技术领域
[0001] 本
发明属于建筑结构技术领域，涉及一种可优化
应力分布的自复位剪力墙，具体涉及一种通过对墙板整体应力
水平分布进行优化从而实现墙体复位目标的自复位剪力墙，尤其涉及一种包含
混凝土、
钢筋、钢管、钢棒和
橡胶垫的具有复位能力的
钢筋混凝土剪力墙。
背景技术
[0002]
地震是一种破坏力极强的
自然灾害，容易造成建(构)筑物损伤和倒塌，设备和设施损坏，交通和通讯中断及其他生命线工程设施等破坏。损坏的建筑结构需要长时间高成本的修复，才能恢复结构使用功能，给人类社会带来极大的经济损失。近年来，设计能在震后不需修复或简单修复即可快速恢复功能的功能可恢复(resilient)结构成为地震工程界的新方向。功能可恢复结构或构件具有较强的抗震能力和鲁棒性，形成的震后损伤和功能损失小，且恢复过程耗时短、成本低，如自复位摇摆
框架、预应力自复位混凝土剪力墙、自复位钢板剪力墙、自复位混凝土柱、自复位框架
节点、自复位
支撑、自复位阻尼器、可更换连梁及可更换墙脚剪力墙等。
[0003] 混凝土剪力墙因其
刚度大承载力高等优点被广泛用于高层、超高层结构中。但由于混凝土的脆性明显，使得剪力墙在较大侧向
变形时，墙脚易压溃，墙底裂缝集中形成塑性铰，墙体损伤严重，导致结构难以再次抵抗地震。在墙内布置型钢、暗撑及暗桁架等，可在一定程度上提高墙体的承载力、刚度及延性，但仍会出现墙脚压溃、墙底出铰等问题，墙体残余变形显著，震后难以修复。目前，功能可恢复剪力墙构件设计主要分为两类，一类是后张无粘结预应力自复位混凝土剪力墙，另一类是带有可更换墙脚剪力墙。预应力自复位剪力墙通过放张墙板与
基础连接界面实现墙体刚性转动，以避免墙体在往复变形过程中形成塑性损伤，墙板内通长布置的预应力筋在墙体侧向变形时发生弹性拉伸，形成驱动墙体恢复原位的恢复力。但该剪力墙以墙体刚性转动的方式避免墙体塑性破坏，导致墙体与基础连接界面承载力不高。其次，恢复力的产生依赖于墙体发生有效侧向变形，导致该剪力墙结构侧向位移增加，P-Δ效应明显，适用结构高度受限且需与框架协同工作。带有可更换墙脚剪力墙通过对传统剪力墙易损易坏的墙脚进行可更换式设计，旨在将墙体往复变形过程中的塑性损伤控制集中于可更换区域，震后更换破损墙脚，实现剪力墙功能的快速恢复。但该剪力墙在变形过程中，墙脚形成塑性损伤积累，致使墙体有较大的残余位移，墙体塑性损伤区难控制，易向非可更换区发生转移，墙体底部混凝土截面的削弱易导致墙体侧向刚度、承载力和面外
稳定性的下降。
发明内容
[0004] 本发明为解决传统混凝土剪力墙及钢骨混凝土剪力墙变形时两侧墙脚易压溃、延性差及墙体残余变形大，预应力自复位混凝土剪力墙竖向承载力不高、侧向变形较大及预应力易损失，可更换墙脚剪力墙竖向承载力不高、残余变形大及塑性区易转移等问题，提出了一种可优化应力分布的自复位剪力墙。在墙板边缘约束区内布置传力装置对墙板内力分布进行调整，将传统剪力墙受荷过程中本应发生破坏的处于高应力水平状态的墙体底部混凝土控制在不足以导致破坏的低应力水平，而墙底截面需要承担的剩余荷载通过传力杆作用于墙板的低应力水平区域，通过对剪力墙应力分布水平的均衡，实现在一
定位移下墙体无显著塑性变形的设计，消除墙体残余位移，实现自复位；同时提高墙体材料利用率，延缓墙体屈服，将传统剪力墙的单点破坏模式改善为多点破坏模式，具体技术方案如下：
[0005] 一种可优化应力分布的自复位剪力墙，包括：
钢筋混凝土墙板1-1、钢筋混凝土基础梁1-3、传力装置一1-4、传力装置二1-5、柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7；
