抵御强震灾害的双层复合钢管柱地下结构体系及施工方法与流程

1.本发明涉及地下建筑抗震技术领域，特别涉及抵御强震灾害的双层复合钢管柱地下结构体系及施工方法。


背景技术：

2.1995年日本阪神ms7.2级地震最引人注意的是5个地铁车站的破坏。大开站作为破坏最严重的地下结构，50％以上的中柱完全倒塌，直接导致顶板折断破坏和上覆土层坍塌，最大沉降量达2.5m之多，地铁停运、地面交通瘫痪。“阪神地震”灾害揭示了地下结构在遭受到高于设防地震的强震作用下时，中柱破坏导致顶板折断进而引发整体结构坍塌的破坏机理。这主要是因为常规地下结构中柱与梁板采用整体浇筑的固接形式，导致在强震作用下承受了与抗剪切变形能力不相匹配的较大弯矩及剪力，从而发生剪压脆性破坏，进而导致顶板弯曲折断，结构产生严重破坏。因此如何保护中柱本身在强震作用下不因过大变形而丧失竖向承载力成了解决问题的关键。
3.在现有技术中，行业相关规范(标准)定性地规定了在高烈度地震设防区，中柱采用型钢混凝土组合构件，其思路仍然是增加中柱承载力。但是，当高于设防烈度的强震发生时，外包混凝土层在水平大变形条件下容易剥落，而整个组合构件由于型钢构件深入梁板结构，并未改变节点的固接形式，继续承受较大的弯矩及剪力，并且由于失去混凝土层的约束，抗剪能力会大大降低，更易破坏。
4.因此，如何在采用型钢混凝土中柱结构形式的基础上，防止中柱破坏导致顶板折断、覆土下陷，进而引发整体结构坍塌的灾难，是目前行业发展棘手的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供抵御强震灾害的双层复合钢管柱地下结构体系及施工方法，实现的目的是既能确保长期使用工况荷载条件下以及设防烈度地震工况荷载条件下的承载力，又能抵御高于设防烈度强震工况荷载条件下的大变形，以此解决现有技术中中柱破坏导致顶板折断、覆土下陷，进而引发整体结构坍塌的灾难的缺陷。
6.为实现上述目的，本发明公开了抵御强震灾害的双层复合钢管柱地下结构体系，包括若干竖直设置的柱结构；每一所述柱结构的上端均与地下结构的顶板结构连接，下端均与所述地下结构的底板结构，中部均与所述地下结构的中间板结构连接。
7.每一所述柱结构均为多层结构，从内向外依次包括混凝土芯柱、管状内钢柱、弹性填充层和管状外钢柱；
8.其中，每一所述混凝土芯柱和相应的管状内钢柱均形成钢混凝土中柱；每一所述钢混凝土中柱的两端分别与所述顶板结构和所述底板结构连接，中部穿过所有所述中间板结构，并与所有所述中间板结构连接；
9.每一所述弹性填充层和相应的所述管状外钢柱的两端均分别与所述顶板结构和最上层所述中间板结构、两层相邻的所述中间板结构或者所述底板结构和最下层所述中间
板结构连接；
10.所述顶板结构的下表面、所述底板结构的上表面和每一所述中间板结构的上表面和下表面，对应每一所述管状外钢柱端部的位置均设有与所述管状外钢柱相匹配的环形的预埋钢板；
11.每一所述管状外钢柱的上端与相应的每一所述预埋钢板之间均设有匹配的雌头卡扣和雄头卡扣，通过所述雌头卡扣和所述雄头卡扣实现定位；
12.每一所述管状外钢柱均由多块条状弧形钢板两两侧边连接形成管状结构；每两块相邻的所述条状弧形钢板的侧边均形成拼接缝。
13.优选的，每一所述拼接缝的外侧壁均通过角焊缝设置封堵钢板。
14.优选的，每一所述预埋钢板均设有若干预埋锚筋，通过若干所述预埋锚筋与相应的所述顶板结构、相应的所述底板结构或者相应的所述中间板结构连接呈一体。
15.更优选的，每一所述预埋钢板的若干所述预埋锚筋均环绕相应的所述预埋钢板均布；
16.每一所述预埋锚筋均与相应的所述预埋钢板上的留孔穿孔塞焊连接。
17.优选的，设置于所述中间板结构的每一所述预埋钢板的若干所述预埋锚筋均设置为贯通整体型。
18.本发明还提供抵御强震灾害的双层复合钢管柱地下结构体系的施工方法，步骤如下：
