CN107237503A - 具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系 - Google Patents

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Abstract

具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，是将传统整体爬升钢平台模架体系与结构主体的固接形式改为由摩擦支座连接的底部可滑动形式，利用钢平台模架体系质量进行调谐减振控制，同时减小由地震或风荷载产生的结构主体和模架体系的振动。材料堆放区平台也安有摩擦摆支座，并采用调谐质量减振的方式进一步降低结构主体和模架体系的振动，从而使整个平台系统成为双重调谐质量阻尼器，实现双重调谐质量减振。通过改变支座刚度和材料堆放区平台质量等参数实时适应不同施工过程时的结构频率，从而达到更佳的减振效果。该钢平台模架体系的调谐质量减振功能和正常使用功能可以随时切换，使用灵活。本发明属于土木工程的抗风、抗震和减震技术领域。

Description

具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系
技术领域
具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，本发明属于土木工程抗风、抗震和减震技术领域。
背景技术
近年来国内国外高层、超高层建筑的高度不断攀升，而且建筑的体型越来越复杂，不规则结构越来越多，这对于结构的抗震都是十分不利的。我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防和抗风减振更是工程设计面临的迫切任务。为保证高层结构的抗震和抗风安全，达到安全和经济的统一，有必要提高高层结构的抗振能力。超高层建筑施工工期较长，有的建筑工期长达四五年，因此在施工期间是很可能遭遇到较强烈的地震作用或强风的。然而我国现行结构设计规范在施工过程中是不考虑地震作用的，若在施工过程中遭遇到地震作用，结构安全性很难保证。由于其恶劣的施工环境和封闭的操作空间，逃生通道也尚未建成，正在高空施工作业的建筑工人多达数百人，单不考虑其经济损失，就工作人员的生命安全造成了巨大的威胁。目前针对施工过程中结构减震控制的研究和应用均较少，因此亟需重视施工过程中的建筑遭遇地震或强风时的减振问题和技术研发。
耗能减振结构体系是建筑主体结构通过附加子结构，通过子结构耗散动能，使结构的振动能量在原结构与子结构之间重新分配，从而达到减小结构振动的目的。在耗能减振技术中，调谐质量减振技术具有机理明确和简便易行等特点，其基本原理是结构在外激励作用下产生振动时，带动具有相近振动周期的子结构系统共同振动，子结构的系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，并进行调谐控制，对结构的振动产生抑制，从而可以减小结构的地震反应。调谐质量阻尼器是高层建筑结构振动控制中应用最早的结构被动控制装置之一。调谐质量阻尼器系统由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动控制系统，一般支撑或悬挂在结构上。当调谐质量阻尼器的自振频率与结构某一振型自振频率一致时，对此振型的振动反应控制效果最佳。但是传统的调谐质量阻尼器存在着对主结构的固有频率摄动十分敏感的缺点，为了改善调谐质量阻尼器的稳定性，众多学者提出并研究了具有分布频率的多重调谐质量阻尼器。也有部分研究者建议将两个调谐质量阻尼器上下串联形成双重调谐质量阻尼器。改进之后的调谐质量阻尼器减振性能和稳定性都得到了提高。
基于以上原理，在高层建筑施工过程中可以将施工设备或平台作为临时的调谐质量阻尼器，通过合理的设置，使结构主体和调谐质量阻尼器的动力响应同时降低，从而提升结构的减震能力和施工安全。
超高层建筑的迅速发展，与先进的施工技术密不可分。整体顶升钢平台模架体系是我国为了满足超高层建筑施工效率和降低施工安全隐患自主研制的施工模板技术。该模架体系由钢平台系统、支撑系统和顶升系统组成。钢平台体系由支撑系统和顶升系统支撑，位于建筑结构核心筒的顶部，钢平台体系顶部除作为材料堆场外，也是各种施工机械的附着体，同时还设置一些生活及消防设施。电梯可直达钢平台的顶部，实现了快速高空运输材料。支撑与顶升系统为主要受力构件，将钢平台上所有荷载通过支撑与顶升系统传递至剪力墙上。支撑系统包括格构式支撑立柱、上下支撑箱梁以及箱梁上的伸缩牛腿。钢平台系统随着建筑物的增高而不断爬升，提升过程是上支撑梁的牛腿收回，液压动力系统工作，将钢平台模架体系进行顶升。顶升到目标位置后，上支撑梁的牛腿伸出至核心筒的预留孔内。然后将下支撑梁牛腿收回，提升下梁，完成一次提升。
