CN107386480B - 一种局部摇晃柱自减振结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种局部摇晃柱自减振结构，该结构局部布有摇晃构件，该摇晃构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，和/或，该摇晃构件前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙；该摇晃构件铰接有活动块，该活动块搁置于基础或楼层梁顶上，且约束活动块与基础或楼层梁顶相对滑移，使结构该楼层刚度弱化并形成可局部摇晃的结构体系；所述活动块受周围结构推动时发生滚动，并牵连摇晃构件及其所支撑的各支撑柱或墙水平侧移、抬起、落下和上下相对运动等。本发明可使结构具备自减振功能，并提升结构弹性和弹塑性振动时的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及结构工程抗震技术领域，特别是涉及一种局部摇晃柱自减振结构。
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，一是提高结构自身抵抗地震的能力途径，如发展高性能材料、构件和结构体系等；二是振动控制减小结构地震激励响应途径，如设置消能阻尼器耗能减振，及基础隔振等。耗能减振和隔振等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和技术措施。
现有技术出现一种针对性放松结构内外约束弱化某些特定部位，以达到结构振动控制的效果。例如天然橡胶支座隔振基础、框架-摇摆核心筒等，此时结构或内部常呈现接近刚体模态的变形，低阶阶自振周期较大幅度变大，通常这类结构称为摇摆结构。进一步地，可在弱化部位附设耗能元件，实践隔振与耗能减振联合应用，同时减小弱化部位地震变形；或在构件连接部位用施加无粘结后张拉预应力替代刚性连接，既放松约束又在结构变形过程中产生滞回耗能，同时增强结构稳定性和使结构具有一定的自复位能力。
相比于传统结构，摇摆结构较大幅度减少地震对结构的能量输入，具有自减振和自复位能力等；另一方面，摇摆结构刚度弱化部位的地震变形较大，往往包含结构或非结构附件，如橡胶支座隔振基础、耗能元件或施加无粘结预应力等，要更精心设计、施工和维护。
发明内容
本发明的目的是提出一种局部摇晃柱自减振结构，使体系具备自减振功能、自抑制刚度弱化部位地震变形及增强结构稳定性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种局部摇晃柱自减振结构，该结构局部布有摇晃构件，该摇晃构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，和/或，该摇晃构件前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙；该摇晃构件铰接有活动块，该活动块搁置于基础或楼层梁顶上，且约束活动块与基础或楼层梁顶相对滑移，使结构该楼层刚度弱化并形成可局部摇晃的结构体系；所述活动块受周围结构推动时发生滚动，并牵连摇晃构件及其所支撑的各支撑柱或墙水平侧移、抬起、落下和上下相对运动等。
进一步的，所述摇晃构件呈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；所述摇晃构件下端铰接有所述活动块。
进一步的，所述摇晃构件顶部与其与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，所述活动块底面为柱面或凸曲面。
进一步的，所述活动块底面与基础或楼层梁顶的接触面为相互啮合的齿状面。
进一步的，所述摇晃构件为V形柱或倒三角形墙或倒梯形墙。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明在结构基础或楼层梁上局部布置所述摇晃构件，且摇晃构件铰接活动块，使结构该楼层刚度弱化并形成可局部摇晃的结构体系，以利于减小地震能量输入；活动块受周围结构水平推动发生纯滚动，并牵连摇晃构件及其所支撑的支撑柱或墙等水平侧移、抬起、落下和分别上下相对运动等，且与体系的水平振动相适应，相当于增大体系水平振动质量，使体系水平振动的低阶频率变小，部分水平振动能量转化为垂直振动能量，均有利于进一步减小体系水平振动位移。
