角柱失效后防结构连续倒塌的连接单元及悬吊拉索装置的制作方法

本实用新型属于土木工程技术领域，涉及一种位于结构体外、斜向悬吊、角柱失效后防结构连续倒塌的装置。

背景技术：

一些房屋建筑因其功能要求、地理位置等原因，在其服役期内可能遭受超设计水平的偶然荷载的作用，如煤气爆炸、恐怖爆炸、车辆撞击等。偶然荷载可造成建筑结构局部破坏，如果破坏进一步蔓延并引发结构大面积坍塌，工程上称之为连续性倒塌。结构连续性倒塌极大地威胁生命财产安全，并可产生严重社会影响。历史上著名的例子是2001年美国911事件中世贸中心大厦倒塌。因此，提高重要结构的防连续倒塌能力具有重要意义。我国“混凝土结构设计规范(GB50010-2010)”中对防连续倒塌设计原则进行了规定。“建筑结构抗倒塌设计规范(CECS392-2014)”进一步对防连续倒塌设计给出了具体规定。

目前，结构防连续倒塌设计方法是基于常规设计方法的验算方法。流程上，首先对结构进行常规设计，然后考虑结构对应的防连续倒塌要求等级，进行相应的防连续倒塌设计。具体方法上，对于重要建筑，常常采用移柱法(或移除其他竖向承重构件如剪力墙)检验结构防连续倒塌能力，即通过移除不同位置处的柱子，考察剩余结构是否发生连续倒塌。在常规设计完成后移除某根柱，如果结构不发生连续倒塌，则计算通过，维持原设计。否则，通过各种措施修改常规设计。对于移除角柱结构发生连续倒塌的情况，修改常规设计的常见措施包括增大端跨梁的配筋和截面、缩短端跨长度，直至连续倒塌不发生，计算通过。

拆除柱的位置包括中柱、边柱和角柱。从结构的连续倒塌抗力来源上区分，拆除中柱和边柱的方法可归结为一类，而拆除角柱归结为另一类。对于前一类，防倒塌抗力在前期主要依靠两端支撑的水平构件的抗弯和抗剪性能，在后期主要依靠梁和楼板内的纵向钢筋形成的悬索效应。而对于拆除角柱，剩余结构防倒塌抗力主要是通过端跨梁的近似悬臂作用提供抗弯和抗剪，悬索效应不存在。如果跨梁的近似悬臂作用不能提供足够的抗力平衡上部荷载，则结构发生连续倒塌。

对于移除角柱的情况，采用增大端跨梁的配筋和截面，以及缩短端跨长度以提高防连续倒塌性能的方法存在以下不足：(1)效率不高。在建筑层高大致确定的前提下，增加梁高度和配筋，以提高近似悬臂作用产生的抗力，效果有限，效率不高。(2)返工量大。如果采用缩短端跨长度措施，则建筑方案和结构方案均变动较大，修改工作量大，工期可能延长。(3)不经济。配筋和截面的增大导致增加造价。(4)影响使用且不美观。增大端跨梁的高度将影响采光效果和建筑美观。

技术实现要素：

为克服现有技术的前述缺陷，本实用新型的目的是提供一种可用于角柱失效后防结构连续倒塌的连接单元及悬吊拉索装置，以防止钢筋混凝土结构角柱失效后的连续性倒塌。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供了一种可用于角柱失效后防结构连续倒塌的连接单元，以及由若干个连接单元在结构端跨自底层向顶层斜向布置而组成悬吊拉索装置，连接单元一端拉结结构端跨的梁柱边节点，另一端锚固于上层梁柱第二节点内。在结构端跨的梁柱边节点和上层梁柱第二节点内均预留孔，所述连接单元的端部穿过预留孔并采用锚具锚固。

