角柱失效后防結構連續倒塌的連接單元及懸吊拉索裝置的制作方法

本實用新型屬于土木工程技術領域，涉及一種位于結構體外、斜向懸吊、角柱失效后防結構連續倒塌的裝置。

背景技術：

一些房屋建筑因其功能要求、地理位置等原因，在其服役期內可能遭受超設計水平的偶然荷載的作用，如煤氣爆炸、恐怖爆炸、車輛撞擊等。偶然荷載可造成建筑結構局部破壞，如果破壞進一步蔓延并引發結構大面積坍塌，工程上稱之為連續性倒塌。結構連續性倒塌極大地威脅生命財產安全，并可產生嚴重社會影響。歷史上著名的例子是2001年美國911事件中世貿中心大廈倒塌。因此，提高重要結構的防連續倒塌能力具有重要意義。我國“混凝土結構設計規范(GB50010-2010)”中對防連續倒塌設計原則進行了規定。“建筑結構抗倒塌設計規范(CECS392-2014)”進一步對防連續倒塌設計給出了具體規定。

目前，結構防連續倒塌設計方法是基于常規設計方法的驗算方法。流程上，首先對結構進行常規設計，然后考慮結構對應的防連續倒塌要求等級，進行相應的防連續倒塌設計。具體方法上，對于重要建筑，常常采用移柱法(或移除其他豎向承重構件如剪力墻)檢驗結構防連續倒塌能力，即通過移除不同位置處的柱子，考察剩余結構是否發生連續倒塌。在常規設計完成后移除某根柱，如果結構不發生連續倒塌，則計算通過，維持原設計。否則，通過各種措施修改常規設計。對于移除角柱結構發生連續倒塌的情況，修改常規設計的常見措施包括增大端跨梁的配筋和截面、縮短端跨長度，直至連續倒塌不發生，計算通過。

拆除柱的位置包括中柱、邊柱和角柱。從結構的連續倒塌抗力來源上區分，拆除中柱和邊柱的方法可歸結為一類，而拆除角柱歸結為另一類。對于前一類，防倒塌抗力在前期主要依靠兩端支撐的水平構件的抗彎和抗剪性能，在后期主要依靠梁和樓板內的縱向鋼筋形成的懸索效應。而對于拆除角柱，剩余結構防倒塌抗力主要是通過端跨梁的近似懸臂作用提供抗彎和抗剪，懸索效應不存在。如果跨梁的近似懸臂作用不能提供足夠的抗力平衡上部荷載，則結構發生連續倒塌。

對于移除角柱的情況，采用增大端跨梁的配筋和截面，以及縮短端跨長度以提高防連續倒塌性能的方法存在以下不足：(1)效率不高。在建筑層高大致確定的前提下，增加梁高度和配筋，以提高近似懸臂作用產生的抗力，效果有限，效率不高。(2)返工量大。如果采用縮短端跨長度措施，則建筑方案和結構方案均變動較大，修改工作量大，工期可能延長。(3)不經濟。配筋和截面的增大導致增加造價。(4)影響使用且不美觀。增大端跨梁的高度將影響采光效果和建筑美觀。

技術實現要素：

為克服現有技術的前述缺陷，本實用新型的目的是提供一種可用于角柱失效后防結構連續倒塌的連接單元及懸吊拉索裝置，以防止鋼筋混凝土結構角柱失效后的連續性倒塌。

為達到上述目的，本實用新型采用的技術方案如下：

本實用新型提供了一種可用于角柱失效后防結構連續倒塌的連接單元，以及由若干個連接單元在結構端跨自底層向頂層斜向布置而組成懸吊拉索裝置，連接單元一端拉結結構端跨的梁柱邊節點，另一端錨固于上層梁柱第二節點內。在結構端跨的梁柱邊節點和上層梁柱第二節點內均預留孔，所述連接單元的端部穿過預留孔并采用錨具錨固。

