CN106592822B - 一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙 - Google Patents

一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,包括边界梁、边界柱、内嵌钢板、超弹性形状记忆合金螺杆、抗剪元件和基础梁,基础梁设置在最下方,边界柱设有两个,平行设置,边界柱与基础梁之间通过在柱底部布置的超弹性形状记忆合金螺杆连接,边界梁连接在两个边界柱的上端,内嵌钢板设置在两个边界柱之间,抗剪元件设置在内嵌钢板底部和基础梁之间。本发明中,超弹性形状记忆合金螺杆起到消耗能量并提供自复位的作用,同时还有自复位的效果。与现有技术相比,本发明的构造简单,设计灵活,施工方便,其自复位能力可以有效地减小结构震后修复或加固的费用,整体提升结构震后使用功能的可恢复能力。

Description

一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙
技术领域
本发明属于建筑结构技术领域,具体是可恢复功能结构技术领域,尤其是涉及一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙。
背景技术
钢板剪力墙是20世纪70年代发展起来的新型结构抗侧力体系,目前主要应用在日本、美国、加拿大、墨西哥和中国等地的多高层建筑中。钢板剪力墙主要由内嵌钢板、竖向边界柱和水平边界梁构成。传统无加劲的钢板剪力墙在地震作用下主要利用钢板的屈曲特性以形成拉力场提供抗侧承载力,并且承担主要的耗能作用。恰当设计的边界柱和梁会使得内嵌钢板达到均匀屈服机构。由于整体钢板剪力墙的侧移和内嵌钢板内拉力的作用,导致在梁柱交接处出现塑性铰。研究表明,钢板剪力墙具有较高的抗侧刚度、延性好和耗能能力强等特点。
虽然在地震作用中钢板剪力墙可以通过自身不同构件的塑性变形达到了耗能和增加结构延性的目的,实现了结构预期的抗震设防目标,但是其自身损伤严重。强震作用下不但会造成其本身修复困难,而且震后的结构存在较大的残余变形,整体结构的加固修复难度较大,修复的经济成本和时间成本较高,结构使用功能难以较快地恢复。
形状记忆合金作为一种新型智能材料,不仅具有独特的形状记忆特性和超弹性性能,还具有优越的抗疲劳性能和耐腐蚀性。其超弹性性能表现为在外力作用下,形状记忆合金具有比一般金属大的多的变形恢复能力,即在加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复的能力。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,利用形状记忆合金螺杆的超弹性能力和一定的耗能能力,实现钢板剪力墙的抗震设防目标和减小结构残余变形。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,包括边界梁、边界柱、内嵌钢板、超弹性形状记忆合金螺杆、抗剪元件和基础梁,所述的基础梁设置在最下方,所述的边界柱设有两个,平行设置,边界柱与基础梁之间通过在柱底部布置的超弹性形状记忆合金螺杆连接,所述的边界梁连接在两个边界柱的上端,所述的内嵌钢板设置在两个边界柱之间,所述的抗剪元件设置在内嵌钢板底部和基础梁之间。
所述超弹性形状记忆合金螺杆一端与边界柱之间通过焊接在边界柱内的端板连接,端板下部设置支撑加劲肋,另一端穿过柱脚底板并锚固于基础梁上,所述的柱脚底板设置在边界柱的脚部,用于承压。
所述超弹性形状记忆合金螺杆在使用前需施加一定的预应变,使边界柱与基础梁之间形成一定的预压力。
优选的,所述的超弹性形状记忆合金螺杆施加≤1%的预应变。
所述抗剪元件只抵抗水平力而不限制转动。
所述的内嵌钢板上设置竖长形螺孔,内嵌钢板与抗剪元件之间通过穿过竖长形螺孔的螺杆连接,所述的抗剪元件与基础梁之间通过螺栓或焊接连接。
优选的,所述的抗剪元件采用角钢。
所述边界梁、边界柱的屈服承载力和内嵌钢板的屈曲承载力均大于超弹性形状记忆合金螺杆的屈服承载力。
所述超弹性形状记忆合金螺杆设计成狗骨式的试件形状。
所述超弹性形状记忆合金螺杆的材料为具有超弹性性质的材料。
优选的,超弹性的形状记忆合金材料选用镍钛合金材料。
