自复位耗能摇摆剪力墙的制作方法

本发明涉及土木结构工程技术领域，特别涉及一种自复位耗能摇摆剪力墙。

背景技术：

相关技术，随着经济水平的发展，城市中多高层建筑日益增多，钢筋混凝土框架-剪力墙结构成为了一种应用广泛的多高层结构形式。然而，当强地震发生之后，钢筋混凝土框架-剪力墙结构的剪力墙底部由于受到巨大的倾覆弯矩作用，墙体底部通常损伤严重。由于大部分剪力墙墙体采用现浇混凝土制成，其维修和更换难度极大。历次地震震害表明，框架-剪力墙结构的倒塌概率通常非常小，但剪力墙构件底部一旦破坏，维修成本极高，如2011年新西兰基督城地震中大量含有剪力墙的结构在地震中没有发生倒塌，但由于墙肢底部严重破坏而被迫拆除重建，造成了巨大的经济损失。因此高层建筑剪力墙的自复位和可恢复问题非常重要。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现作出的：

当强地震发生之后，钢筋混凝土框架-剪力墙结构的剪力墙构件底部由于受到巨大的倾覆弯矩作用，通常损伤严重。由于剪力墙构件通常为现浇混凝土构件，维修和更换难度极大。2011年新西兰基督城地震震害表明，框架-剪力墙结构的倒塌概率通常非常小，但剪力墙构件底部一旦破坏，维修成本极高，许多建筑的维修成本甚至超过了拆除重建的成本，从而导致大量建筑被迫拆除重建，造成了巨大的经济损失。因此高层建筑剪力墙的自复位与可修复问题显得非常重要。为了实现剪力墙的自复位和可修复，目前的实现方法主要包括以下几类(1)采用预应力实现自复位；(2)可更换墙角体系，方便修复；(3)摇摆防屈曲支撑体系，实现快速替换。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种自复位耗能摇摆剪力墙，该剪力墙极大降低震后修复难度与维修成本，维修便捷且成本低，具有推广性，简单易实现。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种自复位耗能摇摆剪力墙，包括：第一连接型钢构件和第二连接型钢构件；可更换耗能组件，所述可更换耗能组件底部和顶部分别设置有所述第一连接型钢构件和所述第二连接型钢构件，所述可更换耗能组件包括：在水平方向上并排布置的多个钢柱，所述多个钢柱间通过螺栓连接，以形成一个承受弯矩和剪力的整体；设置于所述第二连接型钢构件上的上部钢筋混凝土墙体，所述上部钢筋混凝土墙体通过所述第二连接型钢构件与所述可更换耗能组件共同协调工作，以抵抗地震侧向作用。

本发明实施例的自复位耗能摇摆剪力墙，能在震后恢复原位，减小残余位移，并且各钢柱之间通过螺栓连接，可以很方便地进行替换，极大降低震后修复难度与维修成本，维修便捷且成本低，并且该剪力墙设计方法与普通钢筋混凝土剪力墙类似，设计方法简单，具有推广性，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的自复位耗能摇摆剪力墙还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述钢柱由外包防屈曲型钢、核心耗能软钢、侧向防屈曲挡板和底板组成，其中，所述外包防屈曲型钢用于承担竖向压力，并与所述侧向防屈曲挡板共同作用约束所述核心耗能软钢，所述外包防屈曲型钢下部放置在所述底板上，所述外包防屈曲型钢上部通过螺栓与所述第二连接型钢构件相连；所述核心耗能软钢用于承担竖向拉压力，所述核心耗能软钢下部通过所述底板与所述第一连接型钢构件连接，所述核心耗能软钢上部与所述外包防屈曲型钢相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述外包防屈曲型钢在承受竖向拉力时与所述底板分离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述外包防屈曲型钢采用受压时不屈服钢材。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述核心耗能软钢采用滞回性能饱满钢材。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：设置于所述上部钢筋混凝土墙体中的纵向钢筋，所述纵向钢筋预先焊接在所述第二连接型钢构件上，以保证所述上部钢筋混凝土墙体中钢筋的拉力有效传递给所述第二连接型钢构件。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：抗剪连接件，所述抗剪连接件设置于所述上部钢筋混凝土墙体与所述第二连接型钢构件接触的区域，以保证截面弯矩和剪力有效稳固地传递给所述第二连接型钢构件。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：挡块，所述挡块设置于所述可更换耗能组件的侧面，以保证所述可更换耗能组件中的剪力有效传递给所述第一连接型钢构件，其中，所述挡块包括内挡块和外挡块，所述外挡块设置于所述第一连接型钢构件外侧延伸处。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的自复位耗能摇摆剪力墙的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的钢柱内部构造示意图；

