一种剪力墙墙脚可更换消能部件及消能结构的制作方法
【专利摘要】一种剪力墙墙脚可更换消能部件，包括上下端的连接段及中间的主体段，连接段用于连接剪力墙，主体段包括钢管混凝土段及预紧自填充段，其中钢管混凝土段包括位于上部的抗压钢板、位于四周作为外壁的钢管、位于内部的混凝土以及防屈曲内芯，预紧自填充段包括斜钢托、多个抗压钢垫片以及预紧线圈，受拉时，防屈曲内芯与钢管混凝土脱开，不会引起钢管混凝土拉坏，预紧自填充段能够自动填充受拉引起的缝隙，从而反向受压时，钢管混凝土可以立即受力，由防屈曲内芯与钢管混凝土共同承受压力，通过设计可将剪力墙的破坏集中在可更换部件，且由于剪力墙墙脚消能部件与剪力墙采用可拆卸连接，震后对可更换部件进行更换可快速恢复剪力墙的抗震功能。
【专利说明】一种剪力墙墙脚可更换消能部件及消能结构
【技术领域】
[0001]本发明属于建筑【技术领域】，涉及抗震减震技术，尤其是高层建筑结构钢筋混凝土剪力墙的抗震减震技术。
【背景技术】
[0002]地震不但会造成直接经济损失，其还会引起生产暂时停止或减少、原有的平衡经济系统出现扰动或者外部投资的减少等间接经济损失，以往的震害经验表明，全世界地震灾害的间接经济损失往往超越了直接经济损失。
[0003]钢筋混凝土剪力墙作为高层结构中应用最为广泛的抗侧力结构之一，在抗震设防中具有重要作用，在高层结构中，钢筋混凝土剪力墙的主要作用是提供较大的刚度及承载力，强震下，弯曲型破坏模式设计的剪力墙脚部混凝土往往严重压溃，受压钢筋严重屈服，给震后修复带来困难，故在剪力墙墙脚等易破坏的区域设置易拆卸可更换消能部件，通过引导将地震能量集中于可更换消能部件，可以有效保护主体结构免遭破坏，且震后对可更换消能部件进行更换可快速恢复剪力墙的抗震功能，从而有效减小间接经济损失。
[0004]一般的混凝土墙片抗压承载力约为抗拉承载力的3-5倍，现有的消能器或拉压支座均存在刚度或承载力与剪力墙不匹配的现象，例如:粘滞阻尼器或摩擦消能器刚度过小；金属型消能器或防屈曲支撑拉压承载力基本相等，与混凝土剪力墙抗压远大于抗拉承载力这一特点不匹配；软钢橡胶支座，采用橡胶为材料，会造成剪力墙刚度明显下降。因此，需要进一步的研究以开发适用于钢筋混凝土剪力墙的可更换墙脚消能部件。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种剪力墙墙脚可更换消能部件，该消能部件具备较大的抗拉压刚度，良好的延性和耗能能力，可将地震能量引导集中于可更换消能部件，以有效保护主体结构免遭破坏。同时，震后通过替换可更换消能部件，能够快速恢复剪力墙的抗震功能，从而有效减小地震造成的间接经济损失。
[0006]为达到上述目的，本发明的解决方案是:
[0007]—种剪力墙墙脚可更换消能部件，包括上下两端的连接段及中间的主体段；
[0008]所述连接段与连接剪力墙可拆卸连接，包括连接端板以及消能连接件；
[0009]所述主体段包括钢管混凝土段及预紧自填充段:
[0010]所述钢管混凝土段包括位于上部的抗压钢板、位于四周作为外壁的钢管、混凝土以及防屈曲内芯，所述防屈曲内芯位于所述抗压钢板、钢管以及下端连接端板围成的密闭空间的中心位置处，且所述防屈曲内芯底部与所述下端连接端板固定连接，顶部穿出所述抗压钢板设置，所述混凝土填充所述密闭空间的空白区域；
[0011]所述预紧自填充段位于所述上端连接端板与上端抗压钢板之间，包括斜钢托、多个抗压钢垫片以及预紧线圈，所述斜钢托上下两端分别与上端连接端板、防屈曲内芯顶部固定连接，所述多个抗压钢垫片设于所述斜钢托与抗压钢板12之间缝隙中，所述预紧线圈箍设于所述多个抗压钢垫片外围以提供预紧力。
