CN107060452A - 一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，包括多个重力柱、重力梁、钢支撑及设置在该钢支撑框架核心筒上的阻尼单元，重力梁设置在重力柱上，并与重力柱组合形成多个筒状结构，钢支撑设置在筒状结构的侧壁上，阻尼单元由变形放大器、速度相关型耗能器及屈曲约束支撑组成。与现有技术相比，本发明能够协调核心筒和阻尼器共同作用，提高整体抵抗外荷载能力，同时具有多道减振防线，能够适应不同强度地震，并且维护方便，结构安全性和舒适性高。

Description

一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒。
背景技术
耗能减振技术是目前世界地震工程界推广应用较多的成熟的高新技术之一，被美国地震专家称之为“40年来世界地震工程最重要的成果之一”。
同时，广泛应用于超高层的框架核心筒，其抵抗外荷载的能力有限，单独使用，很难满足超高结构的抗侧要求。若单独采用框架-核心筒结构，核心筒作为第一道防线，要求核心筒必须作为一个独立的悬臂筒体结构体系，可以分担绝大部分的剪力和大部分的倾覆弯矩，但实际工程中很难满足抗侧力要求。
因此实际工程中，往往需要添加阻尼单元，共同抵抗外荷载。由于目前公知的核心筒采用混凝土结构，故而，一种减震方案是在核心筒和外围框架之间连接消能减震伸臂桁架，并在外框架柱上设置效能减震环带桁架，这种方案通过在核心筒和外框架之间设置消能减震加强层，来提高结构减震性能，效果有限，而且，目前公知的耗能减振方案大多是釆用单一类型阻尼器进行结构的减振控制，存在很多不足之处：(1)不能够适应不同强度的地震，适用范围小。(2)由于耗能减振设备的单一，使得结构安全性和舒适性差。(3)维护不方便。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够协调核心筒和阻尼器共同作用，提高整体抵抗外荷载能力，同时具有多道减振防线，能够适应不同强度地震，并且维护方便，结构安全性和舒适性高的混合耗能减振钢支撑框架核心筒。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，包括多个重力柱、重力梁、钢支撑及设置在该钢支撑框架核心筒上的阻尼单元，所述的重力梁设置在重力柱上，并与重力柱组合形成多个筒状结构，所述的钢支撑设置在筒状结构的侧壁上，所述的阻尼单元由变形放大器、速度相关型耗能器及屈曲约束支撑组成。
作为优选的技术方案，所述的变形放大器和速度相关型耗能器在选择布置位置时，满足下列条件：
(1)满足建筑功能及开洞要求，选取核心筒外墙位置；
(2)便于阻尼单元后期维护；
(3)在可布位置满布的情况下，根据耗能结果排序，选取能耗大的位置。
作为优选的技术方案，所述的变形放大器为肘节式变形放大器，用于增加阻尼单元两端的相对变形，加大阻尼单元能耗。
作为进一步优选的技术方案，所述的肘节式变形放大器为中国专利ZL201520886649.8所公开的肘节式变形放大器。
作为优选的技术方案，所述的速度相关型耗能器选用阻尼指数为0.40～0.50、阻尼系数C＝5500～6500kN/(m/s)0.45的粘滞阻尼墙。
由于粘滞阻尼墙并不像粘滞阻尼器一样采用高压密封的腔体，其阻尼指数无法做到较小值。参考目前国内外阻尼墙生产厂家提供的产品资料，综合考虑各种因素，选取上述数值区间的粘滞阻尼墙。
作为优选的技术方案，所述的屈曲约束支撑的布置位置选择在满布钢支撑的模型下剪切变形大的位置。
作为优选的技术方案，所述的屈曲约束支撑选取屈服后刚度比为0.25～0.35，屈服指数为2.0～3.0的屈曲约束支撑。
作为优选的技术方案，所述的重力柱为钢柱或钢管混凝土柱，所述的重力梁为钢梁。
作为优选的技术方案，所述的重力柱的布置根据建筑要求进行调节，分布呈九宫格型或回字形，核心筒从下至上依次收进，重力柱的个数随之逐渐减少。
作为优选的技术方案，核心筒从下至上依次收进形成低区核心筒、中区核心筒和高区核心筒；
当重力柱分布呈九宫格型时，所述的低区核心筒的筒状结构在平面上分布呈3×3的方阵，所述的中区核心筒在低区核心筒的基础上收进形成，中区核心筒的筒状结构设有5个，在平面上分布呈十字型，所述的高区核心筒在中区核心筒的基础上继续收进，高区核心筒的筒状结构设有一个；
