阅读说明：本技术 一种用于地下框架结构的叠层加芯柱及其施工方法 (A kind of core-added laminated column and its construction method for ground frame structures under action ) 是由 路德春 吴春玉 杜修力 马一丁 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于地下框架结构的叠层加芯柱及其施工方法,包括芯柱、预制空心柱段和摩擦层。芯柱截面尺寸小,长细比大,层间变形能力强；预制空心柱段竖向叠加在芯柱外侧,水平层间变形时,各柱段之间发生相对错动,承担的剪力和弯矩较小,可充分发挥竖向承载功能。本发明叠层加芯柱在保证竖向承载能力不降低的情况下,能显著提高地下框架结构立柱的层间变形能力,进而改善地下结构关键立柱的抗震性能。同时,本发明叠层加芯柱构造简单、施工方便,且预制构件质量易于控制,符合建筑工业化趋势。(The invention discloses a kind of core-added laminated columns and its construction method for ground frame structures under action, including stem, precast hollow shell of column and frictional layer.Stem sectional dimension is small, and slenderness ratio is big, and stratified deformation ability is strong；Precast hollow shell of column is vertically superimposed upon on the outside of stem, when horizontal stratified deformation, the opposite changing of the relative positions occurs between each shell of column, the shearing and moment of flexure undertaken is smaller, can give full play to vertical bearing function.Core-added laminated column of the present invention can significantly improve the stratified deformation ability of ground frame structures under action column in the case where guaranteeing that vertical bearing capacity does not reduce, and then improve the anti-seismic performance of underground structure key column.Meanwhile it is core-added laminated column simple structure of the present invention, easy for construction, and prefabricated components quality is easily controllable, meets building industrialization trend.)

一种用于地下框架结构的叠层加芯柱及其施工方法

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，是一种用于地下框架结构的叠层加芯柱及其施工方法。

背景技术

1995年日本阪神地震中，大开地铁车站发生塌毁破坏。相关研究表明，立柱是地下框架结构的薄弱环节，立柱的破坏导致了结构顶板的折断，进而引起整个结构的塌毁以及地面的沉陷。与侧墙相比，立柱的轴压比较大而变形能力较小，在相同层间变形的情况下，立柱因变形能力不足而率先破坏是导致其丧失竖向承载功能的内在原因。因此，地下结构抗震性能提升的关键在于提高立柱的层间变形能力，同时保证立柱具有足够的竖向承载能力。

在地下框架结构中，竖向荷载由立柱和侧墙共同承担，且立柱相对较小的截面面积承担了更多的竖向荷载。在地震作用过程中，结构在周围土体的强制变位下发生水平层间位移，由于立柱的抗侧刚度远小于侧墙，立柱承担的水平荷载很小。因此，地下框架结构立柱的主要功能是承担竖向荷载。采取适当的构造措施，弱化立柱的水平承载能力，从而改善立柱对结构层间相对变形的适应能力，对于立柱抗震性能的提升是有利的。

影响立柱层间变形能力的主要因素有轴压比、长细比和配箍率等。减小轴压比可以增大立柱的层间变形能力，然而，为满足竖向承载需求，需要：(1)增大立柱的截面面积，这与增大长细比相矛盾；或(2)设置更多的立柱，这往往会影响结构的使用功能。提高配箍率能够改善立柱的层间变形能力，但提高程度有限。

发明内容

为了解决传统地下框架结构立柱因层间变形能力不足而成为抗震薄弱环节的问题，提高地铁车站立柱的层间变形能力，保证大变形下立柱不会丧失竖向承载能力。本发明提供了一种用于地下框架结构的叠层加芯柱及其施工方法。

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，包括芯柱1、预制空心柱段2和摩擦层3。预制空心柱段2在竖向叠加组成叠层空心结构；芯柱1***叠层空心结构中，与各预制空心柱段2相配合；芯柱1与预制空心柱段2之间存在变形空间4，摩擦层3设置在各预制空心柱段2之间。