特别地，体系水平位移增大，活动块纯滚动与基础或楼层顶接触处的偏移也增大，摇晃构件承载重力对该接触处的力矩也增大；活动块、摇晃构件及其上的支撑柱或墙等抬起和上下相对运动的加速度越大，与之对应的惯性力矩也越大，这两种力矩均反作用于周围结构，可减小楼层刚度弱化的不利影响并增强结构稳定性。
相比现有技术，本发明可不需另附设其它耗能附件或施加无粘结预应力，使结构自抑制楼层刚度弱化的不利影响，并增强结构稳定性。本发明所述的活动块及摇晃构件可局部布置在结构任意层。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种局部摇晃柱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是实施例一本发明的活动块与基础或楼层梁顶的结构配合示意图；
图4是实施例一本发明的活动块纯滚动及牵连V形柱平面运动示意图；
图5是实施例二本发明的结构模型示意图；
图6是实施例三本发明的结构模型示意图；
图7是实施例四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4所示，本发明的一种局部摇晃柱自减振结构，结构底层局部布有摇晃构件，该摇晃构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱41、墙42。摇晃构件左部、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，即摇晃构件左部对支撑柱41进行支撑，摇晃构件右部对墙42进行支撑。该摇晃构件下端铰接有活动块2，该活动块2搁置于基础31上，且约束活动块2与基础31相对滑移，使结构该楼层(即摇晃构件和活动块2所在的楼层)刚度弱化并形成可局部摇晃的结构体系。遭遇地震时，所述活动块2受周围结构推动向左或向右发生滚动，并牵连摇晃构件及其左部和右部所支撑的支撑柱41、墙42水平侧移、抬起、落下和上下相对运动等。摇晃构件的左部、右部是指摇晃构件在自减振结构的横向上所在的两个部分，该两个部分以摇晃构件与活动块2的铰接部位为分界。
本实施例中，将体系中摇晃构件、活动块2、摇晃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”。摇晃构件所支撑的构件为支撑柱41、墙42，相比于传统的落地剪力墙，墙42的性质较类似于支撑柱41，但一般墙和柱的截面抗弯和抗剪刚度差别较大，墙42对体系相关楼层水平变形的约束强于支撑柱41。
本实施例中，所述摇晃构件呈V字形，其两上端部为左右关系，并分别支撑所述支撑柱41、墙42。具体该摇晃构件为V形柱1。所述活动块2底面为柱面，此外，也可以是凸曲面，例如球冠面等。所述活动块2的顶面为平面，其底面的左右两端与顶面两端一一对接。
本实施例中，传统结构中应垂直落地的柱(或墙)在底层局部被下端铰接活动块2的V形柱1替换，使得活动块2、V形柱1及其两上端部上的支撑柱41、墙42等，与周围结构一起组成局部摇晃柱结构体系。
本实施例中，V形柱1下端与活动块2的铰接点位于活动块2的曲率中心与底面之间；V形柱1的两上端部与支撑柱41、墙42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51连接。V形柱1两上端部用第一横梁51近似组成一个三角形，可减少V形柱1的弯曲变形。
本实施例中，第一横梁51与V形柱1两上端部刚接，V形柱1两上端部分别与周围底层楼盖采用第二横梁61刚接；支撑柱41和墙42分别与周围各层楼盖采用第三横梁62刚接；支撑柱41和墙42之间在各层楼盖标高处分别连接有第四横梁52，且连接的力学模型均为铰接。
本实施例中，V形柱1及其下端铰接的活动块2布置在体系的主振动方向，基础31顶面为水平面。
本实施例中，如图3所示，所述活动块2底面与基础31顶的接触面为相互啮合的齿状面，但不局限于此。活动块2齿状底的外轮廓面为前述圆柱面，基础31顶齿状底的外轮廓面为前述水平面。活动块2底面与基础31顶相互啮合，限制了活动块2与基础31的接触滑移，使活动块2只能在基础31顶上纯滚动。
