CN107489294B - 一种内置弹簧自复位混凝土剪力墙 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内置弹簧自复位混凝土剪力墙，包括：钢筋混凝土剪力墙和弹簧装置，所述钢筋混凝土剪力墙包括一体形成的支座和位于支座之上的墙体，所述弹簧装置的数量为两个，对称设置在所述墙体与支座连接处的墙脚，本发明内置弹簧自复位混凝土剪力墙墙脚两侧的弹簧装置能保证墙脚处不过早发生局部破坏而导致整体构件失效，弹簧压缩后提供恢复力，使墙体功能可恢复。

Description

一种内置弹簧自复位混凝土剪力墙

技术领域

本发明涉及剪力墙领域。更具体地，涉及一种内置弹簧自复位的混凝土剪力墙。

背景技术

地震是人类长期以来面临的严重自然灾害，会造成大量人员伤亡以及建筑物的破坏或倒塌。由于地震的不确定性及复杂性，建筑物所遭受到的地震作用往往无法准确预测，并且建筑物发生损伤甚至破坏后将对人们的正常生活造成极大影响，修复建筑物也将耗费巨大的人力、物力及时间，对社会经济造成巨大损失。因此，如何在地震发生时，减少结构损伤，在地震后使民众能够尽快恢复正常生活，使建筑物乃至整个城市具有可恢复性(resilient)成为近年来地震工程界关注的新问题。自恢复功能结构不仅能够消耗地震传输给主结构的能量，实现分灾功能，控制结构局部失效模式的出现，而且震后能够很快的恢复其正常使用功能，帮助人们尽快恢复正常生活，如自复位摇摆墙结构体系、自恢复耗能支撑体系及自复位阻尼器体系等。

钢筋混凝土剪力墙是高层建筑中的主要抗侧力构件，其刚度大、承载力高，但变形能力受到了较大限制，在地震作用下墙脚处会产生较大损伤，最终导致震后结构残余变形过大而无法继续使用，甚至引起结构突然倒塌。按照规范设计的普通钢筋混凝土剪力墙，可通过加强边缘约束构件(可设置型钢或钢管)或者在墙内设置型钢或暗支撑来提高剪力墙的承载力和抗弯能力，但这些剪力墙的延性较差，在荷载作用下墙脚两侧会过早发生严重破坏，从而导致结构失效无法继续使用。目前，应用于可恢复功能结构中的剪力墙大多采用摇摆和自复位结构形式，主要配合框架结构使用。对于摇摆墙，通过放松结构与基础交界面处或结构构件间交界面处的约束，使该界面仅有受压能力而无受拉能力，结构在地震作用下发生摇摆而结构本身并没有太大弯曲变形，最终恢复到变形前位置时没有永久残余变形，其延性很好，但基本不具有耗能能力，并且稳定性较差；因此，很多国内外学者提出无粘结预应力自复位混凝土剪力墙，通过在墙底与支座开缝处设置耗能元件(如软钢阻尼器、粘滞阻尼器等)，并沿墙通高设置预应力筋或钢绞线复位，这种新型的复位剪力墙具有稳定的耗能能力和较好的复位能力，但在结构中使用会受到预应力钢筋长度的限制，底部开缝的复位剪力墙稳定性较差，会降低剪力墙的承载能力和耗能能力。

预应力钢筋和形状记忆合金都是目前常用的复位材料，但预应力钢筋弹性变形小，需要较大位移才能提供很好的复位能力；形状记忆合金的性能受温度影响，并且在变形后需要通过对形状记忆合金加热使其恢复到变形前的状态，操作复杂。

