CN110453813A - 一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙 - Google Patents

一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，包括剪力墙本体、预应力筋、预制暗柱、耗能器、上约束梁和下约束梁，剪力墙本体的顶部设置上约束梁，剪力墙本体的底部设置下约束梁，预应力筋有一根或多根，且每根预应力筋贯穿于上约束梁、剪力墙本体和下约束梁之间，剪力墙本体的一侧或两侧设有预制暗柱，预制暗柱与剪力墙本体之间通过耗能器连接。本装配式预应力耗能剪力墙中，利用软钢耗能器实现预制暗柱与剪力墙本体之间的水平连接，作为屈服破坏元件防止剪力墙本体被破坏，同时，设置预应力筋可有效提高剪力墙本体的结构稳定性，使剪力墙本体具有较大的承载力。预应力技术的使用使得剪力墙本体具有较好的自复位能力。

Description

一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙
技术领域
本发明涉及土木工程中的装配式混凝土建筑领域，特别涉及一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙。
背景技术
装配式建筑具有节省资源、环保、节约工期等众多优点，其中装配式剪力墙结构由于具有承载力高、抗震性能好等特点，因而是一种被广泛使用的结构形式。普通的预制混凝土剪力墙承载力大，但延性以及耗能能力不足，尤其在大变形条件下，墙体往往容易出现较多的对角方向的斜裂缝，危及结构安全。当构件需要承受较大的作用力时，普通混凝土墙需要较大的截面才能提供相应的抗力，这不利于空间的利用和经济指标的控制。但实际上，目前常用的剪力墙也存在一个弱点，就是耗能能力不足，只能通过构件的非线性变形好耗散地震能量，震后往往残余变形较大，剪力墙无法自复位；而与上下约束梁不直接连接的预制预应力墙体，在地震作用下墙体发生摇摆与上下约束梁之间会发生较大的相对位移，墙体四角承受较大的压力，过大的位移和变形会导致剪力墙被破坏，被破坏以后的剪力墙更换和修复均存在非常大的困难，其维护成本相当高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，该结构的剪力墙具有较大的承载能力和较好的抗震耗能能力，具备较好的自复位能力同时易于实现更换和修复，能实现快速恢复建筑正常使用功能的目的。
本发明的技术方案为：一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，包括剪力墙本体、预应力筋、预制暗柱、耗能器、上约束梁和下约束梁，剪力墙本体的顶部设置上约束梁，剪力墙本体的底部设置下约束梁，预应力筋有一根或多根，且每根预应力筋贯穿于上约束梁、剪力墙本体和下约束梁之间，剪力墙本体的一侧或两侧设有预制暗柱，预制暗柱与剪力墙本体之间通过耗能器连接。
所述剪力墙本体的四周拐角处还分别设有预埋于剪力墙本体内的防损钢板。由于剪力墙本体与上约束梁、下约束梁之间均未直接连接，剪力墙本体在地震中易产生转动，所以在剪力墙本体的四角预埋防损钢板，可有效防止较大的局部应力导致的破坏。
所述防损钢板呈L型，防损钢板的表面与剪力墙本体的表面相平齐。防损钢板为沿着截面转角垂直设置的钢板，防损钢板的后侧设置抗剪栓钉并锚固于形成剪力墙本体的混凝土内。防损钢板沿着剪力墙本体高度方向的长度应为防损钢板截面宽度的2-3倍，沿着剪力墙本体长度方向的防损钢板长度不应该小于剪力墙本体长度的1/6。防损钢板可与预埋的斜撑直接连接，形成可靠的应力路径，减少对剪力墙本体混凝土的局部损伤。
所述剪力墙本体内设置有两个斜撑，两个斜撑沿剪力墙本体的对角线交叉分布，形成X型。各斜撑的两端，正好位于对角两个防损钢板的内侧。各斜撑的材料为角钢，设置于剪力墙本体的钢筋骨架对角位置，角钢与预应力钢筋之间、角钢与上约束梁、下约束梁之间均不连接，角钢的截面高度应小于(h-2c-d)/2，其中h为剪力墙本体的厚度，c为保护层厚度，d为预应力筋的预留管道外径。在剪力墙本体两侧高度为1/6H、5/6H(H为剪力墙本体的高度)处分别预埋连接钢板，连接钢板宽度为B，长度为L，其表面与剪力墙本体的表面齐平。
