一种用于地下结构预制错缝拼装节段分体柱的制作方法

本发明涉及地下结构工程的建设领域，尤其是涉及一种用于地下结构预制错缝拼装节段分体柱，属于预制装配式地铁车站抗震技术领域。

背景技术

近年来，随着世界各国城市化进程的不断推进，国内外学者逐渐意识到开发利用地下空间将成为重要的发展方向。地下结构在城市建设、交通运输、国防工程、水利工程等各个领域得到了越来越广泛的应用，如铁路隧道，地铁工程，地下商场，防空工程等。实践表明，21世纪是地下空间开发利用的世纪，而且目前地下空间的开发和地下结构的建设已经在世界范围内进入了快速发展的高峰期。

对于城市交通领域，以地铁工程为骨干的大运量快速公共交通系统在解决城市交通运输问题上发挥着不可或缺的作用。虽然地下工程的发展日益蓬勃，但是地下工程也面临着挑战——地震的作用。特别是1995年7.2级日本阪神地震中，神户市内地下结构发生了有史以来最严重的破坏，地铁、地下停车场、地下隧道和地下商业街等大量地下工程均发生严重破坏。最引人注意的是地铁车站的破坏，地震中共有5个地铁车站和约3km的地铁区间隧道发生破坏，其中大开地铁车站的破坏最为严重，一半以上的中柱完全坍塌，导致顶板坍塌破坏和上覆土层的沉降，最大沉降量达2.5m之多。相关研究表明竖向地震动有可能是引起地下结构破坏的关键因素，特别是，对于浅埋地下结构情况，上覆土体可能在地震作用初始阶段发生剪切破坏，此时，它与地下结构周围的其它土体已不是一个连续的整体，在后续的地震反应中，它的作用仅是堆积到地下结构顶板上与周围土体发生弱连接的堆积土(类似于回填土体情况)效应，对地下结构的约束作用和地震反应影响也完全不同于连续土体对应的情况。上覆土体竖向惯性力作用对地下结构的关键支撑构件的竖向受力评价会产生极大影响，实际上是改变了支撑柱的轴压比，从而改变了支撑柱的抗剪切强度和变形性能。对地下结构地震反应受力而言，支撑柱的抗剪切强度提高而极限变形能力降低是不利的，这意味着支撑柱将分担更多的由于土层变形而作用在地下结构上的水平向剪力，同时，其极限变形能力的降低使得它可能先于侧墙遭到破坏，进而导致顶板以及地下结构体系的整体毁坏。

本发明基于地下结构的震害特点以及地下结构的破坏机理，提出一种用于地下结构预制错缝拼装节段分体柱，用于替代传统地下结构中的普通现浇钢筋混凝土柱。正常使用状态下，预应力钢束将节段钢筋混凝土柱整体串联，并锚固于顶底梁中，保证其正常使用功能。地震作用下地下结构上覆土体易出现剪切破坏，在其自重及附加竖向惯性力作用下，地下结构需承受较大的竖向荷载作用。采用上述预制错缝拼装节段分体柱取代传统现浇整体钢筋混凝土柱，克服了传统钢筋混凝土柱在高轴压作用下水平变形能力不足的缺陷。各节段柱在橡胶垫层处自由张开闭合，预制错缝拼装节段分体柱的横缝和竖缝都在一定程度上增大了中柱的变形能力，同时横缝的相互错开有利于构件的抗剪切能力。

技术实现要素：

本发明公开一种用于地下结构预制错缝拼装节段分体柱，该分体柱在地震作用下能提供较大的竖向抗压能力和水平抗剪能力，同时也提高高轴压作用下分体柱的侧向变形能力，从而减轻地下结构的地震灾害。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于地下结构预制错缝拼装节段分体柱，该分体柱由长节段预制钢筋混凝土柱、短节段预制钢筋混凝土柱、柱端橡胶垫层、柱间橡胶垫层以及预应力钢绞线组成；所述长节段预制钢筋混凝土柱沿高度方向依次叠放并在一端放置一个所述短节段预制钢筋混凝土柱形成一个分体柱子单元；四个分体柱子单元以两行两列的方式组合为整体，分体柱子单元间预留间隙；所述柱端橡胶垫层设置于分体柱子单元的两个端部，并分别与顶底梁相接；所述柱间橡胶垫层设置于分体柱子单元的中部，并将各节段预制钢筋混凝土柱相隔开，两个相邻分体柱子单元中节段预制钢筋混凝土柱间的横向缝隙相互错开；所述预应力钢绞线将分体柱子单元中的所述长节段预制钢筋混凝土柱、所述短节段预制钢筋混凝土柱、所述柱端橡胶垫层和所述柱间橡胶垫层整体串联，并锚固于顶底梁中。