体系水平振动时，活动块2在基础31顶纯滚动牵连V形柱1随其下端铰接点水平、垂直平移，以及绕其下端铰接点转动；V形柱1又进一步牵连其两上端部上的支撑柱41、墙42等水平平移(侧移)、垂直平移(抬起、落下)，以及上下相对运动。
如图4所示，若已知：V形柱1高为h1，V形柱1下端与活动块2铰接点离基础31顶的高为h2，活动块2圆柱面的半径为R，V形柱两上端部的水平位移为Δ，V形柱1平面运动的转角为β；并且令：活动块2纯滚动的转角为α，活动块2底面与基础31顶的接触位置偏移量为δs，V形柱1下端与活动块2铰接点的水平位移为δx，垂直位移为δy，
则，考虑到R远大于Δ，有：Δ≈δx+βh1；δx≈δs-α(R-h2)＝αh2；Δ≈αh2+βh1；δs≈αR；α≈(Δ-βh1)/h2；δy＝(R-h2)(1-cosα)≈(R-h2)α2/2
对相同的V形柱两上端部的水平位移Δ值，若：h2/R或h2/h1值小，则：α值相应大，δs值相应大，δx值相应小，δy值相应大；若：V形柱1平面运动的转角β值小，则：α值相应小，δs值相应小，δx值相应大，δy值相应小。
V形柱1平面运动的转角β值，除了与h2/h1及R的大小有关，主要由体系水平振动时所建立的动力平衡方程或运动微分方程求解，即：主要与周围结构的第二横梁61和第三横梁62、或弹簧71和阻尼器72(如图6所示)等作用于V形柱1两上端部的水平推力和垂直约束力，以及V形柱1两上端部支撑的上部结构的质量大小有关。
本发明的一种局部摇晃柱自减振结构，以实施例一说明其自减振、自抑制刚度弱化部位地震变形及增强结构稳定性的工作机理如下：
⑴所述一种局部摇晃柱自减振结构，底层布有下端带铰接的曲面底活动块2的V形柱1，形成一种局部摇晃柱减振体系，且解除V形柱1下柱端转动约束和向上运动约束，部分解除V形柱1下端水平运动约束，弱化了体系底层刚度；受周围结构推动，活动块2纯滚动牵连V形柱1及其两上端部上的支撑柱41和墙42等抬起、落下和上下相当运动，与体系水平振动相适应，相当于增加了体系水平振动质量，使体系低阶自振频率较大幅度变小，从而远离场地特征频率，均有利于减少对体系的地震能量输入，以减小体系水平振动位移幅值。
⑵所述一种局部摇晃柱自减振结构，受周围结构推动，活动块2牵连V形柱1等向一侧摇晃，活动块2与基础31顶接触(支撑)位置随其转动角增大而不断偏移，V形柱1及其两上端部上的支撑柱41和墙42等随之被逐渐抬起，V形柱1两上端部上的支撑柱41和墙42承载的重力做负功，一部分体系水平振动动能转化重力势能，从而进一步减小体系水平振动位移幅值。
⑶所述一种局部摇晃柱自减振结构，受周围结构推动，活动块2牵连V形柱1等向一侧摇晃，V形柱1转动牵连其两上端部上的支撑柱41和墙42等上下相对运动，一部分体系水平振动动能转化为垂直振动动能，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所述一种局部摇晃柱自减振结构，受周围结构推动，活动块2牵连V形柱1等向一侧摇晃，活动块2曲面底与基础3顶接触(支撑)位置随其转角增大而不断偏移，V形柱1两上端部支撑柱(或墙)41和42承载的重力对该接触位置的矩也逐渐增大，该力矩反作用于周围结构，将阻碍底层楼盖的水平侧移，从而减小体系底层刚度弱化的不利影响。
⑸所述一种局部摇晃柱自减振结构，受周围结构推动，活动块2牵连V形柱1等向一侧摇晃，V形柱1转动牵连其两上端部上的支撑柱41和墙42等上下相对运动，与此相对运动加速度对应的惯性力矩，将反作用于底层楼盖等，也将阻碍底层楼盖的水平侧移，从而减小体系底层刚度弱化的不利影响。
⑹如前⑵、⑶、(4)和⑸所述，活动块2、V形柱1及其两上端部上的支撑柱41和墙42等，其力学模型相当于体系内置的一个“不倒翁”，除了起前述减小体系水平位移、控制体系水平振动的作用，也将有效提升体系在弹性和弹塑性振动时的稳定性。
本发明的一种局部摇晃柱自减振结构，所述活动块、V形柱等本身为体系的承载构件，可无需另附设其它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5所示，本发明的一种局部摇晃柱自减振结构，其与实施例一的主要区别在于：V形柱1的两上端部支撑的上部构件均为支撑柱41、43，且V形柱1两上端部与其支撑柱41、43的连接均为刚接；支撑柱41、43分别与周围各层楼盖之间铰接有第三横梁62，支撑柱41、43在各层楼盖标高处分别连接有第四横梁52，且连接的力学模型均为刚接。
