一种具有自复位功能的钢筋混凝土框架柱的制作方法

本发明属于土木工程钢筋混凝土框架结构抗震设计技术领域，具体涉及一种具有自复位功能的钢筋混凝土框架柱。

背景技术：

地震是一种突发性的、难预测且具有重大毁灭性的自然灾害，对人类的生命安全和财产安全带来了具有的威胁。在已发地震带来的严重后果中我们总结出，地震本身并不能伤害人，造成人伤亡或财产损失的多是地震中倒塌的建筑物。故对建筑物进行抗震设计达到“大震不倒”的目标，使建筑物具有一定的抗震性能和抗倒塌能力以是保障人民生命财产安全的重要手段。

传统建筑物主要依靠结构自身的材料变形来“硬抗”地震作用，势必会造成结构的损伤甚至不可修复。随着时代的发展和科技的进步，以及我国地震带的愈加活跃，高烈度地区出现地震愈加频繁发生的现象，对建筑结构的抗震需要提出了新的要求以及带来了新的挑战。

钢筋混凝土框架结构是建筑结构工程中使用最多的结构形式之一，虽然国内外对钢筋混凝土框架结构的抗震设计进行了大量的研究，但是现有的钢筋混凝土框架结构体系几乎都没有自复位功能，在地震中破坏严重并且难以修复。假设框架的层间刚度无限大，忽略框架梁和节点较小的层间转动，则可以认为框架结构的层间变形完全由框架柱提供。故钢筋混凝土混凝土柱作为框架结构的主要抗震构件，其变形能力反映了框架结构的抗震性能和抗倒塌能力，对框架柱进行抗震设计是提高框架结构抗震性能的主要途径。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有自复位功能的钢筋混凝土框架柱，我们知道柱脚是混凝土柱破坏最严重的部分，故从柱脚入手，设计了一种新型的可实现自复位功能的rc框架柱抗震构造，为框架结构的抗震设计提供一个新的方向。

为达到上述目的，本发明所述一种具有自复位功能的钢筋混凝土框架柱包括混凝土柱和基础，混凝土柱与和基础均单独浇筑而成，基础为杯口基础，混凝土柱下端设置在基础的杯口中，预应力钢筋从混凝土柱的柱顶贯穿至柱脚再与基础通过锚具锚固相连，将混凝土柱和基础连接成一个整体；基础的杯口内的柱脚与基础的接触面之间填充有弹性垫。

进一步的，弹性垫与混凝土柱之间以及弹性垫与基础的杯口内壁之间均设置有钢板，基础的杯口壁侧面开设凹槽，凹槽内设置的钢板与基础固定连接。

进一步的，基础杯口与混凝土柱之间设置有弹簧，弹簧穿过弹性垫与位于弹性垫两侧面的钢板固定连接，且与混凝土柱的侧面相接触。

进一步的，混凝土柱的下端设置有钢靴，在基础中铺设钢板，钢靴上端面与钢板下端面相接触。

进一步的，预应力钢筋的张拉端设置在混凝土柱的柱顶，预应力钢筋的锚固端设置在基础内。

进一步的，基础中在混凝土柱正下方位置设置有基础钢筋。

进一步的，混凝土柱中竖向平行、等间距设置有柱纵向钢筋。

进一步的，柱纵向钢筋外等间距套设有若干柱箍筋，柱纵向钢筋和柱箍筋绑扎连接形成钢筋骨架。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

能够使钢筋混凝土框架柱实现自复位功能，无残余变形或残余变形很小，结构在经历大震之后仍然可以使用；

钢筋混凝土框架结构在较大的地震作用下不会产生过大的变形：地震来临时，在建筑结构中的人或者物品、设备等不会因为结构过大的摇摆和变形而被动发生较大移动；

柱脚混凝土不发生严重的破坏：由于橡胶和钢板的保护作用，rc框架柱的柱脚不会发生太大的损伤从而建筑结构不发生倒塌破坏；

结构的重要构件不产生破坏或只产生轻微的破坏：本发明主要通过柱脚的橡胶、弹簧、柱身内的预应力钢筋以及混凝土柱摇摆来耗能，框架结构中的其他构件耗能很少，故结构的重要构件不产生破坏或只产生轻微的破坏，经过简单修复后可继续投入使用；

降低了对结构本身延性的设计要求，减少了建筑结构的成本和造价。

附图说明

图1为本发明的整体构造剖面示意图；

图2a为本发明整体构件受力摇摆抬升机制示意图；

图2b为本发明的整体构件受力摇摆抬升机制示意图二；

图2c为本发明的整体构件受力摇摆抬升机制示意图三；

图3为本发明的整体构造俯视图；

附图中：1-混凝土柱，2-基础，3-柱箍筋，4-柱纵向钢筋，5-弹性垫，6-预应力钢筋，7-钢靴，8-钢板，9-锚具，10-预应力孔，11-弹簧，12-基础钢筋，13-钢板。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明设计的具有自复位功能的钢筋混凝土框架柱的柱脚构造，通过设置的三重“防线”在地震作用下能够的共同作用，使得在地震来临时框架结构能通过摇摆的方式消耗地震作用，减少结构本身的破坏，在地震作用消失后结构通过自重或是在弹性恢复力和预应力的作用下自主复位回到正常位置。下面结合附图，对本发明的混凝土柱整体实施方式进行说明：

