CN107355023B - 一种摇晃式自减振结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摇晃式自减振结构，涉及结构工程抗震技术领域。该结构局部布有摇摆构件，该摇摆构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，和/或，该摇摆构件前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙；该摇摆构件支承于基础或楼层梁，使结构楼层刚度弱化并形成可局部摇晃的体系，摇摆构件受周围结构推动时发生往复摇摆，并牵连其所支撑的各支撑柱或墙侧移和上下相对运动。本发明可有效减小结构水平振动和提升结构抗震性能。
Description
技术领域
本发明涉及结构工程抗震技术领域，特别是涉及一种摇晃式自减振结构。
背景技术
房屋建筑结构抗震设计技术的发展大致经历两个途径，即从提高结构自身抵抗地震能力出发，发展高性能材料、构件和结构体系等；或由振动控制减小结构地震激励响应。以将震害控制在预期范围内，达到结构抗震设防水准，使结构遭遇地震时不发生破坏、或仅发生可迅速修复损伤。结构地震激励响应控制又有耗能减振或隔振途径，如结构中附设消能阻尼器或附设基础隔振层隔离地震作用等。耗能减振和隔振在实践中并不一定泾渭分明，工程中的振动控制往往同时蕴含这两个概念。
现有技术出现一种针对性放松结构构件约束弱化结构一些特定部位以控制结构振动，如天然橡胶支座隔振基础结构、框架-摇摆核心筒结构等。此时，结构或其部分常呈现包含近似刚体模态的振动，第一自振频率较大幅度减小，刚体模态又可能呈现为平移或转动，但统称这类结构为摇摆结构。进一步，可在结构弱化部位附设耗能元件，实践隔振与耗能减振联合应用，同时有利于减小弱化部位地震变形；或在结构弱化部位施加无粘结后张拉预应力，进一步可增强结构稳定性，且使结构在地震变形较大时具有一定自复位能力。
同传统结构比较，摇摆结构一般能较大幅度减少地震对结构的能量输入，具有自减振或自复位能力等；但摇摆结构的刚度弱化部位地震变形较大，且往往包含结构或非结构附件，或采用施加无粘结预应力等，需要更精心的设计、施工和维护。
发明内容
本发明的目的是提出一种摇晃式自减振结构，直接利用摇摆构件承载的部分上部结构重量，使其具备自减振功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种摇晃式自减振结构，该结构局部布有摇摆构件，该摇摆构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，和/或，该摇摆构件前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙；该摇摆构件支承于基础或楼层梁顶，使结构该楼层刚度弱化并形成可局部摇晃的体系，摇摆构件受周围结构推动时发生往复摇摆，并牵连其所支撑的各支撑柱或墙侧移和上下相对运动。
进一步的，所述摇摆构件呈V字形，其两上端部分别支撑上部的支撑柱或墙，且其两上端部之间连接有第一横梁。
进一步的，所述摇摆构件下端与基础或楼层梁刚接或铰接。
进一步的，所述摇摆构件顶部与其所在层的楼盖通过第二横梁连接。
进一步的，所述支撑柱或墙与周围各层楼盖之间分别通过第三横梁连接。
进一步的，所述支撑柱或墙与周围各层楼盖之间分别采用弹簧和/或阻尼器连接。
进一步的，所述支撑柱和/或墙之间在各层楼盖处分别连接有第四横梁。
进一步的，所述摇摆构件为V形柱或倒三角形墙或倒梯形墙。
本发明的有益效果是：
本发明采用在结构基础或楼层梁上局部布有所述摇摆构件，使结构楼层刚度弱化并形成可局部摇晃的减振体系，以利于减少地震能量输入；受周围结构推动，摇摆构件摇摆牵连其上的各支撑柱或墙上下相对运动，相当于增大体系水平振动质量，且减小体系水平振动能量，均有利于减小体系水平位移。
此外，摇摆构件摇摆牵连其所支撑的各支撑柱或墙的上下相对运动与体系的水平运动相适应，与摇摆构件摇摆牵连其所支撑的各支撑柱或墙上下相对运动加速度对应的惯性力矩，将反作用于周围结构，可减小楼层刚度弱化的不利影响。
相比现有技术，本发明的一种摇晃式自减振结构，不需对结构构造作大的变动，摇摆构件仍作为结构承重构件，可不需再另附设耗能元件或施加无粘结预应力等，使结构达到自减小水平振动的目标。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种摇晃式自减振结构不局限于实施例。