因此，需要提供一种新型的剪力墙结构，以克服上述现有技术的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种内置弹簧自复位的混凝土剪力墙，该混凝土剪力墙解决现有混凝土剪力墙受荷后两侧墙脚损伤严重，延性差以及摇摆墙和开缝剪力墙稳定性较差、预应力筋弹性变形小、形状记忆合金受温度影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种内置弹簧自复位混凝土剪力墙，包括：钢筋混凝土剪力墙和弹簧装置，所述钢筋混凝土剪力墙包括一体形成的支座和位于支座之上的墙体，所述弹簧装置的数量为两个，对称设置在所述墙体与支座连接处的墙脚，所述弹簧装置包括：第一内管、弹簧、墙体预埋板、支座预埋板和弹簧挡板，所述墙体预埋板和支座预埋板分别预埋在墙体和支座内部，所述墙体预埋板上设有内径大于第一内管外径的第二内管，以及套接在第二内管外侧用于隔绝混凝土及加强预埋板强度的外管，所述支座预埋板上设有内径大于第一内管外径的第三内管，以及套接在第三内管外侧用于隔绝混凝土及加强预埋板强度的外管，所述第一内管的一端插入支座预埋板上的第三内管内，并通过螺栓与第三内管连接，另一端插入墙体预埋板上的第二内管内且不与墙体预埋板接触，并通过螺栓与第二内管连接，所述弹簧和位于弹簧两侧的弹簧挡板套接于第一内管，并能沿第一内管表面滑动，所述弹簧两侧的弹簧挡板分别通过第二内管、第三内管和外管与墙体预埋板和支座预埋板连接。

优选地，插入所述第二内管内部的第一内管的另一端与第二内管之间设有摩擦片，所述摩擦片通过螺栓与第一内管的另一端和第二内管连接。

优选地，所述弹簧为碟簧。

优选地，所述碟簧的材料采用60CrMnA。

优选地，位于所述弹簧两侧的弹簧挡板均为双层结构，分别为墙体洞口垫板和上部挡板、以及支座洞口垫板和下部挡板，所述上部挡板和下部挡板分别与弹簧的两端接触，所述墙体洞口垫板通过第二内管和外管与墙体预埋板连接，所述支座洞口垫板通过第三内管和外管与支座预埋板连接。

优选地，所述第一内管、第二内管、第三内管、外管、墙体预埋板和支座预埋板的材料均采用碳素结构钢Q235钢，弹簧挡板采用低合金高强度结构钢Q345钢。

本发明的有益效果如下：

本发明内置弹簧自复位混凝土剪力墙与普通混凝土剪力墙、采用高强混凝土和高强钢筋的混凝土剪力墙、摇摆墙及采用预应力钢筋的复位剪力墙相比，有以下特点：

与普通混凝土剪力墙相比，本发明内置弹簧自复位混凝土剪力墙墙脚两侧的弹簧装置能保证墙脚处不过早发生局部破坏而导致整体构件失效，弹簧压缩后提供恢复力，使墙体功能可恢复。并且，在弹簧装置中加上摩擦片后，可利用摩擦片耗散地震输入能量而不是通过墙体自身的塑性变形耗散地震能量。

与采用高强混凝土和高强钢筋的混凝土剪力墙相比，同样可避免墙脚两侧塑性变形过大而过早发生局部破坏使整体构件失效。采用高强混凝土和高强钢筋的剪力墙存在延性较差的缺点，本发明内置弹簧自复位混凝土剪力墙中弹簧的压缩变形能力较好，能提高墙体的延性，满足构件在大震作用下的变形需求，并且能减小结构的残余变形。

与摇摆墙相比，本发明内置弹簧自复位混凝土剪力墙的整体稳定性好，并且具有稳定的耗能能力和变形能力，同时也能提供复位能力。添加摩擦片后，可减小墙体自身的塑性变形，具备较好的耗能能力。

与采用预应力钢筋的自复位剪力墙相比，在弹性变形范围内，弹簧的变形能力远大于预应力钢筋的变形能力，能够满足结构层间位移的需求，并且不存在长度受结构高度限制的问题。添加摩擦片附加耗能比在无粘结预应力自复位剪力墙底部添加阻尼器附加耗能要更方便和经济，同时能增大构件以及结构的耗能能力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的结构示意图。

图2示出本发明1-1剖面结构示意图。

图3示出本发明2-2剖面结构示意图。

图4示出本发明弹簧装置的结构示意图。

图5示出本发明弹簧装置3-3剖面结构示意图。

图6示出本发明弹簧装置4-4剖面结构示意图。

图7示出本发明弹簧装置5-5剖面结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1-3所示的内置弹簧自复位混凝土剪力墙包括：钢筋混凝土剪力墙10和弹簧装置20，钢筋混凝土剪力墙10包括墙体11和支座12，墙体11位于支座12上，均由钢筋和混凝土浇筑而成。弹簧装置20的数量为两个，对称设置在墙体11与支座12连接处的墙脚，弹簧装置20的上部预埋在墙体11内，下部预埋在支座12内。钢筋混凝土剪力墙10同规范设计的普通钢筋混凝土剪力墙相同，包含约束边缘区域和非约束区域，约束边缘区域主要通过加强竖向纵筋和箍筋形成，非约束区域包含水平分布钢筋和竖向分布钢筋。混凝土强度等级不低于C30，受力钢筋采用不低于HRB335的钢筋，箍筋不低于HPB300，具体可根据设计要求选取。

