用于连肢剪力墙耗能的内嵌式耗能模块及阻尼器及连梁的制作方法

本发明属于建筑工程设备领域，尤其是一种用于连肢剪力墙耗能的内嵌式耗能模块及阻尼器及连梁。

背景技术：

剪力墙结构刚度大、抗侧性能好，是钢筋混凝土高层建筑普遍采用的结构形式。剪力墙结构概念设计要求提高结构延性，满足“强墙肢弱连梁”，使连梁在罕遇地震作用下先于墙肢屈服，形成塑性铰耗散地震输入能量，同时改变结构振动频率，避开地震的卓越周期，一定程度上减弱结构共振响应，保障墙肢等竖向构件不倒塌。连梁在剪力墙结构中具有双重作用：一是正常使用及多遇地震作用下，连梁在弹性范围工作，连接剪力墙相邻墙肢，保证结构具有足够的抗侧刚度；二是罕遇地震下，连梁先于墙肢进入塑性，耗散地震输入能量，保护剪力墙主体结构的安全。

但在现今阶段的设计中，兼顾连梁的刚度和延性在一定程度上存在矛盾。为解决这一难题，国内外专家学者进行了大量的研究，例如交叉暗柱配筋、菱形配筋、采用新型复合材料等。虽然现有的一些研究成果在理论分析及实验中取得了不错的效果，但是仍缺乏用于实际结构设计的构造措施及实施方案。

20世纪80年代,我国学者曾进行了开水平缝连梁的研究,提出了自控双连梁,取得了较好的结构控制效果。基于连梁开缝的思路,东南大学李爱群等提出了在连梁跨中开缝设置摩阻控制装置的新型剪力墙方案,振动台试验研究表明摩阻控制装置能有效地控制结构的动力特性和地震反应,有效地提高了剪力墙的抗震性能。其构造示意如图18所示。

同济大学翁大根等提出双肢剪力墙连梁处开竖向缝隙,缝间竖向加入加劲软钢阻尼装置(adas/hadas),在地震作用下,各肢剪力墙间在连梁处产生竖向错位,缝中耗能装置先于结构而屈服,通过往复的塑性滞回变形耗散地震能量。日本学者kumagai等也提出在跨中断开的连梁中设置软钢阻尼器的方法,其阻尼器形式为工字形截面型钢,型钢端部埋入混凝土连梁中,试验表明此阻尼器在大变形下具备稳定的滞回耗能能力,使连梁的延性明显提高。其构造如图19所示。

东北林业大学的刘晚成等提出的sma耗能连梁一剪力墙体系是利用sma材料的超弹性特性，开发新型可承受剪切变形的阻尼器，并将其安装在剪力墙连梁中部，使得新型连梁在地震作用下先于剪力墙墙肢屈服耗能，同时地震后sma阻尼器的变形由于sma的超弹性特性而自动回复，其构造如下图20所示。

试验证明，这种阻尼器有较好的滞回性能，但考虑到装置的成本，尚没有大规模使用的基础。另外，smith等提出的耗能伸臂体系中,若将墙肢间的伸臂视为刚性连梁,则亦与上述几类耗能连梁的减震机理类似。

图18-图20所示的阻尼器有一定控制效果，但大多连梁阻尼器仅进行了理论分析，缺少实际工程应用。并且现在对连梁阻尼器端部构造，特别是与暗柱的连接构造方面研究仍比较缺乏，这大大的限制了连梁阻尼器的使用。

技术实现要素：

针对以上问题，在实际应用中，我们希望有一种便于设计施工的耗能装置，能在不大幅度提高施工难度的基础上提高连梁的耗能能力。

本发明是这样实现的，一种用于连肢剪力墙耗能的内嵌式耗能模块，耗能模块设有耗能区和非耗能区，所述耗能区和所述非耗能区使用的材料相同；所述耗能区设有至少两条孔洞，所述孔洞的长径比为12-17，所述孔洞的长边方向平行于连梁。

