CN110952721A - 一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，该端部铰接粘弹性自复位摇摆柱由柱、梁、梁端预埋钢板、柱端预埋钢铰、“O”型软钢阻尼器、夹层钢板橡胶垫、预应力钢绞线、预应力钢绞线固定件组成。在柱端预埋所述柱端预埋钢铰，在顶底纵梁相应位置处预埋所述梁端预埋钢板，将柱端钢铰置于梁端钢板内，形成铰接连接。将“O”型软钢阻尼器及夹层钢板橡胶垫置于所述两预埋钢板平面部分之间，在各构件制作及连接过程中须注意在柱中心处布置预应力钢绞线，预应力钢绞线贯穿顶、底纵梁及中柱，形成端部铰接粘弹性自复位摇摆柱。本发明可应用于地下结构中柱抗震关键部位，提升结构整体抗震性能。

Description

一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱
技术领域
本发明涉及地下结构工程建设领域，尤其是涉及一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，属于地铁车站抗震技术领域。
背景技术
为解决生态环境与城市发展的矛盾，发展地下空间是十分必要的，国际上把21世纪作为人类开发利用地下空间的年代。地下空间的应用广泛：综合管廊、地下军事防护工程、水电工程、地下停车场、城市轨道交通、地下道路、地下文化体育设施、地下商业街等均应用到地下工程。
由于受周围土体的约束，地下结构一直以来被认为抗震性能良好，但近年来历次地震中，仍有一些地下结构受到严重破坏，尤其是1995年日本大阪-神户地区发生的里氏7.2级地震，在此次地震中，距离震源15km的神户市大开地铁车站及地下综合管廊2#线发生了严重的震害，大开车站为两跨中柱地下结构，地震造成大开车站第一部分超过30根中柱发生严重破坏，约110m范围内的车站结构完全倒塌破坏，中柱破坏导致顶板失去中部支撑进而发生“M型”破坏，中柱两侧顶板被折弯，地表发生塌陷，最大塌陷量约为2.5m。1995年大开车站震害使地下结构抗震问题得到了世界范围内地震工程专家们的广泛关注。根据相关研究表明，1995年日本阪神地震中大开车站发生严重破坏的主因是大开车站中柱水平变形能力不足，大开车站结构在上覆土体竖向惯性力作用下，中柱轴压比的增幅要显著高于侧墙轴压比的增幅，从而导致中柱水平变形能力降幅较侧墙水平变形能力降幅更大，二者变形能力不协调，中柱先于侧墙发生破坏。综上所述，中柱对于地下结构而言为抗震关键构件，应对其采取一定措施以保证其抗震安全性。
本发明基于地下结构的震害特点以及地下结构的破坏机理，提出一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，对传统地下结构中柱与顶、底纵梁连接节点进行了一定的改进：地震作用时，在保证中柱竖向支撑能力的前提下，大幅减小中柱承担的水平剪力，提高了中柱水平变形能力，同时在柱两端支座处设置夹层钢板橡胶垫、阻尼器及预应力钢绞线，使柱具备一定的耗能及自复位能力。本方法中柱端部与地下结构顶、底纵梁铰接，释放中柱端部弯矩及剪力，进而增大了中柱顶、底水平差异变形能力。柱端部设置“O”型软钢阻尼器及夹层钢板橡胶垫，“O”型软钢阻尼器使柱子在发生变形的过程中可以迅速耗散地震动传到中柱上的能量，夹层钢板橡胶垫及预应力钢绞线使中柱具备一定的自复位能力。在正常荷载工况下，柱端虽然为铰支座，但受地下结构周围土体的约束，且在柱两端夹层钢板橡胶垫、“O”型软钢阻尼器及预应力钢绞线的作用下，中柱可以保持竖向稳定性，且弧形铰支座使得中柱与顶、底纵梁接触面积较大，确保竖向荷载的传递；在地震工况作用下，地下结构在周围土体变位作用下发生结构顶、底板水平相对位移，此时由于中柱两端铰接，中柱可发生顶、底端水平相对变形，同时中柱在变形时会引发柱两端夹层钢板橡胶垫、“O”型软钢阻尼器及预应力钢绞线的变形，夹层钢板橡胶垫及预应力钢绞线的变形使中柱具备一定的自恢复能力，阻尼器使中柱具备一定的耗能能力。该节点做法使地下结构关键构件的抗震性能得以显著提高。
相比于传统地下结构中柱与顶、底纵梁现浇连接节点，本发明将梁柱连接改为铰接连接，释放了柱端弯矩及剪力；相比于其它大部分地下结构关键中柱减隔震措施，本发明将在柱端设置夹层钢板橡胶垫、“O”型软钢阻尼器及预应力钢绞线，提高了中柱地震过程中的耗能及自复位能力。
