CN103437456A - 防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种属于结构工程技术领域的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，由开斜槽钢板、设置在钢板两侧并约束钢板面外变形的混凝土板，与钢板相连的边缘框架组成，钢板上开设由根据需要设计的不同形式的斜槽，其四周通过螺栓连接内嵌于边缘框架中，由穿过斜槽的螺栓连接两侧混凝土板。通过在钢板上开设不同形式的斜槽，改变了钢板复杂的受力状态，形成以槽间钢板拉压变形为主的受力模式，不仅有利于实现稳定的拉压耗能；同时可以通过改变开设斜槽的形式和尺寸(长度、宽度)调节槽间斜板的参数，有效的控制剪力墙的失效机制，从而可以调节剪力墙的抗侧刚度、强度和延性。本发明作为一种新型抗侧力和耗能构件，可广泛适用于多高层结构中。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型耗能、防屈曲开斜槽钢板剪力墙，属于结构工程技术领域。
背景技术
在抗震设计中，如何减轻地震中建筑结构(包括主要受力构件、非结构构件)不可恢复性的损伤(如塑形变形)，使结构在地震后能够迅速修复并能正常使用，是目前工程抗震研究的热点。耗能构件的引入是一种非常有效的方法，在结构中设置耗能构件可有效地耗散地震的输入能，使结构的变形主要集中在耗能构件中，避免结构中其他构件发生破坏。
钢板剪力墙是一种抗震性能良好的结构构件，而且近年来在我国超高层建筑中已开始应用，但目前主要考虑了钢板剪力墙的抗侧能力，而未有效地考虑其耗能贡献。
非加劲薄钢板剪力墙在水平剪力作用时，钢板极易发生屈曲，最终以拉力带的形式承担外荷载；当荷载反向作用时，上一步荷载作用下产生的拉力带退出工作，并且逐渐形成反向拉力带；在这个过程中，钢板处于复杂受力状态且钢板屈曲不断发生变化，当钢材进入屈服，产生非弹性屈曲时，钢板中便形成无法恢复的面外变形，进而形成褶皱，在褶皱处钢材极易发生撕裂或断裂，因此，非加劲薄钢板剪力墙在往复荷载作用下的抗疲劳性能不足。
采用在钢板两侧覆盖混凝土板的措施，可以约束钢板的面外变形，延缓钢板屈曲，将改善薄钢板因屈曲导致拉力带不断发生转化而引起的滞回曲线的捏缩，解决钢板耗能能力不能得到充分发挥的问题。但剪力墙中的钢板处于复杂受力状态，较难控制剪力墙的破坏模式，因而无法准确判断其屈服荷载和屈服位移，不便于实现参数 (屈服位移，屈服力) 可控的设计；同时在目前的工程应用中，钢板多为一整块钢板，当边缘框架的尺寸和钢材的屈服强度一定时，钢板的强度和刚度仅与钢板的厚度相关，工程设计人员很难仅通过调整钢板的厚度而得到设计需要的刚度和强度，当钢板剪力墙应用于多高层建筑时，常因设计厚度太薄无法满足加工要求而增大钢板的厚度，造成了钢材的浪费，因此极大地限制了钢板剪力墙在多高层建筑中的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用广泛、耗能性能卓越、设计参数可控的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征在于，所述剪力墙主要由开斜槽钢板、设置在钢板两侧并约束钢板面外变形的混凝土板，与钢板相连的边缘框架组成；所述开斜槽钢板上根据实际情况和设计需要开设不同形式的斜槽，四周通过螺栓连接内嵌于边缘框架中；所示边缘框架由左边缘框架柱、上边缘框架梁、右边缘框架柱和下边缘框架梁共同组成。
在上述防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙中，所述的两侧混凝土板通过穿透三块板的螺栓连接，为减少螺栓孔对斜槽间钢板的影响，同时保证槽间钢板理想的拉压变形，螺栓孔布置在斜槽中；所述混凝土板根据钢板厚度及其所需的面外抗侧刚度确定混凝土厚度，并采用双层双向配筋，所述双向为沿斜槽开设方向和垂直斜槽开设方向。