所述的超弹性形状记忆合金螺杆和抗剪元件依照实际工程承载力的需求和保证其变形下应变处于可恢复的范围而确定。
基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙在地震作用下,墙体的变形主要集中在超弹性形状记忆合金螺杆上,超弹性形状记忆合金螺杆发生轴向变形,变形曲线呈超弹性,起到消耗地震能量的作用;而钢板剪力墙中除了在螺杆连接部位的端板和受压端柱脚底板上会出现局部应力集中外,其他部位处于弹性状态。地震作用消失后,由于超弹性形状记忆合金螺杆的超弹性作用会使整个结构体系恢复到初始状态,无残余变形或存在很小的残余变形,实现自复位效果。
与现有技术相比,本发明具有以下优点及有益效果:
1)本发明所示的基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙利用了形状记忆合金螺杆的轴向变形,实现了形状记忆合金的超弹性能力。在地震作用中不但会起到消耗地震能量的作用,更重要的是震后没有或存在很小的残余变形,达到了自复位的效果,实现了结构震后迅速恢复使用功能的要求。
2)本发明构造简单,施工方便。本发明利用超弹性的形状记忆合金材料的特性,不但可以实现一定的耗能能力,而且达到了结构自复位的目的。无需通过传统的构件组合方式(如预应力技术和耗能元件的组合)去实现自复位与耗能的目的。
3)本发明设计灵活,适用范围广。可以通过改变超弹性形状记忆合金螺杆的初始预应变ε、长度L和直径d等参数实现不同自复位剪力墙的初始刚度、承载力和变形能力,可以满足不同抗震设防类型的设计要求。
附图说明
图1为本发明实施例的基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙的立面图。
图2为本发明实施例的超弹性形状记忆合金螺杆的连接结构示意图。
图3a为本发明实施例的抗剪元件的正视图。
图3b为本发明实施例的抗剪元件的侧视图。
图4为本发明实施例的超弹性形状记忆合金螺杆的示意图与尺寸示意图。
图5为本发明实施例的基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙的变形图。
图6为本发明实施例的基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙的自复位图。
图中:1、边界梁,2、边界柱,21、端板,22、支撑加劲肋,23、柱脚底板,3、内嵌钢板,4、超弹性形状记忆合金螺杆,5、抗剪元件,51、竖长形螺孔,52、螺栓,6、基础梁。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示,一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,包括边界梁1、边界柱2、内嵌钢板3、超弹性形状记忆合金螺杆4、抗剪元件5和基础梁6,基础梁6设置在最下方,边界柱2设有两个,平行设置,边界柱2与基础梁6之间通过在柱底部布置的超弹性形状记忆合金螺杆4连接,边界梁1连接在两个边界柱2的上端,内嵌钢板3设置在两个边界柱2之间,抗剪元件5设置在内嵌钢板3底部和基础梁6之间。超弹性形状记忆合金螺杆4施加一定的预应变使其在整个工作阶段中处于受拉状态,抗剪元件5只抵抗水平力而不限制竖向转动。
所述超弹性形状记忆合金螺杆4在使用前需施加一定的预应变,使边界柱2与基础梁6之间形成一定的预压力。本实施例优选超弹性形状记忆合金螺杆4施加≤1%的预应变。
如图2所示,所述超弹性形状记忆合金螺杆4一端与边界柱2之间通过焊接在边界柱2内的端板21连接,端板21下部设置支撑加劲肋22,另一端穿过柱脚底板23并锚固于基础梁6上,柱脚底板23设置在边界柱2的脚部,用于承压。
如图3a和3b所示,抗剪元件5只抵抗水平力而不限制转动。内嵌钢板3上设置竖长形螺孔51,内嵌钢板3与抗剪元件5之间通过穿过竖长形螺孔51的螺杆52连接,竖长形螺孔51的高度依照自复位钢板剪力墙的变形范围确定,螺栓52的个数按照抗剪承载力的需求确定。抗剪元件5与基础梁6之间可以通过螺栓或焊接连接,本实施例中,抗剪元件5与基础梁6之间通过螺栓连接。本实施例中,抗剪元件5采用角钢。
如图4所示,可以通过改变超弹性形状记忆合金螺杆的初始预应变ε、长度L和直径d等参数实现不同自复位剪力墙的初始刚度、承载力和变形能力,可以满足不同抗震设防类型的设计要求。
