CN108331418B - 模块化装配式混合控制房屋结构体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化装配式混合控制房屋结构体系，具有装配结构主体、隔震层和调谐质量阻尼装置；隔震层设置在装配结构主体的上部结构和下部支撑结构之间，调谐质量阻尼装置设置在装配结构主体的结构顶层上；装配结构主体是由模块化单元构成，模块化单元为预制剪力墙单元和/或预制框架单元。本发明有效提高了装配式结构的整体性及抗震性能，扩大了装配式结构的运用范围，提高了预制装配建筑结构装配化率及结构质量。
Description
技术领域
本发明涉及装配式建筑结构，更具体地说是一种模块化装配式混合控制房屋结构。
背景技术
建筑工业化是当代建筑技术的发展趋势之一，装配式结构主要是由预制柱、预制梁、预制楼板、预制剪力墙等在施工现场拼装组成，其相比于现浇结构具有节约劳动力、施工进度快、绿色环保、现场湿作业少、便于机械化施工等优势，但现有技术中的装配结构仍然存在着预制构件过于零散，预制装配率不高，现场装配工作较为复杂等缺陷，而未能充分发挥装配式结构优势；同时，现有技术中的装配式结构由于结构整体性不高而导致抗震性能相对较差，又局限其向高低烈度区的推广应用。
结构隔震技术被誉为半个世纪以来“世界地震工程最重要的成果之一”，其通过在建筑物上部与下部之间设置柔性隔震层，以阻绝地震能量向上部结构传递。近年来的实践经验和研究成果也表明，将隔震技术与装配式结构相组合，可有效增强装配式结构抗震性能，减小结构地震反应，保护装配式结构不受损害。但实际地震成分复杂，其中的长周期成分、脉冲成分，都将可能引发隔震结构发生共振，从而引起柔性隔震层产生过大变形，导致隔震层的损坏或者隔震结构与相邻结构发生碰撞损坏。现有技术中，通过在隔震层增设阻尼器或限位器以限制隔震层位移避免隔震结构发生破坏，但这种方式同时限制了隔震系统的减震效果。
以上种种不利因素大大限制了装配式结构的全面推广运用及隔震技术在装配式结构中的运用。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种模块化装配式混合控制房屋结构体系，在提升预制装配化率、缩短施工工期、使上部各模块灵活多样从而简化现场施工工艺的同时，提高结构整体性和抗震性；并且在不减小装配式房屋隔震系统减震性能的前提下，有效降低隔震层共振位移，防止隔震结构产生破坏。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明模块化装配式混合控制房屋结构体系的特点是：所述结构体系具有装配结构主体、隔震层和调谐质量阻尼装置，所述装配结构主体具有上部结构和下部支撑结构，所述隔震层设置在上部结构和下部支撑结构之间，所述调谐质量阻尼装置设置在装配结构主体的结构顶层上；所述装配结构主体是由模块化单元构成，所述模块化单元为预制剪力墙单元和/或预制框架单元；
在所述隔震层中设置隔震支座，所述隔震支座的顶端连接上部结构，隔震支座的底端连接下部支撑结构；所述隔震支座采用兼具承载力和消能能力的铅芯橡胶支座；
所述调谐质量阻尼装置由质量块、支座和阻尼器组成，用于对质量块形成支撑的支座与装配结构主体中的结构顶层预埋件螺栓连接或焊接连接；所述支座是能够满足可调式调谐质量阻尼装置在变形后自复位要求，以及满足调谐频率要求的弹性体。
本发明模块化装配式混合控制房屋结构体系的特点也在于：
所述预制剪力墙单元是由同一层的剪力墙及处在剪力墙上端的预制剪力墙单元楼板构成的半封闭式盒体结构，每片预制剪力墙单元楼板下至少含有一片剪力墙；每片剪力墙的上端设有穿过预制剪力墙单元楼板的剪力墙连接钢筋，每片剪力墙的下部留有剪力墙预留连接孔，相邻楼层的预制剪力墙单元之间利用对应位置上的剪力墙连接钢筋和剪力墙预留连接孔进行配合，并通过套筒灌浆、浆锚连接或螺栓进行连接；
