CN112376396A - 具有缓冲连接结构的混凝土结构块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁和房屋混凝土建筑施工领域，本发明公开了具有缓冲连接结构的混凝土结构块，其特征在于保护钢绞线或钢筋使之能够承受超过常规工况外载荷的设计细节；其核心是为消除两结构件相交处剪应力集中局部V型缓冲腔和可以施加预应力类似钢绞线的绞支加强销杆设计。除了改善应力分布，V型缓冲腔有局部导向和定位作用，易于模块化建设；同时提供局部结构加强的空间来满足特殊工况强度要求，并允许所连接构件在强震冲击下相对错动以起到减隔震的功能。在同等工况下，所述加强销杆的绞支设计使得V型缓冲腔体积缩小，便于施工，同时具有防止所连接桥梁上部结构在强震和重载下倾覆的功能。

Description

具有缓冲连接结构的混凝土结构块

技术领域

本发明涉及建筑桥梁施工领域，具体地涉及一种具有缓冲连接结构的混凝土结构块。

背景技术

混凝土作为经济实用的建筑材料，具有抗压缩能力强但缺乏抗拉强度的特点。因为土木工程结构中往往是拉伸和压缩应力并存，工程上常采用下列两类方法最大限度地减少结构件中混凝土承受的拉应力：(1)在混凝土中预埋钢筋网络，即钢筋混凝土；(2)“预应力”技术，即预安装体外或体内贯穿梁和柱等承受弯矩结构件或其它类承受拉应力结构件的钢筋或钢绞线，以下统称“钢绞线”；在结构投入使用前在钢绞线两端施加拉力以造成在构件中的压缩力，从而使构件中混凝土基质保持在压缩状态下，以抵消使用过程中弯矩所造成的拉应力，见图1。

显然，图1中的常规预应力技术仅对在一个方向上尺寸明显大于其他两个正交方向的结构件(例如，梁或柱)有效。在多个沿不同方向设置的类似结构件汇交时，如何有效施加预应力仍然是这一领域的一个难题，例如，避免结构图2(a)中桥梁柱梁连接或图2(b)中的建筑物三向交叉梁柱连接几何突变处的应力集中；这类应力集中会造成构件表面或内部裂纹类损伤，降低整体结构的承载能力。

对于钢筋混凝土构件的制造和施工，工程实践中也有两类方法：第一类方法是“现场浇铸”，即在结构件于整体结构中的位置预制模板框架，内部预先布置细钢筋网络；然后浇铸混凝土。为此用于浇筑的模板建造的约耗费额外的20％到60％施工预算。同时，所浇灌的混凝土一般需要28天时效固化才能完全达到设计强度。为了增加多个混凝土构件衔接处抗拉和抗剪切强度，需要在接头部位预埋较稠密的钢筋网络。在必需承受较高剪力的衔接部位，例如，高地震风险区桥梁结构中的墩与梁或墩与地基的连接处，许多工程事例中另预埋贯通衔接部的粗钢筋或大直径钢管以增强接头节点强度。

相比之下，如果主要承力结构件在工厂或预制场地制造并予以预应力处理，然后在建设现场组装这些结构件；这不但可以减少钢筋用量，也可缩短施工时间，并带来显著经济效益。但对这类模块化结构，预制结构件的连接方式和接头局部强度基本上决定整体结构的承载能力和坚固性。同样，对类似于图2所示多个构件交汇处，如何在保证接头处有不低于构件本身的强度，仍是装配式结构领域尚未完全解决的问题。

主要承力结构件连接部的强度，例如，梁与柱交叉连接部的强度，对于大型桥梁和房屋的结构完整性和安全性至关重要。一个这类连接部的失效将导致所连所有承力结构件的失效。由于交叉连接部的应力水平通常高于其它部位，此类位置的结构坚固性和强度基本上决定了整体结构的承载能力，尤其是在飓风，强地震，车桥或船桥相撞，以及爆炸等极端载荷条件下。图3 是桥梁墩与梁哈墩与基础连接部在强震后破坏的实例。为了加强这类连接部的强度，内置加强销杆是一些工程采用的方法。图4是加强销杆破坏的两种形式。如何避免这类破坏，是有关工程界仍在研究探讨的问题。