发明内容
本发明公开了一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，该端部铰接粘弹性自复位摇摆柱在地震作用下保证中柱竖向承载力的同时，因中柱端部改为铰接连接，从而大幅降低地震作用下中柱承担的剪力及弯矩，增大了地下结构整体变形能力，减轻地下结构的地震灾害。
为解决以上技术问题，本发明提供一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，该端部铰接粘弹性自复位摇摆柱由柱、梁、梁端预埋钢板、柱端预埋钢铰、“O”型软钢阻尼器、夹层钢板橡胶垫、预应力钢绞线、预应力钢绞线固定件组成。
进一步地，所述柱(1)是钢筋混凝土柱，在柱两端预埋所述柱端预埋钢铰(4)。
进一步地，在所述梁(2)浇筑过程中预埋所述梁端预埋钢板(3)。
进一步地，所述梁端预埋钢板(3)弧形表面及所述柱端预埋钢铰(4)的弧形表面应采用同一半径圆弧，且所述柱端预埋钢铰(4)的弧形部分应大于所述梁端预埋钢板(3)的弧形部分，使地震过程中中柱端部弧铰具备一定的转动空间。
进一步地，将所述柱端预埋钢铰(4)置入所述梁端预埋钢板(3)中，形成铰接。
进一步地，所述的“O”型软钢耗能阻尼器(5)由低屈服点(屈服强度为100MPa～225MPa)的软钢制成，制作成“O”型，“O”型软钢耗能阻尼器两直边焊接于所述梁端预埋钢板(3)及所述柱端预埋钢铰(4)之间。
进一步地，所述夹层钢板橡胶垫(6)一端与柱端预埋钢铰(4)平面部分粘贴连接，另一端应与梁端预埋钢板(3)平面部分密贴接触但不连接。
进一步地，所述预应力钢绞线(7)两端固定于结构顶、底板外侧，贯穿结构顶底板及中柱，使之形成一个整体。
进一步地，所述预应力钢绞线(7)应在所穿部件上预留孔洞，孔洞尺寸设计时应预先考虑地震作用下梁、柱铰接处的转动，为地震变形留出一定的余量。
本发明的工作机理是：上述用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱在中柱两端设置凸出的弧形钢铰及在地下结构顶、底纵梁相应位置处设置凹入的弧形钢板，将柱端预埋钢铰置入梁端预埋钢板中，形成铰接。正常使用状态下，由于地下结构受周围土体约束，并在柱两端阻尼器及夹层钢板橡胶垫作用下，使中柱保持竖向稳定状态，保证中柱构件的正常使用。地震工况下，地下结构在周围土体变形作用下顶、底纵梁之间发生水平相对位移，柱端采用铰支座，使中柱承担较传统端部固支柱更小的剪力及弯矩，且地下结构由于周边土体的束缚，不存在结构失稳的情况。柱端设置的夹层钢板橡胶垫及阻尼器可使柱具备一定的自复位性及耗能能力，并通过预应力钢绞线将中柱及顶底板进行连接，增强了结构的自复位性能及整体性，从而提高了地下结构关键构件中柱的抗震安全性能，大大减轻了地下结构在地震中可能出现的破坏。
本发明的优点在于：首先柱端铰接连接，水平地震作用时极大的减小了中柱承担的剪力及弯矩，同时充分利用阻尼器、夹层钢板橡胶垫及预应力钢绞线的特性，增强了中柱构件的耗能及自复位能力，进而提高了地下结构中柱的抗震安全性能，大大减轻地下结构震中可能出现的破坏。本发明概念清晰，原理明确，易于生产，便于维修。
附图说明
图1为一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱整体侧视图。
图2为一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱底部正视图。
图3为一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱梁三维图。
图4为一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱梁端预埋钢板三维图。
图5为一种用于地下结构的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱柱端预埋钢铰三维图。
图6为“O”型软钢耗能阻尼器三维图。
