CN1079479C - 用于建筑物底层隔离的稳定性分隔部件 - Google Patents

Abstract

一稳定性分隔部件(22)包括许多固定连接于建筑物(20)、并向下延伸至一地下的地基(26)的细长的，相对可弯曲的，灌注混凝土的管子(28)，并且至少一些管子(28)与地基相连接阻止建筑物的倒塌。一基本承重件(46)被设置于地基之上，并接纳管子列(28)；支承构件(32)被置于柱(46)的上端面与建筑物(20)之间允许它们之可有相对侧向移动。本发明用于将侧向稳定性与柱(46)的负载承能力相分隔，因此可减小地面传送到受保护建筑物(20)的地面加速度。

Description

用于建筑物底层隔离的稳定性分隔部件

本发明的背景

1.本发明的技术领域

本发明总的涉及到用于建造多层建筑物、桥梁和诸如有地下室的单个家庭的房屋那样的较小房屋等抗地震结构的稳定性分隔部件。本发明的部件有效地将建筑物的侧向稳定性与结构的支撑柱系统的承重能力相分隔。用这种方式，在保持建筑物必要的承重能力、缓冲能力和自然周期的同时，它能有效地控制由于地震所引起的结构的动态运动。本发明的稳定性分隔部件包括许多刚性连接于一建筑物上的细长的灌注-混凝土的管子，和在地下的地基和建筑物之间延伸的、并且诸管子安置于其中的一环形基本承重柱；在该柱与建筑物之间设置低摩擦的支承，以便允许在其间作侧向运动。在单个家庭的房屋或相似的小型建筑物情况下，地下室的墙壁可作为用于关连的灌注-混凝土的管子的基本承重元件。

2.对现有技术的描述

建筑师和结构工程师一直在设法解决在易发生地震地区设计房屋、桥梁或其他建筑物的问题。最近在圣弗朗西斯科发生的地震就是在这种地区不正确设计建筑物可能产生的灾难性后果的一个例子。

过去已提出过很多方案以提高各种建筑的抗地震安全性。通常，最新的方案是结合各种强度(即保持弹性又具有承受较大力的能力)、形变能力和能量吸收能力的各种特性。例如，已知的用弹性较大的支承件来支撑可延伸的钢筋混凝土结构建筑物，以便将建筑物与它地下的地基相分隔。但是这样的支承可能太贵，并且一些支承还要受到环境的影响。

过去也曾建议使用在工作型负载下不易弯曲但在大地震型负载下却会受压弯曲和吸收能量的的低碳钢能量-吸收装置。这样的方案取决于用作底部分隔装置的钢条的滞后能量吸收能力。

本发明的技术方案

本发明目的在于提供一种真正有效的、经济的、易安装的、能长期使用的、能够吸收潜在的破坏性的地震力的、又能防止支撑结构倒塌的底层分隔系统。

本发明使用许多刚性地连接于在它的上端面附近的、以保护建筑物的细长的、相对具有柔性的空心管子，管子向下延伸至建筑物地下的地基中。至少一些管子(最好是全部)被灌注材料以阻尼管子引起的运动；为此，最好灌注混凝土。另外，全部的分隔部件应包括可有效地将至少一些管子与地基连接以防止建筑物倒塌的装置。另外，将这些管子与地基相连使得它在其中可作一定范围的向上运动以反抗一增加的倾斜力。

一基本承重元件也作为这个完整的分隔部件的一部分，并且与各管子间隔一定距离设置。为此，通常可使用一空心的、横截面是一个正方形或环形的钢筋混凝土柱，并且许多管子向下延伸穿过柱体。这个承重元件支撑在地基上，并向上延伸至建筑物以提供一个上端面。支承件被置于承重元件与建筑物之间，以结合后两者，并允许在其间有相对侧向运动。在有地下室的小型建筑物中，地下室的墙壁可作为基本承重元件以代替单个的结构柱。

