CN110005096B - 一种内置形状记忆合金自复位混凝土剪力墙 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑结构技术领域，涉及一种内置形状记忆合金自复位混凝土剪力墙，包括：钢筋混凝土剪力墙板1和SMA装置2，所述SMA装置包括：SMA杆和粘弹性耗能装置；SMA杆产生的弹性恢复力驱动墙体在水平荷载减小时，墙体恢复到初始位置，在长期使用过程中不存在预应力损失导致的墙体复位能力下降的问题；当墙体产生侧向变形时，不需要过大的变形就可产生显著的恢复力驱动墙体复位，实现墙体的复位，便于更换的粘弹性耗能装置可由工程需求设计成不同阻尼特性的粘弹性耗能装置，改善墙体动力特性，优化结构性能。

Description

一种内置形状记忆合金自复位混凝土剪力墙

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，涉及一种具有复位能力的剪力墙，具体涉及一种包含混凝土、钢筋、SMA(形状记忆合金)和粘弹性材料的具有耗能能力和复位能力的钢筋混凝土剪力墙。

背景技术

地震会造成建筑物破坏倒塌、人员伤亡和财产损失，给人类社会带来巨大的经济耗损。传统的抗震设计思想以保护生命为首要目标，这种延性设计方法会导致结构产生较大的塑性损伤和残余变形，虽然生命安全得以保障，但建筑结构功能的恢复耗时耗力，仍然严重影响正常的生产和生活。地震可恢复功能结构可在震后不需修复或者稍加修复即可恢复使用功能，能减轻建筑结构功能中断带来的影响，如可更换连梁、自复位支撑、自复位摇摆结构和自复位框架结构等。

钢筋混凝土剪力墙的刚度大、承载力高，作为主要抗侧力构件，广泛用于地震区的高层建筑。但当遇到较大地震作用时，墙体往往发生较大侧向变形，导致剪力墙墙脚处的混凝土遭受较大塑性损伤而发生破坏，墙体出现明显的残余变形，进而使得墙体承载力下降，结构失效。通过调高墙体约束区的配箍率可以提高墙体延性但残余变形会加重。在墙体内布置型钢、钢管和暗撑等会提高墙体承载力和侧向刚度，但易使得墙体延性下降，墙脚破坏更加严重，且难以修复。现阶段，功能可恢复剪力墙结构主要有可更换墙脚剪力墙和自复位剪力墙两种形式。其中，可更换墙脚剪力墙通过替换原本会发生混凝土压溃破坏的墙脚部分为可更换部件的方法，实现剪力墙刚度及承载力的恢复，这种形式的剪力墙设计思想为引导墙体塑性破坏发生在可更换区域，通过可更换区域的更换恢复墙体功能，墙体在脚部更换前存在较大残余变形。预应力自复位摇摆墙通过放张部分或全部墙体与基础刚性连接界面，实现墙体的刚性摇摆，减小塑性损伤，并通过后张无粘结预应力筋的作用，将墙体拉回原位从而消除残余变形，但这种墙体会使得相同荷载作用下侧向位移明显加大，难以运用于高层建筑和纯剪力墙结构，同时墙脚处混凝土受力状态未改善，难以避免墙脚压溃的发生。刚性界面全部放张会使得墙体在往复变形过程中发生面外偏移，降低了墙体的稳定性。同时，预应力筋的预拉力对摇摆墙的自复位性能有较大影响，预应力的损失或墙体两侧预拉力的不同步会降低墙体复位性能。这种墙体往往需要配合框架协同工作，且不能或只能承受较小的竖向荷载，适用高度受到限制。

发明内容

本发明为了解决传统混凝土剪力墙在地震作用过程中墙体脚部及其他部分因塑性变形和损伤积累导致墙体残余位移明显、预应力自复位摇摆墙侧向位移较大、摇摆墙面外稳定性差等问题，提出一种内置SMA墙脚自复位钢筋混凝土剪力墙。SMA的超弹性性能使得其在发生较大变形后能恢复初始状态，不产生显著塑性变形，合金中奥氏体与马氏体的转换过程可耗散一定能量。在剪力墙脚部设置由SMA制成的可更换墙脚可以实现墙体脚部的弹性变形，减小墙体在侧向变形过程中的塑性损伤。墙脚变形产生的弹性力为墙体提供恢复力，使得墙体恢复初始位置，消除残余位移。墙脚同时设置有粘弹性剪切耗能部件，在墙体侧向变形过程中耗散一定能量。墙脚几何形状为三角形，墙脚上下板的铰接连接弥补了一部分墙体因局部替换造成的底部截面抗剪能力的损失，具体技术方案如下：

