基于材料改进的剪力墙典型专利

基于材料改进的剪力墙典型专利
摘要为了得到各方面性能均有所提高的剪力墙构件，社会各界对于剪力墙使用材料的研究和发明也越来越多。

本文简要介绍了涉及材料改进的再生混凝土剪力墙、高性能混凝土剪力墙、波浪钢板剪力墙、铝板剪力墙等较典型专利申请，有助于技术人员认清世界范围内剪力墙材料改进方面在建筑工程领域的发展现状，从中寻找我国在该领域的差距和优势，提高我国建筑产业的国际竞争力。

关键词剪力墙；专利；材料；混凝土；钢板
中图分类号tu973 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）84-0037-02
0 引言
地震是人类社会面临的一种严重的自然灾害。

有统计表明，地震时90％～95％的人员伤亡是由于各种建筑物倒塌造成的。

我国为地震多发区，全国大部分大中城市处于地震区，由于城市人口及设施集中，地震灾害会带来严重生命和财产损失[1]。

剪力墙又称为抗震墙、结构墙或抗风墙，房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载，防止结构剪切破坏。

应用有剪力墙构件的结构形式通常有剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、板柱-剪力墙结构、筒体结构等。

材料是影响各构件性能的重要因素。

普通的剪力墙结构采用钢筋和混凝土作为两大原材料。

我国《混凝土规范》（gb50010-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（jgj3-2010）中对混凝土、钢
筋的材料强度以及配筋形式等均有相关规定，如抗震设计时，剪力墙的混凝土强度等级不宜高于c60；高层剪力墙结构的竖向和水平分布钢筋不应单排配置，剪力墙截面厚度不大于400mm时，可采用双排配筋；大于400mm、但不大于700mm时，宜采用三排配筋；大于700mm时，宜采用四排配筋。

各排分布钢筋之间拉筋的间距不应大于600mm，直径不应小于6mm。

除了构造要求外，对配筋率也有严格的计算要求。

近来，为了得到各方面性能均有所提高的剪力墙构件，社会各界对于剪力墙使用材料的研究和发明也越来越多，如：在钢材方面不仅仅局限于钢筋，而扩展到型钢、钢管、钢板等，也即型钢和钢筋混凝土组合剪力墙，即型钢混凝土剪力墙[2，3]、带钢管混凝土边框的剪力墙、钢板和钢筋混凝土组合的剪力墙等；其中钢板又包括平面钢板、波纹钢板等；在混凝土方面，扩展到再生混凝土，膨化微珠，高强度混凝土，高性能混凝土等。

为了提高我国剪力墙领域的技术发展水平，为国内设计单位、建设施工单位、生产企业、高等院校、科研院所等提供参考，增强我国建筑工业整体的科研和生产能力，下文将简要介绍一些涉及材料改进的较典型专利申请。

1 混凝土方面
剪力墙中采用再生混凝土是近来的一大热点，公开号为
cn101435232a和cn101451380a的北京工业大学的中国专利申请就采用了再生混凝土。

其中一种为普通混凝土边框柱约束型再生混凝
土剪力墙；另外一种为预制普通混凝土外板再生混凝土芯剪力墙。

再生混凝土是将废弃混凝土块破碎、清洗、分级后，按照一定的比例混合而制成再生混凝土骨料，然后将该骨料全部或部分代替天然骨料配制成混凝土的技术，其应用符合人类社会可持续发展的要求。

普通混凝土边框柱约束型再生混凝土剪力墙是在再生混凝土剪力墙所在部位两侧设置普通混凝土边框柱也即在普通混凝土边框
柱间设置有再生混凝土剪力墙墙板；还设置有连接键和聚苯材料隔离条带。

这种组合能充分发挥两种混凝土的优势，优化了结构设计，存在多条抗震防线，保证了结构性能，而且提高了再生混凝土框-剪结构的承载力和延性。

预制普通混凝土外板再生混凝土芯剪力墙是采用普通混凝土外壳约束再生混凝土芯墙，能使得再生混凝土芯墙的抗压承载力和延性得到充分发挥。

以250mm厚剪力墙为例，再生混凝土约占3/5，解决了天然骨料日益匾乏和生态环境日益恶化等问题，保护了人类的生存环境和社会的可持续发展。

西安建筑科技大学的一系列专利申请提出了延性高性能混凝土剪力墙，其由剪力墙底部、塑性铰区和剪力墙上部构成一体，内部分布有纵向钢筋、箍筋、水平钢筋、竖向钢筋，剪力墙底部和剪力墙上部的混凝土为普通高性能混凝土，塑性铰区为延性高性能混凝土（ecc），改善高性能混凝土剪力墙塑性铰区的变形能力，提高剪力墙塑性铰区的受剪承载力，有效防止高性能混凝土剪力墙塑性区
发生脆性破坏，从而显著提高高性能混凝土剪力墙的抗震性能。

同时还提出了柔性连接、半刚性连接、刚性连接的钢框架内填延性高性能混凝土剪力墙组合结构也能够减轻节点震害，充分发挥材料的力学性能优势，提高结构的延性和抗震性能。

福州大学申请的公开号为cn102425232a和cn102425232a的发明专利提出了钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系和钢管活性粉末混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系，分别在剪力墙体系中采用了轻骨料混凝土（lwac）和活性粉末混凝土（rpc）；轻骨料混凝土的干表观密度比普通混凝土轻20％～40％，强度可达到普通混凝土常用的强度等级。

