CN115233865B - 一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙结构 - Google Patents

一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙结构，包括边缘框架，鱼尾板，内嵌钢板，防屈曲构件，斜向支撑，支撑连接板。内嵌钢板通过鱼尾板与边缘框架连接，防屈曲构件通过斜向支撑构件固定在内嵌钢板上，斜向支撑为预应力形状记忆合金绞线或预应力普通钢绞线，此构造优点是装配方式简洁、高效，防屈曲构件和斜向支撑共同发挥抑制钢板平面外屈曲和为结构提供水平恢复力的功能，保证结构同时具有良好的抗震性能和震后回复到原来位置的自复位特性，实现重要建筑在震后无需维修或只需稍许维修就可恢复使用功能的设计理念，结构体系易于维护，全寿命成本效益高。

Description

一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙结构
技术领域
本发明涉及一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙结构，属于结构工程技术领域。
背景技术
防屈曲钢板剪力墙是一种应用前景广阔的装配式建筑结构抗侧力构件，通常由传统非加劲钢板剪力墙平面外布置混凝土盖板而形成，通过混凝土盖板抑制钢板的平面外变形，使后者近似以平面状态承担水平剪力。地震来临时，安装在建筑结构框架中的防屈曲剪力墙承担结构大部分的水平荷载，形成充分的剪切变形，并大量吸收和耗散地震能量，从而保证主体结构的安全，特别符合布置多道防线的抗震设计理念。然而，随着社会进步和经济发展，重要建筑震后的快速修复成为建筑工程领域所面临的新挑战，这是因为对于重要建筑、生命线工程，若结构在罕遇地震后难以修复或因修复时间太长，将阻碍灾后应急抢险工作开展、影响人民群众生命财产安全。从试验结果看，防屈曲钢板剪力墙虽然滞回曲线饱满，抗震性能优越，但依然存发生较大塑性变形后，残余层间位移角偏大的不足，同时，传统平面外构造方式需要使用大量连接螺栓，并要求钢板和混凝土板的相应位置预留洞口，构造相对复杂，螺栓施拧时间长，不利于提高构件施工安装的效率。因此，有必要提出一种高效装配的自复位防屈曲钢板剪力墙，以提高防屈曲钢板剪力墙在工程应用中的加工、安装效率；通过构件的自复位功能控制建筑结构关键位置的震后残余层间位移、变形，实现重要建筑震后无需修复或稍加修复即可恢复使用功能的目标，保证受震害影响人民群众的生命健康和财产安全。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供了一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙结构。
一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙，包括：
边缘框架；
固定在所述边缘框架内的鱼尾板；
固定在所述鱼尾板上的内嵌钢板；
通过斜向支撑固定在所述内嵌钢板上的防屈曲构件，所述的斜向支撑穿过所述防屈曲构件；
用于连接所述斜向支撑与所述边缘框架的支撑连接件。
本发明防屈曲构件和斜向支撑构件共同发挥抑制钢板平面外屈曲和为结构提供自复位力的功能，两种功能在受力机制上相互促进，保证结构具有良好抗震性能的同时，还兼具震后回复到原来位置的自复位特性，实现结构体系在震后无需维修或只需稍许维修就可恢复使用功能的设计理念，建筑结构体系易于建造和维护，全寿命成本效益高。
所述的斜向支撑为预应力形状记忆合金绞线或预应力普通钢绞线。
进一步的，所述防屈曲构件通过所述斜向支撑固定在所述内嵌钢板的两侧。
进一步的，所述斜向支撑采用交叉型布置，布置方向为边缘框架的斜对角线方向，支撑的截面形式为钢绞线，钢绞线材质为预应力形状记忆合金绞线或预应力普通钢绞线，每一斜线方向上的钢绞线数量为一道或多道。
