基于SMA的自复位装配式钢板剪力墙及其施工安装方法

本发明涉及装配式抗震结构体系技术领域，具体的说，涉及了一种基于sma的自复位装配式钢板剪力墙及其施工安装方法。

背景技术：

从钢板剪力墙提出至今，钢板剪力墙体系的发展经历了从厚钢板剪力墙到薄钢板剪力墙，再到屈曲约束型钢板剪力墙的过程。现有的钢板剪力墙体系按照内嵌墙板受力性能的不同分为：厚钢板剪力墙、薄钢板剪力墙、屈曲约束钢板剪力墙（包括加劲钢板剪力墙以及防屈曲板剪力墙）、钢板-混凝土组合钢板剪力墙以及其他类型钢板剪力墙（包括开洞钢板剪力墙、开缝钢板剪力墙及波纹钢板剪力墙）。

随着装配式建筑的兴起，钢板剪力墙也开始由最初的全焊接，开始转型采用高强螺栓连接，以实现装配化需求。采用螺栓连接不仅可以提高施工效率，而且可以更好地保证施工质量，避免大量焊接所造成的应力集中和初始缺陷。同时，装配式钢板剪力墙的优势还在于：钢板剪力墙自身不承受竖向荷载，但其可以作为第一道抗震防线，在地震作用下率先屈服耗能，保证梁柱主体结构的完好，提高结构抗倒塌能力；震后可将屈服后的装配式钢板剪力墙拆除并替换修复，便于结构抗震性能恢复到震前水平。该优势对于中、强震都有很好的效果，但对于较频繁的小震，非加劲薄钢板剪力墙可能也会出现屈曲，此时结构还可提供较好的耗能能力，但初始刚度下降较多，需要对其进行修复，但并不经济。同时，由于钢板剪力墙延性较好，结构震后残余位移可能较大，从而进一步增大了震后修复的难度。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种基于sma的自复位装配式钢板剪力墙及其施工安装方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于sma的自复位装配式钢板剪力墙，包括两根结构柱，所述两根结构柱之间平行设置有至少两根工字钢梁，任意相邻两根工字钢梁之间安装有一块具有至少一组平行对边的内嵌钢板，所述内嵌钢板的一组平行对边分别通过螺栓固装在两根工字钢梁上，所述结构柱与所述内嵌钢板之间存在间距；

所述内嵌钢板上还设置有sma绞线单元，所述sma绞线单元包括sma绞线槽道和sma绞线，所述sma绞线槽道包括两根平行设置在所述内嵌钢板上的加劲肋，所述sma绞线位于所述sma绞线槽道内，且两端分别固装在内嵌钢板的与所述sma绞线槽道的两端相对应的两条边上。

基于上述，所述内嵌钢板的两侧均设置有所述sma绞线单元，且位于所述内嵌钢板一侧的sma绞线单元与位于所述内嵌钢板另一侧的sma绞线单元成空间交叉。

基于上述，所述内嵌钢板为具有至少一组平行对边的六边形内嵌钢板或八边形内嵌钢板。

基于上述，所述内嵌钢板上布设有至少一条横向加劲肋和/或竖向加劲肋，所述内嵌钢板的边缘还固装有边缘加劲肋，两条平行设置的边缘加劲肋分别通过螺栓固装在两根工字钢梁上，对应设置在所述sma绞线槽道两端的边缘加劲肋上分别固定有所述sma绞线的一端。

基于上述，还包括多个辅助连接装置，所述辅助连接装置的第一侧边与所述工字钢梁螺栓连接，所述辅助连接装置的第二侧边与所述内嵌钢板的一条边缘加劲肋螺栓连接；所述辅助连接装置的第二侧边还固定有所述sma绞线的一端。

基于上述，所述辅助连接装置包括三角形钢板以及由三面钢板焊接而成的直角三角形框体，所述三角形钢板内嵌在所述直角三角形框体中；

所述直角三角形框体的一面直角边钢板与所述工字钢梁螺栓连接；

所述直角三角形框体的斜边钢板与所述内嵌钢板的一条边缘加劲肋螺栓连接；

所述辅助连接装置的直角三角形框体的斜边钢板上还固定有所述sma绞线的一端。

本发明还提供一种基于前述的自复位装配式钢板剪力墙的施工安装方法，具体包括以下步骤：

加工形成工字钢梁、内嵌钢板以及辅助连接装置，其中，所述内嵌钢板具有至少一组平行对边的六边形内嵌钢板或八边形内嵌钢板；所述辅助连接装置包括三角形钢板以及由三面钢板焊接而成的直角三角形框体，所述三角形钢板内嵌在所述直角三角形框体中；

