一种构件端部具有榫卯构造的装配摩擦型全息式耗能减振结构

本发明涉及一种构件端部具有榫卯构造的装配摩擦型全息式耗能减振结构，通过全息式子结构率先耗能、利用装配式榫卯结构连接件的摩擦变形及弯曲耗能进一步实现减振，最终显著提升多维地震作用或强风下结构抗振减振性能，保证结构整体稳定与安全，属于土木工程的装配式建筑技术及结构防灾减灾领域。

背景技术：

1、目前抗震设施多以布设梁柱构件、砌体墙或剪力墙为主，其作用主要在于提供结构抗侧移能力同时通过墙体隔断对建筑空间进行划分。但由于传统抗震构件多以钢筋混凝土材料制备，在地震作用下易产生集中破坏及耗能不充分等情况，同时混凝土结构延性较差，柱端及墙体底部破坏造成刚度退化，总体抗震效果及耗能情况较之预期效果不佳，且传统钢筋混凝土剪力墙多以现浇混凝土施工工艺为主，易受环境影响，增加施工难度及人工、材料等成本的提高。如果采用附加阻尼器或耗能装置的方式进行减震，其成本较高、与结构设计不够统一协调且安装空间常常会影响正常使用。综上所述，现代土木基建领域亟需寻求一种更为行之有效的抗震减震方案。

2、传统木结构历经千年而不毁，多次遭受地震而不倒塌，主要原因在于其多采用榫卯结构为主，木结构构件之间节点以榫卯相吻合，构成极富弹性的框架，不但可以承受较大的荷载，而且允许结构产生一定的变形，在地震作用下，通过木材本身变形抵消一定地震能量，减小结构本身地震响应。同时榫卯结构通过木材开凿榫头及卯眼凹凸连接，构件之间无需一钉一锚，构件之间可产生相对位移，加之木结构本身摩擦性较大，在地震作用下亦可通过摩擦损耗能量，从而降低地震对结构整体的损伤，保证结构历经千年而不倒。相关构造和体系对现代钢混结构减震具有良好的启发价值。

3、此外，值得指出的是：强柱弱梁设计原则是目前我国框架结构抗震设防设计的主要原则，但实际的框架梁板柱是刚性连接，由于楼板及墙体作用，框架梁刚度被放大，造成强梁弱柱，在遭受地震作用时，柱体通常相对较为薄弱，极易率先出现塑性铰甚至损坏，造成建筑物过早倒塌，对人民财产安全以及后期救援维修造成巨大灾害。

4、通过对目前强柱弱梁原则和目标难以实现的瓶颈问题进行分析，可知：如果没有楼板和墙体的作用，即当结构体系类似空框架时，强柱弱梁的实现则较为容易。有鉴于此，若在已有的结构体系中置放与框架结构类似但尺寸比例更小的无楼板和墙体的子结构，则相关的子结构在地震作用下可以实现强柱弱梁并利用自身的梁端耗能能力率先消耗地震能量，降低主体结构的动力响应，从而能够保护主体结构的安全。子结构与主结构在组成和形状方面有诸多类似之处，形成一种嵌套式的系统。在物理学研究中，全息理论认为在具有全息特征的系统具有如下的特性：部分与整体之间的联系密切而又类似，部分是整体的缩影规律。参照全息理论，上述系统是符合相关要求和特征的，即结构整体可以被称为全息式结构。

5、借助以上剖析和思路，本发明提出了一种构件端部具有榫卯构造的装配摩擦型全息式耗能减振结构，该体系主要由主体框架及嵌套在其中的全息式子框架共同组成，且建筑主体及全息式子结构框架均为预埋榫卯形式连接件的装配式预制件，梁柱构件均由工厂预制加工生产，施工便捷，节约成本，质量可控。本发明中，预制框架梁板柱由预制梁柱节点连接件、梁端部榫卯连接件及板梁连接榫卯装配搭接，模块化便捷安装同时增强梁端摩擦变形及弯曲耗能。全息子结构预制梁柱通过子结构预制梁柱节点连接件装配搭接，子结构梁通过梁间连接件同主体预制梁中段连接，在建筑结构体系承受外界多维激励作用下，子结构率先耗能，减少激励作用对主体结构的破坏，保障在多维激励作用下，主体建筑结构体系整体性与安全性，为后期救援及体系维修提供保障。

