CN110259205A - 一种综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业土建结构技术领域，涉及一种综合运用隔震与消能减震技术提高厂房抗震性能的高性能韧性结构系统。一种综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，包括连接于厂房主体结构上的大质量比调谐质量阻尼器和消能子框架。本发明采用防屈曲支撑替换部分普通钢支撑构件，并在水平相对位移较大的结构楼层采用阻尼器代替普通支撑结构体系，以实现消能减震的效果；使用隔震支座对厂房的煤斗进行隔震设计，采用的隔震支座经优化计算,使煤斗在地震作用下的运动与主体结构的运动调谐，形成大质量比调谐质量阻尼器。本发明可应用于高地震烈度场地下厂房的结构设计和抗震加固。本发明也可应用于类似的其他工业结构。
Description
技术领域
本发明属于工业土建结构技术领域，涉及一种抗震韧性厂房结构体系，可应用于厂房抗震设计和既有厂房的抗震加固。
背景技术
地震突发性强、难以预测，破坏性地震随时都有可能发生，这些地震不仅会造成巨大的人员伤亡和财产损失，还会引起严重的次生灾害。2008 年汶川地震给我国社会和经济造成了巨大的危害。历次震害表明，建筑物的倒塌破坏是造成人员伤亡和设备损坏的主要原因。因此，如何提高工程结构的抗震性能是我国工程结构研究和工程建设领域的一项重大任务。
根据工艺系统要求，厂房结构中的煤斗等设备位置通常较高，而这些设备也较重。这种布置方式和其他工艺要求造成了厂房结构竖向刚度不规则、结构质量高且布置不均匀、结构整体偏柔而略显刚性不足的缺点。因此地震对整个厂房结构产生的水平作用也会很大，特别是在高烈度地震区，这是影响厂房结构抗震性能的主要因素之一， 而解决该因素的立足点多是“抗”的传统结构抗震设计理论，使结构具备足够的刚度、延性和承载能力抵御地震，但通过这种方式，即使达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目的，也并不够经济且抗震性能够不理想。虽然有提出采取煤斗减震的方法，但由于工业厂房结构整体偏柔，隔震效果不显著。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有厂房结构抗震效果差的技术问题，提出一种抗震韧性厂房结构体系。为提高厂房抗震性能，在煤斗处使用隔震支座和粘滞阻尼器，把厂房的煤仓等设备进行隔震设计，并通过和主体结构的调谐，形成大质量比调谐质量阻尼器，在地震作用下运动吸能；为避免主体结构构件在地震作用下的损伤，在支撑变形较大处采用防屈曲支撑结构，通过优化设计提高结构刚度并利用中间约束屈服段的塑性变形来实现滞回耗能，从而实现对地震能量的削减，提高厂房的抗震性能。此外，为了进一步提升耗能减震效果，在水平层间位移较大位置采用金属阻尼器，如软钢阻尼器，通过在地震作用下的滞回变形以消耗地震输入能量，削减地震的危害，同时保证主体结构在震后功能的尽快恢复。通过大质量比调谐质量阻尼器和采用含阻尼器的消能子框架的协同工作，达到厂房结构抗震性能的显著提升，实现抗震韧性。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，包括连接于厂房主体结构上的大质量比调谐质量阻尼器（1）和消能子框架（2）。
本发明进一步的改进在于：所述的大质量比调谐质量阻尼器（1）包括煤斗（3）、支撑体系（5）；所述的煤斗（3）设置在所述的支撑体系（5）上，由支撑体系（5）支撑；在煤斗（3）和支撑体系（5）之间设置有隔震层（4）。
本发明进一步的改进在于：所述的支撑体系（5）为多边形平面框架结构（9）。
本发明进一步的改进在于：所述的隔震层（4）包括隔震支座（10）、水平限位装置（11）；所述的隔震支座（10）设置在所述多边形平面框架结构（9）的每条边上；煤斗（3）圆筒段的底端设有钢支座（21），每个钢支座（21）对应压于一个隔震支座（10）上；所述的水平限位装置（11）设置于多边形平面框架结构（9）和厂房主体结构之间。
本发明进一步的改进在于：隔震支座（10）的个数和多边形平面框架结构（9）的边数相同，或者是多边形平面框架结构（9）边数的整数倍。
