CN109797890B - 智能剪力墙系统及消能阻尼器选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能剪力墙系统及消能阻尼器选型方法，该智能剪力墙系统包括：多个剪力墙，多个剪力墙间隔设置，相邻剪力墙通过连接组件连接，使多个剪力墙呈闭合状；其中，连接组件包括第一连接梁、第二连接梁及消能阻尼器，消能阻尼器的一侧连接于第一连接梁，另一侧连接于第二连接梁；其中，消能阻尼器包括第一连接件、第二连接件、两个消震件及记忆合金丝。该智能剪力墙系统在建筑结构高度、受力、功能发生变化时时，剪力墙的刚度和性能能够随之变化，可以随地震作用的变化自主相应调整刚度。

Description

智能剪力墙系统及消能阻尼器选型方法

技术领域

本发明属于建筑领域，更具体地，涉及一种智能剪力墙系统及消能阻尼器选型方法。

背景技术

短肢剪力墙结构体系是近年来我国新兴的一种抗侧力结构体系，是结构设计技术的创新与建筑功能优化发展相结合的产物。它消除了一般剪力墙过长墙肢造成的材料浪费，又避免了剪力墙墙肢过短形成的结构安全隐患。可将其平面结构型式设计成T、L、十、一字形等，并使尺寸统一模式化，既便于施工，又使承台等基础构件尺寸统一，形成结构设计施工模块化，极大地提高生产经济效益。剪力墙内墙与填充墙墙厚也基本相当，基本没有突出的边、角，保证建筑功能的整齐、完美，有利于建筑的布置。填充墙可采用轻质保温隔热材料，实现绿色环保要求。与超长的一般剪力墙相比，既具有剪力墙良好的抗侧刚度，又具有框架布置灵活、空间使用尺寸较大的特点。与框架-剪力墙结构相比，克服了框架柱边、角突出影响建筑布置的缺点，保持了剪力墙良好的抗侧刚度优点。短肢剪力墙具有构件截面小，降低了自重，所受的地震作用小，有利于抗震。

短肢剪力墙今后的发展方向是抗震性能提高、超高层化、智能化，这就要求进行更多的计算分析研究和试验，需要对短肢剪力墙进行构件加强和改良。

仅把短肢剪力墙加大尺寸变成一般剪力墙，其抗震性能、承载能力依然有限；再把尺寸加大，成为超长超大剪力墙会超限，使材料利用效率大大降低，经济效益显著下降，使用功能严重受限。

因此有必要研发一种当建筑结构高度、受力、功能发生变化时时，剪力墙的刚度和性能能够随之变化，可以随地震作用的变化自主相应调整刚度的智能剪力墙系统及消能阻尼器选型方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能剪力墙系统及建造方法，该智能剪力墙系统在建筑结构高度、受力、功能发生变化时时，剪力墙的刚度和性能能够随之变化，可以随地震作用的变化自主相应调整刚度。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面提供了一种智能剪力墙系统，该智能剪力墙系统包括：

多个剪力墙，多个剪力墙间隔设置，相邻剪力墙通过连接组件连接，使多个剪力墙呈闭合状；

其中，所述连接组件包括第一连接梁、第二连接梁及消能阻尼器，所述消能阻尼器的一侧连接于所述第一连接梁，另一侧连接于所述第二连接梁；

其中，所述消能阻尼器包括第一连接件、第二连接件、两个消震件及记忆合金丝，所述第一连接件的一侧连接于所述第一连接梁，另一侧连接于所述第二连接件；

其中，所述第二连接件两端对称设置有突出部，两个突出部之间开设有通孔，所述消震件包括凸件及安装板，所述消震件通过所述安装板连接于所述第二连接梁，两个消震件的凸件位于所述通孔内，所述记忆合金丝缠绕在相邻的所述凸件与所述突出部上。

优选地，还包括反向螺纹杆，所述反向螺纹杆中部设置有调节螺母，设置在所述反向螺纹杆上，位于所述调节螺母两侧的螺纹方向相反，所述凸件上开设有螺纹孔，所述反向螺纹杆通过所述螺纹孔连接两个所述消震件，通过旋拧所述调节螺母能够带动两个所述消震件相互靠近或远离。

