一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法

1.本发明涉及可恢复功能装配式剪力墙设计领域，具体涉及涉及一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法。


背景技术：

2.在“可恢复城市”的理念下，现如今抗震设防的目标从“大震不倒”向震后可快速恢复城市秩序方向发展。剪力墙作为如今高层结构的主要抗侧力构件，在地震中发挥着重要的角色，但传统的剪力墙结构，在震中变形能力和耗能能力差，并且震后修复困难。为此，需要一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，该方法有助于提高装配式剪力墙的抗震性能和震后可恢复性，降低了修复的难度和经济损失，为可更换装配式剪力墙的抗震设计提供可靠的理论基础。
4.本发明的技术方案在于：一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，包括经钢制连接构件与基础相连接的上部预制剪力墙，所述钢制连接构件包括预埋于基础上的预埋钢板，所述预埋钢板上固定有承压垫梁及位于承压垫梁两侧的耗能垫块，位于承压垫梁的前后侧设置有连接上部预制剪力墙和预埋钢板的蝶形剪切板，位于耗能垫块的前后侧设置有连接上部预制剪力墙和预埋钢板的受拉连接钢板，具体包括以下步骤：
5.(一)选定上部预制剪力墙各部件的材料等级、截面尺寸、对应配筋，确定该上部预制剪力墙的承载力设计值；
6.(二)依据上部预制剪力墙进行耗能垫块的尺寸设计；
7.(三)依据上部预制剪力墙进行抗压垫梁的尺寸设计；
8.(四)依据上部预制剪力墙进行受拉连接钢板的尺寸设计；
9.(五)依据上部结构进行蝶形剪切板的尺寸设计；
10.(六)进行受拉连接钢板、蝶形剪切板与预埋钢板相连接的连接角钢的形状设计；
11.(七)进行钢制连接构件的连接设计。
12.进一步地，所述上部预制剪力墙的下端连接有内嵌u型钢板，所述受拉连接钢板和蝶形剪切板的上端均经对拉高强螺栓与内嵌u型钢板相连接，受拉连接钢板的下端设置有竖向长条形螺栓孔并经高强螺栓与两端连接角钢相连接，所述蝶形剪切板的下端经高强螺栓与中间连接角钢相连接，所述两端连接角钢和中间连接角钢与预埋钢板固定连接。
13.进一步地，所述内嵌u型钢板的内侧间隔固定有与上部预制剪力墙的下端浇筑连接的栓钉，内嵌u型钢板上还间隔开设置有安装对拉高强螺栓的螺栓孔；所述受拉连接钢板的中部间隔开设置有竖向缝；所述两端连接角钢和中间连接角钢均经预埋地脚螺栓与预埋钢板相连接，两端连接角钢和中间连接角钢的槽口内均沿长度方向间隔焊接有加劲肋，且连接角钢的两侧板上沿长度方向间隔开设有位于两加劲肋之间的螺栓孔。
14.进一步地，所述承压垫梁及耗能垫块的下端均经局部焊接与预埋钢板相连接；所述承压垫梁包括工字钢，所述工字钢同一侧的上翼缘与下翼缘之间且位于两端部均焊接有一对间隔安装的加劲板，一对加劲板之间自上而下间隔焊接有横向支撑；所述耗能垫块包括工字钢，所述工字钢同一侧的上翼缘与下翼缘的两端之间均焊接有加劲板，位于两加劲板之间自上而下间隔焊接有横向支撑。
15.进一步地，所述步骤(一)中，根据公式(1)～(2)确定该剪力墙的极限承载力：
16.剪力墙正截面受弯承载能力：
[0017][0018]
剪力墙抗剪承载能力：
[0019][0020]
式(1)(2)中，m—剪力墙抗弯承载力；v—剪力墙斜截面抗剪承载力；a、aw—分别为墙肢的全截面面积和墙肢腹板面积；x—剪力墙横截面抗压区高度；a'—剪力墙正截面上受压钢筋中心至截面边缘的距离；矩形截面取a＝aw；n—在剪力墙上施加的轴压力；f
yh
、f
yw
—剪力墙横向分布筋和竖向分布筋的抗拉强度设计值；fy—钢筋抗拉强度设计值；f
t
—混凝土抗压强度设计值；h
w0
—剪力墙截面有效高度；bw—剪力墙墙厚；n—剪力墙上部轴力；a
sh
、a
sw
—分别为配制在同一界面内的横向和竖向钢筋面积之和；s—横向钢筋间距；λ—计算截面剪跨比；当λ≥2.2时取λ＝2.2；当λ≤1.5 时取λ＝1.5。
[0021]
进一步地，所述步骤(二)中，耗能垫块截面面积的设计根据上部预制剪力墙中边缘暗柱的抗压屈服承载力设计，要满足受压垫块达到极限受压屈服强度时，上部预制剪力墙的边缘暗柱还未屈服，以满足将受压破坏集中在耗能垫块上；耗能垫块截面面积依据公式(3)～(4)设计：
[0022]
耗能垫块的极限受压承载能力设计值：
[0023]nu
≤bwh0f
ck
+f'
yk
a'sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，
[0024]
耗能垫块的截面面积为:
[0025][0026]
式中，nu—垫块极限受压强度设计值；h0—上部预制剪力墙边缘暗柱的长度；bw—上部预制剪力墙厚度；f
ck
—混凝土抗压强度标准值；f'
yk
—上部预制剪力墙边缘暗柱中钢筋的屈服强度标准值；a's—耗能垫块的受压截面面积；fu—耗能垫块钢材的极限强度标准值。
