CN105735509B - 用于建筑结构中的粘滞流体阻尼抗扭筒 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于建筑结构中的粘滞流体阻尼抗扭筒，它包括两块盖板、外筒(3)、内筒(4)和阻尼材料(7)；外筒(3)套在内筒(4)上，内筒(4)的一端和一盖板固定连接，外筒(3)的一端和另一盖板固定连接，两盖板和外筒(3)、内筒(4)之间形成密封的空腔，空腔注入有粘滞流体阻尼材料；内筒(4)和外筒(3)之间布置两片以上的加劲肋(6)，加劲肋(6)中至少一块与外筒(3)固定连接，至少一块与内筒(4)固定连接。本发明解决现有阻尼器耐久性差、有残余形变、耗能能力不足且减震能力单一等问题。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程建筑领域，特别是用在房屋建筑中的粘滞流体阻尼抗扭筒，用于房屋建筑的扭转振动控制。
背景技术
当地震或风作用于结构时，结构就吸收大量外界能量，从而引起结构发生水平振动和扭转振动。传统结构常用的抵御地震作用的方法是增强结构刚度及变形能力，当遇到较强地震作用时，结构的耗能就需要依靠构件的弹塑性变形，构件的塑性变形不断累积，不可避免地给结构构件造成损伤。以“抗”为主要途径的传统方法，需要增大构件的断面，使结构刚度变大，从而结构的配筋与断面也就更大，如此恶性循环不仅大大提高了建筑造价，也难以保证结构安全。对于结构抗震方面的各种问题，传统的抗震方法不能完全而有效地解决。二十世纪七十年代，各国研究人员得出一种以“减”为途径的新方法(在结构上加设控制装置)来抵御地震作用，结构振动控制的概念就此产生(参见文献：周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社，1997)。该方法改变了利用结构自身耗能来抵御地震作用的传统思想，在结构中的适当部位设置耗能装置来减小其动力响应，而结构只消耗小部分的地震能量。减振器可控制结构振动，以其经济实用和传力明确等特点被广泛采用(参见文献：蔡健，潘东辉，黄炎生.高层建筑结构扭转振动效应控制研究[J].工程力学,2007,24(70)：116-121)。
结构的扭转响应主要由两方面的因素引起：(1)外来干扰。由于地震地面运动非常复杂，地震波通过时各点的相位、周期各不相同；地面质点运动的相位差使其地面运动既产生水平运动分量，也会产生转动分量，地面的转动分量均使结构产生扭转振动；(2)建筑结构本身的特性。对于非对称结构，在地震作用下，由于质量中心和刚度中心不重合，将使结构产生平扭耦联振动(参见文献：王墩，吕西林.平面不规则结构非弹性扭转地震反应研究进展[J].地震工程与工程振动，2010,20(2)：51-57)。因此，结构必须具有足够的刚度和扭转抗力。目前工程中，主要采取在结构周围设置抗震受力构件来提高其抗扭刚度或调整结构的平面布置。对于第一种方法，以刚度来控制结构设计，则大大地扩大了构件的截面，增大了地震作用，且使成本较高。对于第二种方法，在建筑功能已定的情况下，平面布置调整的余量很小(参见文献：魏琏，王森，韦承基.水平地震作用下不对称不规则结构抗扭设计方法研究[J].建筑结构,2005,2(8):12-17)。