优选地，所述第一连接梁靠近所述消能阻尼器一侧设置有第一预埋件，所述第一预埋件预埋在所述第一连接梁断开的钢筋混凝土连梁的悬臂端，梁内纵筋端部焊接。

优选地，所述第二连接梁靠近所述消能阻尼器一侧设置有第二预埋件，所述第二预埋件上预留的螺栓孔为长孔，所述消震件的安装板通过螺栓及所述长孔连接于所述第二连接梁。

优选地，所述记忆合金丝为镍钛合金丝。

优选地，所述剪力墙为短肢剪力墙，所述短肢剪力的腹板边缘设置有型钢。

优选地，所述凸件及所述突出部上开设有崁口，所述记忆合金丝通过所述崁口缠绕在相邻的所述所述凸件及所述突出部上。

根据本发明的另一方面提供了一种消能阻尼器选型方法，包括：

通过所述第一连接梁及第二连接梁，获取最佳消能阻尼器屈服位移参数及最佳消能阻尼器屈服力参数；

通过所述最佳消能阻尼器屈服位移参数及最佳消能阻尼器屈服力参数选取消能阻尼器。

优选地，获取最佳消能阻尼器屈服力参数的具体公式为：

γ＝F_dy/Q_b

Q_b＝M_cb/(L_b/2)

其中，F_dy为最佳消能阻尼器屈服力参数；γ为承载力比，取值为0.48；M_cb连梁按正截面抗弯承载力；L_b为所述第一连接梁及第二连接梁的净跨。

优选地，获取最佳消能阻尼器屈服位移参数的具体公式为：

η＝Δ_dy/L_b

其中，Δ_dy为最佳消能阻尼器屈服位移参数；L_b为所述第一连接梁及第二连接梁的净跨；η为变形限值，取值为1/450。

本发明的有益效果在于：

1)通过消能阻尼器的设置，在风和地震作用下，剪力墙的形变会集中在消能阻尼器上，大幅度减少剪力墙及连接组件的损伤并能自动复位作用，降低结构周期并耗散地震能量。增加刚度，增大承载能力，提高延性，增加附加阻尼，减小地震力，能自主控制地震力，主动减小地震和风荷载效应。

2)消能阻尼器通过两个消震件及记忆合金丝的设置，可以起到自动复位作用的作用，可大大增加高层建筑剪力墙结构的最大适用高度，极大地扩展建筑使用范围，满足超高层和高烈度地区建筑的需要，具有安全可控、减小结构构件尺寸、更有效地满足建筑功能、更大范围扩展剪力墙作用功能、成本效益突出、刚度增加潜力大的优势。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的智能剪力墙系统的示意性结构图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的第一连接梁的示意性结构图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的第二连接梁的示意性结构图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的消能阻尼器的示意性结构图。

附图标记说明

1、第一连接梁；2、第二连接梁；3、消能阻尼器；4、第一连接件；5、第二连接件；6、消震件；7、突出部；8、通孔；9、凸件；10、安装板；11、记忆合金丝；12、反向螺纹杆；13、螺纹孔；14、调节螺母；15、第一预埋件；16、第二预埋件；17、崁口。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明的一方面提供了一种智能剪力墙系统，该智能剪力墙系统包括：

多个剪力墙，多个剪力墙间隔设置，相邻剪力墙通过连接组件连接，使多个剪力墙呈闭合状；

其中，所述连接组件包括第一连接梁、第二连接梁及消能阻尼器，所述消能阻尼器的一侧连接于所述第一连接梁，另一侧连接于所述第二连接梁；

其中，所述消能阻尼器包括第一连接件、第二连接件、两个消震件及记忆合金丝，所述第一连接件的一侧连接于所述第一连接梁，另一侧连接于所述第二连接件；

其中，所述第二连接件两端对称设置有突出部，两个突出部之间开设有通孔，所述消震件包括凸件及安装板，所述消震件通过所述安装板连接于所述第二连接梁，两个消震件的凸件位于所述通孔内，所述记忆合金丝缠绕在相邻的所述凸件与所述突出部上。

