CN107816142A - 变刚度放大阻尼耗能支撑体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变刚度放大阻尼耗能支撑体系，包括：建筑主体；第一放大阻尼斜支撑，第一放大阻尼斜支撑包括第一上支撑杆和第一下支撑杆；第二放大阻尼斜支撑，第二放大阻尼斜支撑包括第二上支撑杆和第二下支撑杆；阻尼器，阻尼器具有剪切耗能和轴向刚度，阻尼器的一端与第一上支撑杆和第一下支撑杆刚性连接，阻尼器的另一端与第二上支撑杆和第二下支撑杆刚性连接，随着建筑主体的变形逐渐增大，阻尼器的轴向与第一上支撑杆、第一下支撑杆、第二上支撑杆和第二下支撑杆中的至少一个的轴向逐渐重合。根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系能够在大变形作用下同时满足刚度的放大和阻尼耗能能力的增强，从而提高安全性。
Description
技术领域
本发明涉及建筑领域，具体而言，涉及一种变刚度放大阻尼耗能支撑体系。
背景技术
随着《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)的实施，标志着我国对抗震设计的要求越来越高，对建筑结构的安全越来越重视。为了满足规范的要求，不得不加大结构构件的尺寸，增加材料的强度，甚至很多建筑结构按照常规设计已难以满足，鉴于此，减隔震技术被越来越广泛地应用到建筑结构设计当中。
减隔震技术主要采用隔震支座、阻尼器和屈曲约束支撑等。隔震支座通过增加结构周期，降低地震输入，同时增加结构阻尼，增加阻尼耗能，降低结构的损伤。阻尼器通过加大结构阻尼，增加阻尼耗能，降低结构损伤。屈曲约束支撑通过支撑屈曲耗能，降低结构损伤。
减隔震技术发挥效应的基础是结构本身产生较大变形，一般设置在结构变形较大的位置处或在减隔震位置处采取适当措施对变形进行放大，但相关技术中的减隔震技术无法在大变形作用下同时满足刚度的放大和阻尼耗能能力的增强，仍然存在安全隐患。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一。为此，本发明提出一种变刚度放大阻尼耗能支撑体系，该变刚度放大阻尼耗能支撑体系能够在大变形作用下同时满足刚度的放大和阻尼耗能能力的增强，从而提高安全性。
为实现上述目的，根据本发明的实施例提出一种变刚度放大阻尼耗能支撑体系，所述变刚度放大阻尼耗能支撑体系包括：建筑主体，所述建筑主体具有在水平方向上相对的第一侧壁和第二侧壁；第一放大阻尼斜支撑，所述第一放大阻尼斜支撑包括第一上支撑杆和第一下支撑杆，所述第一上支撑杆、所述第一下支撑杆和所述第一侧壁呈三角形连接；第二放大阻尼斜支撑，所述第二放大阻尼斜支撑包括第二上支撑杆和第二下支撑杆，所述第二上支撑杆、所述第二下支撑杆和所述第二侧壁呈三角形连接；阻尼器，所述阻尼器具有剪切耗能和轴向刚度，所述阻尼器的一端与所述第一上支撑杆和所述第一下支撑杆刚性连接，所述阻尼器的另一端与所述第二上支撑杆和所述第二下支撑杆刚性连接，其中，所述建筑主体未变形时，所述阻尼器的轴向与所述第一上支撑杆、所述第一下支撑杆、所述第二上支撑杆和所述第二下支撑杆中的每一个的轴向均具有大于0°的预定夹角；随着所述建筑主体的变形逐渐增大，所述阻尼器的轴向与所述第一上支撑杆、所述第一下支撑杆、所述第二上支撑杆和所述第二下支撑杆中的至少一个的轴向逐渐重合。
根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系能够在大变形作用下同时满足刚度的放大和阻尼耗能能力的增强，从而提高安全性。
另外，根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述建筑主体未变形时，所述阻尼器的轴向沿水平方向定向。
根据本发明的一个实施例，所述建筑主体未变形时，所述第一放大阻尼斜支撑和所述第二放大阻尼斜支撑关于所述阻尼器的横向中心轴线对称设置。
