CN115853113A - 一种多安全冗余度自复位结构体系及自复位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多安全冗余度自复位结构体系技术,属于结构工程技术领域。在多楼层布置水平向的预应力筋，主体结构两侧的每楼层布置了含滑块坡面的摩擦滑块；预应力筋将每楼层的摩擦滑块压接于主体结构两侧的墙体坡面；采用拉索将竖向相邻的摩擦滑块进行竖向铰接连接，底层拉索下端与基础铰接连接。在水平地震荷载作用下，主体结构会产生底部张开角，与抬起角部同侧的摩擦滑块受预应力筋的挤压而被墙体坡面的反作用力牵连从而产生向上运动的趋势；地震荷载作用后摩擦滑块受到预应力筋的作用而挤压主体结构自动复位。本发明是一种良好的自复位结构形式，结构滞回曲线呈现典型的旗帜型形状，具有良好的自复位和耗能能力。

Description

一种多安全冗余度自复位结构体系及自复位方法

技术领域

本发明涉及一种多安全冗余度自复位结构体系及自复位方法,属于结构工程技术领域。

背景技术

传统混凝土结构体系采用基于承载力的抗震设计理念并通过构造措施保证延性，期望结构在地震作用下达到理想的破坏模式依靠结构自身的塑性变形耗散地震能量。采用该指导思想设计的结构在震后会产生严重的塑性损伤和残余变形，修复或重建结构会造成巨大的经济损失。因此，近年来地震工程的研究发展呈现从抗震、减隔震走向可恢复功能的趋势。自复位结构是一种典型的可恢复功能结构体系，是在摇摆结构基础上额外增加可使结构或构件恢复到初始位置的自复位装置，从而减小结构或构件的震后残余和修复难度。

但是，目前自复位结构仍存在一些问题。比如：为了实现摇摆机制，自复位结构的各个构件在节点处一般通过预应力筋和耗能元件连接，节点数量较多，构造较为复杂；施工误差控制难度较大，自复位结构形式的经济性和实用性大大降低；自复位结构安全冗余度低，预应力筋失效会导致严重的后果，等。这些问题都在一定程度上限制了自复位结构的发展和应用。

为了解决自复位结构存在的问题，提高自复位结构的安全冗余度，本发明提出了一种多安全冗余度自复位结构体系，该主体摇摆结构多层布置水平向预应力筋，而仅在主体摇摆结构两侧的每层布置摩擦滑块，采用竖向拉索锚固连接；地震荷载作用下，摩擦滑块受到预应力筋和竖向拉索的共同作用，产生摩擦耗能并能使主体摇摆结构自动复位。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种多安全冗余度自复位结构体系，可应用于剪力墙结构，也可应用于其他可产生相同承载效果的结构形式，如框架-支撑结构、桁架结构等。

本发明所述的一种多安全冗余度自复位结构体系，包括主体摇摆结构、预应力筋、摩擦滑块、锚固端和拉索；

所述主体摇摆结构上的各楼面标高处设有楼板，该楼板用于承受重力荷载及水平荷载；

所述主体摇摆结构垂立于基础上，主体摇摆结构中位于各楼面标高的中部沿水平向开设若干条墙体穿筋洞；位于墙体中穿筋洞的两侧洞口部分别设有摩擦滑块；摩擦滑块之间设有预应力筋；预应力筋的两端分别设有锚固端，锚固端布置在摩擦滑块的外侧端；锚固端用于将预应力筋进行锚固；

位于主体摇摆结构同侧布置的相邻摩擦滑块之间通过拉索相互固定，拉索的顶端连接至主体摇摆结构最高位的摩擦滑块上，拉索的底端固定于基础上。

本发明所述的多安全冗余度自复位结构体系，还包括重力柱、铰接梁、竖向滑动连接装置；沿主体摇摆结构的宽度方向两端部分别布置重力柱，且重力柱与主体摇摆结构的侧壁上分别采用竖向滑动连接装置相连接；

竖向滑动连接装置包括剪力墙连接件、重力柱连接件、销轴；所述剪力墙连接件固定在主体摇摆结构上，重力柱连接件固定在重力柱上，

所述剪力墙连接件设有圆孔，重力柱连接件设有长孔，圆孔的孔径、长孔的孔径与销轴的直径相匹配；通过销轴将剪力墙连接件与重力柱连接件相互交接；

便于采用销轴相连接；由于设置了长孔，该竖向滑动连接装置释放了竖向约束，从而仅传递水平内力而不传递竖向内力。

本发明所述的多安全冗余度自复位结构体系，所述主体摇摆结构的两侧与墙体穿筋洞的开口相对位置，预留具有坡度的“V”形墙体坡面；摩擦滑块的接触部与“V”形墙体坡面形状相吻合的斜坡。