[0027]
进一步地，所述步骤(三)中，建筑结构的抗压工作荷载一般为0.6n极限，故在保证结构安全的情况下，进一步的考虑经济效益，引入参数δ＝0.7，抗压垫梁的截面面积依据公式(5)～(6)设计：
[0028]
抗压垫梁的承载力：
[0029]nu
≥δ(bwh0f
ck
+f'
yk
a's)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)，
[0030]
抗压垫梁的截面面积为
[0031]
式中bw为上部预制剪力墙的厚度；h0为上部预制剪力墙的宽度；f
ck
为混凝土抗压强度标准值；f'
yk
为上部预制剪力墙中钢筋的屈服强度标准值；a's为上部预制剪力墙中钢筋的截面面积之和；δ为折减系数，取0.7。
[0032]
进一步地，所述步骤(四)中，受拉连接钢板在两端耗能垫块的外侧，宽度与上部预制剪力墙内暗柱长度一样，为保证受拉连接钢板先于上部结构破坏，让其极限拉应力小于剪力墙约束边缘构件受拉钢筋的屈服受拉强度，受拉连接钢板的截面面积依据公式 (7)设计：
[0033][0034]
式中，a
sp
—连接钢板的受拉面积；as—边缘暗柱中钢筋的总面积；f
yk
—边缘暗柱中钢筋的屈服强度标准值；f
u.sp
—受拉连接钢板极限强度标准值。
[0035]
进一步地，所述步骤(五)中，该可更换钢制连接装配式剪力墙水平接缝抗剪承载力主要来源为：1)接缝处u型钢板与耗能垫块和受压垫梁的摩擦力vn、2)连接钢板的抗剪承载力v
s1
、3)抗剪钢板抗剪承载力v
s2
；
[0036]
剪力墙的抗剪承载力公式：
[0037]
βv＝v
s1
+v
s2
+vn，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)，
[0038]
式中β—上部预制剪力墙抗剪屈服承载力的折减系数，取β＝0.9；
[0039]
①
u型钢板与耗能垫块和受压垫梁的摩擦力vn为
[0040]vn
＝μn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)，
[0041]
式中，μ—接触面的摩擦系数；n—竖向轴压力；
[0042]
②
抗拉连接钢板的抗剪承载力v
s1
依据下列公式(10)～(11)计算：
[0043]
抗拉连接钢板中一条开缝钢板的极限承载能力为：
[0044][0045]
一块连接钢板的抗剪承载力为：
[0046][0047]
式中，h—小钢柱高度；b1—小钢柱宽度；σy—为钢材屈服应,σy＝fy；t—开缝连接板的厚度；w
p
—钢柱端部截面的塑性抵抗矩，
[0048]
③
蝶形剪切板的截面面积依据下列公式(12)～(13)计算
[0049]
蝶形剪切板需提供的抗剪承载能力为：
[0050]vs2
＝0.9v-v
s1-vnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)，
[0051]
蝶形剪切板的抗剪截面面积为
[0052][0053]
式中，a
s2
—蝶形剪切板的抗剪截面面积；vn—钢制连接截面的摩擦力；v
s2
—蝶形剪切板的抗剪屈服值；v—上部预制剪力墙的抗剪屈服值；v
s1
—抗拉连接钢板的抗剪屈服值；f
vw
—蝶形剪切板钢材的抗剪强度设计值。
[0054]
进一步地，所述步骤(六)中，连接角钢的截面面积依据公式(14)～(15)设计，
[0055]
两端连接角钢的截面面积设计为：
[0056][0057]
中间连接角钢的截面面积设计为
[0058][0059]
式中，a1为两端连接角钢的截面面积；a2为受拉连接钢板的截面面积；a
sp
为抗拉连接钢板的截面面积；a
s2
为蝶形剪切板的截面面积；f
u.sp
受拉连接钢板的抗拉极限强度标准值；f1为两端连接角钢的抗拉极限强度标准值；f2为中间连接角钢的抗拉极限强度标准值；f
t
为中间角钢的抗剪极限强度标准值；f
vw
为蝶形剪切板的抗剪极限强度标准值；fy为蝶形剪切板的抗拉极限强度标准值。
[0060]
进一步地，所述步骤(七)中，钢制连接构件的连接设计依据公式(16)～(19)：
[0061]
①
单个螺栓的抗剪强度设计值为：
[0062][0063]
②
承压承载力设计值：
[0064][0065]
式中，nv为受剪面数目；d为螺栓杆直径；∑t为在不同受力方向中，同一受力方向承压构件总厚度的较小值；分别为螺栓的抗剪和承压强度设计值。
[0066]
③
单个螺栓受拉承载能力设计值：
[0067][0068]
按高强摩擦型螺栓计算，受剪承载力设计值：
[0069][0070]
式中，ae为一个高强度螺栓的抗拉截面面积；为一个高强度螺栓材料的抗拉设计值；0.9为抗力分项系数γ
η
的倒数，即取nf为传力摩擦面数目，单剪时nf＝2；p为一个高强度螺栓的设计预拉力，按《钢结构设计规范》采用；μ为摩擦面抗滑移系数，按《钢结构设计原理》中选用。
[0071]
