本发明涉及建筑钢结构领域，尤其是指一种含屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙和包括该自复位摇摆墙的钢结构建筑。
背景技术
建筑抗震设计经历了刚性设计、柔性设计及延性设计等几个阶段。由于延性设计可以降低结构抗震的建造成本，同时在一定程度上提高建筑的抗震性能，从而得到较为广泛的应用。然而延性设计往往意味着结构的损伤增大，不便于控制结构的地震损伤模式，使得震后建筑的修复成本和修复难度大大增加。早期的研究表明，适当放松构件与基础的连接，允许建筑在地震作用下发生一定长度的摇摆可有效减小结构的地震损伤。摇摆墙的概念因此应运而生。摇摆墙一方面可以控制结构的侧向变形模式，另一方面通过墙体与基础和墙体与墙体之间的消能阻尼器消耗地震能量。目前普遍应用于工程结构中的传统摇摆墙主要由刚度较大的墙体和消能阻尼器组成。该类摇摆墙尽管具有较好的能量耗散能力，但它及其建筑物在震后会留有较大的残余变形，使得其修复困难，且修复成本较高，甚至只能拆除重建。而自复位摇摆墙在传统摇摆墙中加入自复位单元，即可实现摇摆墙的震后自复位，从而为震后结构的修复带来便利，并大幅减小修复成本。目前已提出的自复位摇摆墙主要包括预应力自复位摇摆墙和形状记忆合金自复位摇摆墙两类。预应力自复位摇摆墙通过耗能元件消耗地震能量，并通过预应力筋的预张力实现自复位。预应力自复位摇摆墙的构造及施工工艺较为复杂，且名义屈服后刚度较大，允许变形有限。受地震作用往复加载影响，预张力筋还会出现松弛，导致摇摆墙再经历小变形时失去初始刚度。形状记忆合金自复位摇摆墙通过形状记忆合金材料的超弹性实现耗能与自复位性能。现有的形状记忆合金自复位摇摆墙既有采用形状记忆合金丝材的，也有采用棒材或螺栓的，但其均以形状记忆合金材料仅受拉力为基础。这意味着该类自复位摇摆墙的形状记忆合金组件在受压时处于非工作状态，特别是对于采用棒材和螺杆的形状记忆合金组件在受压时很容易屈曲并在发生断裂。而当发生大震使得形状记忆合金构件峰值变形过大并进入强化阶段后，该构件将产生残余变形从而使该摇摆墙再经历小变形时失去初始刚度。同样，低温下形状记忆合金构件亦将退化并表现普通金属构件的行为，导致摇摆墙在经历较大变形后再经历小变形时由于残余变形的影响而失去初始刚度。
在专利201710930096.5中公开了一种基于形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙组件，该装置的耗能与自复位性能基于形状记忆合金棒材的受拉行为，而在形状记忆合金棒材受压时处于非工作状态。实际上，由于地震峰值的随机性与不可预测性，结构在实际地震中往往会产生大于设计目标值的变形(如大于设计目标值的峰值层间位移角)，此时形状记忆合金棒材将由于进入强化阶段而产生残余变形，形状记忆合金棒的长度将大于该专利中记忆合金顶端锚固点与底部限位点的间距；这意味着当结构再经历较小变形时，该自复位摇摆墙的形状记忆合金组件将失去初始刚度，即在该变形下无承载能力。同样，在低温下，形状记忆合金将退化为普通金属的力学特性，此时在经历地震荷载时一定会产生残余变形，该自复位摇摆墙的形状记忆合金组件亦将在较小变形时失去初始刚度与承载力，原理同上。而本发明在形状记忆合金棒削弱区引入外套筒，同时将底部也与基础锚固，从而考虑形状记忆合金棒的受压性能。由于约束套筒的作用，在形状记忆合金受压时，其依然可以表现出良好的耗能、自复位及抗疲劳性能。由于屈曲约束形状记忆合金的受压时亦可消耗能量，自复位摇摆墙的能量耗散能力也有所增加。同时，在经历较大地震或在较低温度下，其形状记忆合金出现普通金属的性能，该屈曲约束形状记忆合金将表现为类似屈曲约束支撑的性能，即便存在残余变形，亦不会失去初始刚度与承载力。
技术实现要素：
