CN112727220A - 自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系 - Google Patents

自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系 Download PDF

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Abstract

一种自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，包括自复位增效隔震柱单元、地下空间结构顶板、地下空间结构底板和地下空间结构侧墙。本发明建立了地下空间结构抗震抗冲击作用的双重韧性机制，以中柱预应力钢筋为第一道韧性自复位机构，利用自复位增效隔震柱在外部作用下的摇摆运动隔离地震及冲击作用，放大自复位增效隔震柱顶部摩擦阻尼器变形提升耗能能力；以中柱顶部自复位摩擦阻尼器为第二道韧性自复位机构保障结构在多级地震作用下的自复位性能。自复位机制降低了结构体系的残余变形，实现灾后地下空间结构的快速恢复与使用；双重自复位机制实现了隔震中柱的放大耗能，能够有效吸收并耗散冲击能量，具有多重耗能高效和鲁棒性强等特点。

Description

自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系
技术领域
本发明属于地下建筑工程与防护工程领域，尤其涉及自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系。
背景技术
近年来，随着我国城市化进程的不断加快，地下空间结构在我国各大城市大规模兴建。地下空间结构的蓬勃发展，提高城市集约化程度、减少城市环境污染，具有巨大的社会和经济效益；但也为城市工程防震减灾工作带来了新的挑战。地下空间结构往往是生命线工程的重要组成部分，承载着大量的人流和物流，一旦在地震或爆炸冲击中发生破坏，将导致巨大的人员伤亡和经济损失，并给地震应急救援及灾后恢复工作带来极大的困难。
以往，由于地下空间结构较少且震害资料不足，人们通常认为地下空间结构的抗震能力较好而研究较少，然而，日本阪神地震及我国汶川地震的震害教训让人们意识到：强震发生时，现有地下空间结构并不像人们想象中那样安全，甚至会发生塌毁的严重破坏；此外，随着全球安全形式的复杂化，全球各地也有多起地下空间爆炸案件的发生，造成了大量的人员伤亡及严重的结构损伤。鉴于此，亟需进一步探寻提高地下空间结构在强震及冲击荷载作用下结构韧性的方法，保护地下空间结构的薄弱部位在多水准强震及强冲击荷载作用时不会产生严重震害，并实现灾后地下空间结构的快速恢复与使用,实现地下空间结构安全等级的提升和剪力、位移和损伤的多目标控制。
发明内容
本发明目的在于，显著降低外部作用下地下空间结构在强震及冲击荷载作用下薄弱中柱的动力响应，避免中柱的剪切破坏及结构坍塌；通过自复位机制降低结构体系的残余变形，实现灾后地下空间结构的快速恢复与使用；基于双重自复位机制实现隔震中柱的放大耗能，有效吸收并耗散冲击能量，建立多重耗能高效和鲁棒性强的地下空间结构体系。
本发明需要保护的技术方案概括为：
一种用于地下建筑工程与防护工程领域的自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，包括自复位增效隔震柱单元、地下空间结构顶板、地下空间结构底板和地下空间结构侧墙；地下空间结构顶板、底板和侧墙共同围成矩形断面的多层多跨结构体系，若干自复位增效隔震柱单元设置于各层地下空间结构顶板和底板之间。在地震及冲击荷载作用下，地下空间结构顶板及底板发生水平相对变形进而引起地下空间结构侧墙的水平变形及自复位增效隔震柱单元的运动；自复位增效隔震柱单元中对拉预应力钢筋的自复位机制与顶部自复位摩擦耗能阻尼器协同工作，可提供自适应阻尼器不同变形水准的时变正压力，放大自复位增效隔震柱顶部摩擦阻尼器变形以精准实现大位移下的增效耗能能力,并保障结构在多级地震作用下的自复位性能。