所述预应力筋有多根时，各预应力筋沿剪力墙本体的竖直方向平行设置，各预应力筋的上下两端分别伸出上约束梁和下约束梁之外。在剪力墙本体的中部设置有安装预应力筋用的预留管道，以便在剪力墙本体安装就位以后施加预应力。
所述耗能器的两侧，剪力墙本体的侧面和预制暗柱的侧面均预埋有连接钢板，耗能器两侧分别与连接钢板连接；连接钢板的表面与剪力墙本体的表面或预制暗柱的表面相平齐。连接钢板的宽度为B，长度为L，其表面与预制暗柱的表面或剪力墙本体的表面齐平。当剪力墙本体与预制暗柱之间设有两个耗能器时，不同高度的两组连接钢板的中心高度位置分别为1/6H、5/6H，H为剪力墙本体的高度。
所述耗能器为屈服位移较小的软钢耗能器，耗能器包括端板、耗能钢板和加劲肋，耗能钢板两侧分别设置端板，且耗能钢板与端板之间相垂直设置，耗能钢板的两面上分别设有加劲肋；位于两侧的端板分别与剪力墙墙体和预制暗柱连接。
耗能器中，位于同一面上的加劲肋呈“一”字形、“王”字形或“十”字形分布。耗能钢板为软钢钢板。端板的宽度小于连接钢板的宽度，端板的长度小于连接钢板的长度。其中端板的宽度为b，长度为l，应满足b小于连接钢板的宽度B，l小于连接钢板的长度L，以适应施工误差；实际施工时，耗能钢板的实际尺寸主要取决于耗能能力的要求以及构件之间需预留空间的大小，其两端与端板进行焊接连接；加劲肋焊接在耗能钢板的两侧，根据耗能钢板的尺寸大小，可设置为一字型、王字形、十字形等不同的布置形式，提高承载力同时能够约束软钢屈曲；耗能器的端板分别与预埋在预制暗柱和预埋在剪力墙本体上的连接用钢板焊接。
所述剪力墙本体的一侧与预制暗柱之间设有两个耗能器，两个耗能器的中心位置高度分别为1/6H和5/6H，其中H为剪力墙本体的高度；预制暗柱的厚度与剪力墙本体的厚度相等。
所述预制暗柱的顶部与上约束梁之间相分离且留有空隙，预制暗柱的底部与下约束梁之间铰接。
所述预制暗柱的底部预埋有第一型钢，第一型钢上设有第一通孔；下约束梁上预埋有第二型钢，第二型钢上设有第二通孔；第一通孔和第二通孔之间铰接。
上述可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙使用时，其原理是：当剪力墙本体在竖向力作用下，通过耗能器将部分竖向力传递给预制暗柱，提高了剪力墙本体的竖向承载能力；在有侧向作用力时，预制暗柱所承担的轴力能额外的提供整体稳定的弯矩，从而提高抗侧能力；当发生侧向位移时，剪力墙本体的预应力能将剪力墙本体拉归原位，大大较少了残余变形；由于预制暗柱与下约束梁是铰接形式，便于拆卸，当耗能器在地震过程中受到破坏，可以快速地拆除预制暗柱，更换耗能器再重新安装预制暗柱，达到快速更换效果；与现有剪力墙之间的耗能器利用墙体间局部变形来实现耗能目的相比，本可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙具有更优耗能效果，在侧向位移下，剪力墙本体的四角与上下约束梁之间发生提离，形成较大的位移差，而暗柱与下约束梁铰接以实现连接位置与基础的转动距离保持不变，因此耗能器两端约束之间相对位移较大，耗能效果更佳。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙中，利用软钢耗能器实现预制暗柱与剪力墙本体之间的水平连接，作为屈服破坏元件防止剪力墙本体被破坏，同时，在剪力墙本体与上、下约束梁之间设置预应力筋，可有效提高剪力墙本体的结构稳定性，使剪力墙本体具有较大的承载力。预应力技术的使用使得剪力墙本体具有较好的自复位能力；震后破坏的耗能器以及预制暗柱能够快速更换，可迅速恢复建筑的使用功能。
本可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙中，预制暗柱通过螺栓铰接连接的方式与下约束梁进行连接，可进一步有助于耗能钢板更好发挥作用，且便于更换和修复耗能器。