[0006] 所述钢筋混凝土墙板1-1位于钢筋混凝土基础梁1-3的上方；
[0007] 所述钢筋混凝土墙板1-1依据现行规范设计，由边缘约束区和非约束区组成，在所述边缘约束区布置竖向受力钢筋和密集箍筋，在所述非约束区布置竖向受力钢筋和水平分布钢筋，并绑扎钢筋，形成
钢筋网1-2，待传力装置一1-4、传力装置二1-5、柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7布置安装后，浇筑混凝土；
[0008] 所述传力装置一1-4和传力装置二1-5的结构相同，分别布置于所述钢筋混凝土墙板1-1的两侧；
[0009] 所述传力装置一1-4的下端穿过柔性垫板一1-6，埋入钢筋混凝土基础梁1-3内；
[0010] 所述传力装置二1-5的下端穿过柔性垫板二1-7，埋入钢筋混凝土基础梁1-3内；
[0011] 所述传力装置一1-4由外
套管2-1和传力杆组成；
[0012] 所述传力杆包括：压力传递杆3-1、拉力传递杆3-2、拉力传递键3-3和传力杆锚固端3-4；
[0013] 所述拉力传递杆3-2的上部设有若干拉力传递键3-3，所述拉力传递键3-3埋入钢筋混凝土墙板1-1的混凝土中；
[0014] 所述拉力传递杆3-2的下端与压力传递杆3-1的上端连接；所述压力传递杆3-1的下端连接传力杆锚固端3-4；
[0015] 所述拉力传递杆3-2用于：承受和传递钢筋混凝土墙板1-1的墙内拉力，并通过拉力传递键3-3与钢筋混凝土墙板1-1上部的混凝土相互作用，因此，拉力传递键3-3需有足够的锚固能力；
[0016] 所述压力传递杆3-1具有较大弹性变形能力；
[0017] 所述外套管2-1位于钢筋混凝土墙板1-1的墙脚处，底部与钢筋混凝土基础梁1-3分离；所述外套管2-1内部中空，内壁光滑；所述压力传递杆3-1的外壁光滑，且位于外套管2-1内，不与外套管2-1的内壁发生摩擦；
[0018] 在所述外套管2-1的顶部设有通过孔一2-3，所述通过孔一2-3的孔径小于压力传递杆3-1的直径；
[0019] 拉力传递杆3-2从通过孔一2-3穿过；
[0020] 所述外套管2-1的外壁与混凝土粘结，在所述外套管2-1的上部间隔设置若干深入钢筋混凝土墙板1-1中上部的压力传递键2-2，
[0021] 所述外套管2-1用于：施加横向约束，防止压力传递杆3-1失稳；
[0022] 所述外套管2-1的内部顶面为压力面，当钢筋混凝土墙板1-1变形，传力装置一1-4或传力装置二1-5受压时，压力传递杆3-1将钢筋混凝土墙板1-1底部截面的较大压力，通过压力面作用于外套管2-1，外套管2-1再通过压力传递键2-2作用于钢筋混凝土墙板1-1中上部内力较小的混凝土，减少了钢筋混凝土墙板1-1底部截面钢筋混凝土部分承担的内力，使得钢筋混凝土墙板1-1的墙体底部混凝土不进入塑性破坏阶段。
[0023] 在上述技术方案的基础上，在所述柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7上均设有通过孔二4-2，所述压力传递杆3-1穿过通过孔二4-2，所述传力杆锚固端3-4通过锚固装置与钢筋混凝土基础梁1-3牢牢连接。
[0024] 在上述技术方案的基础上，在所述柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7上均设有通过孔二4-2，所述压力传递杆3-1穿过通过孔二4-2，所述传力杆锚固端3-4与钢筋混凝土基础梁1-3内的钢筋通过
焊接连接。
