本發(fā)明涉及可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于形狀記憶合金的自復(fù)位搖擺鋼筋混凝土柱。

背景技術(shù)：

當(dāng)前世界范圍內(nèi)普遍采用的抗震設(shè)計思想是當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受強烈地震時，允許結(jié)構(gòu)在預(yù)定設(shè)計的部位(塑性鉸區(qū))發(fā)生塑性變形來消耗能量，從而實現(xiàn)抗震設(shè)計的設(shè)防目標(biāo)(如大震不倒)以保證生命財產(chǎn)安全。這種采用自身構(gòu)件耗能的延性設(shè)計方法，雖然實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)預(yù)期的抗震目標(biāo)，但結(jié)構(gòu)的塑性鉸區(qū)域在地震中損傷嚴(yán)重。明顯的殘余變形不但會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)修復(fù)困難，而且因使用功能中斷而帶來的經(jīng)濟成本和時間成本較高，給社會和經(jīng)濟發(fā)展帶來明顯的影響。如2011年新西蘭christchurch地震中，60％的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因修復(fù)費用過高而拆除，導(dǎo)致中心城區(qū)關(guān)閉超過2年時間，給社會造成了巨大的經(jīng)濟損失。

當(dāng)前的廣泛使用的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)大多采用“仿現(xiàn)澆”的設(shè)計概念，即通過在預(yù)制構(gòu)件的連接處后澆混凝土從而形成整體結(jié)構(gòu)。這種施工方法由于需要在現(xiàn)場支護模板、澆筑等工藝，一定程度上削弱了預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的施工速度快等優(yōu)點。同時就整體結(jié)構(gòu)體系而言，在抗震性能方面并沒有明顯的提升。

形狀記憶合金作為一種高性能金屬材料，不僅具有的形狀記憶特性和超彈性性能，還具有良好的疲勞性能和耐腐蝕性，這些年逐漸引起了地震工程研究者的重視。其超彈性性能使得構(gòu)件在外力加卸載過程中形成旗幟型的滯回行為，不但能夠消耗一定的地震能量，同時卸載后不存在或僅存在少量的殘余變形。

中國專利201510601928.x公開了一種鋼筋混凝土框架抗震加固結(jié)構(gòu)及其抗震加固方法，在緊貼每根鋼筋混凝土框架外柱的外側(cè)附加一根鋼骨混凝土柱，鋼骨混凝土柱下設(shè)有樁基礎(chǔ)。鋼骨混凝土柱的側(cè)壁與鋼筋混凝土框架外柱的側(cè)壁之間，從柱頂開始通過若干均勻間隔布置的金屬阻尼器連接，鋼骨混凝土柱的柱腳通過在靠近銷鍵處布置的四根預(yù)應(yīng)力鋼筋和搖擺裝置與承臺相連。這種加固方法解決了地震中鋼筋混凝土框架未能實現(xiàn)“強柱弱梁”破壞機制的問題；金屬阻尼器耗散地震能量，削減地震反應(yīng)，震后可替換；通過后張預(yù)應(yīng)力鋼筋，使加固結(jié)構(gòu)具有自復(fù)位能力，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在震后的快速可恢復(fù)功能。這種傳統(tǒng)的自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系雖然也具有自復(fù)位能力，但是，結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，裝配較為麻煩。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于形狀記憶合金的自復(fù)位搖擺鋼筋混凝土柱。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于形狀記憶合金的自復(fù)位搖擺鋼筋混凝土柱，包括混凝土基礎(chǔ)、安置在混凝土基礎(chǔ)上的預(yù)制鋼筋混凝土柱，以及分布在混凝土基礎(chǔ)和預(yù)制鋼筋混凝土柱的四周并連接兩者的超彈性形狀記憶合金螺桿，其中，在混凝土基礎(chǔ)和預(yù)制鋼筋混凝土柱的接觸面上分別預(yù)埋基礎(chǔ)頂面鋼板和柱底鋼板，在基礎(chǔ)頂面鋼板與柱底鋼板之間還布置有抗剪元件。