参照图1和图3，一种具有自复位功能的钢筋混凝土框架柱包括rc混凝土柱1和地下基础2，rc混凝土柱1与和地下基础2单独进行浇筑形成两个独立的构件，从而放松了混凝土柱与基础之间的约束，无粘结预应力钢筋6从柱顶贯穿至柱脚再与基础1通过锚具9锚固相连，使得混凝土柱1与基础2形成一个整体，没有地震水平作用时，该构造的受力相当于柱与基础固结。钢靴7和钢板13上设预应力孔10，预应力筋6从该孔穿出后进行锚固，锚具9如图1所示。本发明的构造设计较为复杂，混凝土柱1和基础2的尺寸大小、混凝土等级、钢筋等级和钢筋直径等材料的选择需根据抗震要求和《混凝土结构设计规范》、《抗震设计规范》等进行选取；柱纵向钢筋4、柱箍筋3、基础钢筋12、预应力筋6等钢筋的配置需根据进行配筋设计或按构造配筋；柱脚的钢靴7按相关规范进行设置；预应力筋6的张拉水平根据建筑物所在地的场地类型、烈度以及预应力钢筋的等级和直径等因素进行计算；柱身1与基础2之间填充的弹性垫5的厚度根据橡胶的类型、弹性性能和受力性能以及框架结构能承受的最大摇摆倾角等因素来进行确定，预应力孔10与预应力筋6的直径相对应；锚具9与张拉方式和相关设施相对应；弹簧11长度根据弹性垫5的厚度设置，其刚度根据结构所在场地条件、结构特性、该处弹簧所受力的大小以及结构允许发生的最大层间位移角进行计算选取，保证弹簧能够在较大的力的作用下产生较小的变形以限制柱的层间位移。基础2的杯口壁侧面开设凹槽，凹槽内设置钢板8与基础2粘贴固定，连接弹簧的另一侧钢板8与混凝土柱1相接触。基础杯口与混凝土柱1的柱脚之间设置有弹簧11，弹簧11穿过弹性垫5与两端钢板8固定连接，弹簧左侧钢板8粘结固定在基础2杯口，弹簧右侧钢板8仅与混凝土柱1的侧面相接触，但未固定在一起。混凝土柱1的柱脚下端设置有钢靴7，在基础2中铺设钢板13，钢靴7与钢板13相接触，并未连接成一体。

柱纵向钢筋4和柱箍筋3根据相关规范计算配筋或按构造配筋，柱纵向钢筋4竖向平行、等间距放置，柱箍筋3等间距套在柱纵向钢筋4外侧形成约束作用，柱纵向钢筋4和柱箍筋3通过钢丝绑扎连接形成钢筋骨架，钢筋骨架作为钢筋混凝土柱构件的核心受力部分与混凝土共同承担力的作用。

地震来临时，在小震作用下，框架结构自身形成一个整体，依靠其自身刚度来抵抗地震作用。此时，结构处于弹性阶段，只发生微小的层间变形且震后可以恢复，结构不发生损伤和破坏。

在中震及超越中震的地震来临时，本发明所设计的框架柱柱脚构造开始参与抵抗地震作用消耗能量，地震对结构的作用减少。钢筋混凝土混凝土柱1开始产生摇摆，其摇摆机制如附图图2所示，对于框架结构，柱身摇摆带动上层结构在地震作用下一起发生水平反复移动。在较大的地震作用下，本发明的三道防线——弹性垫5、预应力筋6和弹簧11共同发生作用，抵抗地震作用，消耗地震能量，具体工作原理如下：

在地震作用的水平推力下，结构在地下的基础2受力后将力传递给钢筋混凝土柱1，混凝土柱1一侧具有高弹性的弹性垫5在混凝土柱1传递的推力作用下发生压缩变形，使得混凝土柱1能够发生摇摆，利用结构摇摆的方式来消耗地震能量。

预应力筋6在混凝土柱1发生摇摆向一侧偏移变形时利用预应力回拉柱身1，限制混凝土柱1摇摆幅度过大，导致上层结构产生过大的变形。钢靴7和钢板13起到保护rc混凝土柱1柱底和基础2接触面混凝土的作用以及锚固预应力钢筋的作用。

由图2的柱底抬升机制示意图可以看出：混凝土柱1发生摇摆时，基础2的杯口处的弹性垫5挤压最为严重，水平地震作用力过大时，混凝土柱1发生过大摇摆后会与基础2的杯口处发生碰撞。弹簧11设置在基础杯口处，利用其较大的刚度以及较好的弹性性能，在该处与混凝土柱1直接接触以抵抗柱1传递的水平作用，通过弹簧11压缩变形的方式来进一步缓冲传递到基础2杯口混凝土上的作用力，避免混凝土柱1在大震或是超大地震作用下发生过大摇摆后混凝土产生碰撞造成混凝土被压碎。因为弹簧11的刚度较大，在相同的力的作用下，弹簧11的压缩变形量较弹性垫5小得多，所以弹簧11的设置能够减小柱身1在该处发生摇摆变形的幅度，限制其上部结构产生的水平位移。同时，该处弹簧11和弹性垫5协同工作，通过自身的压缩变形消耗地震能量。此处连接弹簧梁端的钢板8起到连接弹簧和保护梁端混凝土的作用。

