一種鋼板剪力墻的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋼板剪力墻，包括由兩塊相對設置的鋼板構(gòu)成的剪力墻墻體以及仿生芯層，所述仿生芯層為多邊形蜂窩格柵，該多邊形蜂窩柵格通過緊固件與所述剪力墻墻體連接，所述多邊形蜂窩格柵由在平面內(nèi)相互連接的多邊形柵格單元構(gòu)成。本發(fā)明仿生鋼板剪力墻可以有效提高鋼板的抗彎性能、屈曲性能以及地震作用下的變形耗能能力等各項力學性能指標。
【申請人】對上述仿生鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進行三維有限元解析得，在兩種鋼板剪力墻質(zhì)量相同的條件下，仿生鋼板剪力墻的平面外屈曲性能以及變形耗能能力是傳統(tǒng)鋼板剪力墻1.8?2.3倍。
【專利說明】
-種鋼板剪力墻
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種鋼板剪力墻，屬于房屋建筑結(jié)構(gòu)領域。
【背景技術】
[0002] 我國自80年代開始在高層建筑，特別是超高層建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)，高層鋼結(jié)構(gòu)與 其它結(jié)構(gòu)相比，在使用功能、設計、施工W及綜合經(jīng)濟方面都具有相對顯著的優(yōu)勢，另外，鋼 材產(chǎn)量的不斷提高和鋼結(jié)構(gòu)科研、設計和制作安裝隊伍的日趨壯大也使高層鋼結(jié)構(gòu)在我國 的發(fā)展具有光明的前景。
[0003] 目前，在高層鋼結(jié)構(gòu)中經(jīng)常采用的抗側(cè)力體系主要有巨型結(jié)構(gòu)體系、框架結(jié)構(gòu)體 系、框架一支撐結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框支一剪力墻結(jié)構(gòu)體 系和筒體結(jié)構(gòu)體系，而在上述后四種結(jié)構(gòu)體系中都有一種共同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件-剪力墻。
[0004] 鋼板剪力墻的延性性能和滯回性能均較好，滯回環(huán)穩(wěn)定，耗能能力強，抗震性能優(yōu) 越;與鋼筋混凝±剪力墻相比，鋼板剪力墻的尺寸和自重都比較小，在地震作用下動力荷載 低，節(jié)省了結(jié)構(gòu)占用的空間并且降低了基礎的負擔；另外，鋼板剪力墻減少了支模的工序， 節(jié)省了混凝±凝結(jié)的時間，大大縮短了工期，使施工速度更快;與周邊鋼框架梁、柱連接簡 單的優(yōu)點也鋼板剪力墻在鋼結(jié)構(gòu)中的應用具有了較好的發(fā)展前途。在實際應用中，為了充 分發(fā)揮鋼板的性能，保證滯回環(huán)飽滿，使鋼板剪力墻受力時能夠發(fā)生純剪切屈服破壞，通常 需要在鋼板剪力墻兩側(cè)設置足夠的橫向和縱向加勁肋，W保證鋼板在屈服前不發(fā)生整體屈 曲和局部屈曲，運大大增加了鋼板剪力墻設計、制造和施工的復雜程度。特別是焊接加勁肋 時產(chǎn)生的殘余應力將很大程度上影響鋼板剪力墻的受力性能，特別是地震作用下的變形耗 能能力。因此，新型仿生剪力墻是在充分考慮了現(xiàn)存鋼板剪力墻缺點的背景下應運而生的， 仿生鋼板剪力墻一方面通過自身極好的抗平面外屈曲性能抑制了鋼板的整體屈曲和局部 屈曲，另一方面純螺栓連接使得剪力墻中不存在由焊接導致的殘余應力。