CN110984225B - 一种拱式变刚度耗能减震地下结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种拱式变刚度耗能减震地下结构及施工方法，属于地下结构减震技术领域。结构包括含拱门式框架、主动变刚度装置、高阻尼橡胶隔层和锚索；含拱门式框架包括立柱、连续梁、钢管拱、拱上支撑柱、刚性垫块、定滑轮和传感器；主动变刚度装置包括方形外筒、矩形滑动块、形状记忆合金丝和紧绳器；刚性垫块顶面与方形外筒底面形心对准并焊接，立柱与土体之间的空隙填充高阻尼橡胶隔层，锚索一端穿过定滑轮和拱上支撑柱与紧绳器焊接连接，另一端穿过立柱和高阻尼橡胶隔层锚固于稳定土层中。利用形状记忆合金马氏体相变形状记忆效应，并与高阻尼橡胶隔层共同工作，主动给框架结构附加了刚度，避免了地下结构与土体发生共振，使地下结构具有较好抗震性能。

Description

一种拱式变刚度耗能减震地下结构及施工方法

技术领域

本发明涉及耗能减震地下结构技术，属于地下结构减震技术领域。

背景技术

地震震灾具有随机性、突发性和不确定性等特点，灾后调查显示，地下结构在强震作用下也会发生严重的破坏，并且由于地下结构的特殊性质，其一旦发生震害后不仅救援困难，而且可能对其邻近地面建筑物造成影响；灾后重建时，地下结构本身修复困难而又代价昂贵。因此，提高地下结构的抗震性能是地下工程设计的重要组成部分。

近年来随着经济发展和城市化进程加速，城市用地越显紧张，地下空间的开发和利用率逐年增高，地铁、地下停车场、地下商业街等大规模地下建筑物的修建，一旦发生强震很可能造成巨大的损失，故地下结构的抗震设计是保证地下结构安全的重要部分。目前，地下结构物大部分通过加强结构构件自身的强度和刚度或利用构件弹塑性变形和消能装置来耗散地震输入的能量，如申请号为CN201520439127.3的专利公开了一种地铁车站地下抗震结构，通过将抗震装置安装在地下外墙体上来减小地震影响；申请号为CN201510140581.3的专利公开了一种地下储存库立体加油站抗震结构，通过在加油区域底部和多个油液室之间形成有T型震波释放腔来降低地震灾害损失。然而这些方法都是通过被动控制来达到预期减震目的，其只适用于窄工作频带，而在较宽工作频带或可能遇到的随机冲击等条件下不具备良好的减震效果，故要克服上述缺点，必须使地下结构构件做到可以根据外界环境的变化，自适应地主动调节其工作参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种拱式变刚度耗能减震地下结构及施工方法。

本发明是一种拱式变刚度耗能减震地下结构及施工方法，其结构包括含拱门式框架1、主动变刚度装置2、高阻尼橡胶隔层3和锚索4；含拱门式框架1包括立柱5、连续梁6、钢管拱7、拱上支撑柱8、刚性垫块9、定滑轮16和传感器19；连续梁6内侧底部中心位置处设有传感器19；立柱5与连续梁6在端部垂直连接并浇筑形成门式框架，立柱5中部设有卡槽10，钢管拱7的拱脚伸进卡槽10卡在立柱5中部位置处；拱上支撑柱8一端与钢管拱7的拱肩焊接连接，另一端与连续梁6内侧底部浇筑为一体，刚性垫块9的弧形底面焊接于钢管拱7拱顶，且刚性垫块9的弧形底面形心与钢管拱7拱顶对准，定滑轮16设置在拱上支撑柱8的外侧，且定滑轮16的支座安装于连续梁6的底部；主动变刚度装置2包括方形外筒11、矩形滑动块12、形状记忆合金丝13a、13b和紧绳器14；方形外筒11内侧端部设置凸体；矩形滑动块12由槽钢17和热电制冷片18组成，将槽钢17槽口对接安装形成一个腔体，腔体内固定安装热电制冷片18；方形外筒11内侧预留凹槽式滑道，滑道上安装矩形滑动块12，且矩形滑动块12位于方形外筒11的端部凸体之间；一组形状记忆合金丝13a等间距焊接在两个矩形滑动块12之间，其中形状记忆合金丝13a的端部与矩形滑动块12内侧面焊接连接，另一组形状记忆合金丝13b等间距焊接在矩形滑动块12和拱上支撑柱8之间，其中形状记忆合金丝13b的一端与矩形滑动块12外侧面焊接连接，另一端与拱上支撑柱8内侧面固定，紧绳器14的端部焊接在矩形滑动块12的外侧面形心位置处；高阻尼橡胶隔层3是等直径球状高阻尼橡胶颗粒填充而成的矩形板；含拱门式框架1上的刚性垫块9顶面与主动变刚度装置2上的方形外筒11底面形心对准并焊接，含拱门式框架1的立柱5与土体之间的空隙填充高阻尼橡胶隔层3，锚索4一端穿过含拱门式框架1的定滑轮16和拱上支撑柱8与主动变刚度装置2的紧绳器14焊接连接，另一端穿过含拱门式框架1的立柱5和高阻尼橡胶隔层3锚固于稳定土层中，形成拱式变刚度耗能减震地下结构。