在工字钢梁的翼缘开设多个螺栓孔；

在内嵌钢板的每个边缘焊接加劲肋，形成边缘加劲肋，并在所述内嵌钢板的所有边缘加劲肋上开设多个螺栓孔；

在内嵌钢板的两侧分别焊接一对平行的加劲肋，形成sma绞线槽道，并在内嵌钢板上与所述sma绞线槽道的两端相对应的边缘加劲肋上开设sma绞线连接孔；

在辅助连接装置的直角三角形框体的三边钢板上开设多个螺栓孔，并在所述直角三角形框体的斜边钢板上sma绞线连接孔；

上述工字钢梁、多边形内嵌钢板和辅助连接装置均加工好后，运往现场；

在现场主体结构完工后，将至少两根工字钢梁固定在主体结构的结构柱上；

将每个辅助连接装置通过其直角三角形框体的一个直角边钢板与一根工字钢梁螺栓连接，每根工字钢梁上螺栓连接两个辅助连接装置；

放入内嵌钢板，将内嵌钢板的两条平行的边缘加劲肋分别与工字钢梁螺栓连接，再将每个辅助连接装置通过其直角三角形框体的斜边钢板与内嵌钢板的一条边缘加劲肋螺栓连接；

将sma绞线安装在内嵌钢板的sma绞线槽道内，并将sma绞线的两端分别从内嵌钢板上sma绞线连接孔以及辅助连接装置上的sma绞线连接孔穿出，并按照设计施加预紧力，使sma绞线拉直并进行固定。

基于上述，内嵌钢板的加工形成过程中，根据预设的自复位装配式钢板剪力墙的抗侧能力计算确定内嵌钢板的厚度。

基于上述，在对内嵌钢板进行加工的过程中，还可以在内嵌钢板的两侧布设横向加劲肋和纵向加劲肋，其中横向加劲肋和纵向加劲肋的数量和厚度根据预设的自复位装配式钢板剪力墙受力能力计算确定。

基于上述，更换内嵌钢板时，将所有连接螺栓松开，将sma绞线从内嵌钢板上拆卸下来，并将内嵌钢板从工字钢梁和辅助连接装置上拆卸下来；内嵌钢板更换后，再将内嵌钢板通过连接螺栓与工字钢梁和辅助连接装置与固定连接，并将sma绞线按要求重新安装在内嵌钢板上。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，

（1）本发明在装配式钢板剪力墙中植入sma绞线，利用sma绞线的形状记忆功能实现结构自复位能力。在小震和中震作用下，sma绞线可以提供额外的抗侧刚度并参与耗能，并使结构无需拆除修复即可实现自复位；在较大震作用下，可利用sma绞线的自复位能力，降低结构震后层间位移，防止结构破坏性倒塌，实现震后可修复且易修复。

（2）本发明整体结构采用全装配式高强螺栓现场连接，无现场焊接作业。使得该结构也可以有效作用于已有建筑的抗震加固改造。

（3）本发明钢板剪力墙内嵌钢板采用加劲钢板，利用纵向和横向加劲肋抑制墙板整体屈曲，提高墙板初始刚度。

（4）本发明利用斜向加劲肋形成sma绞线槽道，防止墙板在强震作用下的面外屈曲干扰sma绞线工作，同时方便后期检修。

（5）本发明sma绞线斜向加劲槽道布置在内嵌钢板两侧，变相形成交叉加劲肋，进一步提高内嵌钢板抗侧刚度，同时使得两侧sma绞线交替拉压，互不干扰。

（6）本发明除了sma绞线，其余构件均为钢制品，即使发生破坏，更换后可回炉重炼，进而实现可循环利用，该结构属于绿色建筑结构范畴。

（7）本发明内嵌钢板不与柱子连接，使得钢板大小、刚度及布局可自由调整，方便建筑功能的合理实现。且该自复位钢板剪力墙可根据结构抗侧能力设计要求单层或多层设计布置，多层设计时，每层内嵌钢板的厚度均与自身预设抗侧能力有关，以达到合理控制各楼层抗侧刚度的目的。