根据本发明的一个实施例，随着所述建筑主体的变形逐渐增大，所述阻尼器的轴向与所述第一上支撑杆的轴向和所述第二下支撑杆的轴向逐渐重合；或所述阻尼器的轴向与所述第二上支撑杆的轴向和所述第一下支撑杆的轴向逐渐重合。
根据本发明的一个实施例，所述阻尼器进一步具有轴向耗能。
根据本发明的一个实施例，所述第一放大阻尼斜支撑和所述第二放大阻尼斜支撑中的每一个的刚度均大于所述阻尼器的轴向刚度。
根据本发明的一个实施例，所述第一放大阻尼斜支撑的刚度与所述第二放大阻尼斜支撑的刚度相等。
根据本发明的一个实施例，所述第一上支撑杆的长度与所述第一下支撑杆的长度相等，所述第二上支撑杆的长度与所述第二下支撑杆的长度相等。
根据本发明的一个实施例，所述第一上支撑杆的长度、所述第一下支撑杆的长度、所述第二上支撑杆的长度与所述第二下支撑杆的长度相等。
根据本发明的一个实施例，所述建筑主体的竖向截面为矩形，所述第一上支撑杆、所述第一下支撑杆、所述第二上支撑杆和所述第二下支撑杆分别连接在所述建筑主体的竖向截面的四个拐角处。
附图说明
图1是建筑主体未变形时根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系的结构示意图。
图2是建筑主体变形时根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系的结构示意图。
图3是根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系在上部水平荷载作用下的荷载-位移关系曲线图。
图4是根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系的阻尼器的变形量与建筑主体的变形量的对应关系图。
附图标记：
变刚度放大阻尼耗能支撑体系1、
建筑主体10、第一侧壁11、第二侧壁12、
第一放大阻尼斜支撑20、第一上支撑杆21、第一下支撑杆22、
第二放大阻尼斜支撑30、第二上支撑杆31、第二下支撑杆32、
阻尼器40。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明基于本申请的发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
相关技术中的减隔震技术虽然能有效降低结构在大震下的损伤，但随着地震强度的增加，减隔震结构的刚度会逐渐降低，结构的水平变形会显著加大，在设计烈度大震作用下，减隔震构件尚能满足变形的要求，结构不会失稳倒塌，但在超烈度大震作用下，过大的变形将导致结构失稳倒塌，造成严重的安全隐患。
例如《放大位移型耗能器》(200710176740.0)中仅是通过放大结构变形增加结构阻尼耗能，无法随着变形增大而增加结构刚度。再例如《一种放大阻尼器耗能效果的装置》(2012101065667.0)和《一种放大阻尼器耗能效果的剪刀式变形放大装置》(201510679219.3)均是将放大装置与阻尼构件相连接，随着变形的增加，放大装置作为结构构件刚度逐渐加大，但结构变形放大效果逐渐降低，同时结构耗能能力逐渐下降，无法在大变形作用下同时满足刚度的放大和阻尼耗能能力的增强。
考虑到相关技术中的减隔震技术状况，本发明提出一种能够在大变形作用下同时满足刚度的放大和阻尼耗能能力的增强的变刚度放大阻尼耗能支撑体系1。
下面参考附图描述根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系1。
如图1-图4所示，根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系1包括建筑主体10、第一放大阻尼斜支撑20、第二放大阻尼斜支撑30和阻尼器40。其中，下述水平方向如附图中的箭头A所示，竖直方向(上下方向)如附图中的箭头B所示。