钢平台体系附着在建筑结构上，可以视为结构上的子结构，因此可以加以利用使其与建筑结构形成耗能减震结构体系。目前的整体钢平台模架体系相对于建筑结构不能发生相对摆动，尚不具备调谐质量阻尼器的功能，可以进行适当改进。摩擦摆支座是一种圆弧面滑动摩擦系统，具有较强的限位、复位能力、耗能机制和良好的稳定性。其基本减振机理是：中间层的滑块由高强材料构成。在地震或强风作用下，下部滑块的圆弧形滑动面发生位移，由于上部结构的重力以及滑动面的圆弧形设计，总能产生向心的回复力，并且能通过地震动滑移过程中滑块和滑动面之间的摩擦来耗散能量。因此可以在钢平台系统与支撑系统连接处用摩擦摆支座相连接来代替之前两者直接螺栓连接或焊接，这样就实现了整个钢平台系统可相对支撑系统的滑动，即可实现相对于核心筒的滑动，且钢平台系统和建筑结构就可以组成耗能减振结构体系。同时在钢平台顶部的材料堆放区下设置平台盖板，平台盖板与钢平台之间放置合适数量的摩擦摆支座，这样钢垫板上的建筑材料也可相对钢平台摆动。此时整个改造后的整体钢平台模架体系对于建筑结构就相当于一个双重的调谐质量阻尼器，对振动的控制效果要比普通的调谐质量阻尼器效果更佳。此外，在减震过程中作为调谐质量阻尼器的钢平台模架体系的振动也是可以接受的，因此完全可以利用改造后的钢平台模架体系来抵御施工工程中突发的地震作用，尽可能的减少人员伤亡和经济损失。
发明内容
本发明提出一种具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系。在正常环境和风荷载较小的情况下，可以使摩擦摆支座处于锁定的状态，不发生滑动，这样改造后的钢平台与以往的平台功能是相同的，可进行正常施工。在不同的施工阶段，可通过动力监测技术获得结构主体的实时振动频率，并根据调谐减震原理和设计要求，通过改变摩擦摆支座上下板连接的弹簧刚度从而改变钢平台与建筑结构的连接刚度来使钢平台的自振频率与建筑结构的第一阶自振频率接近。如果高层建筑结构主体遭遇突发地震和强风，可立即把所有摩擦摆支座的锁定螺栓取出，使其处于可滑动的状态，此时整个钢平台体系相当于双重的调谐质量阻尼器，并且其频率接近结构的自振频率，将最大限度的吸收振动的能量，来减少结构的振动。本发明将传统整体爬升钢平台模架体系与结构主体的固接形式改为由摩擦摆支座连接的底部可水平滑动形式，利用钢平台模架体系质量进行调谐减振控制，同时减小由地震或风荷载产生的结构主体和模架体系的振动。材料堆放区平台也安有摩擦摆支座，并采用调谐质量减振的方式进一步降低结构主体和模架体系的振动，从而使整个平台系统成为双重调谐质量阻尼器，实现双重调谐质量减振。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，该体系包括钢垫板10、钢平台桁架梁11、钢格构立柱12、钢平台盖板13、上支撑梁14、下支撑梁15、顶升系统16、伸缩牛腿17、结构主体18、主平台摩擦摆支座19、材料堆放区平台摩擦摆支座20和建筑材料21。
主平台摩擦摆支座19和材料堆放区平台摩擦摆支座20均由摩擦摆滑块1、摩擦摆支座下板2、摩擦摆支座上板3、弹簧4、弹簧挂钩5、摩擦摆滑块限位板6、防护垫层7、摩擦摆支座上板连接螺栓8、摩擦摆支座下板连接螺栓9组成。摩擦摆滑块1设置在摩擦摆支座下板2和摩擦摆支座上板3之间，摩擦摆支座下板2和摩擦摆支座上板3由可变刚度的弹簧4通过弹簧挂钩5水平相连。在摩擦摆支座下板2的顶面设置环形摩擦摆滑块限位板6，并在摩擦摆滑块限位板6的内圈贴上防护垫层7，防护垫层7限制摩擦摆滑块1的位置，防止摩擦摆支座出现倾覆，防护垫层7用来保护摩擦摆滑块1的撞击。摩擦摆支座上板3通过摩擦摆支座上板连接螺栓8固定在钢垫板10上，摩擦摆支座下板2通过摩擦摆支座下板连接螺栓9固定在钢垫板10上。摩擦摆支座下板2在摩擦摆支座上板螺栓8对应处有螺栓孔。当不需要调谐减振时，将摩擦摆支座上板螺栓8插入并锁定摩擦摆支座。同样的，钢平台桁架梁上的摩擦摆支座具有同样的功能。当需要调谐减振时，将摩擦摆支座上板连接螺栓8拧出摩擦摆支座下板螺栓孔洞。