[0025] 在上述技术方案的基础上，所述柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7仅承受压力不承受拉力，其刚度小于所述混凝土，用于：构造弱刚度层，使得钢筋混凝土墙板1-1的墙体底部截面在一定的转动变形时，混凝土部分的应力应变水平不会增高至混凝土塑性破坏阶段，而传统混凝土剪力墙在相同底部截面转动位移下，会发生墙脚压溃、墙底出铰等塑性破坏。
[0026] 在上述技术方案的基础上，所述混凝土的强度等级不低于C30，所述受力钢筋采用不低于HRB335的钢筋，箍筋不低于HPB300。
[0027] 在上述技术方案的基础上，所述外套管2-1及拉力传递杆3-2的材料采用普通
碳素结构钢Q235；所述压力传递杆3-1要满足墙体一定侧向位移下的弹性设计，可采用高屈服点钢材或形状记忆
合金制作；所述柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7在满足刚度和承载力要求时，可采用低刚度高弹性材料制作。
[0028] 在上述技术方案的基础上，所述低刚度高弹性材料为：橡胶或形状
记忆合金等。
[0029] 在上述技术方案的基础上，在传力装置一1-4、传力装置二1-5、柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7布置安装后，浇筑混凝土前，在柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7的顶面和外套管2-1的内壁涂油。
[0030] 本发明所述可优化应力分布的自复位剪力墙的实现情况如下所述：
[0031] 应用时，绑扎钢筋笼，同时在钢筋混凝土墙板(即剪力墙)1-1的两侧分别布置传力装置一1-4、柔性垫板一1-6和传力装置二1-5、柔性垫板二1-7，在柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7的顶面和外套管2-1的内壁涂油，支模、浇筑混凝土，成型、
拆模。
[0032] 本发明的主要原理是：通过传力装置一1-4、传力装置二1-5、柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7对钢筋混凝土墙板1-1的混凝土应力分布进行调整。压力传递杆3-1与墙脚处的混凝土不发生相互作用，可将内力较大的墙底截面部分内力传导至内力较小的钢筋混凝土墙板1-1的中部与上部；拉力传递杆3-2可将内力较大的墙底截面部分内力传导至应力水平很低的钢筋混凝土墙板1-1的上部；柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7构造弱刚度层，能将墙底截面变形引起的混凝土应变连续不均匀地分布于柔性垫板一1-6、柔性垫板二1-7和混凝土中(柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7的应变大，混凝土的应变小)，降低了相同截面位移下，混凝土部分的应变水平。与传统混凝土剪力墙相比，相同变形下，受压侧墙脚混凝土应力水平降低，钢筋混凝土墙板1-1中上部的混凝土应力水平提高；受拉侧的墙脚混凝土和墙内纵筋不受拉力，不发生混凝土受拉开裂，墙体底部截面的拉力经传力装置一1-4和传力装置二1-5作用于钢筋混凝土墙板1-1上部的混凝土，钢筋混凝土墙板1-1的上部应力水平提高；钢筋混凝土墙板1-1的整体应力水平均处于不致使混凝土发生明显塑性变形阶段。
[0033] 以上所有措施使得墙体在较大变形时钢筋混凝土墙板1-1的应力分布更加均匀，混凝土不进入塑性阶段，不产生积累塑性变形，墙体在往复变形过程中不产生残余位移，实现剪力墙的复位。