进一步地，所述长节段预制钢筋混凝土柱和所述短节段预制钢筋混凝土柱为相同截面的方形截面预制钢筋混凝土柱，中部预留竖向贯通圆孔，其按相应尺寸在钢筋混凝土构件加工厂预制，并运输至现场进行拼装。

进一步地，所述柱端橡胶垫层由十字型截面橡胶隔挡和方形截面橡胶隔挡制成。十字型截面橡胶隔挡用以分隔四个分体柱子单元，方形截面橡胶隔挡用以分隔分体柱子单元与顶底梁。

进一步地，所述柱间橡胶垫层由三个方形截面橡胶隔挡制成。水平方向橡胶隔挡用以分隔同一分体柱子单元中底面相邻的长节段预制钢筋混凝土柱和长节段预制钢筋混凝土柱，或相邻的长节段预制钢筋混凝土柱和短长节段预制钢筋混凝土柱；垂直方向橡胶隔挡用以分隔相邻分体柱子单元中侧面相邻的长节段预制钢筋混凝土柱和长节段预制钢筋混凝土柱，或侧面相邻的长节段预制钢筋混凝土柱和短长节段预制钢筋混凝土柱。

进一步地，所述预应力钢绞线在顶底梁中交叉锚固，串联左侧分体柱子单元的预应力钢绞线在顶底梁的右侧进行锚固，串联右侧分体柱子单元的预应力钢绞线在顶底梁的左侧进行锚固。

本发明的工作机理是：上述用于地下结构预制错缝拼装节段分体柱通过预应力钢绞线串联，并锚固于顶底梁中，可代替普通现浇钢筋混凝土柱。正常使用状态下，由于预应力钢绞线中存在的预应力，节段分体柱形成可靠的整体，以保证分体柱的正常使用。当地震作用时，节段分体柱中的竖向橡胶垫层将整体柱分隔成4个分体柱子单元，同时节段分体柱中的横向橡胶垫层将各个分体柱子单元中的节段钢筋混凝土柱分隔开，这两种橡胶垫层都在一定程度上增大了分体柱的水平变形能力。地下结构采用预制错缝拼装节段分体柱能承受和传统现浇整体钢筋混凝土柱相近的竖向荷载和水平荷载，同时橡胶垫层可为高轴压作用下的预制节段分体柱提供较大的侧向变形能力，从而保证了地震中地下结构关键构件中柱的安全性能，大大减轻地下结构在地震中可能出现的破坏。

本发明的优点在于：通过预应力钢绞线将各个预制节段钢筋混凝土柱整体串联并锚固于结构的顶底梁中，保证了节段分体柱在正常使用状态下的工作性能。地震作用下节段分体柱中的横向橡胶垫层和竖向橡胶垫层都可以增大分体柱的侧向变形能力，同时相邻分体柱子单元的横向缝彼此错开，有利于构件的整体抗剪切能力。地下结构预制错缝拼装节段分体柱在承受较大竖向和水平荷载的同时，又具有较有较高的侧向变形能力，从而保证了地震中地下结构关键构件中柱的安全性能，大大减轻地下结构在地震中可能出现的破坏。本发明概念清晰，原理明确，易于生产，可在地下结构工程中推广应用。