如图4所示，弹簧装置20包括第一内管21、墙体预埋板22、支座预埋板23、弹簧24、墙体洞口垫板25、上部挡板26、支座洞口垫板27、下部挡板28和摩擦片29。墙体预埋板22上设有第二内管221和外管30，外管30的内径大于第二内管221的外径，第二内管221的内径大于第一内管21的外径，摩擦片29设置在第一内管21与第二内管221之间，墙体洞口垫板25与第二内管221和外管30的一端连接。墙体预埋板22预埋在墙体11内部，墙体洞口垫板25与墙体11的外表面平齐。支座预埋板23上设有第三内管231和外管30，外管30的内径大于第三内管231的外径，第三内管231的内径大于第一内管21的外径，支座洞口垫板27与第三内管231和外管30的一端连接。支座预埋管23预埋在支座内部，支座洞口垫板27与支座12的外表面平齐。

如图4和图5所示，第一内管21的一端插入第二内管221内，并且不与墙体预埋板22接触，第一内管21的外侧和第二内管221的内侧分别焊接摩擦片29，摩擦片29中间预留孔洞，高强螺栓穿过第二内管221、摩擦片29和第一内管21，形成摩擦装置，在第二内管221与第一内管21发生相对滑动时，进行摩擦耗能，增加整体构件的耗能能力。外管30套接在第二内管221的外侧，用于阻挡隔绝混凝土及加强预埋板强度。墙体预埋板22的形状为方形，能够增大其与混凝土的作用面积。第一内管21的一端与墙体预埋板22之间预留有位移间隙，用于当墙体受水平载荷时，墙体11与弹簧装置20之间具有变形空间。

如图4和图6所示，第一内管21的另一端插入第三内管231内，并通过高强螺栓与第三内管231固定连接。外管30套接在第三内管231的外侧，用于阻挡隔绝混凝土及加强预埋板强度。支座预埋板23的形状为方形，能够增大其与混凝土的作用面积。第一内管21的另一端与支座预埋板23之间可以固定连接，也可以仅仅接触，并不影响本发明目的。

如图4和图7所示，弹簧24及其两侧的上部挡板26、下部挡板28套插于第一内管21上，并能够沿第一内管21上下滑动。上部挡板26与墙体洞口垫板25接触，下部挡板28与支座洞口垫板27接触。本实施例中的弹簧24为碟簧，碟簧的缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷，因此本发明弹簧优选为碟簧。碟簧套在第一内管21的中间段，两端连接可滑动的上部、下部挡板，用来连接碟簧、挤压碟簧并传递墙体与碟簧之间的力，碟簧的内径略大于第一内管21圆形截面钢管的外径，碟簧的外径略小于墙体11的厚度。上部挡板26、下部挡板28、墙体洞口垫板25和支座洞口垫板27的圆形开孔直径均略大于第一内管21圆形截面钢管的外径，保证可以相对滑动，碟簧两端垫板和挡板用于给碟簧施加初始的压缩变形，从而使墙体与碟簧装置成为一个整体。

本发明弹簧装置20部分的墙体预埋板22、支座预埋板23、第一内管21、第二内管221、第三内管231和外管30的材料均采用普通碳素结构钢Q235钢，碟簧采用热轧碟簧钢牌号为60CrMnA，墙体洞口垫板25、支座洞口垫板27及上部挡板26、下部挡板28采用低合金高强度结构钢Q345钢，高强螺栓采用10.9级(20MnTiB)。

