专利名称：柱件底部的包根式防震加固结构以及方法
技术领域：
本发明涉及柱件底部的包根式防震加固结构以及方法。
有关增加抗震能力的各种防震加固方法已经对现有的按照老的防震设计标准建起的建筑物，城市工程结构以及其它结构进行过研究，这种研究充分利用我们在大地震中的经验，例如在Hanshin大地震中高速公路遭到破坏后取得的经验，并且假定比以前发生的地震更大。例如，对于钢框的钢筋混凝土结构的防震加固方法来讲，提出的一个方法是将加固条绕在柱件上，并浇铸混凝土，以提高柱件的抗力，另一种方法是将钢板绕在柱件上，还有一种方法是将碳纤维板等绕在柱件的整个外周面上，上述方法在日本公开文献No.11-117541(117541/1999)中作了介绍。
对于象液化天然气(LNG)存储设备一类的装置来讲，虽然设备的结构不会被Hanshin大地震受到致命的损失，但会发生例如能量传送管线的破裂、支承管线的基座下沉等危险情况。所以，对管道系统基座的柱底震动特性进行了考察，对其防震加固方法进行了研究。
在这种情况下，可以有各种方法作为提高现有结构柱件的方法，使结构的防震性能得到加强。例如，一种方法在于可以对柱底和座进行大规模加固。但是，对座的防震加固有一个缺陷，这就是工程太复杂，从而需要很长的工期，很高的费用。
另一方面，在一种对露在地面上的柱底等进行加固而不需要对座进行大规模加固的方法中，其好处在于能够得到所需的足够的抗震性能，而且工作简单，从而使得工序时间周期缩短。
作为这种防震加固方法的例子是日本公开文献No.10-331437(331437/1998)中介绍的方法，其中连接一个加固金属，连接部位处于现有杆和柱在现有钢结构柱件上的连接位置处，从而增加杆-柱连接处的剪切和弯曲强度。
另外，日本公开文献No.10-18424(18424/1998)介绍的方法中，将加固的混凝土浇铸在钢柱下端附近，以便将钢柱与座连接，该方法作为结构的钢柱底的加固方法。
下面简述的问题是将上述柱底防震加固方法的构思用于结构管件系统基座时引起的，其中将钢柱件设置在一个桩的底座上。
传统的用于管件系统基座的防震加固的构思在于将σ设定为地震力作用到基座上的应力，f为基座允许的应力，σ/f为允许的单位应力，利用盖板加固柱和梁，使得由截面计算得到的允许的单位应力(σ/f)小于1，由此使刚性增加，从而结构经受的地震力比设计时的大。
另一方面，柱底防震加固通过在该柱底周围浇铸混凝土实现，从而减小对座的作用，防止底板弯折。下面描述管件系统基座的柱底的设计构思，假定用座支承柱底的方法以撑杆作为条件。
具体地说，1〕将钢柱连接到座件上的锚杆承担轴向力和剪切力，2〕座件承担锚杆的轴向力和剪切力引起的弯曲力矩，和3〕底板承担拉伸力和锚杆引起的拉伸力矩以及由柱引起的推拉力。
所以，如果通过将加固金属与杆-柱接头在钢柱下端连接而使钢柱底与座刚性连接，或象钢柱底的加固方法那样通过浇铸混凝土而使钢柱底与座刚性连接时，则用座支承柱底的方法从撑杆条件变成固定条件，因此剪切力和弯曲力通过一个界面传递到座上，加固金属或加固混凝土在该界面重新与柱底接触。由于在地震力增大时传递到座上的剪切力和弯曲力矩随地震力的力度而增加，所以在钢柱底与座刚性连接时，如果超过允许的单位应力，则座本身就不能经受住该应力，因而会发生断裂。
但是，传统上设计座的强度时，虽然保证在轴向力上有足够的安全系数，但实际上在弯曲力矩上的安全系数不如轴向力上的安全系数。所以也就发现，尽管将盖板设置在柱和杆上的防震加固适用于座的允许应力具有某些余量的情况，但用盖板简单加固柱和杆的防震加固方法，并不适用于将座的允许应力的安全系数设计有小余量的情况。
本发明克服了上述现有技术中的缺陷，因此本发明的目的在于提供一种包根式防震加固结构以及方法，其中在柱件底部和包根件之间设置一个缓冲部分，以便减少外力在柱底上产生的弯曲力矩，因而弯曲力矩不易传递到座件上，这样也就可以减少座件产生的弯曲力矩。