根据前述简单分析和综述，目前桥梁和房屋等混凝土结构存在下列尚待彻底解决的技术难点：

(i)如何在多个主要承力结构件相交节点处避免应力集中造成的强度降低；

(ii)如何在这类结构节点沿所有必要方向实施预应力；

(iii)如何保证装配式结构有足够抗强地震和其它突发性灾害的能力；具体的讲，如何解决装配式结构中节点比整体浇灌结构节点弱的普遍问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的由于现有的多个主要承力结构件相交节点处应力集中导致的连接杆件容易被切断或受力挤压变形而影响承力构件连接的紧固性和整体结构的稳定性的技术问题，同时为结构需要抵抗强震所需的减隔震功能和承受超过载所需的抗倾覆功能，提供一种用于混凝土构件的连接结构。

在以下陈述中，“构件”是指在土木工程结构中承受主要力流的结构件，例如如桥梁或建筑物中的梁跨或柱，或这些构件的节段。本发明所公开的混凝土结构件连接结构，又称作“接头”，是两个以上构件的节点；其可以是一个连接汇聚在节点其它构件的单一构件；也可以是包括所连接构件在内的结构系统，例如，一根梁和一个墩的连接。本发明所公开的连接结构还包括在所连接构件中的一些设置，例如，钢绞线或预埋的钢筋或加强销杆或内注混凝土的钢管，在以下陈述中统称“杆件”；以及相关的配件。杆件穿过至少两个构件。根据土木工程结构施工惯例，“湿接缝”是指现场浇灌混凝土制成的接头；而“干接缝”是指预制的结构接头，在施工过程中放入指定位置以连接其它构件。

本发明提供的具有缓冲连接结构的混凝土结构块，所述混凝土结构块包括：

多个混凝土构件，至少包括第一混凝土构件和第二混凝土构件；

第一混凝土构件，所述混凝土构件中预制至少一个V形的缓冲腔；

杆件，所述杆件包括贯穿部分或全部所述第一混凝土构件的所述缓冲腔的腔底壁上的第一连接端和位于所述缓冲腔外部的第二连接端，

其中，

所述第一连接端和所述第一混凝土构件固定连接，所述第二连接端与所述第二混凝土构件可转动铰接连接，以允许所述杆件能够在所述缓冲腔内摆动但沿轴线方向固定，

所述杆件在所述缓冲连接结构组装时一个连接端延轴向方向固定，另一端承受轴向方向包括预应力的拉伸力。

本发明的上述结构在于保护钢绞线或钢筋使之能够承受超过常规工况外载荷的设计细节；其核心是为消除两结构件相交处剪应力集中局部V型缓冲腔和可以施加预应力类似钢绞线的绞支加强销杆设计。除了改善应力分布， V型缓冲腔有局部导向和定位作用，易于模块化建设；同时提供局部结构加强的空间来满足特殊工况强度要求，并允许所连接构件在强震冲击下相对错动以起到减隔震的功能。在同等工况下，所述加强销杆的绞支设计使得V型缓冲腔体积缩小，便于施工，同时具有防止所连接桥梁上部结构在强震和重载下倾覆的功能。

