一种基于装配式地下结构具有自复位功能的中柱节点及复位方法与流程

本发明涉及一种中柱节点及复位方法，尤其适用于地下结构抗震减震技术领域的基于装配式地下结构具有自复位功能的中柱节点及复位方法。

技术背景：

以往由于地下结构震害资料较少，人们普遍认为地下结构受周围土体约束，具有很强的抗震性能，不会在地震中破坏。然而，在近些年的地震中，地下结构都遭到了不同程度的破坏，以1995年神户地震中破坏最严重的大开车站为例，中柱周围由于没有介质约束，且相对于侧墙而言，中柱是一种间断结构，因此中柱抗剪切变形能力弱于侧墙，柱端的固定连接方式，使中柱承受很大的弯矩及剪力，在地震作用下往往出现剪压破坏。所以在大开车站中，中柱的最先破坏导致了顶板的倾覆性坍塌。

如何提高中柱的抗剪切变形能力成为地下结构抗震性能的关键因素，而目前兴起的装配式地下结构在很大程度上改善了传统中柱结构在连接处变形能力差、变形不连续等弊端。但常规预制装配式中柱在变形后很难实现自复位功能，如“一种自复位装配式地铁车站柔性抗震结构”(专利号cn106351494a)和专利“一种地铁车站自复位柱脚节点”(专利号cn204456446u)主要依靠橡胶支座的弹性恢复力实现自复位功能，而专利“一种具备自复位功能的剪力销栓接内柱的装配整体式地下框架结构”(专利号cn108222064a)则是依靠预应力筋拉力实现自复位。以上发明均能在一定程度上实现构件的自复位功能，但对于水平剪切位移的自复位效果不是很显著。而专利“可恢复功能预制柱脚节点”(专利号cn103243814a)虽能解决水平位移的自复位，但由于柱端的凸起，会引起应力集中现象，加速柱端的破坏，从而丧失自复位甚至承载功能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够增强中柱变形适应能力、提高结构整体抗震性能，并且在震后可实现多方向位移自复位功能的地下结构中柱节点及复位方法。

为实现上述目的，本发明基于装配式地下结构具有自复位功能的中柱节点，设置在由预制顶板、预制底板和预制侧墙构成的地下空间中，包括预制钢筋混凝土柱、预制纵梁、弹性减震层、钢垫板、弹簧套筒、高强度弹簧、弧形活塞片、钢制球形凹槽、钢球、预应力加强筋孔、预应力加强筋、锚具和密封橡胶塞；

所述预制钢筋混凝土柱两端均设有弹性减震层，预制纵梁和预制钢筋混凝土柱的接触面上设有钢垫板；预制纵梁包括预制顶梁和预制底梁，预制顶梁和预制底梁分别设置在预设的预制钢筋混凝土柱上下两端，其中预制顶梁设置在预制顶板上，预制底梁设置在预制底板处；

预制混凝土柱两端以及与预制混凝土柱相接触的预制纵梁端面处分别埋设有上下两个钢制球形凹槽，钢制球形凹槽中设置有钢球；所述钢制球形凹槽分为上半球凹槽和下半球凹槽，上半球凹槽分别埋设在顶梁处的接触面中心和混凝土柱底面中心，下半球凹槽分别埋设在底梁处的接触面中心和混凝土柱顶面中心；所述的上半球凹槽顶部开有和弹簧套筒等大的孔洞，弹簧套筒在孔洞处与上半球凹槽通过焊接方式连接，弹簧套筒中设有高强度弹簧，高强度弹簧下端连接弧形活塞片，弧形活塞片紧压着位于钢制球形凹槽中的钢球，弹簧套筒、高强度弹簧和弧形活塞片三者之间无固定连接装置，仅依靠压力夹紧，所述的弧形活塞片在弹性减震层受到压缩，或预制混凝土柱发生水平方向位移时可在弹簧套筒中做往复运动。

所述预制钢筋混凝土柱截面为矩形或圆形，所述预制钢筋混凝土柱上设有多个预应力加强筋孔，预应力加强筋孔中设有贯穿预制顶梁、弹性减震层、预制钢筋混凝土柱和预制底梁的预应力加强筋，预应力加强筋孔两端设有密封橡胶塞密封，预应力加强筋两端最终使用锚具分别固定在预制顶板、预制底板上。

预制钢筋混凝土柱根据受力要求及混凝土设计规范配置受力和构造钢筋；所述沿柱身四周设置的预应力加强筋孔至少为4个。

所述的弹性减震层由上下两层钢板和中间的橡胶层组成，钢板和橡胶通过粘贴连接，靠近柱端的钢板与预制钢筋混凝土柱一体浇筑，同时柱端弹性减震层上为钢制球形凹槽预留等大的圆形孔洞。