为了实现上述目的，本发明的包根式防震加固结构具有以下特征。具体地说，在该包根式防震加固结构中，将装在座件上的柱件底部用一个包根件加固，本发明的加固结构包括一个设置在柱件底部和包根件之间的缓冲部分。
所述缓冲部分最好是一个处于柱件底部和包根件之间的间隙。
所述缓冲部分最好是一个处于柱件底部和包根件之间的间隙，间隙中充有填料。
包根件和填料最好能对柱件变形时产生的弯曲力矩进行调节。
填料最好是具有防震橡胶的弹性变形材料，也可以是具有弹簧的弹性元件。
填料最好是具有金属材料或金属合金的塑性变形材料，也可以是塑性变形的结构元件。
包根件最好是混凝土包根件，其构成是将加固杆设置在柱底的外周和座件的上端部，将外绕环设置在加固杆的外周，以及将混凝土浇铸在外绕环内的空间中。
最好减轻外力在柱底上引起的弯曲约束力，调节柱底上产生的弯曲力矩，由此加固座件。
另外，本发明的包根式防震加固方法包括以下步骤。具体地说，在本发明的包根式防震加固方法中，用一个包根件对装在座件上的柱件底部进行加固，它包括如下步骤在柱底和包根件之间的某个位置对该柱件施加外力，从而对柱件底上产生的弯曲力矩进行调节的缓冲步骤，以及吸收缓冲步骤中已调节的弯曲力矩从而进一步调节该弯曲力矩的调节步骤。
例外，根据本发明，在包根式防震加固方法中，用包根件对装在座件上的柱件底部进行加固，该方法包括提供成型材料，以便在柱底对着包根件的外周形成间隙的提供间隙成型材料的步骤；固定步骤，该步骤在于将加固杆设置在从柱件底到座件外端部的外周上，将外绕环设置在加固杆的外周上，以及将加固杆固定到座件的上端部；元件成型步骤，该步骤在于将混凝土浇铸在外绕加固杆内的空间中，所述加固杆在固定步骤中得到固定，形成加固混凝土包根件，它包括在提供间隙成型材料的步骤中提供的成型材料；以及间隙成型步骤，在该步骤中取下元件成型步骤中形成的加固混凝土包根件中的成型材料，从而形成间隙。
最好包根式防震加固方法还包括对间隙成型步骤中形成的间隙内充填填料的充填步骤。
如上所述，根据本发明的用于装在座件上的柱件的包根式防震加固结构以及方法，在柱件底部和包根件之间设置缓冲部分可以减少外力在柱底上产生的弯曲力矩，所以基本没有弯曲力矩传递到座件上，从而可以减少来自座件的弯曲力矩。
图1是第一实施例的管件系统底部在加固以前的总体结构图，图1A是形成在钢柱上的管件系统底部的平面图，图1B是其正视图，图1C是其侧视图；图2是管件系统底部的柱底下端部的放大正视图；图3是管件系统底部的柱底下端部的放大剖视图；图4是在管件系统底部的柱底用包根式防震加固结构加固的情况下该柱底的放大正视图；图5是在管件系统底部的柱底用包根式防震加固结构加固的情况下该柱底的放大剖视图；图6表示加固以前的管件系统底部的柱底，它用来进行地震试验，其中所示的位置中装有抗力-线应力仪；图7表示加固以后的管件系统底部的柱底，它用来进行地震试验，其中所示的位置中装有抗力线-应力仪；图8是装在地震试验台上的管件系统底部；图9是地震试验条件表格；和图10是地震试验结果的图表。
现在结合附图描述包根式防震加固结构的实施例。
图1是该实施例的管件系统底部1在加固以前的总体结构图。图1A是形成在钢柱2(例如H部分)上的管件系统底部1的平面图，这是从顶部看到的视图，图1B是管件系统底部1正视图，这是从前面看到的视图，图1C是管件系统底部1侧视图，这是从侧面看到的视图。如图1B所示，钢柱2装在座3上。
图2是管件系统底部1的柱底下端部的放大正视图；图3是管件系统底部1的柱底下端部的放大剖视图。如图2和3所示，将钢柱2焊接到底部4上，并用锚杆5连接到座3上。