（8）本发明sma绞线在安装时需要施加的预拉力较小，仅能将sma绞线拉直、拉紧即可。构造简单，施工方便快捷，修复难度较小。

（9）本发明由于sma材料耐久性较好，在震后修复过程中，可以重复利用sma绞线，仅更换内嵌钢板部分，因此后期的修复成本也较低。

附图说明

图1是本发明实施例1的主视结构示意图。

图2是本发明实施例2的主视结构示意图。

图3是本发明实施例2的立体结构示意图。

图4是本发明实施例3的主视结构示意图。

图中：1.结构柱；2.工字钢梁；3.内嵌钢板；4.sma绞线槽道；5.sma绞线；6.横向加劲肋；7.竖向加劲肋；8.边缘加劲肋；9.辅助连接装置。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种基于sma的自复位装配式钢板剪力墙，包括两根结构柱1，所述两根结构柱1之间平行设置有至少两根工字钢梁2，任意相邻两根工字钢梁2之间安装有一块内嵌钢板3，所述内嵌钢板3具有至少一组平行对边；所述内嵌钢板3的一组平行对边分别通过螺栓固装在两根工字钢梁2上，所述结构柱1与所述内嵌钢板3之间存在间距；

所述内嵌钢板3上还设置有sma绞线5单元，所述sma绞线5单元包括sma绞线槽道4和sma绞线5，所述sma绞线槽道4包括两根平行设置在所述内嵌钢板3上的加劲肋，所述sma绞线5位于所述sma绞线槽道4内，且两端分别固装在所述内嵌钢板3上与所述sma绞线槽道4的两端相对应的两条边上。

在具体实施时，所述内嵌钢板3为具有至少一组平行对边的六边形内嵌钢板或八边形内嵌钢板。图1所示为所述内嵌钢板3为正八边形内嵌钢板时，所述剪力墙的结构示意图。

在具体实施时，由于所述多边形内嵌钢板3与所述结构柱1之间存在间距，从而使得所述多边形内嵌钢板3的大小、刚度及布局均可自由调整，方便建筑功能的合理实现。且该自复位钢板剪力墙可根据结构抗侧能力设计要求单层设计布置，以达到合理控制自复位装配式钢板剪力墙抗侧刚度的目的。

在具体实施时，由于本发明在装配式钢板剪力墙中植入sma绞线5，因此可以通过利用sma绞线5的形状记忆功能实现结构自复位能力。其中，在小震和中震作用下，sma绞线5可以提供额外的抗侧刚度并参与耗能，并使结构无需拆除修复即可实现自复位；在较大震作用下，可利用sma绞线5的自复位能力，降低结构震后层间位移，防止结构破坏性倒塌，实现震后可修复且易修复。

具体的，本实施例中所述的装配式钢板剪力墙的受力情况如下：

（1）水平地震作用往往以水平力的形式作用于结构柱1上。当结构柱1受到水平力时，水平力由工字钢梁2通过高强螺栓连接传递给内嵌钢板3。

（2）在受力初期，外力未达到内嵌钢板3屈曲荷载、内嵌钢板3未发生屈曲、且内嵌钢板3钢板受到剪切力时，内嵌钢板3的抗剪刚度与sma绞线5所提供的抗侧刚度即为钢板剪力墙（不包含结构柱1）结构的初始抗侧刚度，该初始抗侧刚度很大。理论上sma绞线5在此阶段也可以提供一定的抗侧刚度，但相比内嵌钢板3抗剪刚度，几乎可以忽略不计。

（3）当外力达到内嵌钢板3屈曲荷载时，内嵌钢板3开始屈曲，此时嵌钢板斜向拉力带逐渐形成，内嵌钢板3的受力模式逐渐由抗剪变为沿拉力带斜向抗拉。当钢板屈曲且拉力带还未完全形成时，所述结构柱1的抗侧刚度会明显下降，此时sma绞线5的抗侧刚度发挥主要作用，使结构柱1的抗侧刚度不至于突然降低；之后很快拉力带便会形成，此时结构柱1的抗侧刚度又会恢复。

