CN112982724B - 一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙及复位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙及复位方法，开缝剪力墙包括剪力墙体，剪力墙体上开设有竖直缝形成多个墙肢；耗能抗剪部连接于相邻墙肢之间，地震中利用剪切位移耗能，消耗相邻墙肢之间由于相互错动产生的能量；剪力墙体底部与建筑基础顶部插接传递水平力，且通过自动复位机构连接，用于在地震中传递整体抗倾覆力矩。地震中耗能抗剪部在墙肢发生小变形时靠墙肢之间相互错动开始耗能，当受到较大地震时，墙体整体发生转动驱动复位部件开始耗能，以实现全域耗能机制，并且避免了较大地震时耗能抗剪部遭受过大位移的损伤。抗剪墙体各部分墙肢应保证宽厚比不超过3，以充分发挥其弯曲变形的延性，减轻传统剪力墙的剪切变形占比。

Description

一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙及复位方法

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，更具体的说是涉及一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙及复位方法。

背景技术

高层建筑在我国广泛应用，历次震害表明，高层建筑的地震损伤集中在其主要抗侧力构件—剪力墙的底部，这是由于地震对剪力墙产生较大的倾覆力矩所致，而且震后修复困难，影响整体建筑的使用功能，产生巨大的经济损失。

为提高剪力墙抗震性能的传统做法有：一是将墙体竖向分割成两半，中间安装钢板阻尼器，但墙肢底部仍然与基础固定，无法避免倾覆力矩对墙底部的损伤，大震下耗能能力不足；二是将墙体底部断开，采用铰接形式连接，两端配以预应力筋，该方法对于底部构造的要求较高，且将墙体作为一个刚性体，小震或中震下难以驱动其耗能，未充分发挥其特性，且成本较高。

因此，如何提供一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为此，本发明的一个目的在于提出一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，解决现有技术中剪力墙耗能部件无法同时在小震、中震及较大地震中均能发挥耗能作用，且震后无需修复可自复位的技术问题。

本发明提供了一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，包括：

剪力墙体，所述剪力墙体上开设有竖直缝形成多个墙肢；多个所述墙肢宽厚比不大于3；

耗能抗剪部，所述耗能抗剪部连接于相邻墙肢之间，用于地震中利用剪切位移耗能，消耗相邻墙肢之间由于相互错动产生的能量；

以及自动复位机构，所述剪力墙体底部与建筑基础顶部插接传递水平力，且通过所述自动复位机构连接，用于在地震中传递整体抗倾覆力矩。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，通过耗能抗剪部在地震中利用剪切位移耗能，消耗小震和中震工况下相邻墙肢之间由于相互错动产生的能量；剪力墙体底部与建筑基础顶部插接传递水平力，墙肢在较大地震中可相对建筑基础发生转动进而驱动自动复位机构耗能，避免其底部开裂，有效释放了墙肢底部弯矩，减轻墙体破坏。由此本发明提供的开缝剪力墙能够覆盖各强度地震的全域耗能需求。剪力墙各部分墙肢应保证宽厚比不超过3，以充分发挥其弯曲变形的延性，减轻传统剪力墙的剪切变形占比。

本发明中指的小震、中震及较大地震是根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010版中的规定，并参考相关文献可知，小震、中震、大震、巨震表征地震的强度，在各设防烈度下均对应4个依次增加的地震峰值加速度。为了表述方便，本发明中较大地震代表大震和巨震。

进一步地，所述耗能抗剪部为一个独立的耗能抗剪键，在相邻墙肢之间设置多个独立的所述耗能抗剪键；或所述耗能抗剪部为通过多个独立的耗能抗剪键串联或并联组成的耗能抗剪机构，在相邻墙肢之间设置一个或多个所述耗能抗剪机构。

进一步地，每一个所述耗能抗剪键均呈沙漏形，通过形状记忆合金制成。可根据设计需求设计沙漏的最小截面和最大截面，其余部分可进行圆滑过渡。

进一步地，每一个所述耗能抗剪键两端均通过直拉锚固筋与相邻的所述墙肢连接；或者串联或并联的多个耗能抗剪键之间通过直拉锚固筋连接后固定在相邻的所述墙肢内。耗能抗剪键优选为实心，其两端与直拉锚固筋焊接。