图4是在管件系统底部1的柱底用包根式防震加固结构加固的情况下该柱底的放大正视图，图5是在管件系统底部1的柱底用包根式防震加固结构加固的情况下该柱底的放大剖视图。下面结合图4描述包根件12的工作过程。为了形成包根件12，首先安装锚杆9，锚杆将包根件12锚装到座3上，升高加固杆8，将环形加固杆6装在座3的外周上。然后，先在钢柱2的外周提供带有间隙10的模型，再浇铸混凝土。接着除去插在钢柱2周围的模型，从而在钢柱2的周围形成间隙10。用预定的填料(例如防震橡胶)充填所形成的间隙10，填料可以根据需要选择，这样也就形成了本发明的包根式防震加固结构。
下面结合图6-8描述带有该实施例的包根式防震加固结构的管件系统底部1的地震试验。图6表示抗力-线应力仪13-18的安装位置，这些应力仪安装在加固以前的管件系统底部1的柱底上，管件系统底部用来进行地震试验，图7表示抗力-线应力仪13-18的安装位置，这些应力仪安装在加固以后的管件系统底部1的柱底上，管件系统底部用来进行地震试验。
图8是地震试验台。在地震试验中，管件系统底部1是试验样品，将其装在震动桌19上，用震动激发器(水平)20和震动激发器(垂直)21激发地震波。在激发期间，测量试样某些部位处的加速度和应力。具体地说，管件系统底部1是试验样品，将其装在地震试验台上，用Elcentro地震波进行激发，用强运动地震波曲线仪记录波形，由此在试验样品的某些部位检测到最大响应值。根据相似法则改变时间轴和加速度来应用试验中所用的地震输入波。
图9是激发地震波的激发条件。用于激发的地震波是Elcentro地震波，在现场由强运动地震波曲线仪观察到的典型地震波进行激发。对于Elcentro波来讲，输入的加速度主要按三个阶段变化(0.3-0.9G)，在水平方向进行激发以及在水平和垂直两个方向同时进行激发。
用一个应变仪形式的加速测量器测量加速度。在底部的顶上有16个位置处安装加速度测量器，在底部的底上有6个位置处安装加速度测量器，总共有22个位置安装加速度测量器，所以能够在管件系统底部的各个方向测量震动模式和最大响应值。对于应力来讲，利用抗力-线应力仪测量柱底和底板的弯曲应力及锚杆的拉伸应力。
测量柱底和锚杆应力用的是同轴应力仪，测量底板的应力用的是三维应力仪。在柱底上有8个测量位置，在底板上有30个测量位置，在锚杆上有16个测量位置，在包根的混凝土部分上有10个测量位置。测量部位的例子示于图6和7中。
下面结合图10描述试验结果，该图表示输入加速度和响应加速度与管件系统底部的应力(Y方向激发)之间的关系。首先，结合图2描述地震试验的目的。当对应于地震力的输入加速度作用到管件系统底部1上时，管件系统底部1根据输入加速度变形，因而相应的应力也就增加。当没有包根式防震加固件时，产生的应力通过锚杆5从柱件2传递到座3上。此时，由于设计的柱件2是在紧靠销钉支承件的情况下安装在座3上的，所以由弯曲形变引起从柱件2传递到座3上的应力保持比较小的数值。
另一方面，当进行包根式防震加固而没有象图4所示的实施例那样提供缓冲部分来增加管件系统底部1的防震性能时，柱件2受到座3和包根件12的约束，以致于在紧靠销钉支承件的情况下该柱件2没有安装在座3上。所以，上述因弯曲变形引起的从柱件2传递到座3上的应力增加。
在正式进行地震试验以前，先用试样进行地震试验，其中管件系统底部1作了包根式防震加固，但没有提供缓冲部分。尽管有了包根式防震加固，但结果还是折断了座件部分。其原因在于，因为如上所述柱件2牢固地固定到座3上，使得因弯曲变形引起的从柱件2传递到座3上的应力增加，从而不论是否有包根式防震加固，传递到座3上的应力也不会减少。
所以，在该具体实例给出的结构中，在包根件12面对着柱件2的部位提供一个缓冲部分10，就可以接受因外力作用到柱件2上引起的形变。对于这种结构来讲，柱件2并没有通过加固件牢固地固定到座3上，所述加固件由包根件12得到，因而就可以保持上述紧靠销钉支承件的情况。