本发明的拱式变刚度耗能减震地下结构的施工方法，其步骤为：

（1）明挖地铁车站至设计标高，首先架设立柱5和连续梁6的模板，在立柱5相应设计处预留锚孔15及卡槽10，在连续梁6下部预埋拱上支撑柱8和定滑轮16，其次对立柱5和连续梁6整体浇筑混凝土形成含拱门式框架1，待混凝土达到设计强度后拆除模板，在立柱5外侧填充高阻尼橡胶隔层3，在连续梁6下方中部安装传感器19；

（2）预制钢管拱7，将钢管拱7的拱脚对准卡槽10安装完成，在钢管拱7设计位置处焊接拱上支撑柱8和刚性垫块9；

（3）预制主动变刚度装置2，将主动变刚度装置2焊接在刚性垫块9上，并通过钢丝绳将含拱门式框架1内部的各个主动变刚度装置2串联连接，将形状记忆合金丝13b竖向对称焊接在滑动块12和拱上支撑柱8之间；

（4）将锚索4一端穿过连续梁6下部的定滑轮16与紧绳器14焊接，另一端穿过立柱5的预留锚孔15和高阻尼橡胶隔层3注浆锚固于稳定土层中。

本发明的有益效果：本发明与现有的地下结构技术相比，具有以下优点：（1）相邻两个立柱之间架设钢管拱，通过拱上支撑柱将连续梁的部分荷载传递到钢管拱，充分利用拱效应原理，可以大幅度提升框架连续梁的抗弯刚度和竖向承载力，优化了连续梁受力，因此可以适当的增加地下结构的跨度，使得地下结构的空间更加宽敞；（2）钢管拱和连续梁之间设置的主动变刚度控制系统，通过热电致冷片给形状记忆合金加热升温，使其充分发挥形状记忆效应，能够适应不同的能量级荷载，主动地将锚索锚固力附加给框架结构，使框架结构具有自适应变刚度能力，减小了框架主体结构与土体之间的刚度差异，同时结合高阻尼橡胶隔层可以更有效地改善地下结构耗能能力；（3）本发明结构可广泛用于地下结构减震，且承载力高、空间利用率合理、制造成本低以及后期维护方便等优点。

附图说明

图1是本发明地下结构标准段横剖图；图2是本发明地下结构局部详图；图3是本发明地下结构主动变刚度装置2的示意图； 附图标记说明：含拱门式框架1、主动变刚度装置2、高阻尼橡胶隔层3、锚索4、立柱5、连续梁6、钢管拱7、拱上支撑柱8、刚性垫块9、卡槽10、方形外筒11、矩形滑动块12、形状记忆合金丝13a、形状记忆合金丝13b、紧绳器14、锚孔15、定滑轮16、槽钢17、热电制冷片18、传感器19。

