專利名稱：一種用于地下結(jié)構(gòu)的剪切型耗能減震控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地下結(jié)構(gòu)抗震與減震技術(shù)領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性，通過剪切滯回變形耗散地震能量，保證結(jié)構(gòu)不遭受損壞或受到的損害在可以接受的水平以內(nèi)，從而達(dá)到減震效果。
背景技術(shù)：
目前，我國城市正處于地下空間開發(fā)的黃金時(shí)期，新建和待建的超大跨度地下空間結(jié)構(gòu)數(shù)量明顯增加。地下結(jié)構(gòu)跨度大幅度增長帶來的主要問題是結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力剛度的急劇下降，這就使得地震作用在大跨度地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中變得越來越重要。然而目前，地下結(jié)構(gòu)抗震減震手段相對(duì)單一。僅有傳統(tǒng)的抗震構(gòu)造措施和圍巖 (地層)加固措施。無法適應(yīng)大跨度地下空間結(jié)構(gòu)的減震要求。盡管，本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)減震控制理念在建筑、橋梁等地面結(jié)構(gòu)中取得了長足的發(fā)展，并研制出相應(yīng)的新型減震裝置， 但尚未見其在地下結(jié)構(gòu)的運(yùn)用。由于地下結(jié)構(gòu)的震動(dòng)特點(diǎn)有別于地面結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)上述方法應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)耗能減震時(shí)，還具有一定的局限性與尚待解決的問題。例如，當(dāng)減震裝置用于地面結(jié)構(gòu)時(shí)，主要抵抗側(cè)向地震作用，梁傳遞到阻尼器上的豎向軸力較小，阻尼器設(shè)計(jì)中往往忽略豎向軸力，僅施加水平向的剪切反復(fù)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(xiàn)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(dòng)引起的較大豎向軸力的聯(lián)合作用，且軸壓比較高。此外，地震作用下， 地面結(jié)構(gòu)以加速度控制，而地下結(jié)構(gòu)以位移控制。這些因素的存在，使得地面結(jié)構(gòu)阻尼器用于地上結(jié)構(gòu)時(shí)的控制方法不再適用于地下結(jié)構(gòu)。鑒于此，尋找新的有效減輕地下結(jié)構(gòu)地震破壞的控制方法是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述提到的現(xiàn)有技術(shù)中耗能減震控制方法在地下結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)需求空白，本發(fā)明的目的在于根據(jù)地下結(jié)構(gòu)在地震中的受力和破壞特點(diǎn)，有針對(duì)性地提出一種用于地下結(jié)構(gòu)的剪切型耗能減震控制方法，解決上述提到的現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，為地下結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)提供參考。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于地下結(jié)構(gòu)的耗能減震控制方法，使用剪切型阻尼器替換地下結(jié)構(gòu)中部分非承載構(gòu)件。所述剪切型阻尼器設(shè)置于地下結(jié)構(gòu)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(jù)實(shí)際地下結(jié)構(gòu)尺寸和要求耗能量確定，
當(dāng)滯回耗能腹板周圍具有可靠的邊緣約束時(shí)，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(jié)構(gòu)梁的下翼緣栓接，下部剛性連接板與支撐桿件焊接相連。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)有下部通行要求時(shí)，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(jù)實(shí)際安裝條件，滯回耗能腹板上單側(cè)或雙側(cè)焊接橫向加勁肋和縱向加勁肋。所述滯回耗能腹板的柔細(xì)比參數(shù)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于板件的要求時(shí)，滯回耗能腹板上可以不設(shè)置橫向加勁肋或縱向加勁肋，但須通過相關(guān)疲勞試驗(yàn)證明。所述剪切型阻尼器和地下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度比參數(shù)作為地下結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)性能參數(shù)，其參數(shù)范圍為0.4至0.5。由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明的特征在于(1)區(qū)別于抗震構(gòu)造措施和圍巖(地層)加固措施等傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)抗震減震手段，本發(fā)明針對(duì)地下結(jié)構(gòu)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(chuàng)新的。(2)本發(fā)明針對(duì)地下結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn)，即考慮地下結(jié)構(gòu)破壞是由上覆土層荷載和地震的共同作用所導(dǎo)致的，突破了目前剪切型阻尼器設(shè)計(jì)中不考慮軸壓或僅考慮低軸壓的局限。(3)本發(fā)明提出了阻尼器-地下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比作為優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，并給出了參數(shù)取值范圍，能夠保證耗能元件充分發(fā)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(jié)構(gòu)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(shí)施例的A-A剖面圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的剪切型耗能阻尼器在地下結(jié)構(gòu)中的安裝示意圖(支撐型)。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的剪切型耗能阻尼器在地下結(jié)構(gòu)中的安裝示意圖(間柱型)。附圖中標(biāo)號(hào)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(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。本發(fā)明把地震激勵(lì)看成是對(duì)地下結(jié)構(gòu)的一個(gè)能量輸入，基于能量平衡與轉(zhuǎn)移原理，把某些非承重構(gòu)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(shí)發(fā)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的能量耗散值，從而避免或減小主體地下結(jié)構(gòu)的損傷。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的上下層樓面及框架梁發(fā)生側(cè)向位移，產(chǎn)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(dāng)剪切變形增大到一定程度時(shí)，阻尼器滯回耗能腹板在反復(fù)剪切作用下進(jìn)入屈服，形成滯回變形，從而達(dá)到耗能減震的目的。