CN111364506A - 一种自复位抗震耗能分体柱 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种自复位抗震耗能分体柱，包括滑混凝土柱，以及预制在其内部滑动主板；所述滑动主板包括多个垂直且圆周布置的滑板，多个滑板位于圆心的端部相互固接，相邻两个滑板之间的区域设置一混凝土柱，滑板与混凝土柱之间设置摩擦板和副板，摩擦板位于副板和滑板之间，滑板、摩擦板和副板之间能够相互滑动，滑动主板、摩擦板位于副板组成耗能装置。所述滑动主板和副板的一端与施工区域的底梁或顶梁连接，另一端为自由端，且滑动主板和副板的固定端分别位于分体住的两端。该自复位抗震耗能分体柱，克服了传统钢筋混凝土柱在高轴压作用下水平变形能力不足的缺陷。增大了中柱的变形能力，同时滑动主板与摩擦板相互摩擦有利于构件的耗能能力。

Description

一种自复位抗震耗能分体柱

技术领域

本发明涉及地下结构工程中的现浇式地铁车站抗震技术领域，具体涉及一种自复位抗震耗能分体柱。

背景技术

国内地铁建设已经进入高速发展期，将可能有更多的地铁工程建设在高烈度区，虽然地下工程的发展日益蓬勃，但是地下工程也面临着挑战——地震的作用。地铁车站上覆土体竖向惯性力作用对地下结构的关键支撑构件的竖向受力评价会产生极大影响，实际上是改变了支撑柱的轴压比，从而改变了支撑柱的抗剪切强度和变形性能。对地下结构地震反应受力而言，支撑柱的抗剪切强度提高而极限变形能力降低是不利的，这意味着支撑柱将分担更多的由于土层变形而作用在地下结构上的水平向剪力，同时，其极限变形能力的降低使得它可能先于侧墙遭到破坏，进而导致顶板以及地下结构体系的整体毁坏。

地震发生时从地下向地表面传递的地震动被放大，地下的震动比地表面小。地铁车站不同于地上结构而埋置于地层中，周围地层还对其变形有一定的约束作用，不会出现异于地层的大的震动，相比地上结构具有较好的抗震性能，但是研究表明，地铁车站结构的振动变形受周围地层的约束作用明显，其动力反应一般不明显表现出自震特性，特别是低阶模态的影响。结构的动力响应与输入加速度峰值近似成线性关系,而随着激励振幅的增加,土的共振频率和振幅减小,土层显示出较强的非线性特性。地震时顶、底板处地层间的相对位移是影响地下结构破坏的主要指标。相对位移较大处，地下结构破坏严重；相对位移较小处，破坏较轻。水平剪切波作用下，地下结构产生正常使用状态下所没有的较大的水平剪力和弯矩，使分体柱中的剪力超过其抗剪强度而产生剪切破坏。

相关研究表明竖向地震动有可能是引起地下结构破坏的关键因素，特别是，对于浅埋地下结构情况，上覆土体可能在地震作用初始阶段发生剪切破坏，此时，它与地下结构周围的其它土体已不是一个连续的整体，在后续的地震反应中，它的作用仅是堆积到地下结构顶板上与周围土体发生弱连接的堆积土(类似于回填土体情况)效应，对地下结构的约束作用和地震反应影响也完全不同于连续土体对应的情况。上覆土体竖向惯性力作用对地下结构的关键支撑构件的竖向受力评价会产生极大影响，实际上是改变了支撑柱的轴压比，从而改变了支撑柱的抗剪切强度和变形性能。对地下结构地震反应受力而言，支撑柱的抗剪切强度提高而极限变形能力降低是不利的，这意味着支撑柱将分担更多的由于土层变形而作用在地下结构上的水平向剪力。同时，其极限变形能力的降低使得它可能先于侧墙遭到破坏，进而导致顶板以及地下结构体系的整体毁坏。