下面详细描述缓冲部分。如图4和5所示，在该具体实施例中，间隙为10-15mm的缓冲部分10设置在柱2的周围，而且在缓冲部分10中充填沥青胶模制连接板(品名AOI化学股份有限公司生产的AOI Elastite)，该连接板是混凝土结构的连接材料，它作为高压缩强度低伸缩率的填料，它还可以吸收弯曲变形引起的应力。
所述填料不限于上述材料，也可采用其它弹性变形或塑性变形的材料，例如各种橡胶，它包括防震橡胶，包括环氧树脂的聚合材料，包括铝板，铝合金，锌板的金属材料和合金材料，以及由具有沥青的石油或煤构成的材料。
具体地说，填料可以是任何能够在施加外力时吸收钢柱底上产生的弯曲力矩的材料。事实上，在所有可以使用的结构中，柱底下部的侧面与包根件不直接连接；它们之间具有间隙，间隙中充填有填料，由此在柱底下部的侧面与包根件之间的界面上的连接力减少，可以允许由外力作用在钢柱底上引起的弯曲变形；由填料和包根件吸收钢柱底上产生的大多数弯曲应力，由此从柱底传递到座上的弯曲力矩大大减少。另外，构成这种结构的元件是任何形状，这些形状的元件均可以使用。
此外，具有缓冲部分10的包根件12的作用在于，防止座3在进行包根加固时被柱件2传递来的应力折断。这种作用是使柱件2通过缓冲部分10和包根件12传递到座3的应力减小。利用这种由包根件12起的作用，传递到座3的应力得到减少。所以，减少了来自座3的应力，从而可以防止座3折断。
下面结合图10描述地震试验的结果。在图10所示的试验结果的例子中，用管件系统的底部1对包根加固效果进行考察，其中包括管件底部没有包根加固(图中用○和●表示)的以及管件底部1有包根加固(图中用口和■表示)的。横轴表示输入的加速度，这表示地震力的大小，纵轴表示座3上产生的应力。座3上产生的应力由抗力-线应力仪18(见图7)得到的最大应力值表示，所述应力仪安装在锚杆5上。
如图10所示，发现最大应力值随输入加速度的增加而增加。另外，图中示出了没有包根加固的管件系统的底部1也出现了应力，这就表明，由于柱件2如图2和3所示的那样通过锚杆5与座3连接，因而没有理想的销钉支承，所以传递了弯曲应力。如图10所示，有包根加固的管件系统的底部1上的应力减少，约是传递到没有包根加固的管件系统底部1上的座3上的十分之一。其理由如上所述。
在地震试验以后检查试样，显示了包根加固的效果。具体地说，即使在没有包根加固的管件系统的底部1上拔出柱底2的锚杆5并浮起底板4，通过用混凝土进行包根加固就可以避免底板4浮起。
尽管在上述实施例中描述的一个例子中是在一个形状为棱柱形的钢柱底上进行防震加固的，但本发明并不限于此，本发明可以用于所有其它形状的钢柱底，例如圆柱形的钢柱底。
另外，并不是专门根据上述实施例中的座进行描述的。对于座来讲，未加固的混凝土，加固混凝土，钢框加固混凝土以及其它混凝土材料均可使用，也可用钢材制成的元件。还有，在上述实施例中描述的一个例子中，管件系统的底部用作具有钢柱底的结构。但是，本发明并不限于此，本发明可以用于其它所有结构，例如总体城市工程结构。
另外，本发明不限于上述实施例。上述实施例是一个例子，构型与本发明权利要求书的技术构思相同、并且运行和效果相似的所有结构均在本发明的技术范围内。
事实上，在所有可以使用的结构中，柱底下部的侧面与包根件不直接连接；它们之间具有间隙，间隙中充填有填料，由此在柱底下部的侧面与包根件之间的界面上的连接力减少，可以允许由外力作用在钢柱底上引起的弯曲变形；填料和包根件吸收钢柱底上产生的大多数弯曲应力，由此从柱底传递到座上的弯曲力矩大大减少。另外，构成这种结构的元件可以是任何形状，这些形状的元件均可以使用。