本發(fā)明剪切型耗能阻尼器的實(shí)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(jù)實(shí)際地下結(jié)構(gòu)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(dāng)滯回耗能腹板2周圍具有可靠的邊緣約束時(shí)(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?？筛鶕?jù)實(shí)際安裝條件， 滯回耗能腹板2上單側(cè)或雙側(cè)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(xì)比參數(shù)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017)中關(guān)于板件的要求時(shí)，也可不設(shè)置橫向加勁肋3 和縱向加勁肋5，但須通過相關(guān)疲勞試驗(yàn)證明。地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中部分非承載構(gòu)件。在如圖3所示的采用支撐型方式連接的地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)件，或者采用約束屈曲支撐實(shí)現(xiàn)雙效耗能裝置。當(dāng)結(jié)構(gòu)有下部通行要求時(shí)，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(zhuǎn)90度安裝于框架結(jié)構(gòu)中。框架間柱的左右翼緣可同時(shí)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(shí)，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(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的上下層樓面及框架梁發(fā)生側(cè)向位移，產(chǎn)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(dāng)剪切變形增大到一定程度時(shí)，阻尼器耗能腹板在反復(fù)剪切作用下進(jìn)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(jié)構(gòu)的破壞甚至抑制地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)而不產(chǎn)生破壞，實(shí)現(xiàn)金屬耗能減震目的。在進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)剪切型耗能減震控制設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理考慮剪切型耗能阻尼器與地下結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，以便保證地震時(shí)，阻尼器先進(jìn)入塑性，從而耗散輸入主體結(jié)構(gòu)的能量。為此，本控制方法提出了阻尼器和地下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度比參數(shù)作為地下結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)性能參數(shù)，阻尼器-地下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比最優(yōu)設(shè)計(jì)性能參數(shù)值宜為0. 4至0. 5。在本范圍內(nèi)， 能夠保證耗能元件充分發(fā)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(jié)構(gòu)的抗震安全性。此外，地震發(fā)生時(shí)，地下結(jié)構(gòu)的上覆土層在地震豎向分量的作用下會(huì)加大傳遞至地下結(jié)構(gòu)中柱上的動(dòng)力荷載。因此，安裝在地下結(jié)構(gòu)中的阻尼器處于高軸壓狀態(tài)。本控制方法提出了高軸壓比參數(shù)，以便根據(jù)軸壓比參數(shù)調(diào)節(jié)阻尼器加勁肋剛度，以承受地下結(jié)構(gòu)的高軸壓工況、滿足其安全和使用的承載力需求。上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明的范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中部分非承載構(gòu)件。
2.如權(quán)利要求1所述的用于地下結(jié)構(gòu)的耗能減震控制方法，其特征在于所述剪切型阻尼器設(shè)置于地下結(jié)構(gòu)的柱子或主梁中，并采用間柱型或支撐型方式連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于地下結(jié)構(gòu)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(quán)利要求3所述的用于地下結(jié)構(gòu)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(jù)實(shí)際地下結(jié)構(gòu)尺寸和要求耗能量確定。
5.如權(quán)利要求3所述的用于地下結(jié)構(gòu)的耗能減震控制方法，其特征在于當(dāng)滯回耗能腹板周圍具有可靠的邊緣約束時(shí)，取消剛性連接板和/或翼緣。
6.如權(quán)利要求3所述的用于地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(quán)利要求3所述的用于地下結(jié)構(gòu)的耗能減震控制方法，其特征在于當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)有下部通行要求時(shí)，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(quán)利要求3所述的用于地下結(jié)構(gòu)的耗能減震控制方法，其特征在于根據(jù)實(shí)際安裝條件，滯回耗能腹板上單側(cè)或雙側(cè)焊接橫向加勁肋和縱向加勁肋。
9.如權(quán)利要求3所述的用于地下結(jié)構(gòu)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(xì)比參數(shù)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于板件的要求時(shí)，滯回耗能腹板上不設(shè)置橫向加勁肋或縱向加勁肋，但須通過疲勞試驗(yàn)證明。
10.如權(quán)利要求1或2所述的用于地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)度比參數(shù)作為地下結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)性能參數(shù)，其參數(shù)范圍為0. 4 至 0. 5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中部分非承載構(gòu)件，剪切型阻尼器通過間柱型或支撐型方式連接設(shè)置于地下結(jié)構(gòu)的柱子或主梁中。剪切型阻尼器采用支撐型連接方式時(shí)，其上部剛性連接板與框架結(jié)構(gòu)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(shí)，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(fā)明通過上述剪切耗能機(jī)制，吸收和耗散地震輸入的大部分能量，從而減輕地下結(jié)構(gòu)的破壞甚至抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)而不產(chǎn)生破壞，實(shí)現(xiàn)保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的，滿足地下工程的安全運(yùn)營和使用設(shè)計(jì)要求。
文檔編號(hào)E02D27/34GK102268878SQ20111016852
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者卞國強(qiáng), 李景琳, 毛無衛(wèi), 陳之毅, 黃雨 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)