CN109519025B - 一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统，包括设置在核心筒和框架柱之间的伸臂桁架，伸臂桁架端部连接一个由两对相互铰接的连接杆铰接一阻尼器的减震机构；其中两对连接杆一端与伸臂桁架的上弦杆连接处的外端铰接，另一端铰接在框架柱的斜下方，与伸臂桁架的下弦杆在同一水平面上。通过满足剪刀撑和阻尼器连接的长度与角度以及伸臂桁架自核心筒伸出长度和伸臂桁架高度的关系，实现伸臂杠杆的放大作用来提高阻尼器的耗能效率。本发明的位移放大系数为10.0左右，本发明系统减震效果好，工作效率高。

Description

一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统

技术领域

本发明涉及土木结构工程领域，特别是在一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减 震系统。

背景技术

随着我国社会经济的发展和城市化进程的加快，超高层建筑发展迅速。在 地震和风荷载作用下，建筑本身消耗的能量比较有限，目前普遍采用消能减震 技术来耗散或吸收地震输入结构中的能量。阻尼器因能有效提高结构的抗震性 能和经济性，已逐渐应用于超高层建筑设计中。但是阻尼器的布置方式对其工 作效率影响很大，通常用位移放大系数来判断阻尼器工作效率的好坏，传统的阻尼器布置形式主要有对角布置机构(见图1)、人字布置机构、剪刀撑布置机 构和套索布置机构(见图2)。对角支撑、人字支撑和套索支撑是利用结构层间剪切变形来发挥阻尼器的作用，对角机构和人字形机构的位移放大系数f＜1， 放大系数过小，工作率较低。单独设置的剪刀式机构虽然属于放大型机构，但 是对一些高刚度结构来说，这种布置结构的放大系数f依然不够高，减震效果一般。而加强层中在伸臂桁架端部竖向布置阻尼器是利用结构弯曲变形来发挥阻 尼器的作用，可以通过伸臂杠杆的放大作用来提高阻尼器的耗能效率，该种布 置阻尼器位移放大系数f与伸臂长度和伸臂桁架高度正相关。

超高层建筑框架-核心筒结构体系通常在建筑设备层(或避难层)设置伸臂 桁架，形成刚性加强层，增强结构整体抗侧刚度和抗倾覆能力。但这样设置以 后结构的整体刚度变大导致周期变短，地震作用增大，同时还会引起核心筒内 力突变，形成薄弱层，致使核心筒破坏严重，后期修复难度大。为了解决结构抗震设计问题，需要对现有的伸臂桁架进行改进。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种剪刀撑机 构伸臂桁架消能减震系统，在传统的刚性伸臂桁架中布置阻尼器形成一种带阻 尼器的伸臂桁架(又称柔性加强层)；第二提供了一种放大阻尼器耗能效果的剪刀式变形布置装置；二者结合最终提供了一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系 统，该布置机构创造性地将结构侧移在阻尼器两端进行有效放大，充分发挥阻 尼器的耗能效率，提高风荷载和地震作用下结构的附加阻尼比，减震效果更好。 为保证剪刀撑结构在罕遇地震下的安全性，确保阻尼器发挥作用，本发明采用 相关的构造措施来防止装置在罕遇地震作用下平面外失稳。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统，包括设置在核心筒和框架柱之间 的伸臂桁架，伸臂桁架端部连接一个由两对相互铰接的连接杆铰接一阻尼器的 减震机构；其中两对连接杆一端与伸臂桁架上弦杆与斜腹杆连接处的外端铰接， 另一端铰接在框架柱的斜下方，与伸臂桁架的下弦杆在同一水平面上；

当伸臂桁架外端部发生竖向位移U2,伸臂桁架高度L1、伸臂桁架自核心筒 伸出长度L2和伸臂桁架连杆与水平面的夹角θ满足：f＝cotθL2/L1

其中，f为阻尼器减震机构的位移放大系数。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述伸臂桁架包括上弦杆、下弦杆及斜腹杆，斜腹杆呈斜对角交 叉连接在上弦杆和下弦杆之间；伸臂桁架一端与核心筒相连，另一端斜腹杆与 上弦杆交叉连接处通过端板与耳板相连。

