專利名稱：低成本耗能減震方法、相應(yīng)裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬建筑的抗震技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
眾所周知，在高烈度地震區(qū)，房屋高度達(dá)到一定程度后，多層建筑中常用的框架結(jié)構(gòu)形式已難以滿足抗震的各項(xiàng)要求。傳統(tǒng)的解訣方法是采用框架-剪力墻、剪力墻、框架-筒體等結(jié)構(gòu)形式，其共同特點(diǎn)是利用鋼筋混凝土抗震墻作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，以滿足結(jié)構(gòu)物在地震作用下的強(qiáng)度和剛度要求。多年來，這種解決方法已在工程實(shí)踐中得到了普遍的認(rèn)同和采用，也經(jīng)歷了從小震到強(qiáng)烈地震的考驗(yàn)，已被證實(shí)是能夠滿足“小震不壞、中震可修，大震不倒”要求的。但是，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，地震災(zāi)害所造成的損失的特點(diǎn)也發(fā)生了很大的變化，一方面是人員傷亡越來越少，另一方面則是直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失越來越大。這樣就使人們認(rèn)識到，應(yīng)該利用不斷發(fā)展的各種技術(shù)手段來提高結(jié)構(gòu)物的抗震性能，以盡量減少地震災(zāi)害對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。各種結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)措施應(yīng)運(yùn)而生，其中較為典型的主動控制技術(shù)和被動控制技術(shù)得到了較快的發(fā)展。在我國現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)條件下，采用主動控制技術(shù)的最大障礙是結(jié)構(gòu)物的造價大大地提高了。而被動控制技術(shù)中，比較成熟的則是在建筑物的框架中以鋼構(gòu)件作為支撐、以粘滯阻尼器作為耗能元件的消能技術(shù)，以及以橡膠隔震墊來延長結(jié)構(gòu)周期、減少地震能量輸入的基底隔震技術(shù)。在這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用推廣過程中，首要的困難仍是造價?，F(xiàn)有的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，采用這兩種技術(shù)可提高結(jié)構(gòu)抗震性能，但在我國的工程實(shí)踐中，所暴露出來的問題則是與采用傳統(tǒng)的抗震體系相比，這兩種技術(shù)在造價方面沒有優(yōu)勢。顯而易見，在商品經(jīng)濟(jì)條件下，一項(xiàng)新技術(shù)能否得到推廣應(yīng)用，除了其自身的技術(shù)先進(jìn)性外，還應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)的因素。否則，許多業(yè)主可能會傾向于選擇傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系。
實(shí)用新型內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種低成本的耗能減震方法，以及為實(shí)施該方法而專門設(shè)計的耗能支撐裝置及裝置的使用方法。
本發(fā)明方法是1、以X型鋼筋混凝土桿件作為支撐構(gòu)件、鋼板夾持橡膠片作為摩擦型耗能器，2、將鋼筋混凝土桿件的四個端點(diǎn)聯(lián)接到建筑物框架的梁柱節(jié)點(diǎn)上，3、在摩擦型耗能器中，向夾持橡膠片的鋼板預(yù)先施加一定大小的緊固力，以該緊固力使橡膠片與鋼板間產(chǎn)生的靜摩擦力作為摩擦型耗能器開始將外界輸入建筑物的動能通過摩擦進(jìn)行吸收和消耗的啟動力。