本发明所述的多安全冗余度自复位结构体系，所述的摩擦块的中部设有用于贯穿预应力筋的滑块穿筋孔，位于滑块穿筋孔的上方、下方分别设有锚接孔；锚接孔的轴向与滑块穿筋孔的轴向相互垂直；

位于主体摇摆结构上、下相邻的摩擦块上相对位置的锚接孔之间固定拉索。

本发明所述的多安全冗余度自复位结构体系，其所述的墙体穿筋洞的内径大于预应力筋的内径，使得预应力筋竖向相对运动时，墙体穿筋洞为预应力筋提供自由移动空间。

本发明所述的多安全冗余度自复位结构体系，主体摇摆结构为剪力墙、框架-支撑结构或桁架结构等其他的可产生相同承载效果的结构形式；主体摇摆结构为混凝土材料，摩擦滑块为钢材。

本发明所述的多安全冗余度自复位结构体系，摩擦滑块和“V”形墙体坡面的尺寸需经与抗震设防水准相对应的抗震设计，使得摩擦滑块在荷载作用下一直处于“V”形墙体坡面内部而不滑出，保证结构安全。

一种多安全冗余度自复位结构体系的自复位方法，其特征在于：自复位方法如下：

当地震发生时：

（1）、主体摇摆结构在水平地震荷载下产生底部张开角，即主体摇摆结构底部一侧为受压墙角，另一侧为抬起墙角；

（2）、与抬起墙角同侧的摩擦滑块会产生向上运动的趋势；与摩擦滑块锚固的拉索限制了摩擦滑块的竖向运动，由此，墙体坡面与滑块斜坡之间产生了相对摩擦滑移，同时预应力筋的拉力增大；

地震作用后：

（3）、水平地震荷载被降低或移除，由于第（2）步中预应力筋存在较大的拉力，该拉力促使摩擦滑块恢复到“V”形墙体坡面的初始位置，在此过程中，剪力墙也会在预应力筋和拉索的拉力共同作用下恢复到初始位置，底部张开角减小为零；主体摇摆结构完成自复位。

地震作用通常是往复运动的动力荷载，所述的多安全冗余度自复位结构体系在反向运动时的自复位方法与上述过程相同。

有益效果

本发明提供一种多安全冗余度自复位结构体系，具有多项优点：

1.传统自复位结构采用竖向施加预应力，因此会产生的高预压应力，导致构件底部过早被压溃，本发明彻底避免了该问题；

2.采用了多道水平预应力筋提供结构的自复位能力，具有多安全冗余度，有效避免了预应力筋失效导致的结构倒塌；

3.可用于设置具有多层摇摆界面的结构，无竖向高度的限制，适用于多层和高层结构；

4.结构无需额外的耗能装置，即可具有卓越的耗能能力。

附图说明

图1是本发明一种多安全冗余度自复位结构体系的实施例1示意图。

图2是本发明实施例1的剪力墙与重力柱立面（图1虚线框）示意图。

图3是本发明实施例1的剪力墙示意图。

图4是本发明实施例1的摩擦滑块示意图。

图5是本发明实施例1的竖向滑动连接装置示意图。

图6是本发明实施例1在地震荷载作用下的变形示意图。

图7是本发明实施例1在地震荷载作用下的基底剪力-顶点位移关系曲线示意图。

图中：1-重力柱；2-铰接梁；3-楼板；4-竖向滑动连接装置；5-剪力墙；6-楼面标高；7-墙体穿筋洞；8-预应力筋；9-摩擦滑块；10-滑块穿筋孔；11-锚固端；12-拉索；13-锚接孔；14-滑块斜坡；15-墙体坡面；16-底部张开角；17-滑块滑移量；18-预应力筋伸长量；19-受压墙角；20-抬起墙角；21-剪力墙连接件；22-重力柱连接件；23-销轴。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如附图1、图2、图3所示，多安全冗余度自复位结构体系，包括主体摇摆结构、重力柱1、铰接梁2、楼板3、竖向滑动连接装置4、剪力墙5、预应力筋8、摩擦滑块9、锚固端11和拉索12。