本发明的进一步技术方案是：所述耗能区设有四条孔洞。

本发明的进一步技术方案是：所述孔洞的边角为直角或半圆弧。

本发明的进一步技术方案是：所述耗能模块使用q235b钢或低屈服点软钢制成。

本方案的另一目的在于提供一种用于连肢剪力墙耗能的阻尼器，所述阻尼器包括耗能段和嵌固区，所述耗能段由至少一个如前所述的耗能模块组成，所述嵌固区设置在所述耗能段的两侧；所述嵌固区包括多条水平缝，所述水平缝的延伸方向平行于连梁。将由单个耗能模块组成的阻尼器内嵌于钢筋混凝土连梁。端部嵌固区伸入墙肢，嵌固端开有若干条水平缝，水平缝竖向间距根据墙肢箍筋间距而定，开缝不影响阻尼器性能。所述的耗能模块长宽比、孔洞位置及孔洞长宽比为定值；所述的耗能模块在组合时，非耗能区长度需要经过设计。

本发明的进一步技术方案是：所述耗能段设有多个所述耗能模块，所述耗能模块之间平行和/或堆叠设置。

本发明的进一步技术方案是：所述嵌固区上设有抗剪连接件，所述抗剪连接件的延伸方向与连梁相垂直。所述的嵌固区上设有易于结构连接连接的构造措施，比如焊接抗剪栓钉或设置螺栓孔。

本发明的进一步技术方案是：所述嵌固区与所述耗能段厚度相同。

本发明的进一步技术方案是：所述水平缝之间的边角为直角或圆弧。

本方案的另一目的在于提供一种连梁，该连梁中内嵌有前述的阻尼器。

本发明的有益效果是：本方案提供的用于连肢剪力墙耗能的内嵌式耗能模块及阻尼器及连梁可根据连梁不同的跨高比，通过耗能模块的布置使阻尼器能满足不同跨高比连梁的要求。本发明的嵌固区与阻尼器工作区为一体，墙肢内可不设预埋件固定。本发明内嵌于连肢剪力墙结构连梁上，降低了结构的设计难度和施工中连梁的配筋难度，使结构在多遇地震下结构动力特性不变，设防烈度和罕遇地震作用下结构耗能能力和抗倒塌性增强。

本发明的耗能模块适用性强，可拓展为不同类型的阻尼器，塑性发展区域可人为控制，构造简单，施工较方便，塑性发展区域均匀、广泛，耗能效果好。对于连梁两端剪切有良好的耗能效果。

本发明提出了内嵌式耗能模块的具体形式和对应嵌固区构造，可应用于连肢剪力墙结构抗震设计中。该装置耗能效果好，剪力墙结构的抗震性能改善明显，构造简单，不影响建筑效果，施工方便，符合工程实际需要，满足工程行业技术标准，能够解决工程问题。

本发明设计的耗能模块可沿水平向和竖向组合成不同跨高比的阻尼器，并且阻尼器工作区域与嵌固区一体，工作区上沿长边方向开有一列长条形孔洞，孔洞端部做非尖角处理。在连肢剪力墙中，内嵌于与钢筋混凝土，以解决上述提到的现有技术存在的问题。耗能模块的长宽之比以及工作区孔洞的位置及长宽之比为固定值。该发明能够保证正常使用和常与地震是阻尼器提供墙肢连接刚度，设防烈度和罕遇地震是通过阻尼器平面内塑性屈服耗能集中耗散结构的振动能量，能够提高结构阻尼比和增强抗倒塌性，解决剪力墙连梁超筋和配筋难问题，改进连梁的抗震性能和损伤后的可修复性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明耗能模块结构示意图。