具体地，用连接组件连接两个剪力墙得到的总体刚度远远大于两个剪力墙刚度之和，当剪力墙用连接组件形成一个筒体时，刚度增大效率系数最高。在连接组件上设置消能阻尼器，可改善结构延性，吸收地震能量，有效提高建筑抗震性能。通过有目的地改变相关参数。

具体地，通过消能阻尼器的设置，在风和地震作用下，剪力墙的形变会集中在消能阻尼器上，大幅度减少剪力墙及连接组件的损伤并能自动复位作用，降低结构周期并耗散地震能量。增加刚度，增大承载能力，提高延性，增加附加阻尼，减小地震力，能自主控制地震力，主动减小地震和风荷载效应。消能阻尼器通过两个消震件及记忆合金丝的设置，可以起到自动复位作用的作用，可大大增加高层建筑剪力墙结构的最大适用高度，极大地扩展建筑使用范围，满足超高层和高烈度地区建筑的需要，具有安全可控、减小结构构件尺寸、更有效地满足建筑功能、更大范围扩展剪力墙作用功能、成本效益突出、刚度增加潜力大的优势。

具体地，在风荷及地震过程中，剪力墙带动连接组件产生形变，在形变过程中，缠绕在凸件及突出部上的记忆合金丝会发送形变，一方面吸收风荷及地震能以减小地震力，另一方面消能阻尼器的形变与风荷及地震施加方向相仿，消能阻尼器可以根据风荷及地震的强度和方向，增加加阻尼比、结构刚度，让消能阻尼器能迅速承受更大的地震力和产生较大的变形，吸收更多的地震能量，而智能剪力墙系统本身承受更小的地震力和产生更小的变形。

具体地，记忆合金(shape memory alloys,SMA)是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应(shape memory effect,SME)的由两种以上金属元素所构成的材料。更优选地本申请采用镍钛合金，钛重量轻、强度大，密度小，硬度大，熔点高，抗腐蚀性很强，高纯度钛具有良好的可塑性，具金属光泽，耐湿氯气腐蚀。镍，近似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素，它能够高度磨光和抗腐蚀。镍钛合金是一种记忆合金能将自身的塑性变形在某一特定温度下自动恢复为原始形状的特种合金。它的伸缩率在20％以上，疲劳寿命达1*10的7次方，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，其耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢，除具有独特的形状记忆功能外，还具有耐磨损、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等优异特点。记忆合金另一种重要性质是伪弹性(pseudoelasticity，又称超弹性，superelasticity)，表现为在外力作用下，记忆合金具有比一般金属大的多的变形恢复能力，即加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复。

具体地，耗能元件SMA(镍钛)丝的直径应该粗细适当，既保证单根丝受力大，又要集束丝受力均匀，方便加工工作，可定位在0.5-2mm之间。SMA丝化学成分为Ti-50.8at％Ni。随着应变幅值的增大，SMA的应力应变曲线趋于饱满，耗能能力增大。对于直径为0.5mm的SMA丝的一组测试结果表明，当应变幅值由3％增大至8％时，SMA丝的单圈耗能从4.5MJ·m^-3增大到20.8MJ·m^-3，耗能能力增大了4.7倍左右。等效阻尼比在应变幅值小于6％时，阻尼比显著增大；当应变幅值大于6％时，阻尼比变化较小，说明虽然SMA丝的绝对耗能能力随着应变幅值的增大而增大，但是其耗能效率在应变幅值为6％左右时达到最优。

