CN109972970A - 一种木门框结构的抗震加固方法 - Google Patents
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Abstract
本专利涉及一种木门框结构的抗震加固结方法，其特征在于：通过对木门框中的门框梁和门框柱的相交部位进行抗震加固，形成一种木门框的抗震加固结构。本专利可显著减小加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位的夹角角位移值，有效避免木门框内的人行门在地震中被卡死，为居民在可能的震害中赢得宝贵的逃生时间。
Description
技术领域
本专利涉及一种木门框结构的抗震加固方法，属于木门框的加固领域。
背景技术
在地震灾害中，传统民居的木门框往往挤压变形严重。震前，木门框为矩形结构或近似矩形结构，门框梁和门框柱的相交部位的夹角为直角或近似直角，震中以及震后，木门框挤压变形成平行四边形结构，门框梁和门框柱的相交部位的夹角挤压变形为锐角或钝角。因此，原本作为震区灾民重要的逃生通道的门，在地震中被卡死，很难打开甚至无法打开。这使得震区灾民丧失了最佳逃生时间，甚至丧生在人行门旁边。因此，对传统民居的木门框进行抗震加固，减小木门框在地震荷载下的变形，避免木门框内的人行门在地震中被卡死，意义重大。
专利人通过检索大量专利发现，专利号“201320633555.0”公开了一种木门框加固构件，将燕尾状木块与混凝土构件作为一个整体进行砌筑，能够增加构件与墙体之间的连接强度，使木门框与墙体连接更加固定。专利号“201721396547.3”公开了一种古建筑木门，涉及古建筑修复加固领域，利用横加固杆和竖加固杆对木门结构进行加固，使得木门连接结构牢固稳定。但是专利号“201320633555.0”公开的一种木门框加固构件，只能适用在木门框周围的墙体为混凝土构件，无法用于传统民居的木门框加固。专利号“201721396547.3”公开的一种古建筑木门，只能解决正常使用状态下的古建筑木门的连接位置容易发生松动或脱落的问题，无法减小木门框在地震荷载下的变形，无法避免木门框内的人行门在地震中被卡死。
针对上述问题，结合申请人的大量试验和经验，从有效减小门框梁和门框柱的相交部位在地震中的夹角角位移，限制木门框在地震中的变形，避免木门框内的人行门在地震中被卡死的角度出发，进行理论分析，最终提出一种木门框结构的抗震加固方法。
本专利所涉及到的术语定义如下：
木门框：指由门框梁和门框柱组成的结构。
未加固的木门框：指未进行抗震加固的木门框。
加固的木门框：指进行抗震加固的木门框。
人行门：指由门框梁和门框柱组成的木门框内用于人员出入的门。
门框梁：指木门框上部的木梁。
门框柱：指木门框两侧的木柱。
上卡扣件：指放置在门框梁上的卡扣件。
下卡扣件：指放置在门框柱上的卡扣件。
上卡扣钢板：指放置在门框梁上的卡扣钢板。
下卡扣钢板：指放置在门框柱上的卡扣钢板。
上卡扣型钢：指放置在门框梁上的卡扣型钢。
下卡扣型钢：指放置在门框柱上的卡扣型钢。
上槽钢：指放置在门框梁上的槽钢。
下槽钢：指放置在门框柱上的槽钢。
上槽沟：指设置在门框梁上的槽沟。
下槽沟：指设置在门框柱上的槽沟。
上槽孔：指设置在门框梁上的槽孔。
下槽孔：指设置在门框柱上的槽孔。
上连接结构：指由放置在门框梁上的上槽钢和扣在上槽钢端部的上卡扣件构成的结构。
下连接结构：指由放置在门框柱上的下槽钢和扣在下槽钢端部的下卡扣件构成的结构。
发明内容
本专利所要解决的问题是：提供一种木门框结构的抗震加固方法，通过加固的木门框内的门框梁与门框柱的相交部位，形成一种带有抗震加固结构的木门框。解决了现有的木门框的抗震加固结构无法显著减小木门框在地震荷载下的变形问题。
本专利所采用的技术方案是：一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：通过对木门框中的门框梁和门框柱的相交部位进行抗震加固，形成一种木门框的抗震加固结构。