图2为发明耗能区和非耗能区示意图。

图3为图1的a-a剖面结构示意图。

图4为图1的b-b剖面结构示意图。

图5为水平布置两块耗能模块示意图。

图6为水平布置两块耗能模块和钢板示意图。

图7为水平布置三块耗能模块示意图。

图8为竖向和水平各布置两块耗能模块的示意图。

图9为阻尼器嵌固区形式示意图。

图10为嵌固区抗剪连接件布置示意图。

图11为阻尼器在连梁上的安装示意图。

图12为装有抗剪连接件的阻尼器嵌固区示意图。

图13为复合连梁截面示意图。

图14为本发明的实施例结构示意图。

图15为本发明的实施例阻尼器安装位置图。

图16为现有小跨高比连梁交叉配筋结构示意图。

图17为现有小跨高比连梁的斜向交叉暗柱是配筋结果示意图。

图18为现有带摩阻控制装置的复合连梁构造示意图。

图19为现有带工字形截面型钢的复合连梁构造示意图。

图20为现有带sma阻尼器的复合连梁构造示意图。

附图标记：1-耗能区；2-非耗能区；3-嵌固区；4-抗剪连接件。

具体实施方式

本发明提供一种用于连肢剪力墙耗能的内嵌式耗能模块及阻尼器及连梁。以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明中使用内嵌式耗能模块的连肢剪力墙结构设计目标为：连梁使用了若干耗能模块后，常遇地震下结构动力特性与常规连肢剪力墙结构对比近似不变（即保证正常使用状态下结构刚度不变），在设防烈度或罕遇地震下阻尼器充分发挥作用，集中吸收地震输入的结构振动能量，保护连肢剪力墙墙肢不进入塑性或限制墙肢塑性开展。本发明所述的构造与附图16、17中所示的现有配筋构造目的相同，均为在常遇地震下连梁弹性工作且保证结构整体刚性，设防烈度或罕遇地震下连梁先于墙肢屈服，耗散地震输入的结构振动能量，保护剪力墙墙肢不进入塑性或是不倒塌。与现有技术及配筋构造不同，图16、17中所述的现有技术配筋构造仍然采用连梁破坏耗能的方法吸收地震输入的结构振动能量，耗能能力有限，且破坏难于修复；本发明所述构造利用耗能减震先进技术，通过软钢制成的阻尼器吸收地震能量，耗能效果好，震后易于修复，本发明的耗能原理与现有技术中的阻尼器耗能原理相同，都是在外力剪切作用下利用设定区域的平面内塑性变形耗散振动能量。与现有技术不同的是，本发明的内嵌式耗能模块是内嵌于连梁内部，且阻尼器的外轮廓长宽比及孔洞位置及孔洞长宽比固定，保证其使用性能。

请参看附图1，本具体实施例中耗能模块的结构为：耗能模块呈正方形平板状，在沿正方形一条边平行的方向上开有4条矩形孔洞，孔洞短边两端处理为圆弧。本发明包括耗能区和非耗能区两部分组成，如图2所示，耗能模块由耗能区1和非耗能区2组成。本发明中耗能区1和非耗能区2都需进行设计，其耗能区1耗能，非耗能区与嵌固区连接，功能区分明确。对于本发明，在实际使用中，由耗能模块组成的阻尼器的承载力要求可通过对耗能区1的设计达到，阻尼器的塑性区域和对使用性能的保证可以通过对非耗能区2的设计达到。本发明的耗能区1、非耗能区2以及端部嵌固区都采用相同的材料，在指定的塑性区域内发生塑性屈服耗能，嵌固区形式为开有若干水平缝的钢板，以保证嵌固端在墙肢内不会和剪力墙内钢筋冲突。本发明中采用的嵌固区形式可保证阻尼器正常发挥其耗能能力，并不会因为开缝造成阻尼器失效，嵌固端所开水平缝短边可处理为圆角或是直角。本发明在耗能区1内，沿一条边方向开有四条水平缝，水平缝长宽比为15。长条形孔洞两边设计为圆弧。

如图3、图4所示，其为本发明的剖面结构示意图，能更清楚的反映出本发明的结构。实际使用时可根据不同结构不同连梁来组合耗能模块，并可根据实际情况将耗能模块进行等比例缩放。阻尼器正常工作时表现为阻尼器耗能区出现弯曲型塑性铰。如图5、图6、图7和图8所示，为几种不同的内嵌式耗能模块的组合类型示意图。