当重力柱分布呈回字形时，所述的低区核心筒的筒状结构分布呈4×4的矩阵，所述的中区核心筒在低区核心筒的基础上，通过对低区核心筒的四个角收进形成，所述的高区核心筒在中区核心筒的基础上收进，高区核心筒的筒状结构设有四个，在平面上分布呈2×2的方阵。
本发明的技术方案，考虑了阻尼单元在钢支撑框架核心筒内的协同工作性能，根据每类阻尼器的特性，选择最利的布置位置，使得每类阻尼器在外荷载作用下均能够发挥最大的耗能作用，从而大大提高了钢支撑框架核心筒抵抗外荷载的能力。
本发明的带钢支撑框架核心筒的混合耗能减振方案，协同了核心筒本身和阻尼器的作用，大大提高了整体抵抗外荷载的能力，本发明涉及的带钢支撑框架核心筒的混合耗能减振方案相比现有技术减震效果更加明显。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用的带钢支撑框架核心筒的混合耗能减振方案，协同了核心筒、阻尼器的共同作用，大大提高了整体抵抗外荷载的能力。
(2)本发明采用肘节式变形放大器、粘滞阻尼墙和屈曲约束支撑混合减振的方法，肘节式变形放大器、粘滞阻尼墙主要用来减小地震响应，屈曲约束支撑主要用来控制结构变形。肘节式阻尼器、粘滞阻尼墙能在小震下发生耗能，减小地震作用，有利于节约材料用量，而屈曲约束支撑在中、大震下屈服，联合肘节式变形放大器、粘滞阻尼墙共同耗能，保护主体结构，所以两类阻尼器可以在不同强度地震下分阶段屈服，这也较好地符合“多道防线”的抗震设防要求。
(3)本发明采用的肘节式变形放大器、粘滞阻尼墙和屈曲约束支撑，其位置选择在核心筒外墙位置，满足了建筑功能及开洞需求，同时便于阻尼器后期维护。
(4)本发明采用肘节式变形放大器、粘滞阻尼墙在较小的风荷载下，就能发挥耗能减振作用，使得结构风振舒适度性能满足预期目标，大大提高了结构的安全性、舒适性。
(5)本发明采用肘节式变形放大器、粘滞阻尼墙在中、大地震下，其阻尼力不会随着荷载作用而大幅度增加，提高了主体结构的安全性。
(6)本发明采用的屈曲约束支撑的数量和吨位相对较低，可望避免纯位移型阻尼器减振结构刚度较大、地震作用较大、阻尼器出力较大等诸多问题。
附图说明
图1为本发明带钢支撑框架核心筒的结构示意图；
图2为本发明肘节式变形放大器的连接示意图；
图3为本发明的粘滞阻尼墙的连接示意图；
图4为本发明的屈曲约束支撑的连接示意图；
图5为本发明的混合减振方案布置楼层示意图；
图6(I)为本发明的混合减振方案中肘节式变形放大器的布置位置平面示意图，图6(II)为图6(I)中肘节式变形放大器布置位置的a向立面示意图，图6(III)为图6(I)中肘节式变形放大器布置位置的b向立面示意图；
图7(I)为本发明的混合减振方案中粘滞阻尼墙的布置位置平面示意图，图7(II)为图7(I)中粘滞阻尼墙布置位置的a向立面示意图，图7(III)为图7(I)中粘滞阻尼墙布置位置的b向立面示意图；
图8(I)为本发明的混合减振方案中屈曲约束支撑布置位置平面示意图，图8(II)为图8(I)中屈曲约束支撑布置位置的a向立面示意图，图8(III)为图8(I)中屈曲约束支撑布置位置的b向立面示意图；
图9为本发明的混合减振方案的减振效果图。
图中，1为重力柱，2为重力梁，21为连接副梁，3为钢支撑，4为肘节式变形放大器，5为粘滞阻尼墙，6为屈曲约束支撑，7为巨柱，8为环带桁架，801为第六区段，802为第七区段，803为第八区段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，包括多个重力柱1、重力梁2、钢支撑3及设置在该钢支撑框架核心筒上的阻尼单元，重力梁2设置在重力柱1上，并与重力柱1组合形成多个筒状结构，钢支撑3设置在筒状结构的侧壁上，阻尼单元由变形放大器、速度相关型耗能器及屈曲约束支撑6组成，如图1～5所示，本发明采用一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，将阻尼单元连接于钢支撑框架核心筒上，用于更好地实现外荷载作用下的耗能减振作用。带钢支撑框架核心筒的混合耗能减振方案，考虑了阻尼单元在钢支撑框架核心筒内的协同工作性能，根据每类阻尼器的特性，选择最有利的布置位置，使得每类阻尼器在外荷载作用下均能够发挥最大的耗能作用，从而大大提高了钢支撑框架核心筒抵抗外荷载的能力。