图3为根据本发明一个实施例的沿图1中i-i线的断面图；

图4为根据本发明一个具体实施例的钢柱内部构造示意图；

图5为根据本发明一个实施例的自复位耗能摇摆剪力墙结构的在地震水平作用下的变形情况立面图；

图6为根据本发明一个实施例的自复位剪力墙底部接触面核心耗能软钢和外部外包防屈曲型钢的应力分布图；

图7为根据本发明一个实施例的自复位耗能摇摆剪力墙的整体形状示意图；

图8为根据本发明一个实施例的自复位耗能剪力墙与普通钢筋混凝土剪力墙的基底剪力对比示意图。

附图标记说明：

自复位耗能摇摆剪力墙10、第一连接型钢构件100、第二连接型钢构件200、可更换耗能组件300、钢柱310、外包防屈曲型钢311、核心耗能软钢312、侧向防屈曲挡板313、底板314、螺栓320、上部钢筋混凝土墙体400、挡块500、挡块510和外挡块520。

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。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的自复位耗能摇摆剪力墙。

图1是本发明一个实施例的自复位耗能摇摆剪力墙的结构示意图。

如图1所示，该自复位耗能摇摆剪力墙10包括：第一连接型钢构件100、第二连接型钢构件200、可更换耗能组件300和上部钢筋混凝土墙体400。

其中，第一连接型钢构件100和第二连接型钢构件200。可更换耗能组件300的底部和顶部分别设置有第一连接型钢构件100和第二连接型钢构件200，可更换耗能组件300包括：在水平方向上并排布置的多个钢柱310，多个钢柱310间通过螺栓320连接，以形成一个承受弯矩和剪力的整体。设置于第二连接型钢构件200上的上部钢筋混凝土墙体400，上部钢筋混凝土墙体400通过第二连接型钢构件200与可更换耗能组件300共同协调工作，以抵抗地震侧向作用。本发明实施例的剪力墙10能在震后恢复原位，减小残余位移，并且各钢柱之间通过螺栓连接，极大降低震后修复难度与维修成本，维修便捷且成本低，具有推广性，简单易实现。

可以理解的是，第二连接型钢构件200设置在可更换耗能组件300顶部，如图1所示，第二连接型钢构件200可以设在可更换耗能组件300的上端，并且第二连接型钢构件200与可更换耗能组件300通过螺栓320相连，其中，螺栓320为摩擦型高强螺栓。多个钢柱310可以为多个可更换钢柱，多个可更换钢柱在水平方向并排布置，钢柱310间通过螺栓320连接，从而方便更换，即易损部件采用螺栓连接便于更换，有利于降低维修成本。且相邻钢柱310之间采用螺栓320连接以形成一个能够承受弯矩和剪力的整体。该剪力墙10能在震后恢复原位，减小残余变形，可更换钢柱之间采用螺栓320连接，因此各钢柱可以很方便地逐一进行替换，并且在替换某根钢柱时，其他钢柱能承担竖向重力，能极大降低震后修复难度与维修成本。本发明实施例通过采用螺栓连接，既保证了连接的可靠性，又方便结构的施工安装与震后修复替换。

需要说明的是，在对可更换耗能组件300进行结构设计的过程中，在多个钢柱310之间设置足够数量的螺栓320，使可更换耗能组件300的整体抗剪承载能力大于其整体抗弯承载能力，保证可更换耗能组件300不发生延性较差的剪切破坏，并且由于可更换耗能组件300采用分段装配式设计，底部布置的钢柱310可以在维持竖向承载力的同时被逐一替换，实现震后墙体的功能快速恢复。下面将对钢柱310的进行详细阐述。