本发明在使用时，可将本发明中一个或一个以上的耗能模块组合使用，内嵌于剪力墙结构连梁。请参看附图9，图中所示由本发明组成的一种型号阻尼器与钢筋混凝土剪力墙墙肢中的嵌固区，嵌固区开缝距离由剪力墙墙肢箍筋间距决定。嵌固区表面布置有抗剪连接件，如图10、图11所示。浇筑混凝土时，阻尼器直接浇于连梁内，以阻尼器嵌固区与墙肢牢固连接，请参照附图12。安装完毕后，阻尼器应位于连梁中间，如图13所示。

为了工程需要，针对不同的结构和荷载情况，应对内嵌式耗能模块的布置方式、使用数量及厚度进行设计。设计原则为：保证阻尼器添加于连梁后连梁的抗侧刚度接近于常规连肢剪力墙结构连梁的抗侧刚度，轴向刚度不小于常规连肢剪力墙结构连梁刚度，在此基础上选取耗能模块的尺寸及布置方式。

现有技术中虽然已经存在有耗能结构，例如专利申请号201010543858.4的发明专利《内埋入耗能钢板阻尼装置的剪力墙连梁减震系统》中公开了一种建筑结构用耗能装置，其特征在于，其系统的主体部分为剪力墙、连梁和一开有孔洞的高延性钢板，钢板整体的形状为“h”型或“一”型，其在建筑工程中的安装同剪力墙和连梁钢筋的绑扎同时进行，并在混凝土浇筑前对其进行位置的校准。钢板耗能阻尼器安装于连梁及其两端的剪力墙上，钢板耗能阻尼器其作为非承重构件，能够增大建筑结构的整体刚度，而在遇到地震时，能有效阻止连梁在受反复荷载作用下的破坏，使连梁的耗能效果更显著，从而对建筑结构起到很好的保护作用。