进一步地，所述剪力墙体底部和所述建筑基础顶部插接角度为60°-90°。优选为90°，即剪力墙体底部和所述建筑基础顶部形成方波形插接部。

进一步地，所述建筑基础外部设有钢框，所述钢框顶部形状与所述建筑基础顶部形状配合，所述剪力墙体底部两侧具有避让区，且所述剪力墙体底部设置有与其底部形状配合的金属贴板。由此充分发挥混凝土的受压性能与钢材抗拉性能，提高整体承载能力。

进一步地，所述自动复位机构包括预紧卡具、带螺纹的锚固头、预埋钢管、形状记忆合金绞线、蝶簧组、大刚度垫板、锚固钩和斜拉锚固筋；所述墙肢侧端部竖直预埋有所述预埋钢管；所述带螺纹的锚固头与形状记忆合金绞线顶端相连，所述预紧卡具可对带螺纹的锚固头提供可控预紧力，所述形状记忆合金绞线底端穿出所述预埋钢管后穿过所述蝶簧组并与锚固钩相连；所述锚固钩通过斜拉锚固筋埋于所述建筑基础内；所述蝶簧组夹设于所述避让区对应的所述金属贴板和所述大刚度垫板之间；所述大刚度垫板搭设在所述钢框顶部；通过预紧卡具对形状记忆合金绞线施加预紧力后可在所述墙肢出现大位移转动时实现自复位功能。所述的预紧卡具可对带螺纹的锚固头提供可控的预紧力，所述的形状记忆合金绞线穿过蝶簧组与安装在地基里的锚固钩相连，施加预紧力后可使墙体靠向地基，而碟簧组通过大刚度垫板可对墙体提供远离地基方向的力，这使得墙体在顺时针或逆时针转动时都有足够的抗倾覆承载力。

进一步地，所述蝶簧组由多个蝶簧片背对背套在碟簧钢管外壁上组成，所述形状记忆合金绞线穿过所述碟簧钢管。所述的蝶簧组在受力恒定的情况下可提供较大的位移变化，卸载力以后仍可恢复原位，配合形状记忆合金绞线可以在墙肢出现大位移转动后实现整体自复位功能。

进一步地，所述金属贴板和所述大刚度垫板接触面做防滑处理，防止接触面配合不稳。

本发明另一个目的在于提供了一种全域耗能机制的自复位开缝剪力墙的复位方法，剪力墙体相邻墙肢之间设置有能够在地震中利用剪切位移耗能后复位的部件，在消耗相邻墙肢之间由于相互错动产生的能量后自动复位；剪力墙体与建筑基础接触面采用插接方式连接传递水平力，剪力墙体和建筑基础连接上采用转动自复位部件，在地震中整体墙体相对建筑基础发生转动后能够自动复位。

本发明公开提供了一种全域耗能机制的自复位开缝剪力墙的复位方法，小震和中震工况下，墙体变形主要集中在墙肢间的复位部件上，因复位部件由形状记忆合金制成，故震后可自复位；当遭遇较大地震时，墙体整体发生转动驱动转动自复位部件开始耗能，由于转动自复位部件由形状记忆合金绞线提供预拉力，并由碟簧组提供预压力，使得墙体在震后可自复位，并且避免了大位移对墙肢之间复位部件的损伤。这种分阶段复位的方法即可以减轻建筑的破坏、又可以缓解耗能部件的损伤，更重要的是，在地震后可以快速恢复建筑的使用功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙的爆炸示意图；