发明内容

针对现有支撑柱在抗剪切强度提高而极限变形能力降低导致破损，进而导致地下结构体系的整体毁坏的问题，本发明提供一种自复位抗震耗能分体柱，该分体柱在地震作用下能提供较大的竖向抗压能力、耗能能力和水平抗剪能力，同时也提高轴压作用下分体柱的侧向变形能力，从而减轻地下结构的地震灾害。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种自复位抗震耗能分体柱，包括混凝土柱，以及装配在其内部的滑动主板；

所述滑动主板包括多个垂直且沿圆周均匀布置的滑板，多个滑板在交于圆心的端部相互固接，滑板与混凝土柱之间设置摩擦板和副板，摩擦板位于副板和滑板之间，滑板、摩擦板和副板之间机械连接且能够相互滑动，

所述滑动主板和副板的一端与施工区域的底梁或顶梁连接，另一端为自由端，且滑动主板和副板的固定端分别位于分体住的两端。

优选的，所述滑动主板外侧缠绕有多个箍筋，相邻两个滑板之间的区域中设置有钢筋笼。

优选的，所述副板、摩擦板和滑板上均设置有多个滑动孔，螺栓穿过滑动孔连接副板、摩擦板和滑板。

优选的，所述滑动孔为条形孔。

优选的，所述滑动主板的上端设置有过渡板，该过渡板预制在顶梁中；

所述副板的下端设置有过渡板，该过渡板预制在底梁中。

优选的，所述滑动主板的两端还设置有上支座和下支座；

所述滑动主板的上端通过上支座与顶梁连接，滑动主板的下端支撑在下支座上；

所述副板的下端通过下支座与底梁连接，副板的上端支撑在上底座的底部。

优选的，所述滑动主板的上端与顶梁之间还设置有自复位装置。

优选的，所述自复位装置包括自上而下依次设置的自复位上底座、弧形柱头和自复位下底座，自复位下底座与混凝土柱连接，自复位上底座与顶梁连接。

优选的，所述滑动主板的截面呈十字型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明涉及一种地铁车站自复位抗震耗能分体柱，包括混凝土柱，以及预制在其内部的摩擦耗能组件，当地震作用时，混凝土柱首先在滑板的位置处出现竖缝，随着柱子侧移的增大，竖向摩擦耗能组件开始工作，滑动主板在摩擦片之间滑动，最终趋于稳定并将柱子分隔成多个小柱子，使得短柱变长柱，大大提高了柱子的延性、竖向承载力和耗能能力。从而保证了地震中地下结构关键构件分体柱的安全性能，大大减轻地下结构在地震中可能出现的破坏。

进一步，在分体柱的顶部设置自复位装置，当地震强度不足以使分体柱出现裂缝时，自复位装置隔断剪力传递，卸去水平剪力，地震荷载卸去后，由于自复位装置在重力的作用下缓慢恢复正常使用工况位置。

附图说明

图1为本发明自复位抗震耗能分体柱在单层地铁车站中的位置示意图；

图2为本发明自复位抗震耗能分体柱的截面图；

图3为本发明自复位抗震耗能分体柱钢筋箍的截面图；

图4为本发明自复位支座的示意图；

图5为本发明滑动主板、摩擦板和副板安装示意图；

图6为本发明滑动主板的结构示意图；

图7为本发明副板的结构示意图；

图8为本发明摩擦板的结构示意图；

图9为本发明滑板、摩擦板和副板的侧视图。

图中：1、滑动主板；2、摩擦板；4、副板；6、螺栓；7、螺母；8、箍筋槽；9、条形孔；10、过渡孔；11、纵向钢筋；12、箍筋；13、自复位上底座；15、弧形柱头；14、自复位下底座；16、支座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1-9，一种自复位抗震耗能分体柱，包括滑混凝土柱，以及预制在其内部滑动主板1；

所述滑动主板1包括多个垂直且圆周布置的滑板，多个滑板位于圆心的端部相互固接，相邻两个滑板之间的区域设置一混凝土柱，滑板与混凝土柱之间设置摩擦板2和副板4，摩擦板2位于副板4和滑板之间，滑板、摩擦板2和副板4之间能够相互滑动，滑动主板1、摩擦板2位于副板4组成耗能装置。