重力柱1为钢柱或钢管混凝土柱，重力梁2为钢梁，重力柱1的布置根据建筑要求进行调节，分布呈九宫格型或回字形，核心筒从下至上依次收进，重力柱的个数随之逐渐减少。具体地，核心筒从下至上依次收进形成低区核心筒、中区核心筒和高区核心筒；当重力柱分布呈九宫格型时，低区核心筒的筒状结构在平面上分布呈3×3的方阵，中区核心筒在低区核心筒的基础上收进形成，中区核心筒的筒状结构设有5个，在平面上分布呈十字型高区核心筒在中区核心筒的基础上继续收进，高区核心筒的筒状结构设有一个；当重力柱分布呈回字形时，低区核心筒的筒状结构分布呈4×4的矩阵，中区核心筒在低区核心筒的基础上，通过对低区核心筒的四个角收进形成，高区核心筒在中区核心筒的基础上收进，高区核心筒的筒状结构设有四个，在平面上分布呈2×2的方阵。
变形放大器和速度相关型耗能器在选择布置位置时，满足下列条件：
(1)满足建筑功能及开洞要求，选取核心筒外墙位置；
(2)便于阻尼单元后期维护；
(3)在可布位置满布的情况下，根据耗能结果排序，选取能耗大的位置。
也就是说：变形放大器和速度相关型耗能器在满足建筑功能及开洞要求的情况下，布置在核心筒外墙并且便于后期维护的位置，在可布位置满布的情况下，根据耗能结果排序，选取靠前的位置。
变形放大器为肘节式变形放大器4，用于增加阻尼单元两端的相对变形，加大阻尼单元能耗能耗。肘节式变形放大器为中国专利ZL 201520886649.8所公开的肘节式变形放大器。速度相关型耗能器选用阻尼指数为0.40～0.50、阻尼系数C＝5500～6500kN/(m/s)0.45的粘滞阻尼墙5。由于粘滞阻尼墙5并不像粘滞阻尼器一样采用高压密封的腔体，其阻尼指数无法做到较小值。参考目前国内外阻尼墙生产厂家提供的产品资料，综合考虑各种因素，选取上述数值区间的粘滞阻尼墙5。所述的屈曲约束支撑6的布置位置选择在满布钢支撑的模型下剪切变形大的位置。屈曲约束支撑6选取屈服后刚度比为0.25～0.35，屈服指数为2.0～3.0的屈曲约束支撑6。
本发明采用肘节式变形放大器4、粘滞阻尼墙5和屈曲约束支撑6混合减振的方法，肘节式变形放大器、粘滞阻尼墙主要用来减小地震响应，屈曲约束支撑主要用来控制结构变形。肘节变形放大器、粘滞阻尼墙能在小震下发生耗能，减小地震作用，有利于节约材料用量，而屈曲约束支撑在中、大震下屈服，联合肘节式变形放大器、粘滞阻尼墙共同耗能，保护主体结构，所以两类阻尼器可以在不同强度地震下分阶段屈服，这也较好地符合“多道防线”的抗震设防要求。
如图5～8所示，本发明采用的肘节式变形放大器4、粘滞阻尼墙5和屈曲约束支撑6，其位置选择在核心筒外墙位置，满足了建筑功能及开洞需求，同时便于阻尼器后期维护。
一般来说，肘节式变形放大器4阻尼指数越小，阻尼器越早发挥作用，其耗能效果越好。当α＝1时，阻尼力与速度成线性关系；而随着α接近于0，阻尼力随速度增大有变缓趋势，阻尼力变形关系接近于矩形(耗能效果最佳)，同时为保证在较小的风荷载下阻尼器就能发挥作用，且能够控制在中大地震作用下阻尼力不增长太快，根据以上考虑因素，本案例中选用肘节式变形放大器4的阻尼指数α＝0.3。
所用的肘节式变形放大器4的阻尼系数C不能太大，阻尼系数过大会导致阻尼器出力太大，超出产品的适用范围；同时阻尼系数C的取值要使得结构风振舒适度性能满足预期目标。通过多次试算和分析，确定阻尼系数为C＝5500kN/(m/s)0.3。
如图2所示，将肘节式变形放大器4连接于核心筒外墙位置，其连接形式如图2所示，与重力梁2及重力柱1连接，可集中布置在若干区，避免了对用户的影响，同时，便于后期的检修和维护。
如图3所示，将粘滞阻尼墙连接于上下楼面之间，上下两端分别通过连接副梁21与重力梁2连接，由于粘滞阻尼墙并不像肘节式变形放大器一样采用高压密封的腔体，其阻尼指数无法做到较小值。参考目前国内外阻尼墙生产厂家提供的产品资料，本实施例取粘滞阻尼墙的阻尼指数为α＝0.45，阻尼系数C＝6000kN/(m/s)0.45。
屈曲约束支撑6位置应选择在满布普通钢支撑3的模型下剪切变形大的位置。本实施例选取其参数选取屈服后刚度比为0.03，屈服指数均为2.0，连接形式如图4所示。