19.步骤1、基坑开挖至坑底后，回筑钢筋混凝土形成所述底板结构，在每一需要设置所述钢混凝土中柱的位置均插入相应的所述管状内钢柱，并通过相应的预埋锚筋，在底板结构上表面设置所述预埋钢板；
20.步骤2、继续往上回筑各层钢筋混凝土形成所述中间板结构，在每一需要设置所述钢混凝土中柱的位置，通过相应的若干预埋锚筋，在中间板结构的上表面和下表面分别设置预埋钢板；
21.在所述中间板结构下表面的每一所述预埋钢板设置所述雌头卡扣；
22.步骤3、继续往上回筑钢筋混凝土形成所述顶板结构，通过相应的所述预埋锚筋，在所述顶板结构的下表面设置所述预埋钢板；
23.对所有所述管状内钢柱进行混凝土浇筑所述混凝土芯柱，在顶部设置钢柱上端板；
24.在所述顶板结构下表面的每一所述预埋钢板设置所述雌头卡扣；
25.步骤4、架设所有的所述管状外钢柱，每一所述管状外钢柱的上端均通过所述雌头卡扣和所述雄头卡扣进行定位，下端均通过角焊缝与相应的所述预埋钢板连接；
26.步骤5、通过每一所述管状外钢柱的所述拼装缝向所述管状外钢柱与所述管状内钢柱之间的空腔注入弹性材料形成弹性填充层；
27.完成后，封堵所有所述拼装缝。
28.优选的，在所述步骤1中，每一所述管状内钢柱在插入前均焊接钢柱下端板；
29.在插入每一所述管状内钢柱后，均通过设置相应的预埋锚筋，在底板结构上表面设置所述预埋钢板。
30.优选的，每一所述雌头卡扣均通过角焊缝与相应的所述预埋钢板连接。
31.优选的，每一所述钢柱上端板与相应的所述管状内钢柱的上端均通过焊接方式连接。
32.优选的，在所述步骤4中，所有所述雌头卡扣和相应的所述雄头卡扣之间均涂抹油脂。
33.本发明的有益效果：
34.本发明的应用即确保了正常使用工况与设防地震工况，荷载的有效传递及梁柱节点的稳定，又能抵御高于设防烈度强震工况荷载条件下的大变形，防止中柱剪压脆性破坏，从而导致顶板折断、覆土下陷，进而引发整体结构坍塌的灾难。
35.本发明的柔性双层复合钢管柱在强震作用工况具有较好的消能减震效果，可显著提高中柱抗剪切变形能力。
36.本发明构造简单，通过工厂预制与构件拼装，实现了现场施工快速安装，提高了生产效率。
37.本发明的应用有效拓展了地下工程的建设手段，推动了行业技术进步，具有良好经济、社会效益。
38.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
39.图1示出本发明一实施例中柱结构的结构示意图。
40.图2示出本发明一实施例中完成底板结构施工的状态示意图。
41.图3示出本发明一实施例中完成中间板结构施工的状态示意图。
42.图4示出本发明一实施例中完成顶板结构施工的状态示意图。
43.图5示出本发明一实施例中完成管状外钢柱架设的状态示意图。
44.图6示出本发明一实施例中预埋钢板的结构示意图。
45.图7示出本发明一实施例中管状外钢柱的结构示意图。
46.图8示出本发明一实施例中柱结构的横截面结构示意图。
47.图9示出本发明一实施例中柱结构和顶部结构之间的连接结构示意图。
具体实施方式
48.实施例
49.如图1，以及图6至图9所示，抵御强震灾害的双层复合钢管柱地下结构体系，包括若干竖直设置的柱结构；每一柱结构的上端均与地下结构的顶板结构8连接，下端均与地下结构的底板结构1，中部均与地下结构的中间板结构6连接。
50.每一柱结构均为多层结构，从内向外依次包括混凝土芯柱9、管状内钢柱2、弹性填充层13和管状外钢柱11；
51.其中，每一混凝土芯柱9和相应的管状内钢柱2均形成钢混凝土中柱；每一钢混凝土中柱的两端分别与顶板结构8和底板结构1连接，中部穿过所有中间板结构6，并与所有中间板结构6连接；
52.每一弹性填充层13和相应的管状外钢柱11的两端均分别与顶板结构和最上层中
间板结构6、两层相邻的中间板结构6或者底板结构1和最下层中间板结构6连接；