具体的，一种可用于角柱失效后防结构连续倒塌的连接单元，包括两段连接线和一个连接装置，所述两段连接线从两侧与所述连接装置固定连接形成所述连接单元。

进一步，优选地，所述连接装置为连接盒，所述连接盒内部设置有用于将第一段连接线的一端锚固在连接盒内的第一块锚具、用于将第二段连接线的一端锚固在连接盒内第二块锚具。

优选地，所述连接盒的两侧设置有圆孔分别供第一段连接线、第二段连接线的一端伸入连接盒中。

优选地，所述两段连接线为第一根拉索和第二根拉索。

优选地，所述两段连接线采用的材料为消除应力钢丝或钢绞线。

优选地，所述连接盒采用钢材Q235或Q345制作。

所述的可用于角柱失效后防结构连续倒塌的连接单元的悬吊拉索装置，由若干个所述连接单元在结构端跨自底层向顶层斜向布置而组成，每个连接单元一端拉结结构端跨的梁柱边节点，另一端锚固于上层梁柱第二节点内。

优选地，在结构端跨的梁柱边节点内部和上层梁柱第二节点内部均预留孔，所述连接单元的端部穿过预留孔并采用拉索锚具锚固。

优选地，拉索锚固在梁柱节点内，第一根拉索的上端部采用设置于第一垫板上的第一锚具加以固定，第一垫板设置于第一台座上，第一台座支撑在第一托架上。第一套筒套在第一根拉索上端部保护拉索不受周围混凝土磨损并尽可能减少节点因留孔导致的削弱；第二根拉索的上端部与连接盒的下端相连，第二根拉索的下端部连接于第一根拉索对角部位的梁柱节点内，采用设置于第二垫板上的第二锚具加以固定，第二垫板设置于第二台座上，第二台座支撑在第二托架上；第二套筒套在第二根拉索的下端部。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下优点和有益效果：

本实用新型提供的装置可以高效率地提高角柱移除后结构防连续倒塌性能。消除应力钢丝或钢绞线的极限强度较高，是一种适合提供较大拉力的材料。角柱移除后，连接单元在端跨梁的端部提供较大的附加拉力，改善了端跨梁的受力状态，大幅度提升端跨梁的抗倒塌能力。

本实用新型提供的装置受力合理。从建筑立面上看，结构端跨上下层的梁和柱形成方形区域，装置斜置在每层该区域的对角线上，可在一定范围内被拉伸而不产生拉力。在结构正常受力阶段，层间变形小。此时装置虽被少量拉长，但拉索仍处于放松状态，装置不工作，从而使得结构正常受力阶段的工作不受影响。当角柱被移除导致端跨梁端部向下产生大变形时，装置被拉紧而产生拉力，阻止梁端向下位移，抵抗结构连续倒塌。

本实用新型提供的装置可减少设计返工量。移除角柱后如果结构发生连续倒塌，若采用增加端跨梁的梁高度和配筋、缩短端跨长度等措施，这些措施效率较低，常常需要多次验算直至通过。而增设本装置的防连续倒塌效率大大提高，故一般一次验算即可通过，返工量小。

本实用新型提供的装置经济性好。相比增大端跨梁的配筋和截面的措施，安装拉索的费用较低。

本实用新型提供的装置适应性强。通过改变连接线长度大小，可适应结构端跨具有不同跨度和变形要求的结构。

附图说明

图1为角柱移除后结构发生连续倒塌示意图。

图2为采用本实用新型提供的装置后在正常受力状态下的结构立面变形示意图。

图3为采用本实用新型提供的装置在角柱移除后的结构立面变形示意图。

图4为本实用新型两段连接线和连接盒实施例的结构示意图。

图5为本实用新型连接线实施例的锚固示意图。

图6是本实用新型装置的侧视图。

其中：1—移除的底层角柱，2—某层端跨梁，31—第一根拉索，32—第二根拉索，4—连接盒，51—第一块锚具，52—第二块锚具，61—第一锚具，62—第一垫板，63—第一台座，64—第一托架，65—第一套筒。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1

移除底层角柱1后，角柱1上部结构有下坠趋势。此时，每层端梁2有两端固接支撑梁变成一端固接一段滑动支撑梁，抵抗连续倒塌。如果所述某端跨梁2的承载力不足，则结构的角部将发生较大变形，如图1所示，并可能进一步发生连续倒塌。本例采用设置悬吊拉索装置来增强结构抗连续倒塌能力。

图2为实施例所示采用本实用新型提供的装置后在正常受力状态下的结构立面变形示意图。在纵横某一个方向的端跨内，该装置由自底层向顶层每层内斜向布置的连接单元组成。底层角柱移除后，结构角部产生较大变形，如图3所示。

