一种装配式多向摇摆自复位筒体结构体系

本发明涉及土木工程抗震结构体系技术领域，具体涉及一种装配式多向摇摆自复位筒体结构体系。

背景技术：

我国是世界上地震灾害频发的地区之一，唐山、汶川等大型地震对我国人民生命财产造成了巨大的损失，积极应对地震灾害、减小地震灾害对社会安全的威胁是构建我国城乡防震减灾体系的重要工作。土木工程结构的抗震性能提升始终是保障城乡抗震安全的基本元素，随着相关学科技术的迅猛发展，提升结构抗震性能的措施从单纯增加结构刚度的“抗震”技术，发展到了隔离地面震动的“隔震”和增加附属装置耗散输入能量的“减震”，并在近年来的工程应用中得到了极大的推广。近年来，“韧性城乡”的理念受到广泛关注，如何使得结构在震后快速恢复功能极为关键，“可恢复功能”结构体系的研究得到发展，由此形成了“自复位结构”和“摇摆结构”等新型结构体系。

一般的摇摆结构及自复位结构是指放松结构与基础间约束或构件间约束，使结构与基础或构件间接触面处仅有受压能力而无受拉能力，则结构在地震作用下发生摇摆，通过自重或预应力使结构复位。基于这种概念人们先后开发了一些摇摆及自复位的结构体系，例如：可自复位的球入式带翼摇摆隔震墩柱(cn104278620a)、带可更换连梁的自复位剪力墙(cn203626080u)、钢筋混凝土摇摆墙、摇摆墙组件及其制作方法(cn101851965b)、一种套筒式连接的钢筋混凝土摇摆墙组件(cn104631616a)、一种装配式自复位摇摆钢板墙结构体系（cn106401018b）、一种装配式摇摆自复位钢支撑结构体系（cn106382041b）、一种可恢复功能的叠合板式剪力墙(cn203640084u)等。但是这些体系多是平面或线性的墙体和构件，当考虑多向地震作用时，其平面外的性能需要通过其他构造措施来限制，给实际工程应用带来了较大的困难。

近年来，预制装配式建筑行业蓬勃发展，带动了相关技术的研发，如一种全预制框架钢支撑结构(cn203334474u)、一种装配式组合钢板剪力墙(cn204983239u)、装配式双层钢板内填混凝土组合剪力墙结构体系(cn204983269u)等，但这些都不具备自复位功能。随着工业化研究的推进，也有将自复位概念引入预制剪力墙中，如预制装配式自复位剪力墙结构(cn204876196u)等。同时，随着城市更新工作的开展，大量老旧小区加装电梯的需求给结构加固设计带来了一定的安全挑战，现有的技术仅仅利用了加装电梯部分的机械使用功能，对其地震作用下的结构功能的贡献考虑相对较少。

因此，充分考虑摇摆墙体平面外稳定和安全问题，引入装配式结构理念，提供一种装配式多向摇摆自复位筒体结构体系，将多向摇摆结构、自复位和耗能减震的理念融为一体，同时，当用于老旧校区加装电梯时可充分利用加装电梯部分的结构功能，提升既有建筑抗震性能。该体系能够为新建建筑和既有建筑的摇摆结构体系设计提供新的思路，也为城市更新中老旧小区加装电梯的结构功能考量提供新的理念。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的摇摆墙体平面外构造难以设计、功能无法同步的问题，提供一种装配式多向摇摆自复位筒体结构体系，通过多向摇摆节点将摇摆墙体的功能从单向拓展到多向，既充分发挥摇摆结构的摇摆性能以实现强震下的耗能和自复位能力，又能实现摇摆结构工厂加工、现场拼接的工业化建造方式，为新建建筑抗震体系和既有建筑加固改造提供了新的多向摇摆结构体系。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种装配式多向摇摆自复位筒体结构体系，包括主体结构，所述主体结构通过若干连接构件侧向连接筒体结构，所述筒体结构的中心或周边设有自复位牵拉结构，所述自复位牵拉结构的一端在筒体结构的顶部张拉并且沿筒体结构竖向垂下，另一端浇筑于其下方的现浇基础内，所述筒体结构的底部通过多向摇摆节点与现浇基础相连接。