图中：1、柱，2、梁，3、梁端预埋钢板，4、柱端预埋钢铰，5、“O”型软钢阻尼器，6、夹层钢板橡胶垫，7、预应力钢绞线，8、预应力钢绞线固定件。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1～图6所示，一种提高地下框架结构体系抗震性能的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，其特征在于：柱(1)、梁(2)、梁端预埋钢板(3)、柱端预埋钢铰(4)、“O”型软钢阻尼器(5)、夹层钢板橡胶垫(6)、预应力钢绞线(7)、预应力钢绞线固定件(8)。
在所述梁(2)浇筑过程中预埋所述梁端预埋钢板(3)；在所述柱(1)浇筑过程中预埋所述柱端预埋钢铰(4)；将所述柱端预埋钢铰(4)凸出部分插入至所述梁梁端预埋钢板(3)凹入部分中，形成铰接连接；将所述“O”型软钢阻尼器(5)及所述夹层钢板橡胶垫(6)置于所述柱端预埋钢铰(4)及梁端预埋钢板(3)之间，在上述各构件安装操作过程中，注意对穿过柱中心处的预应力钢绞线及相应的固定件进行安装操作，并施加预应力，最终形成端部铰接粘弹性自复位摇摆柱。
本实例中，所述梁端预埋钢板(3)弧形表面及所述柱端预埋钢铰(4)的弧形表面应采用同一半径，且所述柱端预埋钢铰(4)的弧形部分应大于所述梁端预埋钢板(3)的弧形部分，使得地震过程中中柱与顶、底纵梁间设置的弧铰具备一定的转动空间。
本实例中，所述梁端预埋钢板(3)及所述柱端预埋钢铰(4)应为不锈钢材质钢板，接触面应为光面，二者之间可采用座浆连接。
本实例中，所述的“O”型软钢耗能阻尼器(5)由低屈服点的软钢制成，制作成“O”型，“O”型软钢耗能阻尼器两直边焊接于所述梁端预埋钢板(3)及所述柱端预埋钢铰(4)平面部分之间。
本实例中，所述夹层钢板橡胶垫(6)一端采用粘贴方式与柱端预埋钢铰(4)平面部分连接，另一端应与梁端预埋钢板(3)平面部分密贴接触但不连接。
本实例中，所述的预应力钢绞线(7)应在柱中心处布置。

Claims (5)

1.一种提高地下框架结构体系抗震性能的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，其特征在于：该端部弧状铰接粘弹性摇摆柱由柱(1)、梁(2)、梁端预埋钢板(3)、柱端预埋钢铰(4)、“O”型软钢阻尼器(5)、夹层钢板橡胶垫(6)、预应力钢绞线(7)、预应力钢绞线固定件(8)组成；在所述梁(2)浇筑过程中预埋所述梁端预埋钢板(3)；在所述柱(1)浇筑过程中预埋所述柱端预埋钢铰(4)；将所述柱端预埋钢铰(4)置入所述梁端预埋钢板(3)中，形成铰接；将所述“O”型软钢阻尼器(5)焊接于所述柱端预埋钢铰(4)平面部分及梁端预埋钢板(3)平面部分之间；将所述夹层钢板橡胶垫(6)一端粘贴于柱端预埋钢铰(4)平面部分上，另一端与梁端预埋钢板(3)平面部分密贴接触；在上述各构件安装操作过程中，注意对穿过柱中心处的预应力钢绞线及相应的固定件进行安装操作，并施加预应力，最终形成端部铰接粘弹性自复位摇摆柱。
2.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，其特征在于：“O”型软钢阻尼器(5)由低屈服点软钢材料制成，采用焊接方式与上下端钢板进行连接，在震后快速更换。
3.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，其特征在于：夹层钢板橡胶垫(6)一端采用粘贴方式与柱端预埋钢铰(4)平面部分连接，另一端应与梁端预埋钢板(3)平面部分密贴接触但不连接，使夹层钢板橡胶垫(6)为柱提供较为明显的自复位恢复力且不承担拉力，在震后可快速更换。
4.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，其特征在于：所述梁端预埋钢板(3)与所述柱端预埋钢铰(4)的接触面上采用座浆连接，保证二者密贴接触。
5.根据权利要求1所述的一种提高地下框架结构体系抗震性能的端部铰接粘弹性自复位摇摆柱，其特征在于：所述预应力钢绞线(7)应在柱中心处布置，预应力钢绞线预留孔洞尺寸设计时预先考虑地震作用下梁、柱铰接处的转动，为地震变形留出一定的余量。
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