作為優(yōu)選的實施方案，所述的超彈性形狀記憶合金螺桿埋設(shè)在混凝土基礎(chǔ)內(nèi)，其底端穿過混凝土基礎(chǔ)并錨固于混凝土基礎(chǔ)底部，頂端穿過基礎(chǔ)頂面鋼板和柱底鋼板，并錨固于柱底鋼板上表面。

作為上述優(yōu)選的實施方案的更優(yōu)選，所述的超彈性形狀記憶合金螺桿外還套設(shè)有pvc管。這是為避免超彈性形狀記憶合金螺桿與混凝土之間的粘結(jié)而一定程度上抑制螺桿的自由變形，因此需要采用無粘結(jié)措施，本發(fā)明優(yōu)選在螺桿外圍布置pvc管。

所述柱底鋼板的抗彎屈服承載力大于超彈性形狀記憶合金螺桿的屈服承載力。

作為優(yōu)選的實施方案，所述的超彈性形狀記憶合金螺桿的底端穿過所述柱底鋼板和基礎(chǔ)頂面鋼板，并錨固在基礎(chǔ)頂面鋼板的底部，頂端與設(shè)置在預(yù)制鋼筋混凝土柱上的鋼連接件固定連接。

作為上述優(yōu)選的實施方案的更優(yōu)選，所述的鋼連接件的連接處加工成開口狀；

所述的混凝土基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)留有供超彈性形狀記憶合金螺桿的變形空間；

所述鋼連接件的抗彎屈服承載力大于超彈性形狀記憶合金螺桿的屈服承載力。

作為優(yōu)選的實施方案，所述的預(yù)制鋼筋混凝土柱的下部外圍預(yù)埋約束鋼板，該約束鋼板與預(yù)制鋼筋混凝土柱之間采用抗剪栓釘連接，其底部與柱底鋼板焊接固定。

作為上述優(yōu)選的實施方案的更優(yōu)選，所述的約束鋼板與柱底鋼板之間還設(shè)置有三角形加勁肋。

作為優(yōu)選的實施方案，所述的超彈性形狀記憶合金螺桿加工成狗骨式結(jié)構(gòu)，其在兩端錨固于預(yù)制鋼筋混凝土柱和混凝土基礎(chǔ)前先施加有≤1％的預(yù)應(yīng)變值。

作為優(yōu)選的實施方案，所述的柱底鋼板底部預(yù)留有碗形空槽，在碗形空槽內(nèi)安裝有與其匹配的所述抗剪元件，該抗剪元件的頂部還內(nèi)凹加工有螺栓槽，在螺栓槽內(nèi)設(shè)置螺栓穿過抗剪元件并與基礎(chǔ)頂面鋼板固定。

本發(fā)明的整個構(gòu)件體系中，除了螺桿連接處的鋼板和搖擺轉(zhuǎn)動接觸點的鋼板上會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中外，其他部位均處于彈性狀態(tài)。地震作用消失后，由于形狀記憶合金的超彈性作用會使整個搖擺柱恢復(fù)到初始狀態(tài)，結(jié)構(gòu)無殘余變形或存在很小可控的殘余變形，結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自復(fù)位的效果。超彈性形狀記憶合金螺桿所用的材料應(yīng)具有超彈性特性，優(yōu)先的選用鎳鈦基合金材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1)本發(fā)明所示的形狀記憶合金自復(fù)位搖擺鋼筋混凝土柱中，超彈性形狀記憶合金螺桿處于軸向變形行為，有效地利用了形狀記憶合金的超彈性能力。在地震作用中不但會起到消耗地震能量的作用，更重要的是震后沒有或存在很小可控的殘余變形，可以保證其震后使用功能不會中斷，有效地避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中顯著的震后修復(fù)和加固的費用，是一種高性能結(jié)構(gòu)體系。

