CN102995785A - 摆式支座水箱阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种摆式支座水箱阻尼器属于土木工程结构消能减振技术领域。由多个摆式滑动支座、水箱、阻尼器支座、箱型柱以及粘滞阻尼器组成；摆式滑动支座由支座上板、金属球和支座下板组成，支座上板固定在水箱的下表面，支座下板固定于结构上顶板或承重梁之上；支座上板和支座下板相对放置，中间放置金属球以实现两者之间的相对滑动；水箱的底部设置箱型柱，阻尼器支座安装于结构上顶板或承重梁之上；粘滞性阻尼器水平安装于箱型柱和阻尼器支座之间。本发明一方面消除了高层水箱在水平荷载下对结构的不利影响，另一方面所构成的水箱阻尼系统将极大减小结构在水平荷载下的动力响应；其减振效果稳定、构造简单、安全可靠、耐久性好、可设计性强。

Description

摆式支座水箱阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程结构消能减振技术领域，特别涉及一种利用高层建筑顶部水箱控制建筑物振动、减小风荷载和地震荷载下结构响应的摆式支座水箱阻尼器。

背景技术

对于高层建筑，由于生活、生产、消防等方面的需要，常常需要在结构顶部设施水箱。水箱的质量通常超过几十吨甚至上百吨，在普通的安装方式下会大大增强结构在水平荷载下的振动响应，对建筑物的减振抗震十分不利。另一方面，近年来质量调谐阻尼器作为一种消能减振装置得到了越来越广泛的应用，其良好的减振效果也得到了大量的工程验证。

质量调谐阻尼器系统需要安装较大质量作为子系统以对结构施加动力影响,而对于高层建筑来说，位于高层结构顶部的水箱正是质量调谐阻尼器系统的理想质量源。通过特殊的安装方式，允许高层建筑上部的水箱与结构之间的水平相对运动、附加适当的阻尼，并辅以相应的构造措施，可作为质量调谐阻尼器对高层建筑进行有效的振动控制。这种方法一方面消除了高层水箱在水平荷载下对结构的不利影响，另一方面所构成的水箱阻尼系统将大大减小结构在水平荷载下的动力响应，提高高层建筑的抗震性能。目前，该技术在日本、美国等发达国家已经得到较多应用，从实际应用的情况来看，这种技术对结构的减震效果是明显的，具有广阔的发展前景。

现有的水箱阻尼系统分为隔振支座式和悬挂式两种。隔振支座式水箱阻尼系统是在水箱底部安装铅芯橡胶支座等类型的隔振支座。该方法利用隔震支座的水平刚度和自有阻尼实现质量调谐阻尼器系统的减振原理，具有构造简单、耐久性强的特点。但另一方面，质量调谐阻尼器系统的减振效果依赖于其稳定的自振频率，而隔震支座式水箱阻尼系统的基频与水箱的质量有关。由于水箱的水位是不断变化的，加之铅芯橡胶支座是一种非线性元件，因此隔震支座式水箱阻尼系统的自振频率随水箱水位的变化而变化，无法提供稳定的结构减振效果，不能进行系统的有效设计，其减振效果并不理想，大大制约了该类水箱阻尼系统的使用。

悬挂式水箱阻尼系统通过在结构顶端设置桁架等结构形式，用球铰将水箱悬挂起来，并安装阻尼器和弹簧系统进行消能减振。由于水箱作类单摆运动，其自振频率与水箱质量无关。这一方法有效地克服了水箱阻尼系统的基频与水箱水位相关的难题，实现了系统在任意水位下良好的减振效果。但该方法的构造复杂，工程造价高，安装不便。另一方面由于球铰等悬挂性构造的存在，该技术的耐久性不高。而悬挂结构一旦失效，跌落的大质量水箱将对结构产生破坏，造成巨大的安全隐患。因此，虽然拥有良好且稳定的减振效果，但悬挂式水箱阻尼系统在安全性和耐久性上的缺陷严重阻碍了该技术的应用和推广。

发明内容

本发明提供了一种结构简单、安全可靠、耐久性强，且基频不随水箱水位变化，具有稳定的消能减振效果的摆式支座水箱阻尼器，能够较好地解决了现有技术中水箱阻尼系统的缺陷以及存在的其他问题。

