一種裝配式搖擺自復位鋼支撐結構體系的製作方法
2023-07-27 15:29:01 1
本實用新型屬於土木工程抗震結構體系領域，具體涉及一種裝配式搖擺自復位鋼支撐結構體系。
背景技術：
地震是一種破壞性極強的突發性自然災害，對人類社會構成嚴重威脅。我國是世界上地震災害頻發的地區之一，積極應對這些地震災害是構建城鄉防震減災體系的重要工作。在土木工程領域，應對地震災害的抗震理念經歷了從增大截面的「抗震」、到附加耗散能量的「減震」和隔離地面振動的「隔震」的發展，近年來，又朝著「可恢復功能」的方向發展。由此產生了「自復位結構」和「搖擺結構」的概念。
一般的搖擺結構及自復位結構是指放鬆結構與基礎間約束或構件間約束，使結構與基礎或構件間接觸面處僅有受壓能力而無受拉能力，則結構在地震作用下發生搖擺，通過自重或預應力使結構復位。這為設計具有恢復功能的結構提供了一種新思路，基於這種思路人們先後開發了一些搖擺及自復位的結構體系：可自復位的球入式帶翼搖擺隔震墩柱(CN 104278620 A)，自復位梁-格柵式摩擦牆結構體系(CN 203583708 U)、帶可更換連梁的自復位剪力牆(CN 203626080 U)、鋼筋混凝土搖擺牆、搖擺牆組件及其製作方法(CN 101851965 B)、一種套筒式連接的鋼筋混凝土搖擺牆組件(CN 104631616 A)、一種可恢復功能的疊合板式剪力牆(CN 203640084 U)等。這些體系多是利用混凝土材料設計的搖擺牆和構件，且多無法實現預製拼裝功能；且利用剪力牆作為搖擺構件，為保證剛度，通常無法開設門、窗洞口，限制了其設置位置；同時，混凝土牆體在地震來臨時，即使較小的變形也會產生一定的裂紋，後期修復需要更多的成本。
近年來，在國家的推動下，預製裝配式建築結構越來越受到重視，人們設計了多種預製裝配式建築，如一種全預製框架鋼支撐結構(CN 203334474 U)、一種裝配式組合鋼板剪力牆(CN 204983239 U)、裝配式雙層鋼板內填混凝土組合剪力牆結構體系(CN 204983269 U)等，但這些都不具備自復位的耗能功能。隨著工業化研究的推進，也有將自復位概念引入預製剪力牆中，如預製裝配式自復位剪力牆結構(CN 204876196 U)等，主要藉助了上、下片牆體之間的變形，利用彈簧和阻尼器形成了耗能和自復位功能，但沒有使牆體充分擺動起來，未形成搖擺牆的減震形式。
因此，充分考慮預製裝配式結構的特點，利用鋼結構比混凝土結構預製化程度高的優勢，設計一種預製裝配式的搖擺鋼支撐體系，將搖擺結構、自復位和耗能減震的理念融為一體，能夠為新建建築施工和既有建築加固改造的工業化提供一個新的思路。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於克服現有技術存在的問題，提供一種裝配式搖擺自復位鋼支撐結構體系。
為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本實用新型通過以下技術方案實現：
一種裝配式搖擺自復位鋼支撐結構體系，包括結構柱和結構梁，所述結構柱和所述結構梁構成主結構，所述主結構與鋼支撐通過耗能元件連接，自復位拉索沿著所述鋼支撐的鋼柱設置，上端在所述鋼支撐的鋼柱頂部張拉，下端澆築於現澆基礎內，所述鋼支撐通過搖擺節點與所述現澆基礎連接；
所述鋼支撐3包括鋼柱、鋼梁、鋼支撐短段和鋼支撐長段，所述鋼柱、所述鋼梁、所述鋼支撐短段和所述鋼支撐長段為H型截面或工字型截面等鋼構件截面形式。