本发明进一步的改进在于：所述的水平限位装置（11）包括粘滞阻尼器（12）、传力连接构件（13）；粘滞阻尼器(12)一端通过其中一个钢支座与煤斗（3）连接，另一端与传力连接构件（13）连接；所述的传力连接构件（13）固定在对应的厂房主体结构框架梁上。
本发明进一步的改进在于：每两个粘滞阻尼器(12)共用一个传力连接构件（13）；同时，每两个粘滞阻尼器（12）的另一端铰接于同一个钢支座（21）上。
本发明进一步的改进在于：所述的隔震支座（10）为橡胶支座或摩擦摆支座或橡胶支座和摩擦摆支座的组合。
本发明进一步的改进在于：所述传力连接构件（13）为型钢短柱，传力连接构件（13）采用螺栓或焊接与框架梁固接；传力连接构件（13）对称布置于平行于厂房主体结构纵向与横向的框架梁的中间位置。
本发明进一步的改进在于：所述的含阻尼器的消能子框架（2）包括消能阻尼器（7），连接消能阻尼器（7）与厂房主体结构的支撑构件（8）。
本发明进一步的改进在于：所述的消能阻尼器采用防屈曲支撑（14）或金属阻尼器（18）。
本发明进一步的改进在于：所述防屈曲支撑（14）包含外包构件（19），耗能芯板（20）；所述外包构件（19）为圆钢管或方钢管，包裹于耗能芯板（20）的外部。
本发明进一步的改进在于：所述的耗能芯板（20）与外包构件（19）间填充砂浆或其他强度低于钢材的材料。
本发明进一步的改进在于：所述金属阻尼器（18）由两个连接盖板（15）和耗能芯材通过螺栓连接组成；包括剪切型软钢阻尼器和弯曲型软钢阻尼器；设置在楼层间层间位移显著的煤斗所在的厂房主体结构下层和厂房主体结构底层变形较大位置。
本发明进一步的改进在于：所述的耗能芯材为耗能软钢芯板（16）或耗能软钢元件（17）。
本发明进一步的改进在于：所述的支撑构件（8）为型钢，采用螺栓或焊接与厂房主体结构的框架梁连接，或与相邻框架柱连接。
本发明即一种综合利用大质量比调谐质量阻尼器、消能子框架技术提高电厂主厂房抗震性能的韧性结构系统。其中，通过使用隔震支座和粘滞阻尼器，把厂房的煤斗进行隔震设计，并通过和主体结构的调谐，形成大质量比调谐质量阻尼器；采用防屈曲支撑替换部分支撑构件，并在煤斗所在的厂房主体结构下层和厂房主体结构底层变形较大位置使用以阻尼器为核心的耗能支撑装置，形成消能子框架，达到消能减震的效果。对于小震工况，煤斗本身在振动过程中对主体厂房结构产生反向惯性力，抵消作用于主体厂房结构上的正向惯性力，实现调谐质量阻尼器吸振功能；对于中震与大震工况，厂房结构主框架可能会出现较大变形而使刚度降低，消能子框架的防屈曲约束支撑和金属阻尼器的作用将凸显：钢芯工作段在受压之后屈曲，此时套管会作为约束构件限制钢芯的屈曲变形，实现防屈曲支撑金属屈服的消能减震功能；金属阻尼器在地震作用过程中的滞回变形提供给结构的附加阻尼能削减地震产生的巨大能量。
相对于现有技术，本发明的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，具有以下有益效果：
通过采用一种抗震韧性厂房结构体系之后，一方面通过合理设置隔震支座可以使得煤斗等工业设备子结构的自振频率尽量接近厂房主结构的激振频率，这样当主结构因地震而产生振动时，子结构就会产生一个与主结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的反应衰减并受到控制，实现调谐质量阻尼器抗震功效；另一方面，为防止出现较大变形而发生危险，在煤斗处设置粘滞阻尼器，利用煤斗与框架梁之间的相对位移驱使阻尼器工作，从而限制煤斗的运动幅度并提高结构的附加阻尼，同时由于减少了隔震支座的剪切变形，其还能够提高隔震支座的耐久性，延长使用寿命。在易发生屈曲变形支撑处加入防屈曲耗能支撑，利用钢支撑内芯屈服消耗地震作用的同时，通过其外部套筒的约束作用能够防止结构刚度降低，作为第一道抗震防线能抵御更大的地震作用，从而降低甚至消除地震作用对厂房柱的破坏，提升厂房整体结构的耗能性能；此外，在某些支撑的位置使用金属阻尼器，可以在提升结构刚度的同时，通过其提供的附加阻尼削减地震作用带来的危害。
附图说明
图1是本发明的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系立面图；
图2是大质量比调谐质量阻尼器的剖面图；
图3是消能子框架立面图；
图4是防屈曲支撑的侧面构造图；
图5是剪切型软钢阻尼器的侧面构造图；
图6是弯曲型软钢阻尼器的侧面构造图。