利用流体阻尼器进行结构振动控制的研究始于二十世纪八十年代末，美国和日本在这方面的研究起步较早(参见文献：Goel R K.Effects of supplemental viscousdamping on seismic response of an asymmetric-plane system[J].EarthquakeEngineering&Structural Dynamics,1998,27:125-141)，时至今日，全世界已有数以百计的工程使用了流体阻尼器，涉及到高层建筑、高耸结构、桥梁、体育馆、海洋石油平台甚至卫星发射塔(参见文献：Makris N Constantinou,M C.Viscous Damper:Testing,Modelingand Application of Seismic Isolation[R].NCEER Rep.90-0028,State Univ.of NewYork at Baffalo,Baffalo,N.Y,1990)。国内对流体阻尼器的研究起步较晚，1999年，欧进萍教授对油缸间隙式阻尼器进行了理论与试验研究(参见文献：欧进萍，丁建华.油缸间隙式阻尼器理论与试验研究[J].地震工程与工程振动，1999,19(4))；中国建筑科学研究院利用国外生产的流体阻尼器对北京饭店进行了加固；此外还有一些学者进行了积极的理论探索。
粘滞性流体阻尼器是一种使用比较广泛的减震设备，它是利用活塞推动油缸中的油通过节流孔时产生阻尼力，将结构振动的部分能量通过阻尼器中粘滞流体阻尼材料耗能，达到减小结构振动(地震和风振)反应的目的(参见文献：李爱群，叶正强，徐幼麟.工程结构粘滞流体阻尼器减震新技术及其应用[J].东南大学学报，2002,32(3))。所有的理论分析以及大量的工程实践结果都表明：粘滞阻尼器能提供较大的阻尼，因而可以有效地减小结构的振动。
该粘滞流体阻尼抗扭筒可以减小不规则结构的扭转反应。与传统阻尼器相比，该粘滞流体阻尼抗扭筒具有抗老化，抗腐蚀，可恢复形变大，构造简单，安装方便，维护费用低，在结构的抗震和抗风控制中有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于建筑结构中的粘滞流体阻尼抗扭筒，解决现有阻尼器耐久性差、有残余形变、耗能能力不足且减震能力单一等问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
用于建筑结构中的粘滞流体阻尼抗扭筒，它包括两块盖板、外筒和内筒；外筒套在内筒上，内筒的一端和一盖板固定连接，外筒的一端和另一盖板固定连接，两盖板和外筒、内筒之间形成密封的空腔，空腔注入有粘滞流体阻尼材料；
内筒和外筒之间布置两片以上的加劲肋，加劲肋中至少一块与外筒固定连接，至少有另一块与内筒固定连接；
所述加劲肋为板体，加劲肋均垂直于盖板且沿外筒的法线方向布置，所述加劲肋上开有阻尼孔。
上述方案中，所述加劲肋的数量为偶数；各与外筒固定连接的加劲肋，其相邻的两块加劲肋均与内筒固定连接。
当内筒和外筒发生相对扭转，加劲肋两边的粘滞流体阻尼介质产生压力差，使阻尼介质通过阻尼孔，从而产生阻尼力及抗扭力矩，达到减小结构扭转作用的目的。
本发明和现有技术相比，具有以下主要优点：
(1)无残余形变，耐久性好，可重复使用，并大幅提高阻尼器的耗能能力。
(2)具有合适的初始刚度，确保结构在小震或风载作用下能正常工作，而在中震及强震作用下抗扭筒能进入耗能阶段；并确保在强震作用下不会出现失稳现象。
(3)阻尼抗扭筒内、外筒可产生双向扭转变形，因此阻尼器在平面内具有双向抗扭转耗能减震能力。
附图说明
图1为本发明抗扭筒实施例的结构示意图。
图2为图1的Ⅰ–Ⅰ剖视图。
图3为图2的Ⅱ-Ⅱ剖面图。
图4本发明应用方案一的抗扭筒布置位置图。
图5本发明应用方案二的抗扭筒布置位置图。
图中：1-下盖板；2-上盖板；3-外筒；4-内筒；5-阻尼孔；6-加劲肋；7-阻尼材料；8－抗扭筒。
具体实施方式
如图1－3所示的本发明实施实施例，用于建筑结构中的粘滞流体阻尼抗扭筒包括两块盖板、外筒3、内筒4和阻尼材料7；两块盖板分为下盖板1和上盖板2。外筒3套在内筒4上，内筒4的上端和上盖板2固定连接，外筒3的下端和下盖板1固定连接，两盖板和外筒3、内筒4之间形成密封的空腔，空腔注入有粘滞流体阻尼材料7；阻尼材料7为甲基硅油。