所述的钢垫板设置在预制纵梁在和预制钢筋混凝土柱的接触面上，钢垫板与预制纵梁内钢筋焊接并一体浇筑，同时钢垫板为钢制球形凹槽预留等大的圆形孔洞。

所述的钢制球形凹槽半径r和钢球半径r关系：δr＝r-r>0，其空隙δr由中柱容许水平剪切位移决定。

一种基于装配式地下结构具有自复位功能的中柱节点自复位方法，具体包括：

在正常使用情况下：

预制钢筋混凝土柱中的钢球受弧形活塞片挤压卡在钢制球形凹槽最低点处，此时预制混凝土柱未发生左右位移，钢球所承担的竖向压力n等于高强弹簧压缩产生的弹力f，竖向压力n和弹力f的预设值根据预制混凝土柱截面抗压要求设计；

在地震作用下：

预制钢筋混凝土柱在水平方向上的剪切位移：通过钢球和钢制球形凹槽预留的空隙δr实现预制混凝土柱的左右位移，此时钢球在地震的作用下偏离钢制球形凹槽最低点处，高强弹簧被进一步压缩并吸收动能，预应力加强筋由于预制混凝土柱在地震下产生的左右位移形成更大的拉力；

预制钢筋混凝土柱在竖直方向上的轴力：通过压缩弹性减震层和高强弹簧吸收对预制混凝土柱突加的压力获得缓压效果，避免冲击荷载，从而降低预制混凝土柱的轴压比，释放预制混凝土柱端部与纵梁连接处的弯矩和剪力，提高预制混凝土柱抗剪切变形适应性；

地震停止后，在预制混凝土柱、顶纵梁、顶板自重以及预应力加强筋的拉力共同作用下，迫使弧形活塞片挤压钢球回落到钢制球形凹槽最低点，实现中柱的自复位功能。

有益效果：

本发明改变传统中柱和纵梁之间的固定连接方式，采用无粘结预应力技术，在连接处设置承压钢球和弹性减震层，二者之间不采用连接装置，仅通过压力“柔性”连接，释放预制钢筋混凝土柱端和预制纵梁连接处弯矩约束，缓解预制钢筋混凝土柱受到的竖向冲击荷载；通过预留钢球与钢制球形凹槽之间的空隙，容许预制钢筋混凝土柱在水平方向产生小位移，提高预制钢筋混凝土柱抗剪切变形适应性，大幅提高预制钢筋混凝土柱抗剪压破坏能力，其中的钢垫板保证接触面受力均匀性和剪切位移的平滑性，利用预应力加强筋的回弹性和结构自重可实现预制钢筋混凝土柱震后自复位功能，从而使预制钢筋混凝土柱在地震过程中处于弹性状态，显著改善整个结构的抗震性能。

附图说明：

图1是本发明基于装配式地下结构具有自复位功能的中柱柱端节点的结构示意图；

图2是预制钢筋混凝土柱底端与预制底梁连接示意图；

图3是预制钢筋混凝土柱顶端与预制顶梁连接示意图。

图中：1—预制钢筋混凝土柱，2—预制纵梁，2a—预制顶梁，2b—预制底梁，3—弹性减震层，4—钢垫板，5—弹簧套筒，6—高强度弹簧，7—弧形活塞片，8—钢制球形凹槽，8a—钢制上半球凹槽，8b—钢制下半球凹槽，9—钢球，10—预应力加强筋孔，11—预应力加强筋，12—锚具，13—密封橡胶塞，14a—预制顶板，14b—预制底板和15—预制侧墙。

具体实施方式：

下面结合附图和典型的一层两跨地铁车站为例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明的基于装配式地下结构具有自复位功能的中柱节点，设置在由预制顶板14a、预制底板14b和预制侧墙15构成的地下空间中，包括预制钢筋混凝土柱1、预制纵梁2、弹性减震层3、钢垫板4、弹簧套筒5、高强度弹簧6、弧形活塞片7、钢制球形凹槽8、钢球9、预应力加强筋孔10、预应力加强筋11、锚具12、密封橡胶塞13；

所述预制钢筋混凝土柱1两端均设有弹性减震层3，所述的钢垫板4设置在预制纵梁2在和预制钢筋混凝土柱1的接触面上，钢垫板4与预制纵梁2内钢筋焊接并一体浇筑；预制纵梁2包括预制顶梁2a和预制底梁2b，预制顶梁2a和预制底梁2b分别设置在预设的预制钢筋混凝土柱1上下两端，其中预制顶梁2a设置在预制顶板14a上，预制底梁2b设置在预制底板14b处；所述预制钢筋混凝土柱1截面为矩形或圆形，所述预制钢筋混凝土柱1上设有多个预应力加强筋孔10，预应力加强筋孔10中设有贯穿预制顶梁2a、弹性减震层3、预制钢筋混凝土柱1和预制底梁2b的预应力加强筋11，弹性减震层3由上下两层钢板和中间的橡胶层组成，钢板和橡胶通过粘贴连接，靠近柱端的钢板与预制钢筋混凝土柱1一体浇筑，预应力加强筋孔10两端设有密封橡胶塞13密封，预应力加强筋11两端最终使用锚具12分别固定在预制顶板14a、预制底板14b上；预制钢筋混凝土柱1根据受力要求及混凝土设计规范配置受力和构造钢筋；所述沿柱身四周设置的预应力加强筋孔11至少为4个；

