带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙

技术领域

本发明涉及一种带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙，属于建筑结构工程技术领域。

背景技术

剪力墙作为一种重要的抗侧力构件，能够有效的提高建筑结构的抗震能力。但其本身刚度大、延性较小，在地震作用后往往破坏严重，修复成本高或难以修复。

为了解决剪力墙震后破坏严重的问题，在剪力墙结构体系内引入了摇摆结构，形成一种新型的结构抗震体系。目前的摇摆剪力墙通过布置耗能装置进行耗散地震，以减小剪力墙的损坏，但是其耗能能力有限，作为抗震防线的安全冗余度并不够，同时在遭遇大震时，现有技术的耗能装置因为反复碰撞容易产生累积损伤，造成构件难以修复和更换。

因此，迫切需要研发一种耗能能力强，有足够安全冗余度，又能迅速恢复使用功能的新型摇摆式剪力墙。

发明内容

本发明提供一种带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙，满足地震作用下分阶段进行耗能的需求，使得结构安全冗余度提高，同时在损坏后进行快速拆卸更换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙，包括由两片剪力墙构成的双钢板混凝土组合剪力墙，两片剪力墙分别为上剪力墙和下剪力墙，上剪力墙与下剪力墙之间有间距， 定义间距的中心为原点，平行于地面方向为X轴，垂直于地面方向为Y轴，建立二维坐标系，上剪力墙位于Y轴的正方向，下剪力墙位于Y轴的负方向；

在坐标系的原点位置安装摇摆构件，摇摆构件位于X轴上的两侧分别安装带弹簧连接件的竖向橡胶支座，摇摆构件、带弹簧连接件的竖向橡胶支座均同时与上剪力墙、下剪力墙连接；

还包括耗能阻尼装置，其包括变截面耗能角钢单元以及转动摩擦单元，变截面耗能角钢单元包括若干组，沿着X轴方向且对称分布在X轴两侧，若干组变截面耗能角钢单元能够根据实际耗能情况进行拆卸与更换；

间距内位于X轴的始端、终端位置分别安装转动摩擦单元，转动摩擦单元的摩擦界面能够产生摩擦力，加速双钢板混凝土组合剪力墙的能量耗散；

作为本发明的进一步优选，上剪力墙朝向下剪力墙的端部设置端板，下剪力墙朝向上剪力墙的端部同样设置端板，摇摆构件、竖向橡胶支座以及耗能阻尼装置均通过端板与双钢板混凝土组合连接；

作为本发明的进一步优选，所述摇摆构件包括单耳板和双耳板，单耳板的底部安装在上剪力墙的端板上，双耳板的底部安装在下剪力墙的端板上，单耳板与双耳板通过销轴实现可旋转连接；

作为本发明的进一步优选，所述变截面耗能角钢单元包括上角钢、下角钢以及摩擦板；

上角钢的短肢与上剪力墙的端板通过螺栓连接，下角钢的短肢与下剪力墙的端板通过螺栓连接，上角钢的长肢与下角钢的长肢之间布设摩擦板，在上角钢的长肢上沿着Y轴方向开设竖向长圆孔，螺栓顺次穿设下角钢的长肢圆孔、摩擦板和上角钢的长肢竖向长圆孔，实现上角钢与摩擦板的相对滑动；

作为本发明的进一步优选，上角钢的短肢为变截面结构，其由上角钢的长肢端部向外部延伸扩大；下角钢的短肢同样为变截面结构，其由下角钢的长肢端部逐渐向外部延伸扩大；

在变截面耗能角钢单元中，上角钢的短肢以及下角钢的短肢的延伸方向均背向X轴；

上角钢的长肢上开设的竖向长圆孔，逐渐靠近原点的竖向长圆孔在Y轴方向的长度匹配变小；

作为本发明的进一步优选，所述转动摩擦单元包括上圆弧形钢板、下圆弧形钢板以及圆弧形摩擦板，圆弧形摩擦板包括两块，上圆弧形钢板的弧形边与下圆弧形钢板的弧形板相对布设，且上圆弧形钢板板面与下圆弧形钢板板面位于同一平面；上圆弧形钢板的直线侧边在X轴方向通过对接焊缝与上剪力墙的端板连接，下圆弧形钢板的直线侧边在X轴方向通过对接焊缝与下剪力墙的端板连接；

