一种用于摇摆墙结构体系的墙角元件约束方法与流程

本发明涉及摇摆墙墙角元件约束领域，尤其涉及一种用于摇摆墙结构体系的墙角元件约束方法。

背景技术：

1、钢筋混凝土框架结构是建筑结构中广泛应用的一种结构形式。然而，经震后灾害调查可知，该类结构在地震中容易发生不可修复的损伤。据统计，框架结构损伤破坏往往源于少数楼层变形集中形成的层屈服机制。为了减少地震中不可修复的损伤、提高结构的抗震性能，摇摆墙被引入到框架结构中，进而发展了框架-铰支摇摆墙结构。该结构由框架与摇摆墙组成。框架结构在水平荷载作用下，变形模式为剪切型，结构的最大层间位移角出现在结构底部。而摇摆墙在水平荷载作用下，变形模式为弯曲型。两者之间仅在楼层处由剪力连接键连接，共同工作协同作用。因此，框架-铰支摇摆墙结构的整体变形模式为弯剪型，变形集中的现象会大大降低。此外，由框架结构承担的水平力，转嫁到摇摆墙结构，内力进行了重新的分布。框架的受力情况得到了缓解。研究表明：只要摇摆墙具有足够的刚度和强度，摇摆墙可以有效地控制框架结构的变形模式，使结构的层间侧移趋于均匀，减轻或避免框架结构的层屈服破坏。既有研究中，主要以摇摆墙与基础通过铰接方式连接的框架－摇摆墙结构为主，即：框架－铰支摇摆墙结构。然而在实际结构中，在摇摆墙底层通常会附加提供额外恢复力的装置,从而产生一定的抗弯刚度。因此，在摇摆墙结构底层引入反映墙角元件恢复力的转动约束弹簧显得很有必要。武大洋等在摇摆结构底部引入转动约束弹簧，转动约束弹簧的刚度为kr，并在动力学基础上建立了新的分布参数数学模型。然而，在动力学的基础上进行建模,由于引入了时间、加速度等变量使得该方法的计算非常复杂，导致墙角元件结构参数的计算非常耗时，难以针对摇摆墙结构体系做出墙角元件结构参数的快速约束，不便于设计人员的使用。

技术实现思路

1、为了简化墙角元件其结构参数的计算，并基于摇摆墙结构体系的结构参数实现对墙角元件结构参数的快速约束，本发明提出了一种用于摇摆墙结构体系的墙角元件约束方法，其中，所述墙角元件包括从上至下依次设置的上约束板、组合碟形弹簧和下约束板；所述组合碟形弹簧的一端与所述上约束板相抵，所述组合碟形弹簧的另一端与所述下约束板相抵，所述下约束板上设有一通孔，所述下约束板的底部设有支座，所述上约束板上设有一芯棒，且所述芯棒从上至下依次穿过所述组合碟形弹簧和所述通孔，包括步骤：

2、s01：设定摇摆墙与框架结构的结构参数，并通过框架结构的结构参数获取框架结构的剪切刚度；设定顶部集中荷载f与水平倒三角荷载表达式；设定目标层间位移角θtar；所述水平倒三角荷载表达式中包括变量ξ，所述变量ξ为摇摆墙结构体系的竖向高度ξ；

3、s02：通过摇摆墙的受力平衡、弯矩、剪力与荷载集度之间的微分关系构建第一平衡方程；通过设定框架结构所受侧向水平荷载为水平倒三角荷载，以通过水平倒三角荷载表达式转换第一平衡方程，并通过转换后的第一平衡方程、剪切刚度与摇摆墙的结构参数构建水平倒三角荷载作用下摇摆墙结构体系对应的侧移表达式为第一侧移表达式；通过设定框架结构所受侧向水平荷载为顶部集中荷载且设定顶部集中荷载f不等于零，构建第二平衡方程，通过第二平衡方程构建顶部集中荷载作用下摇摆墙结构体系对应的侧移表达式为第二侧移表达式；

