CN107288216A - 一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，包括混凝土基础(2)、安置在混凝土基础(2)上的预制钢筋混凝土柱(1)，以及分布在混凝土基础(2)和预制钢筋混凝土柱(1)的四周并连接两者的超弹性形状记忆合金螺杆(3)，其中，在混凝土基础(2)和预制钢筋混凝土柱(1)的接触面上分别预埋基础顶面钢板(5)和柱底钢板(4)，在基础顶面钢板(5)与柱底钢板(4)之间还布置有抗剪元件(7)。与现有技术相比，本发明构造简单，设计灵活，钢筋混凝土柱采用预制拼装形式，施工方便，结构的自复位能力可以保证其震后使用功能不会中断，有效地避免了传统钢筋混凝土结构中显著的震后修复和加固的费用等。

Description

一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱
技术领域
本发明涉及可恢复功能结构技术领域，尤其是涉及一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱。
背景技术
当前世界范围内普遍采用的抗震设计思想是当结构遭受强烈地震时，允许结构在预定设计的部位(塑性铰区)发生塑性变形来消耗能量，从而实现抗震设计的设防目标(如大震不倒)以保证生命财产安全。这种采用自身构件耗能的延性设计方法，虽然实现了结构预期的抗震目标，但结构的塑性铰区域在地震中损伤严重。明显的残余变形不但会导致结构修复困难，而且因使用功能中断而带来的经济成本和时间成本较高，给社会和经济发展带来明显的影响。如2011年新西兰Christchurch地震中，60％的钢筋混凝土结构因修复费用过高而拆除，导致中心城区关闭超过2年时间，给社会造成了巨大的经济损失。
当前的广泛使用的预制装配式结构大多采用“仿现浇”的设计概念，即通过在预制构件的连接处后浇混凝土从而形成整体结构。这种施工方法由于需要在现场支护模板、浇筑等工艺，一定程度上削弱了预制装配式结构的施工速度快等优点。同时就整体结构体系而言，在抗震性能方面并没有明显的提升。
形状记忆合金作为一种高性能金属材料，不仅具有的形状记忆特性和超弹性性能，还具有良好的疲劳性能和耐腐蚀性，这些年逐渐引起了地震工程研究者的重视。其超弹性性能使得构件在外力加卸载过程中形成旗帜型的滞回行为，不但能够消耗一定的地震能量，同时卸载后不存在或仅存在少量的残余变形。
中国专利201510601928.X公开了一种钢筋混凝土框架抗震加固结构及其抗震加固方法，在紧贴每根钢筋混凝土框架外柱的外侧附加一根钢骨混凝土柱，钢骨混凝土柱下设有桩基础。钢骨混凝土柱的侧壁与钢筋混凝土框架外柱的侧壁之间，从柱顶开始通过若干均匀间隔布置的金属阻尼器连接，钢骨混凝土柱的柱脚通过在靠近销键处布置的四根预应力钢筋和摇摆装置与承台相连。这种加固方法解决了地震中钢筋混凝土框架未能实现“强柱弱梁”破坏机制的问题；金属阻尼器耗散地震能量，削减地震反应，震后可替换；通过后张预应力钢筋，使加固结构具有自复位能力，实现了结构在震后的快速可恢复功能。这种传统的自复位结构体系虽然也具有自复位能力，但是，结构相对比较复杂，装配较为麻烦。
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形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，包括混凝土基础、安置在混凝土基础上的预制钢筋混凝土柱，以及分布在混凝土基础和预制钢筋混凝土柱的四周并连接两者的超弹性形状记忆合金螺杆，其中，在混凝土基础和预制钢筋混凝土柱的接触面上分别预埋基础顶面钢板和柱底钢板，在基础顶面钢板与柱底钢板之间还布置有抗剪元件。
作为优选的实施方案，所述的超弹性形状记忆合金螺杆埋设在混凝土基础内，其底端穿过混凝土基础并锚固于混凝土基础底部，顶端穿过基础顶面钢板和柱底钢板，并锚固于柱底钢板上表面。
作为上述优选的实施方案的更优选，所述的超弹性形状记忆合金螺杆外还套设有PVC管。这是为避免超弹性形状记忆合金螺杆与混凝土之间的粘结而一定程度上抑制螺杆的自由变形，因此需要采用无粘结措施，本发明优选在螺杆外围布置PVC管。
所述柱底钢板的抗弯屈服承载力大于超弹性形状记忆合金螺杆的屈服承载力。
作为优选的实施方案，所述的超弹性形状记忆合金螺杆的底端穿过所述柱底钢板和基础顶面钢板，并锚固在基础顶面钢板的底部，顶端与设置在预制钢筋混凝土柱上的钢连接件固定连接。
作为上述优选的实施方案的更优选，所述的钢连接件的连接处加工成开口状；