优选地，所述杆件的第二连接端包括一个球状铰接头，设置固定在所述第二混凝土构件表面的护板，包含所述铰接头的基座和基盖。

优选地，所述第二连接端还包括设置在所述第一混凝土构件与所述第二混凝土构件之间的摩擦板。

优选地，所述第一混凝土构件和所述第二混凝土构件之间还包括设置固定在所述第一混凝土构件表面的护板。

优选地，所述杆件的所述第一连接端通过所述螺母在制作所述第一混凝土构件过程栓接并施加预应力，制作完毕后所述螺母位于所述第一混凝土构件内部的空腔中。

优选地，所述杆件的所述第一连接端贯穿所述第一混凝土构件，其固定在所述第一混凝土构件一侧表面并可施加预应力。

优选地，所述杆件设置至少一个用于隔绝其与至少一个其穿过所述混凝土构件的防护套筒和/或形套筒或V型保护套组。

优选地，所述防护套筒和/或形套筒或V型保护套组外侧设置加强肋和/ 或环绕所述防护套筒的细钢筋或钢丝加强筋络。

优选地，缓冲腔内填充环绕杆件的阻尼材料。

优选地，杆件在缓冲腔内的部分截面积增大。

优选地，缓冲腔内置入环绕杆件的V型加强套。

优选地，所述连接结构还包括一个混凝土构件组，所述构件组包括至少一个与所述混凝土构件相连接的混凝土构件。

附图说明

图1(a)是现有技术中在没有预应力条件下一个有弯矩梁中产生的拉应力峰值的受力分析图；

图1(b)是对图1(a)中贯穿中轴的钢绞线施加拉应力以造成梁中的预压缩应力，以消除图1(a)所示弯矩在混凝土基体中造成的拉应力的受力分析图；

图2(a)是本发明在多个结构部件节点实施多方向预应力的梁与梁之间和梁墩之间连接的结构示意图；

图2(b)是本发明在多个结构部件节点实施多方向预应力的建筑结构中的多个多方向梁与柱的交叉连接结构示意图；

图3(a)是本发明涉及案例1971年美国加利福尼亚州圣费尔南德大地震中费尔南德街桥(整体浇灌结构)破坏模式展示图；

图3(b)是本发明涉及案例1995年日本神户大地震Hanshin高速第46 号墩破坏模式展示图；

图4(a)是现有技术中在节点应用内部灌浆钢管加强节点被剪断的展示图；

图4(b)是现有技术中在节点应用内部灌浆钢管加强节点周边环绕遭受混凝土爆裂的展示图；

图5(a)是造成图4所示破坏模式的结构原因示意图；

图5(b)是本发明的连接结构在同等工况下销杆内剪应力分析示意图；

图6(a)是图5中加强销杆在缓冲腔内变形轮廓，表达为函数Y(x)的示意图；

图6(b)是本发明设计V型缓冲腔侧壁轮廓曲线的模型的分析示意图；

图7(a)是本发明的预制在混凝土结构块接触面上的V型缓冲腔3和可以施加预应力的杆4的设计组合的第一结构示意图；其中，第一混凝土构件在制作过程中，杆件4第1端401通过螺栓10固定在第一混凝土构件在腔室101中，杆件4第2端是球形铰接头403，其可以是与杆件4主体一同切削加工制成，或在与杆件4连接部402焊接制成；

图7(b)是本发明的预制在混凝土结构块触面上的V型缓冲腔3和可以施加预应力的杆4的设计组合的第二结构示意图；其中，第一杆件第1端 401通过螺栓10固定在第一混凝土构件表面；

图8(a)是本发明的实施例中混凝土结构块的防护套筒15，V型保护套16，周边分散承担剪力的加强肋1501，螺母10和承力垫片11的综合安装结构示意图；

图8(b)是本发明的实施例中混凝土结构块的防护套筒15，周边分散承担剪力细钢筋制成的加强筋络1502，螺母10和承力垫片11的综合安装结构示意图；

图8(c)是本发明的实施例中混凝土结构块的V型保护套17，螺母10 和承力垫片11的综合安装结构示意图；

图8(d)是本发明的实施例中的混凝土结构块的在V型保护套15和/ 或防护套筒16和/或V型保护套组17周边分散承担剪力的加强肋1501和细钢筋制成的加强筋络1502的结构示意图；

图9(a)是本发明的实施例中混凝土结构块的杆件第一端包含楔形紧固块的自紧栓接套装结构与第一结构件栓接的示意图，其中应用弹簧12施加预紧力；

图9(b)是本发明的实施例中混凝土结构块的杆件第一端包含楔形紧固块的自紧栓接套装结构与第一结构件栓接的示意图，其中应用阻尼材料块13 施加预紧力；

图10(a)是本发明的实施例中的混凝土结构块的缓冲腔和杆件之间空间内置入缓冲和耗散震动能量的耗散套301的结构示意图；

图10(b)是本发明的实施例中的混凝土结构块的缓冲腔和杆件之间空间内置入环绕杆件的V型保护套302的结构示意图；

图11是本发明的实施例中的混凝土结构块的变截面杆件4b结构示意图；

图12是本发明混凝土结构块的杆件4第一端固定的实施例，图中杆件4 标注为4a，其第一端与交叉的T型404端点固接，预埋在构件1内部；杆件4a的第二端为贯通球形铰接头407的杆件，其在两者相交缝402位置半径逐渐减小，即图中标计为405的部分，然后呈圆柱体状至端点，接近端点处有与螺母匹配的外螺纹，即图中标计为406的部分；球形铰接头407的中通孔内径与穿过杆件一致；由此允许以杆件406端通过螺栓10固定在第一混凝土构件外表面；

