CN107503471B - 一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱 - Google Patents

Abstract

本发明是一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱，属于超高层建筑施工技术，其特征是：该一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱包括外筒、外筒端板、阻尼层、内筒、内筒端板和缠绕层，该外筒、外筒均为圆管形，内筒插装在外筒中，在外筒的左端设置外筒端板，在内筒的右端设置内筒端板，在外筒的与内筒之间设置粘弹性的阻尼层，将外筒组件、阻尼层和内筒组件经过通用的硫化工艺组成一体，具有较强的弯曲扭转耦合效应，内、外筒会绕轴线产生相反的扭转变形，因此内外筒之间的粘弹材料阻尼层受到剪切力作用，提高了结构阻尼，增强了超高层建筑的抗风能力。

Description

一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱

技术领域

本发明属于超高层建筑施工技术，尤其是涉及一种用于超高层建筑的减振支柱。

背景技术

超高层建筑(建筑高度超过100m时为超高层建筑)较一般建筑而言，不仅受到地震等地质灾害的威胁，同时受到风载荷的持续影响，近年来随着消能减震技术的不断进步，建筑用减振阻尼器在减震、抗风方面的作用明显，已经获得了建筑工程界的广泛认可，典型超高层建筑结构形式(框架-核心筒结构体系)含有大量的钢结构框架，利用具有高结构阻尼的先进复合材料结构替代一部分钢结构，可以减轻结构重量，提高结构的阻尼特性，对于减震、抗风有比较好的效果，同时很好地缓解了阻尼器布置与建筑要求的冲突问题，易被接受。

结构振动控制理论的核心目标是利用附加系统吸收主体结构的振动能量，从而增加整个系统的阻尼，使主体结构振动响应得到降低，利用阻尼器等振动控制技术可以显著提高超高层建筑结构的抗风、抗振性能，然而现有的阻尼器为增加振动过程中阻尼器两端的线位移，提高阻尼器的效能，多采用交叉支撑、斜支撑、人字形支撑等形式，破坏了建筑物内部空间结构的连续性，对布置使用空间带来了一定的影响，与建筑物的使用需求易产生冲突，因此开发具有垂直安装方式的减振支柱，具有重要的工程意义，陈永祁、高正、博阳所著的抗震阻尼器在墨西哥TorreMayor高层建筑中的应用，详见[J]钢结构，2011(1)第50-54页。

发明内容

本发明的目的是提出一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱，不仅重量轻，能垂直安装，绿色无污染，而且增加超高层建筑在风压作用下弯曲自由度的阻尼，增强超高层建筑的抗风能力，提高建筑的安全性、经济性和舒适性。

本发明的目的是这样来实现的：一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱(简称减振支柱)，其特征是：该一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱(说明：此“弯扭”为“弯曲扭转”的简写)包括外筒、外筒端板、阻尼层、内筒、内筒端板和缠绕层，所述的外筒为圆管形，此外筒的筒壁厚度按照设计确定，所述的外筒采用浸渍热固性树脂的编织长纤维经过层层铺叠或者缠绕成形，此编织长纤维可用碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维制成，在所述的外筒的左端设置圆盘形的外筒端板，在所述的外筒的左端与外筒端板之间设置缠绕层，即所述的外筒的左端与外筒端板之间通过纤维缠绕相结合，所述的外筒端板可用铝合金、不锈钢、钛合金、低碳钢制成，在所述的外筒端板上圆周均布地开设螺栓孔，所述的内筒为圆管形，所述的内筒的外直径小于外筒的内直径，此内筒的筒壁厚度按照设计而定，所述的内筒采用浸渍热固性树脂的编织长纤维经过层层铺叠或者缠绕成形，在所述的内筒的右端设置圆盘形的内筒端板，在所述的内筒的右端与内筒端板之间设置缠绕层，即所述的内筒的右端与内筒端板之间通过纤维缠绕相结合，所述的内筒端板可用铝合金、不锈钢、钛合金、低碳钢制成，在所述的内筒端板上圆周均布地开设螺栓孔，将所述的内筒自右至左地插装在外筒中，在所述的外筒的内壁面与内筒的外壁面之间设置粘弹性的阻尼层，此阻尼层可用橡胶或环氧树脂制成；