上述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：木门框中的门框梁和门框柱的相交部位的抗震加固结构由斜撑结构、上连接结构、下连接结构组成。
上述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：斜撑结构由n片斜撑钢板和m片斜撑连系钢板组成，自然数n的取值范围为1～5，自然数m的取值范围为0～9。
上述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：上连接结构由放置在门框梁上的上槽钢和扣在上槽钢端部的上卡扣件构成；上卡扣件可以由上卡扣钢板焊接而成，或上卡扣件也可以由上卡扣钢板与上卡扣型钢焊接而成。
上述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：下连接结构由放置在门框柱上的下槽钢和扣在下槽钢端部的下卡扣件构成；下卡扣件可以由下卡扣钢板焊接而成，或下卡扣件也可以由下卡扣钢板与下卡扣型钢焊接而成。
上述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：在门框梁上的上槽钢可以是通长布置，也可以是部分布置；在门框柱上的下槽钢可以是通长布置，也可以是部分布置。
与现有技术相比，本专利的有益效果是：
针对传统民居、农宅等的木门框进行抗震加固，可显著减小加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位的夹角角位移值，有效避免木门框内的人行门在地震中被卡死，为居民在可能的震害中赢得宝贵的逃生时间。
附图说明
图1门框梁开槽、门框柱开槽的示意图
图2上连接结构的示意图
图3 A大样图
图4上连接结构与下连接结构安装在木门框上的示意图
图5 B大样图
图6上槽钢通长布置+下槽钢通长布置的木门框抗震加固结构
图7 C大样图
图8 D大样图
图9门框梁开槽、门框柱开槽的示意图
图10上连接结构的示意图
图11上连接结构与下连接结构安装在木门框上的示意图
图12 E大样图
图13上槽钢部分布置+下槽钢部分布置的木门框抗震加固结构
图14 F大样图
图15 G大样图
图16门框梁开槽、门框柱开槽的示意图
图17上连接结构的示意图
图18 H大样图
图19上连接结构与下连接结构安装在木门框上的示意图
图20 I大样图
图21上槽钢通长布置+下槽钢部分布置的木门框抗震加固结构
图22 J大样图
图23 K大样图
图24门框梁开槽、门框柱开槽的示意图
图25上连接结构的示意图
图26 L大样图
图27上连接结构与下连接结构安装在木门框上的示意图
图28 M大样图
图29上槽钢部分布置+下槽钢通长布置的木门框抗震加固结构
图30 N大样图
图31 O大样图
图32未加固的木门框的力学示意图
图33加固的木门框的力学示意图
图34未加固的木门框在地震荷载下的变形示意图
图35加固的木门框在地震荷载下的变形示意图
本领域技术人员结合以下实施例不难明白图中各符号所示的含义，在此不再赘述。
具体实施方式
本专利作用原理说明
以下结合图32～图35对一种木门框结构的抗震加固方法的作用原理作进一步说明。
加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位的抗震加固结构3-5的加固作用有效地减小了门框梁和门框柱的相交部位的夹角角位移以及木门框在地震荷载下的变形，避免木门框内的人行门在地震中被卡死。
在地震荷载Feq作用前，木门框为矩形结构或近似矩形结构，门框梁和门框柱的相交部位的夹角为直角或近似直角，人行门的上夹角为直角或近似直角，如图32、图33所示。
在地震荷载Feq作用下，木门框挤压变形成平行四边形结构。门框梁和门框柱的相交部位的夹角挤压变形为锐角或钝角，人行门的上夹角挤压变形为锐角或钝角，如图34、图35所示。
并且，在加固的木门框的抗震加固结构3-5的加固作用下，有：