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
[0072]
(1)该新型剪力墙涉及上部预制剪力墙结构、钢制连接构件和基础，通过合理设计可满足该新型剪力墙在地震作用下，结构的变形和损伤集中在钢制连接构件上，利用钢材优异的变形能力来消耗地震能量来保证结构的安全，同时提高剪力墙的变形和耗能能力，在震后可以通过更换受损构件进行修复，降低了修复的难度和经济损失，为可更换装配式剪力墙的抗震设计提供了可靠的理论基础，从而实现剪力墙结构的失效模式控制和震后可恢复的目标。该发明还为剪力墙结构实现装配式建筑提供了解决办法，该结构可实现模块化、标准化和信息化生产，能更好的为推动剪力墙结构的装配式进程服务。
[0073]
(2)该新型剪力墙在地震作用下，将结构的变形和损伤集中在钢制连接构件上，利用钢材优异的变形能力来消耗地震能量来保证结构的安全，同时在震后还可快速的更换受损的钢构件，达到可更换的目的。
[0074]
(3)该新型结构在荷载作用下，轴力通过承压垫梁将上部结构的轴力传递到基础上，通过设计承压垫梁受压面积来满足结构轴力传递的需要，同时考虑剪力墙在剪力作用下，会发生轻微的角位移，此时柱角压力迅速增大，故柱角用耗能垫块来承受急剧增大的压力，此时耗能垫块屈服耗能，以保证上部结构的安全。拉力通过受拉连接钢板承受，通过合理的设计，在保证结构极限承载力的情况下，适当的消弱受拉连接钢板，让其先于上部结构受拉屈服，并通过受拉钢板的拉伸屈服来消耗能量，保证结构安全。
[0075]
(4)剪力通过蝶形剪切钢板来承受，蝶形剪切板通过独特的形状，近视一个铰存在于该结构中来传递剪力。
[0076]
(5)本发明通过合理的设计，可让该新型结构发生弯曲破坏，在此破坏模态下，通过耗能垫块的压屈及受拉连接钢板的受拉伸长来耗能，利用钢材优异的延性及材料强化能力，来使该发明结构有良好的延性及承载能力，该结构通过高强螺栓进行连接，便于实现装配式安装及震后可更换，进而达到可恢复装配式结构的目的，具有良好的工程实用性。
附图说明
[0077]
图1为本发明的结构示意图；
[0078]
图2为本发明的钢制连接构件的结构示意图；
[0079]
图3为本发明的结构正面示意图；
[0080]
图4为本发明的拆除蝶形剪切板和受拉连接钢板后的结构示意图；
[0081]
图5为本发明的图3中a-a剖面图；
[0082]
图6为本发明的内嵌u型钢板前视示意图；
[0083]
图7为本发明的内嵌u型钢板的剖视图；
[0084]
图8为本发明的耗能垫块前视示意图；
[0085]
图9为本发明的耗能垫块的侧视图；
[0086]
图10为本发明的承压垫梁的前视示意图；
[0087]
图11为本发明的承压垫梁的侧视图；
[0088]
图12为本发明的图4中b-b剖面图；
[0089]
图13为本发明的受拉连接钢板示意图；
[0090]
图14为本发明的蝶形剪切板示意图；
[0091]
图15为本发明的两端连接角钢前视示意图；
[0092]
图16为本发明的两端连接角钢侧视图；
[0093]
图17为本发明的中间连接角钢的前视示意图；
[0094]
图18为本发明的中间连接角钢侧视图；
[0095]
图19为预埋钢板示意图；
[0096]
图中：10-基础 20-上部预制剪力墙 100-钢制连接构件 110-预埋钢板 111-螺栓孔 120-承压垫梁 121-长工字钢 122-加劲板 123-横向支撑 130-耗能垫块 131
‑ꢀ
短工字钢 132-加劲板 133-横向支撑 140-蝶形剪切板 141-螺栓孔 150-受拉连接钢板 151-竖向长条形螺栓孔 152-竖向缝 153-螺栓孔 160-内嵌u型钢板 161-栓钉 162-螺栓孔 171-对拉高强螺栓 172-高强螺栓 173-预埋地脚螺栓 180-两端连接角钢 181-加劲肋 182-螺栓孔 190-中间连接角钢 191-加劲肋 192-螺栓孔。
具体实施方式
[0097]
为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
[0098]
参考图1至图19
[0099]
一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其中可更换钢制连接装配式剪力墙结构包括经钢制连接构件100与基础10相连接的上部预制剪力墙20，所述钢制连接构件包括预埋于基础上的预埋钢板110，所述预埋钢板上固定有承压垫梁120及位于承压垫梁两侧的耗能垫块130，位于承压垫梁的前后侧设置有连接上部预制剪力墙和预埋钢板的蝶形剪切板140，位于耗能垫块的前后侧设置有连接上部预制剪力墙和预埋钢板的受拉连接钢板150。
[0100]
本实施例中，所述上部预制剪力墙的下端连接有内嵌u型钢板160，所述受拉连接钢板和蝶形剪切板的上端均经对拉高强螺栓171与内嵌u型钢板相连接，受拉连接钢板的下端设置有竖向长条形螺栓孔151并经高强螺栓172与两端连接角钢180相连接。此处竖向长条形螺栓孔151可以保证受拉连接钢板150仅受拉力，在其承受压力时可进行滑动，从而将压力转移到耗能垫块130上，为后续计算中的解耦提供设计支持。所述蝶形剪切板的下端通过螺栓孔141经高强螺栓172与中间连接角钢190相连接，所述两端连接角钢和中间连接角钢与预埋钢板固定连接。
