CN108625479A - 一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，主要由阻尼器、肘节式支撑和环向的多段约束支撑组成，适用于大跨度的建筑结构。阻尼器通过与肘节式支撑相结合，利用肘节式支撑放大位移变形的作用和自身良好的消能减振特性从而耗散运动能量；约束支撑用于维空间结构提供刚度。在风荷载和地震激励下，采用肘节式阻尼器和多段约束支撑相互作用，各自发挥其优势，实现充分的耗能能力，采用有效的结构减振控制技术明显的减轻大跨度空间结构在相应外部激励作用下的破坏程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，主要由阻尼器、肘节式支撑和环向的多段约束支撑组成，适用于各种体育馆、剧院，会展中心等大跨度空间钢结构体系，属于土木工程的抗风及抗震减震技术领域。
背景技术
大跨度建筑结构是人类现代文明的重要组成部分，作为重要工业生产环境或大量人群集散、活动的场所，被广泛应用于大型工业厂房、火车站、机场、机库、展览馆、会堂、体育馆和影剧院等公共建筑。近几十年来，空间钢结构在世界范围内迅猛发展，而空间结构技术成一定程度上代表了一个国家的建筑业水平，是国家经济实力和建筑水平的体现。空间结构一般指结构形体呈三维状态，具有三维的受力特性并呈空间工作的结构。与平面结构不同的是，空间结构不仅仅依赖材料的性能，更依赖自己合理的形体来充分利用不同材料和复合装置的特性，以适应不同建筑造型和功能的需要，跨越更大的空间。在目前的实际工程中，由于刚度好、自重轻、建筑造型丰富，曲面网壳和空间立体桁架为主导的空间钢结构体系应用最为广泛。双层或局部双层网壳结构是空间网壳结构的一种特殊形式,具有屈曲承载力高、稳定性好,节省材料等优点。
传统的大跨度单层网壳结构通常是柔性结构，振动周期大，阻尼比较小，对地震动的作用十分敏感，有时会发生较大的振动，影响到结构的正常使用和安全。由于大跨度空间结构自身特殊的职能，一旦在地震中发生严重破坏甚至倒塌，将会直接导致大量人员伤亡与巨大经济损失；未遭破坏的大跨建筑结构也可在震后发挥安置灾民、恢复生产的重要功能。因此，大跨度建筑结构的抗震具有特殊的意义。
相对于高层及高耸结构,我国大跨度空间结构抗震性能研究还不完善,抗震设计方法中仍然存在亟需解决的关键问题。《建筑抗震设计规范》GB50011-2001 规定我国结构抗震设计以“小震不坏、中震可修、大震不倒”为目标,采用二阶段设计法,即多遇地震作用下的承载力验算和罕遇地震作用下的弹塑性变形验算,其中的条款大多针对高层结构制定,底部剪力、层间侧移及塑性铰等概念并不适用于大跨度空间结构。而在实际的抗震分析中，大跨度空间结构尤其是网壳结构主要以振兴分解反应谱法为主，对于烈度较高、形体复杂以及重要的大跨度网壳结构，还需要通过时程分析法进行补充计算。这使得大跨度空间结构的抗震设计缺乏明确的依据和易于操作的方法,设计人员也无法在设计中有较为明确的参考,这种行业标准的不健全严重制约了大跨度空间结构在我国的进一步发展。
目前我国大跨度建筑结构的抗震减振控制设计策略主要在选型、选材、计算、验算等方面严把质量关,并结合实地的地质情况做出相应对的结构设计。然而这些抗震设计及构造措施并没有采用有效的结构减振控制技术从根本上明显的减轻结构在相应自然灾害下的破坏程度。结构减振控制即在结构的特定部位，装设某种装置或某种机构或某种子结构或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，从而大大提升结构的抗震性能。
为了改善这种情况，本发明提出一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，该结构主要由阻尼器、肘节支撑和多段约束支撑组成，适用于大跨度空间建筑结构尤其是穹顶建筑结构。在风荷载和地震激励下，安装阻尼器的肘节式支撑和多段约束支撑相互作用，能够对上下层网壳之间的竖向位移和速度进行适当放大，实现充分耗能，从而保护主体结构和构件在振动中的安全性。