建筑主体10具有在水平方向上相对的第一侧壁11和第二侧壁12。第一放大阻尼斜支撑20包括第一上支撑杆21和第一下支撑杆22，第一上支撑杆21、第一下支撑杆22和第一侧壁11呈三角形连接。第二放大阻尼斜支撑30包括第二上支撑杆31和第二下支撑杆32，第二上支撑杆31、第二下支撑杆32和第二侧壁12呈三角形连接。阻尼器40具有剪切耗能和轴向刚度，阻尼器40的一端与第一上支撑杆21和第一下支撑杆22刚性连接，阻尼器40的另一端与第二上支撑杆31和第二下支撑杆32刚性连接。
其中，建筑主体10未变形时，阻尼器40的轴向与第一上支撑杆21、第一下支撑杆22、第二上支撑杆31和第二下支撑杆32中的每一个的轴向均具有大于0°的预定夹角(如图1所示)。在地震时，随着建筑主体10的变形逐渐增大，阻尼器40的轴向与第一上支撑杆21、第一下支撑杆22、第二上支撑杆31和第二下支撑杆32中的至少一个的轴向逐渐重合(如图2所示)。
根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系1，通过设置第一放大阻尼斜支撑20和第二放大阻尼斜支撑30，利用第一放大阻尼斜支撑20和第二放大阻尼斜支撑30将建筑主体10的变形在阻尼器40处进行放大，增加阻尼器40的耗能效果，降低建筑主体10的损伤。
并且，阻尼器40需具有剪切耗能和轴向刚度，即初期小变形时主要是提供剪切耗能，在结构发生大变形时，在提供剪切耗能的同时，可有效提高结构的刚度，有效限制结构在大震或者超大震下的变形，保证结构大震不倒，从而提高安全性。具体地，建筑主体10未变形时，阻尼器40的轴向与第一上支撑杆21、第一下支撑杆22、第二上支撑杆31和第二下支撑杆32中的每一个的轴向均具有大于0°的预定夹角，沿支撑方向阻尼器40仅提供一个小的刚度，基本不限制建筑主体10的变形。此时，在较小荷载作用下，建筑主体10的变形经过支撑(第一放大阻尼斜支撑20和第二放大阻尼斜支撑30)放大后就会在阻尼器40处产生较大变形，阻尼器40主要作用是提供阻尼耗能。随着建筑主体10变形的增大，阻尼器40跟随支撑变形(轴向旋转)，阻尼器40的轴向与第一上支撑杆21、第一下支撑杆22、第二上支撑杆31和第二下支撑杆32中的至少一个的轴向逐渐重合，整个变刚度放大阻尼耗能支撑体系1的刚度逐渐提高，阻尼器40的作用转为提供轴向刚度，有效防止变刚度放大阻尼耗能支撑体系1发生过大塑性变形而倒塌。
因此，根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系1，当地震较小或者风荷载作用时，该体系1仅提供一个较小的刚度，主要作用是将建筑主体10变形在阻尼器40处放大，使阻尼器40高效耗能，随着地震强度的提高，建筑主体10变形大幅增加，在继续阻尼器40高效耗能的同时，该体系1的刚度逐渐提高，可有效增加结构的抗侧刚度，防止结构在设计烈度大震或者超烈度大震时发生倒塌，有效保证结构安全，且将结构构件与阻尼器40有机的结合在一起，使各部分构件均发挥最大的效果，经济效益显著。
下面参考附图描述根据本发明具体实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系1。
如图1-图4所示，根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系1包括建筑主体10、第一放大阻尼斜支撑20、第二放大阻尼斜支撑30和阻尼器40。
其中，第一放大阻尼斜支撑20和第二放大阻尼斜支撑30将建筑主体10的变形在阻尼器40处进行放大，放大的倍数与建筑主体10的跨高比呈正比或基本呈正比，即阻尼器40的耗能放大比例与建筑主体10的跨高比呈正比或基本呈正比。由此可通过增加建筑主体10的跨度或者降低建筑主体10的有效高度来增大结构跨高比，进而增大阻尼耗能的放大效果，其中降低建筑主体10的有效高度可将变刚度放大阻尼耗能支撑体系1设在楼层水平刚性构件之间，刚性构件可以是层顶的大刚度梁或者是在层底部分层高范围内增加水平刚性构件(支撑或墙体)。