并且中間的格柵 層可填充保溫隔熱材料W提高建筑的環(huán)保節(jié)能指標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述鋼板剪力墻存在的不足，例如在橫向水平 力作用下易屈曲或由焊接產(chǎn)生的高強殘余應力。受一些生物的蜂窩結(jié)構(gòu)中存在小柱-它的 外層為纖維，忍層為蛋白質(zhì)的啟發(fā)，提煉出蜂窩-圓筒結(jié)構(gòu)模型，并通過計算驗證，提供一種 在相同質(zhì)量下力學性能更優(yōu)的仿生新型鋼板剪力墻。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0007] 一種鋼板剪力墻，包括由兩塊相對設置的鋼板構(gòu)成的剪力墻墻體W及仿生忍層， 其特征在于:所述仿生忍層為多邊形蜂窩格柵，該多邊形蜂窩柵格通過緊固件與所述剪力 墻墻體連接，所述多邊形蜂窩格柵由在平面內(nèi)相互連接的多邊形柵格單元構(gòu)成。
[000引所述多邊形蜂窩格柵還包括連接柱，該空屯、連接柱位于相互連接的多邊形柵格單 元之間，多邊形柵格單元每兩個相鄰的邊交匯于所述連接柱上。
[0009] 所述連接柱的端面與連接柱所在位置的柵格單元的端面平齊。
[0010] 所述連接柱為空屯、，所述緊固件從連接柱的空屯、穿過。
[0011] 所述仿生鋼板剪力墻可W通過粘結(jié)劑連接、一次成型、卡扣式連接或螺栓連接。
[0012] 所述仿生蜂窩忍層可W通過粘接劑連接、一次成型、卡扣式連接或螺栓連接。
[0013] 空屯、連接柱的截面為圓形、四邊形或是S角形。
[0014] 在所述鋼板靠近仿生忍層的一側(cè)滾社花紋。
[0015] 所述仿生忍層內(nèi)部填充保溫、隔熱材料。
[0016] 本發(fā)明一種具有仿生忍層結(jié)構(gòu)的多功能鋼板剪力墻（W下簡稱仿生鋼板剪力墻） 是一種中間為多邊形格柵的夾層強化剪力墻。包括兩側(cè)平面板W及中間層格柵。在所有格 柵交匯處，均設置有W交匯線為中屯、、與多邊形格柵固連于一體的圓筒，該圓筒的端面與圓 筒所在位置的多邊形柵格的端面平齊并連成一體，且柵格的邊長和內(nèi)接圓的直徑均可根據(jù) 實際工程的需求而改變。多邊形格柵結(jié)構(gòu)可W是正六邊形格柵，也可W是其他多邊形，并由 運些格柵緊密排列而成。蜂窩狀是其中的一種結(jié)構(gòu)形式。由上述可知，用帶有圓筒的蜂窩結(jié) 構(gòu)制造成的夾層鋼板剪力墻相比于傳統(tǒng)鋼板剪力墻，可明顯提高其在橫向水平荷載和豎向 荷載作用下的平面外抗屈曲性能W及彈性變形性能，是一種重量輕，強度高的仿生結(jié)構(gòu)。實 際上，現(xiàn)在實際工程中使用的鋼板剪力墻其鋼板相對于梁柱框架來說都很薄，極易發(fā)生平 面外屈曲失穩(wěn)。即使通過焊接加勁肋的方式可提高純鋼板的屈曲性能，但由于大面積焊接 時產(chǎn)生的高強度殘余應力，使得鋼板剪力強在焊接處會出現(xiàn)局部屈曲，從而導致整體屈曲。 而本發(fā)明可W提高薄壁鋼板的平面外屈曲性能、彈性性能W及地震作用下的變形耗能能 力。隨著高層、超高層的鋼結(jié)構(gòu)W及組合結(jié)構(gòu)的使用，本發(fā)明具有很廣的應用前景。
