[发明专利]一种用于地下框架结构的叠层加芯柱及其施工方法

说明书

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。

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插入叠层空心结构中，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。