进一步的，所述钢绞线的类型可以是标准型钢绞线、刻痕钢绞线或模拔型钢绞线，钢绞线的结构可以为1×2、1×3、1×7或1×19的形式。
进一步的，所述支撑钢绞线固定在支撑连接板后，需要在每道钢绞线上施加一定的预紧力。
进一步的，所述支撑连接件包括：
支撑连接板，所述支撑连接板为带三个直角的五边形；
环形设置在所述支撑连接板边缘的环形加劲肋；
设置在所述环形加劲肋上的圆孔，所述的圆孔包括：与所述斜向支撑连接的圆孔以及通过螺栓与所述边缘框架连接的圆孔。所述的支撑连接板上垂直设置有减小环形加劲肋变形的斜向加劲板。
进一步的，所述的支撑连接板和内嵌钢板、鱼尾板之间预留一定空隙，保证钢绞线的拉伸力可以直接传递的梁、柱的连接节点上。
进一步的，支撑连接板对应的框架梁、框架柱位置焊接有防止翼缘变形的加劲肋。
具体地，一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙，包括：边缘框架，鱼尾板，内嵌钢板，防屈曲构件，斜向支撑，支撑连接板。所述边缘框架包括：上框架梁、下框架梁、左框架柱和右框架柱，所述上框架梁、左框架柱、下框架梁和右框架柱吊装为四边形框体；所述鱼尾板包括：上鱼尾板、下鱼尾板、左鱼尾板、右鱼尾板，所述上鱼尾板、下鱼尾板、左鱼尾板、右鱼尾板焊接在所述边缘框架内；所述内嵌钢板与所述鱼尾板通过双面角焊缝连接。所述防屈曲构件形式有：混凝土板，板式钢绞线支座和杆式钢绞线支座。所述防屈曲构件通过所述斜向支撑固定在所述内嵌钢板的两侧，所述斜向支撑通过支撑连接板与边缘框架的梁-柱节点进行连接。所述支撑连接板包括左下支撑连接板，右下支撑连接板，左上支撑连接板，右上支撑连接板，所述斜向支撑与所述支撑连接板通过锚板固定，所述支撑连接板与边缘框架的梁、柱端部翼缘通过高强螺栓连接。
进一步的，所述防屈曲构件为混凝土板、板式钢绞线支座或杆式钢绞线支座。
所述防屈曲构件的三种形式如下：
(1)当防屈曲构件采用混凝土板时，混凝土板内需要配置受力钢筋，所述斜向支撑采用预埋方式嵌入所述混凝土板中，所述斜向支撑的起拱方向向外，即支撑钢绞线的起拱方向向外。所述混凝土可以是普通混凝土、高强混凝土、轻骨料混凝土或自密实混凝土。
(2)当防屈曲构件采用板式钢绞线支座时，腹板的形状为半椭圆环，腹板弧形边缘上均匀布置多个供钢绞线穿过的圆环，腹板底部设置有与钢绞线投影等长的平板底座，平板底座与内嵌钢板之间采用间断焊连接。即所述的板式钢绞线支座包括：固定在所述内嵌钢板上的平板底座、固定在所述平板底座上的腹板，所述的腹板的形状为半椭圆环，所述的腹板弧形边缘上均匀布置多个供钢绞线穿过的圆环。
(3)当防屈曲构件采用杆式钢绞线支座时，杆式钢绞线支座沿斜向钢绞线均匀布置，腹杆高度由中部向两边递减。腹杆顶部设置有供钢绞线穿过的圆环，腹杆底部设置有平板底座，平板支座与内嵌钢板之间采用围焊连接。即所述的杆式钢绞线支座包括：固定在所述内嵌钢板上的平板支座、固定在所述平板支座上的腹杆以及设置在所述腹杆顶部供钢绞线穿过的圆环。
与现有技术相比，本发明的主要优点是：
本发明的一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙结构，不仅具备普通防屈曲钢板剪力墙刚度大，承载力高，耗能能力良好的优点，还兼具装配化施工效率高、震后残余位移小、结构易修复的特性，结构全寿命成本效益高。在这种结构中，钢板充当耗能构件，吸收地震能量，防屈曲构件和斜向支撑构件合二为一，共同发挥抑制钢板平面外屈曲和为结构提供自复位力的功能，保证结构具有良好抗震性能，并在震后回复到原来位置，建筑结构在震后仅需更换钢板，维修的时间和造价成本低。构件的构造形式简单，防屈曲构件仅通过斜向支撑即可固定在内嵌钢板上，无需在防屈曲构件和钢板之间额外设置连接螺栓。所有构件在现场采用装配式的安装方法，无需浇筑混凝土，大大减少了施工现场的工作量。支撑钢绞线斜向布置，有利于钢绞线张拉作用力的充分发挥，减少支撑材料的用钢量。钢绞线施加预应力工序可在结构框架的梁面以上空间进行，避免了传统自复位框架需要在梁面以下对钢绞线施加预紧力的不足，安装更为高效、便捷。