所述预制框架单元是由同一层的框架柱、框架柱上部的框架梁及预制框架单元楼板组成，每片预制框架单元楼板下至少包含一根框架柱；在所述框架柱的上端设有框架柱连接钢筋，在所述框架柱的下端预留有框架柱预留连接孔，相邻楼层预制框架单元之间利用对应位置上的框架柱连接钢筋和框架柱预留连接孔进行配合，并通过套筒灌浆、浆锚连接或螺栓进行连接。
本发明模块化装配式混合控制房屋结构体系的特点也在于：
相邻模块化单元之间的楼板，利用相应构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接，并在完成连接后浇混凝土，使相邻模块化单元之间的楼板呈整体；
同层预制剪力墙单元中各片剪力墙竖向接缝是利用相应构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接，并在完成连接后浇混凝土。
同层预制框架单元中框架梁和框架柱之间的连接是利用相应构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接，并在完成连接后浇混凝土；或采用耗能连接；
同层预制剪力墙单元和预制框架单元是利用构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接后再后浇混凝土连接；或采用耗能连接；
所述耗能连接为：粘弹性耗能连接、金属耗能连接或摩擦耗能连接进行连接；
本发明模块化装配式混合控制房屋结构体系的特点也在于：所述阻尼器由钢桶、阻尼液和钢管构成，顶面敞口的钢桶内盛阻尼液且与所述结构顶层预埋件焊接固定，底口封闭的钢管采用螺栓连接或焊接固定连接在质量块的底面；所述钢管没入在阻尼液中，在钢管与钢桶发生相对运动时，利用阻尼液的附着力产生的阻尼力消耗能量。
本发明模块化装配式混合控制房屋结构体系的特点也在于：通过调整钢管与阻尼液的接触面的大小来调节阻尼器的阻尼比，包括采用增减阻尼液的用量、改变钢管的直径或长短，以及在钢管表面开孔的形式。
本发明模块化装配式混合控制房屋结构体系的特点也在于：所述质量块由多块钢板利用质量块螺栓连接为整体，通过增减钢板的数量改变质量块的质量，使调谐质量阻尼装置改变控制频率。
本发明模块化装配式混合控制房屋结构体系的特点也在于：所述质量块可采用建筑设备作为全部或部分质量，所述建筑设备包括屋顶消防水箱。
本发明模块化装配式混合控制房屋结构体系的特点也在于：所述钢桶和质量块的间隙上设置防尘罩，所述防尘罩的上端连接在质量块的底面，防尘罩的下端与钢桶的顶部沿口相连接。
本发明模块化装配式混合控制房屋结构体系的特点也在于：所述支座是橡胶隔震支座、螺旋弹簧支座、碟簧支座、板簧支座中的任一种形式，或多种结构形式的叠加。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明将由隔震与减振系统组成的混合控制系统引入装配式结构中，在进一步提高了装配式结构的抗震性能、扩大了装配式结构运用范围的同时，有效避免了传统隔震结构的共振破坏，发挥了混合控制系统的优势。当地震作用时，隔震层将阻绝地震能量向上部结构传递，降低地震作用对上部结构的破坏，再结合隔震支座吸收消耗地震能量，避免了传统装配式结构仅通过梁柱节点、梁板节点等损伤的方式消耗地震能量，维护了模块化装配式结构整体性，增强了结构的安全性和鲁棒性。对于地震长周期或脉冲分量作用下隔震层的大变形，结构主体顶层的调谐质量阻尼器能有效吸收部分隔震层能量和地震输入能量，从而减小隔震层位移和结构响应，增大隔震层与模块化装配式结构的安全性。
