一种用于木结构柱脚节点的可更换耗能防倒塌加固装置

1.本实用新型属于木结构建筑加固技术领域，具体涉及一种用于木结构柱脚节点的可更换耗能防倒塌加固装置。


背景技术：

2.在中国漫长的社会历史进程中，形成了独特且璀璨的中国建筑文化，营造出诸如宫殿、庙宇、民居、园林等建筑体系。但根据对现存的木结构建筑残损状况调查发现，在历经几百年甚至几千年来的社会更迭，再加上自然灾害和人为破坏等因素影响，柱脚处会产生木材的腐朽、虫蛀、开裂以及滑出础石等现象，导致结构力学性能退化，甚至出现结构倒塌，造成文物损失。因此，对木结构柱脚节点进行加固尤为重要。
3.在木结构建筑中，木柱作为将上部荷载传递到基础的重要受力构件，对木结构建筑的整体性和稳定性起着至关重要的作用。木结构柱脚通常平摆浮搁于础石之上，形成连接上部结构和台基之间的柱脚节点。在风荷载和地震反复作用下，柱脚产生滑移、摇摆等运动，运动过程中转动支点左右交替变化，会出现柱脚受压变形，柱脚边缘木材翘起等损伤。已有研究表明：当柱架侧向变形很小时，柱架产生的抗力对结构是有益的；然而，当柱架的变形转角超过了柱的宽高比时，柱架产生的抗力对结构是不利的，大的转角甚至会导致结构倒塌。因此，有必要对木结构建筑柱脚节点进行加固，使其在经历较大地震时不致发生结构性破坏。
4.目前针对于木结构建筑柱脚节点的加固方案中，存在一些问题，主要有以下几点：
5.(1)一些柱脚加固方案改变了柱脚的摩擦滑移特性，限制了柱脚滑移，不利于柱脚耗能。
6.(2)目前的柱脚加固方案难以实现木柱抗倒塌设计。
7.(3)部分柱脚节点加固装置，工序复杂，且不具备可更换性。


技术实现要素：

8.为解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种用于木结构柱脚节点的可更换耗能防倒塌加固装置，提高柱摇摆引起的恢复力和柱的抗倾覆能力，防止木结构倒塌，增强柱脚滑移时的耗能能力，保证结构的稳定性和安全性，提高结构的抗震性能。
9.本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的：
10.本实用新型给出了一种用于木结构柱脚节点的可更换耗能防倒塌加固装置，包括由内到外依次固定于木柱周围的橡胶层、橡胶层固定圆筒和环形弹簧阻尼器，环形弹簧阻尼器固定在装置底座上，装置底座通过环形铁箍箍紧。
11.作为优选的方案，所述橡胶层包括两块半环形顺丁橡胶，通过橡胶层固定圆筒箍紧。
12.作为优选的方案，橡胶层固定圆筒为两块半圆弧形钢板，通过螺栓穿过耳板与两
块半环形顺丁橡胶接缝交错90
°
将其箍紧。橡胶层密实填充在木柱与装置底座之间以及木柱与橡胶层固定圆筒之间，木柱与橡胶层之间的挤压变形增强了柱脚的耗能能力，同时橡胶层能够防止柱脚节点发生腐朽与虫蛀等损伤。
13.作为优选的方案，所述环形弹簧阻尼器包括8块弹簧阻尼单体，弹簧阻尼单体包括相互对接的固定箱体和滑动箱体，固定箱体焊接在固定底板上。
14.作为优选的方案，所述固定箱体和滑动箱体为空腔，固定箱体内设有弹簧，弹簧伸入滑动箱体中将固定箱体和滑动箱体连接。弹簧初始处于完全松弛状态，不同柱脚节点可以选用不同刚度的弹簧。
15.作为优选的方案，所述固定底板为扇形结构，底板上设有螺栓孔，通过膨胀螺栓牢固固定在装置底座上。
