一种模块化钢结构建筑抗震-减震多功能协同体系制造技术

本发明专利技术提供的一种模块化钢结构建筑抗震

【技术实现步骤摘要】
一种模块化钢结构建筑抗震
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减震多功能协同体系


[0001]本专利技术涉及建筑结构抗震领域，具体涉及一种模块化钢结构建筑抗震
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减震多功能协同体系。

技术介绍

[0002]建筑工业化是我国建筑行业发展的必然趋势，模块化建筑作为目前工业化程度最高的建筑形式，符合我国建筑行业的发展要求，代表了我国建筑行业的发展方向，其快速建造的特点契合当下行业高周转的需求，正逐步受到关注并迎来发展。
[0003]与混凝土材料相比，钢材是一种全生命周期可循环利用的绿色建材，钢结构与模块化建筑结合符合绿色化、工业化的建筑产业现代化发展方向。模块化钢结构建筑，是全生命周期的绿色建筑，与日益提高的绿色环保要求和逐年递减的劳动力这一现实国情完全契合，成为模块化建筑的最新前沿发展趋势和未来发展必由之路。
[0004]图1所示模块化钢结构建筑由多个建筑模块(图2所示)组合而成，且由于单个建筑模块拥有独立的楼面板及天花板，从而使得模块化钢结构建筑梁柱节点处会形成独特的双梁双板结构(图3所示)。双梁双板结构能够显著降低天花板上荷载水平，有利于实现天花梁轻量化设计和建筑模块内部空间的有效利用。此项设计虽较好的利用了模块化建筑的构造特点，但显著降低了天花梁的承载力水平，使其成为模块化建筑中的相对薄弱构件。
[0005]目前，相邻建筑模块间通过如图4所示节点实现竖向及水平向连接，其力学示意图如图 5所示。上述传统节点工作原理如下：竖向相邻模块通过图示节点连接形成竖向模块结构(图 6所示)，相邻竖向模块结构通过共用连接板实现水平向剪力传递，进而形成模块化钢结构(图 7所示)。但此种设计受到施工空间及施工精度的限制，共用连接板仅对相邻竖向模块结构提供水平向约束。
[0006]我国是世界上地震多发的国家之一，超过一半地区位于7度及以上高烈度区，对我国人民生命财产安全造成了严重的威胁。以往震害表明，建筑结构的破坏和倒塌是导致人员伤亡和经济损失的根本原因，因此如何减轻由地震引起的土木工程灾害已成为我国工程抗震领域的核心问题。现有研究表明，模块化钢结构存在整体性不足、连接刚度突变等系列关键问题，突出表现在相邻竖向模块结构间仅依靠共用连接板提供水平向约束，二者间缺乏必要的竖向约束。上述竖向约束的缺失，将导致模块化钢结构在承受地震作用时，各竖向模块结构独立工作，模块间连接节点将出现竖向变形差(图8所示)。上述相关问题对模块化钢结构建筑的抗震安全性造成极大隐患，阻碍了此类新型建筑在我国的大规模应用。
[0007]采用减隔震技术是提高建筑结构抗震性能的重要手段之一。《建设工程抗震管理条例》明确指出优先采用减隔震技术以提高建筑结构的抗震性能。实际工程表明，虽然隔震技术可以较好地降低地震对结构的能量输入，但是其经济性相对不足。而且模块化钢结构建造成本相较于传统钢结构相对较高，若将隔震技术应用于模块化钢结构中，将进一步推高其应用成本，不符合行业在经济性方面的相关需求。
[0008]结合上述实际情况，将技术成本相对较低的减震技术与模块化钢结构建筑有效结
合是现阶段提高此类新型装配式建筑抗震性能的切实途径。现有减震技术基于传统建筑结构的变形特点提出，在以往传统建筑结构的建设过程中表现出良好的适配性。然而模块化钢结构建筑在结构特点、施工顺序、使用功能方面，与传统建筑表现出明显的差异性，因此，将现有减震技术应用于模块化钢结构建筑中，将面临以下问题：
[0009](1)现有减震技术难以与模块化钢结构建筑有效结合：
[0010]如前所述，现有减震技术的应用对象是传统建筑。针对传统建筑在地震作用下的变形特点，现有减震技术将阻尼器集中布置于层间梁间，具体设置方式主要包括支撑式、支墩式及腋撑式(如图9所示)。如此设置，阻尼器可利用地震作用下传统结构的层间位移作为有效激励，进入耗能工作状态。需说明的是，阻尼器在耗能工作状态中将产生可观附加内力，在传统结构中，此附加内力能够通过梁柱实现承载与传递。但相较于传统结构，模块化钢结构施工顺序、使用功能及结构特点存在明显差异，其天花梁多采用轻量化设计，因而承载力相对较弱，难以承担现有减震技术带来的附加内力。若将现有减震技术应用于模块化钢结构中，将给天花梁带来不必要的附加载荷，势必导致天花梁的截面增大，不再符合此类新型建筑的结构特点。此外，受运输条件限制，模块化建筑楼层存在净高受限、可利用空间紧张等实际问题，因此，保障其建筑使用功能成为此类建筑的现实需求。但现有减震技术的实施势必造成对梁下空间的侵占(图9所示)，这将进一步压缩建筑可利用空间，进而影响建筑使用功能。
[0011](2)水平向多模块结构之间缺乏良好的整体性和多道抗震防线：
[0012]如前所述，由于水平相邻模块柱间仅存在水平向约束，相邻竖向模块结构间缺乏竖向有效约束，导致水平向多模块结构之间缺乏良好的整体性。当模块化钢结构建筑承受地震作用时，主要依靠各竖向模块结构独立承载，梁柱节点处将出现竖向反向剪力对(如图8所示)，该剪力对分别作用于相邻模块柱，并在建筑高度方向形成累积。当模块化建筑承受大震作用时，容易导致单侧模块柱轴压比过大，模块柱失稳破坏，增大模块化建筑倒塌风险。
[0013]进一步的，由于现有模块化结构缺乏良好整体性，结构承受地震作用时仅竖向多模块结构独立工作，水平相邻模块间仅实现水平剪力的传递而非整体受力。这使得在现有抗震条件下，模块化钢结构缺乏多道抗震防线的设置空间，进而影响该类建筑的抗震安全性，限制此类建筑的使用范围。
[0014]综上所示，现有减震技术难以满足模块化钢结构的使用需求，主要表现为现有减震技术适配性较差、减震技术缺乏多道抗震防线设置空间等问题。