进一步，自复位增效隔震柱单元包括钢板加固柱端、板-中柱水平传力构件、预应力钢筋固定螺栓、自复位摩擦耗能阻尼器上部及下部夹板、自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板、上部及下部锚固对拉预应力钢筋、地下空间结构中柱、自复位摩擦耗能阻尼器滑槽和锚固螺栓；其中，自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板、中部滑板及下部夹板依次自上而下接触设置，接触面设置指定摩擦系数的摩擦层以组成自复位摩擦耗能阻尼器；设置于地下空间结构中柱顶部的自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板通过板-中柱水平传力构件和锚固螺栓与地下空间结构顶板固定连接；自复位摩擦耗能阻尼器下部夹板与地下空间结构中柱顶面固定连接，同理，设置于地下空间结构中柱底部的自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板通过板-中柱水平传力构件和锚固螺栓与地下空间结构底板固定连接，自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板与地下空间结构中柱顶面固定连接。
进一步，地下空间结构中柱顶部和底部分别开设凹槽，凹槽内设置自复位摩擦耗能阻尼器。下部锚固对拉预应力钢筋和上部锚固对拉预应力钢筋分别穿过中柱顶部和底部设置的自复位摩擦耗能阻尼器并通过预应力钢筋固定螺栓锚固连接，用以施加摩擦耗能阻尼器摩擦面上的时变正压力。
进一步，钢板加固柱端包含开设凹槽后的钢筋混凝土柱端及加固钢板，其中，钢板与钢筋混凝土柱端固定连接，用以保护钢筋混凝土柱端在强震作用时不至发生严重破坏；钢板加固柱端与地下空间结构顶板及底板之间设置为摩擦接触，用以降低中柱的动力响应，同时保证柱端在小震作用时不会由于发生滑动而影响结构安全与使用。
进一步，下部锚固对拉预应力钢筋下端锚固于地下空间结构底板中，上部通过固定螺栓与自复位摩擦耗能阻尼器连接，下部锚固对拉预应力钢筋在中柱横向对称布置两根，在中柱纵向对称布置两组；上部锚固对拉预应力钢筋其上端锚固于地下空间结构顶板中，下部通过固定螺栓与自复位摩擦耗能阻尼器连接，上部锚固对拉预应力钢筋在中柱横向在与下部锚固对拉预应力钢筋同平面位置上对称布置两根，在中柱纵向布置一组且位于两组下部锚固对拉预应力钢筋中间；下部锚固对拉预应力钢筋与上部锚固对拉预应力钢筋所提供的预应力(对拉力)大小应相等且适当(推荐：单根预应力钢筋的预应力控制为其屈服强度的50％)，用以保证预应力筋在强震时可提供足够的拉力将结构拉回原位置，同时亦不至发生屈服破坏。
进一步，自复位增效隔震柱单元的自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板与上部夹板及下部夹板之间的摩擦系数可根据减震与耗能及自复位要求进行确定，当摩擦系数较小时，可获得较好的减震效果；当摩擦系数较大时，可获得较好的能量耗散及自复位效果；此外，由于自复位增效隔震柱单元的安装，可通过利用诸如改变节点连接形式，调整配筋或修改截面形式等方式进一步弱化地下空间结构侧墙的抗侧力设计，以放大自复位摩擦耗能阻尼器的变形，使自复位增效隔震柱获得更好的减隔震效果。
本发明与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：
1.本发明建立了地下空间结构抗震抗冲击作用的双重韧性机制，以中柱预应力钢 筋(8/9)为第一道韧性自复位机构，利用自复位增效隔震柱在外部作用下的摇摆运动隔离地震及冲击作用，放大自复位增效隔震柱顶部摩擦阻尼器(5、6、7、12)变形提升耗能能力。以中柱顶部自复位摩擦阻尼器(5、6、7、12)为第二道韧性自复位机构保障结构在多级地震作用下的自复位性能。
所述双重韧性机制，具体的：
第一道韧性自复位是，在地震作用下，由于中柱顶部及底部与框架结构顶板及底板断开，故而中柱在地震作用下的摇摆运动会比固接时要大，因此，顶部的摩擦阻尼器的变形会被放大，以提升耗能效率。由于预应力钢筋的预应力存在，当地震结束后，预应力筋的预应力会抵抗结构的变形，将结构拉回，减少结构的残余变形，有利于结构的震后修复。
第二道韧性自复位机制是，柱顶的摩擦阻尼器亦具备自复位效果，在地震过程中既可以耗能，也可以自复位避免中柱变形过大而导致倾覆，尤其是当摩擦系数较大时，其耗能和自复位效果更好。
2.本发明的发明任务在于可显著降低外部作用下地下空间结构薄弱中柱的动力响应，避免中柱的剪切破坏及结构坍塌，自复位机制降低了结构体系的残余变形；双重自复位机制实现了隔震中柱的放大耗能，提升了该地下空间结构体系的集中耗能能力和效率。
