專利名稱：低成本耗能減震方法、相應裝置及其使用方法
技術領域：
本發明屬建筑的抗震技術領域。
背景技術：
眾所周知，在高烈度地震區，房屋高度達到一定程度后，多層建筑中常用的框架結構形式已難以滿足抗震的各項要求。傳統的解訣方法是采用框架-剪力墻、剪力墻、框架-筒體等結構形式，其共同特點是利用鋼筋混凝土抗震墻作為主要的抗側力構件，以滿足結構物在地震作用下的強度和剛度要求。多年來，這種解決方法已在工程實踐中得到了普遍的認同和采用，也經歷了從小震到強烈地震的考驗，已被證實是能夠滿足“小震不壞、中震可修，大震不倒”要求的。但是，隨著社會經濟發展水平的不斷提高，地震災害所造成的損失的特點也發生了很大的變化，一方面是人員傷亡越來越少，另一方面則是直接和間接的經濟損失越來越大。這樣就使人們認識到，應該利用不斷發展的各種技術手段來提高結構物的抗震性能，以盡量減少地震災害對社會經濟發展的影響。各種結構抗震技術措施應運而生，其中較為典型的主動控制技術和被動控制技術得到了較快的發展。在我國現有的經濟條件下，采用主動控制技術的最大障礙是結構物的造價大大地提高了。而被動控制技術中，比較成熟的則是在建筑物的框架中以鋼構件作為支撐、以粘滯阻尼器作為耗能元件的消能技術，以及以橡膠隔震墊來延長結構周期、減少地震能量輸入的基底隔震技術。在這兩項技術的應用推廣過程中，首要的困難仍是造價。現有的理論分析和實驗研究表明，采用這兩種技術可提高結構抗震性能，但在我國的工程實踐中，所暴露出來的問題則是與采用傳統的抗震體系相比，這兩種技術在造價方面沒有優勢。顯而易見，在商品經濟條件下，一項新技術能否得到推廣應用，除了其自身的技術先進性外，還應充分考慮經濟的因素。否則，許多業主可能會傾向于選擇傳統的結構體系。
實用新型內容本發明的目的是克服現有技術的缺點，提供一種低成本的耗能減震方法，以及為實施該方法而專門設計的耗能支撐裝置及裝置的使用方法。
本發明方法是1、以X型鋼筋混凝土桿件作為支撐構件、鋼板夾持橡膠片作為摩擦型耗能器，2、將鋼筋混凝土桿件的四個端點聯接到建筑物框架的梁柱節點上，3、在摩擦型耗能器中，向夾持橡膠片的鋼板預先施加一定大小的緊固力，以該緊固力使橡膠片與鋼板間產生的靜摩擦力作為摩擦型耗能器開始將外界輸入建筑物的動能通過摩擦進行吸收和消耗的啟動力。
模型計算結果和實物試驗結果均表明，調節緊固力的大小可以有效地控制摩擦型耗能器的啟動與鎖定。設定好摩擦型耗能器的緊固力后，在地震時，摩擦型耗能器將會按設計要求進行耗能，其耗能性能是可靠的。因此本發明方法可以通過調節緊固力的大小來調節摩擦型耗能器的啟動力。
在大型結構試驗室，進行了1/3比例的框架模型試驗。框架模型按本發明方法由帶摩擦型耗能器的鋼筋混凝土桿件來支撐。試驗研究及分析結果表明(1)、摩擦耗能支撐框架與普通框架結構相比，不但具有較高的初始剛度和承載能力，同時具有較好的延性和和極強的耗能能力。(2)摩擦耗能支撐框架的滯回曲線飽滿，滯同環呈“紡錘形”，能耗散大量的能量。(3)滑動荷載和變形可根據需要設計和調節，有較大的適應性。(4)滑移前，摩擦耗能支撐和普通交叉支撐一樣能增加結構剛度，減小結構變形產生滑移后，結構變柔，減小地震反應。(5)整個摩擦耗能支撐框架的能量耗散主要依靠摩擦型耗能器的摩擦耗能。
以洱源振戎民族中學的教學樓為實例設立計算模型，其計算結果表明，鋼筋混凝土桿件可以沿建筑物框架的對角方向布置，見圖1。在設有門窗的地方，鋼筋混凝土桿件也可以沿建筑物框架的非對角方向布置，見圖2。
以位于麗江縣城中心的物資大樓為實例設立計算模型，其時程分析結果表明，在端側的框架上使用摩擦耗能支撐，其抗震效果優于在中間部位的框架上使用。