模型計算結(jié)果和實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果均表明，調(diào)節(jié)緊固力的大小可以有效地控制摩擦型耗能器的啟動與鎖定。設(shè)定好摩擦型耗能器的緊固力后，在地震時，摩擦型耗能器將會按設(shè)計要求進(jìn)行耗能，其耗能性能是可靠的。因此本發(fā)明方法可以通過調(diào)節(jié)緊固力的大小來調(diào)節(jié)摩擦型耗能器的啟動力。
在大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室，進(jìn)行了1/3比例的框架模型試驗(yàn)?？蚣苣Ｐ桶幢景l(fā)明方法由帶摩擦型耗能器的鋼筋混凝土桿件來支撐。試驗(yàn)研究及分析結(jié)果表明(1)、摩擦耗能支撐框架與普通框架結(jié)構(gòu)相比，不但具有較高的初始剛度和承載能力，同時具有較好的延性和和極強(qiáng)的耗能能力。(2)摩擦耗能支撐框架的滯回曲線飽滿，滯同環(huán)呈“紡錘形”，能耗散大量的能量。(3)滑動荷載和變形可根據(jù)需要設(shè)計和調(diào)節(jié)，有較大的適應(yīng)性。(4)滑移前，摩擦耗能支撐和普通交叉支撐一樣能增加結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生滑移后，結(jié)構(gòu)變?nèi)?，減小地震反應(yīng)。(5)整個摩擦耗能支撐框架的能量耗散主要依靠摩擦型耗能器的摩擦耗能。
以洱源振戎民族中學(xué)的教學(xué)樓為實(shí)例設(shè)立計算模型，其計算結(jié)果表明，鋼筋混凝土桿件可以沿建筑物框架的對角方向布置，見圖1。在設(shè)有門窗的地方，鋼筋混凝土桿件也可以沿建筑物框架的非對角方向布置，見圖2。
以位于麗江縣城中心的物資大樓為實(shí)例設(shè)立計算模型，其時程分析結(jié)果表明，在端側(cè)的框架上使用摩擦耗能支撐，其抗震效果優(yōu)于在中間部位的框架上使用。
考慮到斜向設(shè)置的支撐桿件對框架節(jié)點(diǎn)可能造成不利的影響，因此采用分離式模型有限元模型分析摩擦耗能支撐框架節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和構(gòu)造形式。分別取框架中不同節(jié)點(diǎn)形式按照實(shí)際尺寸建立了有限元實(shí)體模型。節(jié)點(diǎn)有限元模型的邊界條件利用結(jié)構(gòu)整體分析得到的框架極限荷載和節(jié)點(diǎn)位移和轉(zhuǎn)角值。對混凝土單元采用非線彈性的正交異性Darwin-Peknold模型和五參數(shù)Willam-Warnke破壞準(zhǔn)則，鋼筋單元采用彈性強(qiáng)化模型，屈服后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡化為平緩的斜直線。從計算結(jié)果來看，節(jié)點(diǎn)區(qū)域增加了支撐后，對其受力有正反兩方面的影響，有利的影響是支撐在節(jié)點(diǎn)位置起到了梁腋的作用。這使得一方面增加了節(jié)點(diǎn)的有效抗剪體積，另一方面使梁柱的出鉸位置向遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)的方向移動，這樣就避免了裂縫向節(jié)點(diǎn)內(nèi)開展，減少了鋼筋的粘結(jié)惡化。增加支撐后對節(jié)點(diǎn)受力的不利影響是導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力分布復(fù)雜。從節(jié)點(diǎn)的開裂位置和開裂荷載普遍較小說明節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。支撐的不利影響在中節(jié)點(diǎn)上體現(xiàn)尤為突出，從中節(jié)點(diǎn)破壞時的裂縫分布圖中可以看到裂縫大量集中在支撐與節(jié)點(diǎn)相交的位置而且有向節(jié)點(diǎn)內(nèi)發(fā)展的趨勢。因此，在設(shè)計中應(yīng)該對中節(jié)點(diǎn)的配筋作仔細(xì)的設(shè)計。最好在支撐位置、即鋼筋混凝土桿件的四個端點(diǎn)與建筑物框架的梁柱節(jié)點(diǎn)的聯(lián)結(jié)位置，沿裂隙可能的開展方向布置斜向鋼筋以避免裂隙的過早出現(xiàn)?？偟膩砜?，隨著荷載增加，各種類型的節(jié)點(diǎn)都由于在梁端首先出現(xiàn)塑性鉸而破壞。說明在一定的配筋構(gòu)造條下，能夠保證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的概念設(shè)計要求。
