钢筋混凝土周期性减震结构及施工方法

摘要

本发明公开了一种钢筋混凝土周期性减震结构，包括竖向支承结构和水平传力结构，竖向支承结构包括柱、墙、主梁和次梁，水平传力结构包括楼板和屋面板，所述的竖向支承结构为整体浇筑而成，水平传力结构安放在竖向支承结构上，水平传力结构的底面和竖向支撑结构之间设置有弹性体元件；相邻的水平传力结构的侧表面之间或者水平传力结构与竖向支撑结构的侧表面之间设置有弹性体元件。本发明的混凝土房屋结构中楼面板或屋面板作为周期性减震元件的原理和方法，既能保证楼板和屋面板满足应有的正常使用功能，又可有效降低建筑物的地震反应，同时还能保证主体竖向支承结构按理想塑性模式形成耗能机构的实现。

说明书

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土结构抗震技术领域，特别是涉及一种 混凝土楼板或屋面板作为周期结构元件和结构其它构件共同形成 周期结构减震的构造和施工方法。

背景技术

随着对建筑结构震害调查分析和研究的深入，建筑物的抗震及 控振技术也蓬勃发展并取得阶段性成果。在各类抗震技术中，基础 隔震技术是在建筑物基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由 橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成具有复位功能的隔震层，以延 长整个结构体系的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用， 达到预期防震要求；消能减震技术则是在房屋中设置消能器，通过 消能器的相对变形和相对加速度提供附加阻尼，以消耗输入结构的 地震能量，达到预期防震减震要求。

基础隔震方法在水平方向有适宜的刚度特性、阻尼水平和完善 的连接构造，因而在消除水平地震影响方面卓有成效，但当建筑物 高度较高或高宽比较大时，水平地震或竖向地震引起的支座竖向拉 拔力极易引起橡胶支座失效，同时橡胶支座竖向承载的受力特征， 也使得其在竖向的耗能或对建筑物周期调节难以达到，因此橡胶隔 震支座用于多层和高宽比较小的房屋比较多。再由于基础竖向沉降 差及支座间水平相对位移均对橡胶隔震支座的隔震性能有敏感影 响，需要橡胶支座下基础的整体性和稳定性均达到较高水平，地基 处理和基础建设费用有显著上升。

消能减震技术中的消能减震器需要通过较大的相对变形和相对 加速度来耗散能量，当建筑物刚度较大、层间位移角等较小时，难 以达到预期减震效果；同时，消能减震器元器件的制作加工成本较 高，大量设置时成本较大，但局部设置时则由于实际结构和计算分 析模型的不完全匹配而造成减震效果的大幅降低。

近几年来逐渐兴起的周期性结构减震技术，是一种新的建筑物 减震思想。该技术以电子能带理论为基础，将声子晶体材料的物理 特征移植到建筑结构的减震隔震技术中来。周期结构是具有不同弹 性性质的材料在空间按一定的周期排列，当波在周期结构中传播时， 通过低损耗高反射，形成部分频率波的消减和削弱，这部分频率称 为“禁带”。周期结构的这种振动带隙特性为减振技术的发展指出了 一条新的道路。

现有的周期结构隔震或减震技术，主要研究方向在建筑物基础 部位。通过设置理想化的周期性材料范围和拓扑方式，来探讨所能 达到的频率禁带指标，当这些频率与上部结构频率相近时，可为减 小上部建筑的地震输入服务；同时，通过设置不同维度的周期性结 构，来消减多方向的地震能量输入。由于该技术的理论基础需要周 期材料的布置为理想的无限范围，在研究过程中则取尽可能大的轮 廓尺寸来做分析，由于基础范围有限，实际工程应用时会存在一定 误差；另外，特有带隙的频率特征和场地的特征周期、建筑物的自 振周期等在现阶段还有一定距离，不能很好的达到减震效果。

在基础中采用周期结构进行分析时，周期结构未将上部结构纳 入自身的一部分，而只将上部结构作为服务的对象。如果将上部结 构的各种构件通过某种构造措施使其也具有周期结构的特征，则会 充分利用建筑物本身的波动功能，来消减来自地基基础的地震输入 能量。尤其当上部建筑高度较高、体量较大时，周期性结构更易形 成，克服了与禁带理论基本假定的过大出入。和其他减震技术相比， 在成本控制可实践操作方面也都有很好的发展前景。

另外，传统的现浇梁板结构，由于楼板与梁的整体浇筑，造成 梁柱节点处梁的负弯矩承载力超过其设计能力，使得概念设计中的 强柱弱梁失效模式难以形成，造成柱体或梁柱节点区先行破坏，从 而造成建筑物倒塌。

针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢筋混凝土主要结构构件——竖向支 承构件和楼板、屋盖板形成周期性结构，从而实现结构减震的结构 以及该结构的施工方法，既能保证各部位构件原有的建筑和结构使 用功能，同时又赋予其独特的减震和抗震使命。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：一种钢筋混 凝土周期性减震结构，包括竖向支承结构和水平传力结构，竖向支 承结构包括柱、墙、主梁和次梁，水平传力结构包括楼板和屋面板， 所述的竖向支承结构为整体浇筑而成，竖向支承结构上安放有水平 传力结构，水平传力结构的底面和竖向支撑结构之间设置有弹性体 元件；相邻的水平传力结构的侧表面之间或者水平传力结构与竖向 支撑结构的侧表面之间设置有弹性体元件。

所述的竖向支撑结构为框架结构，所述的水平传力结构为楼板， 竖向支撑结构的主梁、次梁为花篮梁，楼板分块放置在主梁和次梁 分隔形成的区格内，每个区格的楼板通过楼板底表面及楼板侧表面 的弹性元件和周边竖向支撑结构形成波动和动力传导机制。

