CN110512646A - 一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统及施工方法。该系统包括中柱、横梁和减震装置，中柱顶部设有支座垫石，减震装置包括连接组件、上支座板、下支座板和滑动组件。上支座板通过连接组件固定在横梁的下方，下支座板通过连接组件固定在支座垫石上方。滑动组件包括上支座板下方的凹槽、下支座板上方的滑槽和位于凹槽和滑槽之间的滑块。地震时，上、下支座板可通过滑块的滑动产生相对位移，从而允许梁柱间产生水平位移，使得层间相对位移不直接施加于中柱，在竖向承载力不变的情况下降低了中柱本体的水平变形，同时减震装置还具有摩擦耗能作用和自复位功能，从而大大减轻中柱及地下结构在地震中所受震害。

Description

一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统及施工 方法

技术领域

本发明涉及地下结构抗震技术领域，具体涉及一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统及施工方法。

背景技术

随着城市化进程的加快，交通拥堵问题成了各大城市发展过程中必须解决的问题，而发展地下轨道交通成了目前解决这一问题行之有效的办法。随着地铁的大规模修建，地下车站的抗震性能也逐渐受到人们重视而被提上日程。尤其在阪神大地震后人们意识到地下结构在地震中是可能遭受毁灭性损坏的，因此如何提高地下结构的抗震性能成为了目前亟需解决的问题。

根据对地下结构震害的调查研究可知，中柱是地下车站结构抗震的薄弱环节。由于在常规地铁车站设计中中柱与顶板和底板是固结的形式，中柱在水平地震力和竖向地震力的共同作用下产生破坏，进而导致顶板弯曲折断，结构发生严重破坏。因此如何保护中柱本身在地震作用下不产生过大变形成了解决问题的关键。

中国发明专利（CN106351494A）公开了一种自复位装配式地铁车站柔性抗震结构，该发明将中柱与顶板和中板传统的固结连接方式更新为依靠预应力筋和大变形橡胶支座连接的“铰接”方式，减小了中柱的变形，提高了中柱的抗震能力，但是此专利没有考虑到在较大地震作用下橡胶支座产生较大变形无法复原的问题，且在大震后可能损坏情况下的也难以更换。中国发明专利（CN107558614A）公开了一种用于地铁车站中柱的摩擦滑移装置，地震作用下该装置的上、下基板可通过滑珠自由滑动，使得地铁车站中柱的水平变形有效地减小，但是此专利没有考虑到支座的复位问题。中国发明专利（CN109208641A）公开了一种基于装配式地下结构具有自复位功能的中柱节点及复位方法，该发明在连接处设置承压钢球和弹性减震层，释放预制钢筋混凝土柱端和预制纵梁连接处弯矩约束，容许预制钢筋混凝土柱在水平方向产生小位移，提高了预制钢筋混凝土柱抗剪切变形适应性，但是此专利并没有考虑到耗散传入地震动能量的问题。

发明内容

为了解决地铁车站中柱在地震荷载的反复作用下由于层间位移过大而产生的中柱不可恢复的变形损伤破坏，本发明提供了一种减轻地震时中柱本体所受震害、实现震后结构自恢复功能的用于地下车站中柱的自复位减震体系及施工方法。

本发明具体采用以下技术方案：

一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，包括中柱、横梁和减震装置，所述中柱顶部设置有支座垫石，所述减震装置设置在支座垫石和横梁之间，减震装置包括连接组件、上支座板、下支座板和滑动组件，所述连接组件包括上连接组件和下连接组件，所述上支座板通过上连接组件固定连接在横梁的下方，所述下支座板通过下连接组件固定连接在支座垫石上方，所述滑动组件包括设置在上支座板下方的凹槽、设置在下支座板上方的滑槽和位于凹槽和滑槽之间的滑块。

进一步地，所述上连接组件和下连接组件均包括连接钢板和固定在其上的螺栓筒，所述连接组件埋设在横梁和支座垫石中，所述上支座板和下支座板通过螺栓分别与上连接组件、下连接组件相连。