2)本發(fā)明構(gòu)造簡單，施工方便。利用形狀記憶合金的材料特性，同時實現(xiàn)耗能和自復(fù)位功能。相對于傳統(tǒng)的自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系(大多是后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)+耗能元件)來說，構(gòu)造更為簡單。鋼筋混凝土柱采用工廠預(yù)制，現(xiàn)狀螺栓拼裝，有利于發(fā)揮預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

3)本發(fā)明設(shè)計靈活，適用范圍廣?？梢酝ㄟ^改變超彈性形狀記憶合金螺桿的初始預(yù)應(yīng)變ε、長度l、直徑d和螺桿個數(shù)等參數(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系不同的初始剛度、承載力和變形能力，可以滿足不同抗震設(shè)防類型的設(shè)計要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1的基于形狀記憶合金的自復(fù)位搖擺鋼筋混凝土柱的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實施例1所述構(gòu)件的剖面圖a-a；

圖3為本發(fā)明的超彈性形狀記憶合金螺桿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的柱底鋼板的橫截面示意圖；

圖5為本發(fā)明的抗剪元件的側(cè)視示意圖；

圖6為本發(fā)明的抗剪元件的主視示意圖；

圖7為本發(fā)明的三角形加勁肋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例2的基于形狀記憶合金的自復(fù)位搖擺鋼筋混凝土柱的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明實施例2所述構(gòu)件的剖面圖b-b；

圖10為本發(fā)明的鋼連接件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1-預(yù)制鋼筋混凝土柱，2-混凝土基礎(chǔ)，3-超彈性形狀記憶合金螺桿，31-pvc管，4-柱底鋼板，5-基礎(chǔ)頂面鋼板，6-約束鋼板，61-抗剪栓釘，62-加勁肋，7-抗剪元件，8-鋼連接件。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明的基于形狀記憶合金的自復(fù)位搖擺鋼筋混凝土柱，包括混凝土基礎(chǔ)2、安置在混凝土基礎(chǔ)2上的預(yù)制鋼筋混凝土柱1，以及分布在混凝土基礎(chǔ)2和預(yù)制鋼筋混凝土柱1的四周并連接兩者的超彈性形狀記憶合金螺桿3，其中，在混凝土基礎(chǔ)2和預(yù)制鋼筋混凝土柱1的接觸面上分別預(yù)埋基礎(chǔ)頂面鋼板5和柱底鋼板4，在基礎(chǔ)頂面鋼板5與柱底鋼板4之間還布置有抗剪元件7。

作為一種優(yōu)選的實施方式，超彈性形狀記憶合金螺桿3埋設(shè)在混凝土基礎(chǔ)2內(nèi)，其底端穿過混凝土基礎(chǔ)2并錨固于混凝土基礎(chǔ)2底部，頂端穿過基礎(chǔ)頂面鋼板5和柱底鋼板4，并錨固于柱底鋼板4上表面。作為上述優(yōu)選的實施方式的更優(yōu)選，超彈性形狀記憶合金螺桿3外還套設(shè)有pvc管31。這是為避免超彈性形狀記憶合金螺桿3與混凝土之間的粘結(jié)而一定程度上抑制螺桿的自由變形，因此需要采用無粘結(jié)措施，本發(fā)明優(yōu)選在螺桿外圍布置pvc管31。柱底鋼板4的抗彎屈服承載力大于超彈性形狀記憶合金螺桿3的屈服承載力。

作為一種優(yōu)選的實施方式，超彈性形狀記憶合金螺桿3的底端穿過柱底鋼板4和基礎(chǔ)頂面鋼板5，并錨固在基礎(chǔ)頂面鋼板5的底部，頂端與設(shè)置在預(yù)制鋼筋混凝土柱1上的鋼連接件8固定連接。作為上述優(yōu)選的實施方式的更優(yōu)選，鋼連接件8的連接處加工成開口狀；混凝土基礎(chǔ)2內(nèi)預(yù)留有供超彈性形狀記憶合金螺桿3的變形空間；鋼連接件8的抗彎屈服承載力大于超彈性形狀記憶合金螺桿3的屈服承載力。