图13(a)是图2(a)的连接系统和湿接头技术对应的在所示桥梁盖梁顶与其上承两个工字梁桥跨组端相接的实施例中湿接头浇灌前结构示意图，第一步，将杆件4a预埋入盖梁1并预制V型缓冲腔3，然后在盖梁1表面置放焊有图12中钢筋18的护板7，与护板7焊接在一起的基座8，杆件4a 从其中通过；将球形铰接头407置入基座8，再盖上基盖9，用螺母10将杆件4a同球形铰接头407固接在一起；

图13(b)第二步，在盖梁1上置搭接的有顺桥向钢绞线孔道16的工字梁组202；

图13(c)第三步，在两工字梁端点之间，盖梁1面环绕的空间搭建模板浇灌混凝土，然后对钢绞线17施加预应力；图中湿接头浇灌完成后结构示意图。

附图标记说明

1、第一混凝土构件；102、楔形开口腔；2、第二混凝土构件；202、混凝土构件；3、V形缓冲腔；301、耗散套；302、保护套；4、杆件；401、第一连接端；402、第二连接端；403、杆件主体与第二连接端间焊缝；4a、杆件：第一连接端为T型，第2连接端包含变截面段405和螺纹端头406； 5、摩擦板；6、第一混凝土构件表面护板；7、第二混凝土构件表面护板；8、基座；9、基盖；10、螺母；11、承力垫片；12、弹簧；；13、有中通孔的楔形块；14、缓冲材料块；15、防护套筒；16、形套筒；17、V型保护套组； 18、焊接在护板7上的钢筋；19、内置预应力管道的孔道；；20、钢绞线；； 21、预应力管道内压浆。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“水平”、“横向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”和“下”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系，例如，重力方向。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

在常规桥梁和房屋设计中，预应力方向或钢筋混凝土中主承力钢筋系方向一般同重力造成的弯矩作用方向重合，即沿重力方向的墩和沿着跨梁长度方向。而自然灾害或意外事件造成的载荷，例如地震，洪水，船桥相撞，其方向一般垂直于前述弯矩作用方向；例如，除了震中附近区域，地震对结构的冲击主要表现在地震波在地表水平加速度所引起结构内部水平方向的惯性力。从预应力技术角度解决上述问题的关键是：保证钢绞线能够承受结构节点处的横向剪力集中；合理地施加预应力来保证节点处混凝土基体的剪力和拉伸力在可以承受的范围内。同样，对钢筋混凝土结构要求保证主承力钢筋系预埋钢筋能够承受结构节点处的横向剪力集中；合理地安排钢筋网络来保证节点处混凝土基体的剪力和拉伸力在可以承受的范围内。更近一步，如果在超强地震工况下结构节点可以适度减隔震，即允许控制下的局部相对错动，同时在地震过后有一定自恢复功能，将会显著提高预应力或钢筋混凝土建筑的结构安全性。图3是整体浇灌桥梁在地震下破坏的典型案例：在弯矩和剪力复合作用下墩梁连接节点的薄弱部位破坏；为此粗钢筋或钢管等局部加强销是一类常用的处理办法。但这类加强销一般只能预埋于整体浇灌的结构中；在强地震条件下，这类加强销可能在被连接两部件相交截面位置局部的剪应力集中破坏，见图4a，或者造成周边局部混凝土爆裂(图4b)。造成这类破坏的原因是强震下被连接两部件产生相对错动趋势时在相交截面处产生的高剪应力集中，如图5(a)所示。

本文公开连接系统装置设计的首要目标是降低或消除这类剪切应力集中，通过局部优化设计细节来起到加固钢绞线和结构整体完整性的目的；同时利用结构部件自身的特性，例如重量和预拉伸力，来自我增强抵抗极端工况的冲击。

