用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙

摘要

本发明提供一种用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙，属于建筑结构震后损伤评估技术领域。本发明包括变截面钢板柱和面外变形参照；变截面钢板柱和面外变形参照由同一钢板开细缝分隔而成，且变截面钢板柱和面外变形参照相间排列；变截面钢板柱的横截面宽度沿高度方向不均匀，其上、下端部横截面大，中间横截面小；相应的，面外变形参照的上、下端部横截面小，中间横截面大。本发明的构造简单，设计灵活，开缝钢板剪力墙在工厂加工，现场安装，应用方便；其评估地震引起建筑最大层间变形功能，无需借助其他工具，兼具客观性和简便性，可以有效地减少震后损伤评估所需的时间和经济成本，大大提高震后损伤评估的效率。

说明书

技术领域

本发明属于建筑结构震后损伤评估技术领域，具体涉及一种用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙。

背景技术

震害发生后，迫切需要了解建筑结构的损伤情况以决策是否需要紧急撤离或可以继续使用。在传统的震害损伤评估中，专业人员进入建筑物内部观测包括裂缝、混凝土脱落等损伤情况，然后综合整体损伤情况及自身经验评估结构所受损伤。这种评估方法所需要的人力和时间成本巨大，不能满足对大量受损建筑物进行快速评估的现实要求。

结构健康监测技术开始应用于少数的重要建筑物中，利用电子传感器收集到的工程数据实时监测结构状态。先进的结构健康监测技术虽然可以实现快速的震害损伤评估，但由于其运营复杂、初期投资成本及后期维护成本高，目前尚无法广泛应用于普通建筑结构中。

传统的开缝钢板剪力墙通过在整块钢板上开挖一定间距和长度的竖缝，从而形成一系列矩形钢板柱。侧向变形作用下，矩形钢板柱受弯剪作用，随着侧向变形增大而发生面外扭转变形。通过检查开缝钢板剪力墙在地震后是否发生平面外变形，可以评估其所在结构经历的最大层间变形，而层间变形是反映结构损伤情况的一个重要指标，因此开缝钢板剪力墙具有评估其所在结构震害损伤的潜在功能。

传统开缝钢板剪力墙在侧向变形条件下，所产生的面外变形不明显，不易观测，无法保证客观性。获得较大的面外变形是利用此构件进行震害损伤评估的关键，但矩形钢板柱端部因应力集中易发生断裂，造成面外变形发展中断，从而不利于震害损伤评估的实施。因此，需进一步研发更适用于震后损伤评估的新型开缝钢板剪力墙。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙，其可以通过震后自身变形情况提供简便和客观的结构损伤信息，以帮助实现震后损伤评估。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

一种用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙，包括变截面钢板柱和面外变形参照。所述变截面钢板柱和面外变形参照由同一钢板开细缝分隔而成；其中，变截面钢板柱和面外变形参照相间排列，且两者的端部连接。

优选的，面外变形参照的左、右边缘分别与相邻的变截面钢板柱的左、右边缘平行。

优选的，所述变截面钢板柱的两侧均有面外变形参照。

优选的，所述钢板选用薄钢板，因为薄钢板可以产生较大的面外变形。

所述变截面钢板柱横截面宽度沿高度不均匀，其上、下端部横截面大，中间横截面小，其沿高度方向的横截面面积与弯矩分布一致。所述面外变形参照的上、下端部横截面小，中间横截面大；位于中间位置的面外变形参照为近似双锥形。

相邻变截面钢板柱与面外变形参照之间的间距为所述细缝的宽度。细缝的宽度不宜过宽，也不宜过窄。细缝过宽则不能有效提供面外变形参照；细缝过窄则变截面钢板柱发生面外变形时会与面外变形参照产生碰撞。优选的，所述细缝的宽度建议为钢板厚度t。

所述的变截面钢板柱的截面宽度比b/a(端部横截面宽度b/中间横截面宽度a)决定变截面钢板柱在高度方向首先屈服的位置。b/a较大，首先屈服的位置靠近中间；b/a较小，首先屈服的位置靠近端部。弯矩作用下，变截面钢板柱边缘沿高度方向上应力分布为其中M(x)是高度x截面处弯矩，I(x)是高度x截面的截面惯性矩，M₀为端部截面弯矩，h为变截面钢板柱的高度。当高度时，此时最大应力为为避免应力集中，最大应力处截面应远离变截面钢板柱的中间和端部截面，不妨取中间和端部截面之间，令得到b/a＝3。因此，优选的，所述的变截面钢板柱的截面宽度比b/a设计为3；此时，变截面钢板柱首先屈服且起始面外变形发生在变截面钢板柱的四分之一和四分之三高度处，具有优良的面外扭转变形能力，同时可以有效避免应力集中。

