[发明专利]一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱

说明书

本发明公开了一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，包括内部芯柱、外侧预制叠层空心柱段、空心柱段间减阻装置、串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒。芯柱截面尺寸小，长细比大，水平变形能力强，易于达到结构的变形需求；外侧柱段纵向不连续，柱段间可发生相对错动，较少承担剪力，主要承担竖向荷载；芯柱与外侧柱段互为约束和支撑，两者共同作用，优势互补。叠层加芯柱可实现大轴压比下中柱的变形能力大于侧墙，当侧墙达到变形极限时，中柱的竖向承载能力不会明显下降，避免结构因中柱薄弱而过早破坏。本发明解决了典型地下框架结构中柱水平变形能力不足的问题，同时构造简单、安装方便，符合建筑工业化趋势。

技术领域

本发明涉及土木工程设计与施工领域，尤其涉及地下结构抗震领域，具体的说，是一种适用于提高地下框架结构抗震性能的叠层加芯柱。

背景技术

柱作为最重要的竖向承重构件，对其承载力和延性的要求也日益提高。地铁车站结构包括支撑两侧土体的侧墙，承受上部荷载的顶板，设置于底部土体上的底板，顶板和底板之间设有对顶板进行支撑的中柱，多层结构还设置平行于底板的中板。由于地铁安全等级高，上覆土体重，设计时为满足要求，地下结构往往设计成强墙板梁、弱柱的结构体系，形成箱体的墙、板、梁刚度较大、延性好，具有较强的抗震能力，中柱轴压比大，水平变形能力小，成为结构在地震中的薄弱环节。

高轴压比柱的低周往复荷载试验表明：随着轴压比的增大，试件的极限变形能力呈现明显减小趋势。轴压比过高不仅会使构件在较小位移延性比下即出现明显强度退化和较大位移延性比下出现滞回环不稳定现象，而且容易突然丧失对竖向荷载的承受能力。

大量试验和震害结果表明，柱的一种主要破坏模式为：水平往复荷载作用下，柱脚和柱顶塑性铰区混凝土承受反复交替的拉压荷载，受拉侧产生水平裂缝，受压侧产生竖向裂缝，最终混凝土被压碎剥落，纵筋屈服外鼓呈灯笼状，柱丧失竖向承载能力而破坏。究其原因，柱顶和柱底弯矩最大，截面上的应力分布严重不均。在受拉侧产生拉应力导致混凝土开裂，削弱了混凝土的抗压能力；受压侧截面压应力大，甚至超过混凝土的极限抗压承载力，导致混凝土压碎，钢筋压屈。

1995年日本阪神地震(M7.2)，大开车站发生严重破坏，中柱破坏导致顶板塌陷、地表沉降。相关研究表明，中柱的变形能力小于侧墙的变形能力，在同样变形的情况下，中柱先丧失竖向承载能力，导致车站结构整体倒塌，而侧墙基本完好。

柱的变形能力的主要影响因素有轴压比、剪跨比和配箍率。减小轴压比往往需要增大柱截面，造成截面刚度过大，剪跨比过小，易发生剪切破坏。提高配箍率对于其变形能力的影响有限。

发明内容

为了解决传统地下框架结构中柱因水平变形能力不足而成为抗震薄弱环节的问题，提高中柱在高轴压比下的变形能力，保证大变形下中柱不会丧失竖向承载能力。本发明提供了一种可提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种提高地下框架结构体系抗震性能的叠层加芯柱，其特征在于，包括内部芯柱(1)、外侧预制叠层空心柱段(2)、空心柱段间减阻装置(3)、串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒(4)。外侧预制叠层空心柱段(2)由各预制层依次叠加组成中空结构，内部芯柱(1)与外侧预制叠层空心柱段(2)中间的中空结构相配合，空心柱段间减阻装置(3)设置在外侧预制叠层空心柱段(2)的各预制层之间；串联空心柱段的预应力钢绞线或钢棒(4)纵向插入在外侧预制叠层空心柱段(2)的预留孔内。

所述的内部芯柱(1)截面尺寸小，长细比大，变形能力强。包括但不限于：增加配筋量的钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱或纤维混凝土柱。

所述的外侧预制叠层空心柱段(2)为预制构件，包括但不限于钢管混凝土柱段或高配箍率钢筋混凝土柱段，混凝土采用高强混凝土，提高柱段受压性能。