技术实现思路

[0015]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种模块化钢结构建筑的抗震
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减震多功能协同体系，显著提高模块化钢结构整体性的同时实现模块化钢结构与减震技术的有效结合，并合理设置多道防线提升其抗震性能，该体系力学示意图如图10所示，主要包括：多个建筑集成模块和模块间的连接节点。其中建筑集成模块主要包括：天花梁、局部高强模块柱、局部高强模块底梁；模块间的连接节点主要包括：竖向模块连接节点、水平模块间的铰接节点、水平模块间的摩擦连接。该结构体系中，主要消能减震构件为天花梁转动摩擦节点和水平模块间的摩擦连接。建筑集成模块通过竖向模块连接节点实现高效可靠的连接，
形成竖向模块结构。相邻竖向模块结构间通过水平模块间的铰接节点实现模块间水平剪力的传递。进一步的，通过水平相邻模块间的摩擦连接提供竖向模块结构间的竖向约束，进一步提高该体系内柱簇的整体性，使其能够在一定条件下共同受力，亦可在一定条件下产生滑动摩擦进行消能减震。
[0016]如此设计，该结构体系可实现三道抗震防线设计，分别为抗震工作状态、第一减震工作状态及第二减震工作状态。当模块化钢结构承受小震作用时，结构进入抗震工作状态(图11 所示)，此时主要消能减震构件均不进入耗能工作状态，结构主体保持弹性，维持建筑基本使用功能。当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模块化钢结构建筑抗震
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减震多功能协同体系，其特征在于，包括建筑集成模块(1)和模块间的连接节点，所述建筑集成模块(1)包括多个建筑模块，每个建筑模块均包括天花梁(11)、局部高强模块柱(12)和局部高强模块底梁(13)，天花梁(11)包括中间梁段(112)以及位于中间梁段(112)两侧的悬臂段(111)，且每个悬臂段(111)和中间梁段(112)之间通过天花梁转动摩擦节点(113)连接；模块间的连接节点包括竖向模块连接节点(21)、水平模块间的铰接节点(22)和水平模块间的摩擦连接(23)，竖向的相邻建筑模块之间通过所述竖向模块连接节点(21)连接，水平方向上的相邻建筑模块之间通过所述水平模块间的铰接节点(22)进行铰接以实现模块间水平剪力的传递且同时通过水平模块间的摩擦连接(23)连接以提供竖向约束，所述水平模块间的摩擦连接(23)能够相对于局部高强模块柱(12)发生轴向移动。2.根据权利要求1所述的一种模块化钢结构建筑抗震
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减震多功能协同体系，其特征在于，天花梁(11)、局部高强模块柱(12)和局部高强模块底梁(13)中均包括有高强钢段。3.根据权利要求1所述的一种模块化钢结构建筑抗震
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减震多功能协同体系，其特征在于，天花梁转动摩擦节点(113)包括梁连接板(1131)、第一高摩擦面(1132)、滑移垫板(1135)、第一低摩擦面(1133)和第一预紧件(1137)，梁连接板(1131)与天花梁(11)的中间梁段(112)之间为转动连接，且梁连接板(1131)连接中间梁段(112)的腹板与悬臂梁段(111)的腹板；第一高摩擦面(1132)夹设在梁连接板(1131)和中间梁段(112)之间；滑移垫板(1135)位于梁连接板(1131)上，且第一低摩擦面(1133)夹设在滑移垫板(1135)和梁连接板(1131)之间；第一预紧件(1137)依次连接滑移垫板(1135)、第一低摩擦面(1133)、梁连接板(1131)、第一高摩擦面(1132)和中间梁段(112)的腹板并用于施加预紧力。4.根据权利要求3所述的一种模块化钢结构建筑抗震
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减震多功能协同体系，其特征在于，天花梁转动摩擦节点(113)还包括插销(1136)，梁连接板(1131)与中间梁段(112)之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵俊贤，何之秋，田启祥，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：