[0012]优选的，所述消能连接件包括连接导轨以及连接导轨螺栓孔，所述连接导轨螺栓孔穿过所述连接导轨设置，所述连接导轨固定设置于所述连接端板的一端面上。
[0013]所述防屈曲内芯顶部设有加强件以防止防屈曲内芯端部破坏，所述加强件穿过所述抗压钢板后与所述斜钢托底部固定连接。
[0014]所述加强件由防屈曲内芯截面放大制作而成或为附加的加劲肋；
[0015]防屈曲内芯及加强件表面涂机油或上膜以防止与所述混凝土粘结。
[0016]依据tanga < μ确定所述抗压钢垫片的倾斜角a大小,其中，μ为所述设抗压钢板与抗压钢垫片之间的摩擦系数。
[0017]所述抗压钢垫片与抗压钢板接触面的摩擦系数μ大于0.45。
[0018]所述抗压钢板与钢管焊接，防屈曲内芯与下部连接端板焊接，加强件与斜钢托焊接，斜钢托与上端连接端板焊接。
[0019]所述多个抗压钢垫片的外围对应所述预紧线圈开设凹槽以固定所述预紧线圈；
[0020]优选的，所述预紧线圈为预应力钢绞线。
[0021]本发明还提供了一种可更换消能结构，包括前述的可更换消能部件以及位于可更换消能部件上下两端并与其相连的预埋连接段，所述预埋连接段包括预埋板件以及预埋连接件，所述预埋连接件固定在所述预埋板件上，预埋连接件对应所述消能连接件结构设置以实现所述预埋连接段与所述可更换消能部件的固定连接，所述预埋板件预先埋设在剪力墙中以实现所述可更换消能结构与剪力墙结构的固定连接。
[0022]优选的，所述预埋连接件包括固定连接的预埋端板以及预埋导轨，所述预埋导轨对上应所述连接导轨螺栓孔设置预埋导轨螺栓孔以卡接并经由螺栓固定所述连接导轨，所述预埋端板用于固定连接所述预埋导轨以及所述预埋板件。
[0023]优选的，剪力墙或基础的纵向钢筋末端与所述预埋端板焊接连接以提高预埋连接段的抗拉拔能力。
[0024]由于采用上述方案，本发明的有益效果是:
[0025]本发明所示的可更换消能部件能够满足剪力墙结构的刚度及承载力要求，延性良好，耗能稳定，通过引导将地震能量集中于可更换消能部件，可以有效保护主体结构免遭破坏。同时，可更换消能部件与剪力墙之间采用可螺栓连接等可拆卸连接方式，震后替换可更换消能部件，从而能够快速恢复剪力墙的抗震功能，此外其采用普通建筑材料制作，便于推广应用。
[0026]具体而言，可更换消能部件采用三段式结构，其中，上下端为连接段用于与剪力墙可拆卸连接，当可更换消能部件在地震中发生损坏时，可通过连接段方便快捷的进行拆卸与更换。
[0027]中间段为主体段用于消能减振，主体段包括了钢管混凝土段及预紧自填充段，钢管混凝土段包括防屈曲内芯、混凝土、钢管及抗压钢板，混凝土填入钢管中，所述钢管上端与抗压钢板固定连接，下端与下部连接段的连接端板焊接。预紧自填充段主体结构由抗压钢垫片塞入斜钢托构成，抗压钢垫片外围还由预紧线圈提供指向圆心的紧箍力。防屈曲内芯表面涂油，与钢管混凝土无连接，与上部斜钢托及下部连接端板焊接，端部局部加强防止端部破坏。受拉时，防屈曲内芯承受拉力而伸长，与混凝土脱开，不会引起混凝土拉坏，同时，由于内芯伸长，斜钢托与钢管混凝土上部的承压钢板间缝隙增大，抗压钢垫片在预紧力作用下内收，将空隙自动填充。反向受压时，由于缝隙已经自动填满，钢管混凝土可以立即受压，由防屈曲内芯与钢管混凝土共同承受压力，钢管混凝土可以防止防屈曲内芯受压屈曲，从而可有效的实现抗震消能作用。
[0028]同时，本发明还提供了一种可更换消能结构，其包括可更换消能部件以及位于可更换消能部件上下两端并与其相连的预埋连接段，通过预埋连接段，能够方便快捷的实现可更换消能部件的安装与更换。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为可更换消能部件一实施例的可更换墙脚部件钢筋混凝土剪力墙结构示意图；