预制混凝土柱1两端以及与预制混凝土柱1相接触的预制纵梁2端面处分别埋设有上下两个钢制球形凹槽8，钢制球形凹槽8半径r和钢球9半径r关系：δr＝r-r>0，其空隙δr由中柱容许水平剪切位移决定，钢制球形凹槽8中设置有钢球9，在柱端弹性减震层3上为钢制球形凹槽8预留等大的圆形孔洞，在钢垫板4为钢制球形凹槽8预留等大的圆形孔洞；所述钢制球形凹槽8分为上半球凹槽8a和下半球凹槽8b，上半球凹槽8a分别埋设在顶梁2a处的接触面中心和混凝土柱1底面中心，下半球凹槽8b分别埋设在底梁2b处的接触面中心和混凝土柱1顶面中心；所述的上半球凹槽8a顶部开有和弹簧套筒5等大的孔洞，弹簧套筒5在孔洞处与上半球凹槽8a通过焊接方式连接，弹簧套筒5中设有高强度弹簧6，高强度弹簧6下端连接弧形活塞片7，弧形活塞片7紧压着位于钢制球形凹槽8中的钢球9，弹簧套筒5、高强度弹簧6和弧形活塞片7三者之间无固定连接装置，仅依靠压力夹紧，所述的弧形活塞片7在弹性减震层3受到压缩，或预制混凝土柱1发生水平方向位移时可在弹簧套筒5中做往复运动。

一种基于装配式地下结构具有自复位功能的中柱节点的自复位方法，具体包括：

在正常使用情况下：

预制钢筋混凝土柱1中的钢球9受弧形活塞片7挤压卡在钢制球形凹槽8最低点处，此时预制混凝土柱1未发生左右位移，钢球9所承担的竖向压力n等于高强弹簧6压缩产生的弹力f，竖向压力n和弹力f的预设值根据预制混凝土柱1截面抗压要求设计；

在地震作用下：

预制钢筋混凝土柱1在水平方向上的剪切位移：通过钢球9和钢制球形凹槽8预留的空隙δr实现预制混凝土柱1的左右位移，此时钢球9在地震的作用下偏离钢制球形凹槽8最低点处，高强弹簧6被进一步压缩并吸收动能，预应力加强筋11由于预制混凝土柱1在地震下产生的左右位移形成更大的拉力；

预制钢筋混凝土柱1在竖直方向上的轴力：通过压缩弹性减震层3和高强弹簧6吸收对预制混凝土柱1突加的压力获得缓压效果，避免冲击荷载，从而降低预制混凝土柱1的轴压比，释放预制混凝土柱1端部与纵梁2连接处的弯矩和剪力，提高预制混凝土柱1抗剪切变形适应性；

地震停止后，在预制混凝土柱1、顶纵梁2a、顶板14a自重以及预应力加强筋11的拉力共同作用下，迫使弧形活塞片7挤压钢球9回落到钢制球形凹槽8最低点，实现中柱的自复位功能。

实施例一：

预制钢筋混凝土柱1、预制纵梁2和预制侧墙15在预制工厂生产完成。进一步的，弹性减震层3和预制钢筋混凝土柱1一体浇筑；钢垫板4和预制纵梁2一体浇筑。进一步的，在浇筑预制钢筋混凝土柱1和预制纵梁2时，将已经组装好的弹簧套筒5、高强度弹簧6、弧形活塞片7以及钢制球形凹槽8放置预定位置，然后一体浇筑。各预制构件在相应位置预留预应力加强筋孔10。

预制底板14b和预制底梁2b安装就位，在预留的预应力加强筋孔10中铺设预应力筋11，连接预制底板14b和预制底梁2b，并在预制底板14b锚固，但不张拉预应力筋11；在预制底梁2b的钢制球形凹槽8中放置钢球9。整体吊装预制侧墙15和预制钢筋混凝土柱1，预制侧墙15通过现有套筒注浆技术和预制底板14b连接。吊装预制钢筋混凝土柱1时，让预应力筋11穿过预应力筋孔10，使钢筋混凝土柱1的球形凹槽8恰好落在钢球9上，并使弧形活塞片7挤压钢球9。待钢筋混凝土柱1稳定后，放置顶端钢球9。整体吊装预制顶梁2a和顶板14a，将预应力筋11穿过顶梁2a和顶板14a，顶板14a和侧墙15间采用现有技术套筒灌浆技术连接。待注浆凝固后，张拉预应力筋11，使钢筋混凝土柱1和纵梁2间紧密连接，然后预应力筋孔10用密封橡胶塞13密封防水处理，最后将预应力筋11锚固于顶板14a处。

至此装配式可复位地下结构中柱构件组装完毕。