进一步地，在本发明的一个实施例中，钢柱310由外包防屈曲型钢311、核心耗能软钢312、侧向防屈曲挡板313和底板314组成。

其中，外包防屈曲型钢311主要用于承担竖向压力，并与侧向防屈曲挡板313共同作用约束核心耗能软钢31，外包防屈曲型钢311下部放置在底板314上，外包防屈曲型钢311上部通过螺栓320与第二连接型钢构件200相连。核心耗能软钢312主要用于承担竖向拉压力，核心耗能软钢312下部通过底板314与第一连接型钢构件100连接，核心耗能软钢312上部与外包防屈曲型钢311相连。

可以理解的是，可更换钢柱310主要由外包防屈曲型钢311和核心耗能软钢312组成，其中外包防屈曲型钢311主要承担竖向压力，并约束核心耗能软钢312，能保证核心耗能软钢312在承受压力时不发生屈曲。

在本发明的一个实施例中，外包防屈曲型钢311采用受压时不屈服钢材。

具体而言，如图1所示，单个钢柱310竖立放置(图1中所示的上下方向)，多个钢柱310在水平方向(图1中所示的左右方向)上并排布置(依次布置)，即钢柱310呈并向排列。相邻钢柱310之间可拆卸地连接，便于可更换耗能组件300的安装和拆卸，从而方便于震后的快速修复。钢柱310的内部构造如图2所示，具体地，如图3和图4所示，钢柱310主要包括外包防屈曲型钢311、侧向防屈曲挡板313和核心耗能软钢312。核心耗能软钢312为主要耗能构件，其底部通过底板314与第一连接型钢构件100通过螺栓320连接，在结构中承受拉力作用；外包防屈曲型钢311与第一连接型钢构件100未连接，在拉力作用下两者将分离，如图5所示。核心耗能软钢413四周受外包防屈曲型钢411以及侧向防屈曲挡板412约束，从而能够避免受压屈曲破坏。外包防屈曲型钢411，采用高强型钢，保证受压时不屈服，使得剪力墙在自重作用下顺利复位，并且，外包防屈曲型钢311具有较大的刚度，并与侧向防屈曲挡板313共同工作约束核心耗能软钢312的侧向位移，从而使核心耗能软钢312在受压时不发生屈曲。

进一步地，在本发明的一个实施例中，外包防屈曲型钢311在承受竖向拉力时与底板314分离。

具体而言，外包防屈曲型钢311上部与第二连接型钢构件200相连，底部放置在底板314上，并在承受竖向拉力时可以与底板314分离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，核心耗能软钢312采用滞回性能饱满钢材。

可以理解的是，核心耗能软钢312主要承担竖向拉压应力，采用承载力较低的钢材，滞回性能饱满。同时，核心耗能软钢312采用延性较好的低强钢，从而避免核心耗能软钢312钢板撕裂等脆性破坏。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例剪力墙10还包括：挡块500。挡块500设置于可更换耗能组件300的侧面，以保证可更换耗能组件300中的剪力有效传递给第一连接型钢构件100，其中，挡块500包括内挡块510和外挡块520，外挡块520设置于第一连接型钢构件100外侧延伸处。

具体而言，如图1所示，核心耗能软钢312采用延性较好的钢材，承受拉压力，并能通过屈服耗能吸收输入的地震能量，其与第一连接型钢构件5通过螺栓连接，外包防屈曲型钢311与第一连接型钢构件100并未连接起来，在侧向力作用下，外包防屈曲型钢311底部可以与底板314发生分离，因此设置挡块500，防止钢柱水平滑移及增强抗剪能力。挡块500及底板314设置于第一连接型钢构件100上，且第一连接型钢构件100可以向外延伸，并如图4所示，布置外挡块520，更有效提高其抗剪能力。另外，本领域技术人员可以根据实际需求，在实际工程时，在一个钢柱间布置多个挡块500，在此不做具体限定，从而加强钢柱310与底板314间的抗剪能力，防止钢柱310水平滑移。