图中：1.大质量比调谐质量阻尼器；2.含阻尼器的消能子框架； 3.煤斗；4.隔震层；5.煤斗支撑体系；6.主体结构；7.消能阻尼器；8.支撑构件；9.多边形平面框架结构；10.隔震支座；11.水平限位装置；12.粘滞阻尼器；13.传力连接构件；14.防屈曲支撑；15.连接盖板；16.耗能软钢芯板 17.耗能软钢元件；18.金属阻尼器；19.外包构件；20.耗能芯板；21.钢支座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明和描述。
实施例1 如图1、2和3所示，本实施例的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，主要包括与厂房主体结构连接的大质量比调谐质量阻尼器1和含阻尼器的消能子框架2。
通过设计将火电厂煤斗设备设计为大质量比调谐质量阻尼器1，主要包括煤斗3、隔震层4、支撑体系5。其中煤斗隔震层4包括隔水平震支座10、水平限位装置11。支撑体系5包括多边形平面框架结构9，多边形平面框架结构9的边数视具体情况而定，本实施例中多边形平面框架结构9为八边形，如图3所示。多边形平面框架结构9每个边分别固定在各自对应的厂房主体结构6的框架梁上；多边形平面框架结构9每个边的中间位置各设有一个水平隔震支座10；煤斗3圆筒段的底端设有钢支座21，每个钢支座21对应压于1个水平隔震支座10上，从而使煤斗3支撑于多边形平面框架结构9上。水平震支座10的数量与多边形平面框架结构9的数量一致，或者是多边形平面框架结构9数量的整数倍。水平震支座10的具体数量视具体需要而定。隔震支座10可以为橡胶支座或摩擦摆支座或橡胶支座和摩擦摆支座的组合。
如图3所示，水平限位装置11包括粘滞阻尼器12和传力连接构件13。粘滞阻尼器12一端与煤斗3上的钢支座21铰接，另一端与对应的厂房主体结构6框架梁上的传力连接构件13铰接；传力连接构件13与框架梁通过高强螺栓连接或焊接固定。每两个粘滞阻尼器12共用一个传力连接构件13。同时，每两个粘滞阻尼器12的另一端铰接于同一个钢支座21上。传力连接构件13的固定位置与没有铰接粘滞阻尼器12的钢支座21对应。粘滞阻尼器12具体数量应根据实际中采用的隔震支座10的数量来确定。
如图1所示，在厂房主体结构6设置含阻尼器的消能子框架2，含阻尼器的消能子框架2包括消能阻尼器7和连接消能阻尼器7与厂房主体结构6的支撑构件8。消能阻尼器7分为防屈曲支撑件14和金属阻尼器18两种。其中在厂房主体结构易发生屈曲变形之处，设置防屈曲支撑件14和金属阻尼器18。防屈曲支撑件14通过支撑构件8固定在厂房主体结构6上。该支撑构件8为型钢短柱，采用螺栓连接或焊接与厂房主体结构6的框架梁连接，或与相邻框架柱连接。
如图4所示，防屈曲支撑件14包含外包构件19、耗能芯板20。耗能芯板20的外包构件19一般为圆钢管或方钢管，且耗能芯板20与外包钢管间一般填充砂浆或其他强度低于钢材的材料。本实施例中的耗能芯板20由十字交叉的钢板焊接而成。
防屈曲支撑14受拉与受压力学性能相同，可避免传统支撑受压屈曲，在厂房主体结构局部设置。
如图5和6所示，具有消能减震效果的金属阻尼器18，主要包括剪切型软钢阻尼器和弯曲型软钢阻尼器两种类型。剪切型软钢阻尼器主要由两个连接盖板15和耗能软钢芯板16通过螺栓连接组成。弯曲型软钢阻尼器主要由两个连接盖板15和若干并联排列的耗能软钢元件17通过螺栓连接组成。金属阻尼器18通过支撑构件8与厂房主体结构6的框架梁连接，或与相邻框架柱连接。并设置在楼层间层间位移显著的煤斗所在的厂房主体结构下层和厂房主体结构底层变形较大位置。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，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 (16)
1.一种综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：包括连接于厂房主体结构上的大质量比调谐质量阻尼器（1）和消能子框架（2）。
2.根据权利要求1所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的大质量比调谐质量阻尼器（1）包括煤斗（3）、支撑体系（5）；所述的煤斗（3）设置在所述的支撑体系（5）上，由支撑体系（5）支撑；在煤斗（3）和支撑体系（5）之间设置有隔震层（4）。