为此，本发明公开了一类用于多个主承力结构件节点的连接结构，其特征在于保护钢绞线或钢筋使之能够承受超过常规工况外载荷的设计细节；其核心是图5(b)所示为消除相交截面处剪应力集中所设计环绕钢绞线等销类部件的V型缓冲腔。这一类设计同时有导向定位作用，允许模块化建设，同时满足抗震等特殊工况对结构节点的强度要求。

V型缓冲腔的功能设计目标和对应机理简述如下：

当极端强震袭击类似图5(b)中结构时，V型缓冲腔连接允许梁和桥墩之间有约束的相对滑动。原因是按照目前科技水平尚不可能准确预知未来强震等极端载荷工况，设计绝对安全不容任何错动结构在工程上不现实；现代结构抗震理论的一个共识是部件间有约束微小错动可以部分地截断结构中惯性力流，起到下列作用：

(i)惯性力衰减；

(ii)振动能量耗散；

(iii)整体结构刚度降低，从而降低相应的惯性力；

(iv)整体结构固有自振频率发生偏移，以避免共振。

因此，V型缓冲腔的第一个功能是允许这类错动；当错动发生时为所穿过(钢绞线)销杆提供弯曲变形的缓冲空间，舒缓在墩梁结合面上如图5(a) 所示剪应力集中，避免立即被剪断。

当图5(b)所示结构在地震。当图5(b)所示连接墩梁在强震作用下相对错动时，销杆在V型缓冲腔内可能会以下列三种不同方式变形：

(i)当V型缓冲腔的开口太窄时，销杆变形后可能首先接触缓冲腔内开口边缘，造成在接触部位与图5(a)类似的剪应力集中；

(ii)当V型缓冲腔曲率与某个横向载荷Q1下公式1所给出曲线曲率精确吻合，当横向力Q达到Q1时，销杆会突然与缓冲腔侧壁完全接触；当Q继续增大时，也可能产生与类似图5(a)的剪应力集中；

(iii)当Q增大时，销杆与V形缓冲腔侧壁“渐近接触”，即两者之间接触面积随着载荷上升逐渐增大；在这种情况下，销杆仍像悬臂梁一样变形，但其跨距“L/2-x”的(随着x增大)逐渐减小；从而提高了抵抗进一步弯曲的阻力。不言而喻，变形机制(iii)提供所要求性能，是本发明所公开设计细节的一个核心物理内涵。

显然，图5(b)中销杆在缓冲腔内的变形与所连接两结构件的接触面成反对称关系。因此，考虑一端插入一个结构件V型缓冲腔内且长度等于此缓冲腔深度的杆件，其另一端铰接在另一个结构件的接触表面上，所连接两结构件相对错动时这个销杆的变形和受力模式同图5(b)模式致，但相对错动的位移减半。这一考虑启发本发明公开如图7所示的连接结构。这类结构中销杆的变形可以用图6(a)所示悬臂梁模型简化的。假设图5(b)中梁水平错动时作用在连接销杆端的水平力可以简化为图6(a)中横向载荷Q，销杆变形，即图6中函数Y(x)，可通过以下梁弯曲公式估算：

式中，x，L分别代表销杆位置坐标和在V型缓冲腔侧壁的跨距，即V型缓冲腔的深度；I是销的惯性矩，E是销材料的杨氏弹性模量；系数k1和k2的值介于1和2之间。

图6(a)的悬臂梁简化模型假设销杆在V型缓冲腔内可以按长度等于缓冲腔深度。但如果销杆与缓冲腔逐渐接触，意味着悬臂梁长度逐渐缩小，则 (公式.1)误差逐渐增大。由此图6(b)为考虑销杆与缓冲腔逐渐接触的模型，其导出了如下的一个常微分方程¹，其解函数给出达到“渐近接触”精确的V 形缓冲腔侧壁曲率作为V型缓冲腔工程设计的基础：