式中：Δ1—在地震荷载Feq作用下，未加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1a-5的夹角角位移；
Δ2—在地震荷载Feq作用下，未加固的木门框内的人行门的上交点2a-5的夹角角位移；
Δ3—在地震荷载Feq作用下，加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角角位移；
Δ4—在地震荷载Feq作用下，加固的木门框内的人行门的上交点2b-5的夹角角位移；
α1—在地震荷载Feq作用前，未加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1a-5的夹角，α1≈90°；
α′1—在地震荷载Feq作用下，未加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1a-5的夹角；
α2—在地震荷载Feq作用前，加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角，α2≈90°；
α′2—在地震荷载Feq作用下，加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角；
θ1—在地震荷载Feq作用前，未加固的木门框内的人行门的上交点2a-5的夹角，θ1≈90°；
θ′1—在地震荷载Feq作用下，未加固的木门框内的人行门的上交点2a-5的夹角；
θ2—在地震荷载Feq作用前，加固的木门框内的人行门的上交点2b-5的夹角，θ2≈90°；
θ′2—在地震荷载Feq作用下，加固的木门框内的人行门的上交点2b-5的夹角。
即加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角角位移Δ3小于等于未加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1a-5的夹角角位移Δ1。加固的木门框内的人行门的上交点2b-5的夹角角位移Δ4小于等于未加固的木门框内的人行门的上交点2a-5的夹角角位移Δ2。
并且，在地震荷载Feq作用下，加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角角位移Δ3、加固的木门框内的人行门的上交点2b-5的夹角角位移Δ4，应满足：
式中：[Δ3]—加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角角位移容许值；
[Δ4]—加固的木门框内的人行门的上交点2b-5的夹角角位移容许值；
[Δ3]、[Δ4]的取值应根据建筑物的抗震设防要求确定。
在地震荷载Feq作用下，加固的木门框内的人行门应避免被卡死，能够被普通成年人推开或拉开。因此，推开或拉开加固的木门框内的人行门所需的推拉力应该小于等于普通成年人的推拉力，即：
F≤[F] (1-3)
式中：F—在地震荷载Feq作用下，推开或拉开加固的木门框内的人行门所需的推拉力；
[F]—普通成年人的推拉力，参考《机械设计手册》化学工业出版社第5版，取[F]＝300N。
实际加固时，通过调整上槽钢和下槽钢的尺寸、斜撑结构与上卡扣件、斜撑结构与下卡扣件之间的连接形式，以满足抗震设防的要求，即满足式(1-2)和式(1-3)。
选定某传统民居的木门框为未加固的木门框。利用Abaqus有限元软件，对未加固的木门框模型、加固的木门框模型施加相应抗震设防下的地震波。通过Abaqus有限元软件分析，得到加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角角位移计算值，如表1-1所示。在《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中，未列出木结构的最大层间位移角，仅列出了钢结构竖向构件对应于中等破坏状态下的最大层间位移角参考控制目标为1/100。因此，参考钢结构竖向构件对应于中等破坏状态下的最大层间位移角作为参照的控制参数，给出木门框的抗震设防夹角角位移容许值为1/100,换算成角度值为0.57°。
