CN105672517A - 一种摇摆自复位自立式高耸结构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种摇摆自复位自立式高耸结构，该结构主要包括上部结构、拉索体系、摩擦阻尼装置、现浇地基、普通地锚、预埋钢板、抗剪地锚组成，所述上部结构与一般自立式高耸结构截面相同，但沿筒壁内侧均匀布置多组拉索体系，在上部结构与现浇地基之间设置摇摆半球，同时底板适当位置安装摩擦阻尼装置，本结构体系受到较大的动力荷载时，上部结构绕摇摆半球和预埋钢板的接触点摆动，通过摩擦阻尼装置耗能，抗剪锚栓抵抗剪力，振后利用预应力拉索复位。本发明具有上部结构用钢量小、构造简单、成本低廉、自动复位、维护方便等优点。

Description

一种摇摆自复位自立式高耸结构

技术领域

本发明属于土木工程抗震结构体系技术领域，具体涉及一种摇摆自复位自立式高耸结构体系。

背景技术

近年来，随着国民经济的发展和城镇化的推进，基础设施的建设过程中对各种自立式高耸结构（风力发电机、输电塔、通信塔、烟囱、高杆灯等）的需求日益增加。在地震和风荷载作用下，这类结构发生剧烈的振动，严重影响结构的正常使用和安全性能。目前，较为常用的手段是采用调频阻尼器来抑制这类结构过大的振动响应，如调频质量阻尼器（TunedMassDamper,TMD）、调频液体阻尼器（TunedLiquidDamper,TMD）和调频液柱阻尼器（TunedLiquidColumnDamper,TMD）。然而，当结构由于局部疲劳或塑性发生不可逆变形时，调频阻尼器的作用大大降低，且无法使结构复位，给后期的维护和加固带来了不便。

一般的摇摆结构及自复位结构是指放松结构与基础间约束或构件间约束，使结构与基础或构件间接触面处仅有受压能力而无受拉能力，则结构在地震作用下发生摇摆，通过自重或预应力使结构复位。这为设计具有恢复功能的结构提供了一种新思路，基于这种思路人们先后开发了一些摇摆及自复位的结构体系：可自复位的球入式带翼摇摆隔震墩柱(CN104278620A)，自复位梁-格栅式摩擦墙结构体系(CN203583708U)、带可更换连梁的自复位剪力墙(CN203626080U)、一种可更换横向配置预应力筋自复位耗能桥墩(CN103882803A)等。这些体系主要是针对建筑结构和桥梁结构设计，适用于自立式高耸构筑物的新型结构体系尚未可见。

传统的理念一般是通过新材料、新体系来增强自立式高耸结构的承载能力，这种结构在较大的振动作用时容易导致薄弱环节的破坏。而如果能够降低自立式高耸结构某些部位的刚度，并引入适当的耗能装置，变被动的抗振为主动的防振，将会对提高自立式高耸结构的使用和安全性能有一定的实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型自立式高耸结构体系，保证其在常规荷载作用下的正常使用功能的前提下，放松结构与基础之间的转动关系，使结构在侧向动力荷载作用下具备一定的摆动能力，并通过在放松部位设置适当的耗能装置耗散结构摆动的能量，形成一种构造简单、成本低廉的摇摆自复位结构体系，从而减小主体结构的自身变形和应力，保护主体结构的安全，且在振后可自动恢复结构原状态，为进一步的维护和加固提供便利。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种摇摆自复位自立式高耸结构，包括常规自立式高耸结构截面的上部结构、现浇地基、预埋钢板和抗剪地锚，所述上部结构内部沿内侧均匀布置多组拉索体系，在所述上部结构与现浇地基之间设置有摇摆半球和摩擦阻尼装置，所述摩擦阻尼装置设置在摇摆半球周边。

进一步的，所述上部结构包括筒壁、以及设置于筒壁底部的结构底板，在所述筒壁内部一定高度处设置有内环向加劲肋，所述拉索体系一端连接内环向加劲肋，另一端连接现浇地基，所述摇摆半球的平面端连接结构底板，摇摆半球的曲面端通过抗剪地锚与现浇地基上的预埋钢板接触，所述摩擦阻尼装置的一端与结构底板相连，另一端与现浇地基上的预埋钢板连接。

进一步的，所述拉索体系由锚固件、预应力拉索、限位支架和拉索地锚组成，所述预应力拉索的一端由锚固件锚固于上部结构的内环向加劲肋处，另一端由拉索地锚锚固于现浇地基内，所述限位支架沿预应力拉索高度位置均匀布置于筒壁内侧，用于控制预应力拉索不与筒壁内侧接触。