进一步的，所述筒体结构由钢柱、钢梁、钢支撑、钢梁节点和自复位拉索组成，若干段所述钢柱之间通过钢柱节点竖向连接在一起，并且每段钢柱的两端横向设有伸出段，所述钢柱的伸出段通过钢梁节点连接横向设置的钢梁，在所述钢梁与钢柱之间通过支撑节点连接有钢支撑，所述自复位拉索作为自复位牵拉结构，其一端在钢柱的最顶部张拉并锚固。

进一步的，所述自复位拉索上设有沿其竖向均匀双向布置的耗能元件，用于耗散地震能量。

进一步的，所述钢梁节点和支撑节点为螺栓连接方式，所述钢柱节点为焊接方式，以便于工厂生产及现场拼装。

进一步的，所述多向摇摆节点由连接斜撑、加劲箱体和钢锚栓组成，所述连接斜撑的下端与加劲箱体相连接，上端与筒体结构的底部相连接，所述钢锚栓的上半部分通过相应的螺母与加劲箱体相固接，下半部分插入现浇基础的预留孔洞内。

进一步的，所述加劲箱体由竖向桁架和横向桁架组成，若干个所述竖向桁架拼接形成箱体侧面，在竖向桁架内侧横向连接有若干层横向桁架形成箱体结构，所述加劲箱体的底部边缘位置设有倒角圆弧，并在该倒角圆弧处设有橡胶垫进行保护。

进一步的，所述现浇基础的预留孔洞为倒杯形孔，使得钢锚栓的下半部分插入后与该倒杯形孔的底部杯口边缘具有一定间隙，从而让加劲箱体具有一定的转动自由度，同时提供一定的抗剪能力。

进一步的，所述连接构件包括滑动连接件和传力连接件，所述滑动连接件由两个不同直径的钢管以及垫块组成，小径钢管滑动地伸入大径钢管内侧，并且在小径钢管的外管面与大径钢管的内管面之间设置垫块，小径钢管和大径钢管分别与筒体结构和主体结构相连接，所述传力连接件以耗能连接方式连接其两端的主体结构与筒体结构。

本发明的有益效果是:

本发明结构体系能在地震来临时通过摇摆筒体结构和主体结构之间的相对变形，利用耗能元件耗散能量，并改善主体框架损伤模式；震后，结构通过自复位拉索恢复到原先状态，能够保持使用功能；体系拼接部位可采用螺栓连接，能够实现在工厂生产、在施工现场拼装，缩短了现场工期；并且具有抗震性能好、构造简单、工业化程度高、施工质量好的优点。

附图说明

图1是本发明的立面结构示意图；

图2是本发明的另一面带门立面示意图；

图3a是本发明的多向摇摆节点主视向构造示意图；

图3b是本发明的多向摇摆节点俯视向构造示意图；

图3c是本发明的多向摇摆节点中加劲箱体的主视向构造示意图；

图3d是本发明的多向摇摆节点中加劲箱体的俯视向构造示意图；

图4a是本发明的滑动连接件侧视向构造示意图；

图4b是本发明的滑动连接件轴视向构造示意图

图5是本发明的另一种实施例筒体结构构造形式。

图中标号说明：1、主体结构；2、筒体结构；21、钢柱；22、钢梁；23、钢支撑；24、钢梁节点；25、自复位拉索；3、滑动连接件；31、钢管；32、垫块；4、传力连接件；5、耗能元件；6、多向摇摆节点；61、连接斜撑；62、加劲箱体；63、钢锚栓；64、竖向桁架；65、横向桁架；66、橡胶垫；7、挡土墙；8、现浇基础。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

如图1所示，一种装配式多向摇摆自复位筒体结构体系，包括主体结构1，所述主体结构1通过若干连接构件侧向连接筒体结构2，所述筒体结构2的中心或周边设有自复位牵拉结构，本实施例中，在筒体结构2的周边设有自复位牵拉结构，所述自复位牵拉结构的一端在筒体结构2的顶部张拉并且沿筒体结构2竖向垂下，另一端浇筑于其下方的现浇基础8内，所述筒体结构1的底部通过多向摇摆节点6与现浇基础8相连接。

如图2和图5所示，所述筒体结构2由钢柱21、钢梁22、钢支撑23、钢梁节点24和自复位拉索25组成，在本实施例中，钢柱21、钢梁22和钢支撑23为h型截面或工字形截面，也可以采用其它适用的钢构件截面型式，若干段所述钢柱21之间通过钢柱节点竖向连接在一起，并且每段钢柱21的两端横向设有伸出段，所述钢柱21的伸出段通过钢梁节点24连接横向设置的钢梁22，在所述钢梁22与钢柱21之间通过支撑节点连接有钢支撑23，在图2的实施例中，钢支撑23为杆状结构，在图5的另一个实施例中，钢支撑23为网状结构，所述自复位拉索25作为自复位牵拉结构，其一端在钢柱21的最顶部张拉并锚固。