进一步地，所述支座垫石为长方体高强钢筋混凝土。支座垫石内部钢筋由中柱预留的突出的竖向钢筋和支座垫石内部较为密集的水平钢筋网相锚固。支座垫石截面尺寸应适当大于下支座板尺寸，高度根据实际需要设置。支座垫石预留有螺栓孔，所预留的螺栓孔的直径和深度都适当大于下连接组件上螺栓筒的直径和长度。

进一步地，所述上支座板下方的凹槽为半球形，所述下支座板的上方的滑槽为圆弧形，所述滑块包括与半球形凹槽匹配的上球部、与下支座板上方的滑槽相匹配的下球部和与下球部等径的圆柱部，所述圆柱部位于上球部和下球部之间，滑块的上球部的半径略小于半球形凹槽的半径，使得滑块可以顺利嵌入半球形凹槽中，滑块下球部的半径和滑槽半径一致。上述结构使得滑块的上部能够顺利转动，下部能够顺利滑动。

进一步地，下支座板上部滑槽边缘设置有限位挡环，用以限制滑块的位移范围。

进一步地，所述限位挡环上方设置有环形密封橡胶条，橡胶条将上支座板和下支座板之间的缝隙包围，以防止灰尘进入下支座板的滑槽内，保证减震装置的工作性能。橡胶密封圈用高强度结构胶粘接在上支座板上和限位挡环相对应的位置，其高度应当刚好遮挡空隙并且不会对下支座板滑动产生影响为宜。橡胶密封圈初始位置应正对准下支座板限位挡环厚度的中间位置，从而确保橡胶密封圈和限位挡环在滑块即使未完全复位的状态下还能够构成一个封闭的空间从而避免灰尘杂质的进入。

进一步地，所述半球形凹槽的内表面和下支座板的滑槽表面均设置有聚四氟乙烯板。由于聚四氟乙烯具有较低的摩擦系数、较强的温度耐受性、较好的抗腐蚀性，因此可以保证滑块能够顺利的转动和滑动。

进一步地，上连接组件的螺栓筒深入横梁，下连接组件的螺栓筒深入支座垫石，所述螺栓筒内有螺纹且底部封闭，螺纹筒长度大于螺栓的长度，下连接组件和支座垫石之间留有注浆调平间距，空隙用环氧树脂砂浆填充。

本发明还提供一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统的施工方法，包括以下内容：

地下车站的中柱施工完成后，在中柱上方施作支座垫石，将下连接组件固定在支座垫石上，组装减震装置，用连接板固定上支座板和下支座板，并且将上连接组件和上支座板用螺栓固定连接，待支座垫石混凝土达到强度要求后，吊装固定有上连接组件的减震装置至支座垫石上方，通过下连接组件固定下支座板和支座垫石，然后设置横梁、顶板模板，将上连接组件浇筑在梁板混凝土中，通过上连接组件将上支座板和横梁固定连接；待梁板混凝土达到强度要求后，去除上支座板、下支座板间的连接板，使减震装置恢复正常工作状态。

进一步地，具体施工步骤如下：

步骤1：中柱施工完成后，开始施作柱顶支座垫石，首先确定支座垫石尺寸及定位放样，然后绑扎支座垫石钢筋，在支座垫石预留螺栓孔，然后设立模板，浇筑支座垫石混凝土；

步骤2：待支座垫石混凝土达到强度要求后，吊放下连接组件，将下连接组件的螺栓筒对准插入支座垫石上预留的螺栓孔，保证连接钢板底部和支座垫石顶面之间留有距离，螺栓筒和螺栓孔的周围和底部留有距离，调节连接钢板至水平，然后设立模板，将螺栓筒与螺栓孔的间隙、连接钢板底面与支座垫石顶面的间隙用环氧树脂砂浆填充，形成环氧树脂砂浆层；过程中保证下连接组件的连接钢板保持水平状态；环氧树脂砂浆是一种高强度、高粘结力的固结体，具有优异的抗渗、抗冻、耐盐、耐碱、耐弱酸防腐蚀性能及修补加固性能。本步骤中应严格保证连接钢板的水平。注环氧树脂砂浆的目的是为了让连接钢板和支座垫石之间连接紧密且容易调平。