具体地，阻尼器性能应满足下列要求：阻尼器的耗能能力是评估其抗震性能的重要依据，它反映了阻尼器在反复荷载作用下吸收能量的能力，使结构在地震过程中不至于发生严重破坏。耗能能力以试件荷载-位移滞回曲线所包围的面积来衡量。阻尼器提供附加刚度要大。通过阻尼器的合理设计，使得结构构件的变形和耗能集中在阻尼器中，减轻结构构件的损伤，并使得结构构件具有一定的变形自复位能力，震后更换耗能构件(阻尼器)以实现功能快速恢复。阻尼器的刚度设计，在剪力作用下可等效为混凝土与阻尼器两部分串联体系，即消能连梁的总变形可等效为各部分变形的累加。相比剪力墙墙肢、框架柱等构件，剪力墙连梁破坏的危害性要小得多，是抗震设计的第一道防线，结构静定次数多，节点部位在形成塑性铰的过程中会吸收大量的地震能量，变形大，选择本连梁阻尼器可更有效地吸收地震能量，大大降低结构构件的损害。

作为优选方案，还包括反向螺纹杆，所述反向螺纹杆中部设置有调节螺母，设置在所述反向螺纹杆上，位于所述调节螺母两侧的螺纹方向相反，所述凸件上开设有螺纹孔，所述反向螺纹杆通过所述螺纹孔连接两个所述消震件，通过旋拧所述调节螺母能够带动两个所述消震件相互靠近或远离。

具体地，在需要调节分别设置在两个消震件上的记忆合金丝的有效长度时，通过旋转调节螺母，因为反向螺纹的存在，两个消震件会相互靠近或远离，进而使记忆合金丝长度产生变化，改变作用力的大小。可根据试验数据、实际工程的经验成果和大量统计数据，汇集编制成相关参数计算公式，编程应用程序，实现电脑智能控制。进一步地消能阻尼器，是上下对称结构，当墙肢弯曲带动第一连接梁及第二连接梁相对错动时，例如第一连接梁向下运动，第二连接梁向上运动时，消能阻尼器下部的记忆合金丝受拉，上部的记忆合金丝受压，下部的记忆合金丝不受力(由于记忆合金丝受压会出现屈曲，受压能力不参与工作，但受拉的记忆合金丝能参与工作)；相反，上部的记忆合金丝受力。此构造没计所采用连接方式为螺栓连接，安装简便，同时能够调节记忆合金丝的长度。

作为优选方案，所述第一连接梁靠近所述消能阻尼器一侧设置有第一预埋件，所述第一预埋件预埋在所述第一连接梁断开的钢筋混凝土连梁的悬臂端，梁内纵筋端部焊接。

作为优选方案，所述第二连接梁靠近所述消能阻尼器一侧设置有第二预埋件，所述第二预埋件上预留的螺栓孔为长孔，所述消震件的安装板通过螺栓及所述长孔连接于所述第二连接梁。

作为优选方案，所述记忆合金丝为镍钛合金丝。

作为优选方案，所述剪力墙为短肢剪力墙，所述短肢剪力的腹板边缘设置有型钢。

具体地，为了改善剪力墙的受力性能，增强腹板受压时竖向承载力的稳定性，在剪力墙中配置型钢，使剪力墙成为型钢短肢剪力墙。通过配置型钢，构件的承载力大幅提高，破坏形态得到改善。

具体地，短肢剪力墙合理布置型钢时的优选数据如下：用钢量增加27.1％，正向水平承载力增加29.8％，负向水平承载力增加73.1％；型钢短肢剪力墙在同样轴压比下，延性系数明显提高，腹板受压时延性系数是普通短肢剪力墙3倍左右。型钢短肢剪力墙的极限位移角可达到1/50以上，具有较好的延性，可以满足抗震设计的需要。型钢在腹板受压时对承载力的贡献不明显，在腹板受拉时承载力提高较大。型钢配置在腹板端部对受弯承载力贡献较大，对受剪承载力影响不大。有较大的屈服位移角使墙体进入塑性状态的时间晚于普通混凝土剪力墙，使结构体系在有塑性发展时的内力重分布发生变化，且由于墙体的塑性程度减小，使结构体系中的其它重要竖向构件根部推迟发展塑性，保证了结构体系中重要构件的性能要求。