一种内置形状记忆合金自复位混凝土剪力墙，包括：钢筋混凝土剪力墙板和SMA装置；

所述钢筋混凝土剪力墙板位于钢筋混凝土基础梁的上方；

在所述钢筋混凝土剪力墙板的墙脚处设置SMA装置；

所述钢筋混凝土剪力墙板依据现行设计规范设计，由边缘约束区和非约束区组成，在所述边缘约束区布置纵向受力钢筋和箍筋，在所述非约束区布置水平分布筋和纵向分布钢筋；

所述SMA装置包括：上板、下板、四根拉压杆、SMA杆、卡板一、卡板二和粘弹性耗能装置；

所述下板水平布置，所述上板倾斜布置于下板的上方；

上板的下端与下板的一侧相交，并通过铰接连接；

所述下板的下表面与钢筋混凝土基础梁内的钢筋焊接，

在所述下板的下表面焊接若干抗剪键，在浇筑钢筋混凝土基础梁时，所述述若干抗剪键埋入钢筋混凝土基础梁内的混凝土中；

所述上板的上表面与钢筋混凝土剪力墙板接触，并与钢筋混凝土剪力墙板内部的钢筋焊接连接；

在所述上板的上表面焊接若干抗剪键，在浇筑钢筋混凝土剪力墙板时，所述述若干抗剪键埋入钢筋混凝土剪力墙板内的混凝土中；

所述若干抗剪键用于：增强与混凝土的粘结能力；

在所述上板下表面的上端两侧设置有铰接接头，下表面的下端两侧设置有连接板二；

在所述下板上表面的一侧两端设置有铰接接头，上表面中部两侧并设置有连接板三；

所述粘弹性耗能装置位于下板与上板之间，粘弹性耗能装置上端两侧和下端两侧分别设有连接板一，上端的连接板一与所述连接板二连接，下端连接板一与所述连接板三连接；

所述卡板一和卡板二水平放置，沿卡板一和卡板二的长度方向分别设有两个方孔、两个小圆孔和一个大圆孔，中间为大圆孔；

在所述卡板一的靠近两端处，分别设有一个方孔，靠近中间的两侧分别设有一个小圆孔；

在所述卡板二的靠近两端处，分别设有一个小圆孔，靠近中间的两侧分别设有一个方孔；

所述卡板一位于卡板二的上方；

所述拉压杆竖直放置，且分为三段，第一段的截面为方形，与卡板一和卡板二的方孔配合，且在与拉压杆轴线方向垂直的面设有圆孔；中间段截面大于卡板一和卡板二的方孔；第三段为圆柱，与卡板一和卡板二的小圆孔配合；

所述SMA杆的两端分别穿过卡板一和卡板二的大圆孔，并分别与卡板一和卡板二固定连接；

在所述SMA杆的一侧，靠近SMA杆的拉压杆的第一段穿过卡板二的方孔，并通过拉压杆的圆孔与下板上的铰接接头连接；靠近SMA杆的拉压杆的中间段下端卡到卡板一的下表面，第三段穿入卡板一的小圆孔中；

在所述SMA杆的一侧，远离SMA杆的拉压杆的第一段穿过卡板一的方孔，并通过拉压杆的圆孔与上板上的铰接接头连接；远离SMA杆的拉压杆的中间段下端卡到卡板二的上表面，第三段穿入卡板二的小圆孔中；