步骤3：待环氧树脂砂浆层达到强度要求后，将组装好的减震装置的上支座板、下支座板用连接板固定起来，同时将上支座板与上连接组件用螺栓固定，然后整体吊装至下连接组件上，且将下支座板螺栓孔和下连接组件的螺栓筒对齐，用螺栓将下支座板和下连接组件连接固定起来。

步骤4：设置梁板模板，浇筑梁板混凝土，将上连接组件与横梁浇筑在一起；最后，待梁板混凝土达到强度要求后，去除固定上支座板和下支座板间的连接板，使减震装置恢复正常工作状态。由于上支座板、下支座板分别和连接组件采用螺栓连接，因此当减震装置的工作性能受到较大影响时是可以更换的。更换时，先在上支座板和下支座板的四周用千斤顶给予横梁支撑力，然后将上支座板上的螺栓拧掉，将下支座板的螺栓拧掉。调节千斤顶顶升力，使上支座板和下支座板不受竖向荷载，然后取出上支座板和下支座板。换上新的减震装置，将新的减震装置放入支座垫石与横梁之间，对准螺栓孔位。然后分别拧紧上支座板、下支座板的螺栓，撤出千斤顶，最后拆除上支座板、下支座板的连接板，使减震装置恢复正常的工作性能。

本发明的有益效果在于：

本发明改变了传统的梁柱固结形式，在中柱和横梁之间增设了减震装置，地震作用下该装置的上支座板、下支座板可通过滑动组件产生水平滑动，使得地下地铁车站结构的层间相对位移不直接施加于中柱，减少了作用在中柱本体的水平变形，保证了地下车站中柱的安全性能，大大减轻地下结构在地震中可能出现的破坏。

在地震作用下，减震装置还能通过滑块滑动来消耗部分传入地震能量，降低地震作用对地下结构的影响；而且由于下支座板上方滑槽特有的弧形构造，使得减震装置具有自复位的功能，相较于常规装置，不需要另外增设阻尼复位装置。上支座板、下支座板间间隙使用环形密封橡胶条包围，防止灰尘进入以保证滑动面的工作性能。

附图说明

图1为本发明一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统的结构示意图。

图2为图1中A处的放大图。

图3为本发明减震装置和连接组件的结构示意图。

图4为本发明减震装置的结构示意图一。

图5为本发明减震装置的结构示意图二。

图6为图5中A-A向的剖视图。

图7为本发明下支座板、滑块和限位挡环的结构示意图。

图8为本发明滑块的结构示意图。

图9为本发明支座垫石的结构示意图。

图10为本发明下支座板和限位挡环的结构示意图。

图11为本发明上支座板和凹槽的结构示意图。

附图中标记：1为中柱，2为横梁，3为减震装置，31为上支座板，32为下支座板，33为凹槽，34为滑块，35为连接组件，351为上连接组件，352为下连接组件，4为环氧树脂砂浆层，6支座垫石，7为限位挡环，8为橡胶条，9为聚四氟乙烯板。