技术实现思路

1、为了改善建筑结构主体在地震多维作用下柱体受力大，易损伤，现有钢筋混凝土抗震剪力墙施工难度大、造价高，不能充分发挥材料性能，地震作用下耗能低、易损坏、延性不足等缺陷，提出了一种构件端部具有榫卯构造的装配摩擦型全息式耗能减振结构，该体系主要由建筑主体框架及全息式子框架共同组成，且建筑主体及全息式子结构框架均为预埋榫卯形式连接件的装配式预制构件，梁柱构件均由工厂预制加工生产，施工便捷，节约成本，质量可控，具有良好的延性同时具有较强的摩擦耗能及弯曲耗能性能，满足地震作用下建筑整体的稳定性与安全性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种构件端部具有榫卯构造的装配摩擦型全息式耗能减振结构，包括预制柱1、预制梁2、全息式子结构a、预制板5，其特征在于：所述框架柱1和框架梁2通过榫卯节点b装配搭接组成主体框架，预制板5通过板梁连接件同预制梁连接；所述全息式子结构a为主体结构附属双层框架结构，包括子结构预制柱3、子结构预制梁4，真正意义上实现强柱弱梁设计，充分发挥全息式子结构率先耗能及柱体稳定性优势，所述全息式子结构a内嵌于主体框架上，子结构预制柱3两侧与主体结构预制柱1间距相同，所述子结构预制梁4的顶部与主体结构预制梁1底部贴合，通过连接件固定连接。作为柱体结构微投影子结构，全息式子结构内嵌于主体结构但相较于主体结构而言，全息式子结构梁柱相对薄弱，实现在外部激励作用下，主体结构将激振力传至全息式子结构，全息式子结构通过梁端的摩擦和弯曲变形率先耗能，从而减少激振力对主体结构的影响。

4、全息式子结构a还包括子结构预制梁梁端榫头7和螺栓孔8，其特征在于：所述全息式子结构a由两组子结构预制柱3和子结构预制梁4通过子结构预制梁柱榫卯节点c及子结构预制梁梁端榫头7装配搭接而成的双层微型框架体系；为保障全息子结构梁充分弯曲变形耗能，所述全息子结构预制梁4与子结构预制柱3尺寸比例介于1.5～2之间，且子结构预制梁4跨度不少于主体结构预制梁2跨度的2/3。所述子结构预制梁梁端榫头7通过榫卯结构形式与子结构预制柱3柱端榫头卯眼搭接，顶层子结构预制梁梁端榫头7增设与柱端连接件对应螺栓孔8，其直径不小于20mm，另一侧通过十字花直榫头与子结构预制梁4中段连接，实现梁端摩擦及弯曲耗能。

5、榫卯节点b还包括预制梁梁端榫头6、预制柱连接件榫头9、预制柱连接件卯眼10、预制梁山面榫头11、预制梁檐面榫头12、预制梁梁端卯眼13和摩擦层14，其特征在于：所述预制梁山面榫头11、预制梁檐面榫头12垂直搭接，内嵌于预制柱连接件卯眼10中，预制柱连接件榫头9竖直插入预制柱连接件卯眼10，且与预制梁山面榫头9贴合；所述预制梁梁端榫头6为十字花直榫头，与预制梁山面榫头9及预制梁檐面榫头10焊接；所述预制梁梁端卯眼13与预制梁梁端榫头6插入式相连，接触面涂抹摩擦层14，且摩擦层厚度不少于3mm,从而实现预制梁梁端摩擦及弯曲耗能作用。