4、s03：通过第一侧移表达式与第二侧移表达式构建层间位移角表达式，并对层间位移角表达式求导，求解当层间位移角为目标层间位移角θtar时对应的竖向高度ξmax；通过代入竖向高度ξmax至层间位移角表达式得到转动组合碟形弹簧的刚度kr；

5、s04：通过摇摆墙底面相对于基础平面转动的角度计算公式、转动组合碟形弹簧的弯矩计算公式与转动组合碟形弹簧的刚度kr得到转动组合碟形弹簧的弯矩mr；

6、s05：构建弯矩mr与组合碟形弹簧承载力需求fz的关系式，并通过将求取的弯矩mr代入关系式得到组合碟形弹簧承载力需求fz；

7、s06：通过组合碟形弹簧承载力需求fz求取沿相同方向叠合的单片碟形弹簧数量n，获取组合碟形弹簧的变形量需求fz，通过变形量需求fz获取组合碟形弹簧中碟形弹簧的对合数量i；通过沿相同方向叠合的单片碟形弹簧数量n与碟形弹簧对合数量i获取碟形弹簧组合高度hz，通过碟形弹簧组合高度hz约束墙角元件中的芯棒长度与支座高度。

8、进一步地，所述s01步骤中还包括：设定墙角元件拟分担恢复力系数目标值γtar；所述s03步骤至s04步骤之间还包括：

9、s31：通过墙角元件拟分担恢复力系数计算公式获取转动组合碟形弹簧刚度kr对应的墙角元件拟分担恢复力系数；所述墙角元件拟分担恢复力系数的计算公式为：式中，γ表示墙角元件拟分担恢复力系数，uf表示kr＝∞时，相对kr＝0时减少的位移量，ur表示时，相对kr＝0时减少的位移量；

10、s32：判断γ是否大于等于γtar，若是，则进入s04步骤。

11、进一步地，所述s01步骤中，摇摆墙的结构参数包括混凝土的弹性模量ew及摇摆墙截面的宽度bw和长度hw，框架结构的结构参数包括：混凝土的弹性模量ef、框架结构的总高度h、层高h、楼层中柱子数n、梁的截面宽bb与截面长hb、柱的截面宽bc与截面长hc；

12、所述框架结构其剪切刚度的获取公式为：

13、式中，ic为柱子的惯性矩；ib为梁的惯性矩,k为剪切刚度。

14、所述水平倒三角荷载表达式为：

15、p(ξ)＝qξ；式中，其中，h为框架结构总高度；x为框架结构的任意高度，p(ξ)为摇摆墙与整体框架结构所受侧向水平荷载为均布荷载，q为最大竖标值。

16、进一步地，所述s02步骤中，第一平衡方程的公式表达式为：

17、

18、式中，iw为摇摆墙在平面内的截面惯性矩，所述第一平衡方程中的uβ表示水平倒三角荷载作用下摇摆墙结构体系对应的侧向位移；

19、所述通过水平倒三角荷载表达式转换第一平衡方程，转换后的第一平衡方程公式表达式为：

20、所述第一侧移表达式的公式为：

21、

22、式中，其中，λ为反映框架结构的剪切刚度与摇摆墙截面抗弯刚度的相对大小的无量纲参数；β为反映转动组合碟形弹簧刚度与摇摆墙截面抗弯刚度的相对大小的无量纲参数；kr为转动组合碟形弹簧的刚度。