在实际的应用中，某一建筑物将具有分隔部件，它被安装在一般的承重柱的位置上，但又安装了如上所述的支承件和内部管子。

本发明的分隔部件用于将侧向稳定性与支持结构的柱系统的承载能力相分隔，这样可减小传送到分隔开的建筑物上的土地振动。

附图简介

图1所示为一多层房屋的结构框架的局部视图，其中本发明的分隔部件被设置于框架的底层和地下的地基间，为了清楚起见一部分被局部剖开；

图2所示为描述分隔部件的重要部分的局部视图，其中一部分被剖开某些部分在局部剖视图中显示；

图3a所示为沿着图2中的3a-3a线的横断面图，局部被剖开用来显示使用一空心的，横截面为正方形的混凝土柱、角上有低摩擦支承件的分隔部件的结构；

图3b.所示为与图3a相似的视图，但它所示的是一使用一空心的，横截面为环状的柱、并有分开的低摩擦支承件的分隔部件；

图4所示为一用于本发明的较佳支承件的构件的分解图；

图5所示为一较佳的弹簧加压的连接装置的放大的垂直剖面图，该装置用于将管子的最低端固定于建筑物的地下地基中；

图6所示为一与图5相似的视图，但显示的是另外一种类型的弹簧加压的连接装置；

图7所示为一说明按照本发明的分隔部件的构件的横截面图，其中在空心柱内使用一组被捆扎的管子；

图8所示为一放大的说明图7实施例中管子定位的局部视图；

图9所示为一说明一根辅助钢索固定于建筑物框架底部的局部视图

图10所示为沿着图5中的线10-10截取的、进一步说明管子连接布置的截面图；

图11所示为一局部的大体示意的侧面图说明使用于构成大型建筑一部分的多层地下室的本发明分隔部件，其中分隔部件在支撑结构和第一层地下室之间相互连接，以提供给该部件一虚拟的地面；

图12所示为一平面示意图说明本发明在有地下室的小型房屋中的使用，其中地下室的墙作为基本承重元件；

图13所示为一局部的大体示意的侧面图，说明图12实施例中的分隔部件的相互连接；

图14所示为图12中使用的构成分隔部件一部分的、较佳的、灌注-混凝土的一根管子的一横截面图；

图15所示为图12实施例中使用的弯角支承板的一平面图；

图16所示为图14中描写的支承板的一侧面图；

图17所示为使用于图12实施例中两角之间的直线型支承板的一平面图；和

图18所示为图17所示支承板的一侧面图；

较佳实施例的描述

现在请翻到附图并参阅图1，所示为结合许多稳定性隔离部件22对一多层建筑的骨架构架20进行说明，隔离部件被设置于构架20的底屋24与一地下的钢筋混凝土地基26之间。大体上说，每一个隔离部件22均包括许多细长的，可相对弯曲的空心管28，一空心的，完整的，垂直向上的承重柱30它将管子28围住，并且总的用由数字32表示的支承装置有效地被置于构架20的底部与相对应的柱体30的上端面间。

更详细地说明，骨架构架20完全是普通的结构，除去底层24之外，它还包括普通的垂直柱体34和各个楼层的地板36，38。构架20通常可由任何所要的建筑材料，如钢筋混凝土构成，并且在关键的位置，提供一般的支承区域40形成底层24的一部分。在所示的例子中所示每个支承区域40提供一对水平横梁40a，40b。

相同的，地基26也是普通的形式(除了这里与管子28有关的的修改外)，它有底座42；地基26也是由钢筋混凝土形成的。

现在请注意图2和图3a，它们将更详细地描述一个隔离部件22。在这里可观察到众多管子28相互间有一定间隔的设置，并且形成了有多根周边管子28a和一根中间的管子28b的排列。这些管子都是普通的薄壁金属结构，并且直径范围从大约3/4英寸到3英寸。每根管子28a，28b都灌注了适当的阻尼材料，这里是混凝土44。管子28最上端部延伸进入、并且被埋置于支承区域40的钢筋混凝土内。如图1所示，可见管子向上延伸穿过底层24，并进入被连接的柱体34内。为增强管子28与构架20间的固定连接，可在管子上使用侧向延伸的凸缘或杆环(图中未示)。更广泛地说，可以通过任何方便的或合适的方法将管子28固定到如构架20这样的结构上去，只要在单个的管子和结构间能有效地固定连接。在所示的实施例中，管子28延伸进入并且被埋置于地下的地基26的底座42内。这里再一次，能有效地将管子28与地基26连接的其他合适的方法也可被应用，在下文中将详细描述两种较佳的方法。