式中Δ代表销杆顶端变形。为保证销杆不出现屈服，(公式4)的解还需满足下列两个条件：

式中，λ(x)是销杆的半径，其是一个沿轴向变动的函数，即销杆可以是变直径；I(λ(x))是销杆的截面惯性矩；

是在荷载Q作用下销杆作为跨度为

悬臂梁销端的设计挠度；E，σ_Y，τ_Y分别是销杆的杨氏模量，屈服强度，剪切强度。上述(公式2)和(公式3)仍适用于(公式4) 解给出的V型缓冲腔设计。

下面解释本发明公开包括V型缓冲腔结构节点连接装置的工程设计细节。在以下陈述中，“构件”是指在土木工程结构中承受主要力流的结构件，例

如如桥梁或建筑物中的梁跨或柱，或这些构件的节段。本发明所公开的混凝土结构件连接结构，又称作“接头”，是两个以上构件的节点；其可以是一个连接汇聚在节点其它构件的单一构件；也可以是包括所连接构件在内的结构系统，例如，一根梁和一个墩的连接。本发明所公开的连接结构还包括在所连接构件中的一些设置，例如，钢绞线或预埋的钢筋，在以下陈述中统称“杆件”；以及相关的配件。杆件穿过至少两个构件。根据土木工程结构施工惯例，“湿接缝”是指现场浇灌混凝土制成的接头；而“干接缝”是指预制的结构接头，在施工过程中放入指定位置以连接其它构件。

图7在更广泛范围表述图5(b)中包括V型缓冲腔结构节点连接装置的细节和主要创新点，其是两个构件的连接局部。这两个构件可以是墩或盖梁顶部连接梁段，或墩顶与盖梁或两截墩柱件的连接，或墩底与基础件的连接；以下分别称为“混凝土构件1”和“混凝土构件2”或“构件1”和“构件2”。图中构件1有一个预制的V型缓冲腔3，包含一根贯通且第1端固接在腔室101 或表面用螺母10固定的金属杆件4，以下简称“杆件4”。图中杆件4的第2端402接一个球形球形铰接头403，包含在基座8就基盖9，其中基座8与护板7固接；护板7通过螺栓与构件2固接或直接预制在构件2表面。如此杆件4的第2 端铰接在构件2表面。

本发明公开连接装置的关建是V型缓冲腔3的设计，其是在构件1和构件2 相接触的一或两个表面预制的V型开口空腔，由开口直径、开口深度和侧壁曲率函数三个参量决定。其中开口直径限定构件1和构件2间容许的相对错动，由结构所在地的地震预测强度和整体结构刚度确定。V型缓冲腔3的开口深度和侧壁曲率由上述(公式1)到(公式4)确定。

当地表水平加速度等于a的地震冲击类似图5(b)中结构且假设墩底部同地表共同运动，惯性造成墩梁接触面的剪力Q₀为：

Q₀＝M_b·a (公式5)

式中M_b是上部结构(梁)的质量。剪力Q0与图6所示杆件上端的横向力 Q之间的关系是：

式中g：重力加速度；f：墩梁接触面上抵抗相对错动的静摩擦系数。显然，可以通过调整类似图5(b)中结构墩梁接触面的摩擦系数来控制引起在其间相对错动惯性力阙值。因此，图7(b)包含本发明公开连接结构的另一个细节，即在构件1和2的接触面上置入附加的摩擦片5来改变相对错动时的摩擦系数f，从而设计在何等地震烈度下允许相对错动发生。为了扩大调整范围，可以在构件1的接触面上再置入附加的护板6。其类似于普通支座的顶板，可以是栓接在接触面上；或预制于所附着的混凝土构件表面上。

当图7所示连接结构受到强横向力冲击时，杆件所承担剪力将会传递到环绕的构件基体中。由于杆件由等金属材料材料，其强度远高于混凝土。如果杆件周边混凝土破坏，图6设计的杆件变形状态将改变。为了保护杆件和环绕的混凝土基体，本专利公开的连接结构还可以包括如图8(a，b，c)所示的设计细节：保护V型缓冲腔内壁的V型套筒16，环绕杆件4的防护套筒15，或V型套筒16和防护套筒15合成一体的V型保护套组17。为了在大面积混凝土基体上分散承担水平相对错动发生时作用在杆件上的剪力，设计细节还包括如图8(d)所示附加在防护套筒15外侧的加强肋1501，环绕V型套筒16和防护套筒15细钢筋制成的加强筋络1502；以及在螺母10和构件1承力面之间的承力垫片11。工程上的一个选择是将承力垫片11与防护套筒15通过焊缝 1503连接。