优选的，所述端板采用焊接或螺栓连接将端板与两个耳板固定连接,所述 第三连杆和第四连杆的上端与耳板通过转动轴铰接。

优选的，所述减震机构包括相互铰接的第一连杆和第三连杆、第二连杆和 第四连杆，阻尼器通过盖板分别与第三连杆和第四连杆铰接；在各连杆的端部 分别铰接有耳板。

优选的，所述耳板分别将第三连杆和第四连杆通过端板与伸臂桁架外端上 弦杆与斜腹杆交叉处连接；所述耳板分别将第一连杆和第二连杆通过节点板与 框架柱相连。

优选的，端板与两个耳板采用焊接或螺栓连接,所述第三连杆和第四连杆的 上端与耳板通过转动轴铰接。

优选的，所述第一连杆和第二连杆与阻尼器铰接端延伸段上前后两侧对称 连接有防失稳板，防失稳板与第一连杆和第二连杆的中间部位不连接，防失稳 板的上端和下端分别与第一连杆和第二连杆连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1)本发明在传统的刚性伸臂桁架中布置阻尼器形成一种带阻尼器的伸臂桁 架(又称柔性加强层)，既解决上述刚性加强层带来的不利的抗震设计问题，充分发挥阻尼器的消能减震效果的同时，又可以发挥伸臂桁架的优势。

2)超高层建筑中，在地震和风荷载作用下，当内部核心筒发生弯曲变形时， 桁架本体内端产生层间位移，带动伸臂桁架外端部上下运动，产生竖向变形， 该竖向变形通过剪刀撑布置机构再次将位移放大到阻尼器两端，本发明最终使 层间位移传递到阻尼器的两端，逐步实现逐级放大的功能。

3)相对于阻尼器和伸臂桁架直接组合，在超高层建筑中布置相同数量和相 同阻尼器参数时，这种装置更能增大阻尼器的耗能，更大提高地震和风荷载作 用下结构的附加阻尼比，保证结构的安全；同样，对于同样结构在相同地震和风荷载作用下可以减少阻尼器的布置数量，从而降低工程造价。

4)相对于在加强层中在伸臂桁架端部竖向布置阻尼器的布置形式，本发明 的位移放大系数是加强层中在伸臂桁架端部竖向布置阻尼器形式的5.7倍。位 移放大系数能达到11.0左右，减震效果好，工作效率高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分， 并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为现有对角布置机构结构示意图；