具体实施方式

本发明引入一种智能材料形状记忆合金，将地下结构和形状记忆合金有机结合，提出一种具有较大工作附加刚度，同时其又具有一定的主动调节范围的拱式变刚度耗能减震地下结构及施工方法，可以使地下结构具有较好的抗震性能。

本发明的工作原理是：（1）拱效应原理：钢管拱通过拱上支撑柱承受上部框架连续梁传下来的力，同时使沿拱脚位置处横向方向的力相平衡，合理调整了连续梁的受力状态，钢管拱变形量沿着拱面或弧面即变形量是弧线型，使得框架结构受力性能良好；（2）主动变刚度耗能减震原理：（a）当振动频率较小的情况下，结构与土体相对位移也较小，电源不启动，热电制冷片不对形状记忆合金丝加热，因此形状记忆合金丝不发生马氏体相变，地下结构主要依靠安装在立柱侧面的高阻尼橡胶隔层来释放地震能量；（b）当外界振动激励较大且接近地下结构自振频率时，结构与土体间因发生共振会产生相当剧烈的相对位移，传感器发出信号使电源启动对腔体内的热电制冷片通电，热电制冷片一侧加热，另一侧制冷，从而引起滑动块的一面温度升高，另一面温度降低，与滑动块内侧面接触的形状记忆合金丝由于受热升温发生马氏体相变，其收缩会产生相当大的回复力，从而带动方形外筒里的内滑动块拉伸锚索发生向内运动；同时与滑动块外侧面相接触的形状记忆合金丝，由于其冷却伸长的形变效果又进一步顺应了这种运动，锚索受到拉伸后将锚固于土体中的锚固力通过形状记忆合金丝传给地下结构，给地下结构附加了一定的刚度，减小了与周围土体的刚度差异，使地下结构没有固定的自振频率，避免结构发生共振，从而减小地震作用下地下结构反应。

下面结合附图及具体实施实例对本发明进一步说明，所举实例只用于解释本发明并非仅限于本实例。在阅读本发明后，凡在本发明原理内所做的等同替换、修改都属于本发明的保护范围。

如图1~图3所示，本发明是一种拱式变刚度耗能减震地下结构及施工方法，结构包括含拱门式框架1、主动变刚度装置2、高阻尼橡胶隔层3和锚索4；含拱门式框架1包括立柱5、连续梁6、钢管拱7、拱上支撑柱8、刚性垫块9、定滑轮16和传感器19；连续梁6内侧底部中心位置处设有传感器19；立柱5与连续梁6在端部垂直连接并浇筑形成门式框架，立柱5中部设有卡槽10，钢管拱7的拱脚伸进卡槽10卡在立柱5中部位置处；拱上支撑柱8一端与钢管拱7的拱肩焊接连接，另一端与连续梁6内侧底部浇筑为一体，刚性垫块9的弧形底面焊接于钢管拱7拱顶，且刚性垫块9的弧形底面形心与钢管拱7拱顶对准，定滑轮16设置在拱上支撑柱8的外侧，且定滑轮16的支座安装于连续梁6的底部；主动变刚度装置2包括方形外筒11、矩形滑动块12、形状记忆合金丝13a、形状记忆合金丝13b和紧绳器14；方形外筒11内侧端部设置凸体；矩形滑动块12由槽钢17和热电制冷片18组成，将槽钢17槽口对接安装形成一个腔体，腔体内固定安装热电制冷片18；方形外筒11内侧预留凹槽式滑道，滑道上安装矩形滑动块12，且矩形滑动块12位于方形外筒11的端部凸体之间；一组形状记忆合金丝13a等间距焊接在两个矩形滑动块12之间，其中形状记忆合金丝13a的端部与矩形滑动块12内侧面焊接连接，另一组形状记忆合金丝13b等间距焊接在矩形滑动块12和拱上支撑柱8之间，其中形状记忆合金丝13b的一端与矩形滑动块12外侧面焊接连接，另一端与拱上支撑柱8内侧面固定，紧绳器14的端部焊接在矩形滑动块12的外侧面形心位置处；高阻尼橡胶隔层3由等大小的球状高阻尼橡胶颗粒填充而成的矩形板；含拱门式框架1上的刚性垫块9顶面与主动变刚度装置2上的方形外筒11底面形心对准并焊接，含拱门式框架1的立柱5与土体之间的空隙填充高阻尼橡胶隔层3，锚索4一端穿过含拱门式框架1的定滑轮16和拱上支撑柱8与主动变刚度装置2的紧绳器14焊接连接，另一端穿过含拱门式框架1的立柱5和高阻尼橡胶隔层3锚固于稳定土层中，形成拱式变刚度耗能减震地下结构。