2、本发明结构体系中的主要构件，包括预制剪力墙单元、预制框架单元、隔震支座、调谐质量阻尼器均可在工厂生产，现场组装，极大地提高了现场施工效率、节约了工期，并且相比传统装配式结构中预制梁、预制板和预制柱等构件，本发明中预制剪力墙单元和预制框架单元为整体单元，大大提高了预制装配建筑结构装配化率、结构装配质量和结构整体性，使得结构各模块灵活多样，更好地发挥了工业化生产和机械施工效率，简化了现场施工工艺，提高了结构的抗震性能。
3、针对本发明结构体系，在地震发生后，若混合控制系统中的隔震支座和调谐质量阻尼器作为耗能构件发生损坏，可以直接进行更换，在更换修复期间不妨碍主体结构的使用；
4、针对本发明结构体系统，当结构因装潢、改造、局部修缮等造成结构实际频率与调谐质量阻尼器设计控制频率产生偏差造成调谐质量阻尼器失调，影响控制效果时，可通过对调谐质量阻尼器阻尼比、质量块进行简单调整即可消除影响，方便快捷。
附图说明
图1为本发明结构体系示意图；
图2a、图2b和图2c为本发明中预制剪力墙单元不同形式示意图；
图3a、图3b和图3c为本发明中预制框架单元不同形式示意图；
图4为本发明中调谐质量阻尼装置立面示意图；
图5为本发明中调谐质量阻尼装置俯视示意图；
图中标号：1隔震层，11隔震支座，2装配结构主体，21上部结构，22下部支撑结构，3调谐质量阻尼装置，31质量块，311钢板，32阻尼器，321钢桶，322阻尼液，323钢管，33支座，34防尘罩，41预制剪力墙单元，411剪力墙，412预制剪力墙单元楼板，42预制框架单元，421框架柱，422框架梁，423预制框架单元楼板。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，本实施例中模块化装配式混合控制房屋结构体系具有装配结构主体2、隔震层1和调谐质量阻尼装置3；装配结构主体2具有上部结构21和下部支撑结构22，隔震层1设置在上部结构21和下部支撑结构22之间，调谐质量阻尼装置3设置在装配结构主体2的结构顶层上；装配结构主体2是由模块化单元构成，模块化单元为预制剪力墙单元41和/或预制框架单元42；在隔震层1中设置隔震支座11，隔震支座11的顶端连接上部结构21，隔震支座11的底端连接下部支撑结构22；隔震支座11采用兼具承载力和消能能力的铅芯橡胶支座；调谐质量阻尼装置3由质量块31、支座33和阻尼器32组成，用于对质量块31形成支撑的支座33与装配结构主体2中的结构顶层预埋件螺栓连接或焊接连接；支座33是能够满足调谐质量阻尼装置3在变形后自复位要求，以及满足调谐频率要求的弹性体。支座33可以是橡胶隔震支座、螺旋弹簧支座、碟簧支座、板簧支座中的任一种形式，或多种结构形式的叠加；将质量块与阻尼器共同设置在结构体系中能够有效耗散结构振动能量。
参见图2a、图2b和图2c，本实施例中预制剪力墙单元41是由同一层的剪力墙411及处在剪力墙上端的预制剪力墙单元楼板412构成的半封闭式盒体结构，每片预制剪力墙单元楼板412下至少含有一片剪力墙411，图2a所示是在预制剪力墙单元楼板412下预制有四片剪力墙411，图2b所示是在预制剪力墙单元楼板412下预制有三片剪力墙411，图2c所示是在预制剪力墙单元楼板412下预制有一片剪力墙411；每片剪力墙411的上端设有穿过预制剪力墙单元楼板412的剪力墙连接钢筋，每片剪力墙411的下部留有剪力墙预留连接孔，相邻楼层的预制剪力墙单元41之间利用对应位置上的剪力墙连接钢筋和剪力墙预留连接孔进行配合，并通过套筒灌浆、浆锚连接或螺栓进行连接。
参见图3a、图3b和图3c，本实施例中预制框架单元42是由同一层的框架柱421、框架柱上部的框架梁422及预制框架单元楼板423组成，每片预制框架单元楼板423下至少包含一根框架柱421；图3a所示是在预制框架单元楼板423下预制有四根框架柱421，图3b所示是在预制框架单元楼板423下预制有三根框架柱421，图3c所示是在预制框架单元楼板423下预制有两根框架柱421；在框架柱421的上端设有框架柱连接钢筋，在框架柱421的下端预留有框架柱预留连接孔，相邻楼层预制框架单元42之间利用对应位置上的框架柱连接钢筋和框架柱预留连接孔进行配合，并通过套筒灌浆、浆锚连接或螺栓进行连接。
