1.一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构,其特征在于,包括:分阶段震后功能可恢复剪力墙(I)和楼板(II),楼板(II)盖合在分阶段震后功能可恢复剪力墙(I)上,其中,分阶段震后功能可恢复剪力墙(I)包括钢筋混凝土剪力墙单元(1)、第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3),钢筋混凝土剪力墙单元(1)设置在混凝土底座(19)上,第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)均设置在钢筋混凝土剪力墙单元(1)底部墙角和混凝土底座(19)之间,且第一可更换墙脚装置(2)位于外侧,第二可更换墙脚装置(3)位于内侧;在多遇地震作用下,第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)处于弹性状态;
在设防地震作用下,第一可更换墙脚装置(2)屈服耗能,提供自复位力;在罕遇地震作用下,第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)装置均屈服耗能,并提供自复位力;
钢筋混凝土剪力墙单元(1)底部为T型结构,T型结构上设置T型免拆外包钢板(4),T型免拆外包钢板(4)与钢筋混凝土剪力墙单元(1)内部的分布筋(51)和箍筋(52)焊接成整体,用于提高分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的抗剪能力和施工可行性;第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)平行设置于T型结构两侧,钢筋混凝土剪力墙单元(1)与第一可更换墙脚装置(2)和第二可更换墙脚装置(3)的连接位置预埋螺栓(6);T型免拆外包钢板(4)高度不小于第一可更换墙脚装置(2)的长度;
第一可更换墙脚装置(2)与第二可更换墙脚装置(3)结构相同,均包括钢管(7)、软钢(8)、形状记忆合金(9)、填料(10)、第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12),软钢(8)和形状记忆合金(9)设置在钢管(7)内部,软钢(8)两端分别与第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12)焊接成整体,形状记忆合金(9)两端分别与第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12)可拆卸连接,钢管(7)内部由填料(10)填充密实,第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12)分别与钢筋混凝土剪力墙单元(1)和设计安装位置的混凝土底座(19)固定连接;
第一可更换墙脚装置(2)与第二可更换墙脚装置(3)的尺寸按照设防地震和罕遇地震作用下的最大自复位能力和耗能能力的匹配要求进行设计,用于分步激活多组自复位和耗能装置,建立钢筋混凝土剪力墙结构抵抗倒塌的多道防线。
2.根据权利要求1所述的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构,其特征在于,第一连接钢板(11)和第二连接钢板(12)结构相同,均是由端部连接板(13)、竖板(14)和封板(15)焊接成整体的钢构件,软钢(8)与封板(15)焊接成整体,封板(15)设置内螺纹孔(16)便于其与形状记忆合金(9)连接,端部连接板(13)设置螺栓孔(18),并通过预埋螺栓(6)与钢筋混凝土剪力墙单元(1)和设计安装位置的混凝土底座(19)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种分阶段震后功能可恢复剪力墙结构,其特征在于,
软钢(8)为耗能装置,设置于钢管中心,形状记忆合金(9)为耗能和自复位装置,均匀分布于软钢(8)和钢管(7)之间;钢管(7)及其内部填料(10)提供约束力,避免软钢(8)和形状记忆合金(9)的屈曲。
4.一种权利要求1‑3任一项所述的分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、对分阶段震后功能可恢复剪力墙结构进行初步设计,设定结构参数;
S2、根据多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下结构性能要求,分别确定多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下分阶段功能可恢复剪力墙结构各层的最大位移角θmax和残余位移角γmax;
S3、根据分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系各层的残余位移角γmax分布和最大位移角θmax分布与分阶段功能可恢复剪力墙结构单自由度体系残余位移和最大位移的转化关系函数,分别确定多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系的残余位移△'i和最大位移△i分布模式;表达式为:其中,hi为分阶段功能可恢复剪力墙结构第i层的楼层层高,n为分阶段功能可恢复剪力墙结构的总楼层层数;