进一步的，所述摩擦阻尼装置由上部结构连接板、地基连接板、高强螺栓和垫板组成，所述上部结构连接板通过高强螺栓与地基连接板穿接在一起，所述垫板设置于地基连接板与高强螺栓之间，所述上部结构连接板与上部结构的结构底板铰接，并且在安装高强螺栓部位开设长圆孔或较大的圆孔，用于保证上部结构连接板与地基连接板之间的相对滑动自由度，上部结构连接板与地基连接板之间的接触面为摩擦连接，并通过调节高强螺栓的预应力以控制对应的摩擦参数，所述地基连接板与现浇地基上的预埋钢板铰接。

进一步的，在所述上部结构底部沿结构底板环向和径向设置加劲肋构成加劲底板，在上部结构的筒壁外侧与结构底板上端之间设置有底部外加劲肋，用于与加劲底板来传递摩擦阻尼装置的输出力。

进一步的，该结构还包括一种摇摆自复位自立式高耸结构的施工方法，该方法包括以下步骤：

步骤（1）根据设计和施工要求，在工厂分段加工上部结构，在筒壁内侧对应位置焊接内环向加劲肋和限位支架；在底部节段的底部内侧焊接加劲底板，外侧焊接底部外加劲肋，在加劲底板下部焊接摇摆半球；

步骤（2）在结构现场开挖基坑，按设计尺寸布置模板和钢筋，并在对应位置布置普通地锚、抗剪地锚、预埋钢板、拉索地锚和足够长的预应力拉索，而后浇筑混凝土并进行养护，形成现浇地基；

步骤（3）定位安装上部结构的最底部节段，定位后，将抗剪地锚穿过摇摆半球，并用螺母固定，将预先布置的预应力拉索穿过加劲底板和限位支架；在底板和现浇基础之间均匀设置千斤顶，顶住上部结构，防止晃动；

步骤（4）在上部结构的底板下铰接摩擦阻尼装置的上部结构连接板，在现浇基础上的预埋钢板上铰接地基连接板，用高强螺栓将三块板连接，并施加预应力；

步骤（5）利用吊车，逐个安装上部结构的其他节段，每个节段安装时，将预应力拉索穿过该节段的限位支架，安装至内环向加劲肋所在节段时，对预应力拉索进行张拉，并用锚固件锚固，随后安装其上节段直至结构安装完成；

步骤（6）结构安装完成后，撤去加劲底板和预埋钢板之间的千斤顶。

本发明的有益效果是:

本发明的一种摇摆自复位自立式高耸结构体系在静力荷载或较小动力荷载作用时，具备一定的刚度，保持较小的侧向位移；在较大动力荷载作用下，以结构底部与地基的接触点为轴发生摆动，保护上部结构安全，并通过摩擦阻尼耗能，控制摆动侧移；在外荷载减小或消失后，结构体系具有较好的自复位能力；且可能损伤的部位均在结构底部，便于维护；该结构体系具有上部结构用钢量小、构造简单、成本低廉、维护方便等优点。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图；

图2是本发明图1中A-A剖面结构示意图；

图3是本发明图1中B-B剖面结构示意图；

图4是本发明的摩擦阻尼装置构造示意图；

图5是本发明图4中C-C剖面结构示意图；

图6是本发明附加阻尼装置方案的结构示意图。

图中标号说明：1.上部结构，2.拉索体系，3.摩擦阻尼装置，4.现浇地基，5.普通地锚，6.预埋钢板，7.抗剪地锚，8.阻尼装置，81.阻尼器，82.传动装置，11.筒壁，12.内环向加劲肋，13.底部外加劲肋，14.摇摆半球，15.加劲底板，16.结构底板，21.锚固件，22.预应力拉索，23.限位支架，24.拉索地锚，31.上部结构连接板，32.地基连接板，33.高强螺栓，34.垫板。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1至图5所示，一种摇摆自复位自立式高耸结构，包括常规自立式高耸结构截面的上部结构1、现浇地基4、预埋钢板6和抗剪地锚7，所述上部结构1内部沿内侧均匀布置多组拉索体系2，在所述上部结构1与现浇地基4之间设置有摇摆半球14和摩擦阻尼装置3，所述摩擦阻尼装置3设置在摇摆半球14周边。

所述上部结构1包括筒壁11、以及设置于筒壁11底部的结构底板16，在所述筒壁11内部一定高度处设置有内环向加劲肋12，所述拉索体系2一端连接内环向加劲肋12，另一端连接现浇地基4，所述摇摆半球14的平面端连接结构底板16，摇摆半球14的曲面端通过抗剪地锚7与现浇地基4上的预埋钢板6接触，用于传递上部结构1自重的同时，使得上部结构1在侧向动力荷载作用下能够发生摆动，所述摩擦阻尼装置3的一端与结构底板16相连，另一端与现浇地基4上的预埋钢板6连接。