具体实施中，相应的连接结构为：
相邻模块化单元之间的楼板，利用相应构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接，并在完成连接后浇混凝土，使相邻模块化单元之间的楼板呈整体。
同层预制剪力墙单元41中各片剪力墙竖向接缝是利用相应构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接，并在完成连接后浇混凝土。
同层预制框架单元42中框架梁422和框架柱421之间的连接是利用相应构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接，并在完成连接后浇混凝土；或采用耗能连接。
同层预制剪力墙单元41和预制框架单元42是利用构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接后再后浇混凝土连接；或采用耗能连接。
耗能连接为：粘弹性耗能连接、金属耗能连接或摩擦耗能连接进行连接；
参见图4和图5，本实施例中阻尼器32由钢桶321、阻尼液322和钢管323构成，顶面敞口的钢桶321内盛阻尼液322且与结构顶层预埋件焊接固定，底口封闭的钢管323采用螺栓连接或焊接固定连接在质量块31的底面；钢管323没入在阻尼液322中，在钢管323与钢桶321发生相对运动时，利用阻尼液322的附着力产生的阻尼力消耗能量。
具体实施中，通过调整钢管323与阻尼液322的接触面的大小来调节阻尼器32的阻尼比，包括采用增减阻尼液322的用量、改变钢管323的直径或长短，以及在钢管323表面开孔的形式；质量块31由多块钢板311利用质量块螺栓连接为整体，通过增减钢板311的数量改变质量块31的质量，使调谐质量阻尼装置3改变控制频率。多块钢板311拆分后也便于运输；阻尼器的阻尼比以及质量块的质量具体可根据优化设计要求或现场实测进行调整，有效避免失调影响，更好地发挥调谐质量阻尼器的减振性能。
在现场条件允许的情况下，质量块31可以采用建筑设备作为全部或部分质量，建筑设备包括屋顶消防水箱，能降低系统成本，并优化设备布置。
图4所示，为防尘、防水，以及阻止外环境污染阻尼液，钢桶321和质量块31的间隙上设置防尘罩34，防尘罩34的上端连接在质量块31的底面，防尘罩34的下端与钢桶321的顶部沿口相连接。
根据房屋结构体系不同的结构形式，装配结构主体2针对其模块化单元可能选择为预制剪力墙单元41，可能选择为预制框架单元42，也可能选择为预制剪力墙单元41和预制框架单元42的混合形式。
Claims (6)
1.一种模块化装配式混合控制房屋结构体系，其特征是所述结构体系具有装配结构主体(2)、隔震层(1)和调谐质量阻尼装置(3)，所述装配结构主体(2)具有上部结构(21)和下部支撑结构(22)，所述隔震层(1)设置在上部结构(21)和下部支撑结构(22)之间，所述调谐质量阻尼装置(3)设置在装配结构主体(2)的结构顶层上；所述装配结构主体(2)是由模块化单元构成，所述模块化单元为预制剪力墙单元(41)和/或预制框架单元(42)；在所述隔震层(1)中设置隔震支座(11)，所述隔震支座(11)的顶端连接上部结构(21)，隔震支座(11)的底端连接下部支撑结构(22)；所述隔震支座(11)采用兼具承载力和消能能力的铅芯橡胶支座；所述调谐质量阻尼装置(3)由质量块(31)、支座(33)和阻尼器(32)组成，用于对质量块(31)形成支撑的支座(33)与装配结构主体(2)中的结构顶层预埋件螺栓连接或焊接连接；所述支座(33)是能够满足可调式调谐质量阻尼装置(3)在变形后自复位要求，以及满足调谐频率要求的弹性体；