每一整个部件22还包括一垂直的，空心的，完整的，基本的承重柱46。在图1-3a的实施例中，柱46的横截面是正方形的并且在每个支架下面还包括诸垂直的加强筋48。如图2所示，一金属加强件50穿过每一个加强筋48，并且进入地底下的地基26，以加强柱46的刚性和侧向稳定性。在这里，可见每根柱46均被支撑在底座42的顶部，并向上朝着骨架构架20延伸；在每根柱46的上端，安装有支撑物。

整个支承装置32由许多相同的支承部件54所组成，每个支承部件均被装置于对应的梁40a，40b的下面。每个支承部件54(见图3a)包括一截方头三角形底座56，后者支承一直立的由具有相对较低的摩擦系数材料所构成的支架垫板58(如由具有或不具有润滑作用的青铜、铁、铅或粉末冶金金属制成的轴承合金)。底座56(见图4)在它每个角落附近设置有一孔60，以使底座与支撑板52相连接。另外，一对相反倾斜的，相互配合的、开有槽口的薄垫片62、64被设置于底座56的每个角落下面，它的槽口与连接孔60对齐。总数为三个的有点J-型的螺纹连接件66被设置于用于每个支架部件54的柱46中，并且向上延伸穿过薄垫片槽口和孔60。然后使用螺钉帽68将支承部件固定在柱上。提供一对相配合的薄垫片62、64对于适当调节每个支承部件54的高度和位置是十分合适的，这样可防止支承件上产生不均匀负载和/或可在支架上形成一理想的的正常负载。

各个支架垫板58被用于与支撑区域40的底部相结合并允许在承重柱46与构架20间作相对侧向运动。为了便于这种作用，一金属滑片70被固定于每个支撑区域40下方、垫板58与支撑区域相接触的区域。每块滑片70通过许多埋设在混凝土或固定于由普通的建筑材料制成的连接支撑区域内的头状螺栓71而被固定。

图3b所示为一相似的隔离部件22，其中是由一空心的环形柱72构成。后者每相隔90度还具有一垂直加强筋74，并且后者有一相互连接的加强件50被埋置于其中，正如正方形柱46那样。这个实施例的隔离部件22也包括许多混凝土灌注的管子28，和在加强筋74上的4个支承部件54。四个分开的滑板78附设于连接支撑区域40的下端，并与每个支承部件54的各支承垫板58共同作用。

在本发明的较佳形式中，至少在每个柱46或72中的每个排列中的诸周围管子28a以一种能使周围的管子克服一增加的偏压力而作有限的向上运动的方式与地基20连接。现在第一次注意到图5和10，它说明这样一个连接结构。具体地，安装了一管子连接装置80，它包括一牢固安装在底座42上、并提供一最低支撑板82的管子-安置底座和在支撑板上方具有一定间距的一上部环形挡环84。在所示的具体实施例中，支撑板82和挡环84均被埋置于底座42的混凝土中。而且通过也埋置于底座42内的螺帽和螺钉部件86装置可进一步防止向上拔起固定挡环。安置于装置80内的管子28a的最低端装有一邻接板88，它通过焊接或其他简便的方式被固定。邻接板88被成形和安排用于将管子28a的最低端保持在支撑板82和挡环84之间。一螺旋弹簧90被设置于邻接板88和挡环84之间，并且安置于装置80内的管子28a的最下部附近。从图中很容易理解，管子28a的向上运动要克服螺旋弹簧90的加压。

图6所示为另一相似的管子连接装置92。在这个例子中，装置92包括一固定连接在底座42上并提供一向上延伸的销轴96的底座94，销轴有一牢牢固定于其上端面的邻接板98。底座94通过埋置的的螺帽和螺钉部件100而防止向拔起而固定。

在这个实施例中，管子28a的最低端是空心的，并具有一连接板102和一挡环104。正如图6中所示，板102是从管子28a的最底部的端面向上有一定距离地设置，并被限定在管子的区域内。另一方面，挡环104被设置于板102的下方但也同样被限定在管子28a的区域内。环104是环形的并且如图所示可滑动地接纳销轴销轴96；通过这样定位，邻接板98和环104共同作用将销轴96的上端保持在连接板102与挡环104之间。一螺旋弹簧106被设置于挡环104与连接板102之间，并位于销轴96的上部接纳端的附近。这里又可很容易地看出管子28的向上运动克服弹簧106的加压。