为了克服现有的预应力自复位摇摆墙的构造及施工工艺较为复杂，名义屈服后刚度较大，允许变形有限，及现有形状记忆合金自复位摇摆墙的形状记忆合金组件受压易屈曲并发生断裂，且大震及低温下易失去初始刚度的不足；本发明提供一种基于屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙；该自复位摇摆墙在地震荷载作用下具有良好的耗能性能和自复位能力，允许变形范围大，往复荷载行为对称，低温下及经历过大变形后不会失去初始刚度；实现了损伤控制，震后结构梁构件不会损坏，仅需要更换形状记忆合金棒及墙体间阻尼器即可恢复功能。同时，本发明还在摇摆墙体系中引入摩擦墙，从而有效提高摇摆墙体系的能量耗散能力。本发明构造简单，生产安装简便，经济效益较高。
本发明的目的之一是提供一种基于屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙。
本发明的目的之二是提供一种包括屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙的钢结构建筑。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙，由摇摆墙体、基础梁、墙体连接系、形状记忆合金棒、约束套筒、锚固装置、预埋套筒、主体框架或墙体、墙体间阻尼器、摩擦墙及摩擦片构成，其中：所述摇摆墙体与所述基础梁由墙体连接系连接，该墙体连接系应保证摇摆墙体与基础梁之间为铰接，并为摇摆墙体留有充足的转动空间；所述形状记忆合金棒布置于所述墙体与所述基础梁之间，其底部通过锚固装置与基础梁连接，顶部通过预埋套筒与所述摇摆墙体连接，其在提供转动刚度的同时，基于自身马氏体-奥氏体相变特性在地震作用下为摇摆墙提供耗能性能及自复位性能；所述约束套筒安装于所述形状记忆合金棒周侧并包裹住所述形状记忆合金棒，该约束套筒可约束形状记忆合金棒受压屈曲，从而有效提高形状记忆合金棒受压时的延性与承载力；所述摇摆墙体两侧布置有主体框架或墙体，他们之间通过若干组所述墙体间阻尼器连接，所述墙体间阻尼器可增加所述摇摆墙的能量耗散能力；所述摩擦墙与所述摇摆墙体平行布置，所述的摩擦墙固定不动；所述摩擦墙与所述摇摆墙体间装有摩擦片，以提高摇摆墙体系的能量耗散能力；所述形状记忆合金棒应通过超拧螺纹的方式施加预紧力，以克服墙体间阻尼器及摩擦引起的回位阻力。
在适用环境温度下，当地震发生时，摇摆墙体绕位于基础梁附附近的铰转动，使位于转动中心两侧的形状记忆合金棒分别处于受拉和受压状态并消耗地震能量。这一过程中，所述约束套筒对所述形状记忆合金棒的约束作用保证了形状记忆合金棒材的受压行为。同时，位于墙体间的阻尼器由于各墙体或墙体与主体框架间的错位变形而消耗地震能量，而摇摆墙体与摩擦墙间由于错动变形而实现摩擦耗能。由于形状记忆合金自身特性，在地震作用卸除后，形状记忆合金棒回复于原位，其预紧力可克服墙体间阻尼器及摇摆墙体与摩擦墙的回位阻力使其回复于原位，自复位摇摆墙无残余变形。在整个受荷过程中，由于形状记忆合金棒相对于转动中心对称布置，摇摆墙往复运动时的滞回行为对称。而在低温下，形状记忆合金的性能退化为普通金属的性能，该摇摆墙将表现出传统摇摆墙的行为。当摇摆墙经历超出设计允许范围的变形时，即便形状记忆合金棒产生残余变形，在该摇摆墙再次经历小于残余变形的小变形时仍可表现为传统摇摆墙的特性，而不会失去初始刚度。
进一步的，所述墙体连接系一端与所述的摇摆墙体固定连接，另一端通过铰节点与基础梁连接，墙体连接系铰节点靠近所述基础梁附近。所述墙体连接系应保证摇摆墙体可由充足空间绕铰接点转动。
本发明中，所述形状记忆合金棒分为两组，对称布置于所述墙体连接系与所述基础梁的铰接点两侧；每组包括多根竖直设置且相互平行的形状记忆合金棒，每根形状记忆合金棒的一端通过预埋于摇摆墙体内的所述预埋套筒连接，另一端与所述基础梁通过所述锚固装置(钢梁)或所述预埋套筒(混凝土梁)连接。
进一步的，每组形状记忆合金棒可按照实际要求配置若干根形状记忆合金。
进一步的，所述形状记忆合金棒中部为削弱区，两端为锚固区，削弱区与锚固区之间设有过渡区；其中：削弱区截面形状可以为圆形、矩形等；锚固区应刻有螺纹；且锚固区最小净截面积应大于削弱区最小净截面积。
进一步的，所述形状记忆合金棒采用形状记忆合金材料制成，例如镍-钛合金材质。
进一步的，所述形状记忆合金棒的允许变形量应大于设计参考地震下的最大变形量。