具体地，用连梁连接两个智能剪力墙得到的总体刚度远远大于两个短肢剪力墙刚度之和，当短肢剪力墙用连梁形成一个筒体时，刚度增大效率系数最高。剪力墙墙肢加入型钢，智能剪力墙连梁中间、上下、四周之间设置消能阻尼器，可改善结构延性，吸收地震能量，有效提高建筑抗震性能。通过有目的地改变相关参数，达到智能和主动控制(如剪力墙承载力等的控制和智能化调控)。

作为优选方案，所述凸件及所述突出部上开设有崁口，所述记忆合金丝通过所述崁口缠绕在相邻的所述所述凸件及所述突出部上。

根据本发明的另一方面提供了一种消能阻尼器选型方法，包括：

通过所述第一连接梁及第二连接梁，获取最佳消能阻尼器屈服位移参数及最佳消能阻尼器屈服力参数；

通过所述最佳消能阻尼器屈服位移参数及最佳消能阻尼器屈服力参数选取消能阻尼器。

作为优选方案，获取最佳消能阻尼器屈服力参数的具体公式为：

γ＝F_dy/Q_b

Q_b＝M_cb/(L_b/2)

其中，F_dy为最佳消能阻尼器屈服力参数；γ为承载力比，取值为0.48；M_cb连梁按正截面抗弯承载力；L_b为所述第一连接梁及第二连接梁的净跨。

作为优选方案，获取最佳消能阻尼器屈服位移参数的具体公式为：

η＝Δ_dy/L_b

其中，Δ_dy为最佳消能阻尼器屈服位移参数；L_b为所述第一连接梁及第二连接梁的净跨；η为变形限值，取值为1/450。

具体地，阻尼器本身特征参数主要包括阻尼系数和阻尼刚度，在地震或者风荷载作用下，其参数应使阻尼器与主体结构发生共振，能达到很好的减震效果。

实施例

图1示出了根据本发明的一个实施例的智能剪力墙系统的示意性结构图。图2示出了根据本发明的一个实施例的第一连接梁的示意性结构图。图3示出了根据本发明的一个实施例的第二连接梁的示意性结构图。图4示出了根据本发明的一个实施例的消能阻尼器的示意性结构图。

如图1-图4所示，该智能剪力墙系统包括：

多个剪力墙，多个剪力墙间隔设置，相邻剪力墙通过连接组件连接，使多个剪力墙呈闭合状；

其中，所述连接组件包括第一连接梁1、第二连接梁2及消能阻尼器3，所述消能阻尼器3的一侧连接于所述第一连接梁1，另一侧连接于所述第二连接梁2；

其中，所述消能阻尼器3包括第一连接件4、第二连接件5、两个消震件6及记忆合金丝11，所述第一连接件4的一侧连接于所述第一连接梁1，另一侧连接于所述第二连接件5；

其中，所述第二连接件5两端对称设置有突出部7，两个突出部7之间开设有通孔8，所述消震件6包括凸件9及安装板10，所述消震件6通过所述安装板10连接于所述第二连接梁2，两个消震件6的凸件9位于所述通孔8内，所述记忆合金丝11缠绕在相邻的所述凸件9与所述突出部7上。

其中，还包括反向螺纹杆12，所述反向螺纹杆12中部设置有调节螺母14，设置在所述反向螺纹杆12上，位于所述调节螺母14两侧的螺纹方向相反，所述凸件9上开设有螺纹孔13，所述反向螺纹杆12通过所述螺纹孔13连接两个所述消震件6，通过旋拧所述调节螺母14能够带动两个所述消震件6相互靠近或远离。

其中，所述第一连接梁1靠近所述消能阻尼器3一侧设置有第一预埋件15，所述第一预埋件15预埋在所述第一连接梁1断开的钢筋混凝土连梁的悬臂端，梁内纵筋端部焊接。

其中，所述第二连接梁2靠近所述消能阻尼器3一侧设置有第二预埋件16，所述第二预埋件16上预留的螺栓孔为长孔，所述消震件6的安装板10通过螺栓及所述长孔连接于所述第二连接梁2。

