CN102498253B - 建筑物结构保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种建筑物的结构保护系统，其包括至少一个承载结构(2)，该承载结构与建筑物(E)的至少一面墙连接。承载结构(2)刚性地连接到建筑物(E)的墙上，并且承载结构(2)是一个特定结构，该特定结构包括一个耗能装置(1)，该耗能装置适于消耗由于地震使承载结构震动而产生的能量。

Description

建筑物结构保护系统
技术领域
本专利申请涉及用于建筑物的地震保护的结构系统。特别适于现有建筑物的地震保护，尤其是对那些扮演重要社会角色的建筑物，被列为重要的建筑物，如医院、学校和兵营等，以及新的建筑物。 
背景技术
图1所示为根据现有技术的用于建筑物的地震保护的结构系统。 
在需保护的建筑物(E)中安装有大量耗能装置(1)，所述耗能装置设计用来耗散由于地震使建筑物震动产生的能量。根据不同的技术，所述耗能装置(1)被安装在建筑物(E)的内墙或外墙上。 
建筑物(E)包括一个承载结构的构架。这里所说的构架是一个框架，其由多层楼板(S)和垂直构件(P)构成，垂直构件例如支柱或承重墙，用于形成多个空间(M)。 
在支撑结构中，所述构架的每一个空间(M)，优选以相对于空间(M)对角线方向，安装至少一个耗能装置(1)中。 
每个耗能装置包括一个设置在两个刚性杆之间的耗能组件(1c)。 
耗能装置的第一杆的第一端部(1a)系于空间的下楼板(S)和建筑物的第一侧墙之间角部的一部分上。 
耗能装置的第二杆的第二端部(1b)系于空间的上楼板(S)和建筑物的第二中间墙之间角部的一部分上。 
因此，每个耗能装置(1)独立地工作并有助于抵消构架的每个空间(M)的墙壁的变形。 
由于耗能装置(1)必须设置在建筑物内，因此该结构系统会由于一系列的缺陷而削弱其作用。 
JP 09 235890(Kajima Corp.)公开了一种用于现有建筑物的加强和抗震结构。 
发明内容
本发明的目的是通过公开一种结构系统来消除现有技术的缺陷，该结构系统能够以高效、有效的方式来抵抗由于地震使建筑物产生的震动。 
本发明的另一个目的是提供这样一种用于建筑物地震保护的结构系统，该系统是多功能的并同时易于制造、安装和维护。 
这些目的可以通过本发明具有独立权利要求1所要求的特征来实现。 
有益的实施例在从属权利要求中公开。 
根据本发明，地震中需保护的建筑物与特定结构相结合，所述特定结构设计通过耗散能量来起到抗震作用。 
对于现有的建筑物，特定结构能够简单地在外部位置进行安装，而不用在建筑物内实施任何工作。 
所述特定结构能够为塔、框架或具有合适刚性的圆柱，其通过具有两个铰链的刚性杆连接到建筑物，所述铰链通常设置在楼板平面上。 
在下文中，为简明起见，将一直将作为塔的特定结构作为参考。 
塔通过球形关节或铰链连接在基座上。因此塔可自由地围绕球形关节在任意方向震动，以关节(旋转中心)为轴进行旋转和枢转。 
耗能装置或者阻尼器围绕塔的基座设置，其能够强烈地抵抗塔的旋转和震动，因此承受移动并通过滞后周期来耗散能量。 
为了放大所述耗能装置的位移(移动：拉长或缩短)，需要提供适合的机械，该机械通过曲柄传动装置操作。 
球形的耗能系统可以是任意类型的，其聚集在塔的基座。 
因此，塔的主要功能是在特定的区域耗散能量，以抵抗由地震产生的影响，普通类型(阻尼器)的耗能装置安装在该特定区域。 
通过建筑物结构的弹性和弹性部件保证塔重回中心(平衡)，所述弹性部件能够与耗能装置平行连接。 