进一步的，当所述形状记忆合金棒通过所述锚固装置与其他构件相连时，所述锚固装置两侧均应配置螺栓以保证他们在受任何方向的轴向力情况下均不发生相对位移。
进一步的，所述锚固装置可以为块状、角钢形、板形等多种形式。
本发明中，所述约束套筒安装于所述形状记忆合金棒周侧并包裹住所述形状记忆合金棒。
进一步的，所述约束套筒为中部开有与所述形状记忆合金棒削弱区截面相吻合的长槽的圆柱体、长方体等多种形式；其中，所述长槽槽壁与所述形状记忆合金棒削弱区外壁见应留有1-2mm间隙。
优选的，所述约束套筒直接可选用两块开有长槽的钢板拼接而成；由两块钢板的长槽共同形成所述约束套筒的内槽。
进一步的，所述约束套筒的长度应略小于所述形状记忆合金棒削弱段长度，其长度差应略小于形状记忆合金棒的设计允许变形值。
进一步的，所述约束套筒内槽与所述形状记忆合金棒间的空隙应填充无粘结材料；无粘结材料可以为环氧树脂、橡胶层、锂基脂、软玻璃等。
进一步的，所述摇摆墙体与两侧主体框架或墙体可通过各种形式的阻尼器连接，这些阻尼器应对称布置，以保证摇摆墙的往复行为对称。
本发明中，所述摩擦墙与所述摇摆墙体平行布置，并与基础梁固定连接，连接需保证在结构发生侧移变形时，所述摩擦墙与基础梁间无相对位移。
进一步的，所述摩擦墙与所述摇摆墙体间设置摩擦片。
进一步的，摩擦片可采用铝制摩擦片或钢制摩擦片等。
本发明中，所述形状记忆合金棒应通过超拧螺纹的形式施加足量预紧力，以克服所述阻尼器的复位阻力。
本发明中，所述各构件应按需求设置加劲肋。
本发明还提供了一种钢结构建筑，所述钢结构建筑包括上述基于屈曲约束形状记忆合金
棒材的自复位摇摆墙。
本发明的有益效果是：
在正常使用状态下，该摇摆墙可具有较好的承载力。在地震发生时，摇摆墙体绕铰接点相对于基础梁发生转动，使位于转动中心两侧的形状记忆合金棒分别处于受拉和受压状态并消耗地震能量。同时，墙体间阻尼器由于墙体间或墙体与主体框架间的错位变形而消耗地震能量，而摇摆墙体与摩擦墙间的错位变形实现了摩擦耗能。若结构处于适用环境温度中，由于形状记忆合金自身特性，在地震作用卸除后，形状记忆合金棒回复于原位，其预紧力可克服墙体间阻尼器的复位阻力使墙体间阻尼器复位，整个摇摆墙无残余变形。且由于形状记忆合金棒相对于转动中心对称布置，摇摆墙往复运动时的滞回行为对称。形状记忆合金棒加约束套筒的布置方式保证了形状记忆合金棒的受压性能得以利用。同时，若结构处于低温环境中，形状记忆合金的性能退化为普通金属的性能，形状记忆合金棒加约束套筒的力学行为将类似于屈曲约束支撑，使得摇摆墙在地震作用下依然具有能量耗散能力，虽失去自复位能力但不会失去初始刚度。同理，若摇摆墙经历超出设计允许范围的变形，即便形状记忆合金棒产生残余变形，在摇摆墙再次经历小于残余变形的变形时仍可表现为传统摇摆墙的特性，而不会失去初始刚度；实现了损伤控制，震后结构梁构件不会损坏，仅需要更换形状记忆合金棒及墙体间阻尼器即可恢复功能；同时，该摇摆墙还具有形状记忆合金自复位摇摆墙的一般优点，包括耗能和自复位能力好，构造和施工工艺简单，允许变形范围大，耐久性和抗疲劳性能好，综合经济效益高等。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的基于屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明中的形状记忆合金棒的一个实施例示意图；
图3为本发明中的约束套筒的一个实施例的示意图；
图4为本发明中的预埋套筒的一个实施例的示意图；
图5为本发明中的锚固装置的一个实施例的示意图；
图6为本发明的局部放大图；
图中：1摇摆墙体、2基础梁、3墙体连接系、3-1铰接点、4形状记忆合金棒、4-1削弱区，4-2两端为锚固区，4-3削弱区与锚固区之间设有过渡区，5约束套筒、6锚固装置、6-1、翼板、6-2翼板、6-3加强板、7锚固预埋套筒、8主体框架或墙体、9墙体间阻尼器器，10摩擦墙，11摩擦片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。