3.自复位增效隔震柱单元中对拉预应力钢筋的自复位机制与顶部自复位摩擦耗能阻尼器协同工作，可提供自适应阻尼器不同变形水准的时变正压力，放大自复位增效隔震柱顶部摩擦阻尼器变形以精准满足不同阻尼器变形下的耗能需求,并保障结构在多级地震作用下的自复位性能。
4.本发明装置设置方便灵活，能够有效吸收并耗散冲击能量，具有多重储能-耗能高效和鲁棒性强等特点，有较好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系的横截面示意图；
图2及图3分别为本发明实施例提供的自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系横向局部及纵向局部剖面图；
图4为对拉预应力钢筋在钢筋混凝土中柱截面上的安装位置图。
构造模块及数字标记：
1-地下空间结构顶板、11-地下空间结构底板、13-地下空间结构侧墙、10-地下空间结构中柱；
连接辅助件：2-钢板加固柱端、3-板-中柱水平传力构件、4-预应力钢筋固定螺栓、14-锚固螺栓；
自复位摩擦耗能阻尼器装置：5-自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板、6-自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板、7-自复位摩擦耗能阻尼器下部夹板、12-自复位摩擦耗能阻尼器滑槽；
对拉预应力钢筋：8-下部锚固对拉预应力钢筋、9-上部锚固对拉预应力钢筋。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施示例
如图1所示，自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，包括自复位增效隔震柱单元、地下空间结构顶板、地下空间结构底板和地下空间结构侧墙。
其中，地下空间结构顶板1、地下空间结构底板11和地下空间结构侧墙13共同围成矩形断面的多层多跨结构体系，若干自复位增效隔震柱单元设置于各层地下空间结构顶板1和地下空间结构底板11之间。在地震及冲击荷载作用下，地下空间结构顶板1及地下空间结构底板11发生水平相对变形进而引起地下空间结构侧墙13的水平变形及自复位增效隔震柱单元的运动。自复位增效隔震柱单元中对拉预应力钢筋8、9的自复位机制与顶部自复位摩擦耗能阻尼器协同工作，放大自复位增效隔震柱顶部摩擦阻尼器变形提升耗能能力；并保障结构在多级地震作用下的自复位性能。
如图2和图3所示，自复位增效隔震柱单元包括钢板加固柱端2、板-中柱水平传力构件3、预应力钢筋固定螺栓4、自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板5、自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板6、自复位摩擦耗能阻尼器下部夹板7、下部锚固对拉预应力钢筋8、上部锚固对拉预应力钢筋9、地下空间结构中柱10、自复位摩擦耗能阻尼器滑槽12和锚固螺栓14。
自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板5、自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板6、自复位摩擦耗能阻尼器下部夹板7依次自上而下接触设置，接触面设置指定摩擦系数的摩擦层以组成自复位摩擦耗能阻尼器。设置于地下空间结构中柱10顶部的自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板6通过板-中柱水平传力构件3和锚固螺栓14与地下空间结构顶板1固定连接，自复位摩擦耗能阻尼器下部夹板7与地下空间结构中柱10顶面固定连接。同理，设置于地下空间结构中柱10底部的自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板6通过板-中柱水平传力构件3和锚固螺栓14与地下空间结构底板11固定连接。自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板5与地下空间结构中柱10顶面固定连接。