在新的建筑物中，作为抗震的耗能部件的塔，能够插入到建筑物内部(例如楼梯井-电梯区域)。 
本发明的结构系统与公知的系统相比，具有如下优点。 
传统的系统设置在建筑物内部，并且除了结构部件以外，还需要额外的部件，与传统的系统相比，本发明的结构系统极大地降低了成本。 
如果外部抗震耗能结构是空间类型的如塔，其能够提供额外的可用体积(扩大)，其本身(仅结构类型)不再是一个末端，并且能降低抗震所需成本。 
这样的抗震耗能结构可以是，例如一个垂直连接设备(楼梯、电梯)或者应急楼梯。参考公共建筑物外侧的钢制应急楼梯的通常的安装方式，如果其设计具有本发明的结构系统，其也能够作为地震保护设备。 
在维护工作期间，耗能装置的维护能够在不中断建筑物使用 的情况下进行，从而减少了由于暂时停止使用所带来的费用。 
特定结构的安装能够在不中断需保护的建筑物的使用而进行。 
耗能装置集中于一个具有限定尺寸的单个的特定区域(塔基座)，因此易于检测和维护。 
对于很高的建筑物，特定的耗能区域也能够设置在较高的水平上，而不仅在塔的基座上。 
本发明的耗能系统与具有分布在建筑物上的装置的已知方法相比，其保证了高效率，具有装置的全部优点以及集中在单个特定区域的抗震装置的高效性。在其运转时作为一个整体来应对建筑物的不确定的地震作用的影响，特别是由于非结构性部件(通常为墙等)的存在。 
具有通过刚性杆与建筑物的垂直结构(塔、框架、圆柱)连接的外侧抗震结构，该结构的刚性能调整承受地震的建筑物的变形(水平地面位移)，该变形通常是不规则的。 
由于并没有对建筑物进行改变，如内部工作那样，能够保证系统的完全可撤销性。 
对于医院或学校的建筑物，如果本发明的结构系统已经从建筑学的角度得到了正确研究，那么能够通过附加的结构如新的空间，机构等的使用，提供改进的设计和改进的操作。还由于附加结构在高度上的灵活性，例如，塔能够为正方形、长方形、多边形、圆形等的形状，其能够具有恒定高度或垂直地逐渐变细，因此这种改进设计和操作是可能的。 
附图说明
通过下面的详细描述，但是其仅用于说明，并非限定实施例 以及附图的说明，本发明的附加特征将会变得很清楚，其中： 
图1为沿着垂直平面的示意性剖面图，其所示为根据现有技术的用于建筑物地震保护的结构系统； 
图2为沿着垂直平面的示意性剖面图，其所示为根据本发明的用于建筑物地震保护的结构系统的第一实施例，其提供一个具有分散能量的耗能系统的特定结构； 
图3与图2相同，除了示出具有特定结构的本发明的结构系统的第二实施例以外，所述特定结构具有集中在基座上的耗能系统； 
图4为图3的结构系统的平面图； 
图5为图3的结构系统的立体图； 
图6为与图3相同，除了显示与图3的耗能系统的结构不同以外，该耗能系统提供一个杠杆机构，该杠杆机构增加耗能装置的移动； 
图6A为图6的圆圈(A)中细节的放大视图； 
图7为与图6相同，除了其示出地震期间图6的结构系统的震动以外； 
图7A为图7中的圆圈(A)和(A’)中的细节的放大视图； 
图8和图9为本发明具有不同结构系统的侧视图，其中特定结构为平面框架； 
图10为图8和图9的结构系统的平面图； 
图11为沿着垂直平面的剖面图，其示出了特定结构作为核心设于建筑物内部； 
图12和图12A为本发明具有不同结构系统的侧视图，其中特定结构为圆柱； 
图13为图12的结构系统的平面图； 
图14为图12的结构系统的立体图。 
具体实施方式