作為一種優(yōu)選的實施方式，預(yù)制鋼筋混凝土柱1的下部外圍預(yù)埋約束鋼板6，該約束鋼板6與預(yù)制鋼筋混凝土柱1之間采用抗剪栓釘61連接，其底部與柱底鋼板4焊接固定。作為上述優(yōu)選的實施方式的更優(yōu)選，約束鋼板6與柱底鋼板4之間還設(shè)置有三角形加勁肋62。

作為一種優(yōu)選的實施方式，超彈性形狀記憶合金螺桿3加工成狗骨式結(jié)構(gòu)，其在兩端錨固于預(yù)制鋼筋混凝土柱1和混凝土基礎(chǔ)2前先施加有≤1％的預(yù)應(yīng)變值。

作為一種優(yōu)選的實施方式，柱底鋼板4底部預(yù)留有碗形空槽，在碗形空槽內(nèi)安裝有與其匹配的抗剪元件7，該抗剪元件7的頂部還內(nèi)凹加工有螺栓槽，在螺栓槽內(nèi)設(shè)置螺栓穿過抗剪元件7并與基礎(chǔ)頂面鋼板5固定。

實施例1

一種基于超彈性形狀記憶合金的自復(fù)位搖擺鋼筋混凝土柱，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，包括預(yù)制鋼筋混凝土柱1、超彈性形狀記憶合金螺桿3、抗剪元件7和混凝土基礎(chǔ)2。為了減少預(yù)制鋼筋混凝土柱1底部與混凝土基礎(chǔ)2頂面混凝土的損傷，分別在接觸面上預(yù)埋柱底鋼板4和基礎(chǔ)頂面鋼板5。同時柱底鋼板4與預(yù)制鋼筋混凝土柱1中的縱筋在底部焊接。預(yù)制鋼筋混凝土柱1與混凝土基礎(chǔ)2之間通過超彈性形狀記憶合金螺桿3連接，預(yù)制鋼筋混凝土柱1柱底與混凝土基礎(chǔ)2之間布置抗剪元件7。為了避免柱腳混凝土在反復(fù)荷載作用下的損傷，在預(yù)制鋼筋混凝土柱1下部外圍預(yù)埋約束鋼板6，與柱混凝土之間采用抗剪栓釘61連接，并與柱底鋼板4焊接。為了提高柱底鋼板4的變形能力，在約束鋼板6和柱頂鋼板4之間設(shè)置三角形加勁肋62。

如圖3所示，超彈性形狀記憶合金螺桿3需要加工成狗骨式形狀，并且在使用前需施加一定的預(yù)應(yīng)變，通常施加≤1％的預(yù)應(yīng)變值。超彈性形狀記憶合金螺桿3的上端與柱底鋼板4連接，底端穿過混凝土基礎(chǔ)2并錨固于基礎(chǔ)底部。超彈性形狀記憶合金螺桿3與混凝土基礎(chǔ)2的混凝土之間采用無粘結(jié)措施，如采用pvc管31。為了使超彈性形狀記憶合金螺桿3具有良好的超彈性能力，優(yōu)選的選用鎳鈦基的合金材料，并且在使用前要對超彈性形狀記憶合金螺桿3進行一定的加載“訓(xùn)練”，使其具有穩(wěn)定的滯回行為。在反復(fù)荷載作用下，為了將構(gòu)件的變形集中在超彈性形狀記憶合金螺桿3上，柱底鋼板4的抗彎屈服承載力應(yīng)大于超彈性形狀記憶合金螺桿3的屈服承載力。

同時，可以通過改變超彈性形狀記憶合金螺桿3的初始預(yù)應(yīng)變ε、長度l、直徑d和螺桿個數(shù)等參數(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系不同的初始剛度、承載力和變形能力，可以滿足不同抗震設(shè)防類型的設(shè)計要求。