具體的，一種可用于角柱失效后防結構連續倒塌的連接單元，包括兩段連接線和一個連接裝置，所述兩段連接線從兩側與所述連接裝置固定連接形成所述連接單元。

進一步，優選地，所述連接裝置為連接盒，所述連接盒內部設置有用于將第一段連接線的一端錨固在連接盒內的第一塊錨具、用于將第二段連接線的一端錨固在連接盒內第二塊錨具。

優選地，所述連接盒的兩側設置有圓孔分別供第一段連接線、第二段連接線的一端伸入連接盒中。

優選地，所述兩段連接線為第一根拉索和第二根拉索。

優選地，所述兩段連接線采用的材料為消除應力鋼絲或鋼絞線。

優選地，所述連接盒采用鋼材Q235或Q345制作。

所述的可用于角柱失效后防結構連續倒塌的連接單元的懸吊拉索裝置，由若干個所述連接單元在結構端跨自底層向頂層斜向布置而組成，每個連接單元一端拉結結構端跨的梁柱邊節點，另一端錨固于上層梁柱第二節點內。

優選地，在結構端跨的梁柱邊節點內部和上層梁柱第二節點內部均預留孔，所述連接單元的端部穿過預留孔并采用拉索錨具錨固。

優選地，拉索錨固在梁柱節點內，第一根拉索的上端部采用設置于第一墊板上的第一錨具加以固定，第一墊板設置于第一臺座上，第一臺座支撐在第一托架上。第一套筒套在第一根拉索上端部保護拉索不受周圍混凝土磨損并盡可能減少節點因留孔導致的削弱；第二根拉索的上端部與連接盒的下端相連，第二根拉索的下端部連接于第一根拉索對角部位的梁柱節點內，采用設置于第二墊板上的第二錨具加以固定，第二墊板設置于第二臺座上，第二臺座支撐在第二托架上；第二套筒套在第二根拉索的下端部。

由于采用上述技術方案，本實用新型具有以下優點和有益效果：

本實用新型提供的裝置可以高效率地提高角柱移除后結構防連續倒塌性能。消除應力鋼絲或鋼絞線的極限強度較高，是一種適合提供較大拉力的材料。角柱移除后，連接單元在端跨梁的端部提供較大的附加拉力，改善了端跨梁的受力狀態，大幅度提升端跨梁的抗倒塌能力。

本實用新型提供的裝置受力合理。從建筑立面上看，結構端跨上下層的梁和柱形成方形區域，裝置斜置在每層該區域的對角線上，可在一定范圍內被拉伸而不產生拉力。在結構正常受力階段，層間變形小。此時裝置雖被少量拉長，但拉索仍處于放松狀態，裝置不工作，從而使得結構正常受力階段的工作不受影響。當角柱被移除導致端跨梁端部向下產生大變形時，裝置被拉緊而產生拉力，阻止梁端向下位移，抵抗結構連續倒塌。

本實用新型提供的裝置可減少設計返工量。移除角柱后如果結構發生連續倒塌，若采用增加端跨梁的梁高度和配筋、縮短端跨長度等措施，這些措施效率較低，常常需要多次驗算直至通過。而增設本裝置的防連續倒塌效率大大提高，故一般一次驗算即可通過，返工量小。

本實用新型提供的裝置經濟性好。相比增大端跨梁的配筋和截面的措施，安裝拉索的費用較低。

本實用新型提供的裝置適應性強。通過改變連接線長度大小，可適應結構端跨具有不同跨度和變形要求的結構。

附圖說明

圖1為角柱移除后結構發生連續倒塌示意圖。

圖2為采用本實用新型提供的裝置后在正常受力狀態下的結構立面變形示意圖。

圖3為采用本實用新型提供的裝置在角柱移除后的結構立面變形示意圖。

圖4為本實用新型兩段連接線和連接盒實施例的結構示意圖。

圖5為本實用新型連接線實施例的錨固示意圖。

圖6是本實用新型裝置的側視圖。

其中：1—移除的底層角柱，2—某層端跨梁，31—第一根拉索，32—第二根拉索，4—連接盒，51—第一塊錨具，52—第二塊錨具，61—第一錨具，62—第一墊板，63—第一臺座，64—第一托架，65—第一套筒。

具體實施方式

下面結合附圖所示實施例對本實用新型作進一步詳細的說明。

實施例1

移除底層角柱1后，角柱1上部結構有下墜趨勢。此時，每層端梁2有兩端固接支撐梁變成一端固接一段滑動支撐梁，抵抗連續倒塌。如果所述某端跨梁2的承載力不足，則結構的角部將發生較大變形，如圖1所示，并可能進一步發生連續倒塌。本例采用設置懸吊拉索裝置來增強結構抗連續倒塌能力。