3.根据权利要求2所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的支撑体系（5）为多边形平面框架结构（9）。
4.根据权利要求3所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的隔震层（4）包括隔震支座（10）、水平限位装置（11）；所述的隔震支座（10）设置在所述多边形平面框架结构（9）的每条边上；煤斗（3）圆筒段底端设有钢支座（21），每个钢支座（21）对应压于一个隔震支座（10）上；所述的水平限位装置（11）设置于多边形平面框架结构（9）和厂房主体结构（6）之间。
5.根据权利要求4所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：隔震支座（10）的个数和多边形平面框架结构（9）的边数相同，或者是多边形平面框架结构（9）边数的整数倍。
6.根据权利要求4所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的水平限位装置（11）包括粘滞阻尼器（12）、传力连接构件（13）；粘滞阻尼器(12)一端通过其中一个钢支座（21）与煤斗（3）连接，另一端与传力连接构件（13）连接；所述的传力连接构件（13）固定在对应的厂房主体结构框架梁上。
7.根据权利要求6所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：每两个粘滞阻尼器(12)共用一个传力连接构件（13）；同时，每个粘滞阻尼器（12）的另一端铰接于同一个钢支座（21）上。
8.根据权利要求4-7任一项所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的隔震支座（10）为橡胶支座或摩擦摆支座或橡胶支座和摩擦摆支座的组合。
9.根据权利要求6或7所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述传力连接构件（13）为型钢短柱，传力连接构件（13）采用螺栓或焊接与框架梁固接；传力连接构件（13）对称布置于平行于厂房主体结构纵向与横向的框架梁的中间位置。
10.根据权利要求1所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的含阻尼器的消能子框架（2）包括消能阻尼器（7），连接消能阻尼器（7）与厂房主体结构的支撑构件（8）。
11.根据权利要求10所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的消能阻尼器采用防屈曲支撑（14）或金属阻尼器（18）。
12.根据权利要求11所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述防屈曲支撑（14）包含外包构件（19），耗能芯板（20）；所述外包构件（19）为圆钢管或方钢管，包裹于耗能芯板（20）的外部。
13.根据权利要求12所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的耗能芯板（20）与外包构件（19）间填充砂浆或其他强度低于钢材的材料。
14.根据权利要求10所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述金属阻尼器（18）由两个连接盖板（15）和耗能芯材通过螺栓连接组成；包括剪切型软钢阻尼器和弯曲型软钢阻尼器；设置在楼层间层间位移显著的煤斗所在的厂房主体结构下层和厂房主体结构底层变形较大位置。
15.根据权利要求14所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的耗能芯材为耗能软钢芯板（16）或耗能软钢元件（17）。
16.根据权利要求10-15任一项所述的综合采用隔减震技术的抗震韧性厂房结构体系，其特征在于：所述的支撑构件（8）为型钢，采用螺栓或焊接与厂房主体结构的框架梁连接，或与相邻框架柱连接。
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