进一步地，为提高阻尼器40的持续耗能能力，阻尼器40进一步具有轴向耗能，从而使阻尼器40满足多方向耗能的要求。
在本发明的一些具体实施例中，如图1所示，建筑主体10未变形时，阻尼器40的轴向沿水平方向定向，第一放大阻尼斜支撑20和第二放大阻尼斜支撑30关于阻尼器40的横向中心轴线对称设置。由此可以使建筑主体10在地震时的受力分布均匀，提高整体的稳定性，且可以提高第一放大阻尼斜支撑20和第二放大阻尼斜支撑30在阻尼器40处对结构变形放大的均匀度，保证建筑主体10大变形时阻尼器40的轴向向第一上支撑杆21、第一下支撑杆22、第二上支撑杆31和第二下支撑杆32中的至少一个的轴向移动。
有利地，如图2所示，随着建筑主体10的变形逐渐增大，阻尼器40的轴向与第一上支撑杆21的轴向和第二下支撑杆32的轴向逐渐重合。当然，由于建筑主体10受到的水平荷载的方向不同，阻尼器40的轴向也可以与第二上支撑杆31的轴向和第一下支撑杆22的轴向逐渐重合。由此可以进一步提高变刚度放大阻尼耗能支撑体系1在大变形时的结构刚度，防止建筑主体10的变形进一步扩大。
在本发明的一些具体示例中，第一放大阻尼斜支撑20和第二放大阻尼斜支撑30中的每一个的刚度均大于阻尼器40的轴向刚度，由此通过支撑将建筑主体10的变形在阻尼器40处进行放大，增加阻尼器40的耗能效果，降低结构构件的损伤。
可选地，第一放大阻尼斜支撑20的刚度与第二放大阻尼斜支撑30的刚度相等。由此可以使第一放大阻尼斜支撑20对建筑主体10变形在阻尼器40处的放大和第二放大阻尼斜支撑30对建筑主体10变形在阻尼器40处的放大更加均匀，提高阻尼器40的耗能效果以及在大变形时对整体结构刚度的增加效果。
在本发明的一些具体实施例中，如图1和图2所示，第一上支撑杆21的长度与第一下支撑杆22的长度相等，第二上支撑杆31的长度与第二下支撑杆32的长度相等。换言之，第一上支撑杆21、第一下支撑杆22和第一侧壁11连接成的三角形是以第一侧壁11为底边的等腰三角形，第二上支撑杆31、第二下支撑杆32和第二侧壁12连接成的三角形是以第二侧壁12为底边的等腰三角形，由此可以提高变刚度放大阻尼耗能支撑体系1的整体稳定性。
进一步地，第一上支撑杆21的长度、第一下支撑杆22的长度、第二上支撑杆31的长度与第二下支撑杆32的长度相等。这样不仅可以进一步提高变刚度放大阻尼耗能支撑体系1的整体稳定性，而且可以使变刚度放大阻尼耗能支撑体系1在地震时的受力均匀，避免局部受力过大而首先失稳。
在本发明的一些具体示例中，如图1和图2所示，建筑主体10的竖向截面为矩形，第一上支撑杆21、第一下支撑杆22、第二上支撑杆31和第二下支撑杆32分别连接在建筑主体10的竖向截面的四个拐角处。
举例而言，第一上支撑杆21、第一下支撑杆22、第二上支撑杆31和第二下支撑杆32中的每一个的横截面均为中空的矩形，该中空矩形的高度H为100毫米、宽度B为100毫米、厚度t为10毫米。建筑主体10的竖向截面的高度为4m、跨度为8m、跨高比为2。阻尼器40的轴向刚度为第一放大阻尼斜支撑20和第二放大阻尼斜支撑30中每一个的刚度的1/100，阻尼器40的长度为400mm。计算的最大水平位移为100mm，相当于层间位移角达到1/40。
图3示出了在上部水平荷载作用下的荷载-位移关系曲线，可以看出，结构刚度随着变形的增加逐渐增大，即根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系1随着变形增加而结构刚度增大的特性显著。