在上述防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙中，为防止钢板与混凝土板之间的摩擦导致混凝土板过早开裂，在钢板与两侧混凝土板之间设置无粘结材料或一定的间隙，其间隙设置因满足混凝土板仍能有效约束钢板的低阶屈曲，一般取值不大于1mm。
在上述防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙中，所述混凝土板仅起约束开斜槽钢板的作用，其与开斜槽钢板相连的边缘框架间留有一定的间隙，其值大小根据保证结构在大震作用时混凝土不因与边缘框架接触而参与抵抗水平荷载作用的极限条件设置。
在上述防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙中，为便于实现产业化和震后的快速修复，所述开斜槽钢板四周插入预先设计在边缘框架上的对称角钢中，并通过螺栓与之相连，所述对称角钢同时加强了因边缘无混凝土板约束而形成的钢板薄弱部位。
在上述防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙中，通过在钢板上开设斜槽，将钢板的薄弱部位从边缘转移到内部，形成所述的开斜槽钢板，改变了钢板复杂的受力状态，形成以槽间钢板拉压变形为主的受力模式，不仅有利于实现稳定的拉压耗能；同时可以通过考察槽间钢板的拉压变形，较好的确定剪力墙的屈服荷载和屈服位移。
在上述防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙中，通过改变斜槽宽度、槽间钢板宽度、斜槽的布置形式，可以设计不同的剪力墙强度和刚度，进而实现不同的屈服荷载及其对应的屈服位移，实现参数可控的设计。
在上述防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙中，钢板上开槽的形式分为非等长斜槽、单排等长斜槽、多排等长斜槽三种。
对于开设有非等长斜槽的防屈曲耗能钢板剪力墙，沿对角方向在钢板上开设非等长的斜槽，槽间斜板由中间向两侧逐渐变短，形成非等长斜板。两侧混凝土板约束槽间斜板的面外变形，在小震作用下，非等长的槽间斜板以拉压作用的形式承担外荷载；在大震作用下，通过非等长的槽间斜板拉压屈服耗能耗散地震输入能，因槽间斜板由中间向两侧逐渐变短和各斜板的相对位移各自不同，各斜板无法同时屈服，通过各斜板的相对位移和考虑拉压变形，控制所述剪力墙的各阶段受力特点，进而确定其各阶段屈服荷载和屈服位移。
对于开设有单排等长斜槽的防屈曲耗能钢板剪力墙，沿对角方向在钢板上开设等长的斜槽，形成槽间等长斜板。因斜槽对钢板的削弱较少，在小震作用时，仍以钢板受剪承担外荷载；在大震作用下，因槽间斜板具有相同长度，通过考虑各斜板拉压变形，控制所述剪力墙的各阶段受力特点，进而确定其屈服荷载和屈服位移。
对于开设有多排等长斜槽的防屈曲耗能钢板剪力墙，将钢板划分成多个区域，在每个区域上开设平行的等长斜槽，进而形成槽间等长斜板，在小震作用下，以等长的槽间斜板以拉压作用承担外荷载；在大震作用下，通过等长的槽间斜板拉压屈服耗能耗散地震输入能，因槽间斜板具有相同长度，各斜板可以实现同时屈服，通过考虑各斜板拉压变形，控制所述剪力墙的受力特点，进而确定其屈服荷载和屈服位移。
本发明的有益效果是：
1)在传统屈曲约束钢板剪力墙基础上，通过在钢板上开设斜槽，改变钢板复杂的受力状态，使槽间斜板以承受拉压作用为主，通过内部槽间斜板的充分拉压塑性变形而耗能，从而具有更加稳定的滞回耗能能力；2)通过改变开设斜槽的形式和尺寸(长度、宽度)，能够调节槽间斜板的参数，从而调节剪力墙的抗侧刚度、强度和延性，克服了传统钢板剪力墙仅通过调整钢板的厚度调节剪力墙的刚度和强度的局限，且刚度与强度存在相互制约，无法实现仅改变刚度或仅改变强度，因而很难得到设计需要的刚度和强度；3)在钢板上开设斜槽，通过改变开设斜槽的形式和尺寸(长度、宽度)，可以有效的控制剪力墙的破坏模式，通过计算槽间斜板的拉压屈服，控制所述剪力墙的受力特点，进而确定其屈服荷载和屈服位移，便于实现参数可控的设计，使破坏主要集中在易修复的构件，震后易修复；4)目前钢板剪力墙因其具有较大的抗侧刚度而主要应用于超高层建筑中，在钢板上开设斜槽，增大了剪力墙的抗侧刚度和强度的变化范围，使其在中高层建筑中得以应用，大大推广了该剪力墙的应用范围。