所述连接单元包括两根连接用的第一根拉索31、第二根拉索32和一个连接盒4，所述第一根拉索31的一端通过连接盒4上的一侧的孔伸入连接盒4内部并与连接盒内拉索的第一块锚具51锚固，使得第一根拉索31的伸入端留在连接盒4内而不能脱出；同样的，所述第二根拉索32的一端通过连接盒4上另一侧的孔伸入连接盒4内部并与连接盒内拉索的第二块锚具52锚固，使得第二根拉索32的伸入端留在连接盒4内而不能脱出，由此连接形成连接单元，如图4和图6所示。

拉索锚固在梁柱节点内，构造如图5所示。第一根拉索31的上端部采用设置于第一垫板62上的第一锚具61加以固定，第一垫板62设置于第一台座63上，第一台座63支撑在第一托架64上。第一套筒65套在第一根拉索31上端部，一方面保护拉索不受周围混凝土磨损，另一方面尽可能减少节点因留孔导致的削弱。第二根拉索32的锚固位置如图2或图3所示，锚固方法与第一根拉索31相同，即第二根拉索32的上端部与连接盒4的下端相连，第二根拉索32的下端部连接于第一根拉索31的对角部位的梁柱节点内，采用设置于第二垫板上的第二锚具加以固定，第二垫板设置于第二台座上，第二台座支撑在第二托架上，第二套筒套在第二根拉索32的下端部(出于图面简洁的考虑，图中未增加数字标记)。

锚固力不小于拉索的极限抗拉力，使得拉索不会发生锚固失效。连接单元可以小量伸长而不产生拉力。在正常受力状态下，根据《建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)》、《高层混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010)》的规定，层间侧移角(层间侧移Δ₀与层高H之比)应小于其限值[θ_e]：

发生层间侧移后连接单元虽然被拉长，但因拉索具有预留长度，没有紧绷，不产生拉力，结构的原受力状态没有变化。

当角柱被移除，结构角部产生较大向下位移(如图3所示)。所述第一根拉索31和第二根拉索32的端部锚具51和52趋向于紧贴连接盒4侧壁，连接单元不断伸长以至被拉紧而产生拉力。此时，端跨梁2和本实用新型装置共同受力，抵抗连续倒塌。端跨梁2由原先的受弯受力变成压弯复合受力，其靠近端部梁柱第二节点的截面处弯矩随位移增大而不断增大，可能形成塑性铰。本实用新型装置则受轴向拉力。如果端跨梁2和实用新型装置没有破坏，则连续倒塌不会发生。

实施例2

某钢筋混凝土框架结构底层某角柱受偶然荷载作用而破坏。建筑为上海某地六层办公楼，横向6m×3跨，纵向6m×5跨，层高3.6m。抗震等级为三级，设防烈度为7度(0.1g)，场地土类别为Ⅳ类，设计地震分组为一组，丙类建筑，设计使用年限为50年，地面粗糙度为B类，基本风压ω₀＝0.55N/mm²。楼板厚为110mm，主梁截面b×h＝250mm×600mm，框架柱截面500mm×500mm。混凝土用C35，纵向钢筋HRB400，箍筋HRB335。楼面恒载标准值3.0kN/m²，活载标准值2.0kN/m²，梁上恒载9.9kN/m(梁上填充墙及自重)，屋面恒载标准值5.0kN/m²，活载标准值2.0kN/m²，基本雪压0.2kN/m²。经计算配筋后，可得底层纵向端跨梁近第二支座处截面的极限负弯矩M_u＝381kN·m。

进行底层角柱移除后抗连续倒塌验算。假定各层各自独立地抵抗连续倒塌，并且在x向和Y向也各自独立工作。以二层的x向端跨梁为例，移柱后，端跨梁可近似简化成一端固定支座、一端滑动支座的单跨梁进行受力分析，对应固支端弯矩M₀＝622kN·m。由于M₀>M_u，则结构在角柱失效后会发生连续性倒塌。