本可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙中，剪力墙本体的四周还设有防损钢板，防损钢板可与预埋的斜撑配合，形成可靠的应力路径，减少对剪力墙本体混凝土的局部损伤。
本可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙中，剪力墙本体还内置有斜撑，可有效加强剪力墙本体的强度，防止剪力墙本体上产生裂纹，延长剪力墙本体的使用寿命，降低其更换频率和维修成本。
本可更换的内置型钢斜撑的装配式耗能剪力墙中，由于剪力墙本体、预制暗柱等均为预制结构，安装过程中湿作业极少，安装方便且操作简单，能有效提高建筑行业的工业化水平。
附图说明
图1为本可更换的内置型钢斜撑的装配式耗能剪力墙的结构示意图。
图2为去掉下约束梁后图1的A-A截面视图。
图3为图1中预制暗柱与下约束梁之间的铰接结构示意图。
图4为图3中铰接处的铰接螺栓示意图。
图5为带有防损钢板和连接钢板的剪力墙本体的结构示意图。
图6为预制暗柱的结构示意图。
图7为耗能器的结构示意图。
上述各图中，各附图标记所示如下：1为预制暗柱，2为剪力墙本体，3为耗能器，3-1为端板，3-2为耗能钢板，3-3为加劲肋，4为连接钢板，5为上约束梁，6为下约束梁，7为斜撑，8为型钢，9为铰接螺栓，10为预应力筋，11为防损钢板，12为预留管道。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种可更换的内置型钢斜撑的装配式耗能剪力墙，如图1或图2所示，包括预制暗柱1、剪力墙本体2、耗能器3、连接钢板4、剪力墙本体上方的上约束梁5、剪力墙本体下方的下约束梁6、预应力筋10和防损钢板11等。各部件的具体结构如下：
预制暗柱与剪力墙本体同厚，即两者厚度相同。本实施例中，剪力墙本体单侧与预制暗柱之间设有两个耗能器，因此，如图5或图6所示，在两者的连接面上预埋两块连接钢板4(连接钢板成对位于耗能器的两侧，即连接钢板的对数与耗能器的数量相等)，其中连接钢板的宽度为B，长度为L，其表面分别与预制暗柱的表面或剪力墙本体的表面齐平。连接钢板的后侧焊接抗剪栓钉锚并固于混凝土内，连接钢板的中心高度位置分别为1/6H、5/6H，H为剪力墙本体的高度。如图3所示，预制暗柱的底部和下约束梁的对应位置分别预留带孔的型钢8，通过铰接螺栓9(其具体结构如图4所示)进行铰接，铰接使软钢耗能器更好的发挥耗能效果。预制暗柱顶部与上约束梁之间不直接连接，预留适当的高度防止暗柱转动过程中对剪力墙本体产生损伤。预制暗柱应有较大的刚度，其内部箍筋全高加密。
如图1或图2所示，剪力墙本体内采用两个角钢作为斜撑7，设置在剪力墙本体的钢筋骨架对角位置。角钢的截面高度应小于(h-2c-d)/2，其中h为剪力墙本体的厚度，c为保护层厚度，d为预应力筋对应的预留管道12的外径。在剪力墙两侧1/6H、5/6H(H为预制剪力墙的高度)处分别预埋连接钢板4(与上述预制暗柱相对应)，并对剪力墙本体的连接钢板预埋之处适当加密水平筋，连接宽度B，长度L，其表面与剪力墙本体的表面齐平，连接钢板的后侧焊接抗剪栓钉锚固于剪力墙本体内。如图5所示，在剪力墙本体的中部设置有用于安装预应力筋10的预留管道12，用于在墙体安装就位以后施加预应力，预应力的应力水平以及预应力筋直径应根据剪力墙本体的具体使用情况进行确定即可；由于剪力墙本体与上约束梁、下约束梁之间均未直接连接，剪力墙本体在地震中易产生转动，所以在剪力墙本体的四角预埋防损钢板11，可有效防止较大的局部应力导致的破坏。
本实施例中，耗能器3采用屈服位移较小的软钢耗能器，利用软钢的弯曲及剪切变形来耗散地震能量。如图7所示，耗能器包括端板3-1、耗能钢板3-2和加劲肋3-3，其中端板宽度为b，长度为l，应满足b小于连接钢板宽度B，l小于连接钢板长度L，以适应施工误差。端板与预制暗柱上预埋的连接钢板以及剪力墙本体上预埋的连接钢板焊接连接。根据阻尼力的大小、预留位置的尺寸来选择相应截面尺寸的软钢钢板。加劲肋的设置可以提高承载力同时约束软钢屈曲，其布置方式可以为一字形、王字形或者十字形等，其数量可根据实际的计算结果确定，用以提高承载力，同时约束软钢屈曲。