本实施例中,所述超弹性形状记忆合金螺杆4设计成狗骨式的试件形状。所述超弹性形状记忆合金螺杆4的材料为具有超弹性性质的材料。本实施例中,超弹性的形状记忆合金材料选用镍钛合金材料。
基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙在地震作用下,墙体的变形主要集中在超弹性形状记忆合金螺杆上,超弹性形状记忆合金螺杆发生轴向变形,变形曲线呈超弹性,起到消耗地震能量的作用;而钢板剪力墙中除了在螺杆连接部位的端板和受压端柱脚底板上会出现局部应力集中外,其他部位处于弹性状态。地震作用消失后,由于超弹性形状记忆合金螺杆的超弹性作用会使整个结构体系恢复到初始状态,无残余变形或存在很小的残余变形,实现自复位效果。
如图5所示,所述边界梁1、边界柱2的屈服承载力和内嵌钢板3的屈曲承载力均大于超弹性形状记忆合金螺杆4的屈服承载力。超弹性形状记忆合金螺杆4和抗剪元件5依照实际工程承载力的需求和保证其变形下应变处于可恢复的范围而确定。在地震作用中,墙体的变形主要集中在超弹性形状记忆合金螺杆4上,而钢板剪力墙中除了在端板21和受压端柱脚底板23上会出现局部应力集中外,其他部位均处于弹性状态。
如图6所示,基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,地震作用消失后,由于形状记忆合金的超弹性作用会使整个结构恢复到初始状态,无残余变形或存在很小的残余变形,实现结构的自复位效果。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,其特征在于,包括边界梁(1)、边界柱(2)、内嵌钢板(3)、超弹性形状记忆合金螺杆(4)、抗剪元件(5)和基础梁(6),所述的基础梁(6)设置在最下方,所述的边界柱(2)设有两个,平行设置,边界柱(2)与基础梁(6)之间通过在柱底部布置的超弹性形状记忆合金螺杆(4)连接,所述的边界梁(1)连接在两个边界柱(2)的上端,所述的内嵌钢板(3)设置在两个边界柱(2)之间,所述的抗剪元件(5)设置在内嵌钢板(3)底部和基础梁(6)之间;
所述超弹性形状记忆合金螺杆(4)在使用前需施加一定的预应变,使边界柱(2)与基础梁(6)之间形成一定的预压力;
所述的超弹性形状记忆合金螺杆(4)施加≤1%的预应变;
所述的内嵌钢板(3)上设置竖长形螺孔(51),内嵌钢板(3)与抗剪元件(5)之间通过穿过竖长形螺孔(51)的螺杆(52)连接,所述的抗剪元件(5)与基础梁(6)之间通过螺栓或焊接连接;
所述超弹性形状记忆合金螺杆(4)设计成狗骨式的试件形状。
2.根据权利要求1所述的一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,其特征在于,所述超弹性形状记忆合金螺杆(4)一端与边界柱(2)之间通过焊接在边界柱(2)内的端板(21)连接,端板(21)下部设置支撑加劲肋(22),另一端穿过柱脚底板(23)并锚固于基础梁(6)上,所述的柱脚底板(23)设置在边界柱(2)的脚部,用于承压。
3.根据权利要求1所述的一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,其特征在于,所述的抗剪元件(5)采用角钢。
4.根据权利要求1所述的一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,其特征在于,所述边界梁(1)、边界柱(2)的屈服承载力和内嵌钢板(3)的屈曲承载力均大于超弹性形状记忆合金螺杆(4)的屈服承载力。
5.根据权利要求1所述的一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,其特征在于,所述超弹性形状记忆合金螺杆(4)的材料为具有超弹性性质的材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于超弹性形状记忆合金螺杆的自复位钢板剪力墙,其特征在于,超弹性的形状记忆合金材料选用镍钛合金材料。
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