其中，所述记忆合金丝11为镍钛合金丝。

其中，所述剪力墙为短肢剪力墙，所述短肢剪力的腹板边缘设置有型钢。

其中，所述凸件9及所述突出部7上开设有崁口17，所述记忆合金丝11通过所述崁口17缠绕在相邻的所述所述凸件9及所述突出部7上。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (9)

1.一种智能剪力墙系统，其特征在于，该智能剪力墙系统包括：

多个剪力墙，多个剪力墙间隔设置，相邻剪力墙通过连接组件连接，使多个剪力墙呈闭合状；

其中，所述连接组件包括第一连接梁、第二连接梁及消能阻尼器，所述消能阻尼器的一侧连接于所述第一连接梁，另一侧连接于所述第二连接梁；

其中，所述消能阻尼器包括第一连接件、第二连接件、两个消震件及记忆合金丝，所述第一连接件的一侧连接于所述第一连接梁，另一侧连接于所述第二连接件；

其中，所述第二连接件两端对称设置有突出部，两个突出部之间开设有通孔，所述消震件包括凸件及安装板，所述消震件通过所述安装板连接于所述第二连接梁，两个消震件的凸件位于所述通孔内，所述记忆合金丝缠绕在相邻的所述凸件与所述突出部上；

还包括反向螺纹杆，所述反向螺纹杆中部设置有调节螺母，设置在所述反向螺纹杆上，位于所述调节螺母两侧的螺纹方向相反，所述凸件上开设有螺纹孔，所述反向螺纹杆通过所述螺纹孔连接两个所述消震件，通过旋拧所述调节螺母能够带动两个所述消震件相互靠近或远离。

2.根据权利要求1所述的智能剪力墙系统，其特征在于，所述第一连接梁靠近所述消能阻尼器一侧设置有第一预埋件，所述第一预埋件预埋在所述第一连接梁断开的钢筋混凝土连梁的悬臂端，梁内纵筋端部焊接。

3.根据权利要求1所述的智能剪力墙系统，其特征在于，所述第二连接梁靠近所述消能阻尼器一侧设置有第二预埋件，所述第二预埋件上预留的螺栓孔为长孔，所述消震件的安装板通过螺栓及所述长孔连接于所述第二连接梁。

4.根据权利要求1所述的智能剪力墙系统，其特征在于，所述记忆合金丝为镍钛合金丝。

5.根据权利要求1所述的智能剪力墙系统，其特征在于，所述剪力墙为短肢剪力墙，所述短肢剪力墙的腹板边缘设置有型钢。

6.根据权利要求1所述的智能剪力墙系统，其特征在于，所述凸件及所述突出部上开设有崁口，所述记忆合金丝通过所述崁口缠绕在相邻的所述所述凸件及所述突出部上。

7.一种权利要求1-6中任意一项所述的智能剪力墙系统的消能阻尼器选型方法，其特征在于，所述消能阻尼选型器方法包括：

通过所述第一连接梁及第二连接梁，获取最佳消能阻尼器屈服位移参数及最佳消能阻尼器屈服力参数；

通过所述最佳消能阻尼器屈服位移参数及最佳消能阻尼器屈服力参数选取消能阻尼器。

8.根据权利要求7所述的消能阻尼器选型方法，其特征在于，获取最佳消能阻尼器屈服力参数的具体公式为：

γ＝F_dy/Q_b

Q_b＝M_cb/(L_b/2)

其中，F_dy为最佳消能阻尼器屈服力参数；γ为承载力比，取值为0.48；M_cb连梁按正截面抗弯承载力；L_b为所述第一连接梁及第二连接梁的净跨。

9.根据权利要求7所述的消能阻尼选型器方法包括，其特征在于，获取最佳消能阻尼器屈服位移参数的具体公式为：

η＝Δ_dy/L_b

其中，Δ_dy为最佳消能阻尼器屈服位移参数；L_b为所述第一连接梁及第二连接梁的净跨；η为变形限值，取值为1/450。

Images