所述预制剪力墙单元(41)是由同一层的剪力墙(411)及处在剪力墙上端的预制剪力墙单元楼板(412)构成的半封闭式盒体结构，每片预制剪力墙单元楼板(412)下至少含有一片剪力墙(411)；每片剪力墙(411)的上端设有穿过预制剪力墙单元楼板(412)的剪力墙连接钢筋，每片剪力墙(411)的下部留有剪力墙预留连接孔，相邻楼层的预制剪力墙单元(41)之间利用对应位置上的剪力墙连接钢筋和剪力墙预留连接孔进行配合，并通过套筒灌浆、浆锚连接或螺栓进行连接；所述预制框架单元(42)是由同一层的框架柱(421)、框架柱上部的框架梁(422)及预制框架单元楼板(423)组成，每片预制框架单元楼板(423)下至少包含一根框架柱(421)；在所述框架柱(421)的上端设有框架柱连接钢筋，在所述框架柱(421)的下端预留有框架柱预留连接孔，相邻楼层预制框架单元(42)之间利用对应位置上的框架柱连接钢筋和框架柱预留连接孔进行配合，并通过套筒灌浆、浆锚连接或螺栓进行连接；
相邻模块化单元之间的楼板，利用相应构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接，并在完成连接后浇混凝土，使相邻模块化单元之间的楼板呈整体；同层预制剪力墙单元(41)中各片剪力墙竖向接缝是利用相应构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接，并在完成连接后浇混凝土；同层预制框架单元(42)中框架梁(422)和框架柱(421)之间的连接是利用相应构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接，并在完成连接后浇混凝土；或采用耗能连接；同层预制剪力墙单元(41)和预制框架单元(42)是利用构件边缘处预留的钢筋进行螺栓连接、焊接连接或套筒连接后再后浇混凝土连接；或采用耗能连接；所述耗能连接为：粘弹性耗能连接、金属耗能连接或摩擦耗能连接进行连接；
所述阻尼器(32)由钢桶(321)、阻尼液(322)和钢管(323)构成，顶面敞口的钢桶(321)内盛阻尼液(322)且与所述结构顶层预埋件焊接固定，底口封闭的钢管(323)采用螺栓连接或焊接固定连接在质量块(31)的底面；所述钢管(323)没入在阻尼液(322)中，在钢管(323)与钢桶(321)发生相对运动时，利用阻尼液(322)的附着力产生的阻尼力消耗能量。
2.根据权利要求1所述的模块化装配式混合控制房屋结构体系，其特征是：通过调整钢管(323)与阻尼液(322)的接触面的大小来调节阻尼器(32)的阻尼比，包括采用增减阻尼液(322)的用量、改变钢管(323)的直径或长短，以及在钢管(323)表面开孔的形式。
3.根据权利要求1所述的模块化装配式混合控制房屋结构体系，其特征是：所述质量块(31)由多块钢板(311)利用质量块螺栓连接为整体，通过增减钢板(311)的数量改变质量块(31)的质量，使调谐质量阻尼装置(3)改变控制频率。
4.根据权利要求1所述的模块化装配式混合控制房屋结构体系，其特征是：所述质量块(31)采用建筑设备作为全部或部分质量，所述建筑设备包括屋顶消防水箱。
5.根据权利要求1所述的模块化装配式混合控制房屋结构体系，其特征是：所述钢桶(321)和质量块(31)的间隙上设置防尘罩(34)，所述防尘罩(34)的上端连接在质量块(31)的底面，防尘罩(34)的下端与钢桶(321)的顶部沿口相连接。
6.根据权利要求1所述的模块化装配式混合控制房屋结构体系，其特征是：所述支座(33)是橡胶隔震支座、螺旋弹簧支座、碟簧支座、板簧支座中的任一种形式，或多种结构形式的叠加。
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