所述的混凝土基础内预留有供超弹性形状记忆合金螺杆的变形空间；
所述钢连接件的抗弯屈服承载力大于超弹性形状记忆合金螺杆的屈服承载力。
作为优选的实施方案，所述的预制钢筋混凝土柱的下部外围预埋约束钢板，该约束钢板与预制钢筋混凝土柱之间采用抗剪栓钉连接，其底部与柱底钢板焊接固定。
作为上述优选的实施方案的更优选，所述的约束钢板与柱底钢板之间还设置有三角形加劲肋。
作为优选的实施方案，所述的超弹性形状记忆合金螺杆加工成狗骨式结构，其在两端锚固于预制钢筋混凝土柱和混凝土基础前先施加有≤1％的预应变值。
作为优选的实施方案，所述的柱底钢板底部预留有碗形空槽，在碗形空槽内安装有与其匹配的所述抗剪元件，该抗剪元件的顶部还内凹加工有螺栓槽，在螺栓槽内设置螺栓穿过抗剪元件并与基础顶面钢板固定。
本发明的整个构件体系中，除了螺杆连接处的钢板和摇摆转动接触点的钢板上会出现局部应力集中外，其他部位均处于弹性状态。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摇摆柱恢复到初始状态，结构无残余变形或存在很小可控的残余变形，结构实现自复位的效果。超弹性形状记忆合金螺杆所用的材料应具有超弹性特性，优先的选用镍钛基合金材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明所示的形状记忆合金自复位摇摆钢筋混凝土柱中，超弹性形状记忆合金螺杆处于轴向变形行为，有效地利用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可控的残余变形，可以保证其震后使用功能不会中断，有效地避免了传统结构中显著的震后修复和加固的费用，是一种高性能结构体系。
2)本发明构造简单，施工方便。利用形状记忆合金的材料特性，同时实现耗能和自复位功能。相对于传统的自复位结构体系(大多是后张预应力技术+耗能元件)来说，构造更为简单。钢筋混凝土柱采用工厂预制，现状螺栓拼装，有利于发挥预制装配式结构的优点。
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、直径d和螺杆个数等参数实现结构体系不同的初始刚度、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1的基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱的主视结构示意图；
图2为本发明的实施例1所述构件的剖面图A-A；
图3为本发明的超弹性形状记忆合金螺杆的结构示意图；
图4为本发明的柱底钢板的横截面示意图；
图5为本发明的抗剪元件的侧视示意图；
图6为本发明的抗剪元件的主视示意图；
图7为本发明的三角形加劲肋的结构示意图；
图8为本发明实施例2的基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱的主视结构示意图；
图9为本发明实施例2所述构件的剖面图B-B；
图10为本发明的钢连接件的结构示意图；
图中，1-预制钢筋混凝土柱，2-混凝土基础，3-超弹性形状记忆合金螺杆，31-PVC管，4-柱底钢板，5-基础顶面钢板，6-约束钢板，61-抗剪栓钉，62-加劲肋，7-抗剪元件，8-钢连接件。
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。
本发明的基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，包括混凝土基础2、安置在混凝土基础2上的预制钢筋混凝土柱1，以及分布在混凝土基础2和预制钢筋混凝土柱1的四周并连接两者的超弹性形状记忆合金螺杆3，其中，在混凝土基础2和预制钢筋混凝土柱1的接触面上分别预埋基础顶面钢板5和柱底钢板4，在基础顶面钢板5与柱底钢板4之间还布置有抗剪元件7。
作为一种优选的实施方式，超弹性形状记忆合金螺杆3埋设在混凝土基础2内，其底端穿过混凝土基础2并锚固于混凝土基础2底部，顶端穿过基础顶面钢板5和柱底钢板4，并锚固于柱底钢板4上表面。作为上述优选的实施方式的更优选，超弹性形状记忆合金螺杆3外还套设有PVC管31。这是为避免超弹性形状记忆合金螺杆3与混凝土之间的粘结而一定程度上抑制螺杆的自由变形，因此需要采用无粘结措施，本发明优选在螺杆外围布置PVC管31。柱底钢板4的抗弯屈服承载力大于超弹性形状记忆合金螺杆3的屈服承载力。