（4）拉力带形成后，在地震往复作用下，内嵌钢板3屈曲耗能和sma绞线5的屈服耗能共同作用，为结构柱1提供更好的耗能能力，降低结构地震响应。

（5）在上述阶段中，水平力从一侧输入到结构柱1，使结构柱1产生形变。此时sma绞线5会利用材料的形状记忆功能，形成反作用力，抵抗地震水平作用，阻止结构柱1形变，这即为sma绞线5可提供抗侧刚度和耗能能力的原因。

（6）当地震结束后，结构柱1会有一定的残余位移，此时sma绞线5会再次利用材料形状记忆功能，为结构柱1提供自恢复力，从而实现结构柱1震后自复位。

本发明由于sma材料耐久性较好，在震后修复过程中，可以重复利用sma绞线5，仅更换内嵌钢板3部分，因此后期的修复成本也较低。并且，本发明除了sma绞线5，其余构件均为钢制品，即使发生破坏，更换后可回炉重炼，进而实现可循环利用，该结构属于绿色建筑结构范畴。

进一步的，本发明利用斜向加劲肋形成sma绞线槽道4，防止墙板在强震作用下的面外屈曲干扰sma绞线5工作，同时方便后期检修。

进一步的，所述内嵌钢板3上布设有至少一条横向加劲肋6和/或竖向加劲肋7，所述内嵌钢板3的边缘还固装有边缘加劲肋8；两条平行设置的边缘加劲肋8分别通过螺栓固装在两根工字钢梁2上；对应设置在所述sma绞线槽道4的两端的边缘加劲肋8上分别固定有所述sma绞线5的一端。

在具体实施时，通过利用横向加劲肋6和竖向加劲肋7来抑制墙板整体屈曲，提高自复位装配式钢板剪力墙的初始刚度。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：所述内嵌钢板3的两侧均设置有所述sma绞线5单元，且位于所述内嵌钢板3一侧的sma绞线5单元与位于所述内嵌钢板3另一侧的sma绞线5单元成空间交叉。

所述sma绞线槽道4布置在所述内嵌钢板3两侧，变相形成交叉加劲肋，进一步提高内嵌钢板3抗侧刚度，同时使得两侧sma绞线5交替拉压，互不干扰。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于：如图2和图3所示，所述自复位装配式钢板剪力墙还包括多个辅助连接装置9，所述辅助连接装置9的第一侧边与所述工字钢梁2螺栓连接，所述辅助连接装置9的第二侧边与所述内嵌钢板3的一条边缘加劲肋8螺栓连接；所述辅助连接装置9的第二侧边还固定有所述sma绞线5的一端。

由于所述辅助连接装置9的设置，使得所述多边形内嵌钢板3与工字钢梁2的接触面积更广，所述多边形内嵌钢板3与工字钢梁2的连接更可靠。

在具体实施时，所述辅助连接装置9包括三角形钢板以及由三面钢板焊接而成的直角三角形框体，所述三角形钢板内嵌在所述直角三角形框体中；

所述辅助连接装置9均通过其直角三角形框体的斜边钢板与一条斜向设置的边缘加劲肋8螺栓连接，所述斜向设置的边缘加劲肋8与所述内嵌钢板3的一条边缘加劲肋8螺栓连接；

所述辅助连接装置9均通过其直角三角形框体的一面直角边钢板与所述工字钢梁2螺栓连接；

所述辅助连接装置9的直角三角形框体的斜边钢板上还固定有所述sma绞线5的一端。

在进一步实施时，还可以根据需要设计辅助连接装置的大小，以使得四个辅助连接装置9与所述内嵌钢板3组合后形成矩形，进而提高所述剪力墙的刚度。

在具体实施时，所述辅助连接装置9还可以为角钢结构，将角钢结构焊接在两根工字钢梁2上，然后将所述绞线连接装置与所述内嵌钢板3连接。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：如图4所示，所述两根结构柱1之间平行设置有三根以上的工字钢梁2，任意相邻两根工字钢梁2之间安装有一块内嵌钢板3，所述内嵌钢板3的一组平行对边分别通过螺栓固装在两根工字钢梁2上，所述结构柱1与所述内嵌钢板3之间存在间距。