发明内容
本发明给出一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，该结构主要由阻尼器、肘节支撑和多段约束支撑组成，适用于大跨度空间结构。在风荷载和地震激励下，采用粘滞肘节式阻尼器和多段约束支撑相互作用，共同发挥耗能能力，从而保护主体结构和构件在振动中的安全性。在风荷载和地震激励下，粘滞阻尼器和环向肘节式支撑相互作用，且能够对上下层网壳之间的竖向位移和速度进行适当放大，实现充分耗能，从而保护主体结构和构件在地震中的安全性。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，该结构包括：阻尼器1、肘节式支撑、约束支撑斜杆3、约束支撑竖杆4、连接板5、铰接节点6、活动铰接部件7、上层网壳环向杆8、下层网壳环向杆9、焊接空心球节点10、上层网壳径向杆11、下层网壳径向杆12和上下层网壳斜撑13。
第一支撑杆件2、连接板5以及铰接节点6、活动铰接部件7组成肘节式支撑；约束支撑斜杆3和约束支撑竖杆4组成约束支撑。
所述肘节式支撑通过连接板5的活动轴将阻尼器1和肘节式支撑上进行铰接，并使阻尼器1和肘节式支撑2连成一个整体构件，第一支撑杆件2通过铰接节点6与焊接空心球节点10连接。
所述约束支撑包含的约束支撑斜杆3和约束支撑竖杆4通过焊接空心球节点10进行刚接，以上下双层网壳形成整体结构，以保证整体空间结构的刚度。双层网壳包括上层的上层网壳环向杆8、上层网壳径向杆11，和下层的下层网壳环向杆9、下层网壳径向杆12。上层网壳环向杆8和上层网壳径向杆11之间，以及下层的下层网壳环向杆9和下层网壳径向杆12之间通过上下层网壳斜撑13 连接。
所述肘节式支撑的第一支撑杆件2包含两根独立的杆件，两根杆件均为矩形管或者H型钢。
所述肘节式支撑的第一支撑杆件2中的两根独立杆件不在一条直线上，两根杆件的夹角与变形放大组件的未知参数有关，夹角范围取60度到120度之间。
所述肘节式支撑中各构件、局部机构在阻尼器极限位移或极限速度对应的阻尼力作用下均处于弹性工作状态。
所述约束支撑中约束支撑斜杆3以及约束支撑竖杆4通过焊接空心球节点 10焊接于上层网壳环向杆8、上层网壳径向杆11之间，和下层网壳环向杆9、下层网壳径向杆12之间。
所述阻尼器1是铅阻尼器、摩擦阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器或防屈曲支撑等。
所述约束支撑的约束支撑斜杆3为两根独立杆件均为矩形管或者H型钢，两根独立杆件夹角网壳层间距以及组件变形参数相关，夹角范围取60度到90 度之间。
所述约束支撑的约束支撑竖杆4为独立杆件选取矩形管或者H型钢，约束支撑竖杆4垂直于上下层网壳环径向杆的交点布置。
所述肘节式支撑和约束支撑组合形成的减振装置单元垂直连接于双层网壳的上下层之间，并根据球面网壳形式的不同拼接组合成不同形状的环向整体，尤其以球面网壳的环向受力最为均匀，整体刚度最大。
采用肘节式连接的阻尼器1与多个约束支撑单元组合在一起，在风、地震等外部荷载激励下，相互作用，共同发挥耗能能力。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明采用阻尼器主导耗能的环向减振装置组合，在风，地震等外部荷载激励下，相互作用各自发挥其优势，充分实现耗能，并具有很好的整体性。
2)本发明中阻尼器采用肘节式连接时，通过利用肘节支撑机构的开合运动使粘滞阻尼器产生较大的位移，其位移放大效果依赖于肘节式支撑的倾角，位移放大系数一般可达2倍以上，针对大跨度空间结构正常工作状态较小的位移变形，依旧能够发挥出良好的消能减振作用。
3)本发明中的复合减振装置单元的拼接组合与连接布置较为灵活，可根据网壳形式以及受力特性的不同合理安排，同时占用空间较小，不影响双层网壳的原有整体形式，可以降低对建筑使用功能的影响。
4)本发明采用的阻尼器属于结构附加构件，安装与拆卸方便，当失去使用功能后可以进行更换。
附图说明