[0017] 本發(fā)明在兩側(cè)薄鋼板之間設置仿生蜂窩夾層，該結(jié)構(gòu)起到W下=個強化作用：1、 該小柱-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相對于等體積的薄壁蜂窩板具有更好的平面外屈曲性能；2、夾層結(jié) 構(gòu)增加了兩個面板的平面外約束，增強了面板本身的平面外屈曲性能；3、夾層結(jié)構(gòu)具有薄 壁柱W及蜂窩格柵，在水平力作用下具有極好的變形能力，可W耗散大部分的地震能量，保 證主體結(jié)構(gòu)不破壞。4、該仿生鋼板剪力墻依據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)思想，不需要現(xiàn)場焊接，可避免焊 接殘余應力W及減少施工時間與工序。5、所述兩側(cè)鋼板為平面板，且厚度為現(xiàn)在實際工程 使用的約1/3。
[0018] 本發(fā)明仿生鋼板剪力墻可W有效提高鋼板的抗彎性能、屈曲性能W及地震作用下 的變形耗能能力等各項力學性能指標。
【申請人】對上述仿生鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進行=維有限元 解析得，在兩種鋼板剪力墻質(zhì)量相同的條件下，仿生鋼板剪力墻的平面外屈曲性能W及變 形耗能能力是傳統(tǒng)鋼板剪力墻1.8-2.3倍。
【附圖說明】
[0019]圖巧本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為主視圖，b為a的A-A剖視圖；
[0020]圖2為本明發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖3為圖2中忍層與一側(cè)面板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4本發(fā)明尺寸示意圖（圖3俯視圖）；
[0023] 圖5為仿生鋼板剪力墻忍層裝配示意圖；
[0024] 圖6為仿生鋼板剪力墻裝兩側(cè)鋼板配示意圖；
[0025] 圖7為模擬屈曲失穩(wěn)加載示意圖；
[0026] 圖8為鋼板剪力墻第一屈曲模態(tài)變形圖；
[0027] 其中(a)仿生鋼板剪力墻，（b)純鋼板剪力墻
[0028] 圖9為鋼板剪力墻第一階屈曲模態(tài)的荷載-位移曲線。
[0029] 其中：1為仿生鋼板剪力墻兩側(cè)鋼板;2為仿生忍層;3為上邊緣框架梁;4為下邊緣 框架梁;5為左框架柱;6為右框架柱;7，8為連接角鋼;9，10為帶有半圓形的多邊格柵；11為 連接螺栓;12為面板螺栓孔;13為兩側(cè)面板及中間仿生忍層的連接螺栓。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細說明：
[0031] 圖1所示，本發(fā)明蜂窩夾層板，在其外側(cè)設置有上邊緣框架梁3、下邊緣框架梁4、左 框架柱5W及右框架柱6。蜂窩夾層板包括A、B側(cè)面板1、中間的仿生忍層2。在本實施例中，蜂 窩格柵為正六邊形格柵，正六邊形格柵的每個邊為蜂窩壁。在平面內(nèi)，所有相鄰正六邊形均 有一個公共邊，所有相鄰正六邊形均有兩個公共端點，運兩個公共端點位于公共邊的兩端， 在相鄰兩格柵的兩公共端點上設置有W該端點為中屯、、且分布在W該端點為交點的=個六 邊形柵格內(nèi)的圓筒結(jié)構(gòu)，該圓筒的端面與連接的六邊形柵格的端面平齊，且格柵邊長和內(nèi) 接圓直徑可根據(jù)實際工程的需求而改變。