[0101]
本实施例中，所述内嵌u型钢板的内侧间隔固定有与上部预制剪力墙的下端浇筑连接的栓钉161，内嵌u型钢板上还间隔开设置有安装对拉高强螺栓的螺栓孔162；所述预埋钢板上间隔开设置有螺栓孔111，所述两端连接角钢和中间连接角钢均通过螺栓孔经预埋地脚螺栓173与预埋钢板相连接；所述受拉连接钢板的中部间隔开设置有竖向缝 152；所述两端连接角钢和中间连接角钢的槽口内均沿长度方向间隔焊接有加劲肋181、 191，且连接角钢的两侧板上沿长度方向间隔开设有位于两加劲肋之间的螺栓孔182、 192。
[0102]
本实施例中，所述承压垫梁及耗能垫块的下端均经局部焊接与预埋钢板相连接，焊接仅保证固定耗能垫块及承压垫梁不发生平面内移动，在后续更换时可进行切割分离。
[0103]
本实施例中，所述承压垫梁包括长工字钢121，所述长工字钢同一侧的上翼缘与下翼缘之间且位于两端部均焊接有一对间隔安装的加劲板122，一对加劲板之间自上而下间隔焊接有横向支撑123；所述耗能垫块包括短工字钢131，所述短工字钢同一侧的上翼缘与下翼缘的两端之间均焊接有加劲板132，位于两加劲板之间自上而下间隔焊接有横向支撑133。
[0104]
本实施例中，耗能垫块和受压垫梁位于内嵌u型钢板与预埋钢板之间用来传递轴向压力；受拉连接钢板位于内嵌u型钢板与两端连接角钢之间用来传递拉力；蝶形剪切板位于内嵌u型钢板与中间连接角钢之间用来传递剪力。预埋地脚螺栓173、对拉高强螺栓171和高强螺栓172的螺栓型号为10.9级m20高强螺栓。上述构件中受压垫梁120、两端连接角钢180、中间连接角钢190和预埋钢板110选用q345b，其余钢构件均选用 q235b，内嵌u型钢板与耗能垫块和承压垫梁之间的摩擦系数取0.15。该实例剪力墙高宽比λ＝h/b＝2.5，高度为2500mm，厚度为160mm，宽度为1000mm，此高宽比剪力墙的破坏模式以弯曲破坏为主。
[0105]
一种可更换钢制连接装配式剪力墙设计方法，具体包括以下步骤：
[0106]
对不同配合比的地质聚合物混凝土试样进行强度试验，获得各组配合比试件的坍落度、立方体抗压强度，获得钢纤维地质聚合物混凝土材料的基准强度；
[0107]
(一)选定上部预制剪力墙各部件的材料等级、截面尺寸、对应配筋，确定该上部预制剪力墙的承载力设计值；
[0108]
(二)依据上部预制剪力墙进行耗能垫块的尺寸设计；
[0109]
(三)依据上部预制剪力墙进行抗压垫梁的尺寸设计；
[0110]
(四)依据上部预制剪力墙进行受拉连接钢板的尺寸设计；
[0111]
(五)依据上部结构进行蝶形剪切板的尺寸设计；
[0112]
(六)进行受拉连接钢板、蝶形剪切板与预埋钢板相连接的连接角钢的形状设计；
[0113]
(七)进行钢制连接构件的连接设计。
[0114]
在步骤(一)中，根据公式(1)～(2)确定该剪力墙的极限承载力：
[0115]
剪力墙正截面受弯承载能力：
[0116]
假定1.5倍的受压区之外的受拉钢筋全部屈服，1.5倍受压区之内的钢筋不受拉或受压，不参与受力计算。剪力墙两端对称配筋，由∑n＝0计算出受压区高度x:
[0117]
n≤a'sf'
y-a
sfy-n
sw
+nc，
[0118]
nc＝α1f
cbw
x，
[0119][0120]
由上述公式得：
[0121]
对受压区中心取距，由∑m＝0
[0122][0123]
忽略x2项，化简后得：
[0124][0125]
剪力墙抗剪承载能力：
[0126][0127]
由于该剪力墙的高宽比为λ＝h/b＝2.5，且因为
[0128]
m＝679.44kn
·
m＜λ
·
v＝1047.5kn
·
m，故该剪力墙的破坏模态为弯曲破坏。
[0129]
上式中，m—剪力墙抗弯承载力；v—剪力墙斜截面抗剪承载力；a、aw—分别为墙肢的全截面面积和墙肢腹板面积；x—剪力墙横截面抗压区高度；a'—剪力墙正截面上受压钢筋中心至截面边缘的距离；矩形截面取a＝aw；n—在剪力墙上施加的轴压力；f
yh
、f
yw
—剪力墙横向分布筋和竖向分布筋的抗拉强度设计值；fy—钢筋抗拉强度设计值；f
t
—混凝土抗压强度设计值；h
w0
—剪力墙截面有效高度；bw—剪力墙墙厚； n—剪力墙上部轴力；a
sh
、a
sw
—分别为配制在同一界面内的横向和竖向钢筋面积之和；s—横向钢筋间距；λ—计算截面剪跨比；当λ≥2.2时取λ＝2.2；当λ≤1.5时取λ＝1.5。
[0130]
本实施例中，所述步骤(二)中，耗能垫块的形状设计见图8、图9。耗能垫块截面面积的设计根据上部预制剪力墙中边缘暗柱的抗压屈服承载力设计，要满足受压垫块达到极限受压屈服强度时，上部预制剪力墙的边缘暗柱还未屈服，以满足将受压破坏集中在耗能垫块上；从而达到在保证上部结构安全的同时实现耗能垫块可更换的功能。