内筒4和外筒3之间布置两片以上的加劲肋6，加劲肋6为钢板，加劲肋6中至少一块与外筒3固定连接，至少一块与内筒4固定连接。本实施例的加劲肋6的数量为偶数，具体数量为4个，两个与外筒3固定连接，两个与内筒4固定连接。各与外筒3固定连接的加劲肋6，其相邻的两块加劲肋6均与内筒4固定连接。
所述加劲肋6均垂直于盖板且沿外筒3的法线方向均匀布置，各加劲肋6上均匀开有3个阻尼孔5。
本发明实施实施例粘滞流体阻尼抗扭筒高3000mm，内筒直径300mm，外筒直径400mm，阻尼孔内径1.2mm。内筒、外筒的材料为不锈钢，抗腐蚀性和抗疲劳性能好，具有良好的环境特性，耐气候、耐腐蚀。
本发明实施实施例可恢复形变大，构造简单，安装和拆换方便，维护费用低，将会广泛应用于结构工程领域。
本发明实施例主要基于煤气化高层工业厂房振动控制研究和某超高层强扭转建筑的振动控制研究，提供结构的扭转振动控制装置，该装置可用于煤气化高层工业厂房的结构设计和强扭转高层建筑的水平振动和扭转振动控制。
以煤气化高层工业厂房框架结构为例，厂房平面尺寸为42m×24m，高度93m，共13层，各层层高从底层到顶层分别为：下中部5层为钢筋混凝土结构，上部8层为钢结构(层间布置钢支撑)。重型煤气化设备(气化炉及合成冷却器)安装在上半部钢结构，形状为倒“U”型，截面为圆筒薄壁形状，其设备总重约700t，高度约45m，贯穿整个厂房上半部钢结构层，设备左端底部与第五层混凝土厚板(厚度2.8m)刚接，右端通过恒力吊支撑在第六层钢梁上。
结合煤气化高层工业厂房的结构类型、建筑和施工要求等特点，现提供两种实施方式。
本发明应用方案一：通过对结构在无控状态下的振动特性分析，得知结构在第三层、第六层扭转振动比较大。分别在厂房的第三层及第六层布置本发明抗扭筒8，抗扭筒8的下盖板1与楼板上表面固定连接，上盖板2与上层楼板下表面固定连接，以达到控制结构层间位移和扭转效应的目的。抗扭筒通过支撑与柱边上、下混凝土板的预埋件连接固定，每个柱子边上安装一个抗扭筒，则抗扭筒总数为30个(抗扭筒的布置位置如图4所示)。机械振动减振效果：对比分析安装抗扭筒和无控制状态下结构的动力响应，结构上安装抗扭筒对结构的平动和扭转振动都有较好的控制作用，尤其是扭转减振效果可达40％以上。
本发明应用方式二：在厂房的设备层设备附近安装本发明抗扭筒8，抗扭筒8的下盖板1与楼板上表面固定连接，上盖板2与上层梁板下表面固定连接。抗扭筒布置于结构中，抗扭筒总数15个(抗扭筒的布置位置如图5所示)。机械振动减振效果：对比分析结构在安装抗扭筒和无控制状态下动力响应，得出在设备附近安装抗扭筒，可减小扭转振动达20％以上，设备附近的各柱相对扭转角明显减小，说明安装抗扭筒对设备产生的扭转振动有良好的减振效果。
Claims (2)
1.用于建筑结构中的粘滞流体阻尼抗扭筒，其特征在于：它包括两块盖板、外筒(3)和内筒(4)；外筒(3)套在内筒(4)上，内筒(4)的一端和一盖板固定连接，外筒(3)的一端和另一盖板固定连接，两盖板和外筒(3)、内筒(4)之间形成密封的空腔，空腔注入有粘滞流体阻尼材料(7)；
内筒(4)和外筒(3)之间布置两片以上的加劲肋(6)，加劲肋(6)中至少一块与外筒(3)固定连接，至少有另一块与内筒(4)固定连接；
所述加劲肋(6)为板体，加劲肋(6)均垂直于盖板且沿外筒(3)的法线方向布置，所述加劲肋(6)上开有阻尼孔(5)。
2.如权利要求1所述的粘滞流体阻尼抗扭筒，其特征在于：所述加劲肋(6)的数量为偶数；各与外筒(3)固定连接的加劲肋(6)，其相邻的两块加劲肋(6)均与内筒(4)固定连接。
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