为提升防连续倒塌能力，在第二层端跨单元内斜向布置悬吊钢绞线装置9根7A^s15.2，每根钢绞线面积A_gs＝140mm²，9根钢绞线面积合计1260mm²，钢绞线弹性模量E_gs＝1.95×10⁵MPa，现验算结构是否发生连续倒塌。

对近似简化的端跨梁进一步分析。在角柱失效后，梁上受三种荷载作用：梁上的填充墙以及梁的自重引起的均布线荷载q₁；由双向楼板均布面荷载q₂传到梁上的荷载；底层角柱失效后，正上方的二层角柱自重作用在梁端的集中荷载q₃。悬吊钢绞线的作用分解为水平分力F_x与竖向分力F_y的作用，其中F_x引起梁内轴力，F_y引起梁端正弯矩。具体计算过程如下：

原结构梁端可承担的极限弯矩为：

M_u＝f_yA_s(h₀-a′)＝360×1964×(570-30)×10^-6＝381kN·m

角柱失效后梁所承担的荷载分别为：

q₁＝0.25×0.6×26+10×(3.6-0.6)×0.2＝9.9kN/m

q₂＝3.5×1.2+2×1.4＝7kN/m²

q₃＝26×0.5×0.5×(3.6-0.6)＝19.5kN

角柱失效对于梁应为动力作用，考虑将荷载乘以动力放大系数β_c＝2.0,对应荷载分别为：

q₁′＝β_cq₁＝19.8kN/m

q₂′＝β_cq₂＝14kN/m²

q₃′＝β_cq₃＝39kN

则梁固支端实际承受弯矩为：

M₀＝q₁′m₁+q′₂m₂+q₃′m₃＝19.8×12+14×19.125+39×3≈622kN

其中，m₁为单位竖向均布荷载作用时梁固支端的弯矩值

m₂为单位楼面均布荷载作用时梁固支端的弯矩值

m₃为单位竖向集中荷载作用在滑动端时梁固支端的弯矩值

因为M₀>M_u，故结构在角柱失效后会发生连续性倒塌。

连接单元的初始长度是6.997m。连接单元在结构发生规范允许的层间侧移Δ₀时不发挥作用。由此可确定连接单元不紧绷受力的最大长度为7.003m。当底层角柱移除后，端跨梁的滑动支座端下坠，连接单元被逐渐拉长。由几何关系可知，当端跨梁的滑动支座端下坠位移达到11mm时，连接单元达到放松张贴的最大长度。之后，如果端跨梁的滑动支座端下坠位移继续增大，则连接单元将被拉紧而产生拉力。

如果连接单元被拉紧而产生拉力，拉力可分解为水平分力F_x与竖向分力F_y。则梁固支端的弯矩M与轴力N为：

M＝M₀-β_cF_y·m₃≈(622-6F_y)kN·m

梁的刚度采用短期

其中A_s,E_s分别表示钢筋面积与弹性模量；h₀表示梁截面有效高度；ψ表示裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，本算例中为0.57；ρ表示配筋率；β_c＝2.0表示动力放大系数。则除拉索之外其他荷载引起的滑动端位移u₀为：

其中M_i＝q_im_i为荷载q_i作用时梁固支端弯矩；s_i为荷载q_i形式对应的系数，i＝1,2,3。

滑动端的位移u可表示为(2)式中的形式：

根据将(2)式代入并自取E_gsA_gs试算，直到所得结果位于梁左端截面的M-N相关曲线内部，此时梁左端截面受力安全。针对本算例试算解得u＝16.0mm，F_y＝39.6kN，F_x＝N＝66.0kN。此时M＝M₀-β_cF_y·m₃＝384kN·m，代入梁截面M-N相关曲线验算可知，梁不会达到承载力极限状态，即梁不破坏。

综上所述，在第二层端跨单元内斜向布置悬吊钢绞线装置9根7A^s15.2时，上述计算表明，结构不会发生连续倒塌。

若将斜向布置悬吊钢绞线增加到19根时，计算原理同上，可承担的楼面活荷载从2.0kN/m²增加至4.0kN/m²，结构的防连续倒塌能力提高了4.0/2.0＝2倍。

可见，本实用新型通过改变相关参数(比如改变钢绞线的根数)，可根据不同的抗连续倒塌要求，提高结构的防连续倒塌性能。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。