如圖4-圖6所示，柱底鋼板4底部預(yù)留碗形空槽，用以安裝抗剪元件7，抗剪元件7設(shè)計為與碗形空槽匹配的碗狀，只抵抗水平力而不限制轉(zhuǎn)動，并且不影響構(gòu)件的自復(fù)位能力。通過螺栓安裝在基礎(chǔ)頂面鋼板5上。

實施例2

本實施例與實施例1的區(qū)別在于：超彈性形狀記憶合金螺桿3的布置。

具體地說，與實施例1相似，如圖8和圖9所示，為了便于超彈性形狀記憶合金螺桿3的安裝，通過在預(yù)制鋼筋混凝土柱1上預(yù)埋鋼連接件8，將超彈性形狀記憶合金螺桿3布置在預(yù)制鋼筋混凝土柱1外圍。超彈性形狀記憶合金螺桿3的上端固定在鋼連接件8上，而下端錨固在基礎(chǔ)頂面鋼板5的底部，并且在混凝土基礎(chǔ)2內(nèi)為超彈性形狀記憶合金螺桿3預(yù)留了變形的空間。超彈性形狀記憶合金螺桿3在整個反復(fù)加載過程中只受拉力，不受壓力。

預(yù)制鋼筋混凝土柱1底部與混凝土基礎(chǔ)2之間布置抗剪元件7。為了避免柱腳混凝土在反復(fù)荷載作用下的損傷，在柱下部外圍預(yù)埋約束鋼板6，與柱混凝土之間通過抗剪栓釘61連接，并與柱底鋼板4焊接。

如圖10所示，為便于超彈性形狀記憶合金螺桿3安裝，預(yù)埋的鋼連接件8的連接板設(shè)計為開口形。

與第一實施例相似，在反復(fù)荷載作用下，為了將構(gòu)件的變形集中在超彈性形狀記憶合金螺桿3上，預(yù)埋的鋼連接件8的抗彎屈服承載力應(yīng)大于超彈性形狀記憶合金螺桿3的屈服承載力。超彈性形狀記憶合金螺桿3需要加工成狗骨式形狀，并且在使用前需施加一定的預(yù)應(yīng)變，通常施加≤1％的預(yù)應(yīng)變值。為了使超彈性形狀記憶合金螺桿3具有良好的超彈性能力，優(yōu)選的選用鎳鈦基的合金材料。并且在使用前要對超彈性形狀記憶合金螺桿3進行一定的加載“訓(xùn)練”，使其具有穩(wěn)定的滯回行為。

與第一實施例相同，柱底鋼板4底部預(yù)留圓形空槽，用以安裝抗剪元件7，抗剪元件7設(shè)計為碗狀，只抵抗水平力而不限制轉(zhuǎn)動，并且不影響構(gòu)件的自復(fù)位能力。通過螺栓安裝在基礎(chǔ)頂鋼板5上。

為了滿足不同抗震設(shè)防類型的設(shè)計要求，可以通過改變超彈性形狀記憶合金螺桿3的初始預(yù)應(yīng)變ε、長度l、直徑d和個數(shù)等參數(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系不同的初始剛度、承載力和變形能力。

綜上，本發(fā)明涉及一種自復(fù)位搖擺鋼筋混凝土柱體系。本發(fā)明中超彈性形狀記憶合金螺桿3處于軸向變形行為，有效地利用了形狀記憶合金的超彈性能力。在地震作用中，自復(fù)位搖擺柱通過柱底鋼板4和基礎(chǔ)頂面鋼板5之間的張開/閉合行為，將絕多數(shù)變形集中在超彈性形狀記憶合金螺桿3上，而其他構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)。超彈性形狀記憶合金螺桿3不但會起到消耗地震能量的作用，更重要的是其超彈性能力使得結(jié)構(gòu)在震后沒有或存在很小可控的殘余變形，保證其震后使用功能不會中斷，有效地避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中顯著的震后修復(fù)和加固的費用，是一種高性能結(jié)構(gòu)體系。同時，本發(fā)明的原理和技術(shù)也可以用于橋梁工程中的橋墩體系。

上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。