考慮到斜向設置的支撐桿件對框架節點可能造成不利的影響，因此采用分離式模型有限元模型分析摩擦耗能支撐框架節點的力學性能和構造形式。分別取框架中不同節點形式按照實際尺寸建立了有限元實體模型。節點有限元模型的邊界條件利用結構整體分析得到的框架極限荷載和節點位移和轉角值。對混凝土單元采用非線彈性的正交異性Darwin-Peknold模型和五參數Willam-Warnke破壞準則，鋼筋單元采用彈性強化模型，屈服后的應力應變關系簡化為平緩的斜直線。從計算結果來看，節點區域增加了支撐后，對其受力有正反兩方面的影響，有利的影響是支撐在節點位置起到了梁腋的作用。這使得一方面增加了節點的有效抗剪體積，另一方面使梁柱的出鉸位置向遠離節點的方向移動，這樣就避免了裂縫向節點內開展，減少了鋼筋的粘結惡化。增加支撐后對節點受力的不利影響是導致節點區域應力分布復雜。從節點的開裂位置和開裂荷載普遍較小說明節點應力集中現象明顯。支撐的不利影響在中節點上體現尤為突出，從中節點破壞時的裂縫分布圖中可以看到裂縫大量集中在支撐與節點相交的位置而且有向節點內發展的趨勢。因此，在設計中應該對中節點的配筋作仔細的設計。最好在支撐位置、即鋼筋混凝土桿件的四個端點與建筑物框架的梁柱節點的聯結位置，沿裂隙可能的開展方向布置斜向鋼筋以避免裂隙的過早出現。總的來看，隨著荷載增加，各種類型的節點都由于在梁端首先出現塑性鉸而破壞。說明在一定的配筋構造條下，能夠保證強節點弱構件的概念設計要求。
試驗研究結果還表明，摩擦型耗能器中的橡膠片最好用以下成分的橡膠組合物制成，所說橡膠組合物的重量份配比為天然膠 15～25丁腈膠 65～85 硫磺 0.9～1.5促進劑D 0.2～0.5 硫化劑DM 1.2～1.6 氧化鋅 3.8～4.2硬脂酯 1.4～1.6 高耐磨碳黑 30～50 二丁酯 5～8酚醛樹脂 3～6防老劑4010NA 1.1～1.3 防老劑D 1.1～1.3為實施本發明方法而專門設計的耗能支撐裝置包括X型鋼筋混凝土桿件和一個或一個以上的摩擦型耗能器單元，其中鋼筋混凝土桿件的中部具有一上平臺和一下平臺，上、下平臺間留有空間；耗能器單元設有兩塊或兩塊以上的鋼板、夾持于所說鋼板間的橡膠片以及能對鋼板豎向施壓且其壓力可調的緊固力施加機構；耗能器單元位于鋼筋混凝土桿件上、下平臺之間，且每個耗能器單元中至少有一塊鋼板與所說平臺緊固聯接。
耗能器單元可以具有兩塊鋼板，一塊橡膠片夾持于兩塊鋼板之間；也可以具有三塊鋼板，兩塊橡膠片間隔夾持于三塊鋼板之間；也可以具有四塊鋼板，三塊橡膠片間隔夾持于四塊鋼板之間；依此類推。但耗能器單元最好是具有三塊鋼板，兩塊橡膠片間隔夾持于三塊鋼板之間。
耗能器單元的緊固力施加機構可以是豎向穿越全部鋼板和橡膠片、或是豎向穿越上下兩塊鋼板、并且能夠擰緊的螺栓；也可以是豎向穿越鋼筋混凝土桿件的上平臺或下平臺，且其一端能抵壓相鄰鋼板的螺栓；當然還可以是其他公知結構的加壓機構。若采用所說螺栓，進一步的試驗研究還表明，耗能器單元的啟動力與螺栓的預緊力成線性關系，因此相應裝置的使用方法之是采用調整擰緊螺栓時扭矩的方法來獲得所需的啟動力。
可以在鋼筋混凝土桿件的上平臺和/或下平臺內預埋鋼板，將耗能器單元中相應的鋼板與所說的預埋鋼板直接焊接緊固，或先將耗能器單元中的鋼板與連接鋼件的一端緊固聯接，然后再將連接鋼件的另一端與所說的預埋鋼板焊接緊固。
使用時，將鋼筋混凝土桿件的四個端點聯接到建筑物框架的梁柱節點上。本裝置既可以用于新建建筑，也可以用于已有建筑。
工作原理各耗能器單元的緊固力使橡膠片與鋼板間產生的靜摩擦力之和就是本裝置的啟動力。在風載荷或小震作用下，各耗能器單元所共同承擔的剪力低于這個啟動力，鋼板與橡膠片之間沒有相對滑動，此時裝置對建筑結構水平剛度的貢獻類似于普通的剛性支撐。在大震作用下，各耗能器單元中的鋼板與橡膠片之間出現相對滑動，一方面將地震輸入的動能由摩擦進行耗散，另一方面還降低了結構的水平剛度，達到減小地震反應的目的，從而讓主體結構免于在大震中被破壞或產生大的變形。