每块圆弧形摩擦板上均开设两个长圆孔，且两个长圆孔沿着弧形边分布，两块圆弧形摩擦板分别置于上圆弧形钢板与下圆弧形钢板形成的同平面两侧，上圆弧形钢板与两侧的圆弧形摩擦板、下圆弧形钢板与两侧的圆弧形摩擦板均能够相对滑动；

第一根螺栓顺次穿设第一块圆弧形摩擦板上的一个长圆孔、上圆弧形钢板以及第二块圆弧形摩擦板上的一个长圆孔，第二根螺栓顺次穿设第一块圆弧形摩擦板上的另一个长圆孔、下圆弧形钢板以及第二块圆弧形摩擦板上的另一个长圆孔；

作为本发明的进一步优选，第一根螺栓的初始预紧力小于第二根螺栓的初始预紧力；

作为本发明的进一步优选，上圆弧形钢板与下圆弧形钢板相邻的侧边之间有间隙；

作为本发明的进一步优选，上圆弧形钢板、下圆弧形钢板以及圆弧形摩擦板为镀锌钢板或者黄铜板或者钢板或者铝板；

作为本发明的进一步优选，所述竖向橡胶支座包括连接件与底座，连接件的顶部与上剪力墙的端板通过焊缝连接，连接件的底部与底座通过嵌入连接；

所述底座包括底板、橡胶支座本体、开槽钢支座以及弹簧连接件，开槽钢支座与底板之间垂直固定橡胶支座本体，底板与下剪力墙的端板通过焊缝连接，在橡胶支座本体对称的两侧分别布设弹簧连接件；

连接件的底部中心位置向外凸起形成六面体，开槽钢支座的顶部中心位置开设凹槽，连接件的六面体与开槽钢支座的凹槽匹配，即六面体嵌入凹槽内，实现连接件与底座的紧密连接。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙，充分利用摇摆剪力墙的转动效应，通过转动过程中摇摆构件的转动和带弹簧连接件的竖向橡胶支座的竖向变形，可将剪力墙的整体转动变形转化成若干组变截面耗能角钢单元的竖向变形及转动摩擦单元的转动变形，减小了其所受到的水平作用，提高了剪力墙结构的安全性；

2、本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙，沿上剪力墙与下剪力墙之间间距的两侧至中心分布的变截面耗能角钢单元上竖向长圆孔的长度逐渐变小，在达到预定的层间位移角时，各组变截面耗能角钢单元可同时实现角钢短肢的塑性变形耗能，从而吸收大量地震能量；

3、本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙，采用若干组变截面耗能角钢单元和转动摩擦单元组成的耗能阻尼装置实现分阶段耗能，既可以显著增加摇摆剪力墙的耗能能力，又能提高结构的安全冗余度，还能满足不同强度地震作用下的耗能需求；

4、本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙，耗能阻尼装置可拆卸，在遇到地震作用后，仅需更换外侧损伤的耗能阻尼装置，主体结构即能快速恢复使用功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙的整体结构示意图；

图2是本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙中上剪力墙、下剪力墙构成的双钢板混凝土组合剪力墙结构示意图；

图3是本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙中摇摆构件结构示意图；

图4是本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙中变截面耗能角钢单元结构示意图；

图5是本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙中转动摩擦单元结构示意图；

图6是本发明提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙中带弹簧连接件的竖向橡胶支座结构示意图。