所述的芯柱1为钢管混凝土柱，芯柱1的截面尺寸小，长细比大，变形能力强，除分担一定的剪力和弯矩外，芯柱1的主要功能是协调外侧预制空心柱段2的水平变形。

所述的预制空心柱段2为钢筋混凝土环形构件，多个预制空心柱段2在竖向叠加，形成竖向承重体系，即叠层空心柱段。叠层空心柱段的水平层间变形模式表现为柱段之间的相对错动，叠层空心柱段的竖向承载能力可通过提高混凝土强度等级或提高配筋率来强化。

所述的预制空心柱段2的内圆半径沿高度变化，形成芯柱1与预制空心柱段2之间的变形空间4，变形空间4可避免叠层空心柱段在滑动过程中对芯柱的剪切作用，保证芯柱1发生弯曲变形而预制空心柱段2之间发生水平相对错动。

所述的预制空心柱段2的外圆半径表示为R，内圆半径表示为r，其中，R沿高度保持不变，r沿高度逐渐变化。具体地说，顶部预制空心柱段2a顶端的内圆半径最小，等于芯柱1的截面半径，记为r＝r₁，此时芯柱1与预制空心柱段2a密贴；顶部预制空心柱段2a的底端的内圆半径最大，记为r＝r₂，此时芯柱1的半径r₁与预制空心柱段2a内圆半径r₂的之间差值最大，即变形空间4的宽度最大，表示为δ＝r₂-r₁；中部预制空心柱段2b对应的变形空间4的宽度从中间到两端逐渐增大，即芯柱1与预制空心柱段2b在中间密贴，在两端变形空间4达到最大宽度δ。底部预制空心柱段2c与顶部预制空心柱段2a关于水平面对称分布。r沿高度弧形变化，以适应芯柱1的弯曲变形特征。

所述的预制空心柱段2和摩擦层3完成安装并临时固定后，将预制钢管***叠层空心柱段的内部空腔中，进而向钢管内浇筑混凝土，形成钢管混凝土芯柱1。结构底梁5和顶梁6上设置杯口基础，在杯口基础处设置钢筋网伸入芯柱1的钢管中，实现芯柱1与结构底梁5和顶梁6的可靠连接。

所述的摩擦层3设置于预制空心柱段2之间，保证预制空心柱段2在水平荷载作用下能够发生水平相对错动。竖向荷载较小时，将润滑处理后的低摩擦合金材料固定到各预制空心柱段2的端部，形成摩擦系数较小的接触面以实现平滑滑动；竖向荷载较大时，在各预制空心柱段2之间嵌入水平抗剪刚度较小而竖向抗压刚度较大的橡胶层，利用橡胶层的水平变形实现各预制空心柱段2之间的相对水平错动；另外合理设计的滚球支座或辊轴支座也可以实现上述目的。

叠层加芯柱的设计原则为：在保证地下框架结构中立柱的竖向承载功能的前提下，通过合理设计预制空心柱段2的个数和变形空间4的宽度，提高立柱的水平向变形能力。其中，叠层加芯柱的竖向承载能力可通过有效截面面积计算；在不考虑芯柱1失效的条件下，叠层加芯柱变形能力与预制空心柱段2的个数和变形空间4的宽度δ成正比。

本发明的有益效果为：

1、叠层加芯柱在保证竖向承载能力不降低的情况下，能够显著提高地下结构立柱的层间变形能力，进而改善地下结构关键立柱的抗震性能。

2、叠层加芯柱受力简单。在静力荷载作用下，叠层加芯柱主要承担上部结构传递的竖向荷载；在水平地震作用下，围岩土体的相对变形作用到结构上并引起结构发生层间变形时，叠层加芯柱的外侧柱段之间发生相对错动，叠层加芯柱承担较小的剪力和弯矩。这与地下框架结构立柱的主要功能相适应，即承担竖向承载。