本发明所述用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙在使用时设置于结构中。所述变截面钢板柱产生明显的面外扭转变形时，结构最大层间变形主要由宽厚比λ＝2a/t控制。

本发明中，通过改变变截面钢板柱的宽度，各个变截面钢板柱的宽厚比λ可以设计为不同的。具体的，在同一块钢板中，t值固定，改变a，一块钢板中可以设置多个a不同的变载面钢板柱。随着层间变形增大，宽厚比λ较大的变截面钢板柱首先产生明显的面外扭转变形；明显的面外扭转变形指所述变截面钢板柱在任一高度处的面外变形达到一个钢板厚度t。

所述变截面钢板柱不宜过长或过短，因为产生较大面外变形的关键是变截面钢板柱受弯发生面外扭转变形，变截面钢板柱过短则主要受力模式为剪切变形，变截面钢板柱过长则易发生整体屈曲。通过其长细比β＝h/2a度量，h为变截面钢板柱的高度；所述的变截面钢板柱的长细比β＝h/2a的范围应不小于3且不大于10。

震害发生时，开缝钢板剪力墙中的变截面钢板柱发生面外扭转变形，而发生面外扭转变形时侧向变形的大小主要由变截面钢板柱的宽厚比λ控制。宽厚比λ大的变截面钢板柱在较小的侧向变形下产生面外扭转变形，而宽厚比λ小的变截面钢板柱产生面外扭转变形时的侧向变形较大。面外变形参照在端部由于其较小的宽厚比，即使在较大的侧向变形下也不会发生面外扭转变形而保持在平面内。同时，面外变形参照可以提升肉眼观测的简便性和客观性；因为面外变形参照紧邻变截面钢板柱，且两者的间距较小，从而在变截面钢板柱产生面外扭转变形时可以提供参照，便于肉眼识别。

震害后，通过肉眼观察变截面钢板柱是否发生面外扭转变形以及发生面外扭转变形的变截面钢板柱的个数，即可快速评估建筑物在地震过程中所经历的最大层间变形情况，从而快速获取建筑物震害致损伤状况。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案，其有益效果在于：

1)本发明评估地震引起建筑最大层间变形，无需借助其他工具，兼具客观性和简便性，可以有效地减少震后损伤评估所需的时间和经济成本，大大提高震后损伤评估的效率。

2)本发明构造简单，施工方便；钢板开缝使用数字激光切割机，在工厂加工，现场通过高强螺栓安装，适合建筑工业化的发展需求；且可以与传统开缝钢板剪力墙或其他耗能装置组合使用，同时实现优良地震耗能和损伤评估的双重功能。

3)本发明设计灵活，适用范围广；通过改变变截面钢板柱的宽厚比，以及不同宽厚比的变截面钢板柱的组合使用，可以监测不同大小的层间变形，实现不同震害强度下结构损伤评估。

附图说明

图1示出了本发明第一实施例的用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙的布置图；

图2示出了图1所示的变截面钢板柱、面外变形参照和细缝的示意图；

图3示出了图2所示的构件剖面图A-A；

图4示出了本发明第二实施例的用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙与传统开缝钢板剪力墙的布置图；

图5示出了本发明第三实施例的用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙与传统开缝钢板剪力墙的布置图。

附图标记说明

变截面钢板柱1、面外变形参照2、细缝3、连接构件4、楼面梁5、传统开缝钢板剪力墙6、连接端板7、矩形条8、垫板9。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例提供的用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙，包括变截面钢板柱1、面外变形参照2。

变截面钢板柱1与面外变形参照2由同一钢板开细缝3分隔而成，但保持变截面钢板柱1和面外变形参照2的端部相连，同时变截面钢板柱1和面外变形参照2相间排列，变截面钢板柱1的两侧均有面外变形参照2，同时面外变形参照2的左、右边缘分别与相邻的变截面钢板柱1的左、右边缘平行；细缝3的宽度设计为钢板厚度t；所用钢板选用薄钢板。