虽然在图1-3a和3b的实施例中所示的管子28相互间是具有一定间距地设置的，本发明并不受到这样的限制。例如，可使用许多管子108(见图7-8)其中各根的灌注混凝土的管子相互接触而形成一捆的排列。这些管子也可坚实地灌注混凝土110或相似的阻尼材料。管子排列的具体类型并不很重要，重要的是管子与围着的柱或其他支撑元件的界定墙壁有充分的间距，以防地震发生时管子与支撑构件间发生显著的接触。如图3a和图7所示，在承重元件(即柱46)与离它最近安装的管子间最小距离要比最近的管子的最大横截面的尺寸(即直径)大。最后，当使用完整的空心支撑柱的较佳形式时，可通过使用设置于管子陈列周围的有间距的垂直的板或相似的方法来实现本发明。

为了达到最有效的防震效果，本发明的分隔部件可结合其他用于增强某一建筑的抗地震能力的装置一起使用。例如，再参阅图1，可见相互交叉的可弯曲的钢索112、114被埋置在构架20的底层24和地基26间、并在它们之间延伸。在安装时，这些钢索相对松驰，并且通过一定位弹簧118保持被悬挂的状态(例如在门口116的上方)。熟悉本技术领域的人员可以理解的是：钢索112、114用于防止在不能预料的剧烈地震形况下构架20相对地基26过度的侧向移动。可以通过任何普通的方法实现钢索112与114的连接，例如通过一埋置于底层24内的插销120，使钢索围着插销成，环并被连接件122固定。

作为一附加的方法，钢筋混凝土承重墙124被有利地安装在地基26和底层24之间。具体地，墙124的上承重表面被设置于稍低于支承装置32和底座24之间的相结合的位置上。这样，万一彻底失败，建筑物的结构可支撑在承重墙上，从而避免整个建筑物的完全倒塌。

通常使用分隔部件22时，主要的结构负载是通过单个支承部件54的结构由垂直柱46或72所承担的。混凝土-灌注的管子仅承担一较小的压力。正如以上所述，主要支柱46或72与所支撑的建筑物没有剪切或力矩连接件。

如果发生地震的干扰，混凝土-灌注的管子与支撑柱相连用来大大降低地震传递到分隔的建筑物的加速度，这样也降低层间的移动。当发生移动时灌注到各根管子中的混凝土作为一局部加强件和减振器。具体地，混凝土的灌注以振动吸收器的形式有助于分裂和阻尼运动。当这种情况发生时管子也作为拉力杆以帮助防止受保护的建筑物分离或倒塌。在这样的连接中，使用如图5和6所描述的弹簧加压管连接件是特别有效的，因为当翻转力矩增大时用于阻止翻倒的拉力也增大了。最后，混凝土-灌注的管子控制了受保护的建筑的自然周期和并在地震发生后提供使建筑物回到它原来位置的一恢复力。

支承部件支撑建筑物，并将偏心负载传送至支撑柱，这是为了在被迫的振动运动下维持建筑物的稳定性使它保持平衡。因此将支承件设计成与滚动支承有相似的功能，对于在建筑物和支撑柱间的相对侧向运动只有很小的阻力。

交叉的钢索112、114作为一非线性弹簧以防止过度的侧向位移，即，当需要时建筑物的侧向阻力将增加。只要变形是小的，将承重墙124设计成与被保护的建筑物分开。当地震的级数较高时这些墙变得十分有效，即当建筑物的侧向变形引起的垂直位移足够大，以致于使受保护的建筑物和承重墙发生接触时，墙提供附加的支承力，以支撑变形的建筑物，并提供摩擦力以吸收动能和减少振动幅度。