耗能支撐裝置一種優化的結構是耗能器單元的緊固力施加機構為豎向穿越全部鋼板和橡膠片并且能夠擰緊的螺栓，在鋼筋混凝土桿件的上平臺和/或下平臺內預埋鋼板，耗能器單元中的鋼板與一連接鋼件的一端緊固聯接，該連接鋼件的另一端與所說的預埋鋼板焊接緊固。通過擰緊螺栓來給耗能器單元的鋼板和橡膠片施加豎向緊固力，該過程可以在工廠完成，耗能器單元出廠前，對其額定的啟動力進行標定或檢測。這樣不僅使耗能器單元中鋼板和橡膠片間緊固力的精確控制成為可能，同時也極大地降低了現場安裝的精度要求，使現場工作簡便易行，并有利于該裝置的標準化和產業化。
本發明的有益效果低造價、高性能、易生產、便施工。在提高結構物抗震性能的同時，不僅不會使其造價增加，反而會有所降低。直接的效益是將傳統結構體系中的整片鋼筋混凝土抗震墻用斜支撐桿件代替，混凝土方量和鋼筋用量明顯地降低了，這一部分節約的造價已大大超過實施本發明的造價。間接的效益是，由于結構的受力特點和性能得到了改善，與傳統結構體系相比，梁、柱的截面尺寸和配筋量也有所降低。建筑層數越多，抗震設計的設防烈度越高，節約的土建造價比例也越高。
圖1為沿建筑物框架對角方向布置鋼筋混凝土桿件時的示意圖。
圖2為沿建筑物框架非對角方向布置鋼筋混凝土桿件時的示意圖。
圖3為實施例1的剖面結構示意圖。
圖4為實施例2的剖面結構示意圖。
圖5為實施例3中耗能器單元的立體結構示意圖。
具體實施例方式
實施例1見圖3。X型鋼筋混凝土桿件1的中部具有一上平臺2和一下平臺3，二者之間留有空間。共裝有兩個耗能器單元，每個耗能器單元設有三塊鋼板4、以及間隔夾持于所說鋼板4中的兩塊橡膠片5。每個耗能器單元的緊固力施加機構是豎向穿越鋼筋混凝土桿件1的上平臺2、且其一端能抵壓最上面一塊鋼板4的兩個螺栓6。在鋼筋混凝土桿件下平臺3內預埋鋼板7，將每個耗能器單元中最下面一塊鋼板4與所說的預埋鋼板4直接焊接緊固。圖中8為埋設于上平臺2的預埋鋼板，螺栓6也穿越預埋鋼板8。本實施例需現場安裝時，通過擰緊螺栓6來給耗能器單元的鋼板和橡膠片施加豎向緊固力。
實施例2見圖4。裝有一個耗能器單元，該耗能器單元設有三塊鋼板9、以及夾持于所說鋼板9間的兩塊橡膠片10。耗能器單元的緊固力施加機構是豎向穿越全部鋼板9和橡膠片10并且能夠擰緊的三個螺栓11。在鋼筋混凝土桿件1的下平臺3內預埋鋼板12，將耗能器單元中部的一塊鋼板9之延長部分用大螺栓12與預埋鋼板12緊固聯結。圖中13為埋設于上平臺2的預埋鋼板，兩塊連接鋼件14的一端與耗能器單元的鋼板9緊固聯接、另一端與預埋鋼板13焊接緊固。本實施例通過擰緊螺栓11來給耗能器單元的鋼板和橡膠片施加豎向緊固力，該過程可以在工廠完成，耗能器單元出廠前，對其額定的啟動力進行標定或檢測。這樣不僅使耗能器單元中鋼板和橡膠片間緊固力的精確控制成為可能，同時也極大地降低了現場安裝的精度要求，使現場工作簡便易行，并有利于該裝置的標準化和產業化。
實施例3 見圖5。耗能器單元具有上下兩塊鋼板15和中間一塊鋼板19，以及分別夾持于所說鋼板三塊間的兩塊橡膠片16。耗能器單元的緊固力施加機構是豎向穿越上下兩塊鋼板15并且能夠擰緊的四個螺栓17。中間一塊鋼板19的延長部分設有兩個凹口，耗能器單元主體的兩側也設有兩個凹口，并相應地配有能嵌入上述四個凹口內的四塊緊固用鋼板18，每塊鋼板18的一端帶有坡面。安裝耗能器單元時，將緊固用鋼板18嵌入相應的凹口內，兩塊鋼板18的坡面朝上，兩塊鋼板18的坡面朝下，并分別將坡面的頂部與鋼筋混凝土桿件上、下平臺內的預埋鋼板焊接牢固。圖中虛線表示的零件為嵌入相應凹口內之前的緊固用鋼板18，箭頭表示嵌入時的用力方向。
