网状体，其并不限于上述个数及设置方式。同样地，本具体实施例所示的固定部个数、固定部布设方式、斜向预应力拉线个数、斜向角度、网状构型等都仅为了作示例性说明，本领域技术人员都可依实际需求变化设计。此外，所述的第一线形构材201、202及第二线形构材203、204可依需求选择任何具有线状构型的适合构材，而本具体实施例采用钢索作为第一线形构材201、202及第二线形构材203、204的示例性说明。
接着，请参见图4，其为斜向预应力拉线20固定至预定区右侧边A4上的示意图。如图4所示，本具体实施例以吊耳111作为固定部11，藉此，第一线形构材202及第二线形构材203可直接穿绕过吊耳111，以在吊耳111间连续反折绕而形成右斜向预应力拉线21及左斜向预应力拉线23。在此，该吊耳111可通过焊接方式固定在钢造建筑物上，或以化学锚栓方式固定在钢筋混凝土造或砖造等建筑物上。此外，请再参见图5，为避免第一线形构材202及第二线形构材203直接穿绕过吊耳111而造成磨损，其更可分别通过一滑轮13间接固定至吊耳111处，其中滑轮13扣接在吊耳111上，藉此，第一线形构材202及第二线形构材203可绕接在滑轮13上，以降低固定部11对第一线形构材202及第二线形构材203造成的磨损。由于斜向预应力拉线20通过如上所述相同方式固定至预定区A的上侧边A1、左侧边A2及下侧边A3，故在此不再赘述。
[测试例]
请参见图6，其为具有上述网状结构的补强构架试体示意图。如图6所示，本测试例以三楼层钢构架的振动台进行试验，以比较空构架试体(不具网状结构)与补强构架试体(具网状结构)的抗震性。在此，空构架试体及补强构架试体的楼层载重都为5tf，其试体各楼层长向3m、宽2m、高3m，而梁柱皆采用H型钢为300mm×150mm，其中补强构架试体利用预应力网状体罩盖第一楼层的两相对侧面上，以进行结构补强，而该预应力网状体的设置方式如上述图1-3及5所述，其中网状结构补强面的四侧边上分别具有等距间隔约60cm的六个节点(即固定部11设置处)，并通过第一及第二预应力调整组件31、33，以对连结各节点的四根钢索(即两根第一线形构材201、202与两根第二线形构材203、204)提供约1～2tf预应力。此外，为探讨补强构架试体在不同钢索补强下的抗震效果，本测试例还分别采用两种不同直径的钢索(直径分别为6mm及8mm)，以进行测试。为方便叙述，在此将空构架试体简称为试体A，钢索直径为6mm的补强构架试体简称试体B，钢索直径为8mm的补强构架试体简称试体C。
本测试在构架试体的各楼层楼板均匀放置质量块，且在构架试体的7个点上设置传感器，以分别量测加速度、位移(如图6所示的箭头P)。此外，为使测试中所使用的试体在各组试验中特性皆能保持一致，因此应使整体钢结构在不同地震力下可保持其层间变位皆在弹性范围内。本测试采用实测地震测试，考虑不同地震的大小及变异性，其输入地震及其实验进行流程如下表1所示。
表1
试体的整体结构通过地震力历时进行，通过分析各构件非线性行为，即可求得整体结构变形行为与各构件受力状况，其中在不同地震输入下，其结构震动反应会不同，其结果如图7至图13所示。
请参见图7至图9，其为试体A～C以TCU129地震测试其最大地表加速度PGA为800gal的抗震能力结果图。此结果显示，试体A的屋顶最大位移量126.6mm，而试体B的屋顶最大位移为104.5mm，其相比于试体A已减少了约17％位移，试体C的屋顶最大位移则为101.7mm，其相比于试体A则减少了约20％位移。
请参见图10至图12，其分别为试体A～C以TCU129地震测试其最大地表加速度PGA为800gal的楼层最大位移、层间位移(story drift)及层间变位角(story drift ratio)比较图。此结果显示，在TCU129地震测试下，试体B及C的各楼层最大位移量都小于试体A，尤其，在地震历时作用下，试体A的最大层间变位位于结构的第一楼层，而试体B及C由于预应力网状体补强后，其第一楼层劲度提高，层间变位由试体A的1.75％降至约0.93％，约减少了约47％层间变位，此表示试体B及C在第一楼层处进行网状结构补强后，确实可有效约束第一楼层的侧向变形。
请再参见图13，其为试体B及C在不同地震测试下的第一楼层层间变位放大倍率图。此结果显示，在第一楼层补强后，平均都可减少约33％层间变位。
同样地，请参见图14至图16，其分别为试体A及C以EL_200数值模拟分析其最大地表加速度PGA为200gal的楼层最大位移、层间位移及层间变位角比较图。利用Midas Gen软件进行历时分析结果显示，在EL_200数值模拟测试下，试体C的各楼层最大位移量仍然皆小于试体A，且试体C的第一楼层进行网状结构补强后，确实可降低第一楼层的层间变位。
综上所述，本发明利用预应力网状体可有效约束结构抵抗侧向变形，有利于整体构架的强度提升，且楼层局部的韧性也有相当的改善，其不仅可作为新建筑物的抗震设计，其也可在最小空间下实时对既有建筑物进行修复补强。相比于习知各种补强工艺方法，本发明所提供的新式构造及工艺方法具有工时短、施工简易、成本较低等优点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种建筑抗震构造，包括：
一建筑物构体，其具有多个固定部；以及
一预应力网状体，其覆盖于该建筑物构体的一预定区处且包含多根斜向预应力拉线，其中该斜向预应力拉线的相对两端固定于该固定部处，且该斜向预应力拉线相互交错并提供该建筑物构体抵抗侧向变形的一约束力。
2.如权利要求1所述的建筑抗震构造，更包括：至少一预应力调整组件，其与该预应力网状体连接，并提供一预应力予该预应力网状体。
3.如权利要求1所述的建筑抗震构造，其中，该斜向拉线藉由至少一线形构材于该固定部间连续折绕而形成。
4.如权利要求3所述的建筑抗震构造，其中，该至少一线形构材为钢索、钢缆、钢绞线或钢线。
5.如权利要求1所述的建筑抗震构造，其中，该斜向预应力拉线包含多根右斜向预应力拉线及多根左斜向预应力拉线，且该右斜向预应力拉线与该左斜向预应力拉线相互交错。
6.如权利要求5所述的建筑抗震构造，其中，该右斜向预应力拉线由两根接续连接的第一线形构材于该固定部间连续折绕而形成，该两根第一线形构材分别具有相对的一固定端及一连接端，且该两根第一线形构材的该固定端固定至该建筑物构体，而该连接端则相互连接。
7.如权利要求6所述的建筑抗震构造，更包括一第一预应力调整组件，其中该两根第一线形构材的该连接端藉由该第一预应力调整组件而相互连接，且该第一预应力调整组件提供一预应力予该两根第一线形构材。
8.如权利要求5至7中任一项所述的建筑抗震构造，其中，该左斜向预应力拉线由两根接续连接的第二线形构材于该固定部间连续折绕而形成，该两根第二线形构材分别具有相对的一固定端及一连接端，且该两根第二线形构材的该固定端固定至该建筑物构体，而该连接端则相互连接。
9.如权利要求8所述的建筑抗震构造，更包括一第二预应力调整组件，其中该两根第二线形构材的该连接端藉由该第二预应力调整组件而相互连接，且该第二预应力调整组件提供一预应力予该两根第二线形构材。
10.如权利要求1所述的建筑抗震构造，其中，该建筑物构体设有多个吊耳，以作为该固定部。
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