CN107574945B - 基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件 - Google Patents

基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,在摇摆墙底部和基础梁之间安装有自复位摇摆墙组件,自复位摇摆墙组件包括:V型支座和记忆合金自复位器,记忆合金自复位器包括形状记忆合金组件及其上下两端的铰接支座和固定支座;形状记忆合金组件由中间的合金棒材、顶部的连接板及底部的限位挡块组成,合金棒材的上下两端分别与连接板、限位挡块固定连接。本发明中利用形状记忆合金阻尼器和底部铰接的V型支撑实现自复位摇摆墙设计,可保证框架‑摇摆墙结构体系既能在强震下充分发挥墙体的摇摆性能、耗散地震动能量,同时在震后又具有自复位特性、减轻结构震害和残余变形,便于结构快速修复和构件替换。

Description

基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件
技术领域
本发明属于土木工程结构技术领域,尤指一种基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,能够保证框架-摇摆墙结构体系既能在强震下充分发挥墙体的摇摆性能、耗散地震动能量,又同时具有自复位特性、减轻结构震害和残余变形,便于震后的结构快速修复和构件替换。
背景技术
早期的震害调研结果表明,基础的适当抬起有助于减少上部结构的地震作用,由此揭示了摇摆结构的减震机制。摇摆墙作为摇摆结构的一种实现形式,可与预应力筋或其它自复位元件相结合形成自复位摇摆墙,减少地震损伤和结构残余变形,也可通过阻尼器或其它耗能元件与主体结构连接,将预期损伤位置控制在这些耗能元件中,实现震后的便捷更换。
摇摆墙主要实现形式可分为基于无粘结预应力的自复位摇摆墙和基于显化铰接点的耗能摇摆墙两类,前者存在的摇摆幅度有限、墙趾易发生碰撞破坏等尚难以克服,而后者自复位功能的缺失使得摇摆墙的功用大打折扣。另外,现有研究与工程实际存在的明显差别在于,目前的研究对象均为无洞口摇摆墙,而实际工程中摇摆墙体往往需要开设门窗洞口,这将使得预应力的自复位形式难以适用,摇摆墙的设计也面临挑战。
发明内容
本发明研发的基于形状记忆合金棒材的自复位技术有别于传统预应力自复位形式,一方面能够不影响摇摆墙体洞口布置,另一方面避免了预应力筋在基础梁底面锚固的高难度施工。本发明有助于扩展摇摆墙的适用范围,推动可恢复功能结构的应用。具体方案如下:
一种基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,在摇摆墙底部和基础梁之间预留有用于安装所述自复位摇摆墙组件的空间,所述自复位摇摆墙组件包括:
V型支座,所述V型支座的顶部开口端固定在所述摇摆墙底面,底部铰接在一支撑底座上,所述支撑底座固定在所述基础梁上;
记忆合金自复位器,分布在所述V型支座两侧,所述记忆合金自复位器包括形状记忆合金组件及其上下两端的铰接支座和固定支座;
所述形状记忆合金组件由中间的合金棒材、顶部的连接板及底部的限位挡块组成,合金棒材呈两头粗中间细的狗骨状,所述合金棒材的上下两端分别与连接板、限位挡块固定连接,所述连接板铰接在所述铰接支座下方,所述固定支座内设有活动槽,所述限位挡块位于所述活动槽内。
进一步的,所述摇摆墙底面及底部侧壁固定有U型外包钢板,所述U型外包钢板在侧面采用对穿螺栓固定在所述摇摆墙上。
进一步的,在所述摇摆墙两端具有主体框架,所述摇摆墙两端通过若干工字型软钢连接件与所述主体框架连接,所述工字型软钢连接件与所述主体框架的中心梁齐平。
进一步的,所述空间高度为主体框架首层层高的1/5~1/3。
进一步的,限位挡块的外沿呈弧状,与活动槽顶面弧度稍大的弧形切面相接触,所述固定支座顶面开设有与所述活动槽相连的孔,合金棒材的底部穿过所述孔以将所述限位挡块卡在所述活动槽顶部;