附图说明
图1是实施例一本发明的结构模型示意图；
图2是实施例一本发明的结构模型侧移变形示意图；
图3是实施例二本发明的结构模型示意图；
图4是实施例三本发明的结构模型示意图；
图5是实施例四本发明的结构模型示意图；
图6是实施例五本发明的结构模型示意图。
具体实施方式
实施例一
请参见图1、图2所示，本发明的一种摇晃式自减振结构，结构底层局部布置有摇摆构件，该摇摆构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱21、墙22。摇摆构件左部、右部所支撑的构件(支撑柱或墙)并非同一个构件，本实施例中，即摇摆构件左部对支撑柱21进行支撑，摇摆构件右部对墙22进行支撑。该摇摆构件支承于基础31顶上，使结构该楼层(即摇摆构件所在的楼层)刚度弱化并形成可局部摇晃的体系。遭遇地震时，摇摆构件受周围结构推动发生往复摇摆，并牵连其左部和右部分别支撑的支撑柱21、墙22侧移和上下相对运动。
摇摆构件的左部、右部是指摇摆构件在自减振结构的横向上所在的两个部分，该两个部分以摇摆构件支承于基础31的位置为分界。
本实施例中，将体系中摇摆构件、摇摆构件左部和右部分别支撑的支撑柱或墙及它们所承重的结构部分，称为“局部摇晃柱”；而将“局部摇晃柱”周边与之连接的体系其它结构部分，称为“周围结构”。摇摆构件所支撑的构件为支撑柱21、墙22，相比于传统的落地剪力墙，墙22的性质较类似于支撑柱21，但一般墙和柱的截面抗弯和抗剪刚度差别较大，墙22对体系相关楼层水平变形的约束强于支撑柱21。
本实施例中，摇摆构件呈V字形，具体该摇摆构件为V形柱1，其两上端部为左右关系，并分别支撑上部的支撑柱21、墙22。本实施例中，在结构底层局部用V形柱1替换传统结构中垂直落地的柱(或墙)，V形柱1下端支承于基础31顶，V形柱1绕其下端转动将牵连其两上端部上的支撑柱21、墙22侧移和上下相对运动。
本实施例中，V形柱1的两个上端部与其支撑柱21、墙22之间连接的力学模型为铰接。
本实施例中，所述V形柱1的两个上端部之间有第一横梁41连接。V形柱1两个上端部用第一横梁41连接近似组成一个三角形，以减少V形柱1的两个分叉柱的弯曲变形。本实施例中，第一横梁41与V形柱上端部刚接，V形柱1的两上端部与周围底层楼盖有第二横梁51刚接，支撑柱21、墙22与周围各层楼盖之间分别有第三横梁52刚接，支撑柱21、墙22之间在各层楼盖处分别铰接有第四横梁42。所述第一横梁41、第二横梁51、第三横梁52、第四横梁42的顶标高分别与各层楼盖的顶标高相同。
本实施例中，所述V形柱1下端与基础31顶连接的力学模型为铰接，使V形柱1相对于基础31只可能绕其下端部铰转动。此时，V形柱1将牵连其两上端部上的支撑柱21、墙22等侧移和上下相对运动。
本发明的一种摇晃式自减振结构，其自减振的工作机理如下：
⑴所述一种摇晃式自减振结构，局部布有V形柱1，且解除V形柱1的转动约束，弱化了结构楼层刚度并形成局部摇晃柱体系，且体系低阶自振频率较大幅度变小，以利于避开场地特征频率减少对体系的地震能量输入，从而减小体系水平振动位移幅值。
⑵所述一种摇晃式自减振结构，受周围结构水平推动，V形柱1摇摆牵连其两上端部上的支撑柱21、墙22等的上下相对运动，与布有层楼盖的水平运动同步，相当于增加了体系水平振动质量，体系低阶自振频率较大幅度变小，以利于减少对体系的地震能量输入，从而减小体系水平振动位移幅值。
⑶所述一种摇晃式自减振结构，受周围结构水平推动，V形柱1摇摆牵连其两上端部上的支撑柱21、墙22等上下相对运动，体系一部分水平振动动能转化为V形柱1两上端部上的支撑柱(或墙)21、22等垂直振动动能，同时增加体系内部阻尼耗散，从而进一步减小体系水平振动位移幅值。
⑷所述一种摇晃式自减振结构，受周围结构水平推动，V形柱1摇摆牵连其两上端部上的支撑柱21、墙22等上下相对运动加速度对应的惯性力矩，将反作用于周围结构，阻碍V形柱布有层的水平侧移，从而减小体系楼层刚度弱化的不利影响。
本发明的一种自减振式摇晃结构，所述V形柱本身为体系的承重构件，直接利用其承载的部分上部结构重量减振，可以不需再另附设耗能元件或施加无粘结预应力等。但本发明不排斥以此为基础，进一步采取附设耗能元件或施加无粘结预应力等技术措施。
实施例二