[0032] -種仿生鋼板剪力墻，包括兩側(cè)鋼板W及中間的蜂窩格柵，所述蜂窩格柵為多邊 形格柵，例如六邊形、四邊形和=角形。相鄰兩格柵具有一個公共邊，其特征在于:在所有格 柵交匯處，均設置有W交匯線為中屯、、與多邊形格柵固連于一體的圓筒，該圓筒的端面與圓 筒所在位置的多邊形柵格的端面平齊并連成一體。
[0033] 所述蜂窩柵格的邊長和內(nèi)接圓的直徑均可根據(jù)實際工程的需求而改變，依據(jù)為兩 側(cè)鋼板的局部屈曲不早于鋼板剪力墻的整體屈曲。
[0034] 所述仿生鋼板剪力墻依據(jù)所在地區(qū)的抗震設防烈度劃分剪力墻等級，每個等級有 其所能承受的豎向荷載、水平荷載W及抗震能力，施工單位及設計單位可依據(jù)建筑物的所 在地區(qū)的抗震設防烈度選取。特殊受力情況可具體定制。
[0035] 所述仿生鋼板剪力墻可W通過粘結(jié)劑連接、一次成型、卡扣式連接或螺栓連接。
[0036] 所述仿生蜂窩忍層可W通過粘接劑連接、一次成型、卡扣式連接或螺栓連接。
[0037] 所述整塊鋼板剪力墻依據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)思想，不需要現(xiàn)場焊接，可避免焊接產(chǎn)生的 高強殘余應力W及減少施工時間與工序。
[0038] 所述兩側(cè)鋼板W及中間的蜂窩層可在廠家預制，運輸?shù)浆F(xiàn)場后用螺栓拼接。
[0039] 所述兩側(cè)鋼板為平面板，且厚度為現(xiàn)在實際工程使用的約1/3。
[0040] 所述兩側(cè)鋼板靠近忍層一側(cè)滾社花紋W增加摩擦力。
[0041] 所述仿生鋼板剪力墻夾層內(nèi)填充保溫隔熱材料，W滿足不同的功能需要。
[0042] 本發(fā)明仿生鋼板剪力墻的具體裝配實施方法如下：
[0043] 仿生鋼板剪力墻模型示意圖及細部構(gòu)造如圖1，2,3,4所示。本說明書根據(jù)常用的 建筑剪力墻尺寸W及受力情況，按照所在地區(qū)的抗震設防烈度預留兩側(cè)鋼板W及夾層的螺 栓孔間距。第一步通過螺栓將帶有半圓形的單元多邊格柵按圖5所示用螺栓連接安裝(仿生 蜂窩忍層有多種制作工藝，本【具體實施方式】只提供一種作為示例，還可W通過粘接劑連接、 一次成型、卡扣式連接等方式）；第二步通過螺栓將兩側(cè)A、B鋼板固定，裝配過程見圖6;第= 步將相應構(gòu)件運至施工現(xiàn)場后與框架梁、柱進行連接。
[0044] 本說明書中通過有限元軟件模擬分析仿生鋼板剪力墻與常用純鋼板剪力墻的屈 曲性能來說明仿生鋼板剪力墻的優(yōu)越性。本說明書中的仿生鋼板剪力墻尺寸依據(jù)建筑剪力 墻中的常用尺寸設置，采用材料為Q335B鋼。詳細尺寸見表1。模型1為仿生鋼板剪力墻相關 尺寸。其中R，r分別指正六邊形內(nèi)切圓半徑、小柱半徑;T，t分別指兩側(cè)鋼板厚度、蜂窩忍層 厚度;H，h分別指仿生鋼板剪力墻整體厚度和忍層高度;B，L分別指剪力墻的寬度和高。模型 2為純鋼板剪力墻。上述兩種鋼板剪力墻的質(zhì)量和體積均相同。
[0045] 表1剪力墻尺寸(單位mm)
[0047] 由于現(xiàn)行的鋼板剪力墻幾乎不存在豎向荷載承載能力的問題。較多的破壞由于鋼 板剪力墻過薄而導致在水平側(cè)向力作用下的屈曲失穩(wěn)。因此使用非線性功能十分強大的有 限元分析軟件ABAQUS對仿生鋼板剪力墻(模型1)和純鋼板剪力墻(模型2)進行屈曲模擬。通 過對剪力墻施加單位水平力作用，分析得到兩種鋼板剪力墻在水平荷載作用下的屈曲模 態(tài)。在各種屈曲模態(tài)中，第一階屈曲模態(tài)為最容易發(fā)生的失穩(wěn)方式。因此通過比較第一階屈 曲失穩(wěn)模態(tài)來說明仿生鋼板剪力墻與純鋼板剪力墻之間的屈曲性能，并通過相應的荷載- 位移曲線說明兩種鋼板剪力墻在平面外變形W及耗能能力上的區(qū)別。在鋼板剪力墻建模時 已保證兩種剪力墻體積相同，故而上述屈曲性能指標是在兩種剪力墻同質(zhì)量、同體積的情 況下比較的，其他因素均相同，因此更具有代表性。