所述棒材通过螺纹方式与连接板及限位挡块连接,且所述合金棒材与上下两端螺纹段的连接处为弧面,螺纹段的宽度大于所述合金棒材的宽度。
进一步的,所述孔的孔径为所述棒材端部直径的1.5倍,所述活动槽内的净高度大于2倍限位挡块的高度。
进一步的,所述合金棒材的材质为Ni-Ti记忆合金,且最大拉伸应变在6%~8%之间;
所述连接板及限位挡块的材料为钢材。
进一步的,所述V型支座的底部为半圆弧状并开有孔,通过销轴铰接在支撑底座上;
所述V型支座采用方钢管,截面尺寸宽度与摇摆墙的宽度相同,方钢管的厚度为8~12mm。
本发明一方面既能够不影响摇摆墙体洞口布置,另一方面避免了预应力筋在基础梁底面锚固的高难度施工。本发明施工简便、造价较低,既能在强震下充分发挥墙体的摇摆性能、耗散地震动能量,又同时具有自复位特性、减轻结构震害和残余变形,有助于扩展摇摆墙的适用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中钢筋混凝土摇摆墙组件的结构立面示意图。
图2是本发明实施例中形状记忆合金自复位器示意图。
图3为形状记忆合金棒材中部棒材与顶部螺纹段衔接处的示意图。
图4是本发明实施例中V型支座示意图。
附图标记说明:
1—钢筋混凝土摇摆墙,2—主体框架,3—U型外包钢板,4—工字型软钢连接件,5—形状记忆合金自复位器,6—V型支座,7—基础梁,8—钢板,9—锚固钢筋,10—角钢抗剪键,11—合金棒材,12—铰接支座,13—固定支座,14—销轴,15—限位挡块,16—V型支撑部分16,17—支撑底座,18—支撑销轴,19—主体框架内预埋钢板,20—钢板,21—中心梁,22—连接板,23—孔,24—螺纹段,25—钢板,26—框架柱。
具体实施方式
在下文的描述中,给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而,对于本领域技术人员而言显而易见的是,本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中,为了避免与本发明发生混淆,对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明,将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构,以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下,然而除了这些详细描述外,本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提供了一种基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,参照图1-4所示,在摇摆墙1底部和基础梁7之间预留有用于安装自复位摇摆墙组件的空间。具体的,自复位摇摆墙组件包括:
V型支座6,V型支座6的顶部开口端固定在摇摆墙1底面,底部铰接在一支撑底座17上,支撑底座17固定在基础梁7上;
记忆合金自复位器5,分布在V型支座6两侧,记忆合金自复位器包括形状记忆合金组件及其上下两端的铰接支座12和固定支座13;
形状记忆合金组件包括中部的合金棒材11及上下两端的连接板22和限位挡块15,合金棒材11呈两头粗中间细的狗骨状,上下两端分别与顶部的连接板22及底部的限位挡块15固定连接,连接板22铰接在铰接支座12下方,固定支座13内设有活动槽,限位挡块15位于活动槽内,形状记忆合金组件在受拉时处于工作状态,在受压时处于非工作状态。
本发明利用了形状记忆合金材料具有超弹性特性,在外力作用下可发生较大变形,且卸载后变形可恢复;同时本发明利用形状记忆合金阻尼器和底部铰接的V型支撑实现自复位摇摆墙设计,可保证框架-摇摆墙结构体系既能在强震下充分发挥墙体的摇摆性能、耗散地震动能量,同时在震后又具有自复位特性、减轻结构震害和残余变形,便于结构快速修复和构件替换。