请参见图3所示，本发明的一种摇晃式自减振结构，其与实施例一的主要区别在于：V形柱1下端部与基础31顶刚接，V形柱1两上端部所支撑的构件分别为支撑柱21、23，并与支撑柱21、23的连接为刚接，支撑柱21、23与之间的各第四横梁42的连接为刚接。
体系遭遇地震时，由于V形柱1绕其下端部转动，并牵连其两上端部上的支撑柱21、23等侧移和上下相对运动，V形柱下端部、V形柱两上端部与支撑柱21、23连接结点，以及支撑柱21、23与第四横梁42连接结点处的梁截面，它们的转角变形相对周围结构其它梁柱结点的转角变形一般大很多，将率先形成塑性铰，形成类似实施例一的局部摇晃柱结构。所形成塑性铰在V形柱1转动，及牵连其两上端部支撑柱21、23上下相对运动过程中，将产生滞回变形耗能，提升体系弹塑性振动阶段的减振效果。
实施例三
请参见图4所示，本发明的一种摇晃式自减振结构，其与实施例二的主要区别在于：V形柱1下端部支承于较高楼层的梁32顶，V形柱1下端部与楼层梁32顶连接的力学模型为铰接，V形柱1两上端部与支撑柱21、23连接的力学模型为铰接。
摇摆构件的左部、右部是指摇摆构件在自减振结构的横向上所在的两个部分，该两个部分以摇摆构件支承于楼层梁32的位置为分界。
实施例四
请参见图5所示，本发明的一种摇晃式自减振结构，其与实施例三的主要区别在于：V形柱1下端部与楼层梁32顶刚接，V形柱两上端部与其支撑柱21、23刚接。
本实施例与实施例三的区别还在于：支撑柱21、23与周围各层楼盖之间均用弹簧61和阻尼器62连接。
实施例五
请参见图6所示，本发明的一种摇晃式自减振结构，其与实施例一的主要区别在于：所述摇摆构件为倒三角形墙7，其两上端部与支撑柱21、22的连接为刚接。
实施例六
其与上述各实施例的区别在于：所述摇摆构件为倒梯形墙。
实施例七
其与上述各实施例的区别在于：所述摇摆构件仅前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙，且摇摆构件前部、后部所支撑的构件(支撑柱或墙)并非同一个构件。摇摆构件的前部、后部是指摇摆构件在自减振结构的纵向上所在的两个部分，该两个部分以摇摆构件支承于基础或楼层梁的位置为分界。
实施例八
其与上述各实施例的区别在于：所述摇摆构件不仅左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，所述摇摆构件的前部和后部也分别支撑上部的支撑柱或墙，且摇摆构件左部、右部、前部、后部以及该四者中的任意两个、任意三个所支撑的构件(支撑柱或墙)并非同一个构件。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种摇晃式自减振结构，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种摇晃式自减振结构，其特征在于：该结构局部布有摇摆构件，该摇摆构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，和/或，该摇摆构件前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙；该摇摆构件支承于基础或楼层梁，使结构楼层刚度弱化并形成可局部摇晃的体系，摇摆构件受周围结构推动时发生往复摇摆，并牵连其所支撑的各支撑柱或墙侧移和上下相对运动；所述摇摆构件呈V字形，其两上端部分别与支撑柱或墙之间连接的力学模型为铰接。
2.根据权利要求1所述的一种摇晃式自减振结构，其特征在于：所述两上端部之间连接有第一横梁。
3.根据权利要求1所述的一种摇晃式自减振结构，其特征在于：所述摇摆构件下端与基础或楼层梁刚接或铰接。
4.根据权利要求1所述的一种摇晃式自减振结构，其特征在于：所述摇摆构件的顶部与其所在层的楼盖通过第二横梁连接。
5.根据权利要求1所述的一种摇晃式自减振结构，其特征在于：所述支撑柱或墙与周围各层楼盖之间分别通过第三横梁连接。
6.根据权利要求1所述的一种摇晃式自减振结构，其特征在于：所述支撑柱或墙与周围各层楼盖之间分别采用弹簧和/或阻尼器连接。
7.根据权利要求1所述的一种摇晃式自减振结构，其特征在于：所述支撑柱和/或墙之间在各层楼盖处分别连接有第四横梁。
8.根据权利要求1所述的一种摇晃式自减振结构，其特征在于：所述摇摆构件为V形柱或倒三角形墙或倒梯形墙。
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