图2为现有套索布置机构结构示意图；

图3为现有伸臂桁架端部竖向布置阻尼器的结构示意图；

图4为本发明的结构主视图；

图5为图4中A-A剖视图；

图6为装置阻尼器产生位移的示意图一，其中，实线表示未变形时的各杆 件所在位置，虚线表示变形以后的各杆件所在位置；

图7为装置阻尼器产生位移的示意图二，其中，实线表示未变形时的各杆 件所在位置，虚线表示变形以后的各杆件所在位置；

图8为原结构的整体结构示意图；

图9为本发明的整体结构示意图；

图10为现有加强层中在伸臂桁架端部竖向布置阻尼器形式的整体结构示意 图；

图中标号：1.框架柱，2.核心筒，3，端板，4.节点板，5.第一连杆，6.第 二连杆，7.第三连杆，8.第四连杆，9.阻尼器，10.耳板，11.上弦杆，12.斜腹 杆，13.下弦杆，14.盖板，15.防失稳板。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性 实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图4所示，一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统，包括设置在核心筒2 和框架柱1之间的伸臂桁架，其中，伸臂桁架端部连接一个由两对相互铰接的 四个连接杆(即第一连杆5、第二连杆6、第三连杆7、第四连杆8)铰接一阻 尼器9构成减震机构；其中第三连杆7和第四连杆8的与伸臂桁架本体铰接， 第一连杆5和第二连杆6与外框架柱铰接，第一连杆5和第三连杆7与阻尼器9 的下端铰接，第二连杆6和第四连杆8与阻尼器9的上端铰接。第一连杆5和 第二连杆6铰接在框架柱1的斜下方，与伸臂桁架的下弦杆13在同一水平面上； 第三连杆7和第四连杆8铰接在伸臂桁架的上弦杆11与斜腹杆12连接处的外端。

其中，伸臂桁架本体包括上弦杆11、下弦杆13及斜腹杆12，斜腹杆12呈 斜对角交叉连接在上弦杆11和下弦杆13之间。伸臂桁架外端没有直接与外围框架柱1连接，而是留出了放置T形杠杆5、阻尼器9的布置空间。伸臂桁架一 端与核心筒2相连，另一端斜腹杆12与上弦杆11交叉连接处通过焊接与端板3 相连。设计端板3目的是将伸臂桁架外端与两对相互铰接的连接杆上端进行连 接，端板3设置在伸臂桁架外端斜腹杆与上弦杆交叉处，采用焊接或螺栓连接 将端板与两个耳板固定连接，第三连杆和第四连杆的上端与耳板通过转动轴铰 接。端板具体材料、强度、型号满足相关规范要求，其尺寸根据伸臂桁架端部 情况，进行加工制作。

如图5所示，相互铰接的第一连杆5和第三连杆7、第二连杆6和第四连杆 8中，阻尼器9通过盖板14分别与第三连杆7和第四连杆8铰接；在各连杆的 端部分别铰接有耳板10。耳板10分别将第三连杆7和第四连杆8与端板3连接， 目的是将第三连杆和第四连杆与通过端板3与伸臂桁架外端上弦杆与斜腹杆交 叉处连接；耳板10分别将第一连杆和第二连杆与节点板4连接，目的是将第一 连杆和第二连杆通过节点板与框架柱相连。

其中，节点板设有一个，设置在框架柱内侧面上；端板设有一个，设置在 伸臂桁架外端斜腹杆与上弦杆的交叉处；耳板设有四个，其中两个耳板与节点 板固定连接，另外两个与端板固定连接；阻尼器上端与第一连杆上端和第四连 杆下端铰接；阻尼器下端与第二连杆上端和第三连杆下端铰接；第一连杆和第 二连杆下端与外框架柱铰接；第三连杆和第四连杆上端与伸臂桁架外端铰接。

该装置还包括第一连杆5和第二连杆6与阻尼器9铰接端延伸段上前后两 侧对称连接的防失稳板15，防失稳板15与第一连杆5和第二连杆6的中间部位 不连接，防失稳板15的上端和下端分别与第一连杆5和第二连杆6连接。

本发明伸臂桁架外端没有直接与外围框架柱连接，而是留出了放置剪刀撑 阻尼器布置机构的空间。要求剪刀撑机构具有较大的刚度，确保剪刀撑机构各 连杆在转动时不会发生变形，以保证阻尼器的工作效率，为了保证剪刀撑机构 各连杆的刚度，实际通常可以采用高强度钢板等构件作为剪刀撑机构。

本发明中，当阻尼器达到极限位移或极限速度时，此时在对应的阻尼力作 用下，节点板处于弹性工作状态且不会出现滑移和拔出等破坏；端板也处于弹 性工作状态且不会出现滑移和拔出等破坏；同样耳板也处于弹性工作状态且不 会出现滑移和拔出等破坏。