如图1~图3所示，含拱门式框架1两侧的立柱5中上部开设锚孔15，锚孔15的直径大于锚索4的直径10mm~15mm；锚索4的直径为15mm~20mm。

如图2所示，刚性垫块9的弧形底面与钢管拱7的拱顶具有相同的曲率，其曲率为0.1~0.2。

如图2、图3所示，拱上支撑柱8中部设置预留孔的直径为15mm~20mm；拱上支撑柱8对称设置在连续梁6下缘跨中两侧450mm~550mm处，定滑轮16距拱上支撑柱8外侧100 mm ~150mm。

如图2所示，一组形状记忆合金丝13a每隔30mm~40mm横向等间距焊接在两个矩形滑动块12之间，另一组形状记忆合金丝13b每隔40mm~50mm竖向等间距对称焊接在矩形滑动块12和拱上支撑柱8的侧面之间。

如图3所示，方形外筒11内侧端部设置的凸体高度为10mm~15mm。

如图1所示，高阻尼橡胶隔层3的厚度为300mm~400mm。

如图1~图3所示，本发明的拱式变刚度耗能减震地下结构的施工方法，其步骤如下：

（1）明挖地铁车站至设计标高，首先架设立柱5和连续梁6的模板，在立柱5相应设计处预留锚孔15及卡槽10，在连续梁6下部预埋拱上支撑柱8和定滑轮16，其次对立柱5和连续梁6整体浇筑混凝土形成含拱门式框架1，待混凝土达到设计强度后拆除模板，在立柱5外侧填充高阻尼橡胶隔层3，在连续梁6下方中部安装传感器19；

（2）预制钢管拱7，将钢管拱7的拱脚对准卡槽10安装完成，在钢管拱7设计位置处焊接拱上支撑柱8和刚性垫块9；

（3）预制主动变刚度装置2，将主动变刚度装置2焊接在刚性垫块9上，并通过钢丝绳将含拱门式框架1内部的各个主动变刚度装置2串联连接，将形状记忆合金丝13b竖向对称焊接在矩形滑动块12和拱上支撑柱8之间；

（4）将锚索4一端穿过连续梁6下部的定滑轮16与紧绳器14焊接，另一端穿过立柱5的预留锚孔15和高阻尼橡胶隔层3注浆锚固于稳定土层中。

Claims (6)