所述滑动主板1和副板4的一端与施工区域的底梁或顶梁连接，另一端为自由端，且滑动主板1和副板4的固定端分别位于分体住的两端。

参阅图2和3，位于同一区域的两个摩擦板和两个副板均为整体结构，相互接触的一端固定连接，摩擦板和副板的宽度与滑板的宽度相同。

参阅图5，位于同一滑板两侧的两个摩擦板和两个副板固连，采用螺栓6和螺母7连接，螺栓6水平穿过滑板、摩擦板2和副板4。

滑板、摩擦板2和副板上均设至有条形孔，条形孔的长度方向垂直设置，螺栓穿过条形孔将滑板、摩擦板2和副板4连接，多个条形孔平行设置。

参阅图6，滑动主板的外围自上而下缠绕有多道箍筋12，在相邻两个滑板之间的区域中垂直设置有多个纵向钢筋，在每个区域中浇筑混凝土形成混凝土柱，即分体住，箍筋使多个分体住形成整体结构，分体柱支撑底梁和顶梁之间。

滑板、摩擦板和副板外侧的端上间隔设置有箍筋槽8，箍筋12卡接在箍筋槽8中。

参阅图7和8，所述副板4的下端设置有过渡板，副板4通过渡板与底梁连接，每个过渡板上均布有多个过渡孔，副板4的上端支撑在顶梁底部。

所述滑动主板1的顶部设置有过渡板，滑动主板1通过渡板与顶梁连接，过渡板的截面与滑动主板1的截面相同，由多个过渡板拼接形成，每个过渡板上均布有多个过渡孔，滑动主板1的下端支撑在底梁上。

参阅图9，在另一实施例中，滑动主板的上下两端均设有支座16，分别为上支座和下支座，滑动主板1的过渡板预制在上支座中，副板4的下端预制在下支座中，摩擦板2支撑在上支座和下支座之间，分体柱中纵向钢筋的上下两端均预埋在上支座和下支座中。

参阅图4，在上支座与顶梁之间还设置有自复位装置，其包括自上而下依次设置的自复位上底座13、弧形柱头15和自复位下底座14，自复位下底座14预制在上支座的顶部，自复位上底座13预制在顶梁的底部，弧形柱头15位于复位上底座13和自复位下底座14。

所述滑动主板和副板为钢板，摩擦板为铝板。

所述滑动主板的横截面为十字型结构。

下面对上述的一种自复位抗震耗能分体柱的工作机理进行详细的阐述。

参阅图图1，该自复位抗震耗能分体柱，包括横截面呈田字形、竖直设置的副板、摩擦片、和滑动主板，并通过螺栓连接组成摩擦耗能组件，螺栓两端拧紧并向留有一定长度与混凝土粘结。内置滑动主板由十字形钢板组成，副板1和副板2由角钢组成。在滑动主板与副板范围内形成四个竖向区域，各竖向区域内均设置有钢筋笼，每个钢筋笼内均包括多道分体柱中纵向钢筋，四个竖向区域内浇筑混凝土后形成混凝土柱并在柱子顶端设置有圆弧形自复位装置。

当地震强度不足以使分体柱出现裂缝时，自复位装置的弧形柱头15与自复位下底座14和自复位上底座13产生相对滑动，隔断剪力传递，卸去水平剪力；地震荷载卸去后，由于自复位装置在重力的作用下缓慢恢复正常使用工况位置。

当地震荷载较大，仅依靠自复位装置运动不足以卸掉全部剪力时，整体的混凝土柱首先沿滑动主板与副板界面处出现竖缝，由于柱子发生变形，滑动主板开始与副板发生相对位移产生阻尼，消耗地震能量；当地震荷载进一步加大，捆绑钢筋笼的箍筋受到破坏，竖缝宽度、长度随着柱子侧移的增大而逐渐增大，滑动主板与摩擦板、副板组成的耗能装置与四个混凝土柱单独工作，最终趋于稳定并将整体的混凝土柱分隔成小混凝土柱，使得短柱变长柱，大大提高了柱子的延性和耗能能力。从而保证了地震中地下结构关键构件分体柱的安全性能，大大减轻地下结构在地震中可能出现的破坏。