现在参考图2，公开了根据本发明的用于建筑物的地震保护的结构系统的第一实施例。 
需保护的建筑物(E)包括由地板(S)限定的多个层，所述地板根据水平面设置。本发明的结构系统包括至少一个承载结构(2)，其与建筑物(E)刚性地连接。 
承载机构(2)具有基本上与建筑物(E)相同的高度，并且其通过多个刚性杆(3)与建筑物刚性地连接。该刚性杆(3)设有第一端部(3a)，该第一端部系在建筑物(E)的墙壁上；第二端部(3b)，该第二端部系在承载结构(2)上。 
承载结构(2)设有多个水平的加强部件(S’)，该加强部件设置在与建筑物(E)的地板(S)相同的高度上。刚性杆(3)根据建筑物的地板(S)上的一字线和承载结构的相应的加强部件(S’)进行设置。 
承载结构(2)是一种包括一个耗能系统的特定结构，该耗能系统适于将因地震而使承载结构(2)承受的震动的能量耗散。 
需要注意的是，特定结构(2)与建筑物(E)刚性地连接。因此特定结构的耗能系统能够分散并阻滞震动期间建筑物(E)承受的震动。 
根据图2的实施例，特定结构(2)是一个设置在建筑物(E)外侧的塔，并且水平加强部件设于塔的地板(S’)上，所述地板(S’)位于面对建筑物(E)的第一垂直墙(2a)和与第一垂直墙(2a)相对的第二垂直墙(2b)之间。因此，在塔(2)中限定出一纵向排列的平行六面体空间(V)。 
在支撑结构中，塔(2)的每个空间(V)中均对角地设置一个耗能装置，从而产生一个特定结构(2)的耗能系统，其沿着特定结构的整体高度分布。
耗能装置包括一个耗能组件(1c)，该耗能组件设置于两个刚性杆之间。耗能组件(1c)例如可以是一个具有液体的腔体；一个减震部件，例如弹性部件、弹簧部件或者阻尼器，可以设置在与耗能组件(1c)平行的位置。 
在每个空间(V)中，耗能装置(1)包括： 
-第一端部(1a)，其连系到位于空间(V)的下部地板(S’) 
和塔的第一侧墙(2a)之间的角部的一部分上，和 
-第二端部(1b)，其连系到位于空间(V)的上部地板(S’) 
和塔的第二侧墙(2b)之间的角部的一部分上。 
在下面的描述中，相同的部件或与已经描述过的部件相应的部件使用相同的附图标记，省略对它们的详细描述。 
图3～5描述了本发明结构系统的第二实施例，其中耗能系统集中在塔(2)的基座上。 
在此情况下，塔(2)的基座连系到固定于地面的基座(B)上的球形关节或铰链(4)上。塔(2)的垂直轴穿过球形关节(4)的中心。 
多个耗能装置(1)设置在围绕球形关节(4)的周围。每个耗能装置(1)设有结合到基座(B)的第一端部(1a)和结合到塔的基座上的第二端部(1b)。 
塔(2)具有一个基座(20)，其形状如倒置的金字塔，其中金字塔的顶点连系到球形关节(4)上。 
如图4所示，两个特定结构(2)足够保护矩形的建筑物(E)，其设于建筑物的长边的相对侧，接近建筑物的对角。 
塔(2)和建筑物(E)的连接系统包括在每一楼层上的四个刚性杆(3)，在建筑物上使用三个连接铰链(3a)，在塔上使用两个连接 铰链(3b)，以形成W结构。 
如图5所示，每个塔(2)通过设置于塔基座的四角和沿着塔基座的四面的中线的八个耗能装置(1)进行减震。 
参考图6、图6A、图7和图7A，其描述了不同结构的耗能系统。 
如图6A所示，根据该结构，每个耗能装置(1)连接到一个杠杆装置(5)上，来放大耗能装置(1)的移动，即，拉长/缩短耗能装置(1)，以抵消塔(2)的震动。 