[0048] 通過ABAQUS解析(見圖7加載模型），對鋼板剪力墻左側(cè)施加水平力作用，其右側(cè)采 用固接約束。分別取第一階屈曲模態(tài)如圖8所示，取荷載-位移曲線如圖9所示。
[0049] 表2剪力墻屈曲模擬數(shù)據(jù)
[0051]圖9為有限元軟件得到的荷載-位移曲線。由圖可得，兩種鋼板剪力墻的荷載-位移 曲線可分為=個階段。第一階段為彈性變形階段，此階段曲線斜率K表征剪力墻抵抗平面外 變形能力的大小，并W此算各曲線彈性階段斜率Ki,K2且Ki是K2的1.86倍;第二階段為彈塑 性變形階段，此階段鋼板剪力墻由彈性變形向塑性變形過過度;第=階段為塑形變形階段。 仿生鋼板剪力墻在進入塑形變形之后，承載能力依然略有上升，而純鋼板剪力墻則為水平 直線。無論是仿生新型鋼板剪力墻還是純鋼板剪力墻，在地震作用下，其之所W可W通過變 形耗能主要是由于結(jié)構(gòu)進入了塑性變形。第二，立階段為彈塑性變形階段，也是鋼板剪力墻 主要的耗能階段。圖9中的橫坐標位移和縱坐標荷載的乘積表示兩種鋼板剪力墻在彈塑性 階段消耗地震能量的大小，分別為Wl，W2，即上述兩類鋼板剪力墻第二、立階段和橫坐標形 成的面積。通過計算由可得Wl約是W2的1.9倍。意味著仿生鋼板剪力墻在進入彈塑性變形后 具有的變形耗能能力是純鋼板剪力墻的1.9倍。因此該類鋼板剪力墻在動力學上的性能(抗 疲勞能力、抗變形能力、抵抗震動荷載的能力等)將會有卓越的表現(xiàn)。
【主權項】
1. 一種鋼板剪力墻，包括由兩塊相對設置的鋼板構(gòu)成的剪力墻墻體以及仿生芯層，其 特征在于:所述仿生芯層為多邊形蜂窩格柵，該多邊形蜂窩柵格通過緊固件與所述剪力墻 墻體連接，所述多邊形蜂窩格柵由在平面內(nèi)相互連接的多邊形柵格單元構(gòu)成。2. 根據(jù)權利要求1所述的鋼板剪力墻，其特征在于：所述多邊形蜂窩格柵還包括連接 柱，該空心連接柱位于相互連接的多邊形柵格單元之間，多邊形柵格單元每兩個相鄰的邊 交匯于所述連接柱上。3. 根據(jù)權利要求2所述的鋼板剪力墻，其特征在于:所述連接柱的端面與連接柱所在位 置的柵格單元的端面平齊。4. 根據(jù)權利要求3所述的鋼板剪力墻，其特征在于:所述連接柱為空心，所述緊固件從 連接柱的空心穿過。5. 根據(jù)權利要求1所述的鋼板剪力墻，其特征在于:所述仿生鋼板剪力墻可以通過粘結(jié) 劑連接、一次成型、卡扣式連接或螺栓連接。6. 根據(jù)權利要求2所述的鋼板剪力墻，其特征在于:所述仿生蜂窩芯層可以通過粘接劑 連接、一次成型、卡扣式連接或螺栓連接。7. 根據(jù)權利要求4所述的鋼板剪力墻，其特征在于：空心連接柱的截面為圓形、四邊形 或是二角形。8. 根據(jù)權利要求1所述的仿生鋼板剪力墻，其特征在于:在所述鋼板靠近仿生芯層的一 側(cè)滾乳花紋。9. 根據(jù)權利要求1所述的仿生鋼板剪力墻，其特征在于:所述仿生芯層內(nèi)部填充保溫、 隔熱材料。
【文檔編號】E04B2/56GK105908865SQ201610431528
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】張曉明, 陳錦祥, 郭振勝
【申請人】東南大學