具体实施方式

以下实施例是为了更好的说明本发明的技术方案，而不是以此来限制本发明的保护范围。

如图1～11所示，一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，包括中柱1、横梁2和减震装置3，所述中柱1顶部设置有支座垫石6，所述支座垫石6为长方体形高强钢筋混凝土。所述减震装置3设置在支座垫石6和横梁2之间，减震装置3包括连接组件35、上支座板31、下支座板32和滑动组件。所述连接组件35包括上连接组件351和下连接组件352，所述上连接组件351和下连接组件352均包括连接钢板和固定在其上的四个螺栓筒，螺栓筒底部封闭。所述横梁2中埋有上连接组件351，所述上支座板31通过上连接组件351固定连接在横梁2下方，所述下支座板32通过下连接组件352与支座垫石6固定连接，具体的，本实施例中，上支座板31和下支座板32上分别设置有螺纹孔，用于上支座板31和上连接组件351、下支座板32和下连接组件351之间的螺栓连接。连接组件35的螺栓筒与上支座板31、下支座板32上的螺纹孔对应，以便使用螺栓将二者固定，位于上支座板31上方的上连接组件351的螺栓筒深入横梁2，连接钢板和其上一体成型的螺栓筒是埋入横梁2中的，可使上支座板31与横梁2相固定。位于下支座板32下方的下连接组件352的螺栓筒伸入支座垫石6。下连接组件352和支座垫石6之间的空隙中填充有环氧树脂砂浆。下支座板32通过预埋在支座垫石6中的下连接组件352与支座垫石6固定连接。支座垫石6内部钢筋由中柱1预留的突出的竖向钢筋和支座垫石6内部较为密集的水平钢筋网相锚固，浇筑支座垫石6所用混凝土为高强混凝土。支座垫石6的截面尺寸大于下支座板32尺寸，高度根据实际需要设置。支座垫石6上预留有螺栓孔，所预留的螺栓孔的直径和深度都大于下连接组件352的螺栓筒的直径和长度。

上支座板31、下支座板32均为钢板，二者之间依靠滑动组件相连接，具体地，本实施中所述滑动组件包括设置在上支座板31下方的凹槽33、设置在下支座板32上方的滑槽和位于凹槽33和滑槽之间的滑块34。所述上支座板31下方的凹槽33为半球形，所述下支座板32的上方的滑槽为圆弧形，所述滑块34包括与半球形凹槽33匹配的上球部、与下支座板32上方的滑槽相匹配的下球部和与下球部等径的圆柱部，所述圆柱部位于上球部和下球部之间，滑块34由不锈钢制成。

作为一种具体实施方式，所述下支座板32的上部滑槽边缘设置有限位挡环7，用以限制滑块34的滑动区域，防止滑块34产生过大位移。所述限位挡环7上方设置有环形密封橡胶条8，橡胶条8将上支座板31和下支座板32之间的缝隙包围，以防止灰尘进入下支座板32的滑槽内，保证减震装置3的工作性能。橡胶条8形成的密封圈用高强度结构胶粘接在上支座板31和限位挡环7相对应的位置，其高度应当刚好遮挡空隙并且不会对下支座板32滑动产生影响为宜。

作为一种具体实施方式，所述半球形凹槽33的内表面和下支座板32的滑槽表面均设置有聚四氟乙烯板9。由于聚四氟乙烯具有较低的摩擦系数、较强的温度耐受性、较好的抗腐蚀性，因此可以保证滑块34能够顺利的转动和滑动。

对于地下车站而言，在地震作用下，除受到水平地震作用引起的土层变形的剪切作用效应外，上覆土体的自重和竖向地震作用的惯性力也会施加在地下车站的顶板上，从而增加中柱的轴力，进而使中柱的轴压比变大。轴压比的增大会导致中柱的抗剪能力增强和变形能力下降，抗剪能力的增强将会导致中柱分担侧墙的水平承载力，而变形能力的降低则会导致中柱更容易发生破坏，这对中柱而言是十分不利的。

而当在中柱和顶板之间设置减震装置后，把梁柱的固结形式变成了梁柱间能够位移的形式，降低了中柱的抗剪能力，减少了地震过程中传至中柱的水平变形。中柱抗剪能力的降低将转移其承担的水平荷载给侧墙分担，由于侧墙的抗剪能力受土体约束和顶、底板支撑作用会有较大的安全裕度，因此这种改变不会对侧墙造成太大影响，同时也可以使中柱不易产生破坏，从而达到保护中柱的目的。