在钢平台桁架梁11和钢格构立柱12点连接处，钢格构立柱12顶端加一层方形的钢垫板10，钢垫板10与钢格构立柱12用螺栓固定在一起。
钢垫板10中心与钢格构立柱12中心重合，钢平台桁架梁11底部加同样规格的另一层钢垫板10并用螺栓固定在一起。两层钢垫板10之间均匀分布安置多个平台摩擦摆支座19，钢平台桁架梁11通过摩擦摆支座19沿钢格构立柱12水平滑动。在钢平台桁架梁11上安装多个材料堆放区平台摩擦摆支座20，然后铺上钢平台盖板13。材料堆放区钢平台盖板13通过材料堆放区平台摩擦摆支座20沿钢平台桁架梁11水平滑动。施工钢平台模架体系在主平台摩擦摆支座19和材料堆放区平台摩擦摆支座20同时进行水平滑动，实现双重调谐质量减振功能。
钢格构立柱12支撑在上支撑梁14和下支撑梁15上，上支撑梁14和下支撑梁通过顶升系统16连接起来，共同承受钢平台系统的竖向荷载；上支撑梁14和下支撑梁15通过伸缩牛腿17插进建筑结构预留孔内将竖向荷载传递到建筑结构主体18。当钢平台随着施工需要顶升时，把主平台摩擦摆支座19的摩擦摆支座上板连接螺栓8伸入到摩擦摆支座下板2对应的螺栓孔洞中，锁定摩擦摆支座，阻止其滑动，保证顶升过程中的平稳。
摩擦摆支座下板2、摩擦摆支座上板3的平面面积均不能小于相应平台平面面积的1/50。摩擦摆滑块1的材料为高强钢、高强合金等，弹性模量应大于3.5×105N/mm2，动摩擦系数不能超过0.10。
环形摩擦摆滑块限位板6的厚度为摩擦摆支座下板2厚度的1/2。
摩擦摆支座上板连接螺栓8的直径不小于摩擦摆支座上板面积的1/20。
钢垫板10的平面面积为钢格构立柱12平面面积的1.5倍以上。
根据施工过程中建筑结构主体第一阶频率来及时调节弹簧4刚度，且应使主平台摩擦摆支座19之上整个平台系统的第一阶频率与建筑结构主体第一阶频率之比控制在0.80-1.00之间。使材料堆放区平台摩擦摆支座20以上的平台系统第一阶频率与建筑结构主体第一阶频率之比控制在0.85-1.05之间。
在不同的施工阶段，采用增减建筑材料质量的方式来进一步调节材料堆放区平台摩擦摆支座20以上的平台系统的第一阶频率，灵活实现调谐功能。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明在原有的整体钢平台模架体系的基础上，通过将钢平台系统和钢格构立柱连接处原有的固定节点改为由摩擦摆支座连接起来的可滑动节点，实现了整个钢平台可相对于建筑结构的相对水平滑动，同理可利用平台顶部的建筑材料堆放区的质量相对于钢平台系统的水平滑动。这样改造后的整个钢平台模架体系相对于施工中建筑结构就可以起到双重调谐质量阻尼器的作用，来抵御地震作用和特大风荷载。
2、本发明在原有的摩擦摆支座的基础上，在摩擦摆支座上板和摩擦摆支座下板安装可变刚度的弹簧将两者连接在一起，这样做可以灵活的改变摩擦摆支座滑动时的剪切刚度，进而可调整钢平台系统水平方向自由振动的频率来匹配施工中的建筑结构的振动频率，达到最大的减震效果。
3、本发明在钢平台顶部划分不同的功能分区，仅在材料堆放区下安置合适数量的摩擦摆支座，其他功能区域仅有一层钢盖板铺垫。这样可以通过材料堆放区和其他功能分区质量分配，来调整材料堆放区域的建筑材料质量，即调整平台上部可摆动的质量。因此通过调节摩擦摆支座上的弹簧刚度和调整钢平台顶部材料的质量可使双重调谐质量阻尼器发挥到最佳的效果。
4、本发明在原有的摩擦摆支座的基础上，在摩擦摆支座上下板对应处预留螺栓孔，当在正常环境施工过程中，可以通过螺栓将摩擦摆支座上下板锁定在一起，阻止其相对摆动，这样就与以往的模架体系功能完全相同。当有地震来袭或者较大风荷载时，将螺栓打开即可，切换方便灵活。
附图说明
图1是本发明具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系的单个支撑节点的正面图
图2是本发明具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系中摩擦摆支座结构正面图
图3是本发明具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系中摩擦摆支座结构俯视图
图4是本发明具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系中摩擦摆支座结构水平剖面俯视图