但是这类结构与本方案相比至少存在以下不足。

1、对比文件阻尼器定义为非承重构件，浪费材料。

我方方案优点：正常使用阶段，耗能钢板连梁阻尼器与连梁共同工作，连梁抗剪设计承载力计入耗能钢板连梁阻尼器的贡献。

2、对比文件工作区开孔面积大，有效剪切耗能高度仅约阻尼器总高度的30%，耗能能力有限。

我方方案优点：长条槽孔，有效剪切耗能高度大，阻尼器高度一定时，耗能能力最大化。

3、对比文件嵌固区采用大开孔，并不能有效躲避剪力墙暗柱箍筋。

我方方案优点：依据剪力墙暗柱箍筋设计间距确定嵌固区开槽间距，实际使用不影响剪力墙暗柱箍筋绑扎

4、对比文件嵌固区采用大开孔，抗剪面积小于工作区，不能有效传递剪力。

我方方案优点：嵌固区采用抗剪栓钉构造，正常使用阶段能直接有效地专递连梁剪力，抗震耗能阶段能有效保证嵌固区与剪力墙协同工作。

此外，本方案中阻尼器工作区域与连梁混凝土为部分粘结。

请参看附图14。图中所示为采用本发明的内嵌式耗能模块配置在连梁内并应用于剪力墙结构中的具体应用实例。本工程为建筑主体高度为224.8米。地上部分48+1=49层，主体平面为矩形。43、44、45层东侧框架柱抽空，在49层设置悬挑桁架下挂48、47、46层。阻尼器布置方案及数量，基于结构在双向地震动罕遇地震下的塑性开展程度和塑性分布区域，经多套方案分析对比和优化，最终确定附加连梁阻尼器布置如图15所示，按照设计院要求在结构核心筒中1-3轴、1-5轴两道轴线上（每层6根）进行布置。其中阻尼器编号znq-1表示阻尼器长度为5000mm，高度800mm，布置在计算模型中13-35层中编号为ll1的连梁，ll1跨度为3400mm，高度包含1200mm、1000mm以及950mm；编号znq-2表示阻尼器长度为3800，高度800mm，布置在计算模型的13-35层中编号为ll2的连梁，ll2跨度为2850mm，高度包含1200mm、1000mm和950mm。本方案中所有附加阻尼器材料均为q235b，厚度均取20mm，且阻尼器均内嵌于连梁内部。对结构核心筒中13-35层1-3轴、1-5轴两道轴线上的连梁（每层6根）附加连梁阻尼器，在双向罕遇地震作用下，进行了附加连梁阻尼器结构的弹塑性动力时程分析，与原结构分析结果比较得到了以下结论：附加连梁阻尼器后，结构进入cp水平的连梁塑性铰数量明显减少，塑性铰分布区域明显减小；附加连梁阻尼器后，结构y向大震基底剪力和小震基底剪力的比值提高约5%；附加连梁阻尼器后，结构y向楼层最大层间位移角由原来的1/179降低至1/192；附加连梁阻尼器后，结构核心筒中墙肢损伤数量有所降低，损伤程度有所减轻；附加连梁阻尼器后，结构墙肢塑性耗能降低2%，连梁塑性耗能降低5%，阻尼器塑性耗能约占结构总塑性耗能的7%，提高了结构的耗能能力。

本实例中只以一种具体情况说明本发明的结构和具体应用，本发明还存在其他实施方式、构造和应用方法。如本实例给出的为布置两块耗能模块，等比放大两倍的工程应用，但不限于此，根据实际工程需要可采取不同的耗能模块布置及数量选择方案。本实例给出的结构的墙肢箍筋间距为100mm，故对于该结构阻尼器的嵌固区开缝间距为100mm，但不限于此，根据实际工程可采用不同的嵌固区开缝尺寸。

本发明可广泛应用于连肢剪力墙结构中，内嵌于钢筋混凝土连梁，以解决剪力墙连梁配筋难问题，实现剪力墙连梁构造简单，增加其抗震性能。

本方案提供的用于连肢剪力墙耗能的内嵌式耗能模块及阻尼器及连梁可根据连梁不同的跨高比，通过耗能模块的布置使阻尼器能满足不同跨高比连梁的要求。本发明的嵌固区与阻尼器工作区为一体，墙肢内可不设预埋件固定。本发明内嵌于连肢剪力墙结构连梁上，降低了结构的设计难度和施工中连梁的配筋难度，使结构在多遇地震下结构动力特性不变，设防烈度和罕遇地震作用下结构耗能能力和抗倒塌性增强。

本发明的耗能模块适用性强，可拓展为不同类型的阻尼器，塑性发展区域可人为控制，构造简单，施工较方便，塑性发展区域均匀、广泛，耗能效果好。对于连梁两端剪切有良好的耗能效果。

本发明提出了内嵌式耗能模块的具体形式和对应嵌固区构造，可应用于连肢剪力墙结构抗震设计中。该装置耗能效果好，剪力墙结构的抗震性能改善明显，构造简单，不影响建筑效果，施工方便，符合工程实际需要，满足工程行业技术标准，能够解决工程问题。

本发明设计的耗能模块可沿水平向和竖向组合成不同跨高比的阻尼器，并且阻尼器工作区域与嵌固区一体，工作区上沿长边方向开有一列长条形孔洞，孔洞端部做非尖角处理。在连肢剪力墙中，内嵌于与钢筋混凝土，以解决上述提到的现有技术存在的问题。耗能模块的长宽之比以及工作区孔洞的位置及长宽之比为固定值。该发明能够保证正常使用和常与地震是阻尼器提供墙肢连接刚度，设防烈度和罕遇地震是通过阻尼器平面内塑性屈服耗能集中耗散结构的振动能量，能够提高结构阻尼比和增强抗倒塌性，解决剪力墙连梁超筋和配筋难问题，改进连梁的抗震性能和损伤后的可修复性能。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。