[0034] 本发明的有益技术效果如下：
[0035] 可优化应力分布的自复位剪力墙与传统混凝土剪力墙、内置型钢及暗撑等混凝土剪力墙、预应力自复位混凝土剪力墙及带可更换墙脚混凝土剪力墙相比，具有以下优点：
[0036] 与传统混凝土剪力墙相比，可优化应力分布的自复位剪力墙在墙体较大变形时，墙脚混凝土不易发生塑性破坏；墙板整体应力水平分布更均匀，材料利用更充分；墙板往复变形过程中无明显损伤积累，不产生残余位移；墙体屈服位移后移，具有更长的弹性位移行程；墙体破坏时塑性耗能区域更广，具有更高的延性。
[0037] 与内置型钢及暗撑等混凝土剪力墙相比，剪力墙侧向变形的弹性行程更大；具有复位能力；墙脚混凝土在墙体发生更大变形时才会进入塑性破坏阶段；墙板应力分布更均匀，材料利用更充分；具有更好的延性。
[0038] 与预应力自复位混凝土剪力墙相比，具有更大的侧向刚度；面外稳定性更高；避免预应力损失造成复位性能下降的问题；不给墙板附加内力，可以承担更多的结构竖向荷载。
[0039] 与带可更换墙脚混凝土剪力墙相比，墙板在变形过程中不产生显著塑性变形；具有更高的侧向刚度和竖向承载力；墙板应力分布更均匀，材料利用更充分；墙板在往复变形过程中不产生残余位移，震后不需更换。
附图说明
[0040] 本发明有如下附图：
[0041] 图1为可优化应力分布的自复位剪力墙结构示意图；
[0042] 图2为本发明中外套管2-1的结构示意图；
[0043] 图3为本发明中传力杆的结构示意图；
[0044] 图4为本发明中柔性垫板一1-6的结构示意图。
[0045] 附图标记：
[0046] 1-1—钢筋混凝土墙板，1-2—钢筋网，1-3—钢筋混凝土基础梁，1-4—传力装置一，1-5—传力装置二，1-6—柔性垫板一，1-7—柔性垫板二，2-1—外套管，2-2—压力传递键，2-3—通过孔一，3-1—压力传递杆，3-2—拉力传递杆，3-3—拉力传递键，3-4—传力杆锚固端，4-2—通过孔二。
具体实施方式
[0047] 本发明为可优化应力分布的自复位剪力墙，下面结合附图和工作性能对本发明做进一步说明。
[0048] 本发明结构示意图如图1所示，所述可优化应力分布的自复位剪力墙主要由钢筋混凝土墙板1-1、传力装置一1-4、传力装置二1-5、柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7组成。所述传力装置一1-4和传力装置二1-5的结构相同，分别布置于所述钢筋混凝土墙板1-1的两侧；
[0049] 所述传力装置一1-4主要由外套管2-1和传力杆组成，其中，外套管2-1的结构示意图如图2所示，外套管2-1在绑扎钢筋时布置在墙脚处，中部放置压力传递杆3-1部分，顶部通过孔一2-3用于：穿过拉力传递杆3-2部分，压力传递键2-2深入钢筋混凝土墙板1-1的中部。
[0050] 传力杆的结构示意图如图3所示，传力杆由压力传递杆3-1、拉力传递杆3-2、拉力传递键3-3及传力杆锚固端3-4组成，压力传递杆3-1与拉力传递杆3-2可由不同材料制作并拼接，拉力传递键3-3固定在拉力传递杆3-2的上部，传力杆锚固端3-4需深入钢筋混凝土基础梁1-3内，以保证传力稳定，也可同钢筋混凝土基础梁1-3的钢筋焊接在一起。柔性垫板一1-6的结构示意图如图4所示，柔性垫板一1-6可由橡胶或形状记忆合金制作，其厚度与承压面积由墙体变形需求、混凝土应力应变性能、柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7的材料力学参数等确定，需要保证柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7保护墙脚处的混凝土应力水平在墙体目标位移下不进入塑性破坏阶段，中部设有通过孔二4-2，需要满足压力传递杆3-1的自由通过。