因此本发明提供了许多以前的设计所没有的优点。例如本发明的分隔部件是被动式的装置，并能吸收压力和拉力负载。该部件可长久使用，并在力量和功能上不会有大的退化；这与以前使用的弹性橡胶支承垫中发生的损坏老化过程相反。最重要的是，本发明的分隔部件即使在强地震引起侧向位移的情况下也能保持稳定，以使受保护的建筑物在强地震过程中以及震后都能保持平衡。同时，该部件提供强拉力以反抗翻倒力矩。

图11说明本发明在一具有多层地下室126(即地下层有毛地板128、130和最低的地基132)的建筑物中的应用。如图所示毛地板，128、130通常均有加固的金属梁134，毛地板128有一钢筋混凝土部分136。如图所示，建筑物125是由地下室126和地基132所支撑的。在它的末端，建筑物125提供了一具有钢筋混凝土底层盖板140的最低地板平板138。一典型的大空心柱142(见图11部分)在盖板140和毛地板128之间延伸，作为一基本承重元件。同时也可看到，相似的柱144和146被设置于毛地板128、130之间，以及毛地板130和地基132间，藉此向建筑物125提供了完整的结构支撑。当然，很明显建筑物125还有许多如图11所描述的相似的空心柱以提供足够的结构支撑。

分隔部件148是许多与前面描述的那些管子大致相同的垂直的，水泥-灌注的金属管子150。管子150的下端被埋置于136部分，而它的上端延伸进入并被埋置于盖板140和平板138中。当发生地震时管子150与前面所描述的方式一样作用。既然这样，但不能将管子150从建筑物125中延伸到下面的地基132中。因此，对于管子150的下端，136部分有效地构成了一虚拟的地面或地基。

也可看到柱142的上端面有一系列支承件152，它们与固定在底座盖板140下侧的滑板154相接触。藉这些支架部件可使柱142和建筑物125间发生相对侧向移动。

请参阅图12-18，它们描述本发明在诸如有地下室的单个家庭住房等小型建筑物方面的应用。如图12-13所描述，一房屋156被建在由相互连接的、钢筋混凝土构制的地下室的墙158上并由它支撑。房屋156本身完全是普通的，并提供一下层地板结构160，它一般包括设置在地下室的墙158上的支撑梁162。地下室的结构包括墙158和一支撑墙158的混凝土地基164。正如特别在图12中所示，房屋地下室的内部可设置非承重内部墙166。

稳定性分隔是通过许多从地基164延伸至地板结构160的垂直水泥-灌注管子168而形成的。如图13很好的示出每根管子168均被埋置于地基164内。为了能充分的连接，管子168的下端可具有径向增大的杆环结构170。每根管子168的上端通过任何方便的方法与房屋156相连接以传递剪切力、力矩、和拉力。在所示的实施例中，管子168通过连接件172而固定在梁162上。图14所示为一典型的管子168的横截面，可见管子是灌注混凝土174的。

再参阅图12，可见管组168位于地下墙互相连接处地下室的的角落区域。另外，每根管子均沿着墙的长度具有一定间距的排列。如图所示管子也可被设置于墙166内。这样可使一些管子被有效地隐藏而不影响它的可操作性。

地下室的墙158的上端面具有一系列支承板176，178。如图所示，支承板176的平面形状基本上是L-型，在图15和16中有更详细的描述。具体地说，每个平板176均有一直立部分180它有一平坦的最上表面182。平板还有带孔的侧向突缘184，186，它们可使用埋置在地下室的墙158的混凝土结构内的螺纹连接件安装平板176。再参阅图12可很容易看出，平板176是被固定于由地下室的墙158形成的直角区域中的。

事实上，平板178是与平板176相同的除了前者是直线型而非L-型。从图17，18可明显看出，每个支承板178有一最上的支承表面190和可通过连接件188安装的带孔侧向突缘192。平板178沿着地下室的墙158的长度方向在角支承板176间有一定间隔的设置。

各个金属滑动平板或垫板194被固定于地板结构160的下端面(见图13)，用于与支承板176、178的上表面结合。在这种形式中，在承重的地下室墙158与被支撑的房屋间156之允许有相对的移动。

当地下室的墙158的外观比例(长比高)大于1时，提供中间的，向内延伸结构的分隔墙或将地下室的墙造成可以具有多个整体垂直的加固肋，这只是建筑设计的问题。这确保地下室的墙结构有足够的抗弯曲能力，以便适当调节由于地震所引起的压力。或者，可在土地和地下室的墙间使用一厚度大于相邻地下室的墙的软灌注物以减小土地的压力。

