專利名稱：一種用于地下結構的剪切型耗能減震控制方法
技術領域：
本發明屬于地下結構抗震與減震技術領域，利用材料的剪切耗能特性，S卩非彈性變形可以消耗地震輸入能量，考慮土與結構相互作用，采用合適的方法可以使得阻尼器先于主體地下結構進入塑性，通過剪切滯回變形耗散地震能量，保證結構不遭受損壞或受到的損害在可以接受的水平以內，從而達到減震效果。
背景技術：
目前，我國城市正處于地下空間開發的黃金時期，新建和待建的超大跨度地下空間結構數量明顯增加。地下結構跨度大幅度增長帶來的主要問題是結構抗側向力剛度的急劇下降，這就使得地震作用在大跨度地下結構設計中變得越來越重要。然而目前，地下結構抗震減震手段相對單一。僅有傳統的抗震構造措施和圍巖 (地層)加固措施。無法適應大跨度地下空間結構的減震要求。盡管，本發明所述的結構減震控制理念在建筑、橋梁等地面結構中取得了長足的發展，并研制出相應的新型減震裝置， 但尚未見其在地下結構的運用。由于地下結構的震動特點有別于地面結構，因此當上述方法應用于地下結構耗能減震時，還具有一定的局限性與尚待解決的問題。例如，當減震裝置用于地面結構時，主要抵抗側向地震作用，梁傳遞到阻尼器上的豎向軸力較小，阻尼器設計中往往忽略豎向軸力，僅施加水平向的剪切反復荷載，不考慮豎向軸力的影響，而在1995 年日本阪神大地震震害現象表明，神戶大開地鐵車站的破壞主要是由于受到了地震的剪切作用與上覆土層震動引起的較大豎向軸力的聯合作用，且軸壓比較高。此外，地震作用下， 地面結構以加速度控制，而地下結構以位移控制。這些因素的存在，使得地面結構阻尼器用于地上結構時的控制方法不再適用于地下結構。鑒于此，尋找新的有效減輕地下結構地震破壞的控制方法是十分必要的。
發明內容
針對上述提到的現有技術中耗能減震控制方法在地下結構中的設計需求空白，本發明的目的在于根據地下結構在地震中的受力和破壞特點，有針對性地提出一種用于地下結構的剪切型耗能減震控制方法，解決上述提到的現有技術存在的不足，為地下結構的減震設計提供參考。為了達到以上目的，本發明的技術方案如下一種用于地下結構的耗能減震控制方法，使用剪切型阻尼器替換地下結構中部分非承載構件。所述剪切型阻尼器設置于地下結構的柱子或主梁中，并采用間柱型或支撐型方式連接。所述剪切型阻尼器包括剛性連接板、滯回耗能腹板和翼緣，滯回耗能腹板周圍焊接剛性連接板和翼緣。所述滯回耗能腹板的厚度根據實際地下結構尺寸和要求耗能量確定，
當滯回耗能腹板周圍具有可靠的邊緣約束時，可取消剛性連接板和/或翼緣。所述剪切型阻尼器采用支撐型連接方式，其上部剛性連接板與框架結構梁的下翼緣栓接，下部剛性連接板與支撐桿件焊接相連。當地下結構有下部通行要求時，剪切型阻尼器采用間柱型安裝方式，在此種情況下，框架間柱的左右翼緣能夠作為剪切型阻尼器的上下剛性連接板，而剪切型阻尼器的上下翼緣與間柱的腹板通過焊接連接。根據實際安裝條件，滯回耗能腹板上單側或雙側焊接橫向加勁肋和縱向加勁肋。所述滯回耗能腹板的柔細比參數滿足《鋼結構設計規范》中關于板件的要求時，滯回耗能腹板上可以不設置橫向加勁肋或縱向加勁肋，但須通過相關疲勞試驗證明。所述剪切型阻尼器和地下結構的強度比參數作為地下結構減震設計性能參數，其參數范圍為0.4至0.5。由于采用了以上技術方案，本發明的特征在于(1)區別于抗震構造措施和圍巖(地層)加固措施等傳統的地下結構抗震減震手段，本發明針對地下結構提出的基于能量耗散概念的剪切型耗能減震控制方法是完全創新的。(2)本發明針對地下結構破壞特點，即考慮地下結構破壞是由上覆土層荷載和地震的共同作用所導致的，突破了目前剪切型阻尼器設計中不考慮軸壓或僅考慮低軸壓的局限。(3)本發明提出了阻尼器-地下結構強度比作為優化設計參數，并給出了參數取值范圍，能夠保證耗能元件充分發揮滯回能力，獲得最大的減震耗能能力，從而最大限度地保證地下結構的抗震安全性。