地下空间结构中柱10顶部和底部开设凹槽，凹槽内设置自复位摩擦耗能阻尼器。下部锚固对拉预应力钢筋8和上部锚固对拉预应力钢筋9分别穿过中柱10顶部和底部设置的自复位摩擦耗能阻尼器并通过预应力钢筋固定螺栓4锚固连接，用以施加摩擦耗能阻尼器摩擦面上的时变正压力。
自复位增效隔震柱单元的钢板加固柱端2包含开设凹槽后的钢筋混凝土柱端及加固钢板，其中，钢板与钢筋混凝土柱端固定连接，用以保护钢筋混凝土柱端在强震作用时不至发生严重破坏；钢板加固柱端2与地下空间结构顶板1及地下空间结构底板11之间设置为摩擦接触，用以降低中柱的动力响应，同时保证柱端在小震作用时不会由于发生滑动而影响结构安全与使用。
如图3和图4所示，下部锚固对拉预应力钢筋8下端锚固于地下空间结构底板11，上部通过固定螺栓4与自复位摩擦耗能阻尼器连接，下部锚固对拉预应力钢筋8在中柱横向对称布置两根，在中柱纵向对称布置两组；上部锚固对拉预应力钢筋9其上端锚固于地下空间结构顶板1中，下部通过固定螺栓4与自复位摩擦耗能阻尼器连接，上部锚固对拉预应力钢筋9在中柱横向在与下部锚固对拉预应力钢筋8同平面位置上对称布置两根，在中柱纵向布置一组且位于两组下部锚固对拉预应力钢筋8中间；下部锚固对拉预应力钢筋8与上部锚固对拉预应力钢筋9所提供的预应力(对拉力)大小应相等且适当(单根预应力钢筋的预应力控制为其屈服强度的50％)，以保证预应力筋在强震时可提供足够的拉力并防止屈服破坏。
自复位摩擦耗能阻尼器的摩擦系数可根据减震与耗能及自复位要求进行确定，当摩擦系数较小时，可获得较好的减震效果；当摩擦系数较大时，可获得较好的能量耗散及自复位效果；此外，由于自复位增效隔震柱单元的安装，地下空间结构侧墙13的抗侧力设计可进一步弱化(如改变节点连接形式，调整配筋或修改截面形式等选择等级弱的形式)，以放大自复位摩擦耗能阻尼器的变形，使自复位增效隔震柱获得更好的减隔震效果。
本发明可显著降低外部作用下地下空间结构薄弱中柱的动力响应，避免中柱的剪切破坏及结构坍塌，自复位机制降低了结构体系的残余变形，实现灾后地下空间结构的快速恢复与使用；双重自复位机制实现了隔震中柱的放大耗能，能够有效吸收并耗散冲击能量，具有多重耗能高效和鲁棒性强等特点，有较好的推广应用价值。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (7)

1.一种自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，其特征在于：包含自复位增效隔震柱单元、地下空间结构顶板(1)、地下空间结构底板(11)和地下空间结构侧墙(13)；
所述地下空间结构顶板(1)、地下空间结构底板(11)和地下空间结构侧墙(13)共同围成矩形断面的多层多跨结构体系，若干自复位增效隔震柱单元设置于各层地下空间结构顶板(1)和地下空间结构底板(11)之间；在地震及冲击荷载作用下，地下空间结构顶板(1)及地下空间结构底板(11)发生水平相对变形进而引起地下空间结构侧墙(13)的水平变形及自复位增效隔震柱单元的运动；
自复位增效隔震柱单元包括对拉预应力钢筋(8/9)和顶部自复位摩擦耗能阻尼器装置，自复位增效隔震柱单元中对拉预应力钢筋(8)(9)的自复位机制与顶部自复位摩擦耗能阻尼器协同工作，放大自复位增效隔震柱顶部摩擦阻尼器变形提升耗能能力；并保障结构在多级地震作用下的自复位性能。
2.根据权利要求1所述的自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，其特征在于：所述自复位增效隔震柱单元的构造：包括地下空间结构中柱(10)本体、对拉预应力钢筋(8/9)、顶部自复位摩擦耗能阻尼器装置、连接辅助件；
对拉预应力钢筋包括下部锚固对拉预应力钢筋(8)、上部锚固对拉预应力钢筋(9)，自复位摩擦耗能阻尼器装置包括自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板(5)、自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板(6)、自复位摩擦耗能阻尼器下部夹板(7)、自复位摩擦耗能阻尼器滑槽(12)，连接辅助件包括板-中柱水平传力构件(3)、预应力钢筋固定螺栓(4)和锚固螺栓(14)，其中：