当地震作用消失后，在预应力筋6的预应力、弹性垫5和弹簧11的弹性恢复力作用下，混凝土柱1“回弹”回到原本位置，预应力筋6、弹性垫5和弹簧11未发生破坏也回到正常状态。当地震作用从另一方向传来时，混凝土柱1的受力机制与上述机制相同，只是方向改变。如此往复，框架结构就能在地震作用下通过这三重防线的作用下通过形成摇摆结构来消耗地震能量，从而达到“大震不倒”在甚至“超大震不倒”的目的，实现“大震可修”或“超大震可修”的目标。

本发明的目的在于设计出一种可实现自复位功能的钢筋混凝土框架柱，主要是通过对混凝土柱1的柱脚进行抗震设计并施加一定的构造措施，通过使混凝土柱1在地震中实现“摇摆”的方式来消耗地震能量，震后混凝土柱1能够自主复位回到正常状态，同时混凝土柱1的柱脚不发生破坏或只发生轻微破坏经过简单修复后仍旧能够继续使用。

本发明的思路是对混凝土柱1与和地下基础单独进行浇筑形成两个单独的构件的方式，即减少了混凝土柱与基础之间的约束，从而能够减轻柱脚的破坏，再通过在接触面施加一定的构造措施来达到自复位的效果。具体措施如下：

在杯口基础内的柱脚与基础接触面之间填充放置弹性大、强度高、耐磨性能好的弹性垫5，弹性垫5选用橡胶，作为抵抗地震作用消耗地震能量的“第一重防线”。在地震作用下，弹性垫5良好的弹性性能使其受力产生压缩变形，允许混凝土柱发生“摇摆”，通过左右晃动来耗能；地震作用消失后，橡胶的弹性恢复力给与混凝土柱一定的反推力作用下使其回到正常位置，同时橡胶还起到约束混凝土柱的作用以及防止混凝土柱与基础之间因为较大的碰撞而发生混凝土压碎的现象。

在混凝土柱1中放置无粘结预应力钢筋6与混凝土柱1柱底的基础2连接，做为能够使混凝土柱实现自复位功能的“第二重防线”。在地震作用到达一定程度时，混凝土柱1的摇摆程度变大，由于混凝土柱1与基础2并未固结，所以混凝土柱1在较大幅度的摇摆过程中柱脚会出现“抬升”，即柱脚一侧脱离基础不再与基础接触，预应力钢筋6的作用便是在地震作用消失后通过预应力的作用使得混凝土柱1回到正常状态。初始预应力的施加还能够使混凝土柱1与基础2形成一个整体，在正常状态下相当于固结的效果。为了保护混凝土柱1的柱脚底面与基础2接触面处的混凝土，在柱脚底部设置钢靴7，在基础上铺设钢板13。同时为了方便预应力筋的张拉设置和实施，预应力钢筋的张拉端设置在柱顶，其锚固端设置在钢板之下的基础内。

为了防止混凝土柱在特大地震作用下产生摇摆的幅度过大，从而使得框架的上部结构发生过大的位移变形，本发明在基础杯口与柱脚接触处设置刚度较大的弹簧11，以抵抗混凝土柱发生摇摆时受到的过大水平推力从而限制和约束柱身摇摆的幅度，使得上部结构不至于产生较大的变形，弹簧的设置形成混凝土柱自恢复功能设计的“第三重防线”。弹簧11的设置还能防止基础杯口内的柱脚发生较大的摇摆变形后与杯口顶部发生较大的碰撞和挤压使混凝土被压碎。放置在柱脚与弹簧中间的钢板8能把柱身与基础碰撞挤压处的线集中受力转换为面集中受力，进一步防止了混凝土的损伤，放置在基础与弹簧中间的钢板可以使该处基础表面的混凝土不因过大的冲击力产生破坏。同样，弹簧的恢复力可以使混凝土柱在震后恢复到原本状态。本发明中弹簧只与基础连接并将受到的水平推力传递给基础，弹簧11另一侧钢板与混凝土柱1的柱脚接触但并不连接，以保证混凝土柱1的柱身只受到使之产生摇摆的地震水平推力和使之恢复正常状态的弹簧与橡胶的弹性恢复力，而不受任何拉力。

本发明设计的能够实现自复位功能的钢筋混凝土框架柱的柱脚构造，能够使设置的三重“防线”在地震作用下的共同作用，结构通过摇摆的方式消耗地震作用的同时，不产生过大的变形、柱脚混凝土不发生严重的破坏、结构的重要构件不产生破坏或只产生轻微的破坏，从而建筑结构不发生倒塌破坏并且经过简单修复后可继续投入使用。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。