在高层结构中，可使得结构体系具有柱断面尺寸小，材料用量少，建筑使用面积大等优点；同时，可降低层高和建筑的重量，提高结构刚度，提高墙体的保温和隔热性能等；活性粉末混凝土的抗压强度是普通混凝土的4倍～10倍，将其与钢管组合形成钢管rpc柱，能极大减少柱断面尺寸，增大建筑使用面积。

中国建筑科学研究院、建研科技股份有限公司提出的专利申请公开了高强混凝土钢板分段连接组合剪力墙，包括钢板、边框、墙体分布钢筋及连接板；边框包括型钢、边框箍筋和边框纵筋；钢板上设置有多个垂直于钢板的栓钉，墙体分布钢筋通过多个栓钉与钢板连接；墙体分布钢筋的两端也分别与型钢连接；钢板和边框组成的结构内填充有高强混凝土，在钢板和边框的外侧形成混凝土外框。

这种结构能弥补高强混凝土相对普通混凝土延性下降的缺点，有效提高剪力墙抗震性能，型钢与钢板分段连接，能方便箍筋的设
置和施工。

2 钢材方面
清华大学提出了“一种波浪钢板剪力墙”的发明专利申请，发明点在于把平钢板剪力墙辊轧成波浪钢板剪力墙，钢板波浪后的抗剪屈曲荷载大大地提高，因而用作多高层结构的抗剪墙，具有很好的经济效益；波浪钢板在反复荷载作用下产生多波形鼓曲，其屈曲声响会比平钢板要小的多；波浪钢板墙在剪力作用下数值分析结果的滞回曲线比平钢板要饱满的多；波浪钢板面外弯曲刚度大，在运输、安装与使用过程中其面外变形易于控制等优越的受力性能与经济性。

公开号为cn101705728a的专利申请也公开了类似的波形钢腹板剪力墙结构，提出在波形钢腹板的表面制备50μｍ～500μｍ的粗糙度，波形钢腹板与设置在钢筋混凝土梁柱内的钢板焊接，钢板上设置有铆钉，铆钉完全浇入钢筋混凝土梁柱内，用于改善结构整体性、抗剪能力、刚度和抗疲劳性能等。

北京工业大学和华南理工大学申请的剪力墙结构均采用了双层钢板的结构形式；一种为内分式叠合柱边框－双层钢板混凝土组合剪力墙；另一种为带约束拉杆双层压型钢板混凝土组合剪力墙。

内分式叠合柱边框－双层钢板混凝土组合剪力墙是由两边的钢管混凝土叠合柱和中间的墙体构成，墙体中包含与钢管连接的双层钢板，钢板间夹有保温隔声材料；钢管及双层钢板外均包有钢筋混凝土。

这种结构可以同时大幅提高剪力墙的抗震性能和保温节能隔声
功效，施工方便，造价较低。

带约束拉杆双层压型钢板混凝土组合剪力墙包括边框柱、边框梁及中间墙体，墙体包括约束拉杆、双层压型钢板，在双层压型钢板之间构成夹层，在夹层内设置形状与该夹层相应的混凝土墙板，混凝土墙板通过约束拉杆被紧固在双层压型钢板的夹层内。

这种组合剪力墙能够解决薄钢板受力时易屈曲、噪声大的问题，具有抗侧刚度大、滞回性能良好等特点。

日本株式会社竹中工务店（takenaka komuten kk）在涉及波浪钢板的剪力墙的专利申请较多，占了所有国外钢板剪力墙领域申请的24％。

其中jp200888758a提出了用超高强度钢制作的波浪钢板剪力墙，并在与型钢的连接上采用了多种补强措施。

jp2008031633 a提出了用至少两块薄波浪钢板通过螺栓连接压紧制作的剪力墙板，方便运输制作。

jp2011127278 a提出了在两片波浪钢板之间空隙中使用加劲肋进行补强，增加平面外刚度，改善抗震性能。

哈尔滨工业大学提出了一种由上连板、核心耗能板件、下连板和边缘构件组成的铝钢组合钢板剪力墙，其具有较大抗力，能充分发挥材料性能且安装方便。

其中的核心耗能板件采用高延性、强耗能和低屈服点的铝板并加设水平及竖向加劲肋，耗能板件通过高强螺栓分别与钢板制作的上连板和下连板连接。

这种结构具有稳定、可靠的工作性能和良好的耗能能力，能有效减小结构的地震反应，为结构提供一定的附加刚度和附加阻尼，从而减小经济损失和人员伤亡。

3 结论
近年来，随着经济的发展、政策的鼓励，剪力墙领域申请量在高速增长。

涉及型钢和钢板的应用是剪力墙领域比较重要的技术手段；对于钢板的研究和利用是近年的一大热点；对于剪力墙中混凝土性能的研发相对稍显薄弱。

在具体技术手段上基于材料延性、环保性能等的研发逐渐增多，各种类型材料的组合也是一个研发方向。

目前在我国对于剪力墙领域整体而言，在实际应用中，还是以普通的剪力墙结构为主，对于其的技术突破也只是一些相对较小的改进和革新；采用新的各种材料的剪力墙比例仍然很少。

高校的申请占很大比例，施工、设计单位和企业应该加强知识产权保护意识，重视对具有自主知识产权技术的开发和利用。

参考文献
[1]李春亭.房屋建筑构造[m].武汉：华中科技大学出版社，2010：267-269.
[2]王敏，曹万林，张建伟.组合剪力墙的抗震研究与发展[j].地震工程与工程振动，2007，27（5）：80-87.
[3]王连广，刘之洋.型钢混凝土结构在国内外应用和研究的进展[j].东北大学学报：自然科学版，1995，16（3）：238-242.。