图2是本发明提供的一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙的结构示意图；

图3是本发明提供的抗剪墙体结构示意图；

图4是本发明提供的金属贴板的结构示意图；

图5是本发明提供的建筑基础的结构示意图；

图6是本发明提供的外包钢框的正视图；

图7是本发明提供的预紧卡具、带螺纹的锚固头和形状记忆合金绞线的装配示意图；

图8是本发明提供的预埋钢管和形状记忆合金绞线的装配示意图；

图9是本发明提供的大刚度垫板的结构示意图；

图10是本发明提供的锚固钩和斜拉锚固筋的装配示意图；

图11是本发明提供的碟簧组装配示意图；

图12是本发明提供的耗能抗剪键结构示意图；

图中：1-剪力墙体；2-耗能抗剪部；3-自动复位机构；31-预紧卡具；32-带螺纹的锚固头；33-预埋钢管；34-形状记忆合金绞线；35-蝶簧组；351-蝶簧片；352-碟簧钢管；36-大刚度垫板；37-锚固钩；38-斜拉锚固筋；4-建筑基础；5-钢框；6-金属贴板；7-直拉锚固筋；8-圆柱形孔洞；9-贴板直拉锚固筋，10-钢框直拉锚固筋。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见附图1，本发明提供的一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，包括：剪力墙体1、耗能抗剪部2及自动复位机构3，剪力墙体1上开设有竖直缝形成多个墙肢；多个墙肢宽厚比不大于3；耗能抗剪部2连接于相邻墙肢之间，用于地震中消耗相邻墙肢之间因相互错动产生的能量；剪力墙体1底部与建筑基础4顶部插接传递水平力，且通过自动复位机构3连接，用于在地震中传递整体抗倾覆力矩并消耗因墙体整体转动产生的能量。建筑基础可以为混凝土基础。

本发明公开提供了一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，小震和中震时，墙体变形表现为墙肢之间发生相互错动，以驱动耗能抗剪部发生剪切位移进行耗能；剪力墙体底部与建筑基础顶部插接传递必要的水平力，有效释放了墙肢底部弯矩，避免其底部开裂，减轻墙体破坏；在较大地震时，墙肢相对建筑基础发生转动从而驱动自动复位机构开始耗能。由此本发明提供的抗剪墙体能够覆盖各强度地震的全域耗能需求。抗剪墙体各部分墙肢应保证宽厚比不超过3，以充分发挥其弯曲变形的延性，减轻传统剪力墙的剪切变形占比。

对于整个剪力墙体而言，抗倾覆承载力和延性对其抗震性能至关重要。

一方面，剪力墙墙肢的宽厚比对延性影响较大，发明人通过多组墙肢拟静力试验，结果发现：当墙肢宽厚比大于3时，墙肢的延性退化明显；当宽厚比大于等于2且小于3时，墙肢延性优良，但承载力削弱明显。

另一方面，随着剪力墙宽厚比的增大，承载能力也随之增加。

为了寻求延性与承载力之间的平衡，本发明将整个剪力墙分割成多个宽厚比不大于3的墙肢，但墙肢底部保持连接，墙肢之间通过耗能抗剪部连接，以提供相邻墙肢间必要的承载力，使得多个小宽厚比墙肢即发挥良好的延性，又组成了一个具有大宽厚比的整体墙体，保持了良好的抗倾覆承载力。

在上述实施例中，参见附图1和12，耗能抗剪部2为一个独立的耗能抗剪键，在相邻墙肢之间设置多个独立的耗能抗剪键以传递承载力；每一个耗能抗剪键两端均通过直拉锚固筋7与相邻的墙肢连接。

在另一个实施例中，耗能抗剪部2也可以为通过多个独立的耗能抗剪键串联或并联组成的耗能抗剪机构，在相邻墙肢之间设置一个或多个耗能抗剪机构以传递承载力，附图未示出。串联或并联的多个耗能抗剪键之间通过直拉锚固筋7连接后固定在相邻的墙肢内。

有利的是，每一个耗能抗剪键均呈沙漏形，通过形状记忆合金制成。可根据设计需求设计沙漏的最小截面和最大截面，其余部分可进行圆滑过渡，各横截面的半径需根据材料力学原理，通过该截面的设计弯矩与材料屈服强度共同计算得出，由于弯矩从中部向端部递增，该形状可充分发挥其全截面的耗能能力。