实施例三
请参见图6所示，本发明的一种局部摇晃柱自减振结构，其与实施例二的主要区别在于：活动块2及V形柱1不布置结构底层，而是布置在结构较高楼层，搁置支撑于楼层梁32顶上。
本实施例与实施例二的区别还在于：支撑柱41、43与周围各层楼盖之间均用弹簧71和阻尼器72连接。
实施例四
请参见图7所示，本发明的一种局部摇晃柱自减振结构，其与实施例二的主要区别在于：V形柱1及第一横梁51被一片倒三角形墙8代替。相应地，倒三角形墙7下端与活动块2铰接，倒三角形墙7的两上端部支撑的上部构件均为柱构件，即支撑柱41、43。
实施例五
其与上述各实施例的区别在于：所述摇晃构件为倒梯形墙。
实施例六
其与上述各实施例的区别在于：所述摇晃构件仅前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙，且摇晃构件前部、后部所支撑的构件(支撑柱或墙)并非同一个构件。摇晃构件的前部、后部是指摇晃构件在自减振结构的纵向上所在的两个部分，该两个部分以摇晃构件与活动块的铰接部位为分界。
实施例七
其与上述各实施例的区别在于：所述摇晃构件不仅左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，所述摇晃构件的前部和后部也分别支撑上部的支撑柱或墙，且摇晃构件左部、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局部摇晃柱自减振结构，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的摇晃构件、活动块等的构造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 (9)
1.一种局部摇晃柱自减振结构，其特征在于：该结构局部布有摇晃构件，该摇晃构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，和/或，该摇晃构件前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙；该摇晃构件铰接有活动块，该活动块搁置于基础或楼层梁顶上，且约束活动块与基础或楼层梁顶相对滑移，使结构楼层刚度弱化并形成可局部摇晃的结构体系；所述活动块受周围结构推动时发生滚动，并牵连摇晃构件及其所支撑的各支撑柱或墙水平侧移、抬起、落下和上下相对运动；所述摇晃构件呈V字形。
2.根据权利要求1所述的一种局部摇晃柱自减振结构，其特征在于：所述摇晃构件的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；所述摇晃构件下端铰接有所述活动块。
3.根据权利要求1所述的一种局部摇晃柱自减振结构，其特征在于：所述摇晃构件顶部与其所在层的楼盖通过第二横梁连接。
4.根据权利要求1所述的一种局部摇晃柱自减振结构，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。
5.根据权利要求1所述的一种局部摇晃柱自减振结构，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。
6.根据权利要求1所述的一种局部摇晃柱自减振结构，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。
7.根据权利要求1所述的一种局部摇晃柱自减振结构，其特征在于：所述活动块底面为柱面或凸曲面。
8.根据权利要求1或7所述的一种局部摇晃柱自减振结构，其特征在于：所述活动块底面与基础或楼层梁顶的接触面为相互啮合的齿状面。
9.根据权利要求1所述的一种局部摇晃柱自减振结构，其特征在于：所述摇晃构件为V形柱或倒三角形墙或倒梯形墙。
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