如图12所示，与相邻的地下室的墙158间隔一定的距离设置管子168。虽然由于图的标度原因在图12中未能充分表示，但应该理解管子离最近的地下室的墙表面至少是它的直径的两倍，即从给定的一根管子的中心到最近的墙面的距离应大于那根管子直径的两倍。

当然，按照前述的方法使用本发明的稳定性分隔件的房屋或其他小型建筑可提供抗震保护。即，当几乎完全由地下室的墙158承受房屋的静重时，管子168可阻碍受保护建筑物的倒塌。而且地下室墙158与受支撑的房间156丝毫没有剪切或力矩连接。

已描述了本发明在提供抗地震方面的基本用途，本发明也可用于其他方面，例如，在长跨度刚性结构桥梁中，将柱的侧面稳定性一的支撑强度相分离可降低由于温度而引起的应力。

Claims (11)

1.一稳定性分隔部件，它被应用于由外围的地下室的墙所构成的地下室之上的建筑物和地下的地基之间，该部件包括：

许多细长的，相对可弯曲的，空心管子，它们适用于将它们的上端面与上面的建筑物固定地连接，并向下延伸至地基，至少一些管子灌注了物质，以阻尼管子产生的运动；

连接装置，它用于有效地将至少一定的管子与地基相连接以防止上面的建筑物的倒塌；

一与许多管子相距一定距离设置的基本承重构件，该承重构件用于设置在地基上、并且向上延伸到上面的建筑物，并有一上端面，所述的构件包括提供上表面的所述外围地下室墙，

基本承重构件与众多管子间的距离，是为了防止在管子产生运动时管子和基本承重构件以及所述外围地下室墙之间有明显的接触；以及

被安置在所述地下室墙上表面和所述上面建筑物间的支承装置，用于结合所述的上表面和所述上面的建筑物，来允许它们间的相对侧向运动。

2.如权利要求1所述的稳定性分隔部件，其特征在于，有许多所述的管子是用于放置在由所述的外围地下室墙所形成的至少某些角落的附近，所述的每根管子沿着所述的地下室墙在所述的角落之间有间距的设置。

3.如权利要求1所述的稳定性分隔部件，其特征在于，所述的管子相互间隔有一定的间距。

4.如权利要求1所述的稳定性分隔部件，其特征在于，所述的阻尼材料包括混凝土。

5.如权利要求1所述的稳定性分隔部件，其特征在于，所述的所有管子都灌注了所述阻尼物质。

6.一稳定性分隔部件，它被应用在位于提供许多垂直地隔开的毛地板的多层地下室之上的上面的建筑物和最下面的地基之间所述的部件包括：

许多细长的，相对可弯曲的，空心管子，它们用于将它的上端面与上面的建筑物固定地连接，并向下延伸至一所述的毛地板，至少一些管子灌注了物质，以阻尼管子产生的运动；

连接装置，它用于有效地将至少一定的管子与所述一毛地板相连接，以防止上面的建筑物的倒塌的；

一与许多管子相距一定距离设置的基本承重构件，并且提供一上表面，它用于放置相邻的所述上面的建筑物；

基本承重构件与许多所述管子间的距离，用以防止在管子产生运动时，管子与支撑构件之间有明显的接触；以及

被安置在所述地下墙和所述上面建筑物间的支承装置，用于结合所述上表面和所述的上面的建筑物，来允许它们之间的相对侧向运动。

7.如权利要求6所述的稳定性分隔部件，其特征在于，所述的管子被用于与最接近所述上面建筑物的毛地板相连接。

8.如权利要求6所述的稳定性分隔部件，其特征在于，所述承重元件包括接纳所述的管子放置其中的一空心柱。

9如权利要求6所述的稳定性分隔部件，其特征在于，所述的管子相互间隔有一定的间距。

10.如权利要求6所述的稳定性分隔部件，其特征在于，所述的阻尼材料包括混凝土。

11.如权利要求6所述的稳定性分隔部件，其特征在于，所述的所有管子都灌注了所述阻尼物质。

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