圖2為實施例所示采用本實用新型提供的裝置后在正常受力狀態下的結構立面變形示意圖。在縱橫某一個方向的端跨內，該裝置由自底層向頂層每層內斜向布置的連接單元組成。底層角柱移除后，結構角部產生較大變形，如圖3所示。

所述連接單元包括兩根連接用的第一根拉索31、第二根拉索32和一個連接盒4，所述第一根拉索31的一端通過連接盒4上的一側的孔伸入連接盒4內部并與連接盒內拉索的第一塊錨具51錨固，使得第一根拉索31的伸入端留在連接盒4內而不能脫出；同樣的，所述第二根拉索32的一端通過連接盒4上另一側的孔伸入連接盒4內部并與連接盒內拉索的第二塊錨具52錨固，使得第二根拉索32的伸入端留在連接盒4內而不能脫出，由此連接形成連接單元，如圖4和圖6所示。

拉索錨固在梁柱節點內，構造如圖5所示。第一根拉索31的上端部采用設置于第一墊板62上的第一錨具61加以固定，第一墊板62設置于第一臺座63上，第一臺座63支撐在第一托架64上。第一套筒65套在第一根拉索31上端部，一方面保護拉索不受周圍混凝土磨損，另一方面盡可能減少節點因留孔導致的削弱。第二根拉索32的錨固位置如圖2或圖3所示，錨固方法與第一根拉索31相同，即第二根拉索32的上端部與連接盒4的下端相連，第二根拉索32的下端部連接于第一根拉索31的對角部位的梁柱節點內，采用設置于第二墊板上的第二錨具加以固定，第二墊板設置于第二臺座上，第二臺座支撐在第二托架上，第二套筒套在第二根拉索32的下端部(出于圖面簡潔的考慮，圖中未增加數字標記)。

錨固力不小于拉索的極限抗拉力，使得拉索不會發生錨固失效。連接單元可以小量伸長而不產生拉力。在正常受力狀態下，根據《建筑抗震設計規范(GB 50011-2010)》、《高層混凝土結構技術規程(JGJ 3-2010)》的規定，層間側移角(層間側移Δ₀與層高H之比)應小于其限值[θ_e]：

發生層間側移后連接單元雖然被拉長，但因拉索具有預留長度，沒有緊繃，不產生拉力，結構的原受力狀態沒有變化。

當角柱被移除，結構角部產生較大向下位移(如圖3所示)。所述第一根拉索31和第二根拉索32的端部錨具51和52趨向于緊貼連接盒4側壁，連接單元不斷伸長以至被拉緊而產生拉力。此時，端跨梁2和本實用新型裝置共同受力，抵抗連續倒塌。端跨梁2由原先的受彎受力變成壓彎復合受力，其靠近端部梁柱第二節點的截面處彎矩隨位移增大而不斷增大，可能形成塑性鉸。本實用新型裝置則受軸向拉力。如果端跨梁2和實用新型裝置沒有破壞，則連續倒塌不會發生。

實施例2

某鋼筋混凝土框架結構底層某角柱受偶然荷載作用而破壞。建筑為上海某地六層辦公樓，橫向6m×3跨，縱向6m×5跨，層高3.6m。抗震等級為三級，設防烈度為7度(0.1g)，場地土類別為Ⅳ類，設計地震分組為一組，丙類建筑，設計使用年限為50年，地面粗糙度為B類，基本風壓ω₀＝0.55N/mm²。樓板厚為110mm，主梁截面b×h＝250mm×600mm，框架柱截面500mm×500mm。混凝土用C35，縱向鋼筋HRB400，箍筋HRB335。樓面恒載標準值3.0kN/m²，活載標準值2.0kN/m²，梁上恒載9.9kN/m(梁上填充墻及自重)，屋面恒載標準值5.0kN/m²，活載標準值2.0kN/m²，基本雪壓0.2kN/m²。經計算配筋后，可得底層縱向端跨梁近第二支座處截面的極限負彎矩M_u＝381kN·m。

進行底層角柱移除后抗連續倒塌驗算。假定各層各自獨立地抵抗連續倒塌，并且在x向和Y向也各自獨立工作。以二層的x向端跨梁為例，移柱后，端跨梁可近似簡化成一端固定支座、一端滑動支座的單跨梁進行受力分析，對應固支端彎矩M₀＝622kN·m。由于M₀>M_u，則結構在角柱失效后會發生連續性倒塌。