16.作为优选的方案，所述橡胶层和橡胶层固定圆筒的高度高于环形弹簧阻尼器的高度。
17.作为优选的方案，所述装置底座由两块半环形预制混凝土板组成，并通过两道环形铁箍将其箍紧。
18.作为优选的方案，所述橡胶层固定圆筒、环形弹簧阻尼器和环形铁箍采用q345钢材。
19.相对于现有技术，本实用新型通过在础石上部设置装置底座增大柱底截面，提高柱摇摆引起的恢复力和柱的抗倾覆能力；通过装置底座与础石之间较大的摩擦力防止柱脚滑出础石，从而防止木结构倒塌。通过设置在木柱周围橡胶层的挤压变形，增强柱脚滑移时的耗能能力，同时环形弹簧阻尼器作为减震耗能的第二道防线，通过弹簧在固定箱体内伸缩变形耗散能量，进一步增强木柱滑移时的耗能能力。因此本加固装置既不改变木结构柱脚节点的滑移特性，提高其耗能能力，又能防止柱脚滑出础石，增强木柱的抗倾覆能力，保证结构的稳定性和安全性，避免结构倒塌，从而提高结构的抗震性能。
20.本实用新型具有以下优点：
21.1.该加固装置构造简单，原理明确，安装方便。
22.2.该加固装置具有可更换性，在小震作用下，装置基本不损坏，震后可以继续使用，大震或长时间作用后，装置如果出现老化等问题可以迅速更换。
23.3.该装置对木柱无损坏，并且橡胶层包裹在木柱柱脚周围，有利于防止木材腐朽、虫蛀和开裂。
24.4.该加固装置通过设置底座增大柱底截面，提高了柱摇摆引起的恢复力和柱的抗倾覆能力。
25.5.该加固装置通过设置橡胶层和环形弹簧阻尼器两道减震耗能防线，利用橡胶层的挤压变形和弹簧的伸缩变形耗散能量，增强了耗能能力。
26.6.该加固装置并未改变柱脚滑移特性，柱脚周围的橡胶层具有超弹性，能够发生较大变形，因此并不限制柱脚滑移，且橡胶层较大的挤压变形可以消耗地震能量。
27.7.该加固装置具有防止木柱倒塌功能，加固装置位于础石之上，两者之间具有较大的摩擦力，在强震作用下，可以保证柱脚不会滑出础石，从而保证结构不会发生倒塌，增强了结构的整体稳定性和安全性。
附图说明
28.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：
29.图1为本实用新型的实施例的加固装置图；
30.图2为本实用新型的实施例的橡胶层图；
31.图3为本实用新型的实施例的橡胶层固定圆筒图；
32.图4为本实用新型的实施例的弹簧阻尼单体图；
33.图5为本实用新型的实施例的装置底座图；
34.图6为本实用新型的实施例的环形铁箍图；
35.图中各标号含义：1-木柱，2-橡胶层，3-橡胶层固定圆筒，3-1-半圆弧形钢板，3-2-耳板，3-3-螺栓，4-环形弹簧阻尼器，4-1-固定底板，4-2-固定箱体，4-3-弹簧，4-4-滑动箱体，5-装置底座，6-环形铁箍，6-1-钢带，6-2-铁箍耳板，6-3-铁箍螺栓。
具体实施方式
36.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
37.图1示出了本实用新型的一种用于木结构柱脚节点的可更换耗能防倒塌加固装置，包括由内到外依次固定于木柱1周围的橡胶层2、橡胶层固定圆筒3和环形弹簧阻尼器4，环形弹簧阻尼器4固定在装置底座5上，装置底座5通过环形铁箍6箍紧。