使用时，将本粘弹减振支柱通过螺栓与另行设置的钢结构进行连接，当超高层建筑在风的作用下发生弯扭变形时，本减振支柱随之发生弯扭变形，由于减振支柱的内外筒采用复合材料结构，铺层结构采用特殊设计，具有较强的弯曲扭转耦合效应，内外筒会绕轴线产生相反的扭转变形，因此内外筒之间的粘弹材料层受到剪切力作用，在剪切运动作用下消耗大量的能量，从而达到提高结构阻尼，增强了超高层建筑的抗风能力的作用。

一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱的制作方法，其制作步骤是：

一)、设计：

首先，设计本粘弹减振支柱的各参数：根据超高层建筑的最大允许挠度、振动基本周期、质量、转动惯量和刚度等确定本粘弹减振支柱的总体动力学特性(强度、刚度、阻尼比等)；根据建筑结构的设计预估粘弹减振支柱的结构参数(内、外筒的直径、长度)，进而计算粘弹减振支柱在最大允许挠度下的弯曲变形量，通过计算结果和设计的阻尼层材料的特性确定粘弹减振支柱的弯扭耦合系数；根据此弯扭耦合系数，设计内筒和外筒的铺层参数(层数、材料、扭转角、铺层顺序)，将结构阻尼作为目标函数迭代计算上述铺层参数和减振支柱的结构参数，直到满足设计要求为止；

二)、具体制作：

1)、首先按照设计，使用浸渍热固性树脂的编织长纤维经过层层铺叠或者缠绕成外筒、内筒的预成形胚体，2)、接着将外筒与外筒端板通过纤维缠绕相结合，将内筒与内筒端板通过纤维缠绕相结合，3)、然后通过通用的热压罐除气工艺固化后完成外筒组件(即外筒与外筒端板)和内筒组件(即内筒与内筒端板)的制作，4)、在外筒与内筒之间的空隙中设置粘弹性阻尼层，5)、将外筒组件、粘弹性阻尼层和内筒组件经过通用的硫化工艺组成一体，完成本减振支柱的制作。

本方法中采用铺叠或者缠绕浸渍热固性树脂的编织长纤维的方案，是通过复合材料的优化设计使外筒和内筒具有合适弯曲扭转耦合特性(当发生弯曲变形时会产生相应的扭转变形)。

本发明的有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱的减振原理如下：将超高层建筑中的一部分钢结构支柱替换成本粘弹减振支柱，当超高层建筑在风的作用下发生弯曲变形时，本减振支柱随之发生弯曲变形，由于减振支柱的内、外筒采用复合材料结构和特殊的铺层结构，具有较强的弯曲扭转耦合效应，内、外筒会绕轴线产生相反的扭转变形，因此内、外筒之间的粘弹性阻尼层受到剪切力作用，在剪切运动作用下消耗大量的能量，从而达到提高结构阻尼，增强超高层建筑的抗风能力的作用。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)、本发明中的减振支柱主要由浸渍热固性树脂的编织长纤维复合材料构成，相比较钢结构具有重量轻、比强度高等优点，可以显著降低建筑物自身的重量。

2)、本发明利用弯扭耦合效应，可以将结构的弯曲变形转化为减振支柱的扭转变形，进而变为粘弹材料的剪切变形。

3)、本发明中的减振支柱可以垂直安装，提高了超高层建筑内部空间的使用效率和灵活性。

本发明所提出的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱，不仅重量轻、垂直安装、绿色无污染，而且增加超高层建筑在风压作用下弯曲自由度的阻尼，增强了超高层建筑的抗风能力，提高了建筑的安全性、经济性和舒适性。