此外，填料的材料不限于防震橡胶。其它弹性变形或塑性变形的材料也可使用，例如各种橡胶，包括环氧树脂的聚合材料，包括铝板，铝合金，锌板的金属材料和合金材料，以及由具有沥青的石油或煤构成的材料。因为当有外力作用时，所有能够吸收钢柱底上产生的弯曲应力的材料均可使用。
此外，在本发明中，间隙可以是一个空隙，这是没有充填填料的间隙。在这种情况下，与充填填料的间隙的情况相比，当有外力作用时，空隙吸收钢柱底上的弯曲应力的效果降低。但是，与间隙充填填料的情况相比，由于很好地利用了空隙，所以因外力作用在钢柱底上所产生的弯曲变形允许范围变大。结果，利用空隙就可以减少钢柱底上产生的并从柱底传递到座上的弯曲力矩。根据上述的两个效果，将间隙变成空隙的情况可以实现与间隙中充填填料的情况相同的效果。
权利要求
1．一种包根式防震加固结构，其中将装在座件上的柱件底部用一个包根件加固，该加固结构包括一个设置在所述柱件底部和所述包根件之间的缓冲部分。
2．根据权利要求1所述的包根式防震加固结构，其中所述缓冲部分是一个处于所述柱件底部和所述包根件之间的间隙。
3．根据权利要求1所述的包根式防震加固结构，其中所述缓冲部分是一个处于所述柱件底部和所述包根件之间的间隙，所述间隙中充有填料。
4．根据权利要求3所述的包根式防震加固结构，其中所述包根件和所述填料对所述柱件变形时产生的弯曲力矩进行调节。
5．根据权利要求3所述的包根式防震加固结构，其中所述填料是具有防震橡胶的弹性变形材料，也可以是具有弹簧的弹性元件。
6．根据权利要求3所述的包根式防震加固结构，其中所述填料是包括金属材料或金属合金的塑性变形材料，也可以是塑性变形的结构元件。
7．根据权利要求1-6中任一所述的包根式防震加固结构，其中所述包根件是加固混凝土包根件，其构成是将加固杆设置在所述柱底的外周和所述座件的上端部，将外绕环设置在所述加固杆的外周，以及将混凝土浇铸在所述外绕环内的空间中。
8．根据权利要求1-7中任一所述的包根式防震加固结构，其中减轻由外力在所述柱底上引起的弯曲约束力，调节所述柱底上产生的弯曲力矩，由此加固所述座件。
9．一种包根式防震加固方法，其中将装在座件上的柱件底部用一个包根件加固，该方法包括在所述柱底和所述包根件之间的一个部分对所述柱件施加外力，从而对所述柱件底上产生的弯曲力矩进行调节的缓冲步骤，以及通过吸收在所述缓冲步骤中已调节的弯曲力矩、从而进一步调节该弯曲力矩的调节步骤。
10．一种包根式防震加固方法，其中将装在座件上的柱件底部用一个包根件加固，该方法包括在所述柱底对着所述包根件的外周处形成间隙的提供间隙成型材料的步骤；固定步骤，该步骤是将加固杆设置在从所述柱件底到所述座件上端部的外周上，将外绕环设置在所述加固杆的外周上，以及将所述加固杆固定到所述座件的上端部；元件成型步骤，该步骤是将混凝土浇铸在外绕加固杆内的空间中，所述加固杆在固定步骤中得到固定，从而形成加固混凝土包根件，它包括在所述提供间隙成型材料的步骤中提供的成型材料；以及间隙成型步骤，在该步骤中取下所述元件成型步骤中形成的所述加固混凝土包根件中的成型材料，从而形成间隙。
11．根据权利要求10所述的包根式防震加固方法，还包括对所述间隙成型步骤中形成的间隙内充填填料的充填步骤。
全文摘要
本发明涉及柱件底部的包根式防震加固结构以及方法。在柱件底部和包根件之间设置一个缓冲部分,以便减少外力在柱件底部产生的弯曲力矩。所以,基本没有弯曲力矩传递到座件上,从而可以减少来自座上的弯曲力矩。
文档编号E02D27/42GK1300899SQ0013193
公开日2001年6月27日 申请日期2000年10月25日 优先权日1999年12月17日
发明者安在一, 朝川春马, 中村友道, 落合茂 申请人:三菱重工业株式会社, 日本海Lng株式会社, 乔奎尔咨询株式会社