6、子结构预制梁柱榫卯节点c包括子结构预制柱3、子结构预制梁4、子结构预制梁梁端榫头7、摩擦层14、子结构预制柱榫头15、子结构预制柱卯眼16、子结构预制梁榫头17、子结构预制梁梁端卯眼18，其特征在于：子结构预制梁榫头17垂直嵌入子结构预制柱卯眼16与其中部凸出榫头相扣，子结构预制柱榫头15竖直插入子结构预制柱卯眼16，且与子结构预制梁榫头17贴合；所述子结构预制梁梁端榫头7为十字花直榫头，与子结构预制梁榫头17焊接，表面预涂不少于3mm厚摩擦层；所述子结构预制梁梁端卯眼18与子结构预制梁梁端榫头7插入式相连，实现全息子结构预制梁梁端摩擦及弯曲耗能作用。

7、梁间连接件20为高强度工字形钢、钢板及悬挂耳板组成，其特征在于：所用钢材为屈服强度不低于350mpa的高强度钢，所述工字形钢外围尺寸距梁边间距介于20mm～60mm，工字形钢板设有纵筋预留孔，直径根据梁体设计钢筋调整；所述钢板顺梁方向尺寸不低于200mm，垂直于梁向尺寸不低于梁宽2/3；所述悬挂耳板厚度不少于钢板宽度1/5，且耳板间距与耳板厚度保持一致，耳板中部设螺栓孔8，其直径不小于20mm。

8、板梁连接榫卯构造包括楼板连接榫头21、楼板连接卯眼22，其特征在于：所述楼板连接榫头22与预制楼板5共同浇筑，榫头延伸长度不少于梁宽一半，榫头厚度与楼板一致，内部布设钢筋与板筋绑扎；所述楼板连接卯眼22尺寸与榫头尺寸保持一致。

9、预制柱连接件包括预制柱连接件榫头9、预制柱连接件卯眼10、纵筋预留孔19、预制柱连接件底板23、预制柱连接件腹板24、预制柱连接件顶板25，其特征在于：所述预制柱连接件榫头9、预制柱连接件卯眼10与预制柱连接件底板23、预制柱连接件腹板24、预制柱连接件顶板25均为屈服强度不低于350mpa的高强度钢材制作，且焊接为整体；所述预制柱连接件底板23、预制柱连接件顶板25厚度均不小于100mm，宽度与预制柱宽度相差40mm～80mm，预制柱连接件底板设有纵筋预留孔19，其开孔直径可根据预制柱设计钢筋灵活定义；所述预制柱连接件腹板24宽度不少于所述底板宽度1/3，且高度不少于350mm，腹板设有箍筋预留孔26，开孔直径可依据预制柱设计钢筋灵活定义；所述预制柱连接件卯眼10开口宽度不低于预制柱宽度的1/3，且与预制梁山面榫头宽度保持一致，高度不低于500mm，且与预制梁山面榫头及预制柱榫头高度之和一致，从而保证连接件榫卯搭接严丝合缝；所述预制柱连接件浇筑时，混凝土柱顶面同连接件顶板平齐，预制柱纵筋穿过连接件底板纵筋预留孔19，箍筋通过连接件腹板箍筋预留孔26，浇筑后养护成型。

10、预制梁连接件包括预制梁梁端榫头6、预制梁山面榫头11、预制梁檐面榫头12、摩擦层14，其特征在于：所述山面榫头11、檐面榫头12均与预制梁梁端榫头6焊接，其宽度与预制柱连接件卯眼10开孔一致，延伸长度与预制柱连接件卯眼10长度一致，中部开口距离不小于延伸长度的1/3；所述预制梁梁端榫头6为一体成型钢构件，焊接板厚度不低于100mm，宽度与预制梁2宽度一致，十字花榫头外沿宽度与预制梁2尺寸相差介于30mm～50mm之间，延伸长度不少于500mm，十字花榫头外表面预涂摩擦层，厚度不少于3mm。