杠杆装置(5)包括两个杠杆(L1，L2)。第一杠杆(L1)在中点处(F 1)与凸起(51)相枢接，所述凸起位于基座(B)的法兰(50)上。第二杠杆(L2)具有第一端部(La)，该第一端部枢接在连系到塔的基座(20)的法兰(52)的凸起上，该第二杠杆还具有第二端部，该第二端部通过支点(Lb)枢接在第一杠杆(L1)的一端。 
耗能装置(1)具有第一端部(1a)，该第一端部枢接于系在塔的基座(20)上的法兰(52)的凸起上，耗能装置还具有第二端部(1b)，该第二端部枢接在第一杠杆(L1)的另一端上。 
在非工作状态，耗能装置(1)基本与第二杠杆(L2)长度相同并且与第二杠杆(L2)平行。如此，第一杠杆(L1)、第二杠杆(L2)、法兰(52)和耗能装置(1)形成一个铰接式四边形，该四边形能够围绕支点(F1)摆动。 
参考图7和图7A，当建筑物(E)承受由于地震产生的震动时，刚性地连系到建筑物(E)上的塔(2)也承受震动，塔的顶部产生水平位移(δo)。因此，塔的基座(20)承受一个垂直位移(δv)，所述垂直位移由耗能装置(1)进行阻尼和抵消。 
如果Li表示非工作状态时的耗能装置的长度，Lf表示由于塔的震动而被压缩或拉长的耗能装置的长度，那么耗能装置的位移 由下面的关系所确定： 
δD＝|Li-Lf| 
耗能装置的移动(δD)与杠杆机构(5)和塔基座的垂直位移(δv)有关。 
(b1)表示第一杠杆(L1)的支点(F1)与第二杠杆(L2)和第一杠杆(L1)的支点(Lb)之间的距离。 
(b2)是第一杠杆(L1)的支点(F1)与耗能装置(1)和第一杠杆(L1)的支点(Lb)之间的距离。 
如图7A所示，耗能装置的移动由下面的关系确定： 
δD＝|Li-Lf|＝δv*(1+b2/b1) 
如果支点(F1)位于第一杠杆(L1)的中心，即，(b1＝b2)，耗能装置的位移为： 
δD＝2*δv
耗能装置(1)的拉长或缩短是塔的基座的垂直位移(δv)的两倍。 
参考图8、图9和图10，公开了本发明不同的结构系统，其中特定结构是一个平面框架(102)，例如由网状框架构成。 
在这种情况下，耗能装置(1)能够设置于框架(102)的基座上。框架(102)通过平面铰链(104)而不是球形关节与地面连系。 
如图10所示，为了保护矩形建筑物，需要四个构架(102)，其设置于建筑物的四面。 
图3、图5～图9示出了五层建筑物和特定结构(2，102)，其仅在结构的基座上集中设置耗能系统。 
然而，在更高的建筑物的情况下，每个特定结构能够由多个叠加的部分制成，该叠加的部分通过中央铰链相互连系，该中央铰链围绕耗能装置设置。在承载结构的各个部分之间的连接就如同承载结构的基座与地面的连接一样。 
参考图11，如果建造新的建筑物(E)，特定结构(202)能够作为建筑物的核心，即建筑物内部的塔，该塔刚性地连接到建筑物的内墙上。 
在这种情况下，塔(202)设有一个特定的耗能系统，如同前面提到的实施例描述的系统那样。 
参考图12、图12A、图13和图14，描述了本发明不同的结构系统，其中特定结构为圆柱(302)。 
在这种情况下，耗能装置(1)能够设置于圆柱(302)的基座上。圆柱(302)通过球形关节(4)锚固于地面上。 
图12所示为本发明的一个实施例，其中圆柱(302)的基座是水平面，耗能装置(1)和相关的放大杠杆装置(5)安装在该基座下面。 
如图13和图14所示，为了保护矩形建筑物，需要五个圆柱(302)，其呈一排设置在建筑物的两个长边。圆柱(302)通过刚性杆(303)相互连接。 