图4示出了阻尼器40变形量与建筑主体10水平变形量的对应关系，可以看出初始小变形状态时阻尼器40竖向变形约为建筑主体10整体水平变形的2倍，在建筑主体10水平位移达到100mm时，阻尼器40竖向变形约为建筑主体10整体水平变形的1.5倍，即根据本发明实施例的变刚度放大阻尼耗能支撑体系1的变形放大效果明显，阻尼耗能放大效果显著。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，包括：
建筑主体，所述建筑主体具有在水平方向上相对的第一侧壁和第二侧壁；
第一放大阻尼斜支撑，所述第一放大阻尼斜支撑包括第一上支撑杆和第一下支撑杆，所述第一上支撑杆、所述第一下支撑杆和所述第一侧壁呈三角形连接；
第二放大阻尼斜支撑，所述第二放大阻尼斜支撑包括第二上支撑杆和第二下支撑杆，所述第二上支撑杆、所述第二下支撑杆和所述第二侧壁呈三角形连接；
阻尼器，所述阻尼器具有剪切耗能和轴向刚度，所述阻尼器的一端与所述第一上支撑杆和所述第一下支撑杆刚性连接，所述阻尼器的另一端与所述第二上支撑杆和所述第二下支撑杆刚性连接，其中，
所述建筑主体未变形时，所述阻尼器的轴向与所述第一上支撑杆、所述第一下支撑杆、所述第二上支撑杆和所述第二下支撑杆中的每一个的轴向均具有大于0°的预定夹角；
随着所述建筑主体的变形逐渐增大，所述阻尼器的轴向与所述第一上支撑杆、所述第一下支撑杆、所述第二上支撑杆和所述第二下支撑杆中的至少一个的轴向逐渐重合。
2.根据权利要求1所述的变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，所述建筑主体未变形时，所述阻尼器的轴向沿水平方向定向。
3.根据权利要求2所述的变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，所述建筑主体未变形时，所述第一放大阻尼斜支撑和所述第二放大阻尼斜支撑关于所述阻尼器的横向中心轴线对称设置。
4.根据权利要求1所述的变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，随着所述建筑主体的变形逐渐增大，所述阻尼器的轴向与所述第一上支撑杆的轴向和所述第二下支撑杆的轴向逐渐重合；或
所述阻尼器的轴向与所述第二上支撑杆的轴向和所述第一下支撑杆的轴向逐渐重合。
5.根据权利要求1所述的变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，所述阻尼器进一步具有轴向耗能。
6.根据权利要求1所述的变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，所述第一放大阻尼斜支撑和所述第二放大阻尼斜支撑中的每一个的刚度均大于所述阻尼器的轴向刚度。
7.根据权利要求6所述的变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，所述第一放大阻尼斜支撑的刚度与所述第二放大阻尼斜支撑的刚度相等。
8.根据权利要求1所述的变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，所述第一上支撑杆的长度与所述第一下支撑杆的长度相等，所述第二上支撑杆的长度与所述第二下支撑杆的长度相等。
9.根据权利要求8所述的变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，所述第一上支撑杆的长度、所述第一下支撑杆的长度、所述第二上支撑杆的长度与所述第二下支撑杆的长度相等。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的变刚度放大阻尼耗能支撑体系，其特征在于，所述建筑主体的竖向截面为矩形，所述第一上支撑杆、所述第一下支撑杆、所述第二上支撑杆和所述第二下支撑杆分别连接在所述建筑主体的竖向截面的四个拐角处。
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