53.顶板结构8的下表面、底板结构1的上表面和每一中间板结构6的上表面和下表面，对应每一管状外钢柱11端部的位置均设有与管状外钢柱11相匹配的环形的预埋钢板4；
54.每一管状外钢柱11的上端与相应的每一预埋钢板4之间均设有匹配的雌头卡扣7和雄头卡扣，通过雌头卡扣7和雄头卡扣实现定位；
55.每一管状外钢柱11均由多块条状弧形钢板两两侧边连接形成管状结构；每两块相邻的条状弧形钢板的侧边均形成拼接缝12。
56.本发明的原理如下：
57.混凝土芯柱9和管状内钢柱2形成的钢混结构能够确保荷载的有效传递及梁柱节点的稳定。
58.在高于设防烈度的强震发生时，梁柱节点发生变形，带动管状外钢柱11变形，一方面管状外钢柱11与管状内钢柱2之间的弹性填充层13具有消能减震作用，可显著提高混凝土芯柱9和管状内钢柱2形成的钢混结构抗剪切变形能力；另一方面，管状外钢柱11通过雌头卡扣7与雄头卡扣在有限的可变形范围内与结构接触顶紧，二次受力时，能够抵御强震作用下的大变形，防止混凝土芯柱9和管状内钢柱2形成的钢混结构进一步剪压脆性破坏导致的顶板破坏，进而避免引发整体结构坍塌的灾难。
59.在实际应用中，管状内钢柱2和管状外钢柱11宜采用卷制焊接管，且应进行内壁除锈，确保管内不得有铁锈、泥皮、油脂等污物。
60.如因条件限制管状内钢柱2和管状外钢柱11必须分段制作时，分段位置应设置在层高的1/3位置，接长采用等强度的坡口焊缝。
61.在某些实施例中，每一拼接缝12的外侧壁均通过角焊缝15设置封堵钢板14。
62.在某些实施例中，每一预埋钢板4均设有若干预埋锚筋5，通过若干预埋锚筋5与相应的顶板结构8、相应的底板结构1或者相应的中间板结构6连接呈一体。
63.在某些实施例中，每一预埋钢板4的若干预埋锚筋5均环绕相应的预埋钢板4均布；
64.每一预埋锚筋5均与相应的预埋钢板4上的留孔穿孔塞焊连接。
65.在某些实施例中，设置于中间板结构6的每一预埋钢板4的若干预埋锚筋5均设置为贯通整体型。
66.如图1至图5所示，本发明还提供抵御强震灾害的双层复合钢管柱地下结构体系的施工方法，步骤如下：
67.步骤1、基坑开挖至坑底后，回筑钢筋混凝土形成底板结构1，在每一需要设置钢混凝土中柱的位置均插入相应的管状内钢柱2，并通过相应的预埋锚筋5，在底板结构1上表面设置预埋钢板4；
68.步骤2、继续往上回筑各层钢筋混凝土形成中间板结构6，在每一需要设置钢混凝土中柱的位置，通过相应的若干预埋锚筋5，在中间板结构6的上表面和下表面分别设置预埋钢板4；
69.在中间板结构6下表面的每一预埋钢板4设置雌头卡扣7；
70.步骤3、继续往上回筑钢筋混凝土形成顶板结构8，通过相应的预埋锚筋5，在顶板结构8的下表面设置预埋钢板4；
71.对所有管状内钢柱2进行混凝土浇筑混凝土芯柱9，在顶部设置钢柱上端板10；
72.在顶板结构8下表面的每一预埋钢板4设置雌头卡扣7；
73.步骤4、架设所有的管状外钢柱11，每一管状外钢柱11的上端均通过雌头卡扣7和雄头卡扣进行定位，下端均通过角焊缝与相应的预埋钢板4连接；
74.步骤5、通过每一管状外钢柱11的拼装缝向管状外钢柱11与管状内钢柱2之间的空腔注入弹性材料形成弹性填充层13；
75.完成后，封堵所有拼装缝。
76.在某些实施例中，在步骤1中，每一管状内钢柱2在插入前均焊接钢柱下端板3；
77.在插入每一管状内钢柱2后，均通过设置相应的预埋锚筋5，在底板结构1上表面设置预埋钢板4。
78.在某些实施例中，每一雌头卡扣7均通过角焊缝15与相应的预埋钢板4连接。
79.在某些实施例中，每一钢柱上端板10与相应的管状内钢柱2的上端均通过焊接方式连接。
80.在某些实施例中，在步骤4中，所有雌头卡扣7和相应的雄头卡扣之间均涂抹油脂。
81.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。