進一步的，所述鋼支撐還包括梁柱節點、鋼柱節點和支撐節點，所述梁柱節點、所述鋼柱節點和所述支撐節點均為螺栓連接形式。
進一步的，所述搖擺節點由上部斜撐、下部斜撐、上部加勁短梁、下部加勁短梁和鋼錨栓組成；所述上部斜撐下端與所述上部加勁短梁焊接連接，上部斜撐上端在通過端板法蘭與所述鋼支撐底部連接；所述下部斜撐上端與所述下部加勁短梁焊接連接，下端埋至所述現澆基礎；所述鋼錨栓上半部分通過螺母與所述上部加勁短梁固接，下半部分插入所述下部加勁短梁的套筒內；搖擺節點採用板鉸。
進一步的，所述耗能元件通過螺栓一端與所述主結構相連，另一端與所述鋼支撐的節點連接，採用軟鋼的耗能連接或者採用粘彈性或摩擦的耗能連接形式；所述自復位拉索採用張拉預應力的高強鋼絞線或採用形狀記憶合金。
進一步的，所述自復位拉索布置於搖擺的所述鋼支撐的兩端或中部。
優選的，採用柱、梁、斜撐等細長鋼構件作為基本元件，便於運輸和安裝；鋼支撐短段、鋼支撐長段作為斜撐為鋼支撐提供了大部分的抗側剛度，充分利用了鋼材的特性；通過構造鋼支撐的不同形式，可為門、窗洞口的預留空間，相較於搖擺牆更便於建築上的處理。
本實用新型的有益效果:
本實用新型在地震時，鋼梁、鋼柱和鋼支撐構成的鋼支撐體系具備較大的抗側剛度，作為一個整體保持彈性、圍繞搖擺節點發生搖擺，與主結構之間產生相對變形，引發耗能元件變形並耗散能量；震後，結構通過自復位拉索恢復到初始狀態，能夠保持使用功能；體系拼接部位均採用螺栓連接，能夠實現在工廠生產、現場拼裝，縮短了現場工期。該結構體系具有抗震能力強、構造簡單、施工質量高、工期短等優點。
附圖說明
圖1是本實用新型的立面結構示意圖；
圖2是本實用新型的搖擺節點構造示意圖；
圖3是本實用新型的搖擺節點另一種構造示意圖；
圖4是本實用新型的耗能元件採用粘彈性材料時的構造示意圖；
圖5是本實用新型的耗能元件採用摩擦耗能時的構造示意圖；
圖6（a）是本實用新型用於既有建築加固時外附搖擺鋼支撐布置位置平面示意圖；
圖6（b）是本實用新型用於既有建築加固時內嵌搖擺鋼支撐布置位置平面示意圖；
圖6（c）是本實用新型用於既有建築加固時搖擺鋼支撐布置位置立面示意圖；
圖7是本實用新型的另一種預製拼裝形式。
圖中標號說明：1、結構柱，2、結構梁，3、鋼支撐，31、鋼柱，32、鋼梁，33、鋼支撐短段，34、鋼支撐長段，35、梁柱節點，36、鋼柱節點，37、支撐節點，4、耗能元件，5、自復位拉索，6、現澆基礎，7、搖擺節點，71、上部斜撐，72、下部斜撐，73、上部加勁短梁，74、下部加勁短梁，75、鋼錨栓。
具體實施方式
下面將參考附圖並結合實施例，來詳細說明本實用新型。
參照圖1-5所示，一種裝配式搖擺自復位鋼支撐結構體系，包括結構柱1和結構梁2，所述結構柱1和所述結構梁2構成主結構，所述主結構與鋼支撐3通過耗能元件4連接，自復位拉索5沿著所述鋼支撐3的鋼柱31設置，上端在所述鋼支撐3的鋼柱31頂部張拉，下端澆築於現澆基礎6內，所述鋼支撐3通過搖擺節點7與所述現澆基礎6連接；
所述鋼支撐3包括鋼柱31、鋼梁32、鋼支撐短段33和鋼支撐長段34，所述鋼柱31、所述鋼梁32、所述鋼支撐短段33和所述鋼支撐長段34為H型截面或工字型截面。
進一步的，所述鋼支撐3還包括梁柱節點35、鋼柱節點36和支撐節點37，所述梁柱節點35、所述鋼柱節點36和所述支撐節點37均為螺栓連接形式。