术语解释部分:本发明中的术语“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，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者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的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中目前已提出的自复位摇摆墙主要包括预应力自复位摇摆墙和形状记忆合金自复位摇摆墙两类。预应力自复位摇摆墙通过耗能元件消耗地震能量，并通过预应力筋的预张力实现自复位。预应力自复位摇摆墙的构造及施工工艺较为复杂，且名义屈服后刚度较大，允许变形有限。受地震作用往复加载影响，预张力筋还会出现松弛，导致摇摆墙再经历小变形时失去初始刚度。形状记忆合金自复位摇摆墙通过形状记忆合金材料的超弹性实现耗能与自复位性能。现有的形状记忆合金自复位摇摆墙既有采用形状记忆合金丝材的，也有采用棒材或螺栓的，但其均以形状记忆合金材料仅受拉力为基础。这意味着该类自复位摇摆墙的形状记忆合金组件在受压时处于非工作状态，特别是对于采用棒材和螺杆的形状记忆合金组件在受压时很容易屈曲并在发生断裂。而当发生大震使得形状记忆合金构件峰值变形过大并进入强化阶段后，该构件将产生残余变形从而使该摇摆墙再经历小变形时失去初始刚度。同样，低温下形状记忆合金构件亦将退化并表现普通金属构件的行为，导致摇摆墙在经历较大变形后再经历小变形时由于残余变形的影响而失去初始刚度，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙；该自复位摇摆墙在地震荷载作用下具有良好的耗能性能和自复位能力，允许变形范围大，耗能能力更强，往复荷载行为对称，低温下及经历过大变形后不会失去初始刚度；实现了损伤控制，震后结构梁构件不会损坏，仅需要更换形状记忆合金棒即可恢复功能；且构造简单，生产安装简便，经济效益较高。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1至图6所示，该摇摆墙由摇摆墙体1、基础梁2、墙体连接系3、形状记忆合金棒4、约束套筒5、锚固装置6、锚固预埋套筒7、主体框架或墙体8及墙体间阻尼器器9，摩擦墙10，摩擦片11构成，其中：所述摇摆墙体1为刚度较大的混凝土剪力墙；所述基础梁2为h型截面的钢梁；所述摇摆墙体1与所述基础梁2由墙体连接系3连接，优选的，该墙体连接系3为倒三角形的杆系，其顶端与摇摆墙体通过预埋钢板焊接(实现固定连接)，底端通过铰支座与所述基础梁上翼缘板2-1连接；为摇摆墙体留有充足的转动空间。
所述形状记忆合金棒布置于所述摇摆墙体1与所述基础梁2之间，并通过锚固装置6与基础梁2连接，通过预埋套筒7与所述摇摆墙体1连接，其在提供转动刚度的同时，基于自身马氏体-奥氏体相变特性在地震作用下为摇摆墙提供耗能性能及自复位性能；所述约束套筒5安装于所述形状记忆合金棒4周侧并包裹住所述形状记忆合金棒，该约束套筒可约束形状记忆合金棒受压屈曲，从而有效提高形状记忆合金棒受压时的延性与承载力；所述摇摆墙体1两侧布置有主体框架8，他们之间通过5组所述墙体间阻尼器连接，所述墙体间阻尼器选用金属屈服型阻尼器，该阻尼器可增加所述摇摆墙的能量耗散能力；所述摩擦墙10与基础梁2固定连接，当摇摆墙体1摇摆时，他们之间产生相对错位变形，从而产生摩擦消耗地震能量；所述形状记忆合金棒通过超拧螺纹的方式施加预紧力，以克服这些阻尼器的回位阻力。
该实施例中，所述的“超拧螺纹的方式”是指形状记忆合金棒的两端均为螺纹连接的形状记忆合金棒，每多拧几圈螺纹，形状记忆合金棒将被拉伸一定长度，从而产生内应力，即预张拉应力；与预张钢绞线类似；这里所述的“超”是指多拧几圈。
所述墙体连接系3为倒三角形杆系，杆件为矩形截面，材料为钢；
所述摇摆墙体1与所述基础梁2间为铰接，铰接点位于所述基础梁2的上翼缘2-1的外侧。