3、叠层加芯柱构造简单、安装方便，预制构件质量易于控制，符合建筑工业化趋势。

附图说明

图1为本发明叠层加芯柱的立体示意图。

图2为本发明预制空心柱段的剖面构造详图。

图3为本发明叠层加芯柱的施工流程图。

图4为本发明叠层加芯柱的变形模式示意图。

图中，1-芯柱；2-预制空心柱段(其中，2a-顶部预制空心柱段，2b-中部预制空心柱段，2c-底部预制空心柱段)；3-摩擦层；4-变形空间；5-底梁；6-顶梁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明叠层加芯柱的立体示意图如图1所示，包括芯柱1、预制空心柱段2、摩擦层3。预制空心柱段2在竖向叠加组成叠层空心结构；芯柱1***叠层空心结构中，与各预制空心柱段2相配合；芯柱1与预制空心柱段2之间存在变形空间4，摩擦层3设置在各预制空心柱段2之间。

芯柱1为钢管混凝土柱，芯柱1的截面尺寸小，长细比大，变形能力强，除分担一定的剪力和弯矩外，芯柱1的主要功能是协调外侧预制空心柱段2的水平变形。

预制空心柱段2为钢筋混凝土环形构件，多个预制空心柱段2在竖向叠加，形成竖向承重体系，即叠层空心柱段。叠层空心柱段的竖向承载能力可通过提高混凝土强度等级或提高配筋率来强化。

预制空心柱段2的内圆半径沿高度变化，形成芯柱1与预制空心柱段2之间的变形空间4，变形空间4可避免叠层空心柱段在滑动过程中对芯柱1的剪切作用，保证芯柱1发生弯曲变形而预制空心柱段2之间发生水平相对错动。

预制空心柱段2的剖面构造详图如图2所示(注：附图中的所有剖面均为图1中的A-A剖面)。预制空心柱段2的外圆半径表示为R，内圆半径表示为r，其中，R沿高度保持不变，r沿高度逐渐变化。具体地说，顶部预制空心柱段2a顶端的内圆半径最小，等于芯柱1的截面半径，记为r＝r₁，此时芯柱1与预制空心柱段2a密贴；顶部预制空心柱段2a的底端的内圆半径最大，记为r＝r₂，此时芯柱1的半径r₁与预制空心柱段2a内圆半径r₂的之间差值最大，即变形空间4的宽度最大，表示为δ＝r₂-r₁；中部预制空心柱段2b对应的变形空间4的宽度从中间到两端逐渐增大，即芯柱1与预制空心柱段2b在中间密贴，并在两端达到最大的变形空间宽度δ。底部预制空心柱段2c与顶部预制空心柱段2a关于水平面对称分布。r沿高度弧形变化，以适应芯柱1的弯曲变形特征。

摩擦层3设置于预制空心柱段2之间，保证预制空心柱段2在水平荷载作用下能够发生水平相对错动。竖向荷载较小时，将润滑处理后的低摩擦合金材料固定到各预制空心柱段2的端部，形成摩擦系数较小的接触面以实现平滑滑动；竖向荷载较大时，在各预制空心柱段2之间嵌入水平抗剪刚度较小而竖向抗压刚度较大的橡胶层，利用橡胶层的水平变形实现各预制空心柱段2之间的相对水平错动；另外合理设计的滚球支座或辊轴支座也可以实现上述目的。

图3为本发明叠层加芯柱的施工流程图。S1：现浇底梁5，预留芯柱1柱底杯口，杯口中伸出连接钢筋；S2：将端部嵌入低摩擦合金板的预制空心柱段2整齐叠放于底梁5的杯口上方，临时固定；S3：将芯柱1的钢管通过叠层空心柱段的空腔***底梁5的杯口中；S4：向钢管中浇筑混凝土，形成钢管混凝土芯柱1，芯柱1顶部设置部分钢筋与顶梁6连接；S5：支模现浇顶梁6，顶梁6底部制作为柱帽的形式，芯柱1伸出部分与顶梁6现浇结合。

图4为本发明叠层加芯柱的变形模式示意图。在水平荷载作用下，芯柱1表现为弯曲变形，叠层空心柱段表现为预制空心柱段2之间的相对错动。芯柱1协调预制空心柱段2的水平变形，预制空心柱段2对芯柱1的约束作用可避免芯柱1发生失稳破坏。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容不能被认为用于限定本发明的实施范围，凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。