[0051] 本发明所述可优化应力分布的自复位剪力墙的实现过程如下所述：
[0052] 按照墙体目标位移对墙体、传力装置(包括：传力装置一1-4和传力装置二1-5)及柔性垫板(包括：柔性垫板一1-6和柔性垫板二1-7)进行设计，选取合适强度的混凝土和钢筋，对传力装置中的压力传递杆3-1、拉力传递杆3-2及外套管2-1的长度进行确定，对压力传递键2-2及拉力传递键3-3的布置
位置进行确定。绑扎钢筋的同时，布置传力装置和柔性垫板，并在柔性垫板的顶面和外套管2-1的内壁涂油，再浇筑混凝土，支模成型。
[0053] 在正常使用状态下，由钢筋混凝土墙板1-1和传力装置共同承载结构竖向荷载，在墙体底部截面，墙体内力由混凝土和传力杆共同承担。
[0054] 在结构遭受地震水平荷载时，墙体侧向变形，一侧墙脚受压一侧墙脚受拉。
[0055] 在受压侧，对于传统剪力墙，底部截面内力最大，截面上混凝土应力水平最高，截面两侧混凝土进入塑性破坏阶段，发生墙脚压溃，墙底出铰，致使墙体在往复变形过程中产生残余位移。
[0056] 对于可优化应力分布的自复位剪力墙，传力装置中的压力传递杆3-1承担一部分截面内力，使得混凝土部分应力水平降低，不进入塑性破坏阶段，压力传递杆3-1经外套管2-1，再通过压力传递键2-2将墙体底部截面部分内力作用在应力水平原本较低的墙板中上部，提高了原本在墙体发生塑性破坏时应力水平也不高的墙板中上部混凝土的应力水平，且不致使中上部混凝土破坏。
[0057] 在受拉侧，对于传统剪力墙，底部截面受拉侧混凝土在钢筋拉伸作用下发生开裂，降低了混凝土与钢筋的粘结作用，破坏墙脚混凝土的整体性，导致墙脚处混凝土在往复过程中开裂剥落。
[0058] 对于可优化应力分布的自复位剪力墙，墙脚处混凝土不受到任何拉力作用，截面拉力由传力装置中的压力传递杆3-1和拉力传递杆3-2承受，并通过拉力传递键3-3作用在应力水平非常低的墙板上部，保护墙脚处的混凝土不受拉破坏。
[0059] 从整体上看，可优化应力分布的自复位剪力墙在目标位移内，可使墙板的混凝土应力分布更加均匀(墙脚处混凝土应力水平降低，墙板中上部混凝土应力水平提高)，且均不进入塑性破坏阶段，墙体发生弹性变形，不积累塑性损伤，往复过程中不产生残余位移，可实现墙体复位。
[0060] 当墙体超过目标位移时，墙板混凝土进入塑性破坏阶段，对于传统混凝土剪力墙，仅墙脚处的混凝土发生较大程度的塑性破坏，而进行耗能，在墙板失效的过程中，除墙脚外的其他区域混凝土不发生塑性破坏。
[0061] 对于可优化应力分布的自复位剪力墙，墙脚及墙板中上部的多区域同时进入塑性破坏阶段，墙板耗能区域更大，材料利用更加充分。
[0062] 柔性垫板具有调节墙脚截面混凝土应变分布的作用，在相同墙体位移的情况下，传统剪力墙的墙脚混凝土进入塑性破坏阶段，导致墙脚压溃、墙底出铰。布置柔性垫板后，由于柔性垫板的截面刚度小于混凝土的截面刚度，可集中更大的变形，降低混凝土部分的应变水平，增大了墙脚破坏对应的墙体位移，剪力墙具有更大的弹性位移行程和延性。
[0063] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些
修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
[0064] 本
说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的
现有技术。