[0131]
耗能垫块截面面积依据下列公式设计：
[0132]
耗能垫块的极限受压承载能力设计值：
[0133]nu
≤bwh0f
ck
+f'
yk
a's＝707kn，
[0134]
式中，nu—垫块极限受压强度设计值；h0—上部预制剪力墙边缘暗柱的长度，取 150mm；bw—上部预制剪力墙厚度，取120mm；f
ck
—混凝土抗压强度标准值；f'
yk
—上部预制剪力墙边缘暗柱中钢筋的屈服强度标准值；a's—耗能垫块的受压截面面积。
[0135]
耗能垫块的截面面积为:
[0136][0137]
选用q235级钢材，形状为的型钢，截面尺寸300mm
×
120mm
×
10mm
×
8mm，为防止垫块在平面外屈曲，在耗能垫块两边分别加设加劲肋，并在加劲肋中间焊接两道横向支撑，加劲肋的尺寸为280mm
×
40mm
×
8mm，如图8、图9所示。由此可以得到垫款的有效受压截面面积为a's＝1920mm2，由于a's＝1920mm2＜as＝2049mm2，故满足设计要求。
[0138]
式中，nu—垫块极限受压强度设计值；as—耗能垫块的受压截面面积；fu—耗能垫块钢材的极限强度标准值。
[0139]
本实施例中，所述步骤(三)中，抗压垫梁的设计，其形状设计见图10、图11。本发明中抗压垫梁主要承受竖向荷载，应让其抗压承载力足以承受上部结构的全部荷载，以保证在耗能垫块耗能损坏后，抗压垫梁足以承受所有竖向荷载，保证结构的安全，同时为其他钢制连接构件的震后更换提供承载力保证。建筑结构的抗压工作荷载一般为0.6n极限，故在保证结构安全的情况下，进一步的考虑经济效益，引入参数δ＝0.7，抗压垫梁的截面面积依
据下列公式设计：
[0140]
抗压垫梁的承载力：
[0141]nu
≥δ(bwh0f
ck
+f'
yk
a's)＝3687kn，
[0142]
抗压垫梁采q345b的钢材，故抗压垫梁的截面面积为
[0143][0144]
选用q345b级钢材，形状为工字钢型钢，工字钢截面尺寸为 300mm
×
160mm
×
10mm
×
10mm，为防止垫块在平面外屈曲，在耗能垫块两边分别加设加劲肋，并在加劲肋中间焊接两道横向支撑，加劲肋的尺寸为280mm
×
70mm
×
10mm，如图7所示。由此可以得到垫梁的有效受压截面面积为a's＝11600mm2,由于 a's＝11600mm2＞as＝9517.5mm2，故满足设计要求。
[0145]
式中δ为上部预制剪力墙抗压承载力的削弱系数，取δ＝0.7；bw为上部预制剪力墙的厚度；h0为上部预支剪力墙的宽度；fc为混凝土抗压强度设计值；f
ck
为混凝土抗压强度标准值；f'
yk
为上部预制剪力墙中钢筋的屈服强度标准值；as'为上部预制剪力墙中钢筋的截面面积之和。
[0146]
本实施例中，所述步骤(四)中，受拉连接钢板的设计见图13。受拉连接钢板在两端耗能垫块的外侧，宽度与上部预制剪力墙内暗柱长度一样，为保证受拉连接钢板先于上部结构破坏，让其极限拉应力小于剪力墙约束边缘构件受拉钢筋的屈服受拉强度，受拉连接钢板的截面面积依据下列公式设计：
[0147][0148]
本设计选用厚度为8mm的连接钢板，并对钢板进行开缝削弱。根据等效替代原则，和受力连续性，选择在对应约束边缘构件纵向钢筋对应的位置以外进行开孔削弱，开孔宽度为21.25mm,开孔位置如图4所示。由图4可以计算出一块连接钢板有效受拉截面面积a'
sp
＝13
×8×
5＝520mm2，连接钢板的总的受拉有效截面面积为 a
sp
＝2a'
sp
＝520
×
2＝1040mm2＜1070mm2，即符合设计要求。
[0149]
式中，a
sp
—连接钢板的受拉面积；as—边缘暗柱中钢筋的总面积；f
yk
—边缘暗柱中钢筋的屈服强度标准值；f
u.sp
—受拉连接钢板极限强度标准值。
[0150]
本实施例中，所述步骤(五)中，蝶形剪切板的设计其形状设计见图14。该可更换钢制连接装配式剪力墙水平接缝抗剪承载力主要来源为：1)接缝处u型钢板与耗能垫块和受压垫梁的摩擦力vn、2)连接钢板的抗剪承载力v
s1
、3)抗剪钢板抗剪承载力v
s2
；
[0151]
剪力墙的抗剪承载力公式：
[0152]
βv＝v
s1
+v
s2
+vn，
[0153]
式中β—上部预制剪力墙抗剪屈服承载力的折减系数，取β＝0.9；
[0154]
①
u型钢板与耗能垫块和受压垫梁的摩擦力vn，设定该实例中，施加0.15倍轴压比的压力，即为0.15nu＝643200n，故摩擦力为
[0155]vn
＝μn＝0.15
×
643200＝96.5kn，
[0156]
式中，μ—接触面的摩擦系数；n—竖向轴压力。
[0157]
②
抗拉连接钢板的抗剪承载力v
s1
依据下列公式计算：
[0158]
抗拉连接钢板中一条开缝钢板的极限承载能力为：
[0159][0160]
一块连接钢板的抗剪承载力为：
[0161][0162]
四块连接钢板的抗剪承载力为：
[0163][0164]