38.其中，木柱1直径为350mm-450mm。在础石上部且距离木柱1柱脚外围30mm-40mm处放置装置底座5，由两块半环形预制混凝土板组成，材料为c25或c30混凝土，高度为100mm-150mm，环宽为800mm-1000mm，装置底座5上设有螺栓孔，螺栓孔直径为10mm-16mm，通过设置两道环形铁箍6将装置底座5箍紧。在一个实施例中，木柱1直径为400mm，在础石上部且距离木柱1柱脚外围40mm处放置装置底座5，材料为c25混凝土，高度为100mm，环宽为800mm，装置底座5上的螺栓孔直径为14mm。
39.图2示出了本实用新型的实施例的橡胶层图，由两块半环形顺丁橡胶组成，橡胶层2包裹在木柱1柱脚周围。
40.图3示出了本实用新型的实施例的橡胶层固定圆筒图，由两块半圆弧形钢板3-1组成，半圆弧形钢板3-1两侧分别设有耳板3-2，耳板上设有螺栓孔，两块半圆弧形钢板3-1通过螺栓3-3穿过耳板3-2与两块半环形顺丁橡胶接缝交错90
°
将其箍紧。橡胶层2和橡胶层固定圆筒3的高度高于环形弹簧阻尼器4的高度。
41.其中，在装置底座5的上部且距木柱1外围30mm-40mm处放置橡胶层固定圆筒3，包括两块半圆弧形钢板3-1，并在其两侧焊接耳板3-2，耳板上设有螺栓孔，通过螺栓3-3连接成一体。半圆弧形钢板3-1材料为q345或q390钢材，高度为300mm-400mm，厚度为4mm-10mm，耳板3-2为方形钢板，材料为q345或q390钢材，边长为12mm-20mm，厚度为4mm-10mm，螺栓孔直径为6mm-10mm。在木柱1与装置底座5之间以及木柱1与橡胶层固定圆筒3之间密实填充橡胶层2。在一个实施例中，在装置底座5的上部且距木柱1外围40mm处放置橡胶层固定圆筒3，半圆弧形钢板3-1材料为q345钢材，高度为400mm，厚度为10mm，耳板3-2材料为q345钢材，尺寸为20mm
×
20mm
×
10mm，螺栓孔直径为8mm，螺栓3-3型号为m8，橡胶层2采用顺丁橡胶。
42.图4示出了本实用新型的实施例的弹簧阻尼单体图，8个弹簧阻尼单体组成环形弹簧阻尼器4，弹簧阻尼单体包括固定底板4-1、设置在固定底板上的固定箱体4-2、连接在固定箱体中的弹簧4-3以及扣合在固定箱体中的滑动箱体4-4。固定箱体4-2和滑动箱体4-4为空腔，固定箱体4-2内设有弹簧4-3，弹簧4-3伸入滑动箱体4-4中将固定箱体4-2和滑动箱体4-4连接。固定底板4-1为扇形结构，底板上设有螺栓孔，通过膨胀螺栓固定在装置底座5上。
43.其中，固定底板4-1、固定箱体4-2和滑动箱体4-4所采用钢板为q345或q390钢材，厚度为4mm-10mm。在距离橡胶层固定圆筒3外围200mm-250mm处放置固定底板4-1，固定底板为扇形结构，扇宽为400mm-450mm，底板上设有螺栓孔，螺栓孔直径为10mm-16mm，通过膨胀螺栓将其固定在装置底座5上；固定箱体4-2的上钢板和下钢板为相同的扇形钢板，扇宽为300mm-350mm，左钢板和右钢板为相同的矩形钢板，长度为300mm-350mm，宽度为150mm-200mm，后钢板为弧形钢板，宽度为170mm-220mm，固定箱体4-2通过焊接方式连接在固定底板4-1上；滑动箱体4-4的上钢板和下钢板为相同的扇形钢板，扇宽为250mm-300mm，左钢板和右钢板为相同的矩形钢板，长度为200mm-300mm，宽度为150mm-200mm，前钢板为弧形钢板，宽度为170mm-220mm，与橡胶层固定圆筒3的外侧紧密贴合，滑动箱体4-4扣合在固定箱体4-2中；弹簧4-3一端点焊在固定箱体4-2中，另一端点焊在滑动箱体4-4中，根据不同的柱脚节点选用不同刚度的弹簧。