表1-1木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角角位移计算值
由表1-1可知，未加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1a-5的夹角角位移大于木门框的抗震设防夹角角位移容许值；加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角角位移小于木门框的抗震设防夹角角位移容许值。说明在加固的木门框的抗震加固结构3-5的加固作用下，有效地减小了加固的木门框中的门框梁和门框柱的相交部位1b-5的夹角角位移，有效地限制了木门框在地震荷载下的变形值。
利用Abaqus仿真分析软件，对未加固的木门框模型、加固的木门框模型进行仿真分析。得到在不同工况的地震波作用下，推开或拉开木门框内的人行门所需的推拉力，与普通成年人的推拉力进行比较，如表1-2所示。参考《机械设计手册》化学工业出版社第5版，普通成年人的推拉力取300N。
表1-2推开或拉开木门框内的人行门所需的推拉力计算值
由表1-2可知，在El Centro波中震、El Centro波大震、JMAKobe波中震、JMAKobe波大震作用下，推开或拉开未加固的木门框内的人行门所需的推拉力均大于普通成年人的推拉力；推开或拉开加固的木门框内的人行门所需的推拉力均小于普通成年人的推拉力。说明在加固的木门框的抗震加固结构3-5的加固作用下，避免了木门框内的人行门在地震中被卡死的问题。
以上阐述了一种木门框结构的抗震加固方法的作用原理，以上作用原理在后面的实施例中就不再赘述。以下结合附图所描述的实施例只是作为示范进行说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1上槽钢通长布置+下槽钢通长布置的木门框抗震加固结构
某传统民居的木门框拟采用上槽钢通长布置+下槽钢通长布置的木门框抗震加固结构进行加固，如图1～图8所示。实施步骤如下：
步骤一：在门框梁1-1上开上槽沟3-1、上槽孔5a-1。在门框柱2-1上开下槽沟4-1、下槽孔5b-1。16-1为木门框内的人行门。门框梁长为3m，用圆木制作的门框梁的直径为0.18m，门框柱高为2.5m，用圆木制作的门框柱直径为0.2m，上槽沟和下槽沟深度均为0.05m，如图1所示。
步骤二：将上卡扣钢板6a-1、上卡扣钢板6b-1、上卡扣钢板6c-1、上卡扣钢板6d-1、上卡扣钢板6e-1、上卡扣钢板6f-1焊接在一起，形成上卡扣件6-1。将上卡扣件6-1与上槽钢8-1焊接在一起，形成上连接结构10-1，如图2、图3所示。同样地，形成下卡扣件7-1，将下卡扣件7-1与下槽钢9-1焊接在一起，形成下连接结构11-1，如图4、图5、图6所示。15-1为焊缝，如图8所示。上卡扣钢板、下卡扣钢板均选用10mm厚钢板。上槽钢选用12#槽钢，长2.2m。下槽钢选用12#槽钢，长2.1m。以上焊接过程均在地面上实施。
步骤三：将上连接结构10-1安装在上槽沟3-1上，并用槽孔螺栓13-1将上连接结构10-1固定在门框梁1-1上。同样地，将下连接结构11-1固定在门框柱2-1上。以上安装过程均在木门框上进行。如图4、图5所示。
步骤四：斜撑钢板12a-1与斜撑连系钢板12b-1通过焊接形成斜撑结构12-1。斜撑钢板、斜撑连系钢板均选用10mm厚钢板，以上焊接过程均在地面上实施,如图8所示。
步骤五：将斜撑结构12-1与上卡扣件6-1通过钢板螺栓14-1连接在一起。同样地，将斜撑结构12-1与下卡扣件7-1通过钢板螺栓14-1连接在一起。以上安装过程在木门框上进行，如图6、图7、图8所示。
最后，一种上槽钢通长布置+下槽钢通长布置的木门框抗震加固结构形成了。
实施例2上槽钢部分布置+下槽钢部分布置的木门框抗震加固结构