[0030]图2为图1所示实施例的主视示意图；
[0031]图3为图1所示实施例的左视示意图；
[0032]图4为图1所示实施例的明俯视示意图；
[0033]图5为图1所示实施例中主体段主视剖面示意图(包括连接段的连接端板)；
[0034]图6为图5所示实施例中主体段A-A向示意图；
[0035]图7为图5所示实施例中抗压垫片的分布示意图；
[0036]图8为图7所示实施例中抗压垫片的结构示意图
[0037]图9为图5所示实施例中预紧自填充段与钢管混凝土段的安装示意图
[0038]图10为可更换消能结构一实施例中的安装示意图；
[0039]图11为图10所示实施例中的连接局部放大示意图；
[0040]其中，剪力墙1、基础2、连接段3、主体段4、连接导轨5、连接端板6、连接导轨螺栓孔7、斜钢托8、抗压垫片9、预紧线圈10、钢管混凝土段11、抗压钢板12、钢管13、混凝土
14、防屈曲内芯15、端部加强件16、高强螺栓17、预埋导轨18、预埋导轨螺栓孔19、预埋端板20、预埋板件21、预埋连接段22。
【具体实施方式】
[0041]以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
[0042]如图1至图3所示，本发明公开了一种剪力墙墙脚可更换消能部件，其包括上下两端的连接段3及中间的主体段4。
[0043]其中，如图2至图4所示，连接段分别包括连接端板6以及用于与剪力墙相连的消能连接件，消能连接件的具体结构可根据具体的情况进行设置，本实施例中，消能连接件包括连接导轨5、以及连接导轨螺栓孔7，连接导轨5固定设置于连接端板6的一端面上，连接导轨螺栓孔7穿过连接导轨5设置。
[0044]如图5至图8所示，主体段4包括位于底部的钢管混凝土段及设置在钢管混凝土段上方的预紧自填充段，钢管混凝土段为圆柱体结构，包括位于上部的抗压钢板12、位于四周作为外壁的钢管13、混凝土 14以及防屈曲内芯15，如图5所示，抗压钢板12与钢管13焊接固定连接，防屈曲内芯15位于抗压钢板12、钢管13以及下端连接端板6围成的密闭空间的中心位置处，防屈曲内芯15与下部连接端板6焊接。本实施例中，为了防止防屈曲内芯15端部破坏，特在防屈曲内芯15的端部另行设置了加强件16，加强件16可以由防屈曲内芯15截面放大制成即加强件16的截面大于防屈曲内芯15的截面设置，也可以为防屈曲内芯附加加劲肋，加强件16穿过抗压钢板12并与其抗压钢板12的上表面平齐设置，混凝土 14填充上述密闭空间的空白区域，同时防屈曲内芯15及加强件16表面涂机油或上膜形成机油层或者膜层，以防止与混凝土 14发生粘结。
[0045]钢管混凝土段上方固定连接预紧自填充段，如图5和图8所示，预紧自填充段位于上端连接端板6与上端抗压钢板12之间，其包括斜钢托8、多个抗压钢垫片9以及预紧线圈10，斜钢托9的上下两端分别与上端连接端板6、防屈曲内芯顶部的加强16焊接固定连接，如图7所示，多个抗压钢垫片呈环状均匀设于斜钢托9与抗压钢板12之间的空隙中，抗压钢垫片9塞入斜钢托8与抗压钢板12之间的空隙后，其外围箍设预紧线圈10以提供预紧力，如图7所示，预紧线圈是套在抗压钢垫片外围的，为防止预紧线圈的脱落，可以在抗压钢垫片外圈设计一个凹槽以固定预紧线圈。由于被预紧线圈箍住，就会使抗压钢垫片9有向内收的趋势。预紧线圈可以为环形的预应力钢绞线的形式，缠绕在环形分布的抗压钢垫片外围，只要将钢绞线预张拉就会提供一个紧箍力。