試驗(yàn)研究結(jié)果還表明，摩擦型耗能器中的橡膠片最好用以下成分的橡膠組合物制成，所說橡膠組合物的重量份配比為天然膠 15～25丁腈膠 65～85 硫磺 0.9～1.5促進(jìn)劑D 0.2～0.5 硫化劑DM 1.2～1.6 氧化鋅 3.8～4.2硬脂酯 1.4～1.6 高耐磨碳黑 30～50 二丁酯 5～8酚醛樹脂 3～6防老劑4010NA 1.1～1.3 防老劑D 1.1～1.3為實(shí)施本發(fā)明方法而專門設(shè)計的耗能支撐裝置包括X型鋼筋混凝土桿件和一個或一個以上的摩擦型耗能器單元，其中鋼筋混凝土桿件的中部具有一上平臺和一下平臺，上、下平臺間留有空間；耗能器單元設(shè)有兩塊或兩塊以上的鋼板、夾持于所說鋼板間的橡膠片以及能對鋼板豎向施壓且其壓力可調(diào)的緊固力施加機(jī)構(gòu)；耗能器單元位于鋼筋混凝土桿件上、下平臺之間，且每個耗能器單元中至少有一塊鋼板與所說平臺緊固聯(lián)接。
耗能器單元可以具有兩塊鋼板，一塊橡膠片夾持于兩塊鋼板之間；也可以具有三塊鋼板，兩塊橡膠片間隔夾持于三塊鋼板之間；也可以具有四塊鋼板，三塊橡膠片間隔夾持于四塊鋼板之間；依此類推。但耗能器單元最好是具有三塊鋼板，兩塊橡膠片間隔夾持于三塊鋼板之間。
耗能器單元的緊固力施加機(jī)構(gòu)可以是豎向穿越全部鋼板和橡膠片、或是豎向穿越上下兩塊鋼板、并且能夠擰緊的螺栓；也可以是豎向穿越鋼筋混凝土桿件的上平臺或下平臺，且其一端能抵壓相鄰鋼板的螺栓；當(dāng)然還可以是其他公知結(jié)構(gòu)的加壓機(jī)構(gòu)。若采用所說螺栓，進(jìn)一步的試驗(yàn)研究還表明，耗能器單元的啟動力與螺栓的預(yù)緊力成線性關(guān)系，因此相應(yīng)裝置的使用方法之是采用調(diào)整擰緊螺栓時扭矩的方法來獲得所需的啟動力。
可以在鋼筋混凝土桿件的上平臺和/或下平臺內(nèi)預(yù)埋鋼板，將耗能器單元中相應(yīng)的鋼板與所說的預(yù)埋鋼板直接焊接緊固，或先將耗能器單元中的鋼板與連接鋼件的一端緊固聯(lián)接，然后再將連接鋼件的另一端與所說的預(yù)埋鋼板焊接緊固。
使用時，將鋼筋混凝土桿件的四個端點(diǎn)聯(lián)接到建筑物框架的梁柱節(jié)點(diǎn)上。本裝置既可以用于新建建筑，也可以用于已有建筑。
工作原理各耗能器單元的緊固力使橡膠片與鋼板間產(chǎn)生的靜摩擦力之和就是本裝置的啟動力。在風(fēng)載荷或小震作用下，各耗能器單元所共同承擔(dān)的剪力低于這個啟動力，鋼板與橡膠片之間沒有相對滑動，此時裝置對建筑結(jié)構(gòu)水平剛度的貢獻(xiàn)類似于普通的剛性支撐。在大震作用下，各耗能器單元中的鋼板與橡膠片之間出現(xiàn)相對滑動，一方面將地震輸入的動能由摩擦進(jìn)行耗散，另一方面還降低了結(jié)構(gòu)的水平剛度，達(dá)到減小地震反應(yīng)的目的，從而讓主體結(jié)構(gòu)免于在大震中被破壞或產(chǎn)生大的變形。
耗能支撐裝置一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)是耗能器單元的緊固力施加機(jī)構(gòu)為豎向穿越全部鋼板和橡膠片并且能夠擰緊的螺栓，在鋼筋混凝土桿件的上平臺和/或下平臺內(nèi)預(yù)埋鋼板，耗能器單元中的鋼板與一連接鋼件的一端緊固聯(lián)接，該連接鋼件的另一端與所說的預(yù)埋鋼板焊接緊固。通過擰緊螺栓來給耗能器單元的鋼板和橡膠片施加豎向緊固力，該過程可以在工廠完成，耗能器單元出廠前，對其額定的啟動力進(jìn)行標(biāo)定或檢測。這樣不僅使耗能器單元中鋼板和橡膠片間緊固力的精確控制成為可能，同時也極大地降低了現(xiàn)場安裝的精度要求，使現(xiàn)場工作簡便易行，并有利于該裝置的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化。