所述拉索体系2由锚固件21、预应力拉索22、限位支架23和拉索地锚24组成，所述预应力拉索22的一端由锚固件21锚固于上部结构1的内环向加劲肋12处，另一端由拉索地锚24锚固于现浇地基4内，对其施加预应力，从而为上部结构1的摆动提供一定的刚度和足够的复位能力，材料可采用钢材或形状记忆合金等新型高性能合金材料，所述限位支架23沿预应力拉索22高度位置均匀布置于筒壁11内侧，用于控制预应力拉索22不与筒壁11内侧接触。

所述摩擦阻尼装置3由上部结构连接板31、地基连接板32、高强螺栓33和垫板34组成，所述上部结构连接板31通过高强螺栓33与地基连接板32穿接在一起，所述垫板34设置于地基连接板32与高强螺栓33之间，所述上部结构连接板31与上部结构1的结构底板16铰接，并且在安装并且在安装高强螺栓部位开设长圆孔或较大的圆孔，用于保证上部结构连接板31与地基连接板32之间的相对滑动自由度，上部结构连接板31与地基连接板32之间的接触面为摩擦连接，并通过调节高强螺栓33的预应力以控制对应的摩擦参数，所述地基连接板32与现浇地基4上的预埋钢板6铰接。

在所述上部结构1底部沿结构底板16环向和径向设置加劲肋构成加劲底板15，在上部结构1的筒壁11外侧与结构底板16上端之间设置有底部外加劲肋13，用于与加劲底板15来传递摩擦阻尼装置3的输出力。

参照图6所示，为进一步提高本结构的阻尼耗能能力，可同时在基底设置阻尼器或在上部结构1顶部安装调频阻尼器，以控制结构摆动时的侧移。图6中传动装置82将结构传来的垂直位移转换为水平位移，引起阻尼器81的拉伸或压缩，从而为结构提供了额外的阻尼，减小结构的摆动幅度，且并不影响结构的摇摆自复位功能。另外，可在上部结构1底部和摇摆半球14内适当填充重物，提高结构的自复位能力。

该结构还包括一种摇摆自复位自立式高耸结构的施工方法，该方法包括以下步骤：

步骤（1）根据设计和施工要求，在工厂分段加工上部结构1，在筒壁11内侧对应位置焊接内环向加劲肋12和限位支架23；在底部节段的底部内侧焊接加劲底板15，外侧焊接底部外加劲肋13，在加劲底板15下部焊接摇摆半球14；

步骤（2）在结构现场开挖基坑，按设计尺寸布置模板和钢筋，并在对应位置布置普通地锚5、抗剪地锚7、预埋钢板6、拉索地锚24和足够长的预应力拉索22，而后浇筑混凝土并进行养护，形成现浇地基4；

步骤（3）定位安装上部结构1的最底部节段，定位后，将抗剪地锚7穿过摇摆半球14，并用螺母固定，将预先布置的预应力拉索穿过加劲底板15和限位支架23；在底板和现浇基础之间均匀设置千斤顶，顶住上部结构1，防止晃动；

步骤（4）在上部结构1的底板下铰接摩擦阻尼装置3的上部结构连接板31，在现浇基础4上的预埋钢板6上铰接地基连接板32，用高强螺栓33将三块板连接，并施加预应力；

步骤（5）利用吊车，逐个安装上部结构1的其他节段，每个节段安装时，将预应力拉索22穿过该节段的限位支架，安装至内环向加劲肋12所在节段时，对预应力拉索22进行张拉，并用锚固件21锚固，随后安装其上节段直至结构安装完成；

步骤（6）结构安装完成后，撤去加劲底板15和预埋钢板6之间的千斤顶。

本发明原理

由于自立式高耸结构通常竖向荷载较小，其竖向荷载可由摇摆半球14传递至地基，同时摇摆半球14周边的摩擦阻尼装置3亦可承担部分竖向荷载，从而保证了自立式高耸结构的正常使用；有侧向动力荷载作用时，当振动激励较小，由于摩擦阻尼装置3具有初始的滑动摩擦平台，受力小于该平台时，装置并不发生滑动，从而支撑了上部结构1不发生摆动，靠上部结构1自身的刚度抵抗侧向荷载；当振动激励较大，摩擦阻尼装置3受力超过其摩擦平台，开始发生滑动，上部结构1以摇摆半球与现浇地基4的接触点为轴发生摆动，摩擦阻尼装置3的滑动为结构的摆动提供了阻尼耗能，从而控制上部结构1的摆动不会过大，此时上部结构1近似刚体运动，自身变形较小，安全性得到保证；当振动激励逐渐减小或消失，拉索体系2中的预应力拉索22将把上部结构1拉回原先的位置，摆动过程中可能损坏的摩擦阻尼装置3可在此时进行更换或维修。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种摇摆自复位自立式高耸结构，包括常规自立式高耸结构截面的上部结构(1)、现浇地基(4)、预埋钢板(6)和抗剪地锚(7)，其特征在于，所述上部结构(1)内部沿内侧均匀布置多组拉索体系(2)，在所述上部结构(1)与现浇地基(4)之间设置有摇摆半球(14)和摩擦阻尼装置(3)，所述摩擦阻尼装置(3)设置在摇摆半球(14)周边。