在摇摆墙1两端具有主体框架2,摇摆墙1两端通过若干工字型软钢连接件4与主体框架2连接,工字型软钢连接件4与主体框架的中心梁21齐平。在每层梁21中心线与摇摆墙相邻的框架柱中预埋钢板19,并用锚固钢筋焊接固定,钢板19外表面与框架柱26外表面齐平,并在钢板19上开螺栓孔,与工字型软钢连接件4另一边端板进行螺栓连接。主体框架结构中,与墙体相邻柱子在每层梁中心线处预埋一块钢板19,钢板19宽度与柱子宽度相同,高度、厚度以及开孔数量及位置均与摇摆墙1内预埋钢板20相同;预埋钢板19外表面与框架柱26外表面平齐,内表面焊接锚固钢筋,锚筋长度不应小于300mm。其中,在摇摆墙1底部和基础梁7之间预留的空间高度L为主体框架2首层层高的1/5~1/3较佳。
工字型软钢连接件4采用屈服强度在200~250MPa之间、延伸率大于40%,屈强比小于80%的延性钢材;工字型软钢连接件4的高度与墙内预埋钢板的高度相同,宽度可取摇摆前墙体宽度减去每边各10mm的焊接空间,长度为摇摆墙与框架柱26之间的距离;连接件的中间截面为工字型,截面高度宜取1/2的连接件高度,宽度宜取0.6~0.8倍的截面高度,翼缘和腹板的厚度宜取0.1~0.2倍的截面宽度;连接件的两端为矩形截面,厚度不应小于20mm,矩形截面上开螺栓孔的数量和位置与墙内和柱内的预埋钢板一致,但孔径应增加不小于2mm。
摇摆墙1底面及底部侧壁固定有U型外包钢板3,U型外包钢板3在侧面采用对穿螺栓固定在摇摆墙1上。在本发明中,钢筋混凝土摇摆墙1其配筋根据现有规范进行设置,墙体下部预留空间用于安装记忆合金自复位器5和V型支撑部件,并在墙底一定高度范围内外包U型钢板对墙体局部加强,在每层梁中心线处预埋两块钢板20,钢板20上开有螺栓孔,与工字型软钢连接件的端板采用螺栓固定。U型外包钢板净宽度(Y方向)与墙体同宽,长度(X方向)与墙体同长,在一定高度范围内采用多组对穿螺栓以及锚筋与墙体底部相连。U型外包钢板3宽度与摇摆墙1同宽,高度应大于宽度的1.5倍,U型钢板的底部厚度宜取20~30mm,侧面厚度宜取8~12mm;钢板外表面与摇摆墙1外表面平齐;U型外包钢板3上开有4~8个螺栓孔,孔径宜取12~16mm;墙体内两端预埋钢板20之间焊接两块相同高度的连接钢板8,厚度不应小于5mm,两块钢板对称布置。U型钢板在侧面采用对穿螺栓与墙体连接,对穿螺栓直径、数量和间距要求可参照相关规范。
基础梁7其配筋根据现有规范进行设置,但要在此基础上预埋一定厚度的钢板25(厚度应不小于30mm),用于焊接形状记忆合金自复位器5和V型支座。预埋钢板25表面与基础梁7表面平齐,下部通过焊接锚固钢筋9和角钢抗剪键10与基础梁7形成一体,所用的角钢和锚固钢筋数量可依据有关规范确定。其中,V型支座和记忆合金自复位器5的上下两端通过焊接和/或螺钉的方式固定在U型外包钢板3和钢板25上。
限位挡块15的外沿呈弧状,与活动槽顶面弧度稍大的弧形切面相接触,固定支座13顶面开设有与活动槽相连的孔23,中间的合金棒材11的底部穿过孔23以将限位挡块15卡在活动槽顶部;合金棒材11通过螺纹方式与连接板22及限位挡块15连接,且合金棒材11与上下两端螺纹段的连接处为弧面,螺纹段的宽度大于合金棒材11的宽度。图3示出了合金棒材11及顶部螺纹段24的连接部示意图,在两者的衔接处进行了材料的圆滑处理,可以提高整体强度。连接板22底部中心及限位挡块15顶部中心开有直径和长度均与合金棒材11端部纹段相同的螺纹孔道,用于与棒材的连接。
孔23的孔径为合金棒材11端部直径的1.5倍,便于合金棒材11穿过,活动槽内的净高度大于2倍限位挡块15的高度。限位档块15外形呈实心圆墩状,高度不小于棒材端部螺纹段的高度,且外径不应小于2倍的棒材端部螺纹段直径。限位挡块15的外沿呈弧状,与固定底座13内部的弧度稍大的弧形切面相接触,可以发生一定范围内的转动,转动角度根据摇摆墙底部的变形需求确定。限位挡块15底部与固定支座13底部的距离应大于1.5倍棒材的拉伸变形需求,在棒材受拉时可起到限位作用,在棒材受压时可随棒材向下滑动,从而使得棒材在受拉时处于工作状态,在受压时处于不工作状态,避免棒材发生屈曲;形状记忆合金自复位器5中棒材的截面尺寸应根据实际情况计算确定,并保证连接件(铰接支座12和固定底座13)的强度安全系数不小于2。