耗能抗剪键主要针对小震和中震工况，该工况下抗剪墙体1的变形主要表现为各个墙肢之间的相互错动，整体基本不转动，此时将驱动耗能抗剪键发生剪切位移进行耗能，耗能抗剪键由形状记忆合金制成，且呈沙漏形状，耗能分布均匀且变形后可自复位。

在发明的实施例中，剪力墙体1底部和建筑基础4顶部插接角度为60°-90°。

优选为90°，参见附图1，剪力墙体底部和所述建筑基础顶部形成方波形插接部。

在本发明的一个实施例中，参见附图2-6，建筑基础4外部设有钢框5，钢框5顶部形状与建筑基础4顶部形状配合，剪力墙体1底部两侧具有避让区，且剪力墙体1底部设置有与其底部形状配合的金属贴板6。其中金属贴板6为高强度的金属板，金属板屈服强度为1300MPa以上。

其中金属贴板6与抗剪墙体1通过贴板直拉锚固筋9固定；钢框5与建筑基础4之间通过钢框直拉锚固筋10固定。

本发明实施例中，参见附图1、7-10，自动复位机构3包括预紧卡具31、带螺纹的锚固头32、预埋钢管33、形状记忆合金绞线34、蝶簧组35、大刚度垫板36、锚固钩37和斜拉锚固筋38；形状记忆合金绞线34对墙体提供拉向混凝土基础的力，具体实施方式为，混凝土基础设置适当尺寸的圆柱形孔洞8，通过斜拉锚固筋38将锚固钩37埋入其中，将形状记忆合金绞线34端部的圆形环扣入锚固钩37，另一端穿过蝶簧组后继续穿过内埋于抗剪墙体1侧端部的预埋钢管33，形状记忆合金绞线34的顶端被带螺纹的锚固头32卡紧，预紧卡具31可通过转动调整对形状记忆合金绞线34的预紧力，其中蝶簧组35夹于对应抗剪墙体1底部两侧避让区与大刚度垫板36之间，大刚度垫板36搭在混凝土基础的外部钢框5之上，蝶簧组35可在整个墙体转动并挤压蝶簧时提供张力，与墙体另一端的形状记忆合金绞线34形成抗倾覆力偶，对墙体提供抗倾覆力矩。自动复位机构3主要针对大震工况，此时墙体发生转动驱使形状记忆合金绞线34受拉进行耗能，而形状记忆合金的材质加上蝶簧的复位功能，可实现整个墙体在较大地震之后的自复位功能。

有利的是，参见附图11，蝶簧组35由多个蝶簧片351背对背套在碟簧钢管352外壁上组成，形状记忆合金绞线34穿过碟簧钢管352。

在本发明的另一些实施例中，金属贴板6和大刚度垫板36接触面做防滑处理。可采取喷砂或者喷丸工艺，以增加接触面的摩擦力，提高墙体的稳定性。

本发明提供的一种全域耗能机制的自复位开缝剪力墙的复位方法，剪力墙体相邻墙肢之间设置有能够在地震中利用剪切位移耗能后复位的部件，在消耗相邻墙肢之间由于相互错动产生的能量后自动复位；剪力墙体与建筑基础接触面采用插接方式连接传递水平力，剪力墙体和建筑基础连接上采用转动自复位部件，在地震中整体墙体相对建筑基础发生转动后能够自动复位。

小震和中震工况下，墙体往往发生较小的变形，表现为各墙肢之间的相互错动，因墙肢之间由形状记忆合金制成的复位部件连接，故在地震发生后，小变形的墙肢由复位部件驱动恢复初始位置；当遭遇较大地震时，墙体的变形不仅仅体现在墙肢之间的错动，因复位部件对相邻墙肢提供了必要的抗剪承载力，使得墙体保持较好地整体性，因此地震变形更明显地表现在墙体整体发生转动，而墙体的侧端部由转动自复位部件提供整体抗倾覆承载力，转动自复位部件由形状记忆合金绞线提供预拉力，并由碟簧组提供预压力，使得墙体整体在震后能够自动恢复转动前位置，并且避免了大位移对墙肢之间复位部件的损伤。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，其特征在于，包括：