作为一种优选的实施方式，超弹性形状记忆合金螺杆3的底端穿过柱底钢板4和基础顶面钢板5，并锚固在基础顶面钢板5的底部，顶端与设置在预制钢筋混凝土柱1上的钢连接件8固定连接。作为上述优选的实施方式的更优选，钢连接件8的连接处加工成开口状；混凝土基础2内预留有供超弹性形状记忆合金螺杆3的变形空间；钢连接件8的抗弯屈服承载力大于超弹性形状记忆合金螺杆3的屈服承载力。
作为一种优选的实施方式，预制钢筋混凝土柱1的下部外围预埋约束钢板6，该约束钢板6与预制钢筋混凝土柱1之间采用抗剪栓钉61连接，其底部与柱底钢板4焊接固定。作为上述优选的实施方式的更优选，约束钢板6与柱底钢板4之间还设置有三角形加劲肋62。
作为一种优选的实施方式，超弹性形状记忆合金螺杆3加工成狗骨式结构，其在两端锚固于预制钢筋混凝土柱1和混凝土基础2前先施加有≤1％的预应变值。
作为一种优选的实施方式，柱底钢板4底部预留有碗形空槽，在碗形空槽内安装有与其匹配的抗剪元件7，该抗剪元件7的顶部还内凹加工有螺栓槽，在螺栓槽内设置螺栓穿过抗剪元件7并与基础顶面钢板5固定。
实施例1
一种基于超弹性形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其结构如图1和图2所示，包括预制钢筋混凝土柱1、超弹性形状记忆合金螺杆3、抗剪元件7和混凝土基础2。为了减少预制钢筋混凝土柱1底部与混凝土基础2顶面混凝土的损伤，分别在接触面上预埋柱底钢板4和基础顶面钢板5。同时柱底钢板4与预制钢筋混凝土柱1中的纵筋在底部焊接。预制钢筋混凝土柱1与混凝土基础2之间通过超弹性形状记忆合金螺杆3连接，预制钢筋混凝土柱1柱底与混凝土基础2之间布置抗剪元件7。为了避免柱脚混凝土在反复荷载作用下的损伤，在预制钢筋混凝土柱1下部外围预埋约束钢板6，与柱混凝土之间采用抗剪栓钉61连接，并与柱底钢板4焊接。为了提高柱底钢板4的变形能力，在约束钢板6和柱顶钢板4之间设置三角形加劲肋62。
如图3所示，超弹性形状记忆合金螺杆3需要加工成狗骨式形状，并且在使用前需施加一定的预应变，通常施加≤1％的预应变值。超弹性形状记忆合金螺杆3的上端与柱底钢板4连接，底端穿过混凝土基础2并锚固于基础底部。超弹性形状记忆合金螺杆3与混凝土基础2的混凝土之间采用无粘结措施，如采用PVC管31。为了使超弹性形状记忆合金螺杆3具有良好的超弹性能力，优选的选用镍钛基的合金材料，并且在使用前要对超弹性形状记忆合金螺杆3进行一定的加载“训练”，使其具有稳定的滞回行为。在反复荷载作用下，为了将构件的变形集中在超弹性形状记忆合金螺杆3上，柱底钢板4的抗弯屈服承载力应大于超弹性形状记忆合金螺杆3的屈服承载力。
同时，可以通过改变超弹性形状记忆合金螺杆3的初始预应变ε、长度L、直径d和螺杆个数等参数实现结构体系不同的初始刚度、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。
如图4-图6所示，柱底钢板4底部预留碗形空槽，用以安装抗剪元件7，抗剪元件7设计为与碗形空槽匹配的碗状，只抵抗水平力而不限制转动，并且不影响构件的自复位能力。通过螺栓安装在基础顶面钢板5上。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：超弹性形状记忆合金螺杆3的布置。
具体地说，与实施例1相似，如图8和图9所示，为了便于超弹性形状记忆合金螺杆3的安装，通过在预制钢筋混凝土柱1上预埋钢连接件8，将超弹性形状记忆合金螺杆3布置在预制钢筋混凝土柱1外围。超弹性形状记忆合金螺杆3的上端固定在钢连接件8上，而下端锚固在基础顶面钢板5的底部，并且在混凝土基础2内为超弹性形状记忆合金螺杆3预留了变形的空间。超弹性形状记忆合金螺杆3在整个反复加载过程中只受拉力，不受压力。
预制钢筋混凝土柱1底部与混凝土基础2之间布置抗剪元件7。为了避免柱脚混凝土在反复荷载作用下的损伤，在柱下部外围预埋约束钢板6，与柱混凝土之间通过抗剪栓钉61连接，并与柱底钢板4焊接。
如图10所示，为便于超弹性形状记忆合金螺杆3安装，预埋的钢连接件8的连接板设计为开口形。
与第一实施例相似，在反复荷载作用下，为了将构件的变形集中在超弹性形状记忆合金螺杆3上，预埋的钢连接件8的抗弯屈服承载力应大于超弹性形状记忆合金螺杆3的屈服承载力。超弹性形状记忆合金螺杆3需要加工成狗骨式形状，并且在使用前需施加一定的预应变，通常施加≤1％的预应变值。为了使超弹性形状记忆合金螺杆3具有良好的超弹性能力，优选的选用镍钛基的合金材料。并且在使用前要对超弹性形状记忆合金螺杆3进行一定的加载“训练”，使其具有稳定的滞回行为。