式中，n—小钢柱个数；h—小钢柱高度；b1—小钢柱宽度；σy—为钢材屈服应, σy＝fy；t—开缝连接板的厚度；w
p
—钢柱端部截面的塑性抵抗矩，
[0165]
③
蝶形剪切板的截面面积依据下列公式计算
[0166]
蝶形剪切板需提供的抗剪承载能力为：
[0167]vs2
＝0.9v-v
s1-vn＝290.5kn，
[0168]
蝶形剪切板的抗剪截面面积为
[0169][0170]
蝶形剪切板选用两片q235b钢板，厚度选用t＝8mm的钢板，故蝶形剪切板的腹部宽度为故选取b＝150mm满足要求。
[0171]
式中，a
s2
—蝶形剪切板的抗剪截面面积；vn—钢制连接截面的摩擦力；v
s2
—蝶形剪切板的抗剪屈服值；v—上部预制剪力墙的抗剪屈服值；v
s1
—抗拉连接钢板的抗剪屈服值；—蝶形剪切板钢材的抗剪强度设计值。
[0172]
本实施例中，所述步骤(六)中，连接角钢的形状设计见图15-图18。角钢钢材选用q345b，厚度选为10mm，尺寸为110
×
110mm的角钢，中间连接角钢长度选为500mm，两端连接角钢长度与抗拉连接钢板长度一致，为150mmm，经计算得：
[0173]
两端连接角钢的截面面积设计为：
[0174]
满足要求。
[0175]
中间连接角钢的截面面积设计为
[0176]
抗剪设计满足要求。
[0177]
抗拉设计满足要求。
[0178]
式中，a1为两端连接角钢的截面面积；a2为受拉连接钢板的截面面积；a
sp
为抗拉连接钢板的截面面积；a
s2
为蝶形剪切板的截面面积；f
u.sp
受拉连接钢板的抗拉极限强度标准值；f1为两端连接角钢的抗拉极限强度标准值；f2为中间连接角钢的抗拉极限强度标准值；f
t
为中间角钢的抗剪极限强度标准值；为蝶形剪切板的抗剪极限强度标准值；fy为蝶形剪切板的抗拉极限强度标准值。
[0179]
本实施例中，所述步骤(七)中，钢制连接构件的连接设计，本设计均选用m20， 10.9级高强承压型螺栓进行连接，根据《钢结构设计规范》可知：
[0180]
①
单个螺栓的抗剪强度设计值为：
[0181][0182]
蝶形剪切板设计10个高强螺栓与角钢进行连接，
[0183]
满足连接要求。
[0184]
式中，nv为受剪面数目；d为螺栓杆直径；∑t为在不同受力方向中，同一受力方向承压构件总厚度的较小值；分别为螺栓的抗剪和承压强度。
[0185]
②
承压承载力设计值：
[0186][0187]
抗拉连接钢板设计8个高强螺栓与角钢进行连接；
[0188]
满足连接要求。
[0189]
式中，ae为一个高强度螺栓的抗拉截面面积；为一个高强度螺栓材料的抗拉设计值；nv为受剪面数目；d为螺栓杆直径；∑t为在不同受力方向中，同一受力方向承压构件总厚度的较小值；分别为螺栓的抗剪和承压强度设计值；a
sp
为抗拉钢板的有效截面面积；f
u.sp
为抗拉钢板的极限抗拉强度标准值；。
[0190]
③
单个螺栓受拉承载能力设计值：
[0191][0192]
按高强摩擦型螺栓计算，受剪承载力设计值：
[0193][0194]
式中，ae为一个高强度螺栓的抗拉截面面积；为一个高强度螺栓材料的抗拉设计值；0.9为抗力分项系数γ
η
的倒数，即取nf为传力摩擦面数目，单剪时nf＝2；p为一个高强度螺栓的设计预拉力，按《钢结构设计规范》采用；μ为摩擦面抗滑移系数，按《钢结构设计原理》中选用。
[0195]
本发明的主要耗能方式为耗能垫块受压屈服以及抗拉连接钢板受拉屈服耗能，在地震剪力作用下，结构会发生轻微的角位移，此时柱角压力迅速增大，故位于柱角的耗能垫块承受的压力急剧增大，通过合理的设计，让耗能垫块先于上部结构屈服耗能，以保证上部
结构的安全。拉力通过受拉连接钢板承受，亦通过合理的设计，在保证结构极限承载力的情况下，适当的消弱受拉连接钢板，让其先于上部结构受拉屈服，并通过受拉钢板的拉伸屈服来消耗能量，保证结构安全。剪力通过蝶形剪切钢板来承受，蝶形剪切板通过独特的形状，近视一个铰存在于该结构中来传递剪力。
[0196]
在完成上述实施过程后，应能体现本发明以下特点：
[0197]
通过耗能垫块、抗拉连接钢板和蝶形剪切板形成耗能体系，耗能垫块的压屈和抗拉连接钢板的拉屈形成一对力耦共同抵抗弯矩，剪力主要由蝶形剪切板承担，轴力由承压垫梁承担，上部预制剪力墙结构在地震中较少或不发生塑性，震后通过更换损坏的耗能构件可恢复原有的使用功能；
[0198]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

技术特征：