需要说明的是，在对该自复位耗能摇摆剪力墙结构进行结构设计的过程中，第一连接型钢构件100和第二连接型钢构件200的截面形式可以为工字型或箱型，钢柱310的截面形式可以为槽型，连接型钢构件以及钢柱可以采用但不限于以上截面形式。具体地，钢柱310里耗能构件可以采用合适强度的软钢、截面形式(例如工字型、箱型等)和截面尺寸，保证钢柱内耗能软钢先受拉屈服，而钢柱外包防屈曲型钢311采用强度较高的钢材，避免受压屈服，在震后可通过自身重力作用恢复原位，在震后仅需对损伤的核心耗能软钢312进行更换或者对某根钢柱310进行替换即可完成修复，易于作业且有利于降低维修成本。

进一步地，上部钢筋混凝土墙体400设在第二连接型钢构件200上，上部钢筋混凝土墙体400可以采用现浇工艺制成，上部钢筋混凝土墙体400通过第二连接型钢构件200与多个钢柱310共同协调工作以抵抗地震侧向作用。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的剪力墙10还包括：纵向钢筋。其中，纵向钢筋设置于上部钢筋混凝土墙体400中，纵向钢筋预先焊接在第二连接型钢构件200上，以保证上部钢筋混凝土墙体400中钢筋的拉力有效传递给第二连接型钢构件200。

可以理解的是，上部钢筋混凝土墙体400中设有纵向钢筋(图中未示出)，纵向钢筋预先焊接在第二连接型钢构件200上。通过纵向钢筋有利于保证第二连接型钢构件200与上部钢筋混凝土墙体400之间的连接可靠性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的剪力墙10还包括：抗剪连接件。抗剪连接件设置于上部钢筋混凝土墙体与第二连接型钢构件接触的区域，以保证截面弯矩和剪力有效稳固地传递给第二连接型钢构件。

综上，本发明实施例的自复位剪力墙在侧向地震力作用下，向一边倾斜，此时一侧的外包防屈曲型钢承受压应力，另一侧外包防屈曲型钢与墙肢底部分离，外包防屈曲型钢内的核心耗能软钢由于被拉伸，承受拉应力。外包防屈曲型钢采用强度较高的钢材，以使其受压时不屈服，从而震后剪力墙可以依靠重力作用恢复原位，具体地，在地震的侧向力作用下，可更换耗能组件中的核心耗能软钢发生屈服并吸收地震能量，从而避免上部钢筋混凝土墙体的破坏。该体系中连接型钢构件与可更换耗能组件之间采用螺栓连接，保证了剪力墙整体抗弯刚度和承载力。与此同时，相邻可更换钢柱之间同样采用螺栓连接，保证了墙体整体的抗剪刚度和承载力。由于采用螺栓连接，地震之后，可更换耗能组件可以被依次替换，实现快速修复。

下面将对自复位耗能摇摆剪力墙10施工过程进行进一步阐述。

该剪力墙体系在施工时可以采用装配式安装，加快施工进度。对于地震发生后，可以将损坏的钢柱310逐个换下，换下单个钢柱310的同时其他钢柱能承担整体结构的竖向荷载，因此可以避免大型机械的介入，实现结构震后的快速修复。

自复位耗能摇摆剪力墙结构，它上部为常规钢筋混凝土剪力墙400，底部易损区域为可更换耗能组件300，钢柱310与上部钢筋混凝土墙体400以及下部基础之间采用连接型钢构件进行连接。

钢柱310通常在工厂预制好，底部的第一连接型钢构件100预埋在基础之中。施工时可以采用螺栓320将工厂预制好的钢柱310与第一连接型钢构件100进行连接。之后多个钢柱310之间同样采用螺栓320进行连接，保证底部钢柱墙体的整体性。随后，将上部的第二连接型钢构件200放置在并置的可更换耗能组件300之上，并同样采用螺栓320进行连接。之后在第二连接型钢构件200之上搭建钢筋笼，将上部混凝土剪力墙体400的纵向钢筋焊在第二连接型钢构件200之上并设置抗剪连接件。最后在第二连接型钢构件200之上搭建混凝土模板并现浇混凝土，制作上部钢筋混凝土墙体400。至此完成根据本发明实施例的自复位耗能摇摆剪力墙结构的施工过程。

