一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构及其设计方法，包括分阶段震后功能可恢复剪力墙和楼板，剪力墙包括钢筋混凝土剪力墙单元、第一和第二可更换墙脚装置，钢筋混凝土剪力墙单元设置在混凝土底座上，第一和第二可更换墙脚装置均设置在钢筋混凝土剪力墙单元底部墙角和混凝土底座之间，且第一可更换墙脚装置位于外侧，第二可更换墙脚装置位于内侧；多遇地震作用下，第一和第二可更换墙脚装置处于弹性状态；设防地震作用下，第一可更换墙脚装置屈服耗能，提供自复位力；罕遇地震作用下，第一和第二可更换墙脚装置均屈服耗能，并提供自复位力。本发明专利技术将剪力墙在地震作用下的损伤集中于可更换的墙脚装置上，降低剪力墙结构的震后修复难度。结构的震后修复难度。结构的震后修复难度。

【技术实现步骤摘要】
一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构及其设计方法


[0001]本专利技术涉及建筑结构技术，特别是涉及一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构及其设计方法。

技术介绍

[0002]如何降低结构的震后修复难度，提高结构的震后功能可恢复性，近年来得到了学术界和工程界的广泛关注。提高结构的震后功能可恢复性的主要策略是有效控制地震作用下结构的震损和残余位移，降低结构的震后修复费用和修复时间。
[0003]现有结构抗震设计方法中考虑了不同阶段(如多遇地震、设防地震和罕遇地震)的分阶段设计，但目前震后功能可恢复结构的设计和研究过程中，尚未完全考虑结构的分阶段震后功能可恢复。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的一个目的是提供一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构，降低钢筋混凝土剪力墙结构的震后修复难度，提高钢筋混凝土结构的震后功能可恢复性，减少地震灾害对正常生活和生产的影响。
[0005]本专利技术的另一个目的是提供一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的设计方法，便于在不同的设计阶段对结构进行分析和设计，促进分阶段震后功能可恢复结构性能目标的实现。
[0006]技术方案：本专利技术的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构，包括：分阶段震后功能可恢复剪力墙和楼板，楼板盖合在分阶段震后功能可恢复剪力墙上，其中，分阶段震后功能可恢复剪力墙包括钢筋混凝土剪力墙单元、第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置，钢筋混凝土剪力墙单元设置在混凝土底座上，第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置均设置在钢筋混凝土剪力墙单元底部墙角和混凝土底座之间，且第一可更换墙脚装置位于外侧，第二可更换墙脚装置位于内侧；在多遇地震作用下，第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置处于弹性状态；在设防地震作用下，第一可更换墙脚装置屈服耗能，提供自复位力；在罕遇地震作用下，第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置装置均屈服耗能，并提供自复位力。
[0007]优选的，钢筋混凝土剪力墙单元底部为T型结构，T型结构上设置T型免拆外包钢板，T型免拆外包钢板与钢筋混凝土剪力墙单元内部的分布筋和箍筋焊接成整体，用于提高分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的抗剪能力和施工可行性；第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置平行设置于T型结构两侧，钢筋混凝土剪力墙单元与第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置的连接位置预埋螺栓；T型免拆外包钢板高度不小于第一可更换墙脚装置的长度。
[0008]优选的，第一可更换墙脚装置与第二可更换墙脚装置结构相同，均包括钢管、软钢、形状记忆合金、填料、第一连接钢板和第二连接钢板，软钢和形状记忆合金设置在钢管
内部，软钢两端分别与第一连接钢板和第二连接钢板焊接成整体，形状记忆合金两端分别与第一连接钢板和第二连接钢板可拆卸连接，钢管内部由填料填充密实，第一连接钢板和第二连接钢板分别与钢筋混凝土剪力墙单元和设计安装位置的混凝土底座固定连接。
[0009]优选的，第一连接钢板和第二连接钢板结构相同，均是由端部连接板、竖板和封板焊接成整体的钢构件，软钢与封板焊接成整体，封板设置内螺纹孔便于其与形状记忆合金连接，端部连接板设置螺栓孔，并通过预埋螺栓与钢筋混凝土剪力墙单元和设计安装位置的混凝土底座固定连接。
[0010]优选的，第一可更换墙脚装置与第二可更换墙脚装置的尺寸按照设防地震和罕遇地震作用下的最大自复位能力和耗能能力的匹配要求进行设计，用于分步激活多组自复位和耗能装置，建立钢筋混凝土剪力墙结构抵抗倒塌的多道防线；
[0011]软钢为耗能装置，设置于钢管中心，形状记忆合金为耗能和自复位装置，均匀分布于软钢和钢管之间；钢管及其内部填料提供约束力，避免软钢和形状记忆合金的屈曲。
[0012]本专利技术的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的设计方法，包括以下步骤：
[0013]S1、对分阶段震后功能可恢复剪力墙结构进行初步设计，设定结构参数；
[0014]S2、根据多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下结构性能要求，分别确定多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下分阶段功能可恢复剪力墙结构各层的最大位移角θ