[0046]抗压钢垫片9与抗压钢板12之间通过处理增加接触面之间的摩擦系数μ，使得摩擦系数μ尽量大于0.45。现行《钢结构规范设计规范》7.2.2条提供了很多接触面的处理方法,例如构件钢号为Q345时喷砂(丸)处理摩擦系数为0.5，这里摩擦系数越大越好，尽量大于0.45,规范一般最大取0.5,规范的处理方法或其他合理处理方法只要满足施工方便，摩擦系数较大，耐久度较高的要求都是可以采用的。
[0047]如图8所示，设抗压钢垫片9倾斜角为α，通过设计，可以满足:tang
[0048]tang α < μ(I)
[0049]μ为抗压钢板12与抗压钢垫片9之间的摩擦系数，公式(I)说明抗压钢垫片9出现自锁现象，无论抗压钢垫片9的主动力的合力N多大，总有一个反力F = μ Ny与Nx平衡，即受拉时承压钢垫片9会向内收紧填充剪力墙抬升时的空隙，受压时承压钢垫片9不会被压力弹出。
[0050]受拉时，如图5及图9所示，防屈曲内芯15承受拉力而伸长，与钢管混凝土 14脱开，不会引起钢管混凝土拉坏，同时，由于防屈曲内芯15伸长，斜钢托8与抗压钢板12间缝隙增大，抗压钢垫片9在预紧线圈10提供的预紧力作用下内收，将空隙自动填充。反向受压时，由于缝隙已经自动填满，钢管13和混凝土 14可以立即受压，由防屈曲内芯15与钢管13及混凝土 14共同承受压力，钢管13可以保证混凝土 14使混凝土处于三向受压状态；混凝土 14又可以有效地防止钢管13发生局部屈曲。钢管13和混凝土 14之间的相互作用使混凝土 14的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏。钢管13和混凝土 14的约束作用可以保证防屈曲内芯15能充分屈服而不会发生支撑构件的屈曲破坏。
[0051]如图10和图11所示，本发明还提供了一可更换消能结构，其包括上述可更换消能部件以及位于消能部件上下两端的预埋连接段22，上下连接段3分别与上下预埋连接段22连接，如图8所示，上、下预埋连接段22分别包括预埋板件21，本实施例中其为钢板，与预埋板件21固定连接的预埋连接件，预埋连接件对应消能连接件的具体结构设置以实现预埋连接段与所述可更换消能部件的固定连接，预埋板件21预先埋设在剪力墙中以实现可更换消能结构整体与剪力墙结构的固定连接。
[0052]本实施例中，预埋连接件包括预埋导轨18、预埋导轨螺栓孔19、预埋端板20，预埋板件21、预埋端板20以及预埋导轨18三者依次焊接固定连接，预埋导轨18对应消能连接件的连接导轨5设置，预埋导轨18上也开有预埋导轨螺栓孔19，如图10所示，连接导轨5卡入预埋导轨9中，高强螺栓17穿过连接导轨螺栓孔7及预埋导轨螺栓孔19，通过拧紧高强螺栓17提供连接导轨5及预埋导轨9接触面之间的摩擦力实现连接段3与预埋连接段22之间的连接。
[0053]此外，剪力墙或基础的纵向钢筋末端焊接在预埋端板20上提高预埋连接段的抗拉拔能力。
[0054]剪力墙脚可更换消能部件及预埋连接段首先在工厂预制好，施工时，将预埋连接段22放入剪力墙及基础的钢筋笼，将剪力墙及基础纵向钢筋末端分别焊接在上下预埋端板20上，最后支模板浇筑混凝土，浇筑完成后的剪力墙如图8所示。待混凝土达到一定强度后，安装可更换墙脚消能部件，如图10，主要通过连接导轨5卡入预埋导轨9中，高强螺栓17穿过连接导轨螺栓孔7及预埋导轨螺栓孔19，通过拧紧高强螺栓17提供连接导轨5及预埋导轨9接触面之间的摩擦力实现连接段3与预埋连接段22之间的连接。安装完成后的剪力墙如图1所示.地震结束后，可以通过松开高强螺栓17，卸下破坏的可更换消能部件，再安装上新的可更换消能部件后即可实现剪力墙功能的快速修复。