以上實施例僅為了對本發明作進一步說明，而本發明的范圍不受所舉實施例的局限。
權利要求
1.一種低成本耗能減震方法，其特征是(1)、以X型鋼筋混凝土桿件作為支撐構件、鋼板夾持橡膠片作為摩擦型耗能器，(2)、將鋼筋混凝土桿件的四個端點聯接到建筑物框架的梁柱節點上，(3)、在摩擦型耗能器中，向夾持橡膠片的鋼板預先施加一定大小的緊固力，以該緊固力使橡膠片與鋼板間產生的靜摩擦力作為摩擦型耗能器開始將外界輸入建筑物的動能通過摩擦進行吸收和消耗的啟動力。
2.如權利要求1所說的耗能減震方法，其特征是通過調節緊固力的大小來調節摩擦型耗能器的啟動力。
3.如權利要求1所說的耗能減震方法，其特征是在建筑物端側的框架上優先使用該方法。
4.如權利要求1所說的耗能減震方法，其特征是在鋼筋混凝土桿件的四個端點與建筑物框架的梁柱節點的聯結位置，沿裂隙可能的開展方向布置斜向鋼筋以避免裂隙的過早出現。
5.如權利要求1所說的耗能減震方法，其特征是摩擦型耗能器中的橡膠片用以下成分的橡膠組合物制成，該橡膠組合物的重量份配比為天然膠15～25 丁腈膠65～85 硫磺0.9～1.5促進劑D 0.2～0.5 硫化劑DM 1.2～1.6 氧化鋅3.8～4.2硬脂酯1.4～1.6 高耐磨碳黑30～50 二丁酯5～8酚醛樹脂3～6 防老劑4010NA 1.1～1.3防老劑D 1.1～1.3
6.一種耗能支撐裝置，包括X型鋼筋混凝土桿件和一個或一個以上的摩擦型耗能器單元，其中鋼筋混凝土桿件的中部具有一上平臺和一下平臺，上、下平臺間留有空間；耗能器單元設有兩塊或兩塊以上的鋼板、夾持于所說鋼板間的橡膠片以及能對鋼板豎向施壓且其壓力可調的緊固力施加機構；耗能器單元位于鋼筋混凝土桿件上、下平臺之間，且每個耗能器單元中至少有一塊鋼板與所說平臺緊固聯接。
7.如權利要求6所說的耗能支撐裝置，其特征是耗能器單元具有三塊鋼板，兩塊橡膠片間隔夾持于三塊鋼板之間。
8.如權利要求7所述的耗能支撐裝置，其特征是耗能器單元的緊固力施加機構為豎向穿越全部鋼板和橡膠片、并且能夠擰緊的螺栓。
9.如權利要求7所述的耗能支撐裝置，其特征是耗能器單元的緊固力施加機構是豎向穿越上下兩塊鋼板并且能夠擰緊的四個螺栓，中間一塊鋼板的延長部分設有兩個凹口，耗能器單元主體的兩側也設有兩個凹口，并相應地配有能嵌入上述四個凹口內的四塊緊固用鋼板，每塊緊固用鋼板的一端帶有坡面，緊固用鋼板嵌入相應的凹口內，兩塊緊固用鋼板的坡面朝上、兩塊的坡面朝下，并分別將坡面的頂部與鋼筋混凝土桿件上、下平臺內的預埋鋼板焊接。
10.如權利要求8和9所述的耗能支撐裝置的使用方法，其特征是通過調整擰緊螺栓時的扭矩來獲得所需的啟動力。
全文摘要
低成本耗能減震方法、相應裝置及其使用方法，屬建筑抗震技術領域。以X型鋼筋混凝土桿件作為支撐構件、鋼板夾持橡膠片作為摩擦型耗能器，將鋼筋混凝土桿件的四個端點聯接到建筑物框架的梁柱節點上，在摩擦型耗能器中，向夾持橡膠片的鋼板預先施加一定大小的緊固力，以該緊固力使橡膠片與鋼板間產生的靜摩擦力作為摩擦型耗能器開始將外界輸入建筑物的動能通過摩擦進行吸收和消耗的啟動力。通過調節緊固力的大小來調節摩擦型耗能器的啟動力。優點是低造價、高性能、易生產、便施工。在提高結構物抗震性能的同時，不僅不會使其造價增加，反而會有所降低。與傳統結構體系相比，混凝土方量和鋼筋用量明顯降低，這一部分節約的造價已大大超過實施本發明的造價。
文檔編號E04B1/98GK1884756SQ20061001100
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月3日 優先權日2006年7月3日
發明者葉燎原, 繆升, 潘文 申請人:昆明理工大學