图中：1为双钢板混凝土组合剪力墙，11为上剪力墙，12为下剪力墙，13为端板（上剪力墙），14为端板（下剪力墙），2为摇摆构件，21为单耳板，22为双耳板，3为变截面耗能角钢单元，31为上角钢，32为摩擦板，33为下角钢，4为转动摩擦单元，41为上圆弧形钢板，42为圆弧形摩擦板，43为下圆弧形钢板，5为竖向橡胶支座，51为底板，52为橡胶支座本体，53为开槽钢支座，54为弹簧连接件，55为连接件。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如背景技术中阐述的，现有技术中关于摇摆剪力墙的结构设置，耗能能力有限，并未给结构带来足够安全冗余度，同时在地震后往往受到较严重的破坏导致难以修复和更换。基于此，本申请提供了一种带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙，从图1中可以看出，包括由两片剪力墙构成的双钢板混凝土组合剪力墙1，两片剪力墙分别为上剪力墙11和下剪力墙12，上剪力墙与下剪力墙之间有间距，为了方便对结构的描述，定义间距的中心为原点，平行于地面方向为X轴，垂直于地面方向为Y轴，建立二维坐标系，显然上剪力墙位于Y轴的正方向，下剪力墙位于Y轴的负方向。

在剪力墙结构中，容易引起安全问题的其实就是剪力墙在水平方向受到的作用，因此为了提高剪力墙结构的安全性，需要减少其在水平向的作用力。本申请中，首先在坐标系的原点位置安装摇摆构件2，摇摆构件位于X轴上的两侧分别安装竖向橡胶支座5，摇摆构件、竖向橡胶支座均同时与上剪力墙、下剪力墙连接；然后本申请提供了耗能阻尼装置，其实现了双钢板混凝土组合剪力墙的分阶段耗能，包括变截面耗能角钢单元3以及转动摩擦单元4，变截面耗能角钢单元包括若干组，沿着X轴方向且对称分布在X轴两侧，间距内位于X轴的始端、终端位置分别安装转动摩擦单元，当由两片剪力墙构成的双钢板混凝土组合剪力墙在转动过程中，充分利用摇摆构件的转动效应以及竖向橡胶支座的竖向变形，将剪力墙结构的整体转动变形转化为若干组变截面耗能角钢单元的竖向变形以及转动摩擦单元的转动变形，由此达到减少剪力墙结构水平向作用力的目的。其次，本申请中变截面耗能角钢单元设置多组，转动摩擦单元的摩擦界面产生摩擦力，加速了双钢板混凝土组合剪力墙的能量耗散。最后由于变截面耗能角钢单元均设置在靠近剪力墙结构外侧的位置，转动摩擦单元设置在间距的两个端部，方便拆卸，遇到地震作用后，只需更换外侧损伤的耗能阻尼装置，即可在震后快速对剪力墙结构进行修复。

接下来对本申请提供的摇摆式剪力墙结构做具体的阐述。摇摆构件、竖向橡胶支座以及耗能阻尼装置均设置在图2所示的上剪力墙与下剪力墙之间间距内，同时需要同时跟上剪力墙以及下剪力墙连接，因此为了保证剪力墙结构的安全性，在上剪力墙朝向下剪力墙的端部设置端板13，下剪力墙朝向上剪力墙的端部同样设置端板14，摇摆构件、竖向橡胶支座以及耗能阻尼装置均通过端板与双钢板混凝土组合剪力墙连接。

图3所示是本申请提供的摇摆构件结构示意图，包括单耳板21和双耳板22，单耳板的底部安装在上剪力墙的端板上，双耳板的底部安装在下剪力墙的端板上，单耳板与双耳板通过销轴实现可旋转连接。从图3中可以明显看出，为了方便销轴连接，在单耳板以及双耳板上均开设用于穿设销轴的圆孔。