本发明采用技术方案为：

由固定在建筑结构上的多个摆式滑动支座、水箱、阻尼器支座、箱型柱以及粘滞阻尼器组成；

所述摆式滑动支座由支座上板、金属球和支座下板组成，支座上板通过螺栓连接固定在水箱的下表面，支座下板通过螺栓连接固定于结构上顶板或承重梁之上；支座上板和支座下板相对放置，中间放置金属球以实现两者之间的相对滑动；

所述水箱的底部设置箱型柱，在箱型柱的四面沿高度设置若干个阻尼器安装孔；

所述阻尼器支座安装于结构上顶板或承重梁之上，阻尼器支座上沿高度设置若干个阻尼器安装孔，其位置和数量与箱型柱上的安装孔相对应；

所述粘滞性阻尼器水平安装于箱型柱和阻尼器支座之间，通过安装孔和阻尼器安装孔在两端进行铰接。

所述多个摆式滑动支座呈对称性布置。

所述支座上板和支座下板的形状为圆形或矩形。

所述支座上板的中央设置半球型凹槽，其半径与金属球的半径相等；

所述支座下板设有球冠状凹槽，凹槽内圈为摆动工作区，凹槽外圈为摆动缓冲区；支座下板的边缘部分高于中心的球冠状凹槽部分；摆动工作区对应的球体半径即为系统正常工作时的摆长；摆动缓冲区对应的球体半径与摆动工作区对应的球体半径相等，或由内向外切线半径逐渐变小，但与摆动工作区相连的部分的切线半径与摆动工作区球冠半径需一致。

所述支座上板的半球面凹槽的内表面、支座下板的摆动工作区表面以及金属球的表面均采用低摩擦系数的镜面不锈钢材料制成；支座下板的摆动缓冲区表面采用普通钢材制成。

所述箱型柱为设置在水箱底部中心位置的一个，或是设置在水箱底部、对称布置的多个。

本发明具有如下优点：

摆式支座水箱阻尼器实现了系统固有频率对水箱水位的不变性，具有稳定的减振效果。水箱在摆式滑动支座上作类单摆运动，水箱水位即水箱质量不影响系统固有频率。因此通过系统安装时的准确调频，可以保证本发明在全生命周期中稳定的减振性能，保证高层建筑物在任意水位下出色的抗振性能，克服了普通支座式水箱阻尼器减振效果难以控制的难题。

摆式支座水箱阻尼器构造简单，安装工序明晰方便。摆式支座水箱阻尼器保留了一般支座式水箱阻尼器的在构造和安装方面的优点。对于工程构件来说，降低了构造和安装的复杂性也即是保证了系统的稳定性和与理论设计的一致性。本发明在保留悬挂式水箱阻尼器基频稳定的优点的同时，避免了其复杂的结构特点，从工艺上保证了系统的减振性能，降低了产品成本和推广难度。

摆式支座水箱阻尼器耐久性强，安全隐患小。悬挂式水箱阻尼器耐久性不足，安全隐患大的特点使得该技术在实际工程应用中步履维艰。本发明的设计特点和简单可靠的构造措施保证了系统的耐久性。而对于几十吨甚至上百吨的水箱，更为安全的滑动支座消除了悬挂水箱跌落对结构造成巨大破坏的可能。

可设计性强。摆式支座水箱阻尼器中摆式滑动支座的转动半径、摆式滑动支座的数量、粘滞性阻尼器的数量可根据不同结构特性进行有针对的设计。而且与普通支座式水箱阻尼器的一次成型不同，摆式支座水箱阻尼器在安装后还可以根据工程实测方便地调整粘滞性阻尼器的阻值和数量，保证阻尼系统减振耗能效果的最大化。

综上所述，摆式支座水箱阻尼器综合了目前已有水箱阻尼器技术的优点，并有效规避了主要缺点，具有减振效果稳定、构造简单、安全可靠、耐久性和可设计性强等优点，能够有效提高高层建筑物抗震性能，具有广阔的市场推广和应用前景。