当图7所示连接结构中的杆件在强横向力作用下变形至极限状态，即杆件与V型缓冲腔内壁完全接触后，会产生一个延杆件变形曲线切向的分力，其推举连接的构件1使其有上行的趋势，造成在已处拉伸应力状态下的杆件内附加拉应力。为了控制杆件内拉应力，本专利公开的连接结构还可以包括如图9(a)所示杆件4在所连接构件表面伸出端的栓接组件，其包括这个构件在杆件4伸出端位置预制的楔形开口腔102，包含中心通孔并可楔入楔形开口腔的楔形紧固块13，承力垫片11，螺母10，和在承力垫片与螺母之间的弹簧垫片或弹簧12。杆件4伸出端从这系列组件中依次穿过，由螺母10固定。弹簧垫片12控制杆件4中的拉应力，保证其在可接受范围内；同时允许构件1 的微小上移；起到借用其自身重力抵抗横向错动的目的。图9(a)中的弹簧垫片或弹簧901可以用如图9(b)所示的缓冲材料块14代替，其由弹性高分子材料制成，例如，铁氟龙，聚氟或聚氨酯块，环氧树脂块，形状记忆合金等。

V型缓冲腔设计为工程实际应用提供了广泛的灵活性。图10(a)公开一种在V型缓冲腔基础上的附加设计选择，即在缓冲腔3和杆件4之间的空间内置入可以近一步缓冲和耗散震动能量的材料，又称作耗散套，即图中标计的耗散套301。耗散套可以是直接注入这一空间的在外力作用先可以呈现粘性流体性质平均直径小于2毫米的细小材料颗粒，例如，硅粉，硅砂，或聚氨酯，聚氟等高分子材料及软金属颗粒；或者是用有一定粘塑性性质的材料，例如，橡胶，铅锡软合金，或聚氨酯，聚氟或环氧树脂等高分子材料制成如图10(a)中部件耗散套301形状的锥形块。在动载作用下，这类材料颗粒或材料块阻滞杆件4变形同时耗散外力输入的能量。

图10(b)公开另一种在V型缓冲腔基础上的附加设计选择，即在缓冲腔3和杆件4之间的空间内置入环绕杆件4的保护套302，又称作V型加强套，用与杆件4材料性质相近的金属材料制成。很明显，V型加强套的作用是基于结构优化设计概念在杆件4中横向剪力最大的部位增大抗剪力截面面积。V 型缓冲腔使得这类优化设计得以实现。同样，图10(b)的优化设计可以通过另一种方式实现：即图11所公开的变截面预应力杆件设计。

图7至图11所示连接结构中杆件4的第一端401也可以预埋在构件1 中，图12中这类杆件标注为4a，其第一端连接与其交叉的T型端点404，第二端的球形铰接头407内含贯通孔；杆件4a在于铰接头407相交缝402 位置半径逐渐减小，即图中标计为405的部分，然后呈圆柱体状至端点，接近端点处有与螺母匹配的外螺纹，即图中标计为406的部分；球形铰接头407 的中通孔内径与穿过杆件一致；由此允许以杆件406端通过螺栓10固定在第一混凝土构件外表面。

在前述公开以V型缓冲腔为基础连接结构的介绍中只提到围绕图5所示垂直方向杆件预应力加强结构节点设计，这里的杆件可以是钢绞线或局部加强销杆。母庸详述，这类结构连接系统可以用在二到多个方向结构部件的交叉节点中和同时沿这些方向实施预应力。图13(a)到图13(c)介绍了应用这类连接系统和湿接头技术对一个桥梁的墩或盖梁与梁跨连接实施双向预应力加强的实施例。

在本发明的实施例中，提供一种用于混凝土构件的连接结构，该结构包括，混凝土构件和杆件4，混凝土构件中预制至少一个V形缓冲腔3；混凝土构件至少包括第一混凝土构件1和第二混凝土构件2；杆件4对第一混凝土构件1和第二混凝土构件2进行连接，杆件4的第一端贯穿第一混凝土构件1中的一个缓冲腔3，固定在第一混凝土构件1上；杆件4的第2端402 接一个球形球形铰接头403，其包含在基座8和基盖9中，其中基座8与护板7固接；护板7通过螺栓与构件2固接或直接预制在构件2表面。如此杆件4的第2端铰接在构件2表面。并可以沿杆件4的轴线方向对连接的两混凝土构件施加预应力。