图5是本发明具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系中摩擦摆支座结构发生滑动示意图
图6是本发明具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系钢平台功能分区布置图俯视图
图7是本发明具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系竖向支撑点的布置图
图中：1-摩擦摆滑块、2-摩擦摆支座下板、3-摩擦摆支座上板、4-弹簧、5-弹簧挂钩、6-摩擦摆滑块限位板、7-防护垫层、8-摩擦摆支座上板连接螺栓、9-摩擦摆支座下板连接螺栓、10-钢垫板、11-钢平台桁架梁、12-钢格构立柱、13-钢平台盖板、14-上支撑梁、15-下支撑梁、16-顶升系统、17-伸缩牛腿、18-结构主体、19-主平台摩擦摆支座、20-材料堆放区平台摩擦摆支座、21建筑材料。
具体实施方式
实施例：
下面结合正在施工过程中的某高层为实例，来详细说明该发明是如何来减小地震作用下主体结构的振动。
该建筑是集五星级酒店、商场、高等办公写字楼为一体的综合性超高层建筑，为核心筒-钢管混凝土结构，地上71层，地下6层，高318米。根据核心筒的平面面积确定好钢平台模架体系各部件的规格，满足技术方案中的要求。然后将具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系攀附在核心筒上来进行施工，每当核心筒新建5层，测量结构主体的第一阶自振频率，施工过程中整个钢平台及上部设备和建筑材料的质量保持恒定，只要调控主平台摩擦摆支座的弹簧刚度即可改变整个钢平台相对于核心筒的自振频率。大钢平台上的材料堆放区平台的自振频率可以采取将平台盖板上建筑材料质量分配到其他区域的方法来调控。假定当核心筒施工到35层时发生地震，此时核心筒第一阶自振频率是3.70Hz，经过自振频率公式计算可得到所有主平台摩擦摆支座的弹簧刚度之和应为7200kN/m,由于整个大平台由4根格构立柱支撑，每个支撑点处设置4个主平台摩擦摆支座，每个摩擦摆支座上言摆动方向有4根可变刚度弹簧，因此整个大平台与钢格构立柱之间由64根弹簧并联，因此每根弹簧的刚度应该更换为112.5kN/m，此时整个钢平台的自振频率为3.20Hz。建筑材料区域平台盖板上建筑材料的质量通过和其他区域进行分配，最后小平台盖板的自振频率调控在3.80Hz。将以上计算数据经过有限元建模，输入地震波后将传统钢平台模架体系攀附的核心筒和具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系攀附的核心筒的地震加速度峰值进行对比，可以发现具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系攀附的核心筒地震加速度峰值下降了37.2％，减震效果比较显著。当核心筒施工达到60层时，根据气象报告将有强风袭来，此时核心筒的第一阶频率为2.50Hz,经过计算将主平台摩擦摆支座的弹簧刚度更换为82kN/m时大平台的自振频率约2.20Hz，建筑材料堆放区域平台盖板上建筑材料的质量通过和其他区域进行分配，小平台盖板的自振频率调整到2.60Hz。此时将所有摩擦摆支座上板连接螺栓拧出摩擦摆支座下板的螺栓孔，使摩擦摆支座处于可摆动状态。在之后的强风作用下，整个钢平台和小平台盖板沿着摩擦摆支座水平双重摆动，钢平台模架体系的双重调谐作用的反拉惯性力对施工中的核心筒的振动起到了很好的控制效果，吸收了振动能量，使核心筒在暴风作用下顶部的位移得到了很好的控制，加速度峰值较不进行减振下降了16.7％，保护了建筑和人员的安全。
以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (7)

1.具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，其特征在于：该体系包括钢垫板(10)、钢平台桁架梁(11)、钢格构立柱(12)、钢平台盖板(13)、上支撑梁(14)、下支撑梁(15)、顶升系统(16)、伸缩牛腿(17)、结构主体(18)、主平台摩擦摆支座(19)、材料堆放区平台摩擦摆支座(20)和建筑材料(21)；