附图说明

图1为预制错缝拼装节段分体柱正视图。

图2为预制错缝拼装节段分体柱侧视图。

图3为长节段预制钢筋混凝土柱三维图。

图4为短节段预制钢筋混凝土柱三维图。

图5为节段预制钢筋混凝土柱横截面图。

图6为柱端橡胶垫层三维图。

图7为柱间橡胶垫层三维图。

图8为分体柱子单元端部短节段预制钢筋混凝土柱三维图。

图9为分体柱子单元端部长节段预制钢筋混凝土柱三维图。

图10为分体柱子单元中部长节段预制钢筋混凝土柱三维图。

图11为节段分体柱错缝安装三维图。

图12为分体柱子单元安装三维图。

图13为预制错缝拼装节段分体柱在地下结构中的一种应用。

图中：1、长节段预制钢筋混凝土柱，2、短节段预制钢筋混凝土柱，3、柱端橡胶垫层，4、柱间橡胶垫层，5、预应力钢绞线。

具体实施方式

如图1-13所示，一种用于地下结构预制错缝拼装节段分体柱，该分体柱由长节段预制钢筋混凝土柱(1)、短节段预制钢筋混凝土柱(2)、柱端橡胶垫层(3)、柱间橡胶垫层(4)以及预应力钢绞线(5)组成；所述长节段预制钢筋混凝土柱(1)沿高度方向依次叠放并在一段放置一个所述短节段预制钢筋混凝土柱(2)形成一个分体柱子单元；四个分体柱子单元以两行两列的方式组合为整体，分体柱子单元间预留间隙；所述柱端橡胶垫层(3)设置于分体柱子单元的两个端部，并分别与顶底梁相接；所述柱间橡胶垫层(4)设置于分体柱子单元的中部，并将各所述长节段预制钢筋混凝土柱(1)和各所述短节段预制钢筋混凝土柱(2)相隔开，所述两个相邻分体柱子单元中节段预制钢筋混凝土柱间的缝隙相互错开；所述预应力钢绞线(5)将分体柱子单元中的所述长节段预制钢筋混凝土柱(1)、所述短节段预制钢筋混凝土柱(2)、所述柱端橡胶垫层(3)和所述柱间橡胶垫层(4)整体串联，并锚固于顶底梁中。

本实例中，所述长节段预制钢筋混凝土柱(1)和所述短节段预制钢筋混凝土柱(2)为相同截面的方形截面预制钢筋混凝土柱，中部预留竖向贯通圆孔，其按相应尺寸在钢筋混凝土构件加工厂预制，并运输至现场进行拼装。

本实例中，所述柱端橡胶垫层(3)由十字型截面橡胶隔挡和方形截面橡胶隔挡制成。十字型截面橡胶隔挡用以分隔四个分体柱子单元，方形截面橡胶隔挡用以分隔分体柱子单元与顶底梁。

本实例中，所述柱间橡胶垫层(4)由三个方形截面橡胶隔挡制成。水平方向橡胶隔挡用以分隔同一分体柱子单元中底面相邻的长节段预制钢筋混凝土柱和长节段预制钢筋混凝土柱，或相邻的长节段预制钢筋混凝土柱和短长节段预制钢筋混凝土柱；垂直方向橡胶隔挡用以分隔相邻分体柱子单元中侧面相邻的长节段预制钢筋混凝土柱和长节段预制钢筋混凝土柱，或侧面相邻的长节段预制钢筋混凝土柱和短长节段预制钢筋混凝土柱。

本实例中，所述预应力钢绞线(5)在顶底梁中交叉锚固，串联左侧分体柱子单元的预应力钢绞线在顶底梁的右侧进行锚固，串联右侧分体柱子单元的预应力钢绞线在顶底梁的左侧进行锚固。

本实例中，长节段预制钢筋混凝土柱的尺寸为(长w×宽w×高h)，节段预制钢筋混凝土柱之间的缝隙以及柱端分体柱距顶底梁的间隙均为d，则各部件的尺寸关系应满足以下关系：

长节段预制钢筋混凝土柱的高度h1＝h。

短节段预制钢筋混凝土柱的高度h2＝(h-d)/2。

柱端橡胶垫层长度和宽度a1＝2w+d。

柱端橡胶垫层总高度b1＝(h-d)/4+d。

柱端橡胶垫层方形截面橡胶隔挡厚度c1＝d。

柱端橡胶垫层十字型截面橡胶隔挡厚度d1＝d。

柱间橡胶垫层长度和宽度a2＝w+d。

柱间橡胶垫层总高度b2＝(h-d)/4+d/2。

柱间橡胶垫层水平方向橡胶隔挡厚度c2＝d/2。

柱间橡胶垫层垂直方向橡胶隔挡厚度d2＝d。