在正常的使用状态下，减震装置中的滑块不产生滑动；当地震作用时，传入的水平作用力大于其最大静摩擦力的时候，减震装置中的滑块开始滑动发挥减震作用，并且通过滑动摩擦消耗部分地震能量。减震装置不仅具有位移能力和耗能能力，而且圆弧形滑动面使得滑动组件在上部荷载的作用下有回到初始位置的趋势，因此还具有复位功能。

上述自复位减震系统的施工方法，包括以下内容：

步骤1：中柱1施工完成后，在中柱1上方开始施作柱顶支座垫石6。首先确定支座垫石6的尺寸及定位放样，然后绑扎支座垫石6钢筋，支座垫石6上预留螺栓孔位置，且螺栓孔的深度和直径均适当大于下连接组件352的螺栓筒。然后设立模板，浇筑支座垫石混凝土，所用混凝土为高强混凝土；

步骤2：待支座垫石6混凝土达到强度要求后，开始吊放下连接组件352，将下连接组件352的螺栓筒对准插入支座垫石6上预留的螺栓孔，吊装至连接钢板底面距离支座垫石6顶面适当距离，如3cm，四边用钢垫板支垫，并且调节连接钢板至水平。然后设立模板，将螺栓筒与螺栓孔的间隙、下连接钢板底面与支座垫石6顶面的间隙用环氧树脂砂浆填充，且在填充时应注意保持连接钢板的水平状态。

步骤3：待环氧树脂砂浆达到强度要求后，将组装好的减震装置3的上支座板31、下支座板32用连接板固定起来，且将上连接组件351用螺栓和上支座板31连接在一起，整体吊装起固定有上连接组件351的减震装置3至下连接组件352上，放置的时候，将下支座板32的螺栓孔和下连接组件352的螺栓筒对准，然后用螺栓将下支座板32和下连接组件352固定在一起。

所述连接板的上部和下部通过螺栓分别和上支座板31、下支座板32连接，连接板的外侧还固定连接有吊钩，用于吊装减震装置3时使用。

步骤4：设置梁板模板，浇筑梁板混凝土，将上连接组件351和横梁2浇筑在一起。最后，去除上支座板31和下支座板32间的连接板，使减震装置3恢复正常工作状态。

当减震装置3的工作性能受到较大影响时可以进行更换。更换时，先在上支座板31和下支座板32的四周用千斤顶给予横梁支撑力，然后将上支座板31上的螺栓拧掉，将下支座板32的螺栓拧掉。调节千斤顶顶升力，使上支座板31和下支座板32不受竖向荷载，然后取下上支座板31和下支座板32。换上新的减震装置3，将新的减震装置3放入支座垫石6与横梁2之间，对准螺栓孔位。然后分别拧紧上支座板31、下支座板32的螺栓，撤出千斤顶，最后拆除上支座板31、下支座板32的连接板，使减震装置3恢复正常的工作性能。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理及工艺条件所做的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，包括中柱（1）、横梁（2）和减震装置（3），其特征在于，所述中柱（1）顶部设置有支座垫石（6），所述减震装置（3）设置在支座垫石（6）和横梁（2）之间，减震装置（3）包括连接组件（35）、上支座板（31）、下支座板（32）和滑动组件，所述连接组件（35）包括上连接组件（351）和下连接组件（352），所述上支座板（31）通过上连接组件（351）固定连接在横梁（2）的下方，所述下支座板（32）通过下连接组件（352）固定连接在支座垫石（6）上方，所述滑动组件包括设置在上支座板（31）下方的凹槽（33）、设置在下支座板（32）上方的滑槽和位于凹槽（33）和滑槽之间的滑块（34）。

2.根据权利要求1所述的一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，其特征在于，所述上连接组件（351）和下连接组件（352）均包括连接钢板和固定在其上的螺栓筒，所述连接组件（35）埋设在横梁（2）和支座垫石（6）中，所述上支座板（31）和下支座板（32）通过螺栓分别与上连接组件（351）、下连接组件（352）相连。

3.根据权利要求1所述的一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，其特征在于，所述支座垫石（6）为长方体高强钢筋混凝土。