可选的,合金棒材11的材料为Ni-Ti记忆合金,较佳的,Ni-Ti成分在合金中所占比例不超过10%,此外,连接板22及限位挡块15的材料为钢材。合金棒材11的长度应根据拉伸变形需求和棒材自复位性能指标(残余应变)确定,最大可恢复拉伸应变不应超过10%,最好在6%~8%之间;合金棒材11端部螺纹段长度宜取1.5~2倍的端部直径,合金棒材11直径应根据承载力需求确定,宜取0.6~0.8倍端部直径。
V型支座6的底部为半圆弧状并开有孔,通过销轴铰接在支撑底座17上;V型支座6的V型支撑部分16采用方钢管,截面尺寸宽度与摇摆墙1的宽度相同(Y方向),方钢管的厚度为8~12mm。V型支座底部的支撑底座应做成半圆弧状,并预先开孔,通过销轴18与固定底座17上的预留孔相连,形成铰接连接;销轴18和开孔直径可通过计算V型支撑所承受的结构重力确定,并保证安全系数不小于2。
下面就一实施例对本发明所涉及的各个组件进行相关尺寸方面的说明:如附图1~4所示,一种基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,其包括:
某三层三跨平面钢筋混凝土框架结构,各层层高均为1.5m,跨度为1.8m,该柱按照强柱弱梁设计,梁截面为120mm×200mm,柱截面为200mm×200mm,框架的配筋设计依据现行规范确定;梁端和柱顶加载端高度均为300mm,基础梁长度、高度和宽度分别为6950mm、400mm和700mm。采用本专利对其进行改造加固,将其中跨框架改为钢筋混凝土墙体,形成框架-摇摆墙结构:摇摆墙高度为4200mm,宽度为1300mm,墙厚120mm,墙底预留高度为600mm,配筋设计按照相关规范确定。
摇摆墙预埋钢板8为Q235钢材,截面尺寸为120mm×200mm,厚度为25mm,钢板上开有6个螺栓孔,孔径为14mm,梁端预埋钢板之间焊接两块相同设计的连接钢板20,钢板的长度、高度和厚度分别为1250mm、200mm和5mm,间距80mm,对称布置;主体框架的柱子内预埋钢板19的宽度为200mm,高度和厚度以及螺栓开孔情况与墙体预埋钢板20一致。内表面焊接6根C12锚固钢筋,锚筋长度为300mm。
U型外包钢板3为Q235级钢材,侧板之间的净宽度为120mm,长度为1300mm,高度为325mm,U型钢板的底部厚度为25mm,侧面厚度为8mm,U型钢板在侧面采用对穿螺栓与墙体连接,对穿螺栓直径、数量和间距分别为12mm、18mm和100mm;工字型软钢连接件4采用宝钢生产的BLY225钢材,其高度为200mm,宽度为100mm,中间工字型截面尺寸为100mm×80mm×8mm×8mm。
连接件两端的矩形截面厚度为20mm,矩形截面上开螺栓孔的数量和位置与墙内和柱内的预埋钢板一致,孔径为16mm;形状记忆合金自复位器5的棒材采用西安赛特有限公司生产的Ni-Ti记忆合金,其中棒材总长度为500mm,核心段长度为410mm,两端螺纹段和过度弧段长度分别为35mm和10mm,核心段直径为18mm,端部螺纹段外径为24mm。
铰接支座12、棒材顶部连接板22以及固定底座13、限位挡块15材料均为45#钢材,铰接支座12和棒材顶部连接板22上铰接位置处的开孔直径为24mm,连接用的销轴尺寸为23mm;棒材顶部连接板下部开有长度为35mm、直径为24mm的螺纹孔道;下部固定支座13底部中心位置开有直径为40mm的孔23。
限位挡块高度为35mm,外径为75mm,中心开有24mm的孔,孔内有贯通螺纹;V型支座及销轴18采用Q235钢材,其中支撑部分的钢管16采用120mm×120mm×10mm的方钢管,V型支座的底部和固定底座17的开孔直径为38mm,连接所用销轴直径为37mm。