下面结合附图和实施例对本发明所提出的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱作进一步说明：

附图说明

图1是本发明所提出的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱的主剖面示意图。

图2是本发明所提出的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱的横截面示意图。

图3是本发明所提出的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱的弯扭耦合示意图。

图4是本发明所提出的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱的工作原理图。

图1、图2、图3、图4中：

1、外筒 2、阻尼层 3、内筒 4、外筒端板 5、内筒端板

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4中所示：一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱(简称减振支柱)，其特征是：该一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱包括外筒1、外筒端板4、阻尼层2、内筒3、内筒端板5和缠绕层，所述的外筒1为圆管形，此外筒1的筒壁厚度按照设计确定，所述的外筒1采用浸渍热固性树脂的编织长纤维经过层层铺叠或者缠绕成形，此编织长纤维可用碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维制成，在所述的外筒1的左端设置圆盘形的外筒端板4，在所述的外筒1的左端与外筒端板4之间设置缠绕层，即所述的外筒1的左端与外筒端板4之间通过纤维缠绕相结合，所述的外筒端板4可用铝合金、不锈钢、钛合金、低碳钢制成，在所述的外筒端板4上圆周均布地开设螺栓孔，所述的内筒3为圆管形，所述的内筒3的外直径小于外筒1的内直径，此内筒3的筒壁厚度按照设计而定，所述的内筒3采用浸渍热固性树脂的编织长纤维经过层层铺叠或者缠绕成形，在所述的内筒3的右端设置圆盘形的内筒端板5，在所述的内筒3的右端与内筒端板5之间设置缠绕层，即所述的内筒3的右端与内筒端板5之间通过纤维缠绕相结合，所述的内筒端板5可用铝合金、不锈钢、钛合金、低碳钢制成，在所述的内筒端板5上圆周均布地开设螺栓孔，将所述的内筒3自右至左地插装在外筒1中，在所述的外筒1的内壁面与内筒3的外壁面之间设置粘弹性的阻尼层2，此阻尼层2可用橡胶或环氧树脂制成。

使用时，将本粘弹减振支柱通过螺栓与另行设置的钢结构进行连接，当超高层建筑在风的作用下发生弯曲变形时，本减振支柱随之发生弯曲变形，由于减振支柱的内、外筒采用复合材料结构，铺层结构采用特殊设计，具有较强的弯曲扭转耦合效应，内、外筒会绕轴线产生相反的扭转变形，如图4所示外筒的扭转角为θ₁，内筒的扭转角为θ₂，方向相反，因此内外筒之间的粘弹材料层受到剪切力作用，在剪切运动作用下消耗大量的能量，从而达到提高结构阻尼，增强超高层建筑的抗风能力的作用。

Claims (5)

1.一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱，其特征是：该一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱包括外筒(1)、外筒端板(4)、阻尼层(2)、内筒(3)、内筒端板(5)和缠绕层，所述的外筒(1)为圆管形，所述的外筒(1)采用浸渍热固性树脂的编织长纤维经过层层铺叠或者缠绕成形，在所述的外筒(1)的左端设置圆盘形的外筒端板(4)，在所述的外筒(1)的左端与外筒端板(4)之间设置缠绕层，即所述的外筒(1)的左端与外筒端板(4)之间通过纤维缠绕相结合，在所述的外筒端板(4)上圆周均布地开设螺栓孔，所述的内筒(3)为圆管形，所述的内筒(3)的外直径小于外筒(1)的内直径，所述的内筒(3)采用浸渍热固性树脂的编织长纤维经过层层铺叠或者缠绕成形，在所述的内筒(3)的右端设置圆盘形的内筒端板(5)，在所述的内筒(3)的右端与内筒端板(5)之间设置缠绕层，即所述的内筒(3)的右端与内筒端板(5)之间通过纤维缠绕相结合，在所述的内筒端板(5)上圆周均布地开设螺栓孔，将所述的内筒(3)自右至左地插装在外筒(1)中，在所述的外筒(1)的内壁面与内筒(3)的外壁面之间设置粘弹性的阻尼层(2)。

2.根据权利要求1所述的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱，其特征在于此编织长纤维用碳纤维或芳纶纤维或玻璃纤维制成。

3.根据权利要求1所述的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱，其特征在于所述的外筒端板(4)用铝合金或不锈钢或钛合金或低碳钢制成。

4.根据权利要求1所述的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱，其特征在于所述的内筒端板(5)用铝合金或不锈钢或钛合金或低碳钢制成。

5.根据权利要求1所述的一种有弯扭耦合效应的粘弹减振支柱，其特征在于此阻尼层(2)用橡胶或环氧树脂制成。