[0055]上述的对实施例的描述是为便于该【技术领域】的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种剪力墙墙脚可更换消能部件，其特征在于:包括上下两端的连接段及中间的主体段； 所述连接段与剪力墙可拆卸连接，包括连接端板以及与所述连接端板固定连接的消能连接件； 所述主体段包括钢管混凝土段及预紧自填充段: 所述钢管混凝土段包括位于上部的抗压钢板、位于四周作为外壁的钢管、混凝土以及防屈曲内芯，所述防屈曲内芯位于所述抗压钢板、钢管以及下端连接端板围成的密闭空间的中心位置处，且所述防屈曲内芯底部与所述下端连接端板固定连接，顶部穿出所述抗压钢板设置，所述混凝土填充所述密闭空间的空白区域； 所述预紧自填充段位于所述上端连接端板与上端抗压钢板之间，包括斜钢托、多个抗压钢垫片以及预紧线圈，所述斜钢托上下两端分别与上端连接端板、防屈曲内芯顶部固定连接，所述多个抗压钢垫片设于所述斜钢托与抗压钢板之间缝隙中，所述预紧线圈箍设于所述多个抗压钢垫片外围以提供预紧力。
2.根据权利要求1所述的剪力墙墙脚可更换消能部件，其特征在于:所述消能连接件包括连接导轨以及连接导轨螺栓孔，所述连接导轨螺栓孔穿过所述连接导轨设置，所述连接导轨固定设置于所述连接端板的端面上。
3.根据权利要求1所述的剪力墙墙脚可更换消能部件，其特征在于:所述防屈曲内芯顶部设有加强件以防止防屈曲内芯端部破坏，所述加强件穿过所述抗压钢板后与所述斜钢托底部固定连接。
4.根据权利要求3所述的剪力墙墙脚可更换消能部件，其特征在于:所述加强件截面直径大于所述防屈曲内芯截面直径或所述加强件为附加的加劲肋。
5.根据权利要求1至3任一项所述的剪力墙墙脚可更换消能部件，其特征在于:防屈曲内芯及加强件表面设有机油层或膜层以防止与所述混凝土粘结。
6.根据权利要求1所述的剪力墙墙脚可更换消能部件，其特征在于:依据tangα < μ确定所述抗压钢垫片的倾斜角α大小，其中，μ为所述设抗压钢板与抗压钢垫片之间的摩擦系数。
7.根据权利要求1或6所述的剪力墙墙脚可更换消能部件，其特征在于:所述抗压钢垫片与抗压钢板接触面的摩擦系数μ大于0.45。
8.根据权利要求1所述的剪力墙墙脚可更换消能部件，其特征在于:所述抗压钢板与钢管焊接，防屈曲内芯与下部连接端板焊接，加强件与斜钢托焊接，斜钢托与上端连接端板焊接； 优选的，所述防屈曲内芯为软钢内芯； 优选的，所述多个抗压钢垫片的外围对应所述预紧线圈开设凹槽以固定所述预紧线圈； 优选的，所述预紧线圈为预应力钢绞线。
9.一种可更换消能结构，其特征在于:包括如权利要求1至8任一项所述的可更换消能部件以及位于可更换消能部件上下两端并与其相连的预埋连接段，所述预埋连接段包括预埋板件以及预埋连接件，所述预埋连接件固定在所述预埋板件上，预埋连接件对应所述消能连接件结构设置以实现所述预埋连接段与所述可更换消能部件的固定连接，所述预埋板件预先埋设在剪力墙中以实现所述可更换消能结构与剪力墙结构的固定连接。
10.根据权利要求9所述的可更换消能结构，其特征在于:所述预埋连接件包括固定连接的预埋端板以及预埋导轨，所述预埋导轨对上应所述连接导轨螺栓孔设置预埋导轨螺栓孔以卡接并经由螺栓固定所述连接导轨，所述预埋端板用于固定连接所述预埋导轨以及所述预埋板件； 优选的，剪力墙或基础的纵向钢筋末端与所述预埋端板焊接连接以提高预埋连接段的抗拉拔能力。
【文档编号】E04B1/98GK104213651SQ201410397936
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】蒋欢军, 刘其舟 申请人:同济大学