2.根据权利要求1所述的摇摆自复位自立式高耸结构，其特征在于，所述上部结构(1)包括筒壁（11）、以及设置于筒壁（11）底部的结构底板（16），在所述筒壁（11）内部一定高度处设置有内环向加劲肋（12），所述拉索体系(2)一端连接内环向加劲肋（12），另一端连接现浇地基(4)，所述摇摆半球(14)的平面端连接结构底板（16），摇摆半球(14)的曲面端通过抗剪地锚(7)与现浇地基(4)上的预埋钢板(6)接触，所述摩擦阻尼装置(3)的一端与结构底板（16）相连，另一端与现浇地基(4)上的预埋钢板(6)连接。

3.根据权利要求2所述的摇摆自复位自立式高耸结构，其特征在于，所述拉索体系(2)由锚固件(21)、预应力拉索(22)、限位支架(23)和拉索地锚(24)组成，所述预应力拉索(22)的一端由锚固件(21)锚固于上部结构（1）的内环向加劲肋(12)处，另一端由拉索地锚(24)锚固于现浇地基(4)内，所述限位支架(23)沿预应力拉索(22)高度位置均匀布置于筒壁(11)内侧，用于控制预应力拉索(22)不与筒壁(11)内侧接触。

4.根据权利要求2所述的摇摆自复位自立式高耸结构，其特征在于，所述摩擦阻尼装置(3)由上部结构连接板(31)、地基连接板(32)、高强螺栓(33)和垫板(34)组成，所述上部结构连接板(31)通过高强螺栓(33)与地基连接板(32)穿接在一起，所述垫板(34)设置于地基连接板(32)与高强螺栓(33)之间，所述上部结构连接板(31)与上部结构(1)的结构底板（16）铰接，并且在安装高强螺栓部位开设长圆孔或较大的圆孔，用于保证上部结构连接板(31)与地基连接板(32)之间的相对滑动自由度，上部结构连接板(31)与地基连接板(32)之间的接触面为摩擦连接，并通过调节高强螺栓(33)的预应力以控制对应的摩擦参数，所述地基连接板(32)与现浇地基（4）上的预埋钢板(6)铰接。

5.根据权利要求2所述的摇摆自复位自立式高耸结构，其特征在于，在所述上部结构(1)底部沿结构底板（16）环向和径向设置加劲肋构成加劲底板(15)，在上部结构(1)的筒壁（11）外侧与结构底板（16）上端之间设置有底部外加劲肋(13)，用于与加劲底板(15)来传递摩擦阻尼装置(3)的输出力。

6.根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的摇摆自复位自立式高耸结构，其特征在于，该结构还包括一种摇摆自复位自立式高耸结构的施工方法，该方法包括以下步骤：

步骤（1）根据设计和施工要求，在工厂分段加工上部结构1，在筒壁11内侧对应位置焊接内环向加劲肋12和限位支架23；在底部节段的底部内侧焊接加劲底板15，外侧焊接底部外加劲肋13，在加劲底板15下部焊接摇摆半球14；

步骤（2）在结构现场开挖基坑，按设计尺寸布置模板和钢筋，并在对应位置布置普通地锚5、抗剪地锚7、预埋钢板6、拉索地锚24和足够长的预应力拉索22，而后浇筑混凝土并进行养护，形成现浇地基4；

步骤（3）定位安装上部结构1的最底部节段，定位后，将抗剪地锚7穿过摇摆半球14，并用螺母固定，将预先布置的预应力拉索穿过加劲底板15和限位支架23；在底板和现浇基础之间均匀设置千斤顶，顶住上部结构1，防止晃动；

步骤（4）在上部结构1的底板下铰接摩擦阻尼装置3的上部结构连接板31，在现浇基础4上的预埋钢板6上铰接地基连接板32，用高强螺栓33将三块板连接，并施加预应力；

步骤（5）利用吊车，逐个安装上部结构1的其他节段，每个节段安装时，将预应力拉索22穿过该节段的限位支架，安装至内环向加劲肋12所在节段时，对预应力拉索22进行张拉，并用锚固件21锚固，随后安装其上节段直至结构安装完成；

步骤（6）结构安装完成后，撤去加劲底板15和预埋钢板6之间的千斤顶。