在所述SMA杆的另一侧，对称安装两根拉压杆。

在上述技术方案的基础上，在所述连接板二上设有若干螺栓孔二，在所述连接板三上设有若干螺栓孔三；所述粘弹性耗能装置的连接板一上下两端分别设有相应的螺栓孔一；所述粘弹性耗能装置通过若干高强螺栓穿过粘弹性耗能装置上端的螺栓孔一、螺栓孔二与上板连接，并通过若干高强螺栓穿过粘弹性耗能装置下端的螺栓孔一、螺栓孔三与下板连接。

在上述技术方案的基础上，所述粘弹性耗能装置呈扇形，为钢板与粘弹性材料叠层放置，并经高温高压处理，形成的粘弹性阻尼器。

在上述技术方案的基础上，所述粘弹性耗能装置根据粘弹性阻尼器设计方法设计为速度相关型耗能装置。

在上述技术方案的基础上，所述SMA杆的两端通过卡件分别与卡板一和卡板二固定连接。

在上述技术方案的基础上，所述钢筋混凝土剪力墙板所采用的混凝土强度不低于C30，受力钢筋不低于HRB335，箍筋不低于HPB300。

在上述技术方案的基础上，所述上板、下板、拉压杆、卡板一和卡板二采用Q345低合金高强度结构钢制成；SMA杆通过设计需求定制。

本发明所述的内置SMA自复位混凝土剪力墙的实现情况如下：安装时，首先在钢筋混凝土剪力墙板的两侧脚部布置上板与下板，并连接，接着绑扎钢筋，并将对应的钢筋与上板和下板焊接，再将拉压杆、卡板一、卡板二和SMA杆组装固定，然后将组装好的拉压杆与上板、下板对应连接，之后通过上板的连接板二和下板的连接板三安装粘弹性耗能装置，浇筑混凝土。

在正常使用状态下，SMA装置与钢筋混凝土剪力墙板共同承担竖向荷载。地震荷载作用时，钢筋混凝土剪力墙板发生侧向变形，一侧墙脚受压，混凝土通过上板、下板和拉压杆将压力作用在卡板一、卡板二上，此时，与下板连接的拉压杆将上方的卡板一顶紧，与上板连接的拉压杆推动下方的卡板二向下运动，卡板一与卡板二远离，拉伸SMA杆。另一侧墙脚受拉，钢筋通过上板、下板、拉压杆将拉力作用在卡板一、卡板二上，此时，与下板连接的拉压杆将下方的卡板二顶紧，与上板连接的拉压杆拉动上方的卡板一向上运动，卡板一与卡板二远离，拉伸SMA杆。

当作用在钢筋混凝土剪力墙板上的水平荷载减小时，SMA杆产生的拉力拉动卡板一与卡板二，使得卡板一与卡板二相向运动，通过拉压杆和上板、下板，在钢筋混凝土剪力墙板一侧形成拉恢复力，另一侧形成推恢复力，驱动钢筋混凝土剪力墙板恢复为之前的位置，不产生残余位移。

在钢筋混凝土剪力墙板侧向运动过程中，上板与下板的夹角发生改变，通过连接板二、连接板三推拉粘弹性耗能装置，消耗地震动输入的能量，减小钢筋混凝土剪力墙板的损伤。

斜向布置的上板与水平布置的下板通过铰接连接，具有一定的抗剪能力。

本发明的有益技术效果如下：

内置SMA自复位混凝土剪力墙与普通混凝土剪力墙、预应力自复位混凝土剪力墙、摇摆墙相比，有以下特点：

与普通混凝土剪力墙相比，内置SMA自复位混凝土剪力墙两侧墙脚在墙体变形过程中不发生塑性变形，避免了墙脚压溃破坏，不产生显著的墙体塑性损伤；墙脚处SMA装置产生的弹性恢复力驱动墙体在水平荷载减小时恢复到初始位置，实现墙体的复位；SMA装置中的粘弹性耗能装置可在墙体侧向变形过程中耗散荷载输入能量，提高墙体整体耗能能力。

与预应力自复位混凝土剪力墙相比，内置SMA装置不对墙体产生附加轴压力，墙体可承担更多竖向荷载；在长期使用过程中不存在预应力损失导致的墙体复位能力下降的问题；当墙体产生侧向变形时，不需要过大的变形就可产生显著的恢复力驱动墙体复位；SMA装置可按需离散布置于结构各层，提高了结构抵抗强震实现墙体复位性能的鲁棒性。