主平台摩擦摆支座(19)和材料堆放区平台摩擦摆支座(20)均由摩擦摆滑块(1)、摩擦摆支座下板(2)、摩擦摆支座上板(3)、弹簧(4)、弹簧挂钩(5)、摩擦摆滑块限位板(6)、防护垫层(7)、摩擦摆支座上板连接螺栓(8)、摩擦摆支座下板连接螺栓(9)组成；摩擦摆滑块(1)设置在摩擦摆支座下板(2)和摩擦摆支座上板(3)之间，摩擦摆支座下板(2)和摩擦摆支座上板(3)由可变刚度的弹簧(4)通过弹簧挂钩(5)水平相连；在摩擦摆支座下板(2)的顶面设置环形摩擦摆滑块限位板(6)，并在摩擦摆滑块限位板(6)的内圈贴上防护垫层(7)，防护垫层(7)限制摩擦摆滑块(1)的位置，防止摩擦摆支座出现倾覆，防护垫层(7)用来保护摩擦摆滑块(1)的撞击；摩擦摆支座上板(3)通过摩擦摆支座上板连接螺栓(8)固定在钢垫板(10)上，摩擦摆支座下板(2)通过摩擦摆支座下板连接螺栓(9)固定在钢垫板(10)上；摩擦摆支座下板(2)在摩擦摆支座上板螺栓(8)对应处有螺栓孔；当不需要调谐减振时，将摩擦摆支座上板螺栓(8)插入并锁定摩擦摆支座；同样的，钢平台桁架梁上的摩擦摆支座具有同样的功能；当需要调谐减振时，将摩擦摆支座上板连接螺栓(8)拧出摩擦摆支座下板螺栓孔洞；
在钢平台桁架梁(11)和钢格构立柱(12)点连接处，钢格构立柱(12)顶端加一层方形的钢垫板(10)，钢垫板(10)与钢格构立柱(12)用螺栓固定在一起；
钢垫板(10)中心与钢格构立柱(12)中心重合，钢平台桁架梁(11)底部加同样规格的另一层钢垫板(10)并用螺栓固定在一起；两层钢垫板(10)之间均匀分布安置多个平台摩擦摆支座(19)，钢平台桁架梁(11)通过摩擦摆支座(19)沿钢格构立柱(12)水平滑动；在钢平台桁架梁(11)上安装多个材料堆放区平台摩擦摆支座(20)，然后铺上钢平台盖板(13)；材料堆放区钢平台盖板(13)通过材料堆放区平台摩擦摆支座(20)沿钢平台桁架梁(11)水平滑动；施工钢平台模架体系在主平台摩擦摆支座(19)和材料堆放区平台摩擦摆支座(20)同时进行水平滑动，实现双重调谐质量减振功能；
钢格构立柱(12)支撑在上支撑梁(14)和下支撑梁(15)上，上支撑梁(14)和下支撑梁通过顶升系统(16)连接起来，共同承受钢平台系统的竖向荷载；上支撑梁(14)和下支撑梁(15)通过伸缩牛腿(17)插进建筑结构预留孔内将竖向荷载传递到建筑结构主体(18)；当钢平台随着施工需要顶升时，把主平台摩擦摆支座(19)的摩擦摆支座上板连接螺栓(8)伸入到摩擦摆支座下板(2)对应的螺栓孔洞中，锁定摩擦摆支座，阻止其滑动，保证顶升过程中的平稳。
2.根据权利要求1所述的具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，其特征在于：摩擦摆支座下板(2)、摩擦摆支座上板(3)的平面面积均不能小于相应平台平面面积的1/50；摩擦摆滑块(1)的材料为高强钢或高强合金，弹性模量大于3.5×105N/mm2，动摩擦系数不能超过0.10。
3.根据权利要求1所述的具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，其特征在于：环形摩擦摆滑块限位板(6)的厚度为摩擦摆支座下板(2)厚度的1/2。
4.根据权利要求1所述的具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，其特征在于：摩擦摆支座上板连接螺栓(8)的直径不小于摩擦摆支座上板面积的1/20。
5.根据权利要求1所述的具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，其特征在于：钢垫板(10)的平面面积为钢格构立柱(12)平面面积的1.5倍以上。
6.根据权利要求1所述的具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，其特征在于：根据施工过程中建筑结构主体第一阶频率来及时调节弹簧(4)刚度，且应使主平台摩擦摆支座(19)之上整个平台系统的第一阶频率与建筑结构主体第一阶频率之比控制在0.80-1.00之间；使材料堆放区平台摩擦摆支座(20)以上的平台系统第一阶频率与建筑结构主体第一阶频率之比控制在0.85-1.05之间。
7.根据权利要求1所述的具有双重调谐质量减振功能的施工钢平台模架体系，其特征在于：在不同的施工阶段，采用增减建筑材料质量的方式来调节材料堆放区平台摩擦摆支座(20)以上的平台系统的第一阶频率。
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