专利名称：一种用于地下结构的剪切型耗能减震控制方法
技术领域：
本发明属于地下结构抗震与减震技术领域，利用材料的剪切耗能特性，S卩非弹性变形可以消耗地震输入能量，考虑土与结构相互作用，采用合适的方法可以使得阻尼器先于主体地下结构进入塑性，通过剪切滞回变形耗散地震能量，保证结构不遭受损坏或受到的损害在可以接受的水平以内，从而达到减震效果。
背景技术：
目前，我国城市正处于地下空间开发的黄金时期，新建和待建的超大跨度地下空间结构数量明显增加。地下结构跨度大幅度增长带来的主要问题是结构抗侧向力刚度的急剧下降，这就使得地震作用在大跨度地下结构设计中变得越来越重要。然而目前，地下结构抗震减震手段相对单一。仅有传统的抗震构造措施和围岩 (地层)加固措施。无法适应大跨度地下空间结构的减震要求。尽管，本发明所述的结构减震控制理念在建筑、桥梁等地面结构中取得了长足的发展，并研制出相应的新型减震装置， 但尚未见其在地下结构的运用。由于地下结构的震动特点有别于地面结构，因此当上述方法应用于地下结构耗能减震时，还具有一定的局限性与尚待解决的问题。例如，当减震装置用于地面结构时，主要抵抗侧向地震作用，梁传递到阻尼器上的竖向轴力较小，阻尼器设计中往往忽略竖向轴力，仅施加水平向的剪切反复荷载，不考虑竖向轴力的影响，而在1995 年日本阪神大地震震害现象表明，神户大开地铁车站的破坏主要是由于受到了地震的剪切作用与上覆土层震动引起的较大竖向轴力的联合作用，且轴压比较高。此外，地震作用下， 地面结构以加速度控制，而地下结构以位移控制。这些因素的存在，使得地面结构阻尼器用于地上结构时的控制方法不再适用于地下结构。鉴于此，寻找新的有效减轻地下结构地震破坏的控制方法是十分必要的。
发明内容
针对上述提到的现有技术中耗能减震控制方法在地下结构中的设计需求空白，本发明的目的在于根据地下结构在地震中的受力和破坏特点，有针对性地提出一种用于地下结构的剪切型耗能减震控制方法，解决上述提到的现有技术存在的不足，为地下结构的减震设计提供参考。为了达到以上目的，本发明的技术方案如下一种用于地下结构的耗能减震控制方法，使用剪切型阻尼器替换地下结构中部分非承载构件。所述剪切型阻尼器设置于地下结构的柱子或主梁中，并采用间柱型或支撑型方式连接。所述剪切型阻尼器包括刚性连接板、滞回耗能腹板和翼缘，滞回耗能腹板周围焊接刚性连接板和翼缘。所述滞回耗能腹板的厚度根据实际地下结构尺寸和要求耗能量确定，
当滞回耗能腹板周围具有可靠的边缘约束时，可取消刚性连接板和/或翼缘。所述剪切型阻尼器采用支撑型连接方式，其上部刚性连接板与框架结构梁的下翼缘栓接，下部刚性连接板与支撑杆件焊接相连。当地下结构有下部通行要求时，剪切型阻尼器采用间柱型安装方式，在此种情况下，框架间柱的左右翼缘能够作为剪切型阻尼器的上下刚性连接板，而剪切型阻尼器的上下翼缘与间柱的腹板通过焊接连接。根据实际安装条件，滞回耗能腹板上单侧或双侧焊接横向加劲肋和纵向加劲肋。所述滞回耗能腹板的柔细比参数满足《钢结构设计规范》中关于板件的要求时，滞回耗能腹板上可以不设置横向加劲肋或纵向加劲肋，但须通过相关疲劳试验证明。所述剪切型阻尼器和地下结构的强度比参数作为地下结构减震设计性能参数，其参数范围为0.4至0.5。由于采用了以上技术方案，本发明的特征在于(1)区别于抗震构造措施和围岩(地层)加固措施等传统的地下结构抗震减震手段，本发明针对地下结构提出的基于能量耗散概念的剪切型耗能减震控制方法是完全创新的。(2)本发明针对地下结构破坏特点，即考虑地下结构破坏是由上覆土层荷载和地震的共同作用所导致的，突破了目前剪切型阻尼器设计中不考虑轴压或仅考虑低轴压的局限。(3)本发明提出了阻尼器-地下结构强度比作为优化设计参数，并给出了参数取值范围，能够保证耗能元件充分发挥滞回能力，获得最大的减震耗能能力，从而最大限度地保证地下结构的抗震安全性。