图1为本发明肘节式支撑与约束支撑相连的复合减振装置单元平面图。
图2为本发明肘节式支撑与约束支撑相连的环形结构示意图。
图3为本发明结构体系适用于大跨空间结构的整体示意图。
图4为本发明中可选用的粘滞阻尼器平面详图。
图5为本发明中可选用的摩擦阻尼器平面详图。
图6为本发明中与阻尼器相连肘节式支撑单元立体图。
图7为焊接空心球节点的详图。
图8为上层网壳环向杆的详图。
图中：1-阻尼器、2-肘节式支撑、3-约束支撑斜杆、4-约束支撑竖杆、5-连接板、6-铰接节点、7-活动铰接部件、8-上层网壳环向杆、9-下层网壳环向杆、 10-焊接空心球节点、11-上层网壳径向杆、12-下层网壳径向杆、13-上下层网壳斜撑、14-活塞杆、15-阻尼孔、16-活塞、17-粘滞介质、18-缸体、19-内楔、20- 外楔、21-外缸、22-弹簧、23-摩擦片。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图6及图7所示，是本发明用于大跨空间结构的具体实施方案，其主要包括阻尼器1、肘节式支撑2、约束支撑斜杆3、约束支撑竖杆4、连接板5、铰接节点6、活动铰接部件7、上层网壳环向杆8、下层网壳环向杆9、焊接空心球节点10、上层网壳径向杆11、下层网壳径向杆12和上下层网壳斜撑13。
某大跨度建筑的装配式钢结构穹顶，为倒放四角锥体系的双层肋环形球面网壳，网壳直径为123米、矢高45.25米，网壳为点支承，均匀搁置在24个柱顶上。
本实例中选用粘滞阻尼器为例对本发明的工作原理进行介绍。
粘滞阻尼器由活塞杆14、阻尼孔15、活塞16、粘滞介质17、缸体18等组成，缸体18内装满粘滞介质17，活塞16上有适量阻尼孔15，当活塞16与筒体间相对运动时，粘滞介质17从阻尼孔15通过产生流体阻尼力，从而耗散运动能量，减小结构的动力反应，其中粘滞介质选用可压缩的硅油，粘滞阻尼器1 一端通过铰接节点6与上层球面网壳环径向杆(8和11)的交点处的双层球面网壳焊接空心球节点10活动连接，粘滞阻尼器1与梁夹角为90度，粘滞阻尼器1另一端通过活动铰接部件7与肘节式支撑2活动连接，肘节式支撑2中两根独立支撑在平面内形成的夹角为120度，由此形成的粘滞阻尼器肘节式支撑单元通过肘节式支撑2的两端分别活动连接于下层球面网壳的环径向杆(9和 12)的交点即双层球面网壳焊接空心球节点10。所述焊接空心球节点10处在平面内又与约束支撑斜杆3倾斜焊接连接，与水平方向的夹角为60度；与约束支撑竖杆4垂直焊接连接，该部分组成本减振装置单元的约束支撑。
本实例布置中涉及到的高强度螺栓采用强度等级为10.9级，节点板选用钢材为Q345。
肘节式支撑2、约束支撑斜杆3、约束支撑竖杆4以及上下层网壳斜撑13 均为普通的支撑，选用钢材为Q345，
该倒放四角锥体系双层肋环型球面网壳跨度较大，为保证网壳结构的整体性和刚度，与粘滞阻尼器1相连的肘节式支撑单元(1和2)在环向隔跨布置已提供良好的消能减振作用，约束支撑单元(3和4)同样在环向隔跨布置提供结构刚度。即肘节式支撑单元(1和2)与约束支撑单元(3和4)所形成的减振装置单元在环向均匀布置。
上述减振装置单元中的粘滞阻尼器1、肘节式支撑2、约束支撑斜杆3、约束支撑竖杆4以及上下层网壳斜撑13在工厂预制好，待整个大跨度结构的下部施工完成后，将这些拼装好的装置运送到施工现场，将阻尼器与相应的支撑杆件通过连接板进行铰接，再与下部结构梁柱相连接，既能降低施工成本，又能节省施工时间。
经过有限元模拟分析，安装具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构比不进行减振时的竖向位移普遍下降12％-27％，加速度反应下降18％到42％。
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 (10)