本发明的内置弹簧自复位混凝土剪力墙的实现过程如下：应用时，按照受力及变形的要求给弹簧施加初始预压力，将弹簧装置20放置在构件墙脚两侧的位置浇筑混凝土。对于结构，则在需要设置弹簧装置20的重要墙体构件的墙脚处设置好弹簧装置20，再浇筑混凝土。在正常使用状态下，由墙体11和弹簧装置20共同承担荷载达到平衡。当地震荷载作用在结构上时，通过墙体11传递给弹簧装置20竖向荷载超过弹簧24的预压力和摩擦力之和时，弹簧装置20的第一内管21与墙内预埋件第二内管221发生相对移动，通过摩擦片29耗散外部输入能量，荷载减小时弹簧24提供恢复力使结构恢复到变形前的状态。

当构件受侧向水平荷载作用时，墙体11一侧受压，并传力给受压侧墙体预埋板22、第二内管221和外管30，受力后第二内管221与第一内管21相对移动，并通过墙体洞口垫板25传力，上部挡板26受力压缩弹簧24，同时，墙体11受拉侧墙脚的弹簧24通过预压力协助墙体变形；随着构件受压侧弹簧装置20承担的荷载增大，弹簧24压缩变形增大，墙体11受压侧受到的反力也增大。当构件受压侧弹簧装置20承担的荷载减小时，压缩的弹簧24提供恢复力，通过上部挡板26及墙体洞口垫板25将反向力传递给墙体11，使自复位构件不受力时能完全恢复到变形前的状态。当受压侧第二内管221与第一内管21发生相对移动时，中间的摩擦片29通过滑动摩擦耗散外部能量，从而达到帮助墙体11减小自身塑性变形耗能并能恢复到变形前状态的目的，并减小结构残余变形。

当构件所受侧向水平荷载反向时，墙脚受拉侧的弹簧装置20受压，受压侧的弹簧装置20受拉，构件的受力性能与上述一致，墙脚两侧的弹簧装置20协同工作，达到减小构件通过自身塑性变形耗能并恢复到变形前状态的目的，减小结构残余变形。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种内置弹簧自复位混凝土剪力墙，包括：钢筋混凝土剪力墙和弹簧装置，其特征在于，所述钢筋混凝土剪力墙包括一体形成的支座和位于支座之上的墙体，所述弹簧装置的数量为两个，对称设置在所述墙体与支座连接处的墙脚，所述弹簧装置包括：第一内管、弹簧、墙体预埋板、支座预埋板和弹簧挡板，所述墙体预埋板和支座预埋板分别预埋在墙体和支座内部，所述墙体预埋板上设有内径大于第一内管外径的第二内管，以及套接在第二内管外侧用于隔绝混凝土及加强墙体预埋板强度的外管，所述支座预埋板上设有内径大于第一内管外径的第三内管，以及套接在第三内管外侧用于隔绝混凝土及加强支座预埋板强度的外管，所述第一内管的一端插入支座预埋板上的第三内管内，并通过螺栓与第三内管连接，另一端插入墙体预埋板上的第二内管内且不与墙体预埋板接触，并通过螺栓与第二内管连接，所述弹簧和位于弹簧两侧的弹簧挡板套接于第一内管，并能沿第一内管表面滑动，所述弹簧两侧的弹簧挡板分别通过第二内管、第三内管和外管与墙体预埋板和支座预埋板连接。

2.根据权利要求1所述的内置弹簧自复位混凝土剪力墙，其特征在于，插入所述第二内管内部的第一内管的另一端与第二内管之间设有摩擦片，所述摩擦片通过螺栓与第一内管的另一端和第二内管连接。

3.根据权利要求1所述的内置弹簧自复位混凝土剪力墙，其特征在于，所述弹簧为碟簧。

4.根据权利要求3所述的内置弹簧自复位混凝土剪力墙，其特征在于，所述碟簧的材料采用60CrMnA。

5.根据权利要求1所述的内置弹簧自复位混凝土剪力墙，其特征在于，位于所述弹簧两侧的弹簧挡板均为双层结构，分别为墙体洞口垫板和上部挡板、以及支座洞口垫板和下部挡板，所述上部挡板和下部挡板分别与弹簧的两端接触，所述墙体洞口垫板通过第二内管和外管与墙体预埋板连接，所述支座洞口垫板通过第三内管和外管与支座预埋板连接。

6.根据权利要求1所述的内置弹簧自复位混凝土剪力墙，其特征在于，所述第一内管、第二内管、第三内管、外管、墙体预埋板和支座预埋板的材料均采用碳素结构钢Q235钢，弹簧挡板采用低合金高强度结构钢Q345钢。