23、进一步地，所述s02步骤中，所述第二平衡方程的公式表达式为：

24、所述第二平衡方程中的uβ表示顶部集中荷载作用下摇摆墙结构体系对应的侧向位移；

25、所述第二侧移表达式的公式为：

26、

27、式中，

28、进一步地，所述s03步骤中，通过第一侧移表达式与第二侧移表达式构建层间位移角表达式，具体为：

29、通过第一侧移表达式获取在水平倒三角荷载作用下的层间位移角θtri，获取公式为：

30、

31、通过第二侧移表达式获取在顶部集中荷载作用下的层间位移角θcon，获取公式为：

32、

33、通过θtri与θcon构建层间位移角表达式，构建公式为：

34、

35、

36、式中，θz为水平倒三角荷载作用下与顶部集中荷载作用下的层间位移角；

37、所述s03步骤中，对层间位移角表达式求导，求导公式为：

38、所述目标层间位移角θtar为层间位移角限值。

39、进一步地，所述s04步骤具体包括：

40、通过预设转角计算公式得到摇摆墙底面相对于基础平面转动的角度计算公式；所述预设转角计算公式为：

41、式中，y表示整体框架结构的侧向位移即水平倒三角荷载作用下与顶部集中荷载作用下摇摆墙结构体系对应侧向位移之和；x表示框架结构的真实高度；θ表示摇摆墙相对于基础平面转动的角度；

42、所述角度计算公式为：

43、式中，ξ＝0表示摇摆墙结构体系的竖向高度为0；θ0表示摇摆墙底面相对于基础平面转动的角度；

44、通过将θ0与kr代入转动组合碟形弹簧的弯矩计算公式求取转动组合碟形弹簧的弯矩mr；所述弯矩计算公式的表达式为：mr＝krθ0。

45、进一步地，所述s05步骤中，弯矩mr与组合碟形弹簧承载力需求fz的关系式的表达式为：

46、式中，br为墙角元件的宽度，bw摇摆墙截面的宽度bw。

47、进一步地，所述s06步骤中，沿相同方向叠合的单片碟形弹簧数量n的获取公式为：

48、fz＝n·fspr；式中，fspr为f≈0.75h0时单片碟形弹簧的承载能力，其中，f表示单片碟形弹簧的变形量；h0表示无支撑面单片碟形弹簧压平时的变形量；

49、所述s06步骤中，变形量需求fz的获取公式为：

50、式中，θmax表示摇摆墙底面相对于基础平面转动的最大角度；

51、所述s06步骤中，碟形弹簧对合数量i的获取公式为：

52、fz＝i·f；

53、所述s06步骤中，碟形弹簧组合高度hz的获取公式为：

54、hz＝i·(h0+(n-1)·t)；式中，h0为单片碟形弹簧的自由高度，t表示单片碟形弹簧的厚度。

55、进一步地，所述s06步骤中，通过碟形弹簧组合高度hz约束墙角元件中的芯棒长度与支座高度，其中使用的约束条件包括：

56、第一约束条件：lx＞hz+tx；式中，lx表示芯棒长度，tx表示下约束板的厚度；第二约束条件：hd＞lx-hz-tx+fz，式中，hd表示支座高度。

57、与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

58、(1)本发明基于摇摆墙与框架结构的结构参数，获取框架结构的剪切刚度，通过剪切刚度、结构参数、以及构建的第一平衡方程与第二平衡方程构建水平倒三角荷载作用下的第一侧移表达式与顶部集中荷载作用下的第二侧移表达式，并通过第一侧移表达式与第二侧移表达式构建层间位移角表达式，以求解当层间位移角为目标层间位移角时转动组合碟形弹簧的刚度，通过角度计算公式、弯矩计算公式与转动组合碟形弹簧的刚度获取转动组合碟形弹簧的弯矩，通过弯矩求取组合碟形弹簧承载力需求，求取变形量需求，并通过组合碟形弹簧承载力需求与变形量需求求取沿相同方向叠合的单片碟形弹簧数量与碟形弹簧的对合数量，进而得到碟形弹簧组合高度，通过碟形弹簧组合高度约束墙角元件中的芯棒长度与支座高度，其在避免使用时间、加速度等动力学变量的基础上构建各个表达式，以求取碟形弹簧组合高度，从而实现了在静力学的基础上对墙角元件中芯棒长度与支座高度的快速约束，极大的提高了墙角元件的设计效率；

59、(2)本发明通过设定目标层间位移角，实现对转动组合碟形弹簧刚度的计算，并通过墙角元件拟分担恢复力系数计算公式获取转动组合碟形弹簧刚度对应的墙角元件拟分担恢复力系数，通过墙角元件拟分担恢复力系数目标值判断当前计算的转动组合碟形弹簧刚度是否符合预设要求，其进一步的提高了墙角元件设计的合理性与安全性。