所述自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板(5)、自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板(6)、自复位摩擦耗能阻尼器下部夹板(7)依次自上而下接触设置，接触面设置指定摩擦系数的摩擦层以组成自复位摩擦耗能阻尼器；
设置于地下空间结构中柱(10)顶部的自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板(6)通过板-中柱水平传力构件(3)和锚固螺栓(14)与地下空间结构顶板(1)固定连接，自复位摩擦耗能阻尼器下部夹板(7)与地下空间结构中柱(10)顶面固定连接；同理，设置于地下空间结构中柱(10)底部的自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板(6)通过板-中柱水平传力构件(3)和锚固螺栓(14)与地下空间结构底板(11)固定连接；自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板(5)与地下空间结构中柱(10)底面固定连接。
3.根据权利要求2所述的自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，其特征在于：地下空间结构中柱(10)顶部和底部开设凹槽，凹槽内设置自复位摩擦耗能阻尼器；下部锚固对拉预应力钢筋(8)和上部锚固对拉预应力钢筋(9)分别穿过中柱(10)顶部和底部设置的自复位摩擦耗能阻尼器并通过预应力钢筋固定螺栓(4)锚固连接，用以施加摩擦耗能阻尼器摩擦面上的时变正压力以自适应阻尼器在不同水准变形条件下的增效振动控制。
4.根据权利要求2所述的自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，其特征在于：自复位增效隔震柱单元的连接辅助件还包括钢板加固柱端(2)；
所述自复位增效隔震柱单元的钢板加固柱端(2)包含开设凹槽后的钢筋混凝土柱端及加固钢板，其中，钢板与钢筋混凝土柱端固定连接，用以保护钢筋混凝土柱端在强震作用时不至发生严重破坏；钢板加固柱端(2)与地下空间结构顶板(1)及地下空间结构底板(11)之间设置为摩擦接触，用以降低中柱的动力响应，同时保证柱端在小震作用时不会由于发生滑动而影响结构安全与使用。
5.根据权利要求2所述的自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，其特征在于：所述自复位增效隔震柱单元的下部锚固对拉预应力钢筋(8)其下端锚固于地下空间结构底板(11)中，其上部通过固定螺栓(4)与自复位摩擦耗能阻尼器连接，下部锚固对拉预应力钢筋(8)在中柱横向对称布置两根，在中柱纵向对称布置两组；上部锚固对拉预应力钢筋(9)其上端锚固于地下空间结构顶板(1)中，下部通过固定螺栓(4)与自复位摩擦耗能阻尼器连接，上部锚固对拉预应力钢筋(9)在中柱横向在与下部锚固对拉预应力钢筋(8)同平面位置上对称布置两根，在中柱纵向布置一组且位于两组下部锚固对拉预应力钢筋(8)中间；下部锚固对拉预应力钢筋(8)与上部锚固对拉预应力钢筋(9)所提供的预应力(对拉力)大小应相等且适当，用以保证预应力筋在强震时可提供足够的拉力将结构拉回原位置，同时亦不至发生屈服破坏。
6.根据权利要求5所述的自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，其特征在于：预应力(对拉力)大小推荐：单根预应力钢筋的预应力控制为其屈服强度的50％。
7.根据权利要求2所述的自复位增效隔震柱及其地下空间结构体系，其特征在于：所述自复位增效隔震柱单元的自复位摩擦耗能阻尼器中部滑板(6)与自复位摩擦耗能阻尼器上部夹板(5)及自复位摩擦耗能阻尼器下部夹板(7)之间的摩擦系数可根据减震与耗能及自复位要求进行确定，当摩擦系数较小时，可获得较好的减震效果；当摩擦系数较大时，可获得较好的能量耗散及自复位效果；此外，鉴于自复位增效隔震柱单元的安装，地下空间结构侧墙(13)的抗侧力设计可进一步弱化(如改变节点连接形式，调整配筋或修改截面形式等选择等级弱的形式)，以放大自复位摩擦耗能阻尼器的变形，使自复位增效隔震柱获得更好的减隔震效果。
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