附图说明
图1-1为本发明的一种采用混凝土板约束的自复位防屈曲钢板剪力墙的结构示意图；
图1-2为图1-1沿跨度布置方向的A-A断面示意图；
图2-1为本发明的一种采用支撑板约束的自复位防屈曲钢板剪力墙的结构示意图；
图2-2为图2-1沿跨度布置方向的B-B断面示意图；
图2-3为板式钢绞线支座详图；
图3-1为本发明的一种采用支撑杆约束的自复位防屈曲钢板剪力墙的结构示意图；
图3-2为图3-1沿跨度布置方向的C-C断面示意图；
图3-3为点式钢绞线支座详图；
图4为具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙力-位移关系曲线图，图4-1为内嵌钢板，图4-2为斜向支撑，图4-3为自复位防屈曲剪力墙；
图5为自复位作用力机制一；
图6为自复位作用力机制二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-1，本发明提出了一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙结构。一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙，包括边缘框架，鱼尾板，内嵌钢板3，防屈曲构件4，斜向支撑5，支撑连接板6。边缘框架包括：上框架梁1-1、下框架梁1-2、左框架柱1-3和右框架柱1-4，上框架梁1-1、左框架柱1-2、下框架梁1-3和右框架柱1-4吊装为四边形框体；鱼尾板包括：上鱼尾板2-1、下鱼尾板2-2、左鱼尾板2-3、右鱼尾板2-4，上鱼尾板2-1、下鱼尾板2-2、左鱼尾板2-3、右鱼尾板2-4焊接在边缘框架内；内嵌钢板3与鱼尾板2通过双面角焊缝连接。防屈曲构件4形式有：混凝土板7，板式钢绞线支座8和杆式钢绞线支座9。防屈曲构件4通过斜向支撑5固定在内嵌钢板3的两侧。
斜向支撑5通过支撑连接板6与边缘框架1的梁-柱节点进行连接。支撑连接板6包括左下支撑连接板6-1，右下支撑连接板6-2，左上支撑连接板6-3，右上支撑连接板6-4，斜向支撑5与支撑连接板6通过锚板10固定。支撑连接板6的形状为带三个直角的五边形，斜边与斜向支撑5布置方向垂直，边缘设置有环形加劲肋，环形加劲肋上开设有与支撑钢绞线和高强螺栓连接的圆孔，支撑连接板上还设置有减小环形加劲肋变形的斜向加劲板。支撑连接板6与边缘框架1的梁、柱端部翼缘通过高强螺栓11连接。支撑连接板6对应的框架梁、框架柱腹板位置焊接有防止翼缘变形的加劲肋12。
在施工现场，利用斜向支撑5穿过防屈曲构件4和斜向支撑连接板6-1和6-4的连接孔，同样的，利用斜向支撑5穿过防屈曲构件4和斜向支撑连接板6-2和6-3的连接孔，斜向支撑5的端部均采用锚板10固定，在斜向支撑端部通过千斤顶施加预紧力，使斜向支撑5处于张拉应力状态。
具体的，参考图1-1和图1-2所示，混凝土板7-1和混凝土板7-2是工厂预制构件，混凝土板内配置双层双向钢筋网片7-3，同时在模具中供斜向支撑5的钢绞线穿行管道7-4，管道的起拱高度由设计计算确定。混凝土板边缘与鱼尾板、支撑连接板之间应留有一定的缝隙。
具体的，参考图2-1、图2-2和图2-3所示，板式钢绞线支座8时在工厂加工制作，其组成包括：腹板8-1，圆环8-2，平板底座8-3。腹板8-1的形状为半椭圆环，腹板8-1弧形边缘上均匀布置多个供斜向支撑5的钢绞线穿过的圆环8-2，腹板8-1与圆环8-2通过焊接固定。腹板8-1底部设置有与钢绞线投影等长的平板底座8-3，腹板8-1与平板底座8-3采用双面角焊缝连接。平板底座8-3与内嵌钢板3之间采用间断焊连接。
具体的，参考图3-1、图3-2和图3-3所示，当防屈曲构件采用杆式钢绞线支座9时，杆式钢绞线支座9沿斜向支撑5的钢绞线均匀布置，腹杆9-1高度由中部向两边递减，腹杆9-1顶部设置有供斜向支撑5的钢绞线穿过的圆环9-2，腹杆9-1底部设置有平板底座9-3，平板支座9-3与内嵌钢板3之间采用围焊连接。