下面将通过计算说明自复位耗能摇摆剪力墙10实现自复位的条件。

影响自复位的主要制约因素来源于部分核心耗能软钢受拉屈服之后伸长，当地震之后，撤除侧向地震力，墙体在竖向重力的作用下恢复原位。此时被拉长的核心耗能软钢开始抵抗墙体的复位，产生向上的推力。因此为了实现自复位，需要保证竖向重力能将在地震作用下受拉屈服的核心耗能软钢再次压缩屈服，使其被压缩会原位，最终外部外包防屈曲型钢全截面与底部型钢连接构件接触。

为了实现自复位，需要达到如图6所示的临界条件，图为实现自复位时，自复位剪力墙底部接触面核心耗能软钢和外部外包防屈曲型钢的应力分布图。其中acef为核心耗能软钢的压应力分布，adb为外部外包防屈曲型钢的压应力分布。因为该图为自复位的临界点，即a点处的外包防屈曲型钢截面与底部基础刚刚发生接触，此处的压应力为0。

根据图6可知，核心耗能软钢与产生的竖向推力可以根据公式1计算。

fc＝∑fc,yac,i(1)

式中：fc为核心耗能软钢所承受的竖向推力，fc,y为核心耗能软钢的屈服承载力，a,i为核心耗能软钢的截面积。

计算得到核心耗能软钢的竖向推力之后，可以根据公式2确定剩余由外部外包防屈曲型钢承担的竖向轴力。

fe＝n-fc＝∑σe,iae,i(2)

式中：fe为外包防屈曲型钢承担的竖向轴力，n为上部结构传来的轴力，ae,i为外包防屈曲型钢的截面积，e,i为外包防屈曲型钢每个截面位置的应力。

由于外包防屈曲型钢与底部基础全截面接触，可以近似的假设接触面为平截面，即应力线性分布(如上图中ab应力曲线)。因此，基于平截面假定与公式2，可以得到外部外包防屈曲型钢每个截面位置的应力大小e,i，最后分别计算核心耗能软钢与外部外包防屈曲型钢对截面中心的力矩：

mc＝∑fcpaci(0.5l-dc,i)(3)

me＝∑σe,iae,i(0.5l-de,i)(4)

式中：mc为核心耗能软钢对截面中心的力矩，me为外包防屈曲型钢对截面中心的力矩；dc,i为核心耗能软钢的作用点到a点距离，de,i为外包防屈曲型钢的作用点到a点距离。

如果满足式公式5，则该剪力墙能实现自复位。

me>mc(5)

通过对大量不同轴压比的墙体进行计算可以发现，本发明实施例的自复位耗能摇摆剪力墙在自重作用下一般能满足上式5，即能实现自复位。

需要说明的是，根据本发明实施例的装配式自复位耗能摇摆剪力墙结构的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

综上，本发明实施例的整体结构示意图如图7，并且根据图8可知，本发明实施例的剪力墙设计理念清晰简单，制作与施工方便。相比其他自复位剪力墙，具有以下优点：(1)方便布置，不影响正常建筑布置，不影响正常建筑使用功能；(2)可恢复，自复位，即可以实现自复位，震后残余位移较小；(3)方便维修，更换简单；(4)设计方法与普通钢筋混凝土剪力墙类似，设计方法简单，易于推广。

根据本发明实施例提出的自复位耗能摇摆剪力墙，能在震后恢复原位，减小残余位移，并且各钢柱之间通过螺栓连接，可以很方便地进行替换，极大降低震后修复难度与维修成本，维修便捷且成本低，并且该剪力墙设计方法与普通钢筋混凝土剪力墙类似，设计方法简单，具有推广性，简单易实现。

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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，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以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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。