1.一种拱式变刚度耗能减震地下结构，其特征在于：包括含拱门式框架（1）、主动变刚度装置（2）、高阻尼橡胶隔层（3）和锚索（4）；含拱门式框架（1）包括立柱（5）、连续梁（6）、钢管拱（7）、拱上支撑柱（8）、刚性垫块（9）、定滑轮（16）和传感器（19）；连续梁（6）内侧底部中心位置处设有传感器（19）；立柱（5）与连续梁（6）在端部垂直连接并浇筑形成门式框架，立柱（5）中部设有卡槽（10），钢管拱（7）的拱脚伸进卡槽（10）卡在立柱（5）中部位置处；拱上支撑柱（8）一端与钢管拱（7）的拱肩焊接连接，另一端与连续梁（6）内侧底部浇筑为一体，刚性垫块（9）的弧形底面焊接于钢管拱（7）拱顶，且刚性垫块（9）的弧形底面形心与钢管拱（7）拱顶对准，定滑轮（16）设置在拱上支撑柱（8）的外侧，且定滑轮（16）的支座安装于连续梁（6）的底部；主动变刚度装置（2）包括方形外筒（11）、矩形滑动块（12）、形状记忆合金丝（13a、13b）和紧绳器（14）；方形外筒（11）内侧端部设置凸体；矩形滑动块（12）由槽钢（17）和热电制冷片（18）组成，将槽钢（17）槽口对接安装形成一个腔体，腔体内固定安装热电制冷片（18）；方形外筒（11）内侧预留凹槽式滑道，滑道上安装矩形滑动块（12），且矩形滑动块（12）位于方形外筒（11）的端部凸体之间；一组形状记忆合金丝（13a）等间距焊接在两个矩形滑动块（12）之间，其中形状记忆合金丝（13a）的端部与矩形滑动块（12）内侧面焊接连接，另一组形状记忆合金丝（13b）等间距焊接在矩形滑动块（12）和拱上支撑柱（8）之间，其中形状记忆合金丝（13b）的一端与矩形滑动块（12）外侧面焊接连接，另一端与拱上支撑柱（8）内侧面固定，紧绳器（14）的端部焊接在矩形滑动块（12）的外侧面形心位置处；高阻尼橡胶隔层（3）是等直径球状高阻尼橡胶颗粒填充而成的矩形板；含拱门式框架（1）上的刚性垫块（9）顶面与主动变刚度装置（2）上的方形外筒（11）底面形心对准并焊接，含拱门式框架（1）的立柱（5）与土体之间的空隙填充高阻尼橡胶隔层（3），锚索（4）一端穿过含拱门式框架（1）的定滑轮（16）和拱上支撑柱（8）与主动变刚度装置（2）的紧绳器（14）焊接连接，另一端穿过含拱门式框架（1）的立柱（5）和高阻尼橡胶隔层（3）锚固于稳定土层中，形成拱式变刚度耗能减震地下结构。

2.根据权利要求1所述的拱式变刚度耗能减震地下结构，其特征在于：所述的含拱门式框架（1）两侧的立柱（5）中上部开设锚孔（15），锚孔（15）的直径大于锚索（4）的直径。

3.根据权利要求1所述的拱式变刚度耗能减震地下结构，其特征在于：所述的含拱门式框架（1）在每一跨内各含有一个主动变刚度装置（2），钢丝绳穿过中间立柱（5）将每个主动变刚度装置（2）连接为一体。

4.根据权利要求1所述的拱式变刚度耗能减震地下结构，其特征在于：拱上支撑柱（8）中部设置预留孔的直径与锚索（4）的直径相等。

5.根据权利要求1所述的拱式变刚度耗能减震地下结构，其特征在于：所述的刚性垫块（9）的弧形底面与钢管拱（7）的拱顶具有相同的曲率。

6.根据权利要求1所述的拱式变刚度耗能减震地下结构的施工方法，其特征在于：其步骤为：

（1）明挖地铁车站至设计标高，首先架设立柱（5）和连续梁（6）的模板，在立柱（5）相应设计处预留锚孔（15）及卡槽（10），在连续梁（6）下部预埋拱上支撑柱（8）和定滑轮（16），其次对立柱（5）和连续梁（6）整体浇筑混凝土形成含拱门式框架（1），待混凝土达到设计强度后拆除模板，在立柱（5）外侧填充高阻尼橡胶隔层（3），在连续梁（6）下方安装传感器（19）；

（2）预制钢管拱（7），将钢管拱（7）的拱脚对准卡槽（10）安装完成，在钢管拱（7）设计位置处焊接拱上支撑柱（8）和刚性垫块（9）；

（3）预制主动变刚度装置（2），将主动变刚度装置（2）焊接在刚性垫块（9）上，并通过钢丝绳将含拱门式框架（1）内部的各个主动变刚度装置（2）串联连接，将形状记忆合金丝（13b）竖向对称焊接在矩形滑动块（12）和拱上支撑柱（8）之间；

（4）将锚索（4）一端穿过连续梁（6）下部的定滑轮（16）与紧绳器（14）焊接，另一端穿过立柱（5）的预留锚孔（15）和高阻尼橡胶隔层（3）注浆锚固于稳定土层中。

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