max
和残余位移角γ
max
；
[0015]S3、根据分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系各层的残余位移角γ
max
分布和最大位移角θ
max
分布与分阶段功能可恢复剪力墙结构单自由度体系残余位移和最大位移的转化关系函数，分别确定多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系的残余位移
△
'
i
和最大位移
△
i
分布模式；
[0016]S4、将分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系等效为分阶段功能可恢复剪力墙结构单自由度体系；
[0017]首先，分别计算多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下等效单自由度体系的等效最大位移
△
d
、等效质量M
eq
和等效残余位移
△
'
d
；
[0018]其次，根据地震设防水准及等效最大位移
△
d
，利用相应的最大位移反应谱确定等效单自由度体系的等效周期T
eq
，求取等效单自由度体系的等效刚度K
eq
；根据残余位移谱确定等效单自由度体系的耗能系数β，耗能系数β为单自由度体系旗帜型滞回模型与双线性弹塑性模型最大位移相同条件下的耗能比；
[0019]然后，根据等效刚度K
eq
计算基底剪力V
b
，并计算分阶段功能可恢复剪力墙结构各性能水平的地震剪力需求，进而计算剪力墙结构的剪力分配，实现剪力墙截面设计；
[0020]S5、分别对分阶段震后功能可恢复剪力墙结构分阶段工作的第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置进行设计；
[0021]S6、建立已设计分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的数值模型，对其进行地震作用下的非线性时程分析，计算各地震水准下分阶段震后功能可恢复剪力墙结构各层的最大位移角和残余位移角，检验两者是否满足目标性能要求；若满足则停止计算，若不满足则调整分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的剪力墙的尺寸和配筋、第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置的尺寸和参数，重新进行设计步骤S1
‑
S6，直至满足要求。
[0022]进一步的，步骤S3中分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系各层的残余位移
角γ
max
分布和最间位移角θ
max
分布与分阶段功能可恢复剪力墙结构单自由度体系残余位移和最大位移的转化关系函数分别为：
[0023][0024][0025]其中，
△
'
i
为剪力墙结构在各性能水准下的各楼层处的残余位移，
△
i
为剪力墙结构在各性能水准下的各楼层处的最大位移，h
i
为分阶段功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构，其特征在于，包括：分阶段震后功能可恢复剪力墙(I)和楼板(II)，楼板(II)盖合在分阶段震后功能可恢复剪力墙(I)上，其中，分阶段震后功能可恢复剪力墙(I)包括钢筋混凝土剪力墙单元(1)、第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)，钢筋混凝土剪力墙单元(1)设置在混凝土底座(19)上，第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)均设置在钢筋混凝土剪力墙单元(1)底部墙角和混凝土底座(19)之间，且第一可更换墙脚装置(2)位于外侧，第二可更换墙脚装置(3)位于内侧；在多遇地震作用下，第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)处于弹性状态；在设防地震作用下，第一可更换墙脚装置(2)屈服耗能，提供自复位力；在罕遇地震作用下，第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)装置均屈服耗能，并提供自复位力。2.根据权利要求1所述的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构，其特征在于，钢筋混凝土剪力墙单元(1)底部为T型结构，T型结构上设置T型免拆外包钢板(4)，T型免拆外包钢板(4)与钢筋混凝土剪力墙单元(1)内部的分布筋(51)和箍筋(52)焊接成整体，用于提高分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的抗剪能力和施工可行性；第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)平行设置于T型结构两侧，钢筋混凝土剪力墙单元(1)与第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)的连接位置预埋螺栓(6)；T型免拆外包钢板(4)高度不小于第一可更换墙脚装置(2)的长度。3.根据权利要求1所述的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构，其特征在于，第一可更换墙脚装置(2)与第二可更换墙脚装置(3)结构相同，均包括钢管(7)、软钢(8)、形状记忆合金(9)、填料(10)、第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12)，软钢(8)和形状记忆合金(9)设置在钢管(7)内部，软钢(8)两端分别与第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12)焊接成整体，形状记忆合金(9)两端分别与第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12)可拆卸连接，钢管(7)内部由填料(10)填充密实，第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12)分别与钢筋混凝土剪力墙单元(1)和设计安装位置的混凝土底座(19)固定连接。