通常用位移放大系数f来判断阻尼器工作效率的好坏，对于本发明，为阻尼 器两端相对位移与层间位移的比值。本发明两对相互铰接的连接杆铰接一阻尼 器9的减震机构设计，其第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆及阻尼器的长度和角度根据所在设备层层高H、伸臂桁架高度L1、伸臂桁架自核心筒伸 出长度L2、阻尼器极限位移来确定。其中，伸臂桁架自核心筒伸出长度L2应尽可能大，核心筒通过杠杆作用使得阻尼器两端变形增大减震效率提高，在一个 实施例中，L2可取核心筒至外框架柱之间的水平距离。在一个实施例中， L2＝7m-12m,L1＝3.9m-5.2m。

对角机构和人字形机构的位移放大系数f＜1，工作率较低且占用建筑空间 过大。对于在加强层中伸臂桁架端部竖向布置阻尼器形式是利用核心筒弯曲变 形来发挥阻尼器的作用，可以通过伸臂杠杆的放大作用来提高阻尼器的耗能效 率，该种布置位移放大系数为伸臂长度L2和伸臂桁架高度L1的比值,即 f＝L2/L1＝U2/U1。

对于本发明，当伸臂桁架外端部发生竖向位移U2时,伸臂桁架高度L1、伸臂 桁架自核心筒伸出长度L2和伸臂桁架连杆与水平面的夹角θ满足：f＝cotθL2/L1

其中，f为阻尼器布置机构的位移放大系数。

可见随着夹角θ的减小，位移放大系数逐渐增大，但根据剪刀撑阻尼器布置 机构的几何构成，实际机构中的夹角θ并不会非常小，所以在设计时应该对这些 因素进行综合考虑。通常来讲，夹角θ在10°左右。当θ＝10°，L2＝10m,L1＝5m 时，f＝cotθL2/L1≈11.0。本发明位移放大系数能达到加强层中在伸臂桁架端 部竖向布置阻尼器形式的5.7倍。经过推导，本发明的位移放大系数能达到11.0 左右，减震效果好，工作效率高。

其中，角度θ为连杆与剪刀撑机构中心线的夹角，见图6、图7所示。

下面表1给出了本发明阻尼器布置机构与现有技术中对角布置机构、套索 布置机构和加强层中在伸臂桁架端部竖向布置阻尼器形式的位移放大系数对 比。

表1本发明阻尼器布置机构与对角布置机构、套索布置机构和加强层中在 伸臂桁架端部竖向布置阻尼器形式的位移放大系数对比

如图6所示，示出了本发明装置阻尼器产生位移的一个实施例。在地震和 风荷载作用下，结构发生侧向变形，核心筒发生弯曲变形，层间向右产生相对 位移U1，该弯曲变形通过伸臂桁架本体的杠杆作用转换到伸臂桁架外端部(伸 臂桁架与剪刀撑机构交接处)，带动剪刀撑发生变形，阻尼器两端位移减小，阻尼器开始工作，进行耗能。

需要说明的是，该发明要求剪刀撑机构具有较大的刚度，确保剪刀撑机构 各连杆在转动时不会发生变形，以保证阻尼器的工作效率，为了保证剪刀撑机 构各连杆的刚度，实际通常可以采用高强度钢板等构件作为剪刀撑机构。

如图7所示，示出了本发明装置阻尼器产生位移的再一个实施例。在地震 和风荷载作用下，结构发生侧向变形，结构发生侧向变形，核心筒发生弯曲变 形，层间向左产生相对位移U1，该弯曲变形通过伸臂桁架本体的杠杆作用转换到伸臂桁架外端部(伸臂桁架与剪刀撑机构交接处)，带动剪刀撑发生变形，阻 尼器两端位移增大，阻尼器开始工作，进行耗能。

如图8所示，示出了原结构的整体结构示意图。超高层建筑框架-核心筒结 构体系通常在建筑设备层(或避难层)设置伸臂桁架，形成刚性加强层，增强 结构整体抗侧刚度和抗倾覆能力。但这样设置以后结构的整体刚度变大导致周 期变短，地震作用增大，同时还会引起核心筒内力突变，形成薄弱层，致使核 心筒破坏严重，后期修复难度大。