1.一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，包括经钢制连接构件与基础相连接的上部预制剪力墙，所述钢制连接构件包括预埋于基础上的预埋钢板，所述预埋钢板上固定有承压垫梁及位于承压垫梁两侧的耗能垫块，位于承压垫梁的前后侧设置有连接上部预制剪力墙和预埋钢板的蝶形剪切板，位于耗能垫块的前后侧设置有连接上部预制剪力墙和预埋钢板的受拉连接钢板，其特征在于，具体包括以下步骤：(一)选定上部预制剪力墙各部件的材料等级、截面尺寸、对应配筋，确定该上部预制剪力墙的承载力设计值；(二)依据上部预制剪力墙进行耗能垫块的尺寸设计；(三)依据上部预制剪力墙进行抗压垫梁的尺寸设计；(四)依据上部预制剪力墙进行受拉连接钢板的尺寸设计；(五)依据上部结构进行蝶形剪切板的尺寸设计；(六)进行受拉连接钢板、蝶形剪切板与预埋钢板相连接的连接角钢的形状设计；(七)进行钢制连接构件的连接设计。2.根据权利要求1所述的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其特征在于，所述上部预制剪力墙的下端连接有内嵌u型钢板，所述受拉连接钢板和蝶形剪切板的上端均经对拉高强螺栓与内嵌u型钢板相连接，受拉连接钢板的下端设置有竖向长条形螺栓孔并经高强螺栓与两端连接角钢相连接，所述蝶形剪切板的下端经高强螺栓与中间连接角钢相连接，所述两端连接角钢和中间连接角钢与预埋钢板固定连接。3.根据权利要求2所述的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其特征在于，所述内嵌u型钢板的内侧间隔固定有与上部预制剪力墙的下端浇筑连接的栓钉，内嵌u型钢板上还间隔开设置有安装对拉高强螺栓的螺栓孔；所述受拉连接钢板的中部间隔开设置有竖向缝；所述两端连接角钢和中间连接角钢均经预埋地脚螺栓与预埋钢板相连接，两端连接角钢和中间连接角钢的槽口内均沿长度方向间隔焊接有加劲肋，且连接角钢的两侧板上沿长度方向间隔开设有位于两加劲肋之间的螺栓孔。4.根据权利要求1所述的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其特征在于，所述承压垫梁及耗能垫块的下端均经局部焊接与预埋钢板相连接；所述承压垫梁包括工字钢，所述工字钢同一侧的上翼缘与下翼缘之间且位于两端部均焊接有一对间隔安装的加劲板，一对加劲板之间自上而下间隔焊接有横向支撑；所述耗能垫块包括工字钢，所述工字钢同一侧的上翼缘与下翼缘的两端之间均焊接有加劲板，位于两加劲板之间自上而下间隔焊接有横向支撑。5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(一)中，根据公式(1)～(2)确定该剪力墙的极限承载力：剪力墙正截面受弯承载能力：剪力墙抗剪承载能力：
式(1)(2)中，m—剪力墙抗弯承载力；v—剪力墙斜截面抗剪承载力；a、a
w
—分别为墙肢的全截面面积和墙肢腹板面积；x—剪力墙横截面抗压区高度；a'—剪力墙正截面上受压钢筋中心至截面边缘的距离；矩形截面取a＝a
w
；n—在剪力墙上施加的轴压力；f
yh
、f
yw
—剪力墙横向分布筋和竖向分布筋的抗拉强度设计值；f
y
—钢筋抗拉强度设计值；f
t
—混凝土抗压强度设计值；h
w0
—剪力墙截面有效高度；b
w
—剪力墙墙厚；n—剪力墙上部轴力；a
sh
、a
sw
—分别为配制在同一界面内的横向和竖向钢筋面积之和；s—横向钢筋间距；λ—计算截面剪跨比；当λ≥2.2时取λ＝2.2；当λ≤1.5时取λ＝1.5。6.根据权利要求1所述的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(二)中，耗能垫块截面面积的设计根据上部预制剪力墙中边缘暗柱的抗压屈服承载力设计，要满足受压垫块达到极限受压屈服强度时，上部预制剪力墙的边缘暗柱还未屈服，以满足将受压破坏集中在耗能垫块上；耗能垫块截面面积依据公式(3)～(4)设计：耗能垫块的极限受压承载能力设计值：n
u
≤b
w
h0f
ck
+f
′
yk
a
′
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，耗能垫块的截面面积为:式中，n
u
—垫块极限受压强度设计值；h0—上部预制剪力墙边缘暗柱的长度；b
w
—上部预制剪力墙厚度；f
ck
—混凝土抗压强度标准值；f
′
yk
—上部预制剪力墙边缘暗柱中钢筋的屈服强度标准值；a
′
s
—耗能垫块的受压截面面积；f
u
—耗能垫块钢材的极限强度标准值。7.根据权利要求1所述的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(三)中，建筑结构的抗压工作荷载一般为0.6n极限，故在保证结构安全的情况下，进一步的考虑经济效益，引入参数δ＝0.7，抗压垫梁的截面面积依据公式(5)～(6)设计：抗压垫梁的承载力：n
u
≥δ(b
w
h0f
ck
+f
′
yk
a
′
s
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)，抗压垫梁的截面面积为式中n
u
—抗压垫梁的抗压承载力；b
w
—上部预制剪力墙的厚度；h0—上部预制剪力墙的截面有效宽度；f
ck
—混凝土抗压强度标准值；f
′
yk
—上部预制剪力墙中钢筋的屈服强度标准值；a
′
s
—上部预制剪力墙中钢筋的截面面积之和；f
′
y