本发明的用于混凝土构件的连接结构，通过在混凝土构件中预制至少一个V形缓冲腔，利用杆件第一混凝土构件和第二混凝土构件进行连接，且杆件贯穿至少一个缓冲腔，通过腔体的设置避免了杆件在第一混凝土和第二混凝土的接触面位置处的结构因外部施压产生应力集中而被剪坏，同时杆件4 的连接端分别固定在第一混凝土构件和第二混凝土构件上，杆件沿轴线方向上对连接的混凝土构件施加应力，该结构的设置提高了混凝土构件连接后的整体的对于拉力的承受力，提高了混凝土构件整体结构的稳定性。避免了因受外力影响而就杆件的局部产生较大的集中应力从而导致连接构构件的损耗或损坏。进而解决了由于现有的多个主要承力结构件相交节点处应力集中导致的连接杆件容易被切断或受力挤压变形而影响承力构件连接的紧固性和整体结构的稳定性的技术问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种具有缓冲连接结构的混凝土结构块，其特征在于，所述混凝土结构块包括：

多个混凝土构件，至少包括第一混凝土构件(1)和第二混凝土构件(2)；

第一混凝土构件(1)，所述混凝土构件中预制至少一个V形的缓冲腔(3)；

杆件(4)，所述杆件(4)包括贯穿部分或全部所述第一混凝土构件(1)的所述缓冲腔(3)的腔底壁(301)上的第一连接端(401)和位于所述缓冲腔(3)外部的第二连接端(402)，

其中，

所述第一连接端(401)和所述第一混凝土构件(1)固定连接，所述第二连接端(402)与所述第二混凝土构件可转动铰接连接，以允许所述杆件(4)能够在所述缓冲腔(3)内摆动但沿轴线方向固定，

所述杆件(4)在所述缓冲连接结构组装时一个连接端延轴向方向固定，另一端承受轴向方向包括预应力的拉伸力。

2.根据权利要求1所述的混凝土结构块，其特征在于，所述杆件(4)的第二连接端(402)包括一个球状铰接头(403)，设置固定在所述第二混凝土构件表面的护板(7)，包含所述铰接头(403)的基座(8)和基盖(9)。

3.根据权利要求1所述的混凝土结构块，其特征在于，所述第二连接端(402)还包括设置在所述第一混凝土构件与所述第二混凝土构件之间的摩擦板(5)。

4.根据权利要求1所述的混凝土结构块，其特征在于，所述第一混凝土构件和所述第二混凝土构件之间还包括设置固定在所述第一混凝土构件表面的护板(6)。

5.根据权利要求1所述的混凝土结构块，其特征在于，所述杆件(4)的所述第一连接端(401)通过所述螺母(10)在制作所述第一混凝土构件(1)过程栓接并施加预应力，制作完毕后所述螺母(10)位于所述第一混凝土构件(1)内部的空腔(101)中。

6.根据权利要求1所述的混凝土结构块，其特征在于，所述杆件(4)的所述第一连接端(401)贯穿所述第一混凝土构件(1)，其固定在所述第一混凝土构件(1)一侧表面并可施加预应力。

7.根据权利要求1所述的混凝土结构块，其特征在于，所述杆件(3)设置至少一个用于隔绝其与至少一个其穿过所述混凝土构件的防护套筒(15)和/或形套筒(16)或V型保护套组(17)。

8.根据权利要求7所述的混凝土结构块，所述防护套筒(15)和/或形套筒(16)或V型保护套组(17)外侧设置加强肋(1101)和/或环绕所述防护套筒(11)的细钢筋或钢丝加强筋络(1102)。

9.根据权利要求1至8任一项的混凝土结构块，其特征在于，缓冲腔(3)内填充环绕杆件(4)的阻尼材料。

10.根据权利要求1至8任一项的混凝土结构块，其特征在于，杆件(4)在缓冲腔(3)内的部分截面积增大。

11.根据权利要求1至8任一项的混凝土结构块，其特征在于，所述混凝土结构块的至少一个缓冲腔(3)内置入环绕杆件(4)的V型加强套。

12.根据权利要求1至8任一项的混凝土结构块，其特征在于，所述混凝土结构块还包括一个混凝土构件组，所述构件组包括至少一个与所述混凝土构件(1)相连接的混凝土构件(202)。

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