在本实施例中，通过连接构件4将本发明所述用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙与楼面梁5连接，实现有效传递层间变形。连接构件4在满足有足够刚度的条件下，允许有多种实现方式。所述开缝钢板剪力墙与连接构件4之间、连接构件4与楼面梁5之间均可以通过高强螺栓连接。

面外变形参照2上、下端部横截面小，中间横截面大。

变截面钢板柱1的上、下端部横截面大，中间横截面小，其截面宽度比b/a(端部横截面宽度b/中间横截面宽度a)设计为3，其长细比β＝h/2a不小于3且不大于10。变截面钢板柱1产生明显面外扭转变形时，对应的结构的最大层间变形由宽厚比λ＝2a/t控制。随着层间变形增大，宽厚比较大的变截面钢板柱1首先产生明显的面外扭转变形，明显的面外扭转变形指所述变截面钢板柱1任一高度处的面外变形达到一个钢板厚度t。

本实施例组合三种不同宽厚比的变截面钢板柱1，可以监测三个等级的最大层间变形。通过改变变截面钢板柱1的宽厚比λ，可以改变欲监测的层间变形；增加具有不同宽度变截面钢板柱1的个数，可以扩大所监测的层间变形的范围，实现不同震害强度下结构损伤评估。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙与楼面梁的连接方式不同，以及用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙与传统开缝钢板剪力墙组合使用。

如图4所示，在本实施例中，用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙与传统开缝钢板剪力墙6组合使用，两种开缝钢板剪力墙左右并排布置，并通过高强螺栓与楼面梁连接，从而同时获得良好的耗能能力和评估地震引起建筑最大层间变形的双重功能。

本实施例中的传统开缝钢板剪力墙6优选采用低屈服点钢，低屈服点钢具有明显的塑性强化效应，耗能能力强，可以获取饱满的滞回耗能性能；低屈服点钢的耗能能力根据实际需求设计。

本实施例中，变截面钢板柱1与面外变形参照2由同一钢板在其中间部分开细缝3分隔而成，两者端部相连；变截面钢板柱1与面外变形参照2相间排列，且变截面钢板柱1两侧均有面外变形参照2；同时在所述中间部分还设置有若干矩形条8，所述矩形条8由钢板在所述中间部分开竖直的细缝分隔而成，所述矩形条8可以位于面外变形参照2与面外变形参照2之间及所述开缝钢板剪力墙两侧边缘；钢板的上下端部分作为连接端板7，以传递层间变形；设置矩形条8的目的是增加连接端板7的宽度，以保证连接端板7具有足够的面内刚度，从而有效传递层间变形。连接端板7的宽高比不宜过小，否则连接端板7的弯曲变形较大，会消耗较大部分的层间变形，且易发生整体面外屈曲，不利于变截面钢板柱1的变形监测。优选的，连接端板7的宽高比不小于1.5；此时，连接端板7的变曲变形较小，主要发生面内剪切，绝大部分的层间变形可以有效传递。

本实施例设置矩形条8的实施方式适用于使用较薄的连接端板的情况。如楼面梁与开缝钢板剪力墙之间的连接足够刚，则矩形条8可不设，如实施例1。

与实施例1相同，本实施例的用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙，包括变截面钢板柱1、面外变形参照2。变截面钢板柱1与面外变形参照2由同一钢板开细缝3分隔而成，两者端部相连。其中，变截面钢板柱1和面外变形参照2相间排列，且变截面钢板柱1两侧均有面外变形参照2，同时面外变形参照2的左、右边缘分别与相邻的变截面钢板柱1的左、右边缘平行；细缝3的宽度设计为钢板厚度t；所用钢板选用薄钢板。面外变形参照2上、下端部横截面小，中间横截面大。变截面钢板柱1的上、下端部横截面大，中间横截面小，其截面宽度比b/a(端部横截面宽度b/中间横截面宽度a)设计为3，其长细比β＝h/2a不小于3且不大于10。变截面钢板柱1产生明显面外扭转变形时，对应的结构的最大层间变形由宽厚比λ＝2a/t控制。随着层间变形增大，宽厚比较大的变截面钢板柱1首先产生明显的面外扭转变形，明显的面外扭转变形指所述变截面钢板柱1在任一高度处的面外变形达到一个钢板厚度t。