如图5所示，将上述三种阻尼单元布置在核心筒外墙位置，核心筒外设有多个巨柱7，本实施例沿高度方向设有八个环带桁架8，使得核心筒沿高度方向从下到上形成9个区段，第六区段801的核心筒上设置屈服约束支撑6，第七区段802的核心筒上设置粘滞阻尼墙5，第八区段803的核心筒上设置肘节式变形放大器4，三种阻尼单元的具体布置位置如图6～8所示。
如图6～8所示，将上述三种阻尼单元布置在核心筒外墙位置，根据风洞试验提供的加速度控制方向塔楼顶部风荷载时程输入到结构中进行风振舒适度分析。
从计算结果图9可以看出，混合减振方案减振率达56％，如下表1所示。
表1
10年一遇风荷载 无控(m/s2) 有控(m/s2) 规范限值(m/s2) 减振率
酒店最高使用层 0.43 0.19 0.28 56％
公寓最高使用层 0.33 0.15 0.20 55％
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，其特征在于，包括多个重力柱、重力梁、钢支撑及设置在该钢支撑框架核心筒上的阻尼单元，所述的重力梁设置在重力柱上，并与重力柱组合形成多个筒状结构，所述的钢支撑设置在筒状结构的侧壁上，所述的阻尼单元由变形放大器、速度相关型耗能器及屈曲约束支撑组成。
2.根据权利要求1所述的一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，其特征在于，所述的变形放大器和速度相关型耗能器在选择布置位置时，满足下列条件：
(1)满足建筑功能及开洞要求，选取核心筒外墙位置；
(2)便于阻尼单元后期维护；
(3)在可布位置满布的情况下，根据耗能结果排序，选取能耗大的位置。
3.根据权利要求1或2所述的一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，其特征在于，所述的变形放大器为肘节式变形放大器，用于增加阻尼单元两端的相对变形，加大阻尼单元能耗。
4.根据权利要求1或2所述的一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，其特征在于，所述的速度相关型耗能器选用阻尼指数为0.40～0.50、阻尼系数C＝5500～6500kN/(m/s)0.45的粘滞阻尼墙。
5.根据权利要求1所述的一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，其特征在于，所述的屈曲约束支撑的布置位置选择在满布钢支撑的模型下剪切变形大的位置。
6.根据权利要求5所述的一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，其特征在于，所述的屈曲约束支撑选取屈服后刚度比为0.25～0.35，屈服指数为2.0～3.0的屈曲约束支撑。
7.根据权利要求1所述的一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，其特征在于，所述的重力柱为钢柱或钢管混凝土柱，所述的重力梁为钢梁。
8.根据权利要求1或7所述的一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，其特征在于，所述的重力柱的布置根据建筑要求进行调节，分布呈九宫格型或回字形，并且所述的核心筒结构体系从下至上依次收进，重力柱的个数随之逐渐减少。
9.根据权利要求8所述的一种混合耗能减振钢支撑框架核心筒，其特征在于，核心筒结构体系从下至上依次收进形成低区核心筒、中区核心筒和高区核心筒；
当重力柱分布呈九宫格型时，所述的低区核心筒的筒状结构在平面上分布呈3×3的方阵，所述的中区核心筒在低区核心筒的基础上收进形成，中区核心筒的筒状结构设有5个，在平面上分布呈十字型，所述的高区核心筒在中区核心筒的基础上继续收进，高区核心筒的筒状结构设有一个；
当重力柱分布呈回字形时，所述的低区核心筒的筒状结构分布呈4×4的矩阵，所述的中区核心筒在低区核心筒的基础上，通过对低区核心筒的四个角收进形成，所述的高区核心筒在中区核心筒的基础上收进，高区核心筒的筒状结构设有四个，在平面上分布呈2×2的方阵。
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