為提升防連續倒塌能力，在第二層端跨單元內斜向布置懸吊鋼絞線裝置9根7A^s15.2，每根鋼絞線面積A_gs＝140mm²，9根鋼絞線面積合計1260mm²，鋼絞線彈性模量E_gs＝1.95×10⁵MPa，現驗算結構是否發生連續倒塌。

對近似簡化的端跨梁進一步分析。在角柱失效后，梁上受三種荷載作用：梁上的填充墻以及梁的自重引起的均布線荷載q₁；由雙向樓板均布面荷載q₂傳到梁上的荷載；底層角柱失效后，正上方的二層角柱自重作用在梁端的集中荷載q₃。懸吊鋼絞線的作用分解為水平分力F_x與豎向分力F_y的作用，其中F_x引起梁內軸力，F_y引起梁端正彎矩。具體計算過程如下：

原結構梁端可承擔的極限彎矩為：

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

角柱失效后梁所承擔的荷載分別為：

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

角柱失效對于梁應為動力作用，考慮將荷載乘以動力放大系數β_c＝2.0,對應荷載分別為：

q₁′＝β_cq₁＝19.8kN/m

q₂′＝β_cq₂＝14kN/m²

q₃′＝β_cq₃＝39kN

則梁固支端實際承受彎矩為：

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

其中，m₁為單位豎向均布荷載作用時梁固支端的彎矩值

m₂為單位樓面均布荷載作用時梁固支端的彎矩值

m₃為單位豎向集中荷載作用在滑動端時梁固支端的彎矩值

因為M₀>M_u，故結構在角柱失效后會發生連續性倒塌。

連接單元的初始長度是6.997m。連接單元在結構發生規范允許的層間側移Δ₀時不發揮作用。由此可確定連接單元不緊繃受力的最大長度為7.003m。當底層角柱移除后，端跨梁的滑動支座端下墜，連接單元被逐漸拉長。由幾何關系可知，當端跨梁的滑動支座端下墜位移達到11mm時，連接單元達到放松張貼的最大長度。之后，如果端跨梁的滑動支座端下墜位移繼續增大，則連接單元將被拉緊而產生拉力。

如果連接單元被拉緊而產生拉力，拉力可分解為水平分力F_x與豎向分力F_y。則梁固支端的彎矩M與軸力N為：

M＝M₀-β_cF_y·m₃≈(622-6F_y)kN·m

梁的剛度采用短期

其中A_s,E_s分別表示鋼筋面積與彈性模量；h₀表示梁截面有效高度；ψ表示裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數，本算例中為0.57；ρ表示配筋率；β_c＝2.0表示動力放大系數。則除拉索之外其他荷載引起的滑動端位移u₀為：

其中M_i＝q_im_i為荷載q_i作用時梁固支端彎矩；s_i為荷載q_i形式對應的系數，i＝1,2,3。

滑動端的位移u可表示為(2)式中的形式：

根據將(2)式代入并自取E_gsA_gs試算，直到所得結果位于梁左端截面的M-N相關曲線內部，此時梁左端截面受力安全。針對本算例試算解得u＝16.0mm，F_y＝39.6kN，F_x＝N＝66.0kN。此時M＝M₀-β_cF_y·m₃＝384kN·m，代入梁截面M-N相關曲線驗算可知，梁不會達到承載力極限狀態，即梁不破壞。

綜上所述，在第二層端跨單元內斜向布置懸吊鋼絞線裝置9根7A^s15.2時，上述計算表明，結構不會發生連續倒塌。

若將斜向布置懸吊鋼絞線增加到19根時，計算原理同上，可承擔的樓面活荷載從2.0kN/m²增加至4.0kN/m²，結構的防連續倒塌能力提高了4.0/2.0＝2倍。

可見，本實用新型通過改變相關參數(比如改變鋼絞線的根數)，可根據不同的抗連續倒塌要求，提高結構的防連續倒塌性能。

上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本實用新型。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本實用新型不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本實用新型的揭示，不脫離本實用新型范疇所做出的改進和修改都應該在本實用新型的保護范圍之內。