所述自复位拉索25上设有沿其竖向均匀双向布置的耗能元件5，用于耗散地震能量，在本实施例中，自复位拉索25可采用张拉预应力的高强钢绞线，也可采用形状记忆合金等具有自复位能力的金属索材。

所述钢梁节点24和支撑节点为螺栓连接方式，所述钢柱节点为焊接方式，以便于工厂生产及现场拼装。

如图3a和图3b所示，所述多向摇摆节点6由连接斜撑61、加劲箱体62和钢锚栓63组成，所述连接斜撑61的下端与加劲箱体62相连接，上端通过端板法兰与筒体结构2的底部相连接，所述钢锚栓63的上半部分通过相应的螺母与加劲箱体62相固接，下半部分插入现浇基础8的预留孔洞内。

如图3c和图3d所示，所述加劲箱体62由竖向桁架64和横向桁架65组成，若干个所述竖向桁架64拼接形成箱体侧面，在竖向桁架64内侧横向连接有若干层横向桁架65形成箱体结构，所述加劲箱体62的底部边缘位置设有倒角圆弧，并在该倒角圆弧处设有橡胶垫66进行保护。

所述现浇基础8的预留孔洞为倒杯形孔，使得钢锚栓63的下半部分插入后与该倒杯形孔的底部杯口边缘具有一定间隙，从而让加劲箱体62具有一定的转动自由度，同时提供一定的抗剪能力，在本实施例中，现浇基础8的侧面还浇筑有挡土墙7。

所述连接构件包括滑动连接件3和传力连接件4，如图4a和图4b所示，所述滑动连接件3由两个不同直径的钢管31以及垫块32组成，小径钢管31滑动地伸入大径钢管31内侧，并且在小径钢管31的外管面与大径钢管31的内管面之间设置垫块32，小径钢管31和大径钢管31分别与筒体结构2和主体结构1相连接，滑动连接件3用于设置电梯时在楼梯中间平台设置走道，所述传力连接件4以耗能连接方式连接其两端的主体结构1与筒体结构2，在本实施例中，传力连接件4的耗能连接方式可采用软钢的耗能连接，也可采用粘弹性或摩擦的耗能连接形式，其两端分别铰接在主体结构1与筒体结构2上。

本发明加工及现场拼装过程如下：

（1）根据设计和施工要求，在工厂加工筒体结构2中的钢柱21、钢梁22、钢支撑23，摇摆节点6中的连接斜撑61、加劲箱体62，其中连接斜撑61和加劲箱体62可通过螺栓或焊接连接；

（2）在结构现场浇筑挡土墙7和现浇基础8，自复位拉索25的下端及其锚具也浇筑于现浇基础8内，条件允许时，挡土墙7和现浇基础8可设计为预制构件，提高施工效率；

（3）在现场将钢柱21、钢梁22进行焊接或栓接，钢支撑23通过螺栓或焊接方式与钢梁22、钢柱21相连，形成筒体结构2；

（4）吊装筒体结构2与多向摇摆节点6，定位安装，将钢锚栓63插入现浇基础8的预留孔洞内，在主体结构1与筒体结构2之间安装简单的临时支架；

（5）随后将自复位拉索25穿过预留孔洞至钢柱21顶部，并在此张拉并锚固拉索，将滑动连接件3和传力连接件4通过焊接安装于筒体结构2和主体结构1之间；

（6）结构安装完成后，撤去主体结构1与筒体结构2之间的临时支架。

本发明原理

本发明将摇摆构件通过多向摇摆节点6拓展到多向，摇摆的筒体结构2与主体结构1结合，形成框架摇摆筒体结构体系，将筒体结构2的底部从固接变成了平面接触的多向摇摆节点6；当地震来临时，结构发生变形，摇摆的筒体结构2与主体结构1之间产生相对位移，耗能元件5耗散地震能量，由于筒体结构2的底部设置为多向摇摆节点6，筒体结构2整体摇摆，有效改善主体结构1抗震性能；地震发生后，由于自复位拉索25的存在，整体结构具有较高的恢复原先位置的能力；与此同时，大部分拼接节点可采用螺栓连接，使摇摆结构具有了预制拼装的特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。