图1为剪切型耗能阻尼器的正面示意图。图2为图1所示实施例的A-A剖面图。图3为本发明实施例的剪切型耗能阻尼器在地下结构中的安装示意图(支撑型)。图4为本发明实施例的剪切型耗能阻尼器在地下结构中的安装示意图(间柱型)。附图中标号说明1-刚性连接板；2-滞回耗能腹板；3-横向加劲肋；4-翼缘；5-纵向加劲肋。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。本发明把地震激励看成是对地下结构的一个能量输入，基于能量平衡与转移原理，把某些非承重构件替换成具有较大耗能能力的剪切板阻尼器元件，使其震时发生塑性大变形，集中吸收和消耗大部分地震输入能量，降低主要结构构件的能量耗散值，从而避免或减小主体地下结构的损伤。当地震来临时，框架结构的上下层楼面及框架梁发生侧向位移，产生位移差。这种位移差作用于剪切型阻尼器上即形成剪切变形。当剪切变形增大到一定程度时，阻尼器滞回耗能腹板在反复剪切作用下进入屈服，形成滞回变形，从而达到耗能减震的目的。本发明剪切型耗能阻尼器的实施例采用剪切型阻尼器，如图1和图2所示。包括 刚性连接板1、滞回耗能腹板2、横向加劲肋3、翼缘4和纵向加劲肋5。其中，滞回耗能腹板 2为耗能的主要板件，其厚度根据实际地下结构尺寸和要求耗能量确定。滞回耗能腹板2周围焊接刚性连接板1和翼缘4。当滞回耗能腹板2周围具有可靠的边缘约束时(如图4所示的间柱型安装方式)，可取消刚性连接板1和翼缘4之一或全部。可根据实际安装条件， 滞回耗能腹板2上单侧或双侧焊接横向加劲肋3及纵向加劲肋5。滞回耗能腹板2的柔细比参数满足《钢结构设计规范》(GB50017)中关于板件的要求时，也可不设置横向加劲肋3 和纵向加劲肋5，但须通过相关疲劳试验证明。地下结构基于剪切型的耗能减震控制方法，使用剪切型阻尼器替换地下结构中部分非承载构件。在如图3所示的采用支撑型方式连接的地下结构框架中，剪切型阻尼器的上部刚性连接板1可通过螺栓(简明起见，图中未显示)与框架结构梁的下翼缘拴接，剪切型滞回阻尼器的下部刚性连接板1可与支撑杆件焊接相连。支撑可采用普通的焊接钢构件，或者采用约束屈曲支撑实现双效耗能装置。当结构有下部通行要求时，可采用如图4所示的间柱型安装方式。在此种情况下， 将图1所示的剪切型阻尼器旋转90度安装于框架结构中。框架间柱的左右翼缘可同时作为剪切型阻尼器的上下刚性连接板，而剪切型阻尼器的上下翼缘与间柱的腹板通过焊接连接。必要时，可增加三角钢，保证剪切力的传递。无论采用哪种安装方式，当地震来临时，框架结构的上下层楼面及框架梁发生侧向位移，产生位移差。这种位移差作用于剪切型阻尼器上即形成剪切变形。当剪切变形增大到一定程度时，阻尼器耗能腹板在反复剪切作用下进入屈服，形成滞回变形，从而吸收地震输入的能量，减轻地下结构的破坏甚至抑制地下结构振动而不产生破坏，实现金属耗能减震目的。在进行地下结构剪切型耗能减震控制设计时，必须合理考虑剪切型耗能阻尼器与地下结构之间的结构性能关系，以便保证地震时，阻尼器先进入塑性，从而耗散输入主体结构的能量。为此，本控制方法提出了阻尼器和地下结构的强度比参数作为地下结构减震设计性能参数，阻尼器-地下结构强度比最优设计性能参数值宜为0. 4至0. 5。在本范围内， 能够保证耗能元件充分发挥滞回能力，获得最大的减震耗能能力，从而最大限度地保证地下结构的抗震安全性。此外，地震发生时，地下结构的上覆土层在地震竖向分量的作用下会加大传递至地下结构中柱上的动力荷载。因此，安装在地下结构中的阻尼器处于高轴压状态。本控制方法提出了高轴压比参数，以便根据轴压比参数调节阻尼器加劲肋刚度，以承受地下结构的高轴压工况、满足其安全和使用的承载力需求。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于使用剪切型阻尼器替换地下结构中部分非承载构件。