某农宅的木门框拟采用上槽钢部分布置+下槽钢部分布置的木门框抗震加固结构进行加固，如图9～图15所示。实施步骤如下：
步骤一：在门框梁1-2上开上槽沟3-2、上槽孔5a-2。在门框柱2-2上开下槽沟4-2、下槽孔5b-2。16-2为木门框内的人行门。门框梁长为3m，用圆木制作的门框梁的直径为0.18m，门框柱高为2.5m，用圆木制作的门框柱直径为0.2m，上槽沟和下槽沟深度均为0.05m，如图9所示。
步骤二：将上卡扣钢板6a-2、上卡扣型钢6b-2、上卡扣型钢6c-2、上卡扣钢板6d-2、上卡扣钢板6e-2、上卡扣钢板6f-2焊接在一起，形成上卡扣件6-2。将上卡扣件6-2与上槽钢8-2焊接在一起，形成上连接结构10-2，如图10所示。同样地，形成下卡扣件7-2，将下卡扣件7-2与下槽钢9-2焊接在一起，形成下连接结构11-2，如图11、图12、图13所示。15-2为焊缝，如图15所示。上卡扣钢板、下卡扣钢板均选用10mm厚钢板。上槽钢选用12#槽钢，长0.8m。下槽钢选用12#槽钢，长0.8m。以上焊接过程均在地面上实施。
步骤三：将上连接结构10-2安装在上槽沟3-2上，并用槽孔螺栓13-2将上连接结构10-2固定在门框梁1-2上。同样地，将下连接结构11-2固定在门框柱2-2上。以上安装过程均在木门框上进行，如图11、图12所示。
步骤四：斜撑钢板12a-2与斜撑连系钢板12b-2通过焊接形成斜撑结构12-2。斜撑钢板、斜撑连系钢板均选用10mm厚钢板，以上焊接过程均在地面上实施，如图15所示。
步骤五：将斜撑结构12-2与上卡扣件6-2通过钢板螺栓14-2连接在一起。同样地，将斜撑结构12-2与下卡扣件7-2通过钢板螺栓14-2连接在一起。以上安装过程在木门框上进行，如图13、图14、图15所示。
最后，一种上槽钢部分布置+下槽钢部分布置的木门框抗震加固结构形成了。
实施例3上槽钢通长布置+下槽钢部分布置的木门框抗震加固结构
某既有村镇建筑的木门框拟采用上槽钢通长布置+下槽钢部分布置的木门框抗震加固结构进行加固，如图16～图23所示。实施步骤如下：
步骤一：在门框梁1-3上开上槽沟3-3、上槽孔5a-3。在门框柱2-3上开下槽沟4-3、下槽孔5b-3。16-3为木门框内的人行门。门框梁长为3m，用圆木制作的门框梁的直径为0.18m，门框柱高为2.5m，用圆木制作的门框柱直径为0.2m，上槽沟和下槽沟深度均为0.05m，如图16所示。
步骤二：将上卡扣钢板6a-3、上卡扣钢板6b-3、上卡扣钢板6c-3、上卡扣钢板6d-3、上卡扣钢板6e-3、上卡扣钢板6f-3焊接在一起，形成上卡扣件6-3。将上卡扣件6-3与上槽钢8-3焊接在一起，形成上连接结构10-3，如图17、图18所示。同样地，形成下卡扣件7-3，将下卡扣件7-3与下槽钢9-3焊接在一起，形成下连接结构11-3，如图19、图20、图21所示。15-3为焊缝，如图23所示。上卡扣钢板、下卡扣钢板均选用10mm厚钢板。上槽钢选用12#槽钢，长2.2m。下槽钢选用12#槽钢，长0.8m。以上焊接过程均在地面上实施。
步骤三：将上连接结构10-3安装在上槽沟3-3上，并用槽孔螺栓13-3将上连接结构10-3固定在门框梁1-3上。同样地，将下连接结构11-3固定在门框柱2-3上。以上安装过程均在木门框上进行，如图19、图20所示。
步骤四：斜撑钢板12a-3与斜撑连系钢板12b-3通过焊接形成斜撑结构12-3。斜撑钢板、斜撑连系钢板均选用10mm厚钢板，以上焊接过程均在地面上实施，如图23所示。
步骤五：将斜撑结构12-3与上卡扣件6-3通过钢板螺栓14-3连接在一起。同样地，将斜撑结构12-3与下卡扣件7-3通过钢板螺栓14-3连接在一起。以上安装过程在木门框上进行，如图21、图22、图23所示。
最后，一种上槽钢通长布置+下槽钢部分布置的木门框抗震加固结构形成了。
实施例4上槽钢部分布置+下槽钢通长布置的木门框抗震加固结构
某传统村落的院落木门框拟采用上槽钢部分布置+下槽钢通长布置的木门框抗震加固结构进行加固，如图24～图31所示。实施步骤如下：