本领域的专业人员能够对本发明的实施例进行多种变形和修改，但这些仍然落在后附的权利要求所保护的范围之内。 

Claims (13)

1.建筑物结构保护系统，包括至少一个承载结构(2,102,202,302)，该承载结构与所述的建筑物(E)的至少一面墙连接，
其中所述承载结构(2,102,202,302)与所述建筑物(E)的墙刚性地连接，并且
所述承载结构(2,102,202,302)是特定结构，其包括耗能装置(1)，该耗能装置适于耗散由于地震导致承载结构震动而产生的能量，
其特征在于承载结构(2,102,202,302)具有基座(20)，并且所述耗能装置(1)设置于地面和所述承载结构的基座(20)之间，承载结构的基座(20)通过至少一个球形关节(4)或者铰链(104)连系到地面上，
其中所述球形关节(4)或铰链(104)设置于承载结构的垂直轴上，并且所述耗能装置(1)设置在相对于所述球形关节(4)或铰链(104)平行的位置。
2.如权利要求1所述的建筑物结构保护系统，其特征在于所述承载结构(2,102,202,302)通过刚性杆(3)与所述建筑物(E)的墙刚性地连接，所述刚性杆具有连接到建筑物墙上的第一端部(3a)和连接到所述承载结构上的第二端部(3b)。
3.如权利要求2所述的建筑物结构保护系统，其特征在于所述刚性杆(3)根据与建筑物的地板(S)相对应的水平面进行设置，并且承载结构(2,102)设有加强部件(S’)，该加强部件(S’)根据与所述建筑物的地板(S)相对应的水平面进行设置。
4.如上述任意一项权利要求所述的建筑物结构保护系统，其特征在于耗能系统由多个耗能装置(1)构成，该耗能装置包括设置于两个刚性杆之间的耗能组件(1c)。
5.如权利要求4所述的建筑物结构保护系统，其特征在于所述耗能装置(1)包括一个减震部件，该减震部件设置在相对耗能组件(1c)平行的位置。
6.如权利要求1所述的建筑物结构保护系统，其特征在于所述耗能装置(1)具有连系到地面的第一端部(1a)，和连系到所述承载结构的基座(20)的第二端部(1b)。
7.如权利要求4所述的建筑物结构保护系统，其特征在于所述耗能系统包括一个杠杆机构(5)，该杠杆机构适于放大承载结构在震动期间所述耗能装置(1)的位移。
8.如权利要求7所述的建筑物结构保护系统，其特征在于所述杠杆机构(5)包括第一杠杆(L1)，所述杠杆枢接到连系在地面上的凸缘；第二杠杆(L2)，所述第二杠杆具有端部(La)和第二端部，所述端部(La)枢接到承载结构的基座上，所述第二端部通过支点(Lb)枢接在第一杠杆(L1)上，其中耗能装置(1)具有枢接到承载结构基座上的第一端部(1a)和枢接在第一杠杆(L1)上的第二端部(1b)。
9.如权利要求1～3中任意一项所述的建筑物结构保护系统，其特征在于承载结构(2)是位于建筑物(E)外侧的塔。
10.如权利要求1～3中任意一项所述的建筑物结构保护系统，其特征在于承载结构(102)是位于建筑物(E)外侧的平面框架。
11.如权利要求1或2所述的建筑物结构保护系统，其特征在于承载结构(202)是一个适于在建筑物(E)内部的塔。
12.如权利要求1或2所述的建筑物结构保护系统，其特征在于承载结构(302)是圆柱。
13.如权利要求1或2所述的建筑物结构保护系统，其特征在于所述承载结构(2,102,202,302)由多个叠加部分通过中央铰链连系构成，所述中央铰链围绕耗能装置(1)进行设置。
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