2.如权利要求1所述的用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于所述剪切型阻尼器设置于地下结构的柱子或主梁中，并采用间柱型或支撑型方式连接。
3.如权利要求1或2所述的用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于所述剪切型阻尼器包括刚性连接板、滞回耗能腹板和翼缘，滞回耗能腹板周围焊接刚性连接板和翼缘。
4.如权利要求3所述的用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于所述滞回耗能腹板的厚度根据实际地下结构尺寸和要求耗能量确定。
5.如权利要求3所述的用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于当滞回耗能腹板周围具有可靠的边缘约束时，取消刚性连接板和/或翼缘。
6.如权利要求3所述的用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于所述剪切型阻尼器采用支撑型连接方式，其上部刚性连接板与框架结构梁的下翼缘栓接，下部刚性连接板与支撑杆件焊接相连。
7.如权利要求3所述的用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于当地下结构有下部通行要求时，剪切型阻尼器采用间柱型安装方式，框架间柱的左右翼缘作为剪切型阻尼器的上下刚性连接板，而剪切型阻尼器的上下翼缘与间柱的腹板通过焊接连接。
8.如权利要求3所述的用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于根据实际安装条件，滞回耗能腹板上单侧或双侧焊接横向加劲肋和纵向加劲肋。
9.如权利要求3所述的用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于所述滞回耗能腹板的柔细比参数满足《钢结构设计规范》中关于板件的要求时，滞回耗能腹板上不设置横向加劲肋或纵向加劲肋，但须通过疲劳试验证明。
10.如权利要求1或2所述的用于地下结构的耗能减震控制方法，其特征在于所述剪切型阻尼器和地下结构的强度比参数作为地下结构减震设计性能参数，其参数范围为0. 4 至 0. 5。
全文摘要
本发明公开了一种用于地下结构的剪切型耗能减震控制方法，使用剪切型阻尼器替换地下结构中部分非承载构件，剪切型阻尼器通过间柱型或支撑型方式连接设置于地下结构的柱子或主梁中。剪切型阻尼器采用支撑型连接方式时，其上部刚性连接板与框架结构梁的下翼缘栓接，下部刚性连接板与支撑杆件焊接相连。剪切型阻尼器采用间柱型安装方式时，框架间柱的左右翼缘作为剪切型阻尼器的上下刚性连接板，而剪切型阻尼器的上下翼缘与间柱的腹板通过焊接连接。本发明通过上述剪切耗能机制，吸收和耗散地震输入的大部分能量，从而减轻地下结构的破坏甚至抑制结构振动而不产生破坏，实现保护主体结构的目的，满足地下工程的安全运营和使用设计要求。
文档编号E02D27/34GK102268878SQ20111016852
公开日2011年12月7日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者卞国强, 李景琳, 毛无卫, 陈之毅, 黄雨 申请人:同济大学