[发明专利]一种后张预应力式自定心钢板剪力墙结构

说明书

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种用于减小工程结构地震灾害的后张预应力式自定心钢板剪力墙结构。

背景技术

地震给人类带来极其严重的灾难。传统的抗震设计采用的是延性设计方法，即在地震作用下，通过结构部分构件的提前屈服和破坏，但整体不至于丧失功能，依靠构件的塑性变形来耗散大部分的地震能量，从而达到保证主体结构安全的目的。

钢板剪力墙作为一种典型的耗能减震技术，由于具有耗能能力强、减震效果好和震后易更换等优点，在近年来得到广泛的应用。在风荷载或多遇地震作用下，钢板剪力墙作为结构构件保持为弹性，能为结构提供抗侧刚度；在中震或大震作用下，钢板剪力墙通过由竖缝分割的“钢板柱”受弯屈服来耗散大部分的地震能量，减轻甚至避免主体结构损伤，震后可通过更换钢板剪力墙来快速恢复结构的使用功能。通过对钢板上竖缝尺寸的调整，可使钢板剪力墙在横向力作用下的刚度、承载力、延性和滞回性能发生改变，这种特殊性能可以方便工程师在结构设计时进行不同部位结构刚度匹配的调整。同时，墙板可以在一跨中间分段布置，有利于过道和门窗的设计。

然而，现有的钢板剪力墙虽然能够有效减小主体结构在地震过程中的最大位移，但由于钢板屈服后弹性模量较低，刚度较小，在卸载后无法回到初始位置，使得钢板剪力墙结构在强地震后易于产生较大的残余变形，从而导致建筑维修成本与修复难度的大幅增加。因此，如何减小钢板剪力墙结构在大震下的残余变形，是促使其在实际工程中进一步推广应用的关键。

针对现有钢板剪力墙存在的问题，本发明提出一种利用后张预应力技术实现钢板剪力墙结构自复位的装置和技术，在保证主体结构构件变形协调和钢板剪力墙耗能能力的基础上，有效减小钢板剪力墙结构体系的震后残余变形。

发明内容

技术问题：本发明针对现有钢板剪力墙结构在大震下容易产生残余变形的问题，提供一种不但可以有效消除钢板剪力墙的塑性变形，实现结构主体自定心的目的，而且能保证框架与楼板侧向变形协调，从而大幅降低了工程结构震后的修复费用和难度，同时还能灵活独立调控结构的强度、刚度和延性的后张预应力式自定心钢板剪力墙结构。

技术方案：本发明的后张预应力式自定心钢板剪力墙结构，包括至少一个结构单元，结构单元包括两根钢框架柱、连接两根钢框架柱上端的T形钢梁、位于T形钢梁下侧并连接两根钢框架柱的自定心连接件、位于自定心连接件下方的钢板剪力墙；自定心连接件包括内套管、套在内套管外部的外套管、封闭内套管和外套管端部的端板、设置在内套管中并锚固在端板上的预拉杆、与内套管端部连接的连接头，连接头穿过端板后与钢框架柱连接；T形钢梁的上翼缘长度大于腹板的长度，T形钢梁的腹板下端与外套管的上侧面连接，外套管的下侧面与钢板剪力墙的上侧面连接。

本发明的一种优选方案中，后张预应力式自定心钢板剪力墙结构包括在竖直方向上依次连接的共用钢框架柱的多个结构单元，结构单元的钢板剪力墙与下侧相邻结构单元的T形钢梁连接。

本发明的另一种优选方案中，后张预应力式自定心钢板剪力墙结构包括在水平方向上依次连接的多个结构单元，两相邻结构单元共用一根钢框架柱。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本技术方案能够有效控制钢板剪力墙结构的残余变形。当承受强烈地震作用时，结构将产生较大的层间位移，致使带竖缝钢板剪力墙中由竖缝分割的“钢板柱”受弯屈服，产生无法自动恢复的累积塑性变形。通过采用自定心连接件将主体框架与钢板剪力墙组合在一起，由施加在预拉杆中的预张力为钢板剪力墙提供稳定持续的弹性恢复力，使钢板剪力墙在屈服并产生较大塑性变形后，仍然能够强迫主体结构回归初始位置，消除结构残余变形，从而大幅减小结构震后修复的成本与难度。

（2）本技术方案为结构的震中和震后全过程损伤控制设计提供了有效方法。传统的抗震设计仅涉及结构在地震过程中的最大位移控制，但对结构的震后损伤控制缺乏有效的设计方法。本技术方案可通过调节三个关键构造参数（钢板剪力墙刚度、预拉杆刚度、预拉杆中的预张力），简便有效地实现震中及震后的全过程损伤控制，其中：钢板剪力墙刚度决定了支撑过程中耗散的能量，主要影响结构在地震过程中的最大位移；预拉杆刚度一方面能够减小结构在地震过程中的最大位移，另一方面决定了自定心连接件在地震过程中的弹性恢复力大小；预拉杆中的预张力则直接影响结构震后的残余变形大小。