与实施例1相似，本实施例也组合三种不同宽厚比的变截面钢板柱1，可以监测三个等级的最大层间变形。通过改变变截面钢板柱1的宽厚比λ，可以改变欲监测的层间变形；增加具有不同宽度变截面钢板柱1的个数，可以扩大所监测的层间变形的范围，实现不同震害强度下结构损伤评估。

实施例3

实施例3与实施例2的区别在于：与传统开缝钢板剪力墙的布置方式不同。

如图5所示，在本实施例中，用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙与传统开缝钢板剪力墙6前后并列平行布置，且两种开缝钢板剪力墙在上、下端部均通过垫板9隔开，保持相互独立。

传统开缝钢板剪力墙6优选采用低屈服点钢，其耗能能力根据实际需求设计。

与实施例2相同，本实施例中，变截面钢板柱1与面外变形参照2由同一钢板在其中间部分开细缝3分隔而成，两者端部相连；变截面钢板柱1与面外变形参照2相间排列，且变截面钢板柱1两侧均有面外变形参照2；同时在所述中间部分还设置有若干矩形条8，所述矩形条8由钢板在所述中间部分开竖直的细缝分隔而成，所述矩形条8可以位于面外变形参照2与面外变形参照2之间及所述开缝钢板剪力墙两侧边缘；钢板的上、下端部分作为连接端板7，以传递层间变形；设置矩形条8的目的是增加连接端板7的宽度，以保证连接端板7具有足够的面内刚度，从而有效传递层间变形。优选的，连接端板7的宽高比不小于1.5。

与实施例1、2相同，本实施例的用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙，包括变截面钢板柱1、面外变形参照2。变截面钢板柱1与面外变形参照2由同一钢板开细缝3分隔而成，两者端部相连。其中，变截面钢板柱1和面外变形参照2相间排列，且变截面钢板柱1两侧均有面外变形参照2，同时面外变形参照2的左、右边缘分别与相邻的变截面钢板柱1的左、右边缘平行；细缝3的宽度设计为钢板厚度t；所用钢板选用薄钢板。面外变形参照2上、下端部横截面小，中间横截面大。变截面钢板柱1的上、下端部横截面大，中间横截面小，其截面宽度比b/a(端部横截面宽度b/中间横截面宽度a)设计为3，其长细比β＝h/2a不小于3且不大于10。变截面钢板柱1产生明显面外扭转变形时，对应的结构的最大层间变形由宽厚比λ＝2a/t控制。随着层间变形增大，宽厚比较大的变截面钢板柱1首先产生明显的面外扭转变形，明显的面外扭转变形指所述变截面钢板柱1在任一高度处的面外变形达到一个钢板厚度t。

与实施例1、2相似，本实施例也组合三种不同宽厚比的变截面钢板柱1，可以监测三个等级的最大层间变形。通过改变变截面钢板柱1的宽厚比λ，可以改变欲监测的层间变形；增加具有不同宽度变截面钢板柱1的个数，可以扩大所监测的层间变形的范围，实现不同震害强度下结构损伤评估。

综上所述，本发明涉及一种用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙；其中，变截面钢板柱1在特定层间变形下，产生明显的面外扭转变形，发生面外扭转变形时的层间变形的大小由变截面钢板柱1的宽厚比控制。变截面钢板柱1横截面宽度沿高度不均匀，端部横截面大，中间横截面小，沿高度方向的横截面面积与弯矩分布一致。面外变形参照2在端部由于其较小的宽厚比，即使在较大的侧向变形下也不会发生面外扭转变形而保持在平面内，作为观察变截面钢板柱1面外扭转变形的参照物，便于肉眼识别。

本发明评估地震引起建筑最大层间变形的功能，无需借助其他工具，兼具客观性和简便性，可以有效地减少震后损伤评估所需的时间和经济成本，大大提高震后损伤评估的效率。本发明中的用于评估地震引起建筑最大层间变形的开缝钢板剪力墙与传统开缝钢板剪力墙或其它耗能装置可进行独立设计并组合使用，以同时实现地震耗能和震害损伤评估的双重功能。

本发明是根据特定实施例进行描述的，便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明，但是熟悉本领域的技术人员可以容易地对这些应用做出修改和变化，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的修改都应该在权利保护范围之内。