与摇摆墙相比，内置SMA自复位混凝土剪力墙可不与框架梁柱协同使用，适用于纯剪力墙结构；墙体侧向刚度大，复位能力强，层间位移不显著；墙体与基础刚接，传力稳定，不易在墙体与基础连接界面发生面外偏移。

内置SMA自复位混凝土剪力墙设有便于更换的粘弹性耗能装置，粘弹性耗能装置呈扇形，变形模式与墙体底面变形趋势一致，通过连接板二、连接板三连接，磨损后便于更换。同时可由工程需求设计成不同阻尼特性的粘弹性耗能装置，改善墙体动力特性，优化结构性能。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明内置SMA自复位混凝土剪力墙正视结构示意图；

图2为本发明内置SMA自复位混凝土剪力墙左视结构示意图；

图3(a)为本发明内置SMA自复位混凝土剪力墙中SMA装置2的整体结构示意图；

图3(b)为本发明内置SMA自复位混凝土剪力墙中SMA装置2的局部结构示意图一；

图3(c)为本发明内置SMA自复位混凝土剪力墙中SMA装置2的局部结构示意图二；

图4为本发明内置SMA自复位混凝土剪力墙中粘弹性耗能装置9的结构示意图。

附图标记：

1-钢筋混凝土墙板，2-SMA装置，3-钢筋混凝土基础梁，4-上板，5-下板，6a-卡板一，6b-卡板二，7-拉压杆，8-SMA杆，9-粘弹性耗能装置，10-高强螺栓，11-抗剪键，12-连接板一，13-粘弹性材料层，14-螺栓孔一，15-连接板二，16-连接板三，17-螺栓孔二，18-螺栓孔三。

具体实施方式

本发明为内置SMA自复位混凝土剪力墙，下面结合附图和工作性能对本发明做进一步说明。

本发明的结构形式如图1和2所示。其中，钢筋混凝土剪力墙板1由内部竖向受力钢筋、横向分布钢筋和边缘约束箍筋形成的钢筋笼浇筑混凝土形成。钢筋混凝土基础梁3由内部受力钢筋和箍筋形成的钢筋笼浇筑混凝土形成。

本发明的SMA装置2的组成部件如图3所示。上板4与下板5在绑扎墙体钢筋笼时布置定位，上板4固定于钢筋混凝土剪力墙板1的墙脚处，倾斜放置，下板5水平放置，下板5底面与钢筋混凝土基础梁3的顶面平齐。上板4与下板5相交端铰接连接后，将部分钢筋端头焊接在上板4与下板5设有抗剪键11的一面，与钢筋共同形成钢筋笼。之后将卡板一6a、卡板二6b、拉压杆7和SMA杆8进行组装。

按照图3所示，将四支拉压杆7对齐，外部两支向上，内部两支向下，之后从顶部和底部分别套入开孔对应的卡板一6a、卡板二6b，再将SMA杆8套入卡板一6a、卡板二6b中部的大圆孔，并通过锚固件将SMA杆8锚固拉紧于卡板一6a、卡板二6b上。之后将组装好的拉压杆7通过上板4、下板5预留的连接端铰接连接。最后将粘弹性耗能装置9通过两侧设有的连接板一12与上板4和下板5预留的连接板二15、连接板三16通过螺栓固定。SMA装置8组装完成后，搭支模版，浇筑混凝土。

本发明的粘弹性耗能装置9如图4所示。粘弹性耗能装置9呈扇形，为钢板与粘弹性材料13叠层放置，并经高温高压处理，形成的粘弹性阻尼器，钢板两侧设置连接板一12，连接板一12开螺栓孔一14，所述螺栓孔一14与连接板二15上的螺栓孔二17、连接板三16上的螺栓孔18相对应，可通过高强螺栓10进行固定连接。

本发明所示的内置SMA自复位混凝土剪力墙的实现过程如下：按照设计在墙脚处放置SMA装置2，并与钢筋笼焊接，浇筑混凝土，制作成内置SMA自复位混凝土剪力墙。在正常使用状态下，结构竖向荷载由钢筋混凝土剪力墙板1与SMA装2共同承担。