主体摇摆结构上的各楼面标高6处设有楼板3，该楼板3用于承受重力荷载及水平荷载；所述主体摇摆结构垂立于基础上，主体摇摆结构中位于各楼面标高6的中部沿水平向开设若干条墙体穿筋洞7；位于墙体中穿筋洞7的两侧洞口部分别设有摩擦滑块9；摩擦滑块9之间设有预应力筋8；预应力筋8的两端分别设有锚固端11，锚固端11布置在摩擦滑块9的外侧端；锚固端11用于将预应力筋8进行锚固；

位于主体摇摆结构同侧布置的相邻摩擦滑块9之间通过拉索12相互固定，拉索12的顶端连接至主体摇摆结构最高位的摩擦滑块9上，拉索12的底端固定于基础上。

楼板3在各楼面标高6处承受重力荷载和水平荷载，并将其传递铰接梁2，铰接梁2通过与重力柱1铰接连接传递重力荷载和水平荷载。

如附图2所示：重力柱1与基础铰接，仅传递竖向荷载。重力柱1与剪力墙5之间采用竖向滑动连接装置5，仅传递水平地震荷载而不传递竖向重力荷载。

如附图3所示：剪力墙5可以为钢筋混凝土或钢结构等材料的主体摇摆结构，在各楼层中部预留了墙体穿筋洞7，用于安装预应力筋8，且墙体穿筋洞7的竖向尺寸应足够大，可保证在墙体在承载变形过程中不限制预应力筋8的变形。

剪力墙5两端部与墙体穿筋洞7相对应位置，预留了“V”形等具有坡度的墙体坡面15用于安装摩擦滑块9。墙体坡面15处可设置钢筋或钢板等较高强度的材料进行局部加强，避免较高应力作用下破坏。

预应力筋8水平向依次穿过墙体穿筋洞7和摩擦滑块9，并采用锚固端11在外端部锚固；预应力筋8施加了初始预应力，将滑块斜坡14与墙体坡面15在无地震荷载作用时紧密贴合。

拉索12竖向依次通过摩擦滑块9内预留的锚接孔13进行锚固，底层拉索12的底部与基础也采用锚固。

如附图4所示：摩擦滑块9可采用钢材等比墙体硬度更高的材料，避免较高应力作用下破坏；摩擦滑块9内预留滑块穿筋孔10，用于安装预应力筋8；摩擦滑块9内预留锚接孔13，用于安装拉索12；摩擦滑块9被加工为“V”形等与墙体坡面15相吻合的滑块斜坡14，便于滑块斜坡14沿墙体坡面15滑动。摩擦滑块和“V”形墙体坡面的尺寸需经与抗震设防水准相对应的抗震设计，使得摩擦滑块在荷载作用下一直处于“V”形墙体坡面内部而不滑出，保证结构安全。

如附图5所示：竖向滑动连接装置4包括剪力墙连接件21、重力柱连接件22和销轴23；剪力墙连接件21设置圆孔，重力柱连接件22设置长孔，两者的孔径与销轴23相对应，便于采用销轴23相连接；由于设置了长孔，该竖向滑动连接装置4释放了竖向约束，从而仅传递水平内力而不传递竖向内力。

如附图6所示：多安全冗余度自复位结构体系的自复位方法：

剪力墙5在水平地震荷载作用下，发生侧向变形，因剪力墙5底部不与基础相连接，因此剪力墙5在地震荷载下会会产生底部张开角16，即剪力墙5底部一侧为受压墙角19，另一侧为抬起墙角20；此时，与抬起墙角20同侧的摩擦滑块9受预应力筋8的作用被墙体坡面15的反作用力牵连，从而产生向上运动的趋势，但是，与摩擦滑块9锚固的拉索12限制了摩擦滑块9的竖向运动，由此，墙体坡面15与滑块斜坡14之间产生了相对滑移，该滑移量即为滑块滑移量17；滑块滑移量17带动预应力筋产生预应力筋伸长量18，从而导致了预应力筋的拉力增大；在此相对运动过程中，摩擦滑块9始终受到预应力筋8的压力作用，且该压力随滑块滑移量17的增大而不断增大。地震作用后，水平地震荷载被降低或移除，由于预应力筋8存在较大的拉力，该拉力促使摩擦滑块9恢复到“V”形墙体坡面15的初始位置，在此过程中，剪力墙也会在预应力筋8和拉索12的拉力共同作用下恢复到初始位置，底部张开角16减小为零。