本發(fā)明的有益效果低造價、高性能、易生產(chǎn)、便施工。在提高結(jié)構(gòu)物抗震性能的同時，不僅不會使其造價增加，反而會有所降低。直接的效益是將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系中的整片鋼筋混凝土抗震墻用斜支撐桿件代替，混凝土方量和鋼筋用量明顯地降低了，這一部分節(jié)約的造價已大大超過實(shí)施本發(fā)明的造價。間接的效益是，由于結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和性能得到了改善，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比，梁、柱的截面尺寸和配筋量也有所降低。建筑層數(shù)越多，抗震設(shè)計的設(shè)防烈度越高，節(jié)約的土建造價比例也越高。


圖1為沿建筑物框架對角方向布置鋼筋混凝土桿件時的示意圖。
圖2為沿建筑物框架非對角方向布置鋼筋混凝土桿件時的示意圖。
圖3為實(shí)施例1的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為實(shí)施例2的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為實(shí)施例3中耗能器單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1見圖3。X型鋼筋混凝土桿件1的中部具有一上平臺2和一下平臺3，二者之間留有空間。共裝有兩個耗能器單元，每個耗能器單元設(shè)有三塊鋼板4、以及間隔夾持于所說鋼板4中的兩塊橡膠片5。每個耗能器單元的緊固力施加機(jī)構(gòu)是豎向穿越鋼筋混凝土桿件1的上平臺2、且其一端能抵壓最上面一塊鋼板4的兩個螺栓6。在鋼筋混凝土桿件下平臺3內(nèi)預(yù)埋鋼板7，將每個耗能器單元中最下面一塊鋼板4與所說的預(yù)埋鋼板4直接焊接緊固。圖中8為埋設(shè)于上平臺2的預(yù)埋鋼板，螺栓6也穿越預(yù)埋鋼板8。本實(shí)施例需現(xiàn)場安裝時，通過擰緊螺栓6來給耗能器單元的鋼板和橡膠片施加豎向緊固力。
實(shí)施例2見圖4。裝有一個耗能器單元，該耗能器單元設(shè)有三塊鋼板9、以及夾持于所說鋼板9間的兩塊橡膠片10。耗能器單元的緊固力施加機(jī)構(gòu)是豎向穿越全部鋼板9和橡膠片10并且能夠擰緊的三個螺栓11。在鋼筋混凝土桿件1的下平臺3內(nèi)預(yù)埋鋼板12，將耗能器單元中部的一塊鋼板9之延長部分用大螺栓12與預(yù)埋鋼板12緊固聯(lián)結(jié)。圖中13為埋設(shè)于上平臺2的預(yù)埋鋼板，兩塊連接鋼件14的一端與耗能器單元的鋼板9緊固聯(lián)接、另一端與預(yù)埋鋼板13焊接緊固。本實(shí)施例通過擰緊螺栓11來給耗能器單元的鋼板和橡膠片施加豎向緊固力，該過程可以在工廠完成，耗能器單元出廠前，對其額定的啟動力進(jìn)行標(biāo)定或檢測。這樣不僅使耗能器單元中鋼板和橡膠片間緊固力的精確控制成為可能，同時也極大地降低了現(xiàn)場安裝的精度要求，使現(xiàn)場工作簡便易行，并有利于該裝置的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化。
實(shí)施例3 見圖5。耗能器單元具有上下兩塊鋼板15和中間一塊鋼板19，以及分別夾持于所說鋼板三塊間的兩塊橡膠片16。耗能器單元的緊固力施加機(jī)構(gòu)是豎向穿越上下兩塊鋼板15并且能夠擰緊的四個螺栓17。中間一塊鋼板19的延長部分設(shè)有兩個凹口，耗能器單元主體的兩側(cè)也設(shè)有兩個凹口，并相應(yīng)地配有能嵌入上述四個凹口內(nèi)的四塊緊固用鋼板18，每塊鋼板18的一端帶有坡面。安裝耗能器單元時，將緊固用鋼板18嵌入相應(yīng)的凹口內(nèi)，兩塊鋼板18的坡面朝上，兩塊鋼板18的坡面朝下，并分別將坡面的頂部與鋼筋混凝土桿件上、下平臺內(nèi)的預(yù)埋鋼板焊接牢固。圖中虛線表示的零件為嵌入相應(yīng)凹口內(nèi)之前的緊固用鋼板18，箭頭表示嵌入時的用力方向。
以上實(shí)施例僅為了對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，而本發(fā)明的范圍不受所舉實(shí)施例的局限。
權(quán)利要求