所述的竖向支撑结构为墙体构件，所述的水平传力结构为楼板， 墙体在楼板处做条带状挑耳，竖向支撑结构的主梁、次梁为花篮梁， 楼板分块放置在主梁、次梁及墙体分隔成的区格内，每个区格的楼 板通过楼板底表面及侧表面的弹性元件和周边竖向支承结构形成波 动和动力传导机制。

所述的水平传力结构为楼板，楼板跨越竖向支承结构的梁系做 成连续板时，楼板通过楼板底表面与梁系之间的弹性元件的水平剪 切刚度和水平变形，使楼板和主梁、次梁及柱、墙形成波动和动力 传导机制。

利用楼板侧表面弹性元件的拉压刚度和拉压弹性时，楼板底表 面与竖向支承构件间的弹性元件可用钢辊轴或钢滚珠传递竖向荷 载。

本发明还提供了钢筋混凝土周期性减震结构的施工方法，包括 以下步骤，

a）将混凝土结构的主体竖向支承结构的构件，包括柱、墙及楼面主 梁、次梁先行采用整体浇筑施工完毕；

b）在主梁或者次梁的梁上以及梁侧或墙上的挑耳处安装弹性元件， 或设置钢辊轴或钢滚珠作为支承楼板竖向荷载的元器件；

c）吊装安放楼板、屋盖或现浇楼板、屋盖在设置好的弹性元件上， 楼板通过这些弹性元件在正常使用时传递竖向荷载，在地震作用时 通过这些元件和柱、墙、梁形成波动和动力传导机制。

前述的弹性元件为橡胶垫或钢弹簧

本发明的有益效果是：

和其它隔震及减震技术相比，本发明的钢筋混凝土结构主体设 计成周期结构来达到减震目的具有以下创新：

1、将周期结构在基础隔震中的研究拓展到上部主体结构中，极 大地丰富了周期结构减震技术在建筑结构中的应用，不但能克服周 期结构基础隔震的诸多技术困难，同时能有效利用上部主体丰富的 构件系统来形成有效的结构的周期性特征，可通过分块、分层设置 等来达到最佳的减震目的；

2、充实了结构减震与控振技术的理论体系和实施方法，从传统 的基础隔震、消能减震技术思想扩展到利用结构周期性特征来达到 波能反射和消减目的，减小结构的地震反应；

3、周期结构的节点构造实施简单、制作方便，对建筑物的正常 使用没有影响。高层结构上设置时也不会因整体受弯引起的拉拔力 而受到影响。在成本投入上也比传统的消能减震技术容易控制；

4、周期结构的减震原理对结构阻尼的要求较低，与其它减震结 构相比容易实施；

5、梁柱节点与楼板非整浇连接的构造措施明确了各自的功能划 分，能够使强柱弱梁的延性结构概念得以完全展现。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更 好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明 的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本 发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明 的不当限定，其中：

图1是本发明的钢筋混凝土周期结构的施工步骤图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3发明的混凝土周期性结构中竖向支承结构、分块楼屋盖系 统及弹性元件之间连接构造示意图；

图4是本发明的混凝土周期性结构中竖向支承结构、跨区域楼 屋盖系统及弹性元件之间连接构造示意图；

图5是梁柱节点处楼板与节点区域的脱离构造。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面 结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的结构上部主体各构件形成周期结构的原理和实施方法 可以适用于所有带楼板的钢筋混凝土建筑结构。

参照图1、图2，图1示出本发明的周期性结构形成的施工顺序 方法实例，包括以下步骤：

步骤101，将混凝土结构的主体竖向支承结构的构件，包括柱、 墙及楼面主梁、次梁先行采用整体浇筑施工完毕；

步骤102，在主梁或者次梁的梁上以及梁侧或墙上的挑耳处安装 弹性元件，或设置钢辊轴或钢滚珠作为支承楼板竖向荷载的元器件； 这种设定可以是在每一层进行，也可以根据设计要求在指定楼层进 行；

步骤103，吊装安放楼板、屋盖或现浇楼板、屋盖在设置好的弹 性元件上，楼板通过这些弹性元件在正常使用时传递竖向荷载，在 地震作用时通过这些元件和柱、墙、梁形成波动和动力传导机制。

参照图3，示出本发明的楼、屋盖构件分块布置的连接构造措施。 当楼板2在墙12或梁13形成的区格内分块布置时，楼板2和区格 周边的其他主体构件1通过弹性体元件3相互作用形成周期性结构。 楼板2支承在梁耳131或墙耳121上可通过滑动辊轴或滚珠4，也可 通过橡胶垫32传递竖向荷载。

参照图4，示出本发明的楼、屋盖构件区域布置的连接构造措施。 当楼板2跨越梁13连续布置在较大区域内时，楼板2和区域边缘的 其他主体构件1通过弹性体元件3相互作用形成周期性结构；在跨 越中间楼面梁时，在楼板2下设置弹性体元件3或滑动辊轴或滚珠4。 当楼板2下设置弹性体元件3时，不但通过弹性体元件3传递竖向 荷载，也通过其水平剪切刚度形成周期性结构。

参考图5，示出本发明的周期性结构在梁柱节点处的连接构造， 楼板2不与梁柱节点14整体连接，虽降低了楼板与梁柱的整体性， 但可使梁端上部的塑性铰按设计要求出现，达到大震下结构主体的 耗能。

本发明的实施例所述的弹性元件3可以采用橡胶垫、橡胶块或 者钢弹簧。

以上对本发明所提供的混凝土结构主体形成周期结构的原理和 实施方法及连接构造进行了详细介绍，本文中应用了具体案例对本 发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助 理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人 员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。