11、子结构预制柱连接件包括子结构预制柱榫头15、子结构预制柱卯眼16、纵筋预留孔19、箍筋预留孔26、子结构预制柱连接件底板27、子结构预制柱连接件腹板28、子结构预制柱连接件顶板29，其特征在于：所述子结构预制柱榫头15、子结构预制柱卯眼16、与子结构预制柱连接件底板27、子结构预制柱连接件腹板28、子结构预制柱连接件顶板29均为屈服强度不低于350mpa的高强度钢材制作，且焊接为整体；所述子结构预制柱连接件底板27、子结构预制柱连接件顶板29厚度均不小于100mm，宽度与子结构预制柱宽度相差20mm～40mm，子结构预制柱连接件底板设有纵筋预留孔19，其开孔直径可根据子结构预制柱设计钢筋灵活定义；所述子结构预制柱连接件腹板28宽度不少于所述底板宽度1/3，且高度不少于200mm，腹板设有箍筋预留孔26，开孔直径可依据子结构预制柱设计钢筋灵活定义；所述子结构预制柱卯眼16开口宽度及中心凸出榫头宽度不低于子结构预制柱宽度的1/3，且与子结构预制梁榫头宽度保持一致，高度不低于500mm，且与子结构预制梁榫头及子结构预制柱榫头高度之和一致，从而保证连接件榫卯搭接严丝合缝；所述子结构预制柱连接件浇筑时，混凝土柱顶面同连接件顶板平齐，子结构预制柱纵筋穿过连接件底板纵筋预留孔19，箍筋通过连接件腹板箍筋预留孔26，浇筑后养护成型。

12、子结构预制梁连接件包括子结构预制梁梁端榫头7、摩擦层14、子结构预制梁榫头17，其特征在于：所述子结构预制梁梁端榫头7与子结构预制梁榫头17焊接为整体，其宽度与子结构预制柱连接件卯眼16开口宽度一致，延伸长度与子结构预制柱连接件宽度一致，中部开口距离不小于延伸长度的1/3，且与子结构预制柱连接件卯眼中心凸出榫头一致；所述子结构预制梁梁端榫头17为一体成型钢构件，焊接板厚度不低于100mm，宽度与子结构预制梁4宽度一致，十字花榫头外沿宽度与子结构预制梁4尺寸相差介于15mm～30mm之间，延伸长度不少于300mm，十字花榫头外表面预涂摩擦层，厚度不少于3mm。

13、所述预制柱1、预制梁2、子结构预制柱3、子结构预制梁4、预制板5均为钢筋混凝土预制构件，其特征在于：混凝土等级不低于c30，柱体保护层厚度不少于30mm，梁体保护层厚度不少于25mm，预制楼板保护层厚度不少于15mm，构件所用纵筋等级不低于hpb300，箍筋等级不低于hrb335。

14、所述螺栓为高强度预紧螺栓，其特征在于：高强度预紧螺栓所用钢材屈服强度不低于350mpa，螺栓杆直径不少于20mm，对应所述螺栓预留孔8直径不低于高强度预紧螺栓直径。

15、摩擦层14为预涂防滑增摩涂料层，其特征在于：所述摩擦层14材质可选择黄铜、铝合金等金属涂料或选用二硫化钼、聚氨酯等化合物涂料，选用材料摩擦系数不低于0.15，且涂抹厚度不少于3mm。

16、与现有技术相比，本发明的有点如下：

17、1与传统钢筋混凝土框架剪力墙形式相比，一种全息式构件端部榫卯构造的装配摩擦组合式耗能建筑结构主体框架内置全息式子结构微型框架，实现真正意义上的强柱弱梁设计原则，在地震多维作用影响下，全息式子结构微型框架率先耗能，大幅度减少地震响应对主体框架的危害，保证主体结构整体稳定性。

18、2与传统钢筋混凝土框架相比，一种全息式构件端部榫卯构造的装配摩擦组合式耗能建筑结构主体框架及全息式微型子框架梁端均为现代榫插入式连接，榫头卯眼接触面均涂摩擦层，在结构承受多维地震激励作用时，梁体端部连接处发生微小变形及位移，在竖向荷载作用时，现代直榫亦可弯曲耗能，大程度上减少激励作用对柱体的破坏，从而保障结构整体稳定性。

19、3与传统装配式构件相比，一种全息式构件端部榫卯构造的装配摩擦组合式耗能建筑结构构件均为工厂预制构件，节点均采用高强度钢连接件连接，尺寸可控，安装简便，大幅度减少人力物力资源。采用高强度钢材榫卯结构搭接，在保证节点强度的同时实现快速安装，同时后期维修简单易操作。