附图说明

图1为本发明摆式支座水箱阻尼器的俯视图。

图2为图1中的A-A剖面图。

图3为图1中的B-B剖面图。

图4为图1中的C-C剖面图。

图5为摆式滑动支座的构造示意图。

图6为摆式滑动支座的剖面图一。

图7为摆式滑动支座的剖面图二。

图8为摆式滑动支座的剖面图三。

图9为摆式滑动支座下板的俯视图。

图中标号：

1-摆式滑动支座；2-水箱；3-箱型柱；31-阻尼器安装孔；4-阻尼器支座；41-阻尼器安装孔；5-粘滞阻尼器；11-支座上板；12-支座下板；13-金属球；14-摆动工作区；15-摆动缓冲区；16-螺栓孔。

具体实施方式

本发明提供了一种摆式支座水箱阻尼器，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是摆式支座水箱阻尼器的俯视图，所示的摆式支座水箱阻尼器由摆式滑动支座1、水箱2、箱型柱3、阻尼器支座4以及粘滞阻尼器5组成。

摆式滑动支座1安装于结构顶层的上顶板上，或安装在上顶板和摆式滑动支座1之间的承重梁上。摆式滑动支座1可根据水箱2的大小布置多个，布置时保持对称性。

如图5和图6所示，摆式滑动支座1由支座上板11、支座下板12和金属球13组成。其中支座上板11与支座下板12形状为圆形或矩形，支座上板11通过螺栓连接固定在水箱2下表面，支座下板12通过螺栓连接固定于结构上顶板或承重梁之上。螺栓孔16位置如图9所示。

支座上板11与支座下板12相对放置，中间放置金属球13以实现两者之间的相对滑动。支座上板11的中央设置半球型凹槽，其半径与金属球13的半径相等，以保证滑动过程中支座上板11球面凹槽的内表面与金属球13表面的紧密接触。支座上板11球面凹槽的内表面与金属球13表面均采用镜面不锈钢等低摩擦系数的材料，以减少支座滑动时产生的阻尼，保证系统做近似无阻尼的单摆运动。如图9所示，支座下板12设有球冠状凹槽，凹槽内圈为摆动工作区14，采用镜面不锈钢等低摩擦系数的材料，以减少支座滑动时产生的阻尼。凹槽外圈为摆动缓冲区15，采用普通钢材或其他摩擦系数一般或较大的材料；摆动工作区14对应的球体半径即为系统正常工作时的摆长。摆动缓冲区15对应的球体半径可与摆动工作区14对应的球体半径相等。如图8所示，摆动缓冲区15也可由内向外切线半径逐渐变小，但与摆动工作区14相连的部分切线半径要求与摆动工作区14相一致，以保证金属球13滑动平稳。金属球13的下表面剖为球冠状，其对应的球体半径与摆动工作区14对应的球体半径相等，以实现滑动过程中两者的的紧密接触。支座下板12的边缘部分高于球冠状凹槽，以防止在特大水平振动下，金属球13滑出缓冲区，造成支座失效发生危险。

如图7所示，当系统在水平激励下振动时，支座上板11和金属球13一起相对支座下板12做单摆运动。在水平激励较小时，质量调谐阻尼器系统在工作区14内做近似无阻尼的单摆运动。当水平激励较大时，质量调谐阻尼器系统振幅超过摆动工作区14半径，通过摆动缓冲区15的摩擦阻力适当减小振幅，帮助水箱2复位，防止系统失控。当水平激励过大时，支座下板边缘能够避免支座上板11和金属球13滑脱，避免支座失效发生危险

水箱2设计时除了满足水箱的一般功能需求外，也需保证水箱的整体刚度，以保证减振效果和安全性。如图2、3、4所示，水箱2安装于摆式滑动支座1顶部，与支座上板11固接，保证水箱2与支座上板11一起做单摆运动。水箱2底部中央设置箱型柱3，箱型柱3四面沿高度设置安装孔31，可根据系统规模设置多排，用以安装水平粘滞阻尼器5。若水箱2较大，也可对称布置多个箱型柱3，方便安装多个粘滞阻尼器5，并增加水箱运动过程中的稳定性。箱型柱3的高度小于摆式滑动支座1的高度，保证在水箱2运动过程中不与结构顶板发生剐蹭。本例中在水箱2底部正中设置箱型柱3，每面设置两排安装孔31，共八个，可对称安装四或八个粘滞阻尼器5。