S4、将分阶段功能可恢复剪力墙结构多自由度体系等效为分阶段功能可恢复剪力墙结构单自由度体系;
首先,分别计算多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下等效单自由度体系的等效最大位移△d、等效质量Meq和等效残余位移△'d;计算公式分别为:其中,mi为第i层的质量;
其次,根据地震设防水准及等效最大位移△d,利用相应的最大位移反应谱确定等效单自由度体系的等效周期Teq,求取等效单自由度体系的等效刚度Keq,计算公式为:根据残余位移谱确定等效单自由度体系的耗能系数β,耗能系数β为单
自由度体系旗帜型滞回模型与双线性弹塑性模型最大位移相同条件下的耗能比;
然后,根据等效刚度Keq计算基底剪力Vb,并计算分阶段功能可恢复剪力墙结构各性能水平的地震剪力需求,进而计算剪力墙结构的剪力分配,实现剪力墙截面设计;具体为:基底剪力Vb的计算公式为:
Vb=Keq·△d
剪力墙结构的剪力分布Fi的表达式为:
根据剪力墙结构的屈服强度对其截面进行设计,对应于屈服位移△yi的屈服剪力为Vi,其表达式为:Vi=Fi/(αμsys‑α+1)
其中,μsys为体系的延性系数,α为常数,取值为0‑0.1;
将屈服剪力为Vi的表达式带入剪力分布Fi的表达式,得:
α近似取为0,即:
剪力墙结构第i层的设计地震剪力Vdi为:
剪力墙结构的剪力分配公式为:
Vik=EIeqkVddi/∑EIeq,k
其中,Vddi、Vik分别为第i层总地震剪力及第i层第k片剪力墙分配到的地震剪力;EIeq,k为第k片剪力墙的等效刚度;
S5、分别对分阶段震后功能可恢复剪力墙结构分阶段工作的第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置进行设计;具体为:设防地震下单片墙的剪力Fs表示为:
FS=(k1‑SMA△Y1+k1‑ST△Y1+αSMAk1‑SMA(△S‑△Y1)+αSTk1‑ST(△S‑△Y1))ld1/hd其中,k1‑SMA为第一可更换墙脚装置中形状记忆合金所提供的初始刚度,k1‑ST为第一可更换墙脚装置中软钢所提供的初始刚度,αSMA为形状记忆合金的屈服后刚度比,αST为软钢的屈服后刚度比,△Y1为第一可更换墙脚装置中形状记忆合金和软钢的屈服位移,△S为设防地震作用下单片墙的位移;ld1为单片墙中两个第一可更换墙脚装置的水平距离,hd为单片墙的高度;
罕遇地震下单片墙的剪力Fh表示为:
Fh=(k1‑SMA△Y1+k1‑ST△Y1+αSMAk1‑SMA(△h‑△Y1)+αSTk1‑ST(△h‑△Y1))ld1/hd+(k2‑SMA△Y2+k2‑ST△Y2+αSMAk2‑SMA(△h‑△Y2)+αSTk1‑ST(△h‑△Y2))ld2/hd其中,k2‑SMA为第二可更换墙脚装置中形状记忆合金所提供的初始刚度,k2‑ST为第二可更换墙脚装置中软钢所提供的初始刚度,△Y2为第二可更换墙脚装置中形状记忆合金和软钢的屈服位移,△h为罕遇地震作用下单片墙的位移;ld2为单片墙中两个第二可更换墙脚装置的水平距离;
当设防地震作用下单片墙的位移为△S时,与第一可更换墙脚装置的力学模型相对应的双线性力学模型的力‑位移滞回环面积为S1‑bi,设防地震下的耗能系数βs表示为:βS=(S1‑SMA+S1‑ST)/S1‑bi
当罕遇地震作用下单片墙的位移为△h时,与第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置共同作用的力学模型相对应的双线性力学模型的力‑位移滞回环面积为S2‑bi,罕遇地震下的耗能系数βh表示为:βh=(S1‑SMA+S1‑ST+S2‑SMA+S2‑ST)/S2‑bi
其中,S1‑SMA为第一可更换墙脚装置中形状记忆合金的力‑位移滞回环面积,S1‑ST为第一可更换墙脚装置中软钢的力‑位移滞回环面积,S2‑SMA为第二可更换墙脚装置中形状记忆合金的力‑位移滞回环面积,S2‑ST为第二可更换墙脚装置中软钢的力‑位移滞回环面积;
最后根据设防地震和罕遇地震作用下单片墙的位移△S和△h,剪力Fs和Fh,以及耗能系数βs和βh,确定第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置的力学模型,进而计算出形状记忆合金和软钢的参数;
S6、建立已设计分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的数值模型,对其进行地震作用下的非线性时程分析,计算各地震水准下分阶段震后功能可恢复剪力墙结构各层的最大位移角和残余位移角,检验两者是否满足目标性能要求;若满足则停止计算,若不满足则调整分阶段震后功能可恢复剪力墙结构的剪力墙的尺寸和配筋、第一可更换墙脚装置和第二可更换墙脚装置的尺寸和参数,重新进行设计步骤S1‑S6,直至满足要求。