—上部预制剪力墙中钢筋的抗压强度标准值；δ—折减系数。所述步骤(四)中，受拉连接钢板在两端耗能垫块的外侧，宽度与上部预制剪力墙内暗柱长度一样，为保证受拉连接钢板先于上部结构破坏，让其极限拉应力小于剪力墙约束边缘构件受拉钢筋的屈服受拉强度，受拉连接钢板的截面面积依据公式(7)设计：
式中，a
sp
—连接钢板的受拉面积；a
s
—边缘暗柱中钢筋的总面积；f
yk
—边缘暗柱中钢筋的屈服强度标准值；f
u.sp
—受拉连接钢板极限强度标准值。8.根据权利要求1所述的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(五)中，该可更换钢制连接装配式剪力墙水平接缝抗剪承载力主要来源为：1)接缝处u型钢板与耗能垫块和受压垫梁的摩擦力v
n
、2)连接钢板的抗剪承载力v
s1
、3)抗剪钢板抗剪承载力v
s2
；剪力墙的抗剪承载力公式：βv＝v
s1
+v
s2
+v
n
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)，式中β—上部预制剪力墙抗剪屈服承载力的折减系数，取β＝0.9；
①
u型钢板与耗能垫块和受压垫梁的摩擦力v
n
为v
n
＝μn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)，式中，μ—接触面的摩擦系数；n—竖向轴压力；
②
抗拉连接钢板的抗剪承载力v
s1
依据下列公式(10)～(11)计算：抗拉连接钢板中一条开缝钢板的极限承载能力为：一块连接钢板的抗剪承载力为：式中，h—小钢柱高度；b1—小钢柱宽度；σ
y
—为钢材屈服应,σ
y
＝f
y
；t—开缝连接板的厚度；w
p
—钢柱端部截面的塑性抵抗矩，
③
蝶形剪切板的截面面积依据下列公式(12)～(13)计算蝶形剪切板需提供的抗剪承载能力为：v
s2
＝0.9v-v
s1-v
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)，蝶形剪切板的抗剪截面面积为式中，a
s2
—蝶形剪切板的抗剪截面面积；v
n
—钢制连接截面的摩擦力；v
s2
—蝶形剪切板的抗剪屈服值；v—上部预制剪力墙的抗剪屈服值；v
s1
—抗拉连接钢板的抗剪屈服值；f
vw
—蝶形剪切板钢材的抗剪强度设计值。9.根据权利要求1所述的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(六)中，连接角钢的截面面积依据公式(14)～(15)设计，两端连接角钢的截面面积设计为：
中间连接角钢的截面面积设计为式中，a1为两端连接角钢的截面面积；a2为受拉连接钢板的截面面积；a
sp
为抗拉连接钢板的截面面积；a
s2
为蝶形剪切板的截面面积；f
u.sp
受拉连接钢板的抗拉极限强度标准值；f1为两端连接角钢的抗拉极限强度标准值；f2为中间连接角钢的抗拉极限强度标准值；f
t
为中间角钢的抗剪极限强度标准值；f
vw
为蝶形剪切板的抗剪极限强度标准值；f
y
为蝶形剪切板的抗拉极限强度标准值。10.根据权利要求1、2、3或4所述的一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(七)中，钢制连接构件的连接设计依据公式(16)～(19)：
①
单个螺栓的抗剪强度设计值为：
②
承压承载力设计值：式中，n
v
为受剪面数目；d为螺栓杆直径；∑t为在不同受力方向中，同一受力方向承压构件总厚度的较小值；分别为螺栓的抗剪和承压强度设计值。
③
单个螺栓受拉承载能力设计值：按高强摩擦型螺栓计算，受剪承载力设计值：式(18)(19)中，a
e
为一个高强度螺栓的抗拉截面面积；为一个高强度螺栓材料的抗拉设计值；0.9为抗力分项系数γ
η
的倒数，即取n
f
为传力摩擦面数目，单剪时n
f
＝2；p为一个高强度螺栓的设计预拉力，按《钢结构设计规范》采用；μ为摩擦面抗滑移系数，按《钢结构设计原理》中选用。

技术总结
本发明涉及可恢复功能装配式剪力墙设计领域，具体涉及涉及一种可更换钢制连接装配式剪力墙结构的设计方法，包括经钢制连接构件与基础相连接的上部预制剪力墙，所述钢制连接构件包括预埋于基础上的预埋钢板，所述预埋钢板上固定有承压垫梁及位于承压垫梁两侧的耗能垫块，位于承压垫梁的前后侧设置有连接上部预制剪力墙和预埋钢板的蝶形剪切板，位于耗能垫块的前后侧设置有连接上部预制剪力墙和预埋钢板的受拉连接钢板，具体包括以下步骤：确定该上部预制剪力墙的承载力设计值；进行耗能垫块的尺寸设计；进行抗压垫梁的尺寸设计；进行受拉连接钢板的尺寸设计；进行蝶形剪切板的尺寸设计；进行钢制连接构件的形状及连接设计。该方法有助于提高装配式剪力墙的抗震性能和震后可恢复性，降低了修复的难度和经济损失。降低了修复的难度和经济损失。降低了修复的难度和经济损失。


技术研发人员：颜桂云 陈亚辉 叶建峰 潘钦锋
受保护的技术使用者：福建工程学院
技术研发日：2021.12.01
技术公布日：2022/3/8