4.根据权利要求1所述的一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，其特征在于，所述上支座板（31）下方的凹槽（33）为半球形，所述下支座板（32）的上方的滑槽为圆弧形，所述滑块（34）包括与半球形凹槽（33）匹配的上球部、与下支座板（31）上方的滑槽相匹配的下球部和与下球部等径的圆柱部，所述圆柱部位于上球部和下球部之间。

5.根据权利要求1所述的一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，其特征在于，下支座板（31）上部滑槽边缘设置有限位挡环（7），用以限制滑块（34）的位移范围。

6.根据权利要求5所述的一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，其特征在于，所述限位挡环（7）上方设置有环形密封橡胶条（8），橡胶条（8）将上支座板（31）和下支座板（32）之间的缝隙包围。

7.根据权利要求4所述的一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，其特征在于，所述半球形凹槽（33）的内表面和下支座板（32）的滑槽表面均设置有聚四氟乙烯板（9）。

8.根据权利要求2所述的一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统，其特征在于，上连接组件（351）的螺栓筒深入横梁（2），下连接组件（352）的螺栓筒深入支座垫石（6），所述螺栓筒内有螺纹且底部封闭，螺栓筒的长度大于螺栓，下连接组件（352）和支座垫石（36）之间留有注浆调平间距，空隙用环氧树脂砂浆填充。

9.权利要求1所述的一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统的施工方法，其特征在于，包括以下内容：

地下车站的中柱（1）施工完成后，在中柱（1）上方施作支座垫石（6），将下连接组件（352）固定在支座垫石（6）上，组装减震装置（3），用连接板固定上支座板（31）和下支座板（32），并且将上连接组件（351）和上支座板（31）用螺栓固定连接，待支座垫石（6）混凝土达到强度要求后，吊装固定有上连接组件（351）的减震装置（3）至支座垫石（6）上方，通过下连接组件（352）固定下支座板（32）和支座垫石（6），然后设置横梁（2）、顶板模板，将上连接组件（351）浇筑在梁板混凝土中，通过上连接组件（351）将上支座板（31）和横梁（2）固定连接；待梁板混凝土达到强度要求后，去除上支座板（31）、下支座板（32）间的连接板，使减震装置（3）恢复正常工作状态。

10.根据权利要求9所述的一种提高地下车站中柱抗震性能的自复位减震系统的施工方法，其特征在于，具体操作为：

步骤1：中柱（1）施工完成后，开始施作柱顶支座垫石（6），首先确定支座垫石（6）尺寸及定位放样，然后绑扎支座垫石钢筋，在支座垫石（6）上预留螺栓孔，然后设立模板，浇筑支座垫石（6）混凝土；

步骤2：待支座垫石（6）混凝土达到强度要求后，吊放下连接组件（352），将下连接组件（352）的螺栓筒对准插入支座垫石（6）上预留的螺栓孔，保证连接钢板底部和支座垫石（6）顶部之间留有距离，螺栓筒和螺栓孔的周围和底部留有距离，调节连接钢板至水平，然后设立模板，将螺栓筒与螺栓孔的间隙、连接钢板底面与支座垫石（6）顶面的间隙用环氧树脂砂浆填充，形成环氧树脂砂浆层（4）；过程中保证下连接组件（352）的连接钢板保持水平状态；

步骤3：待环氧树脂砂浆层（4）达到强度要求后，将组装好的减震装置（3）的上支座板（31）、下支座板（32）用连接板固定起来，同时将上支座板（31）与上连接组件（351）用螺栓固定，然后整体吊放至下连接组件（352）上，且将下支座板（32）的螺栓孔和下连接组件（352）的螺栓筒对齐，用螺栓将下支座板（32）和下连接组件（352）固定起来；

步骤4：设置梁板模板，浇筑梁板混凝土，将上连接组件（351）与横梁（2）浇筑在一起；最后，待梁板混凝土达到强度要求后，去除固定上支座板（31）和下支座板（32）间的连接板，使减震装置（3）恢复正常工作状态。