附图说明
图1是本发明的防屈曲开斜槽耗能钢板剪力墙的三维结构示意图。
图2是图1的平面结构示意图。
图3是图2的纵向剖视图。
图4是图2的横向剖视图(未画混凝土板)。
图5是钢板与边缘框架的连接示意图。
图6是本发明的无混凝土约束的非等长斜槽剪力墙的示意图。
图7是图5中开设非等长斜槽的钢板示意图。
图8是本发明的防屈曲开斜槽耗能钢板剪力墙单排等长斜槽示意图。
图9是图8中开设单排等长斜槽的钢板示意图。
图10是本发明的防屈曲开斜槽耗能钢板剪力墙多排等长斜槽示意图。
图11是图10中开设多排等长斜槽的钢板示意图。
图中1.左边缘框架柱，2.右边缘框架柱，3.上边缘框架柱，4.下边缘框架柱，5.钢板与边缘框架连接的对称角钢，6.混凝土盖板，7. 钢板与边缘框架的连接螺栓，8.连接两侧混凝土盖板的螺栓，9.开斜槽钢板，10. 非等长斜槽，11.混凝土盖板与边缘框架之间的预留缝隙，12. 单排等长斜槽，13. 多排等长斜槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
本发明的防屈曲开斜槽耗能钢板剪力墙由开斜槽钢板(9)和钢板两侧的约束混凝土盖板(6)和边缘框架组成；边缘框架由左边缘框架柱(1)、右边缘框架柱(2)、上边缘框架梁(3)和下边缘框架梁(4)组成；开斜槽钢板(9)采用低屈服点高延性钢材；同时在开斜槽钢板(9)上开设单排等长斜槽(12)、多排等长斜槽(13)或非等长的斜槽(10)；开斜槽钢板(9)的四周通过螺栓(7)与对称角钢(5)相连，对称角钢同时与边缘框架通过螺栓(7)相连，所述对称角钢(5)同时加强了因边缘无混凝土板(6)约束而形成的开斜槽钢板(9)的薄弱部位；两侧混凝土盖板(6)采用预制的混凝土板，并通过螺栓(8)与开斜槽钢板(9)相连，约束开斜槽钢板(9)的面外屈曲；混凝土板上的连接螺栓(8)尽量布置在斜槽处，以减少对槽间钢板的削弱，同时保证槽间斜板理想的拉压变形。
本发明的制作工艺如下：在工厂加工时，根据建筑布局的要求确定开斜槽钢板(9)的高度和跨度；根据结构承载力和抗侧刚度的要求设计斜槽的形式 (单排等长斜槽(12)、多排等长斜槽(13)或非等长斜槽(10))、斜槽的尺寸和开斜槽钢板(9)的厚度；预先在混凝土盖板(6)对应位置开设一定数量的孔洞(对应于开斜槽钢板(9)上的斜槽位置处以减少对槽间钢板的削弱)，用于两侧混凝土盖板(6)的螺栓连接，进而有效约束开斜槽钢板(9)面外变形；因开斜槽钢板(9)通过螺栓(7)与边缘框架相连时，根据构造要求在开斜槽钢板(9)的四周边缘位置开设螺栓孔洞，加工边缘框架时，根据连接构造预先将开设螺栓连接对称角钢(5)对应的孔洞。现场安装时，当框架安装完成后，开斜槽钢板(9) 插入对称角钢(5)中，并通过高强摩擦型螺栓(7)与之相连，对称角钢(5)再通过高强摩擦型螺栓(7)与边缘框架相连形成整体，混凝土盖板(6)通过普通螺栓(8)外挂在开斜槽钢板(9)的两侧约束钢板面外变形，提高钢板的面外刚度。本发明制作简单，构件各单元可与工厂加工制作，现场仅需进行拼装，施工效率高，易于实现产业化；而且槽间钢板受力明确，通过改变开设斜槽的形式和尺寸(长度、宽度)，可以有效的控制剪力墙的受力特点，便于实现参数可控的设计方法，同时具有稳定的耗能能力和优良的抗疲劳性能等特点，是十分理想的结构受力构件和耗能构件。
Claims (10)
1.防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征在于，所述剪力墙主要由开斜槽钢板、设置在钢板两侧并约束钢板面外变形的混凝土板，与钢板相连的边缘框架组成；所述开斜槽钢板上根据实际情况和设计需要开设不同形式的斜槽，四周通过螺栓连接内嵌于边缘框架中；所示边缘框架由左边缘框架柱、上边缘框架梁、右边缘框架柱和下边缘框架梁共同组成。