由于本发明对称布置，因此其在反向水平地震荷载作用下的工作原理相同。本发明理论分析的基底剪力-顶点位移关系曲线如附图7所示，该曲线呈现典型的旗帜型形状，即在地震荷载下具有一定的耗能能力，而没有残余变形，是一种良好的自复位结构形式。

本发明的主体摇摆结构可采用剪力墙结构，也可采用其他如框架-支撑结构或桁架结构等其他的可产生相同承载效果的结构形式，且本发明不限制建筑结构的高度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种多安全冗余度自复位结构体系，其特征在于：包括主体摇摆结构、预应力筋、摩擦滑块、锚固端和拉索；

所述主体摇摆结构上的各楼面标高处设有楼板，该楼板用于承受重力荷载及水平荷载；

所述主体摇摆结构垂立于基础上，主体摇摆结构中位于各楼面标高的中部沿水平向开设若干条墙体穿筋洞；位于墙体中穿筋洞的两侧洞口部分别设有摩擦滑块；摩擦滑块之间设有预应力筋；预应力筋的两端分别设有锚固端，锚固端布置在摩擦滑块的外侧端；锚固端用于将预应力筋进行锚固；

位于主体摇摆结构同侧布置的相邻摩擦滑块之间通过拉索相互固定，拉索的顶端连接至主体摇摆结构最高位的摩擦滑块上，拉索的底端固定于基础上。

2.根据权利要求1所述的多安全冗余度自复位结构体系，其特征在于：还包括重力柱、铰接梁、竖向滑动连接装置；沿主体摇摆结构的宽度方向两端部分别布置重力柱，且重力柱与主体摇摆结构的侧壁上分别采用竖向滑动连接装置相连接；

竖向滑动连接装置包括剪力墙连接件、重力柱连接件、销轴；所述剪力墙连接件固定在主体摇摆结构上，重力柱连接件固定在重力柱上，

所述剪力墙连接件设有圆孔，重力柱连接件设有长孔，圆孔的孔径、长孔的孔径与的直径相匹配；通过销轴将剪力墙连接件与重力柱连接件相互交接。

3.根据权利要求1所述的多安全冗余度自复位结构体系，其特征在于：所述主体摇摆结构的两侧与墙体穿筋洞的开口相对位置，预留具有坡度的“V”形墙体坡面；摩擦滑块的接触部与“V”形墙体坡面形状相吻合的斜坡。

4.根据权利要求1或3所述的多安全冗余度自复位结构体系，其特征在于：所述的摩擦块的中部设有用于贯穿预应力筋的滑块穿筋孔，位于滑块穿筋孔的上方、下方分别设有锚接孔；锚接孔的轴向与滑块穿筋孔的轴向相互垂直；

位于主体摇摆结构上、下相邻的摩擦块上相对位置的锚接孔之间固定拉索。

5.根据权利要求1所述的多安全冗余度自复位结构体系，其特征在于：所述的墙体穿筋洞的内径大于预应力筋的内径，使得预应力筋竖向相对运动时，墙体穿筋洞为预应力筋提供自由移动空间。

6.根据权利要求1所述的多安全冗余度自复位结构体系，其特征在于：主体摇摆结构为剪力墙、框架-支撑结构或桁架结构；主体摇摆结构为混凝土材料，摩擦滑块为钢材。

7.一种多安全冗余度自复位结构体系，其特征在于：自复位方法如下：

当地震发生时：

（1）、主体摇摆结构在水平地震荷载下产生底部张开角，即主体摇摆结构底部一侧为受压墙角，另一侧为抬起墙角；

（2）、与抬起墙角同侧的摩擦滑块会产生向上运动的趋势；与摩擦滑块锚固的拉索限制了摩擦滑块的竖向运动，由此，墙体坡面与滑块斜坡之间产生了相对摩擦滑移，同时预应力筋的拉力增大；

地震作用后：

（3）、水平地震荷载被降低或移除，由于第（2）步中预应力筋存在较大的拉力，该拉力促使摩擦滑块恢复到“V”形墙体坡面的初始位置，在此过程中，剪力墙也会在预应力筋和拉索的拉力共同作用下恢复到初始位置，底部张开角减小为零；主体摇摆结构完成自复位。

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