圖1為剪切型耗能阻尼器的正面示意圖。圖2為圖1所示實施例的A-A剖面圖。圖3為本發明實施例的剪切型耗能阻尼器在地下結構中的安裝示意圖(支撐型)。圖4為本發明實施例的剪切型耗能阻尼器在地下結構中的安裝示意圖(間柱型)。附圖中標號說明1-剛性連接板；2-滯回耗能腹板；3-橫向加勁肋；4-翼緣；5-縱向加勁肋。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。本發明把地震激勵看成是對地下結構的一個能量輸入，基于能量平衡與轉移原理，把某些非承重構件替換成具有較大耗能能力的剪切板阻尼器元件，使其震時發生塑性大變形，集中吸收和消耗大部分地震輸入能量，降低主要結構構件的能量耗散值，從而避免或減小主體地下結構的損傷。當地震來臨時，框架結構的上下層樓面及框架梁發生側向位移，產生位移差。這種位移差作用于剪切型阻尼器上即形成剪切變形。當剪切變形增大到一定程度時，阻尼器滯回耗能腹板在反復剪切作用下進入屈服，形成滯回變形，從而達到耗能減震的目的。本發明剪切型耗能阻尼器的實施例采用剪切型阻尼器，如圖1和圖2所示。包括 剛性連接板1、滯回耗能腹板2、橫向加勁肋3、翼緣4和縱向加勁肋5。其中，滯回耗能腹板 2為耗能的主要板件，其厚度根據實際地下結構尺寸和要求耗能量確定。滯回耗能腹板2周圍焊接剛性連接板1和翼緣4。當滯回耗能腹板2周圍具有可靠的邊緣約束時(如圖4所示的間柱型安裝方式)，可取消剛性連接板1和翼緣4之一或全部。可根據實際安裝條件， 滯回耗能腹板2上單側或雙側焊接橫向加勁肋3及縱向加勁肋5。滯回耗能腹板2的柔細比參數滿足《鋼結構設計規范》(GB50017)中關于板件的要求時，也可不設置橫向加勁肋3 和縱向加勁肋5，但須通過相關疲勞試驗證明。地下結構基于剪切型的耗能減震控制方法，使用剪切型阻尼器替換地下結構中部分非承載構件。在如圖3所示的采用支撐型方式連接的地下結構框架中，剪切型阻尼器的上部剛性連接板1可通過螺栓(簡明起見，圖中未顯示)與框架結構梁的下翼緣拴接，剪切型滯回阻尼器的下部剛性連接板1可與支撐桿件焊接相連。支撐可采用普通的焊接鋼構件，或者采用約束屈曲支撐實現雙效耗能裝置。當結構有下部通行要求時，可采用如圖4所示的間柱型安裝方式。在此種情況下， 將圖1所示的剪切型阻尼器旋轉90度安裝于框架結構中。框架間柱的左右翼緣可同時作為剪切型阻尼器的上下剛性連接板，而剪切型阻尼器的上下翼緣與間柱的腹板通過焊接連接。必要時，可增加三角鋼，保證剪切力的傳遞。無論采用哪種安裝方式，當地震來臨時，框架結構的上下層樓面及框架梁發生側向位移，產生位移差。這種位移差作用于剪切型阻尼器上即形成剪切變形。當剪切變形增大到一定程度時，阻尼器耗能腹板在反復剪切作用下進入屈服，形成滯回變形，從而吸收地震輸入的能量，減輕地下結構的破壞甚至抑制地下結構振動而不產生破壞，實現金屬耗能減震目的。在進行地下結構剪切型耗能減震控制設計時，必須合理考慮剪切型耗能阻尼器與地下結構之間的結構性能關系，以便保證地震時，阻尼器先進入塑性，從而耗散輸入主體結構的能量。為此，本控制方法提出了阻尼器和地下結構的強度比參數作為地下結構減震設計性能參數，阻尼器-地下結構強度比最優設計性能參數值宜為0. 4至0. 5。在本范圍內， 能夠保證耗能元件充分發揮滯回能力，獲得最大的減震耗能能力，從而最大限度地保證地下結構的抗震安全性。此外，地震發生時，地下結構的上覆土層在地震豎向分量的作用下會加大傳遞至地下結構中柱上的動力荷載。因此，安裝在地下結構中的阻尼器處于高軸壓狀態。本控制方法提出了高軸壓比參數，以便根據軸壓比參數調節阻尼器加勁肋剛度，以承受地下結構的高軸壓工況、滿足其安全和使用的承載力需求。上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明的范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于使用剪切型阻尼器替換地下結構中部分非承載構件。