与第一实施例相同，柱底钢板4底部预留圆形空槽，用以安装抗剪元件7，抗剪元件7设计为碗状，只抵抗水平力而不限制转动，并且不影响构件的自复位能力。通过螺栓安装在基础顶钢板5上。
为了满足不同抗震设防类型的设计要求，可以通过改变超弹性形状记忆合金螺杆3的初始预应变ε、长度L、直径d和个数等参数实现结构体系不同的初始刚度、承载力和变形能力。
综上，本发明涉及一种自复位摇摆钢筋混凝土柱体系。本发明中超弹性形状记忆合金螺杆3处于轴向变形行为，有效地利用了形状记忆合金的超弹性能力。在地震作用中，自复位摇摆柱通过柱底钢板4和基础顶面钢板5之间的张开/闭合行为，将绝多数变形集中在超弹性形状记忆合金螺杆3上，而其他构件均处于弹性状态。超弹性形状记忆合金螺杆3不但会起到消耗地震能量的作用，更重要的是其超弹性能力使得结构在震后没有或存在很小可控的残余变形，保证其震后使用功能不会中断，有效地避免了传统结构中显著的震后修复和加固的费用，是一种高性能结构体系。同时，本发明的原理和技术也可以用于桥梁工程中的桥墩体系。
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 (10)

1.一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，包括混凝土基础(2)、安置在混凝土基础(2)上的预制钢筋混凝土柱(1)，以及分布在混凝土基础(2)和预制钢筋混凝土柱(1)的四周并连接两者的超弹性形状记忆合金螺杆(3)，其中，在混凝土基础(2)和预制钢筋混凝土柱(1)的接触面上分别预埋基础顶面钢板(5)和柱底钢板(4)，在基础顶面钢板(5)与柱底钢板(4)之间还布置有抗剪元件(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，所述的超弹性形状记忆合金螺杆(3)埋设在混凝土基础(2)内，其底端穿过混凝土基础(2)并锚固于混凝土基础(2)底部，顶端穿过基础顶面钢板(5)和柱底钢板(4)，并锚固于柱底钢板(4)上表面。
3.根据权利要求2所述的一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，所述的超弹性形状记忆合金螺杆(3)外还套设有PVC管(31)。
4.根据权利要求2所述的一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，所述柱底钢板(4)的抗弯屈服承载力大于超弹性形状记忆合金螺杆(3)的屈服承载力。
5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，所述的超弹性形状记忆合金螺杆(3)的底端穿过所述柱底钢板(4)和基础顶面钢板(5)，并锚固在基础顶面钢板(5)的底部，顶端与设置在预制钢筋混凝土柱(1)上的钢连接件(8)固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，所述的钢连接件(8)的连接处加工成开口状；
所述的混凝土基础(2)内预留有供超弹性形状记忆合金螺杆(3)的变形空间；
所述钢连接件(8)的抗弯屈服承载力大于超弹性形状记忆合金螺杆(3)的屈服承载力。
7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，所述的预制钢筋混凝土柱(1)的下部外围预埋约束钢板(6)，该约束钢板(6)与预制钢筋混凝土柱(1)之间采用抗剪栓钉(61)连接，其底部与柱底钢板(4)焊接固定。
8.根据权利要求7所述的一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，所述的约束钢板(6)与柱底钢板(4)之间还设置有三角形加劲肋(62)。
9.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，所述的超弹性形状记忆合金螺杆(3)加工成狗骨式结构，其在两端锚固于预制钢筋混凝土柱(1)和混凝土基础(2)前先施加有≤1％的预应变值。
10.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的自复位摇摆钢筋混凝土柱，其特征在于，所述的柱底钢板(4)底部预留有碗形空槽，在碗形空槽内安装有与其匹配的所述抗剪元件(7)，该抗剪元件(7)的顶部还内凹加工有螺栓槽，在螺栓槽内设置螺栓穿过抗剪元件(7)并与基础顶面钢板(5)固定。
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