步骤一：在门框梁1-4上开上槽沟3-4、上槽孔5a-4。在门框柱2-4上开下槽沟4-4、下槽孔5b-4。16-4为木门框内的人行门。门框梁长为3m，用圆木制作的门框梁的直径为0.18m，门框柱高为2.5m，用圆木制作的门框柱直径为0.2m，上槽沟和下槽沟深度均为0.05m，如图24所示。
步骤二：将上卡扣钢板6a-4、上卡扣钢板6b-4、上卡扣钢板6c-4、上卡扣钢板6d-4、上卡扣钢板6e-4、上卡扣钢板6f-4焊接在一起，形成上卡扣件6-4。将上卡扣件6-4与上槽钢8-4焊接在一起，形成上连接结构10-4，如图25、图26所示。同样地，形成下卡扣件7-4，将下卡扣件7-4与下槽钢9-4焊接在一起，形成下连接结构11-4，如图27、图28、图29所示。15-4为焊缝，如图31所示。上卡扣钢板、下卡扣钢板均选用10mm厚钢板。上槽钢选用12#槽钢，长0.8m。下槽钢选用12#槽钢，长2.1m。以上焊接过程均在地面上实施。
步骤三：将上连接结构10-4安装在上槽沟3-4上，并用槽孔螺栓13-4将上连接结构10-4固定在门框梁1-4上。同样地，将下连接结构11-4固定在门框柱2-4上。以上安装过程均在木门框上进行，如图27、图28所示。
步骤四：斜撑钢板12a-4与斜撑连系钢板12b-4通过焊接形成斜撑结构12-4。斜撑钢板、斜撑连系钢板均选用10mm厚钢板，以上焊接过程均在地面上实施，如图31所示。
步骤五：将斜撑结构12-4与上卡扣件6-4通过焊接连接在一起。同样地，将斜撑结构12-4与下卡扣件7-4通过焊接连接在一起。以上安装过程在木门框上进行，如图29、图30、图31所示。
最后，一种上槽钢部分布置+下槽钢通长布置的木门框抗震加固结构形成了。
以上所述的实施例对本专利技术方案和有益效果进行了说明，只用于解释权利，不限定权利。以上所述仅为本专利的具体实施例，并不能用于限制本专利的范围。凡在本专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。
本专利具有新颖性、实用性，符合专利要求，故依法提出专利申请。
Claims (6)
1.一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：通过对木门框中的门框梁和门框柱的相交部位进行抗震加固，形成一种木门框的抗震加固结构。
2.根据权利要求1所述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：木门框中的门框梁和门框柱的相交部位的抗震加固结构由斜撑结构、上连接结构、下连接结构组成。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：斜撑结构由n片斜撑钢板和m片斜撑连系钢板组成，自然数n的取值范围为1～5，自然数m的取值范围为0～9。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：上连接结构由放置在门框梁上的上槽钢和扣在上槽钢端部的上卡扣件构成；上卡扣件可以由上卡扣钢板焊接而成，或上卡扣件也可以由上卡扣钢板与上卡扣型钢焊接而成。
5.根据权利要求1和权利要求2所述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：下连接结构由放置在门框柱上的下槽钢和扣在下槽钢端部的下卡扣件构成；下卡扣件可以由下卡扣钢板焊接而成，或下卡扣件也可以由下卡扣钢板与下卡扣型钢焊接而成。
6.根据权利要求1和权利要求2所述的一种木门框结构的抗震加固方法，其特征在于：在门框梁上的上槽钢可以是通长布置，也可以是部分布置；在门框柱上的下槽钢可以是通长布置，也可以是部分布置。
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2019
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