具体的，参考图4所示，具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙的平面内抗剪承载力由内嵌钢板3和斜向支撑5共同提供，在低周往复荷载下，被防屈曲构件4约束的内嵌钢板3的力-位移关系曲线饱满，但卸载后的残余位移大(图4-1)，可将斜向支撑5的力-位移关系曲线设计为双旗形(图4-2)，将上述两种曲线叠加即为结构的整体力-位移关系曲线(图4-3)，从整体曲线特征来看，设计方法可实现提高结构整体抗剪承载力，降低结构震后残余位移的目标。
结构的自复位能力与水平恢复力密切相关，水平恢复力越大，则自复位能力越强。传统自复位机制一般仅由层间位移提供水平恢复力，而所述自复位防屈曲钢板剪力墙在此基础上，还可以利用钢绞线将钢板的平面外作用力转换为结构水平恢复力，因而具有更强的自复位能力。所述自复位防屈曲钢板剪力墙的水平恢复力来源具体包括以下两种机制：
所述机制一，参考图5所示，上下楼层框架梁在层间剪力作用下沿水平方向相互错动，导致斜向方向的钢绞线伸长而形成拉力；
所述机制二，考察图6所示，受剪钢板在压应力方向发生屈曲，对布置在两侧的混凝土板形成平面外挤压作用力，进而导致两侧约束混凝土板的钢绞线受拉。
考虑两种工作机制的自复位防屈曲钢板剪力墙恢复力计算公式可以表示为：
其中，P为结构的总水平恢复力，P1为工作机制一提供的恢复力，P2为工作机制二提供的恢复力。K0为钢绞线的轴向刚度，Δ为结构层间位移，α为钢绞线与水平方向的夹角，Pout为钢板对一侧混凝土板的面外作用力，n为一个斜向方向的钢绞线数量，θ为混凝土板边缘钢绞线与中平面的夹角。

Claims (3)

1.一种具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于，包括：
边缘框架；
固定在所述边缘框架内的鱼尾板；
固定在所述鱼尾板上的内嵌钢板；
通过斜向支撑固定在所述内嵌钢板上的防屈曲构件，所述的斜向支撑穿过所述防屈曲构件，所述防屈曲构件通过所述斜向支撑固定在所述内嵌钢板的两侧；
用于连接所述斜向支撑与所述边缘框架的支撑连接件；
所述的斜向支撑为预应力钢绞线；
所述斜向支撑采用交叉型布置，布置方向为所述边缘框架的斜对角线方向，支撑的截面形式为钢绞线，每一斜线方向上的钢绞线数量为一道或多道；
所述防屈曲构件为混凝土板、板式钢绞线支座或杆式钢绞线支座；
所述的防屈曲构件为混凝土板时，所述混凝土板内配置有受力钢筋，所述斜向支撑采用预埋方式嵌入所述混凝土板中，所述斜向支撑的起拱方向向外；
所述的防屈曲构件为板式钢绞线支座时，所述的板式钢绞线支座包括：固定在所述内嵌钢板上的平板底座、固定在所述平板底座上的腹板，所述的腹板的形状为半椭圆环，所述的腹板弧形边缘上均匀布置多个供钢绞线穿过的圆环，所述的平板底座与钢绞线投影等长；
所述的防屈曲构件为杆式钢绞线支座时，所述的杆式钢绞线支座包括：固定在所述内嵌钢板上的平板支座、固定在所述平板支座上的腹杆以及设置在所述腹杆顶部供钢绞线穿过的圆环；所述的杆式钢绞线支座沿所述斜向支撑均匀布置，所述腹杆高度由中部向两边递减。
2.根据权利要求1所述的具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于，所述支撑连接件包括：
支撑连接板，所述支撑连接板为带三个直角的五边形；
环形设置在所述支撑连接板边缘的环形加劲肋；
设置在所述环形加劲肋上的圆孔，所述的圆孔包括：与所述斜向支撑连接的圆孔以及通过螺栓与所述边缘框架连接的圆孔。
3.根据权利要求2所述的具有自复位功能的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于，所述的支撑连接板上垂直设置有斜向加劲板。
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