如图3所示，预制暗柱1的柱脚下约束梁均预埋有带螺栓孔的型钢8，型钢的后侧焊接抗剪栓钉锚固入混凝土中，两个型钢之间通过单个铰接螺栓9(其具体结构如图4所示)进行铰接连接。铰接使软钢耗能器与剪力墙本体之间相对位移更大，耗能效果更好，同时便于在预应力作用下剪力墙本体的迅速复位。同时铰接的连接方式便于更换耗能器，可使剪力墙整体结构使用功能快速恢复。铰接螺栓中，螺杆的直径可根据预制暗柱的实际受力进行确定和选择。
如图1或图5所示，防损钢板为沿着截面转角垂直设置的钢板，主要用于分散剪力墙本体在转动过程中墙角的集中应力和变形，避免墙角过早破坏。防损钢板沿着剪力墙本体高度方向的长度应为防损钢板截面宽度的2-3倍，沿着剪力墙本体长度方向的防损钢板长度不应该小于剪力墙本体长度的1/6。防损钢板应与预埋的斜撑直接连接，形成可靠的应力路径。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，包括剪力墙本体、预应力筋、预制暗柱、耗能器、上约束梁和下约束梁，剪力墙本体的顶部设置上约束梁，剪力墙本体的底部设置下约束梁，预应力筋有一根或多根，且每根预应力筋贯穿于上约束梁、剪力墙本体和下约束梁之间，剪力墙本体的一侧或两侧设有预制暗柱，预制暗柱与剪力墙本体之间通过耗能器连接。
2.根据权利要求1所述一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，所述剪力墙本体的四周拐角处还分别设有预埋于剪力墙本体内的防损钢板。
3.根据权利要求2所述一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，所述防损钢板呈L型，防损钢板的表面与剪力墙本体的表面相平齐。
4.根据权利要求1所述一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，所述剪力墙本体内设置有两个斜撑，两个斜撑沿剪力墙本体的对角线交叉分布，形成X型。
5.根据权利要求1所述一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，所述预应力筋有多根时，各预应力筋沿剪力墙本体的竖直方向平行设置，各预应力筋的上下两端分别伸出上约束梁和下约束梁之外。
6.根据权利要求1所述一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，所述耗能器的两侧，剪力墙本体的侧面和预制暗柱的侧面均预埋有连接钢板，耗能器两侧分别与连接钢板连接；连接钢板的表面与剪力墙本体的表面或预制暗柱的表面相平齐。
7.根据权利要求1所述一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，所述耗能器为软钢耗能器，耗能器包括端板、耗能钢板和加劲肋，耗能钢板两侧分别设置端板，且耗能钢板与端板之间相垂直设置，耗能钢板的两面上分别设有加劲肋；位于两侧的端板分别与剪力墙墙体和预制暗柱连接。
8.根据权利要求1所述一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，所述剪力墙本体的一侧与预制暗柱之间设有两个耗能器，两个耗能器的中心位置高度分别为1/6H和5/6H，其中H为剪力墙本体的高度；预制暗柱的厚度与剪力墙本体的厚度相等。
9.根据权利要求1所述一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，所述预制暗柱的顶部与上约束梁之间相分离且留有空隙，预制暗柱的底部与下约束梁之间铰接。
10.根据权利要求9所述一种可更换的内置型钢斜撑装配式预应力耗能剪力墙，其特征在于，所述预制暗柱的底部预埋有第一型钢，第一型钢上设有第一通孔；下约束梁上预埋有第二型钢，第二型钢上设有第二通孔；第一通孔和第二通孔之间铰接。
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