一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件

1.本发明涉及一种建筑构件，尤其涉及一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，属于土木工程技术领域。


背景技术：

2.装配式建筑构件近年来土木工程、道路桥梁工程等领域应用越来越多，它具有很多突出的优点，能够实现工厂化预制生产，并能实现生产过程的自动化和智能化，具有良好的经济性和环保效益。在土木工程领域，以装配式剪力墙、装配式梁结构、装配式柱结构以及混凝土砌块等为装配式建筑构件的代表。在道路桥梁工程领域，以预制梁为装配式建筑构件的代表。
3.现有装配式建筑构件之间都采用的是植筋、钢筋焊接以及灌浆的方式进行连接固定，装配连接部位采用现浇的方式进行刚性连接，连接固定后形成整体式结构。对于装配式建筑构件做成的结构来说，梁柱节点位置的抗震承载能力对整个结构的抗震性能具有十分重要的影响，在地震过程中众多的装配连接部位极易发生破坏，一旦发生破坏，就无法自我复位，不利于建筑结构的安全。
4.更主要的是，现有装配式建筑构件的装配连接面通常是“一刀切”的平面结构，这样的平面转动能力较差。如果受到极端荷载而产生较大的摇摆时，连接处会产生较大的转动变形，对于转动能力差的平缝而言，难以通过摩擦耗散掉这部分能量，相反会产生很大的应力集中，使得构件连接处容易发生局部破坏。另外，平缝的抗剪能力比较差，梁柱接触面上的剪力主要由预应力筋和耗能钢筋承担，而混凝土构件本身却没有提供任何作用，这是由于接触面上提供的摩擦力很小，抗震和自复位能力较差，无法承受地震的破坏。以上技术问题一直是制约装配式技术发展的技术难题，一直以来缺乏一种结构合理，安装方便，并且具有摩擦耗能和自复位功能的装配式建筑构件来解决上述技术难题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对传统的装配式建筑构件一直以来没能解决的装配难度大、对位精度要求高、抗震性能不佳的难题，在地震中极易发生破坏，不具有摩擦耗能和自复位功能的缺陷和不足，现提供一种结构合理，装配对位方便快捷，并达到了良好的摩擦耗能和自复位效果，巧妙解决了传统装配式建筑构件所存在的技术难题，抗震性能好的一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件。
6.为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，包括建筑构件，所述建筑构件为四个或四个以上的外侧面，其中相对着的两个外侧面分别设置为第一拓扑互锁曲面和第二拓扑互锁曲面，其余的外侧面为平面，拓扑互锁曲面为一组关于拓扑互锁曲面横截面的中心点中心对称的曲线经双轨扫掠而形成的曲面，相邻的两个建筑构件之间能够通过第一拓扑互锁曲面与第二拓扑互锁曲面进行非粘接配合，并能形成拓扑互锁，第一拓扑互锁曲面和第二拓扑互锁曲面的表面光滑，相邻的
两个建筑构件通过拓扑互锁曲面装配后能够进行一定的相对滑动。
7.进一步的，所述第一拓扑互锁曲面和第二拓扑互锁曲面分别由四段三角函数曲线构成，长边为一个周期的余弦函数，短边为半个周期的余弦函数，拓扑互锁面由短边在长边上扫掠形成。
8.进一步的，所述第一拓扑互锁曲面和第二拓扑互锁曲面由以下方程确定：
[0009][0010]
其中，h为拓扑互锁面在z方向上的高度，b为拓扑互锁面在x方向上的单位长度，l为拓扑互锁面在y方向上的单位长度。
[0011]
进一步的，所述曲面方程中：
[0012][0013][0014][0015][0016][0017]
θ(y)＝θ(-y)；
[0018]
θ(y)＝θ(y+l)；
[0019]
θ(0)＝1；
[0020][0021]
θ
′
(0)＝θ
′
(0)＝0。
[0022]
进一步的，所述建筑构件为预制混凝土梁、预制混凝土柱、预制混凝土板或其它混凝土预制件，还可以为钢结构制成的建筑构件或烧结制成的建筑构件。
[0023]
进一步的，所述建筑构件采用烧结、混凝土预制或机械加工制成。
[0024]
本发明的有益效果是：
[0025]
1、本发明采用了拓扑互锁曲面作为装配连接面，并且不再采用灌浆现浇这种粘接固定方式，装配连接面采用直接装配贴合的非粘接固定方式，装配在一起的两个拓扑互锁曲面之间具有互锁功能，在外力作用下能进行一定程度的微小的位移，并能实现摩擦耗能，极大地减小了应力，从根本上避免了地震或外力作用下造成的结构破坏。
[0026]
2、本发明拓扑互锁面能够在连接界面处限制构件的相互错动，提高了装配式建筑构件安装后的抗剪能力，同时在拓扑互锁面的作用下，装配式建筑构件具有非常优异的自复位功能，在地震发生后能够自动复位。