当地震荷载作用在结构上时，墙体侧向转动，挤压或拉动SMA装置的上板4和下板5，牵动卡板一6a、卡板二6b上下移动，卡板一6a和卡板二6b中间的间距增大，拉伸SMA杆8产生弹性力。

荷载减小时，墙体向平衡位置转动，卡板一6a和卡板二6b的间距减小，SMA杆8回缩，弹性力减小。在墙体转动过程中，SMA装置2的上板4和下板5所呈的夹角不断变化，由上板4和下板5驱动的扇形粘弹性耗能装置9不断运动，提供阻尼力耗散能量。

在墙体转动过程中，SMA装置2同步转动。在墙脚受压侧，墙体挤压上板4向下转动，带动与上板4连接的拉压杆7向下运动。此时，与上板4连接的两支拉压杆7受压，紧顶下方卡板二6b，并推动下卡板二6b向下运动。下卡板二6b向下运动，拉动中间夹持的SMA杆8向下伸长。SMA杆8伸长，使得上方卡板一6a产生向下运动趋势。上方卡板一6a向下运动受到与下板5连接的两支拉压杆7的阻碍。与下板5连接的拉压杆7对下板5产生压力。下板5将拉压杆7作用的压力作用在钢筋混凝土基础梁3上。

在墙脚受拉侧，墙体拉动上板4向上转动，带动与上板4连接的拉压杆7向上运动。此时，与上板4连接的两支拉压杆7受拉，紧顶上方卡板一6a，并推动上方卡板一6a向上运动。上卡板一6a向上运动，拉动中间夹持的SMA杆8向上伸长。SMA杆8伸长，使得下方卡板二6b产生向上运动的趋势。下方卡板二6b向上运动受到与下板5连接的两支拉压杆7的阻碍。与下板5连接的拉压杆7对下板5产生拉力。下板5将拉压杆7作用的拉力作用在钢筋混凝土基础梁上。

当上板4和下板5发生转动时，SMA杆8伸长，产生弹性恢复力，驱动上板4和下板5恢复初始位置。而上板4和下板5给墙体作用相同的恢复力，推动和拉动墙体恢复初始位置，实现墙体的复位。

当上板4和下板5发生转动时，扇形粘弹性耗能装置9同步转动，粘弹性材料层13发生环向剪切变形，产生阻尼力，通过连接板一12作用在上板4和下板5上，上板4和下板5又将阻尼力作用于钢筋混凝土剪力墙板1上。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种内置形状记忆合金自复位混凝土剪力墙，其特征在于，包括：钢筋混凝土剪力墙板(1)和SMA装置(2)；

所述钢筋混凝土剪力墙板(1)位于钢筋混凝土基础梁(3)的上方；

在所述钢筋混凝土剪力墙板(1)的墙脚处设置SMA装置(2)；

所述钢筋混凝土剪力墙板(1)依据现行设计规范设计，由边缘约束区和非约束区组成，在所述边缘约束区布置纵向受力钢筋和箍筋，在所述非约束区布置水平分布筋和纵向分布钢筋；

所述SMA装置(2)包括：上板(4)、下板(5)、四根拉压杆(7)、SMA杆(8)、卡板一(6a)、卡板二(6b)和粘弹性耗能装置(9)；

所述下板(5)水平布置，所述上板(4)倾斜布置于下板(5)的上方；

上板(4)的下端与下板(5)的一侧相交，并通过铰接连接；

所述下板(5)的下表面与钢筋混凝土基础梁(3)内的钢筋焊接；

在所述下板(5)的下表面焊接若干抗剪键(11)，在浇筑钢筋混凝土基础梁(3)时，所述若干抗剪键(11)埋入钢筋混凝土基础梁(3)内的混凝土中；

所述上板(4)的上表面与钢筋混凝土剪力墙板(1)接触，并与钢筋混凝土剪力墙板(1)内部的钢筋焊接连接；

在所述上板(4)的上表面焊接若干抗剪键(11)，在浇筑钢筋混凝土剪力墙板(1)时，所述述若干抗剪键(11)埋入钢筋混凝土剪力墙板(1)内的混凝土中；

在所述上板(4)下表面的上端两侧设置有铰接接头，下表面的下端两侧设置有连接板二(15)；

在所述下板(5)上表面的一侧两端设置有铰接接头，上表面中部两侧并设置有连接板三(16)；

所述粘弹性耗能装置(9)位于下板(5)与上板(4)之间，粘弹性耗能装置(9)上端两侧和下端两侧分别设有连接板一(12)，上端的连接板一(12)与所述连接板二(15)连接，下端的连接板一(12)与所述连接板三(16)连接；