阻尼器支座4安装于结构顶层上顶板之上，亦可安装在承重梁之上。阻尼器支座4的高度小于摆式滑动支座1的高度，以保证在运动过程中阻尼器支座不与水箱2的下底板发生接触。阻尼器支座4的数量和安装位置与箱型柱3的数量和位置相对应。阻尼器支座4上沿高度设置阻尼器安装孔41，其位置和数量与箱型柱3上的安装孔31相对应。本例中与箱型柱3的设置相对应，在每两个摆式滑动支座1之间设置一个阻尼器支座4，每个阻尼器支座4上设置两排阻尼器安装孔41，共八个，与箱型柱3上的安装孔31一起作为水平向粘滞阻尼器5的铰接端。

粘滞性阻尼器5水平安装于箱型柱3和阻尼器支座4之间，通过安装孔31、阻尼器安装孔41在两端进行铰接。粘滞性阻尼器5的数量和每个阻尼器的阻尼可根据系统安装后的工程实测进行调节。

当然，本发明的布置形式及使用数量也不局限于本例，可以根据工程实际进行优化选择，也都可以起到相同的作用，在此不一一做单独说明，只要基于本发明的技术原理，都在本发明的保护范畴中。

Claims (7)

1.摆式支座水箱阻尼器，其特征在于，由固定在建筑结构上的多个摆式滑动支座（1）、水箱（2）、阻尼器支座（4）、箱型柱（3）以及粘滞阻尼器（5）组成；

所述摆式滑动支座（1）由支座上板（11）、金属球（13）和支座下板（12）组成，支座上板（11）通过螺栓连接固定在水箱（2）的下表面，支座下板（12）通过螺栓连接固定于结构上顶板或承重梁之上；支座上板（11）和支座下板（12）相对放置，中间放置金属球（13）以实现两者之间的相对滑动；

所述水箱（2）的底部设置箱型柱（3），在箱型柱（3）的四面沿高度设置若干个阻尼器安装孔（31）；

所述阻尼器支座（4）安装于结构上顶板或承重梁之上，阻尼器支座（4）上沿高度设置若干个阻尼器安装孔（41），其位置和数量与箱型柱（3）上的阻尼器安装孔（31）相对应；

所述粘滞性阻尼器（5）水平安装于箱型柱（2）和阻尼器支座（4）之间，通过阻尼器安装孔（31）和阻尼器安装孔（41）在两端进行铰接。

2.根据权利要求1所述的摆式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述多个摆式滑动支座（1）呈对称性布置。

3.根据权利要求1所述的摆式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述支座上板（11）和支座下板（12）的形状为圆形或矩形。

4.根据权利要求1所述的摆式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述支座上板（11）的中央设置半球型凹槽，其半径与金属球（13）的半径相等；

所述支座下板（12）设有球冠状凹槽，凹槽内圈为摆动工作区，凹槽外圈为摆动缓冲区；支座下板（12）的边缘部分高于中心的球冠状凹槽部分；摆动工作区对应的球体半径即为系统正常工作时的摆长；摆动缓冲区对应的球体半径与摆动工作区对应的球体半径相等，或由内向外切线半径逐渐变小，且在与摆动工作区相连的部分的切线半径与摆动工作区球冠半径需一致。

5.根据权利要求4所述的摆式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述支座上板（11）的半球面凹槽的内表面、支座下板（12）的摆动工作区表面以及金属球（13）的表面均采用低摩擦系数的镜面不锈钢材料制成；支座下板（12）的摆动缓冲区表面采用普通钢材制成。

6.根据权利要求1所述的摆式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述金属球（13）的下表面剖为球冠状，其对应的球体半径与摆动工作区（14）对应的球体半径相等。

7.根据权利要求1所述的摆式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述箱型柱（3）为设置在水箱（2）底部中心位置的一个，或是设置在水箱（2）底部、对称布置的多个。

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