[0027]
3、本发明所采用的具有拓扑互锁功能的装配式建筑构件，利用构件上拓扑互锁结构能有效限制了在水平方向的运动，极大降低了对构件对位精度的依赖，减少了砂浆的使用，提高了施工效率，并从根本上避免了因工人砌筑水平不佳导致的建筑物性能下降的情况，更加符合装配式建筑和工业化建造的理念。
附图说明
[0028]
图1是本发明的整体结构示意图。
[0029]
图2是图1的侧面结构示意图。
[0030]
图3是图1的俯视图。
[0031]
图4是图1的正面结构示意图。
[0032]
图5是本发明的位移荷载曲线图。
[0033]
图6是本发明的力-位移曲线图。
[0034]
图7是本发明应力云图。
[0035]
图中：建筑构件1，第一拓扑互锁曲面2，第二拓扑互锁曲面3，平面4，曲面中线5。
具体实施方式
[0036]
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
[0037]
参见图1至图7，本发明的一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，包括建筑构件1，其特征在于：所述建筑构件1为四个或四个以上的外侧面，其中相对着的两个外侧面分别设置为第一拓扑互锁曲面2和第二拓扑互锁曲面3，其余的外侧面为平面3，拓扑互锁曲面为一组关于拓扑互锁曲面横截面的中心点中心对称的曲线经双轨扫掠而形成的曲面，相邻的两个建筑构件1之间能够通过第一拓扑互锁曲面2与第二拓扑互锁曲面3进行非粘接配合，并能形成拓扑互锁，第一拓扑互锁曲面2和第二拓扑互锁曲面3的表面光滑，相邻的两个建筑构件1通过拓扑互锁曲面装配后能够进行一定的相对滑动。
[0038]
所述第一拓扑互锁曲面2和第二拓扑互锁曲面3分别由四段三角函数曲线构成，长边为一个周期的余弦函数，短边为半个周期的余弦函数，拓扑互锁面由短边在长边上扫掠形成。
[0039]
所述第一拓扑互锁曲面2和第二拓扑互锁曲面3由以下方程确定：
[0040][0041]
其中，h为拓扑互锁面在z方向上的高度，b为拓扑互锁面在x方向上的单位长度，l为拓扑互锁面在y方向上的单位长度。
[0042]
所述曲面方程中：
[0043][0044][0045][0046][0047][0048]
θ(y)＝θ(-y)；
[0049]
θ(y)＝θ(y+l)；
[0050]
θ(0)＝1；
[0051][0052]
θ
′
(0)＝θ
′
(0)＝0。
[0053]
所述建筑构件1采用烧结、混凝土预制或机械加工制成。
[0054]
参见图1至图5，本发明不再采用传统的砂浆粘结，而是采用了拓扑互锁曲面作为装配连接面，并且不再采用灌浆现浇这种粘接固定方式，装配连接面采用直接装配贴合的非粘接固定方式，在装配对接以及抗震中具有独特的结构优势和性能优势，并能达到很好的抗震耗能和自复位效果。
[0055]
本发明的建筑构件1为四个或四个以上的外侧面，多个外侧面中的两个外侧面且正对着的外侧面分别设置为拓扑互锁曲面，分别为第一拓扑互锁曲面2和第二拓扑互锁曲面3，其余的外侧面为平面3。相邻的两个建筑构件1之间能够通过第一拓扑互锁曲面2与第二拓扑互锁曲面3进行非粘接配合，并能形成拓扑互锁。拓扑互锁曲面采用一组关于剪力墙截面中心点中心对称的曲线进行双轨扫掠形成，曲线的方程为一条一个或多个周期的正弦曲线。曲线为nurbs曲线，经过双轨扫掠的曲线为nurbs曲面，绘制时通过增加控制点可以准确控制曲面形状，便于在不同工程中对曲面进行设计，同时nurbs曲面便于在不同工程软件中进行转换，使曲面能导入不同的工程软件中便于建模计算。
[0056]
本发明对不同形状的拓扑互锁曲面进行试验和计算，最终得出以下方程确定的曲面的力学性能、摩擦耗能及自复位效果最佳，方程如下：
[0057][0058]
其中，h为拓扑互锁面在z方向上的高度，b为拓扑互锁面在x方向上的单位长度，l为拓扑互锁面在y方向上的单位长度。
[0059]
为了验证本发明拓扑互锁曲面所带来的独特的技术效果，以相同尺寸的拓扑互锁节点与普通节点在往复荷载作用下的位移荷载曲线附图6所示。
[0060]
比较普通节点和拓扑互锁节点在单向荷载作用下的荷载位移曲线可以看出：拓扑互锁面曲线早期的切线斜率更大，抗剪强度更高；比较普通砖和拓扑互锁砖在往复荷载作用下的滞回曲线可以看出，拓扑互锁节点相比于普通节点：拓扑互锁节点曲线围成的面积更大，耗能能力更好。
[0061]
参见附图6、附图7，曲线由下往上分别为曲面高度15mm、20mm、25mm、30mm及35mm时砖块单向位移10mm的水平作用力,作用点位于中间砖块的侧面耦合点处。当曲面高度为15mm、20mm及25mm时，曲线趋于稳定。而当曲面高度为30mm和35mm时，力-位移曲线虽然总体保持稳定，但是局部有较大波动。