所述形状记忆合金棒4分为两组，每组形状记忆合金棒4可以设置多根，具体数量可按照实际要求配置若干根形状记忆合金。例如可以每组2根，对称布置于所述墙体连接系3与所述基础梁2的铰接点3-1两侧；每根形状记忆合金棒4的一端与所述摇摆墙体1通过预埋于摇摆墙体1内的所述预埋套筒7连接，另一端与所述基础梁2通过所述锚固装置6连接。优选的，如图3所示，所述形状记忆合金棒4设计成：中部为削弱区4-1，两端为锚固区4-2，削弱区与锚固区之间设有过渡区4-3。其中：削弱区4-3的截面形状可以为圆形；锚固区4-2刻有螺纹；且锚固区4-2的最小净截面积大于削弱区4-1的最小净截面积。
优选的，所述形状记忆合金棒4采用镍-钛合金材质。所述形状记忆合金棒4的允许变形量应大于设计参考地震下的最大变形量。
所述形状记忆合金棒4与所述锚固装置6连接时，所述锚固装置6两侧均配置螺栓以保证锚固板6和形状记忆合金棒4在受任何方向的轴向力情况下均不发生相对位移。
优选的，所述锚固装置6为l形，并在两翼板6-1与6-2间设置有加强板6-3。
优选的，所述预埋套筒7为圆柱形套筒，内侧开有与所述形状记忆合金棒锚固区4-1相合的螺纹。
优选的，所述约束套筒5安装于所述形状记忆合金棒3周侧并包裹住所述形状记忆合金棒3。
优选的，所述约束套筒5为中部开有圆形截面长槽的圆柱体；其中，所述长槽槽壁与所述形状记忆合金棒削弱区外壁见留有2mm间隙。
优选的，所述约束套筒5的长度小于所述形状记忆合金棒4削弱段4-1的长度，其长度差应略小于形状记忆合金棒的设计允许变形值。
优选的，所述摇摆墙体1两侧有主体框架8；所述摇摆墙体1与两侧主体框架8通过金属屈服型阻尼器9连接。金属屈服型阻尼器9分为两组，每组设置多个，如图所示，每组可以设置5个，对称布置于摇摆墙体1两侧，以保证摇摆墙的往复行为对称。
进一步的，所述摩擦墙体10与所述摇摆墙体1平行布置，摩擦墙体10要求固定不动；具体的连接方式可以参考图6，其其底部与基础梁2固定连接，顶部与别的装置固定连接，连接需保证在结构发生侧移变形时，所述摩擦墙与基础梁2间无相对位移。
进一步的，所述摩擦墙10与所述摇摆墙体1间设置摩擦片11。优选的，摩擦片11可采用铝制摩擦片。
所述形状记忆合金棒4通过超拧螺纹的形式施加足量预紧力，以克服所述阻尼器的复位阻力。
在正常使用状态下，该摇摆墙可具有较好的承载力。在地震发生时，摇摆墙体绕铰接点相对于基础梁发生转动，使位于转动中心两侧的形状记忆合金棒分别处于受拉和受压状态并消耗地震能量。同时，墙体间阻尼器由于墙体与主体框架间的错位变形而消耗地震能量，摇摆墙体与摩擦墙间产生相对错位变形实现摩擦耗能。若结构处于适用环境温度中，由于形状记忆合金自身特性，在地震作用卸除后，形状记忆合金棒回复于原位，其预紧力可克服墙体间阻尼器的复位阻力使墙体间阻尼器复位，整个摇摆墙无残余变形。且由于形状记忆合金棒相对于转动中心对称布置，摇摆墙往复运动时的滞回行为对称。而若结构处于低温环境中，形状记忆合金的性能退化为普通金属的性能，该摇摆墙将在地震作用下表现出传统摇摆墙的行为而不会失去初始刚度。若摇摆墙经历超出设计允许范围的变形，即便形状记忆合金棒产生残余变形，在摇摆墙再次经历小于残余变形的变形时仍可表现为传统摇摆墙的特性，而不会失去初始刚度。同时，该摇摆墙还具有形状记忆合金自复位摇摆墙的一般优点，包括耗能和自复位能力好，构造和施工工艺简单，允许变形范围大，震后摇摆墙无需修复，耐久性和抗疲劳性能好，综合经济效益高等。
另一方面，本发明提供一种钢结构建筑，所述钢结构建筑包括上述基于屈曲约束形状记忆合金棒材的自复位摇摆墙。本发明的钢结构建筑由于具有的该种摇摆墙耗能性能好，因此在地震作用发生时，输入主要结构构件的能量较小，可有效保护结构构件；由于形状记忆合金材料优越的超弹性，其在地震作用后残余变形极小从而为震后的建筑修复提供便利；更重要的是，该类建筑在超出设计参考强度的地震作用后以及在低温下不会丧失刚度，且该类建筑较现有自复位建筑构造更简单，施工更便捷，可有效保证建筑施工质量。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。