4.根据权利要求3所述的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构，其特征在于，第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12)结构相同，均是由端部连接板(13)、竖板(14)和封板(15)焊接成整体的钢构件，软钢(8)与封板(15)焊接成整体，封板(15)设置内螺纹孔(16)便于其与形状记忆合金(9)连接，端部连接板(13)设置螺栓孔(18)，并通过预埋螺栓(6)与钢筋混凝土剪力墙单元(1)和设计安装位置的混凝土底座(19)固定连接。5.根据权利要求3所述的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构，其特征在于，第一可更换墙脚装置(2)与第二可更换墙脚装置(3)的尺寸按照设防地震和罕遇地震作用下的最大自复位能力和耗能能力的匹配要求进行设计，用于分步激活多组自复位和耗能装置，建立钢筋混凝土剪力墙结构抵抗倒塌的多道防线；软钢(8)为耗能装置，设置于钢管中心，形状记忆合金(9)为耗能和自复位装置，均匀分布于软钢(8)和钢管(7)之间；钢管(7)及其内部填料(10)提供约束力，避免软钢(8)和形状记忆合金(9)的屈曲。6.一种权利要求1
‑
5任一项所述的分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对分阶段震后功能可恢复剪力墙结构进行初步设计，设定结构参数；S2、根据多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下结构性能要求，分别确定多遇地震、设
防地震和罕遇地震作用下分阶段功能可恢复剪力墙结构各层的最大位移角θ
max
和残余位移角γ
max
；S3、根据分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系各层的残余位移角γ
max
分布和最大位移角θ
max
分布与分阶段功能可恢复剪力墙结构单自由度体系残余位移和最大位移的转化关系函数，分别确定多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系的残余位移
△
'
i
和最大位移
△
i
分布模式；S4、将分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系等效为分阶段功能可恢复剪力墙结构单自由度体系；首先，分别计算多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下等效单自由度体系的等效最大位移
△
d
、等效质量M
eq
和等效残余位移
△
'
d
；其次，根据地震设防水准及等效最大位移
△
d
，利用相应的最大位移反应谱确定等效单自由度体系的等效周期T
eq
，求取等效单自由度体系的等效刚度K
eq
；根据残余位移谱确定等效单自由度体系的耗能系数β，耗能系数β为单自由度体系旗帜型滞回模型与双线性弹塑性模型最大位移相同条件下的耗能比；然后，根据等效刚度K
eq
计算基底剪力V
b
，并计算分阶段功能可恢复剪力墙结构各性能水平的地震剪力需求，进而计算剪力墙结构的剪力分配，实现剪力墙截面设计；S5、分别对分阶段震后功能可恢复剪力墙结构分阶段工作的第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置进行设计；S6、建立已设计分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的数值模型，对其进行地震作用下的非线性时程分析，计算各地震水准下分阶段震后功能可恢复剪力墙结构各层的最大位移角和残余位移角，检验两者是否满足目标性能要求；若满足则停止计算，若不满足则调整分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的剪力墙的尺寸和配筋、第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置的尺寸和参数，重新进行设计步骤S1
‑
S6，直至满足要求。7.根据权利要求6所述的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的设计方法，其特征在于，步骤S3中分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系各层的残余位移角γ
max
分布和最间位移角θ
max
分布与分阶段功能可恢复剪力墙结构单自由度体系残余位移和最大位移的转化关系函数分别为：转化关系函数分别为：其中，
△
'
i
为剪力墙结构在各性能水准下的各楼层处的残余位移，
△
i
为剪力墙结构在各性能水准下的各楼层处的最大位移，h
i
为分阶段功能可恢复剪力墙结构第i层的楼层层高，n为分阶段功能可恢复剪力墙结构的总楼层层数。8.根据权利要求6所述的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的设计方法，其特征在于，步骤S4中多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下等效单自由度体系的等效最大位移
△
d
、等效质量M
eq
和等效残余位移
△
'
d
的计算公式分别为：
其中，n为分阶段功能可恢复剪力墙结构的总楼层层数，m
i
为第i层的质量，
△
i
为最大位移，
△
'
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王维，王星星，汪立冬，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：