2.如權利要求1所述的用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于所述剪切型阻尼器設置于地下結構的柱子或主梁中，并采用間柱型或支撐型方式連接。
3.如權利要求1或2所述的用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于所述剪切型阻尼器包括剛性連接板、滯回耗能腹板和翼緣，滯回耗能腹板周圍焊接剛性連接板和翼緣。
4.如權利要求3所述的用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于所述滯回耗能腹板的厚度根據實際地下結構尺寸和要求耗能量確定。
5.如權利要求3所述的用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于當滯回耗能腹板周圍具有可靠的邊緣約束時，取消剛性連接板和/或翼緣。
6.如權利要求3所述的用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于所述剪切型阻尼器采用支撐型連接方式，其上部剛性連接板與框架結構梁的下翼緣栓接，下部剛性連接板與支撐桿件焊接相連。
7.如權利要求3所述的用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于當地下結構有下部通行要求時，剪切型阻尼器采用間柱型安裝方式，框架間柱的左右翼緣作為剪切型阻尼器的上下剛性連接板，而剪切型阻尼器的上下翼緣與間柱的腹板通過焊接連接。
8.如權利要求3所述的用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于根據實際安裝條件，滯回耗能腹板上單側或雙側焊接橫向加勁肋和縱向加勁肋。
9.如權利要求3所述的用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于所述滯回耗能腹板的柔細比參數滿足《鋼結構設計規范》中關于板件的要求時，滯回耗能腹板上不設置橫向加勁肋或縱向加勁肋，但須通過疲勞試驗證明。
10.如權利要求1或2所述的用于地下結構的耗能減震控制方法，其特征在于所述剪切型阻尼器和地下結構的強度比參數作為地下結構減震設計性能參數，其參數范圍為0. 4 至 0. 5。
全文摘要
本發明公開了一種用于地下結構的剪切型耗能減震控制方法，使用剪切型阻尼器替換地下結構中部分非承載構件，剪切型阻尼器通過間柱型或支撐型方式連接設置于地下結構的柱子或主梁中。剪切型阻尼器采用支撐型連接方式時，其上部剛性連接板與框架結構梁的下翼緣栓接，下部剛性連接板與支撐桿件焊接相連。剪切型阻尼器采用間柱型安裝方式時，框架間柱的左右翼緣作為剪切型阻尼器的上下剛性連接板，而剪切型阻尼器的上下翼緣與間柱的腹板通過焊接連接。本發明通過上述剪切耗能機制，吸收和耗散地震輸入的大部分能量，從而減輕地下結構的破壞甚至抑制結構振動而不產生破壞，實現保護主體結構的目的，滿足地下工程的安全運營和使用設計要求。
文檔編號E02D27/34GK102268878SQ20111016852
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者卞國強, 李景琳, 毛無衛, 陳之毅, 黃雨 申請人:同濟大學