由于本发明内嵌钢板3不与柱子连接，使得钢板大小、刚度及布局可自由调整，方便建筑功能的合理实现。且该自复位钢板剪力墙可根据结构抗侧能力设计要求多层设计布置。

其中，不同的多边形内嵌钢板3可以具有不同的钢板厚度，也可以具有相同的钢板厚度，具体要根据预设的自复位装配式钢板剪力墙的抗侧能力来计算确定多边形内嵌钢板3的厚度，以达到合理控制各楼层抗侧刚度的目的。

实施例5

本实施例还提供一种基于前述的自复位装配式钢板剪力墙的施工安装方法，具体包括以下步骤：加工形成工字钢梁2、内嵌钢板3以及辅助连接装置9；其中，所述内嵌钢板3具有至少一组平行对边的六边形内嵌钢板或八边形内嵌钢板；所述辅助连接装置9包括三角形钢板以及由三面钢板焊接而成的直角三角形框体，所述三角形钢板内嵌在所述直角三角形框体中；

在工字钢梁2的翼缘开设多个螺栓孔；

在内嵌钢板3的每个边缘焊接加劲肋，形成边缘加劲肋8，并在所述内嵌钢板3的所有边缘加劲肋8上开设多个螺栓孔；

在内嵌钢板的两侧分别焊接一对平行的斜向加劲肋，形成sma绞线槽道4，并在内嵌钢板上与所述sma绞线槽道4的两端相对应的边缘加劲肋8上开设sma绞线连接孔5，所述sma绞线连接孔5与所述sma绞线槽道4相对应；

在辅助连接装置9的直角三角形框体的三面钢板上开设多个螺栓孔，并在直角三角形框体的斜边钢板上开设sma绞线连接孔5；

上述工字钢梁2、多边形内嵌钢板3和辅助连接装置9均加工好后，运往现场；

在现场主体结构完工后，将至少两根工字钢梁2固定在主体结构的结构柱1上；

将每个辅助连接装置9通过其直角三角形框体的一个直角边钢板与一根工字钢梁2螺栓连接，每根工字钢梁2上螺栓连接两个辅助连接装置9；

放入内嵌钢板，将内嵌钢板3的两条平行的边缘加劲肋8分别与两根工字钢梁2螺栓连接，再将每个辅助连接装置9通过其直角三角形框体的斜边钢板与内嵌钢板3的一条边缘加劲肋8螺栓连接；

将sma绞线5安装在内嵌钢板的sma绞线槽道4内，并将sma绞线5的两端分别从内嵌钢板上sma绞线连接孔5以及辅助连接装置9上的sma绞线连接孔5穿出，并按照设计施加预紧力，使sma绞线5拉直并进行固定。

需要注意的是，该自复位钢板剪力墙应在主体结构完工以后进行安装，原因是该自复位钢板剪力墙理论上不承受任何竖向重力荷载。

本发明sma绞线5在安装时需要施加的预拉力较小，仅能将sma绞线5拉直、拉紧即可，构造简单，施工方便快捷，修复难度较小。

进一步的，加工形成内嵌钢板的过程中，根据预设的自复位装配式钢板剪力墙的抗侧能力计算确定内嵌钢板的厚度。

进一步的，在对内嵌钢板进行加工的过程中，还可以在内嵌钢板的两侧布设横向加劲肋和纵向加劲肋，其中横向加劲肋和纵向加劲肋的数量和厚度根据预设的自复位装配式钢板剪力墙受力能力计算确定。

本发明除了sma绞线5，其余构件均为钢制品，即使发生破坏，更换后可回炉重炼，进而实现可循环利用，该结构属于绿色建筑结构范畴。

本发明由于sma材料耐久性较好，在震后修复过程中，可以重复利用sma绞线5，仅更换内嵌钢板3部分，因此后期的修复成本也较低。

具体的，更换内嵌钢板时，将所有连接螺栓松开，将sma绞线5从内嵌钢板上拆卸下来，并将内嵌钢板从工字钢梁2和辅助连接装置9上拆卸下来；内嵌钢板更换后，再将内嵌钢板通过连接螺栓与工字钢梁2和辅助连接装置9与固定连接，并将sma绞线5按要求重新安装在内嵌钢板上。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。