基础梁顶部预埋钢板25采用Q235钢材,厚度为30mm,锚固钢筋为HRB400,数量、间距和长度分别为40根、100mm和300mm,角钢抗剪键为Q235钢材,截面为L80mm×6mm,数量、间距和长度分别为3个、550mm和250mm。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施;任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例,这并不影响本发明的实质内容。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,其特征在于,在摇摆墙底部和基础梁之间预留有用于安装所述自复位摇摆墙组件的空间,所述自复位摇摆墙组件包括:
V型支座,所述V型支座的顶部开口端固定在所述摇摆墙底面,底部铰接在一支撑底座上,所述支撑底座固定在所述基础梁上;
记忆合金自复位器,分布在所述V型支座两侧,所述记忆合金自复位器包括形状记忆合金组件及其上下两端的铰接支座和固定支座;
所述形状记忆合金组件由中间的合金棒材、顶部的连接板及底部的限位挡块组成,合金棒材呈两头粗中间细的狗骨状,所述合金棒材的上下两端分别与连接板、限位挡块固定连接,所述连接板铰接在所述铰接支座下方,所述固定支座内设有活动槽,所述限位挡块位于所述活动槽内。
2.如权利要求1所述的基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,其特征在于,所述摇摆墙底面及底部侧壁固定有U型外包钢板,所述U型外包钢板在侧面采用对穿螺栓固定在所述摇摆墙上。
3.如权利要求1所述的基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,其特征在于,在所述摇摆墙两端具有主体框架,所述摇摆墙两端通过若干工字型软钢连接件与所述主体框架连接,所述工字型软钢连接件与所述主体框架的中心梁齐平。
4.如权利要求3所述的基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,其特征在于,所述空间高度为主体框架首层层高的1/5~1/3。
5.如权利要求1所述的基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,其特征在于,限位挡块的外沿呈弧状,与活动槽顶面弧度稍大的弧形切面相接触,所述固定支座顶面开设有与所述活动槽相连的孔,合金棒材的底部穿过所述孔以将所述限位挡块卡在所述活动槽顶部;
所述棒材通过螺纹方式与连接板及限位挡块连接,且所述合金棒材与上下两端螺纹段的连接处为弧面,螺纹段的宽度大于所述合金棒材的宽度。
6.如权利要求5所述的基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,其特征在于,所述孔的孔径为所述棒材端部直径的1.5倍,所述活动槽内的净高度大于2倍限位挡块的高度。
7.如权利要求1所述的基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,其特征在于,所述合金棒材的材质为Ni-Ti记忆合金,且最大拉伸应变在6%~8%之间;
所述连接板及限位挡块的材料为钢材。
8.如权利要求1所述的基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件,其特征在于,所述V型支座的底部为半圆弧状并开有孔,通过销轴铰接在支撑底座上;
所述V型支座采用方钢管,截面尺寸宽度与摇摆墙的宽度相同,方钢管的厚度为8~12mm。
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