图10为现有加强层中在伸臂桁架端部竖向布置阻尼器形式的整体结构形 式。如图9所示，为本发明在传统的刚性伸臂桁架中布置剪刀撑阻尼器布置机 构形成一种带阻尼器的伸臂桁架(又称柔性加强层)，在地震和风荷载作用下， 既解决上述刚性加强层带来的不利的抗震设计问题，充分发挥阻尼器的消能减震效果的同时，又可以发挥伸臂桁架的优势。

本发明的减震过程为：

在地震和风荷载作用下，层间产生相对位移U1，该位移通过伸臂桁架传递 到伸臂桁架端部(伸臂桁架与剪刀撑机构交接处)，从而使第一连杆与第三连杆 的交点和第二连杆与第四连杆的交点沿阻尼器的轴线方向产生拉压趋势，从而 使阻尼器两端距离发生改变，进而使阻尼器9工作实现消能减震。

在地震和风荷载作用下，本发明的阻尼器位移前后放大了两次，先是将核 心筒的弯曲变形通过伸臂桁架本体的杠杆作用转换到伸臂桁架外端部的竖向变 形U2，该竖向变形通过剪刀撑布置机构再次将变形放大到阻尼器两端，即本发 明最终使核心筒的弯曲变形放大到阻尼器的两端，逐步实现逐级放大的功能，通过阻尼器实现消能减震的目的。

对本专业领域了解的技术人员，可以很容易对上述发明做出修改，并把该 发明工作原理应用到实际工程当中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不 限于以上实施内，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做 出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统，包括设置在核心筒（2）和框架柱（1）之间的伸臂桁架，其特征在于，所述伸臂桁架端部连接一个由两对相互铰接的连接杆铰接一阻尼器（9）构成的减震机构；其中两对连接杆一端与伸臂桁架的上弦杆（11）与斜腹杆（12）连接处的外端铰接，另一端铰接在框架柱（1）的斜下方，与伸臂桁架的下弦杆（13）在同一水平面上；

所述减震机构包括相互铰接的第一连杆（5）和第三连杆（7）、第二连杆（6）和第四连杆（8），阻尼器（9）通过盖板（14）分别与第三连杆（7）和第四连杆（8）铰接；在各连杆的端部分别铰接有耳板（10）；

当伸臂桁架外端部发生竖向位移,伸臂桁架高度/>、伸臂桁架自核心筒伸出长度/>和伸臂桁架连杆与水平面的夹角/>满足：

其中，为阻尼器减震机构的位移放大系数。

2.根据权利要求1所述的一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统，其特征在于，所述伸臂桁架包括上弦杆（11）、下弦杆（13）及斜腹杆（12），所述斜腹杆（12）呈斜对角交叉连接在所述上弦杆（11）和下弦杆（13）之间；所述伸臂桁架一端与核心筒（2）相连，另一端斜腹杆（12）与上弦杆（11）交叉连接处通过端板（3）与耳板相连。

3.根据权利要求1所述的一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统，其特征在于，所述耳板（10）分别将第三连杆（7）和第四连杆（8）通过端板（3）与伸臂桁架外端上弦杆（11）与斜腹杆（12）交叉处连接；所述耳板（10）分别将第一连杆（5）和第二连杆（6）通过节点板（4）与框架柱（1）相连。

4.根据权利要求2所述的一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统，其特征在于，所述端板（3）与两个耳板采用焊接或螺栓连接,所述第三连杆（7）和第四连杆（8）的上端与耳板通过转动轴铰接。

5.根据权利要求1所述的一种剪刀撑机构伸臂桁架消能减震系统，其特征在于，所述第一连杆（5）和第二连杆（6）与阻尼器（9）铰接端延伸段上前后两侧对称连接有防失稳板（15），防失稳板（15）与第一连杆（5）和第二连杆（6）的中间部位不连接，防失稳板（15）的上端和下端分别与第一连杆（5）和第二连杆（6）连接。