1.一種低成本耗能減震方法，其特征是(1)、以X型鋼筋混凝土桿件作為支撐構(gòu)件、鋼板夾持橡膠片作為摩擦型耗能器，(2)、將鋼筋混凝土桿件的四個端點(diǎn)聯(lián)接到建筑物框架的梁柱節(jié)點(diǎn)上，(3)、在摩擦型耗能器中，向夾持橡膠片的鋼板預(yù)先施加一定大小的緊固力，以該緊固力使橡膠片與鋼板間產(chǎn)生的靜摩擦力作為摩擦型耗能器開始將外界輸入建筑物的動能通過摩擦進(jìn)行吸收和消耗的啟動力。
2.如權(quán)利要求1所說的耗能減震方法，其特征是通過調(diào)節(jié)緊固力的大小來調(diào)節(jié)摩擦型耗能器的啟動力。
3.如權(quán)利要求1所說的耗能減震方法，其特征是在建筑物端側(cè)的框架上優(yōu)先使用該方法。
4.如權(quán)利要求1所說的耗能減震方法，其特征是在鋼筋混凝土桿件的四個端點(diǎn)與建筑物框架的梁柱節(jié)點(diǎn)的聯(lián)結(jié)位置，沿裂隙可能的開展方向布置斜向鋼筋以避免裂隙的過早出現(xiàn)。
5.如權(quán)利要求1所說的耗能減震方法，其特征是摩擦型耗能器中的橡膠片用以下成分的橡膠組合物制成，該橡膠組合物的重量份配比為天然膠15～25 丁腈膠65～85 硫磺0.9～1.5促進(jìn)劑D 0.2～0.5 硫化劑DM 1.2～1.6 氧化鋅3.8～4.2硬脂酯1.4～1.6 高耐磨碳黑30～50 二丁酯5～8酚醛樹脂3～6 防老劑4010NA 1.1～1.3防老劑D 1.1～1.3
6.一種耗能支撐裝置，包括X型鋼筋混凝土桿件和一個或一個以上的摩擦型耗能器單元，其中鋼筋混凝土桿件的中部具有一上平臺和一下平臺，上、下平臺間留有空間；耗能器單元設(shè)有兩塊或兩塊以上的鋼板、夾持于所說鋼板間的橡膠片以及能對鋼板豎向施壓且其壓力可調(diào)的緊固力施加機(jī)構(gòu)；耗能器單元位于鋼筋混凝土桿件上、下平臺之間，且每個耗能器單元中至少有一塊鋼板與所說平臺緊固聯(lián)接。
7.如權(quán)利要求6所說的耗能支撐裝置，其特征是耗能器單元具有三塊鋼板，兩塊橡膠片間隔夾持于三塊鋼板之間。
8.如權(quán)利要求7所述的耗能支撐裝置，其特征是耗能器單元的緊固力施加機(jī)構(gòu)為豎向穿越全部鋼板和橡膠片、并且能夠擰緊的螺栓。
9.如權(quán)利要求7所述的耗能支撐裝置，其特征是耗能器單元的緊固力施加機(jī)構(gòu)是豎向穿越上下兩塊鋼板并且能夠擰緊的四個螺栓，中間一塊鋼板的延長部分設(shè)有兩個凹口，耗能器單元主體的兩側(cè)也設(shè)有兩個凹口，并相應(yīng)地配有能嵌入上述四個凹口內(nèi)的四塊緊固用鋼板，每塊緊固用鋼板的一端帶有坡面，緊固用鋼板嵌入相應(yīng)的凹口內(nèi)，兩塊緊固用鋼板的坡面朝上、兩塊的坡面朝下，并分別將坡面的頂部與鋼筋混凝土桿件上、下平臺內(nèi)的預(yù)埋鋼板焊接。
10.如權(quán)利要求8和9所述的耗能支撐裝置的使用方法，其特征是通過調(diào)整擰緊螺栓時的扭矩來獲得所需的啟動力。
全文摘要
低成本耗能減震方法、相應(yīng)裝置及其使用方法，屬建筑抗震技術(shù)領(lǐng)域。以X型鋼筋混凝土桿件作為支撐構(gòu)件、鋼板夾持橡膠片作為摩擦型耗能器，將鋼筋混凝土桿件的四個端點(diǎn)聯(lián)接到建筑物框架的梁柱節(jié)點(diǎn)上，在摩擦型耗能器中，向夾持橡膠片的鋼板預(yù)先施加一定大小的緊固力，以該緊固力使橡膠片與鋼板間產(chǎn)生的靜摩擦力作為摩擦型耗能器開始將外界輸入建筑物的動能通過摩擦進(jìn)行吸收和消耗的啟動力。通過調(diào)節(jié)緊固力的大小來調(diào)節(jié)摩擦型耗能器的啟動力。優(yōu)點(diǎn)是低造價、高性能、易生產(chǎn)、便施工。在提高結(jié)構(gòu)物抗震性能的同時，不僅不會使其造價增加，反而會有所降低。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比，混凝土方量和鋼筋用量明顯降低，這一部分節(jié)約的造價已大大超過實(shí)施本發(fā)明的造價。
文檔編號E04B1/98GK1884756SQ20061001100
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月3日
發(fā)明者葉燎原, 繆升, 潘文 申請人:昆明理工大學(xué)