[0062]
由于拓扑互锁面是凹凸不平的，在施加侧向位移时面内有很明显的应力集中现象，该现象在截面凸起处尤为明显。各截面内最大应力如下表所示：
[0063][0064]
从表中数据可以看出，应力随着截面高度的增大在逐步递减，h＝15mm、20mm及25mm时，应力间的变化较明显，当h＝25mm、30mm、35mm时，应力间的变化趋于稳定且差距很
小。综上，结合力-位移曲线与面内最大应力，初步确定曲面高度为25mm的拓扑面为最合适的曲面。
[0065]
本发明的拓扑互锁曲面使得在地震过程中能够发生微小滑动位移，并能实现摩擦耗能，利用光滑的拓扑互锁曲面能使结构发生变形过程中构件间有更大的接触面积，减少了应力集中，避免了在地震过程中构件受到破坏，同时在拓扑互锁面的作用下，装配式建筑构件具有非常优异的自复位功能，在地震发生后能够自动复位。
[0066]
以上内容是结合具体实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，所做出的简单修改和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，包括建筑构件(1)，其特征在于：所述建筑构件(1)为四个或四个以上的外侧面，其中相对着的两个外侧面分别设置为第一拓扑互锁曲面(2)和第二拓扑互锁曲面(3)，其余的外侧面为平面(3)，拓扑互锁曲面为一组关于拓扑互锁曲面横截面的中心点中心对称的曲线经双轨扫掠而形成的曲面，相邻的两个建筑构件(1)之间能够通过第一拓扑互锁曲面(2)与第二拓扑互锁曲面(3)进行非粘接配合，并能形成拓扑互锁，第一拓扑互锁曲面(2)和第二拓扑互锁曲面(3)的表面光滑，相邻的两个建筑构件(1)通过拓扑互锁曲面装配后能够进行一定的相对滑动。2.根据权利要求1所述的一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，其特征在于：所述第一拓扑互锁曲面(2)和第二拓扑互锁曲面(3)分别由四段三角函数曲线构成，长边为一个周期的余弦函数，短边为半个周期的余弦函数，拓扑互锁面由短边在长边上扫掠形成。3.根据权利要求1所述的一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，其特征在于：所述第一拓扑互锁曲面(2)和第二拓扑互锁曲面(3)由以下方程确定：其中，h为拓扑互锁面在z方向上的高度，b为拓扑互锁面在x方向上的单位长度，l为拓扑互锁面在y方向上的单位长度。4.根据权利要求3所述的一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，其特征在于：所述曲面方程中：所述曲面方程中：所述曲面方程中：所述曲面方程中：所述曲面方程中：θ(y)＝θ(-y)；θ(y)＝θ(y+l)；θ(0)＝1；θ
′
(0)＝θ
′
(0)＝0。5.根据权利要求1所述的一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，其特征在于：所述建筑构件(1)为预制混凝土梁、预制混凝土柱、预制混凝土板或其它混凝土预制件，还可以为钢结构制成的建筑构件或烧结制成的建筑构件。6.根据权利要求1所述的一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，其特征在于：所述建筑构件(1)采用烧结、混凝土预制或机械加工制成。

技术总结
一种具有摩擦耗能及自复位功能的装配式建筑构件，包括建筑构件（1），其特征在于：所述建筑构件（1）为四个或四个以上的外侧面，其中相对这的两个外侧面分别设置为第一拓扑互锁曲面（2）和第二拓扑互锁曲面（3），其余的外侧面为平面（3），拓扑互锁曲面为一组关于拓扑互锁曲面横截面的中心点中心对称的曲线经双轨扫掠而形成的曲面，相邻的两个建筑构件（1）之间能够通过第一拓扑互锁曲面（2）与第二拓扑互锁曲面（3）进行非粘接配合，本发明结构合理，装配对位方便快捷，拓扑互锁面能够在连接界面处限制构件的相互错动，提高了装配式建筑构件安装后的抗剪能力，同时在拓扑互锁面的作用下，装配式建筑构件具有非常优异的自复位功能。配式建筑构件具有非常优异的自复位功能。配式建筑构件具有非常优异的自复位功能。


技术研发人员：樊剑 刘灿 陈俊郧 武昱辉 吴志峰 闫俊杰 李苑 陆旸 王逸轩 秦宇
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/14