在一个实施例中，固定底板4-1、固定箱体4-2和滑动箱体4-4所用钢板为q345钢材，厚度为10mm。在距离橡胶层固定圆筒3外围250mm处放置固定底板4-1，扇宽为450mm，螺栓孔直径为14mm，膨胀螺栓型号为m10。固定箱体4-2的上钢板和下钢板扇宽为350mm，左钢板和右钢板长度为350mm，宽度为200mm，后钢板宽度为220mm。滑动箱体4-4的上钢板和下钢板为宽度为300mm，左钢板和右钢板长度为300mm，宽度为200mm，前钢板宽度为220mm。
44.图5示出了本实用新型的实施例的装置底座图，由两块半环形预制混凝土板组成，位于础石之上。
45.图6示出了本实用新型的实施例的环形铁箍图，钢带6-1的两端设有铁箍耳板6-2，耳板上设有螺栓孔，通过铁箍螺栓6-3将装置底座5箍紧。环形铁箍有两道。
46.其中，钢带6-1材料为q345或q390钢材，长度根据圆形装置底座5的周长来确定，宽度为12mm-20mm，厚度为2mm-5mm，铁箍耳板6-2为方形钢板，材料为q345或q390钢材，边长为12mm-20mm，厚度为4mm-10mm，螺栓孔直径为6mm-10mm。在一个实施例中，钢带6-1材料为q345钢材，宽度为20mm，厚度为3mm，铁箍耳板6-2材料为q345钢材，尺寸为20mm
×
20mm
×
6mm，螺栓孔直径为10mm，铁箍螺栓6-3型号为m10。
47.本实用新型一种用于木结构柱脚节点的可更换耗能防倒塌加固装置连接方法，包括如下步骤：
48.步骤1：将橡胶层包裹在木柱柱脚周围，并在橡胶层的上表面刷防腐涂料，防止橡胶层在空气中老化。
49.步骤2：将由两块半环形混凝土板组成的装置底座设置在橡胶层的外围，并通过两道环形铁箍将其箍紧，装置底座位于础石之上。
50.步骤3：将由两块半圆弧形钢板组成的橡胶层固定圆筒包裹在橡胶层的外围，通过螺栓连接固定。
51.步骤4：将由上钢板、下钢板、左钢板、右钢板和后钢板组成的固定箱体焊接成整
体，并将固定箱体焊接在固定底板上。
52.步骤5：将弹簧一端点焊在固定箱体里，且弹簧初始处于完全松弛状态。
53.步骤6：将由上钢板、下钢板、左钢板、右钢板和前钢板组成的滑动箱体也焊接成整体，将弹簧另一端点焊在滑动箱体里，滑动箱体扣合在固定箱体中。
54.步骤7：将固定底板、固定箱体、弹簧和滑动箱体拼成一个弹簧阻尼单体，通过固定底板上的螺栓孔用膨胀螺栓固定在装置底座上，并且滑动箱体的前钢板与橡胶层固定圆筒的外侧紧密贴合。
55.本实用新型的工作原理是：通过在础石上部设置装置底座增大柱底截面，提高柱摇摆引起的恢复力和柱的抗倾覆能力；通过装置底座与础石之间较大的摩擦力防止柱脚滑出础石，从而防止木结构倒塌。通过设置在木柱周围橡胶层的挤压变形，增强柱脚滑移时的耗能能力，同时环形弹簧阻尼器作为减震耗能的第二道防线，通过弹簧在固定箱体内伸缩变形耗散能量，进一步增强木柱滑移时的耗能能力。
56.以上所述，仅为本实用新型专利较佳的具体实施方式，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型专利的保护范围之内。