该自复位抗震耗能分体柱，在地震作用下分体柱中的滑动主板、摩擦板、副板组成的耗能装置能够提高分体柱的阻尼和耗能能力，分体柱上部安装有自复位装置，有利于构件的整体抗剪切能力。由于滑动主板、副板均为钢板，在一定程度上相当于增加了中柱的配筋，提高中柱的竖向承载力。各部件均可在工厂批量生产，现场安装、浇筑，节能环保，易于生产，可在地下结构工程中推广应用。

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，提出的自复位抗震耗能分体柱，用于替代传统地下结构中的普通现浇钢筋混凝土柱。正常使用状态下，其下部通过支座与底梁相连，上部通过自复位装置与顶梁相连，并锚固于顶梁中，保证其正常使用功能，地震作用下地下结构上覆土体易出现剪切破坏，在其自重及附加竖向惯性力作用下，地下结构需承受较大的竖向荷载和水平剪力作用。采用上述预地铁车站自复位抗震耗能分体柱，克服了传统钢筋混凝土柱在高轴压作用下水平变形能力不足的缺陷。增大了中柱的变形能力，同时滑动主板与摩擦板相互摩擦有利于构件的耗能能力。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自复位抗震耗能分体柱，其特征在于，包括混凝土柱，以及装配在其内部的滑动主板(1)；

所述滑动主板(1)包括多个垂直且沿圆周均匀布置的滑板，多个滑板在交于圆心的端部相互固接，滑板与混凝土柱之间设置摩擦板(2)和副板(4)，摩擦板(2)位于副板(4)和滑板之间，滑板、摩擦板(2)和副板(4)之间机械连接且能够相互滑动，

所述滑动主板(1)和副板(4)的一端与施工区域的底梁或顶梁连接，另一端为自由端，且滑动主板(1)和副板(4)的固定端分别位于分体住的两端。

2.根据权利要求1所述的一种自复位抗震耗能分体柱，其特征在于，所述滑动主板(1)外侧缠绕有多个箍筋，相邻两个滑板之间的区域中设置有钢筋笼。

3.根据权利要求2所述的一种自复位抗震耗能分体柱，其特征在于，所述副板、摩擦板和滑板上均设置有多个滑动孔，螺栓穿过滑动孔连接副板、摩擦板和滑板。

4.根据权利要求3所述的一种自复位抗震耗能分体柱，其特征在于，所述滑动孔为条形孔。

5.根据权利要求1所述的一种自复位抗震耗能分体柱，其特征在于，所述滑动主板的上端设置有过渡板，该过渡板预制在顶梁中；

所述副板的下端设置有过渡板，该过渡板预制在底梁中。

6.根据权利要求1所述的一种自复位抗震耗能分体柱，其特征在于，所述滑动主板的两端还设置有上支座和下支座；

所述滑动主板的上端通过上支座与顶梁连接，滑动主板的下端支撑在下支座上；

所述副板的下端通过下支座与底梁连接，副板的上端支撑在上底座的底部。

7.根据权利要求1所述的一种自复位抗震耗能分体柱，其特征在于，所述滑动主板的上端与顶梁之间还设置有自复位装置。

8.根据权利要求7所述的一种自复位抗震耗能分体柱，其特征在于，所述自复位装置包括自上而下依次设置的自复位上底座(13)、弧形柱头(15)和自复位下底座(14)，自复位下底座(14)与混凝土柱连接，自复位上底座(13)与顶梁连接。

9.根据权利要求1所述的一种自复位抗震耗能分体柱，其特征在于，所述滑动主板的截面呈十字型。

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