進一步的，所述搖擺節點7由上部斜撐71、下部斜撐72、上部加勁短梁73、下部加勁短梁74和鋼錨栓75組成；所述上部斜撐71下端與所述上部加勁短梁73焊接連接，上部斜撐71上端在通過端板法蘭與所述鋼支撐3底部連接；所述下部斜撐72上端與所述下部加勁短梁74焊接連接，下端埋至所述現澆基礎6；所述鋼錨栓75上半部分通過螺母與所述上部加勁短梁73固接，下半部分插入所述下部加勁短梁74的套筒內。搖擺節點7還可採用附圖3所示的板鉸形式。
進一步的，所述耗能元件4通過螺栓一端與所述主結構的節點相連，另一端與所述鋼支撐3的節點連接，採用軟鋼的耗能連接或者採用粘彈性或摩擦的耗能連接形式；所述自復位拉索5採用張拉預應力的高強鋼絞線或採用形狀記憶合金。
進一步的，所述自復位拉索5布置於搖擺的所述鋼支撐3的兩端或中部。
優選的，當地震來臨時，鋼支撐3繞搖擺節點7轉動，通過耗能元件4的變形耗散地震能量，鋼錨栓75抵抗剪力，震後利用自復位拉索5復位。
進一步的，為提高其預製拼裝的能力，可採用多個鋼支撐單元拼接的方式（如附圖7），即在工廠內通過焊接形式將鋼柱31、鋼梁32和斜撐焊接成一個小的鋼支撐單元，到施工現場後，可通過螺栓連接將多個鋼支撐單元拼接成一個鋼支撐體系。
本實用新型的原理：
將搖擺鋼支撐3與框架結構結合，形成框架搖擺鋼支撐結構體系，將鋼支撐3底部從固接變成了鉸接，結構體系基本周期延長，鋼支撐3承載力需求減小。鋼梁、鋼柱和斜向支撐構成的鋼支撐體系具有較大的剛度，當地震來臨時，搖擺鋼支撐3繞底部搖擺節點7搖擺、保持彈性狀態，與主結構之間產生相對位移，誘發耗能元件變形耗散地震能量，；地震發生後，由於自復位拉索5的存在，結構具有較高的恢復初始位置的能力。與此同時，大部分拼接節點採用螺栓連接，使搖擺結構具有了預製拼裝的特性。
本實用新型的實施步驟：
（1）根據設計和施工要求，在工廠加工鋼支撐3中的鋼柱31、鋼梁32、鋼支撐短段33和鋼支撐長段34；加工搖擺節點7中的上部斜撐71、下部斜撐72、上部加勁短梁73和下部加勁短梁74，其中上部斜撐71和上部加勁短梁73焊接連接，下部斜撐72和下部加勁短梁74焊接連接。
（2）在結構現場澆築現澆基礎6，其中下部斜撐72下半部分澆築在現澆基礎6內，且自復位拉索5的下端及其錨具也澆築於現澆基礎6內。
（3）現場拼接鋼柱31、鋼梁32成鋼框架形式、隨後將鋼支撐長段34通過螺栓連接嵌入鋼框架中，再將鋼支撐短段33接入框架；鋼支撐3整體拼接完成後,通過螺栓連接與上部支撐71固接，將鋼錨栓75通過螺母固接於上部加勁短梁73。
（4）吊裝鋼支撐3和搖擺節點7，定位安裝，將鋼錨栓75插入下部加勁短梁74的套筒內，在主結構與鋼支撐3之間安裝簡單的臨時支架。
（5）隨後將自復位拉索5穿過預留孔洞至鋼支撐3頂部，並在此張拉並錨固拉索；將耗能元件4通過螺栓連接安裝於鋼支撐3的節點和主結構的節點之間。
（6）結構安裝完成後，撤去主結構與鋼支撐3之間的臨時支架。
以上所述的僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本領域的技術人員來說，在不脫離本實用新型結構的前提下，還可以做出若干變形和改進，如採用附圖6的方式實現對既有建築的抗震加固，採用附圖7的方式通過多個鋼支撐單元拼接的方式實現預製裝配，或採用人字形支撐等其它鋼支撐形式，這些也應該視為本實用新型的保護範圍，這些都不會影響本實用新型實施的效果和專利的實用性。