剪力墙体(1)，所述剪力墙体(1)上开设有竖直缝形成多个墙肢；多个所述墙肢宽厚比不大于3；

耗能抗剪部(2)，所述耗能抗剪部(2)连接于相邻墙肢之间，用于地震中利用剪切位移耗能，消耗相邻墙肢之间由于相互错动产生的能量；所述耗能抗剪部(2)为耗能抗剪键，所述耗能抗剪键呈沙漏形，通过形状记忆合金制成；

以及自动复位机构(3)，所述剪力墙体(1)底部与建筑基础(4)顶部插接传递水平力，且通过所述自动复位机构(3)连接，用于在地震中传递整体抗倾覆力矩。

2.根据权利要求1所述一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，其特征在于，所述耗能抗剪部(2)为一个独立的耗能抗剪键，在相邻墙肢之间设置多个独立的所述耗能抗剪键；或所述耗能抗剪部(2)为通过多个独立的耗能抗剪键串联或并联组成的耗能抗剪机构，在相邻墙肢之间设置一个或多个所述耗能抗剪机构。

3.根据权利要求2所述一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，其特征在于，每一个所述耗能抗剪键两端均通过直拉锚固筋(7)与相邻的所述墙肢连接；或者串联或并联的多个耗能抗剪键之间通过直拉锚固筋(7)连接后固定在相邻的所述墙肢内。

4.根据权利要求1所述一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，其特征在于，所述剪力墙体(1)底部和所述建筑基础(4)顶部插接角度为30°-90°。

5.根据权利要求4所述一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，其特征在于，所述建筑基础(4)外部设有钢框(5)，所述钢框(5)顶部形状与所述建筑基础(4)顶部形状配合，所述剪力墙体(1)底部两侧具有避让区，且所述剪力墙体(1)底部设置有与其底部形状配合的金属贴板(6)。

6.根据权利要求5所述一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，其特征在于，所述自动复位机构(3)包括预紧卡具(31)、带螺纹的锚固头(32)、预埋钢管(33)、形状记忆合金绞线(34)、蝶簧组(35)、大刚度垫板(36)、锚固钩(37)和斜拉锚固筋(38)；所述墙肢侧端部竖直预埋有所述预埋钢管(33)；所述带螺纹的锚固头(32)与形状记忆合金绞线(34)顶端相连，所述预紧卡具(31)可对带螺纹的锚固头(32)提供可控预紧力，所述形状记忆合金绞线(34)底端穿出所述预埋钢管(33)后穿过所述蝶簧组(35)并与锚固钩(37)相连；所述锚固钩(37)通过斜拉锚固筋(38)埋于所述建筑基础(4)内；所述蝶簧组(35)夹设于所述避让区对应的所述金属贴板(6)和所述大刚度垫板(36)之间；所述大刚度垫板(36)搭设在所述钢框(5)顶部；通过预紧卡具(31)对形状记忆合金绞线(34)施加预紧力后可在所述墙肢出现大位移转动时实现自复位功能。

7.根据权利要求6所述一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，其特征在于，所述蝶簧组(35)由多个蝶簧片(351)背对背套在碟簧钢管(352)外壁上组成，所述形状记忆合金绞线(34)穿过所述碟簧钢管(352)。

8.根据权利要求6所述一种具有全域耗能机制的自复位开缝剪力墙，其特征在于，所述金属贴板(6)和所述大刚度垫板(36)接触面做防滑处理。

9.一种全域耗能机制的自复位开缝剪力墙的复位方法，其特征在于，剪力墙体相邻墙肢之间设置有能够在地震中利用剪切位移耗能后复位的部件，在消耗相邻墙肢之间由于相互错动产生的能量后自动复位；剪力墙体与建筑基础接触面采用插接方式连接传递水平力，剪力墙体和建筑基础连接上采用转动自复位部件，在地震中整个墙体相对建筑基础发生转动后能够自动复位。

Images