2. 根据权利要求1所述的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征是：通过在钢板上开设不同形式的斜槽，将钢板的薄弱部位从边缘转移到内部，形成所述的开斜槽钢板，改变了钢板复杂的受力状态，形成以槽间钢板拉压变形为主的受力模式。
3. 根据权利要求1所述的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征是：所述的两侧混凝土板通过穿透三块板的螺栓连接，为减少螺栓孔对斜槽间钢板的影响，同时保证槽间钢板理想的拉压变形，螺栓孔布置在斜槽中；所述混凝土板根据钢板厚度及其所需的面外抗侧刚度确定混凝土厚度，并采用双层双向配筋，所述双向为沿斜槽开设方向和垂直斜槽开设方向。
4. 根据权利要求1所述的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征是：所述混凝土板仅起约束开斜槽钢板的作用，其与开斜槽钢板相连的边缘框架间留有一定的间隙，其值大小根据保证结构在大震作用时混凝土不因与边缘框架接触而参与抵抗水平荷载作用的极限条件设置。
5. 根据权利要求1所述的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征是：为防止钢板与混凝土板之间的摩擦导致混凝土板过早开裂，在钢板与两侧混凝土板之间设置无粘结材料或一定的间隙，其间隙设置因满足混凝土板仍能有效约束钢板的低阶屈曲，取值不大于1mm。
6. 根据权利要求1所述的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征是：所述开斜槽钢板四周插入预先设计在边缘框架上的对称角钢中，并通过螺栓与之相连，所述对称角钢同时加强了因边缘无混凝土板约束而形成的钢板薄弱部位。
7. 根据权利要求1和2所述的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征是：通过改变斜槽宽度、槽间钢板宽度、斜槽的布置形式，可以设计不同的剪力墙强度和刚度，进而实现不同的屈服荷载及其对应的屈服位移，实现参数可控的设计；其中，钢板上开槽的形式分为非等长斜槽、单排等长斜槽、多排等长斜槽三种。
8. 根据权利要求1和2所述的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征是：对于开设有非等长斜槽的防屈曲耗能钢板剪力墙，沿对角方向在钢板上开设非等长的斜槽，槽间斜板由中间向两侧逐渐变短，形成非等长斜板；两侧混凝土板约束槽间斜板的面外变形，在小震作用下，非等长的槽间斜板以拉压作用的形式承担外荷载；在大震作用下，通过非等长的槽间斜板拉压屈服耗能耗散地震输入能，因槽间斜板由中间向两侧逐渐变短和各斜板的相对位移各自不同，各斜板无法同时屈服，通过各斜板的相对位移和考虑拉压变形，控制所述剪力墙的各阶段受力特点，进而确定其各阶段屈服荷载和屈服位移。
9. 根据权利要求1和2所述的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征是：对于开设有单排等长斜槽的防屈曲耗能钢板剪力墙，沿对角方向在钢板上开设等长的斜槽，形成槽间等长斜板；因斜槽对钢板的削弱较少，在小震作用时，仍通过钢板抗剪承担外荷载；在大震作用下，因槽间斜板具有相同长度，通过考虑各斜板拉压变形，控制所述剪力墙的各阶段受力特点，进而确定其屈服荷载和屈服位移。
10. 根据权利要求1和2所述的防屈曲开斜槽钢板耗能剪力墙，其特征是：对于开设有多排等长斜槽的防屈曲耗能钢板剪力墙，将钢板划分成多个区域，在每个区域上开设平行的等长斜槽，进而形成槽间等长斜板，在小震作用下，以等长的槽间斜板以拉压作用承担外荷载；在大震作用下，通过等长的槽间斜板拉压屈服耗能耗散地震输入能，因槽间斜板具有相同长度，各斜板可以实现同时屈服，通过考虑各斜板拉压变形，控制所述剪力墙的受力特点，进而确定其屈服荷载和屈服位移。
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