图4所示是本申请提供的变截面耗能角钢单元，包括多组，至于具体的组数设置取决于剪力墙所需耗能的能力及刚度，同时对称分布在X轴两侧更容易实现震后可更换的理念。变截面耗能角钢单元包括上角钢31、下角钢33以及摩擦板32；上角钢的短肢与上剪力墙的端板通过螺栓连接，下角钢的短肢与下剪力墙的端板通过螺栓连接，上角钢的长肢与下角钢的长肢之间布设摩擦板，在上角钢的长肢上沿着Y轴方向开设竖向长圆孔，螺栓顺次穿设下角钢的长肢圆孔、摩擦板和上角钢的长肢竖向长圆孔，，实现上角钢与摩擦板的相对滑动。这里上角钢以及下角钢的厚度与变截面耗能角钢单元的摩擦界面相对滑动时产生的摩擦力有关，宗旨就是需要确保在滑动过程中变截面耗能角钢单元不发生塑性变形，当螺栓抵住竖向长圆孔的端部时变截面耗能角钢单元再发生塑性变形以进行能量的耗散。

从图4中还可以明显看出，上角钢的短肢为变截面结构，其由上角钢的长肢端部向外部延伸扩大；这是由于螺栓抵住竖向长圆孔孔壁后，上角钢在变形过程中，所受弯矩沿剪力墙厚度方向从内向外逐渐变大，因此采用上角钢短肢宽度沿剪力墙厚度方向从内向外逐渐变大的方式，可实现上角钢短肢弯曲时的均匀屈服耗能。同样的，下角钢的短肢同样为变截面结构，其由下角钢的长肢端部逐渐向外部延伸扩大；螺栓抵住竖向长圆孔孔壁后，下角钢在变形过程中，所受弯矩沿剪力墙厚度方向从内向外逐渐变大，因此采用下角钢短肢宽度沿剪力墙厚度方向从内向外逐渐变大的方式，可实现下角钢短肢弯曲时的均匀屈服耗能。

上角钢的长肢上开设的竖向长圆孔，逐渐靠近原点的竖向长圆孔在Y轴方向的长度匹配变小，即以图1视角来看，从左右两个端部分别向原点递进过程中，竖向长圆孔的长度是逐渐变小的，这是因为剪力墙结构绕摇摆构件中心转动时，两个端部至原点分布的上角钢相对位移有所减小，当上角钢的竖向长圆孔匹配的进行长度渐变后，若干组变截面耗能角钢单元能够同时实现螺栓抵住竖向长圆孔的端部孔壁，此时上角钢以及下角钢同时进入塑性耗能阶段。

图5所示是转动摩擦单元的结构示意图，包括上圆弧形钢板41、下圆弧形钢板43以及圆弧形摩擦板42，圆弧形摩擦板包括两块，上圆弧形钢板的弧形边与下圆弧形钢板的弧形板相对布设，且上圆弧形钢板板面与下圆弧形钢板板面位于同一平面，上圆弧形钢板与下圆弧形钢板相邻的侧边之间有间隙；上圆弧形钢板的直线侧边在X轴方向通过对接焊缝与上剪力墙的端板连接，下圆弧形钢板的直线侧边在X轴方向通过对接焊缝与下剪力墙的端板连接；每块圆弧形摩擦板上均开设两个长圆孔，且两个长圆孔沿着弧形边分布，两块圆弧形摩擦板分别置于上圆弧形钢板与下圆弧形钢板形成的同平面两侧，上圆弧形钢板与两侧的圆弧形摩擦板、下圆弧形钢板与两侧的圆弧形摩擦板均能够相对滑动；第一根螺栓顺次穿设第一块圆弧形摩擦板上的一个长圆孔、上圆弧形钢板以及第二块圆弧形摩擦板上的一个长圆孔，第二根螺栓顺次穿设第一块圆弧形摩擦板上的另一个长圆孔、下圆弧形钢板以及第二块圆弧形摩擦板上的另一个长圆孔。