所述卡板一(6a)和卡板二(6b)水平放置，沿卡板一(6a)和卡板二(6b)的长度方向分别设有两个方孔、两个小圆孔和一个大圆孔，中间为大圆孔；

在所述卡板一(6a)的靠近两端处，分别设有一个方孔，靠近中间的两侧分别设有一个小圆孔；

在所述卡板二(6b)的靠近两端处，分别设有一个小圆孔，靠近中间的两侧分别设有一个方孔；

所述卡板一(6a)位于卡板二(6b)的上方；

所述拉压杆(7)竖直放置，且分为三段，第一段的截面为方形，与卡板一(6a)和卡板二(6b)的方孔配合，且在与拉压杆(7)轴线方向垂直的面设有圆孔；中间段截面大于卡板一(6a)和卡板二(6b)的方孔；第三段为圆柱，与卡板一(6a)和卡板二(6b)的小圆孔配合；

所述SMA杆(8)的两端分别穿过卡板一(6a)和卡板二(6b)的大圆孔，并分别与卡板一(6a)和卡板二(6b)固定连接；

在所述SMA杆(8)的一侧，靠近SMA杆(8)的拉压杆(7)的第一段穿过卡板二(6b)的方孔，并通过拉压杆(7)的圆孔与下板(5)上的铰接接头连接；靠近SMA杆(8)的拉压杆(7)的中间段下端卡到卡板一(6a)的下表面，第三段穿入卡板一(6a)的小圆孔中；

在所述SMA杆(8)的一侧，远离SMA杆(8)的拉压杆(7)的第一段穿过卡板一(6a)的方孔，并通过拉压杆(7)的圆孔与上板(4)上的铰接接头连接；远离SMA杆(8)的拉压杆(7)的中间段下端卡到卡板二(6b)的上表面，第三段穿入卡板二(6b)的小圆孔中；

在所述SMA杆(8)的另一侧，对称安装两根拉压杆(7)；

所述粘弹性耗能装置(9)呈扇形，为钢板与粘弹性材料(13)叠层放置，并经高温高压处理，形成的粘弹性阻尼器；

所述粘弹性耗能装置(9)为速度相关型耗能装置。

2.如权利要求1所述的内置形状记忆合金自复位混凝土剪力墙，其特征在于：在所述连接板二(15)上设有若干螺栓孔二(17)，在所述连接板三(16)上设有若干螺栓孔三(18)；所述粘弹性耗能装置(9)的连接板一(12)上下两端分别设有相应的螺栓孔一(14)；所述粘弹性耗能装置(9)通过若干高强螺栓(10)穿过粘弹性耗能装置(9)上端的螺栓孔一(14)、螺栓孔二(17)与上板(4)连接，并通过若干高强螺栓(10)穿过粘弹性耗能装置(9)下端的螺栓孔一(14)、螺栓孔三(18)与下板(5)连接。

3.如权利要求1所述的内置形状记忆合金自复位混凝土剪力墙，其特征在于：所述SMA杆(8)的两端通过卡件分别与卡板一(6a)和卡板二(6b)固定连接。

4.如权利要求1所述的内置形状记忆合金自复位混凝土剪力墙，其特征在于：所述钢筋混凝土剪力墙板(1)所采用的混凝土强度不低于C30，受力钢筋不低于HRB335，箍筋不低于HPB300。

5.如权利要求1所述的内置形状记忆合金自复位混凝土剪力墙，其特征在于：所述上板(4)、下板(5)、拉压杆(7)、卡板一(6a)和卡板二(6b)采用Q345低合金高强度结构钢制成。

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