一种基于SMA自应力筋的耗能钢板剪力墙

本发明涉及工业化钢结构领域，具体涉及一种基于sma自应力筋的耗能钢板剪力墙。

背景技术：

1、装配式钢板剪力墙作为高层结构的一种抗侧力构件，具有刚度大、延性好、稳定的滞回特性等优点，十分适用于抗震地区高层结构使用。传统平钢板剪力墙存在平面外刚度低，有可能在正常使用状态下就发生屈曲，而达不到抗震要求。为此会采用水平波纹钢板剪力墙或水平肋增强平钢板剪力墙，部分为使钢板剪力墙可适量承受竖向荷载而采用竖向波钢板或竖向肋增强平钢板剪力墙。而对于这些增强又会影响钢板剪力墙的屈曲压力波，使其抗震性能的自适应性下降。传统钢板剪力墙结构会产生较大的残余变形，震后不易修复。如何解决上述问题，提高钢板剪力墙抗震耗能及自恢复能力，是目前亟需解决的技术难题。

2、形状记忆合金（shape memory alloy，简称sma）具有形状记忆效应、高阻尼性能、超弹性、抗疲劳性能好等性能，sma自应力筋可通过升温激励在有约束的sma中产生回复应力，回复应力相当于sma施加在约束体上的预应力即自应力，并且可以实现多种变形形式，易于同混凝土、钢等材料相结合，使得其在土木工程抗震隔震领域的应用发展迅速。本发明通过引入sma自应力筋对中间平钢板施加预拉应力，提高了墙板弹性屈曲承载力，又不影响钢板剪力墙随地震强弱的变化而生成不同的屈曲压力波，实现抗震耗能；同时sma自应力筋与横、竖波纹板形成弹性支撑，可提高柱的稳定性及梁的变形可恢复性，sma自应力筋本身也具有良好的自复位能力及耗能能力，因而整体剪力墙结构具有更强的变形自恢复及耗能能力，抗震性能好。本发明构造简单，sma自应力筋由于自身晶体结构相变而产生预应力，施工方便，整体剪力墙耗能性能好，自复位能力还可有效减少结构地震后修复或加固费用。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有钢板剪力墙结构耗能能力与变形恢复能力不强、不能有效发挥其结构的抗震作用的技术问题，不适用于高层建筑和抗震设防地区，而提出一种基于sma自应力筋的耗能钢板剪力墙。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于sma自应力筋的耗能钢板剪力墙，包括结构柱、边界梁、平钢板、弓形横向波纹钢板、弓形竖向波纹钢板、角部加强件；

4、结构柱为立式布置，边界梁为水平向布置，两根结构柱和两根边界梁组成剪力墙的框架结构；

5、平钢板位于框架结构内，平钢板为四边内凹的矩形结构；

6、结构柱与平钢板的内凹边之间设置有弓形竖向波纹钢板，所述边界梁与平钢板的内凹边之间设置有弓形横向波纹钢板；

7、弓形竖向波纹钢板与弓形横向波纹钢板的相邻端部处的平钢板位置设有角部加强件。

8、作为更进一步的优选方案，平钢板、弓形横向波纹钢板、弓形竖向波纹钢板三者共面设置。

9、作为更进一步的优选方案，平钢板分别与弓形横向波纹钢板和弓形竖向波纹钢板之间布置sma自应力筋，平钢板与sma自应力筋的连接方式借鉴膜结构中膜面边缘与支撑结构边缘的连接。

10、作为更进一步的优选方案，sma自应力筋采用铁基形状记忆合金材料，形状记忆合金材料是由马氏体和奥氏体两种晶体结构组成的一种特殊的合金材料，两种晶体结构在温度激励下可实现相互转变，宏观上表现为sma形状改变，此种由晶体结构相变产生的形状恢复现象则为形状记忆效应。利用sma自应力筋的形状记忆效应这一材料特性能使sma中产生回复应力，并作为预应力施加于平钢板上。在地震作用下，sma自应力筋与平钢板共同作用可增大钢板剪力墙的侧向刚度，亦可提高剪力墙弹性屈曲承载力。sma自应力筋还具有高阻尼性、可恢复变形大等性能，在地震作用下，sma自应力筋的加入可使剪力墙耗能能力增强，减小结构的变形，实现自复位。

11、作为更进一步的优选方案，平钢板的四个角与平钢板框架结构的四个角一一对应。

12、与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

13、1）本发明所示的基于sma自应力筋的耗能钢板剪力墙，既利用了铁基记忆合金材料的形状记忆效应与高弹性可产生回复应力的性能，进而作为预应力施加于钢板上，提高平板弹性屈曲承载力；又利用了sma自应力筋的高阻尼性，在地震作用中起到较强的消耗能量的作用，提高剪力墙的延性性能，另外，震后没有或存在很小的残余变形，达到自复位效果，能够弥补钢板墙的震后不易恢复的缺点。

14、2）本发明构造简单，施工方便，基于sma自应力筋的自预应力技术无需进行现场张拉施工，仅需要升温激励就可以诱导此材料发生相变，从而产生回复应力作为预应力。

15、3）本发明sma自应力筋与波纹钢板的组合还可以当作支撑，提高了柱的稳定性及梁的可恢复性。

16、4）本发明中sma自应力筋采用铁基记忆合金材料，相比于镍钛基形状记忆合金价格低廉，凸显其经济性；相比于铜基记忆合金具有更高的弹性模量并且可以在相对较低的温度下就发生相变。sma自应力筋还具有良好的耐腐蚀性能，可提高钢板剪力墙的耐久性。

技术特征：

1.一种基于sma自应力筋的耗能钢板剪力墙，其特征在于：包括结构柱（1）、边界梁（2）、平钢板（3）、弓形横向波纹钢板（4）、弓形竖向波纹钢板（5）、角部加强件（7）；

2.根据权利要求1所述的一种基于sma自应力筋的耗能钢板剪力墙，其特征在于：所述平钢板（3）、弓形横向波纹钢板（4）、弓形竖向波纹钢板（5）三者共面设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于sma自应力筋的耗能钢板剪力墙，其特征在于：所述平钢板（3）分别与弓形横向波纹钢板（4）和弓形竖向波纹钢板（5）之间布置sma自应力筋（6），sma自应力筋（6）的自身晶体结构相变产生的回复应力可作为预应力施加于平钢板（3）上。

4.根据权利要求3所述的一种基于sma自应力筋的耗能钢板剪力墙，其特征在于：所述sma自应力筋（6）采用铁基形状记忆合金材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于sma自应力筋的耗能钢板剪力墙，其特征在于：平钢板（3）的四个角与平钢板（3）框架结构的四个角一一对应。

技术总结
本发明涉及一种基于SMA自应力筋的耗能钢板剪力墙，包括结构柱、边界梁、平钢板、弓形横向波纹钢板、弓形竖向波纹钢板、角部加强件；两根结构柱和两根边界梁组成剪力墙的框架结构；平钢板位于框架结构内；结构柱与平钢板的内凹边之间设置有弓形竖向波纹钢板，边界梁与平钢板的内凹边之间设置有弓形横向波纹钢板；弓形竖向波纹钢板与弓形横向波纹钢板的相邻端部处设有角部加强件。本发明构造简单，SMA自应力筋由于自身晶体结构相变而产生预应力，施工方便，整体剪力墙耗能性能好，自复位能力还可有效减少结构地震后修复或加固费用。

技术研发人员：武雷,伏亚男
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13