这里需要强调一点，转动摩擦单元分布在X轴方向上间距的两个端部，也就是说转动摩擦单元至摇摆构件的间距尽可能要大，能够使得转动摩擦单元中摩擦界面产生的摩擦力力臂尽可能的大，更有利于结构能量的耗散。当然还需要注意，前述的第一根螺栓初始预紧力需要小于第二根螺栓初始预紧力，以确保上圆弧形钢板与两侧圆弧形摩擦板之间的相对滑动先于下圆弧形钢板与两侧圆弧形摩擦板之间的相对滑动。上圆弧形钢板、下圆弧形钢板以及圆弧形摩擦板为镀锌钢板或者黄铜板或者钢板或者铝板，以进一步确保能量的耗散效果。

本申请中多组的变截面耗能角钢单元与转动摩擦单元共同实现分阶段的耗能操作，因此转动摩擦单元中长圆孔长度、螺栓预紧力需要与变截面耗能角钢单元中竖向长圆孔、螺栓预紧力相匹配，以确保转动摩擦单元中上圆弧形钢板和两侧圆弧形摩擦板之间的相对滑动和变截面耗能角钢单元中上角钢与摩擦板的相对滑动同时进行，当达到设计位移时，变截面耗能角钢单元的螺栓抵住竖向长圆孔端部孔壁，同时转动摩擦单元的螺栓抵住长圆孔端部孔壁，变截面耗能角钢单元进入塑性耗能，同时下圆弧形钢板和两侧圆弧形摩擦板进行相对滑动耗能。

图6所示是所述竖向橡胶支座的结构示意图，包括连接件55与底座，连接件的顶部与上剪力墙的端板通过焊缝连接，连接件的底部与底座紧密连接；所述底座包括底板51、橡胶支座本体52、开槽钢支座53以及弹簧连接件54，开槽钢支座与底板之间垂直固定橡胶支座本体，底板与下剪力墙的端板通过焊缝连接，在橡胶支座本体对称的两侧分别布设弹簧连接件；连接件的底部中心位置向外凸起形成六面体，开槽钢支座的顶部中心位置开设凹槽，连接件的六面体与开槽钢支座的凹槽匹配，即六面体嵌入凹槽内，实现连接件与底座的紧密连接。

本申请一直强调的是分阶段耗能，主要就是摇摆式剪力墙通过上述合理的设计，在不同强度地震作用下实现分阶段耗能，具体的将耗能模式进行分阶段介绍，当上剪力墙与下剪力墙层间位移角小于0.4%时，双钢板混凝土组合剪力墙处于弹性阶段；

当上剪力墙与下剪力墙层间位移角在0.4%和1%之间时，变截面耗能角钢单元中上角钢与摩擦板之间产生滑移摩擦耗能，同时转动摩擦单元中上圆弧形钢板与圆弧形摩擦板之间产生滑移摩擦耗能；

当上剪力墙与下剪力墙层间位移角大于1%时，变截面耗能角钢单元、转动摩擦单元螺栓同时分别抵住竖向长圆孔端部孔壁、长圆孔端部孔壁，变截面耗能角钢单元中角钢短肢塑性变形耗能，同时转动摩擦单元中下圆弧形钢板与圆弧形摩擦板之间产生滑移摩擦耗能，变截面耗能角钢单元中角钢短肢塑性变形耗能大于角钢与摩擦板之间的滑移摩擦耗能，同时由于转动摩擦单元中连接上圆弧形钢板和两侧圆弧形摩擦板的螺栓初始预紧力小于连接下圆弧形钢板和两侧圆弧形摩擦板的螺栓初始预紧力，所以同时转动摩擦单元中下圆弧形钢板与圆弧形摩擦板之间的滑移摩擦耗能大于上圆弧形钢板与圆弧形摩擦板之间的滑移摩擦耗能。通过上述设计可以满足在不同强度地震作用引起的不同层间位移角下结构的耗能需求。

综上可知，本申请提供的带可更换分阶段耗能装置的摇摆式双钢板混凝土组合剪力墙，能够建立多道地震防线，具有耗能能力强，结构安全冗余度高等特点；地震作用后，仅需更换外侧损伤的耗能阻尼装置，主体结构即可快速恢复使用功能。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。