1.一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：该结构包括阻尼器(1)、肘节式支撑、约束支撑斜杆(3)、约束支撑竖杆(4)、连接板(5)、铰接节点(6)、活动铰接部件(7)、上层网壳环向杆(8)、下层网壳环向杆(9)、焊接空心球节点(10)、上层网壳径向杆(11)、下层网壳径向杆(12)和上下层网壳斜撑(13)；
第一支撑杆件(2)、连接板(5)以及铰接节点(6)、活动铰接部件(7)组成肘节式支撑；约束支撑斜杆(3)和约束支撑竖杆(4)组成约束支撑；
所述肘节式支撑通过连接板(5)的活动轴将阻尼器(1)和肘节式支撑上进行铰接，并使阻尼器(1)和肘节式支撑(2)连成一个整体构件，第一支撑杆件(2)通过铰接节点(6)与焊接空心球节点(10)连接；
所述约束支撑包含的约束支撑斜杆(3)和约束支撑竖杆(4)通过焊接空心球节点(10)进行刚接，以上下双层网壳形成整体结构，以保证整体空间结构的刚度；双层网壳包括上层的上层网壳环向杆(8)、上层网壳径向杆(11)，和下层的下层网壳环向杆(9)、下层网壳径向杆(12)；上层网壳环向杆(8)和上层网壳径向杆(11)之间，以及下层的下层网壳环向杆(9)和下层网壳径向杆(12)之间通过上下层网壳斜撑(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：所述肘节式支撑的第一支撑杆件(2)包含两根独立的杆件，两根杆件均为矩形管或者H型钢。
3.根据权利要求1所述的一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：所述肘节式支撑的第一支撑杆件(2)中的两根独立杆件不在一条直线上，两根杆件的夹角与变形放大组件的未知参数有关，夹角范围取60度到120度之间。
4.根据权利要求1所述的一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：所述肘节式支撑中各构件、局部机构在阻尼器极限位移或极限速度对应的阻尼力作用下均处于弹性工作状态。
5.根据权利要求1所述的一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：所述约束支撑中约束支撑斜杆(3)以及约束支撑竖杆(4)通过焊接空心球节点(10)焊接于上层网壳环向杆(8)、上层网壳径向杆(11)之间，和下层网壳环向杆(9)、下层网壳径向杆(12)之间。
6.根据权利要求1所述的一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：所述阻尼器(1)是铅阻尼器、摩擦阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器或防屈曲支撑。
7.根据权利要求1所述的一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：所述约束支撑的约束支撑斜杆(3)为两根独立杆件均为矩形管或者H型钢，两根独立杆件夹角网壳层间距以及组件变形参数相关，夹角范围取60度到90度之间。
8.根据权利要求1所述的一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：所述约束支撑的约束支撑竖杆(4)为独立杆件选取矩形管或者H型钢，约束支撑竖杆(4)垂直于上下层网壳环径向杆的交点布置。
9.根据权利要求1所述的一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：所述肘节式支撑和约束支撑组合形成的减振装置单元垂直连接于双层网壳的上下层之间，并根据球面网壳形式的不同拼接组合成不同形状的环向整体，尤其以球面网壳的环向受力最为均匀，整体刚度最大。
10.根据权利要求1所述的一种具有环向肘节式复合减振支撑的双层网壳结构，其特征在于：采用肘节式连接的阻尼器(1)与多个约束支撑单元组合在一起，在风、地震等外部荷载激励下，相互作用，共同发挥耗能能力。
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