CN113266104A - 一种防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑消能技术领域，尤其是涉及一种防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，包括：伸臂桁架、外框柱、放大装置、黏滞流体阻尼器、铅芯橡胶支座、防止面外失稳连接钢板；所述放大装置的第一铰接点与外框柱铰接，所述放大装置的第二铰接点与伸臂桁架铰接，所述放大装置的第三铰接点与黏滞流体阻尼器的一端铰接，所述黏滞流体阻尼器的另一端与伸臂桁架铰接，所述防止面外失稳连接钢板固定在外框柱的两侧，所述铅芯橡胶支座与所述放大装置第三铰接点的销轴固定连接。该方案可实施性强，解决了目前带放大装置的消能伸臂关键技术难题，且消能减震效果及协调内筒和外框变形效果均优于已有的技术方案。

Description

一种防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂
技术领域
本发明涉及建筑消能技术领域，尤其是涉及一种防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂。
背景技术
随着社会经济的发展和人口数量的不断增多，超高层建筑成为了解决城市人口拥挤的重要手段之一，同时也是城市经济繁荣与社会进步的重要标志。框架-筒体结构体系能够很好的适应建筑功能需求，是在超高层建筑中应用最广泛的结构体系。核心筒作为超高层结构主要抗侧力构件时，由于高宽比较大，其抗侧移刚度较小，合理利用外框架柱能起到事半功倍的效果。为了充分发挥外框架柱的整体抗弯能力，可以沿超高层建筑高度设置几道加强层，使所有外框架柱参与承担倾覆力矩，提高结构的整体抗侧移刚度。加强层通常是利用设备层或避难层空间设置刚度较大的水平外伸构件加强核心筒与框架柱的联系。伸臂体系通常利用建筑设备层和避难层的空间来布置结构加强层，即在相应楼层的外框架和核心筒之间设置刚度较大的伸臂构件。
超高层建筑随着结构高度的增加，由于整体弯曲变形的影响，上部楼层有害位移角所占比重逐层减小，导致上部楼层剪切变形减少。伸臂桁架刚度大、屈服后对整体结构竖向安全性影响小，在地震作用下是理想的耗能部位，因此将伸臂桁架中的斜腹杆置换成消能减震装置可取得良好的减震效果。
伸臂桁架是高层建筑中的重要抗侧力构件，其耗能能力对结构抗震性能有着重要影响。带耗能减震层超高层结构体系是近年来提出的一种新型高层建筑耗能减震结构体系，它将加强层伸臂桁架中的普通支撑用消能支撑代替，形成耗能减震层，通过消能支撑来耗散地震输入到结构中的能量，以减轻结构的动力反应，保护主体结构的安全。
消能伸臂体系由于在伸臂与外柱间安装消能减震装置，相比传统刚性伸臂体系，放松了连接作用，提高了系统阻尼比，增加了能量耗散能力，对结构的减震控制起到了积极作用。目前相关技术中记载了一种新型消能伸臂减震体系，这种体系将黏滞阻尼器竖向布置在伸臂和外框架柱的交接处，利用核心筒的弯曲变形和外框架的剪切变形之间较大的竖向变形差，这种方式与常规阻尼器利用层间变形消耗能量不同，使黏滞阻尼器获得较大相对变形，充分发挥了阻尼器耗能减震的作用。
由于建筑功能需要，超高层建筑中带伸臂加强层数量有限，普通消能伸臂体系带给整体结构的减震效果有限。因此，部分学者将放大装置引入消能伸臂体系。放大装置对结构减震的影响明显，且位移放大系数越大，阻尼器减震效果越明显。
但是，现有的伸臂桁架消能减震系统，在工程应用中存在一定的不足之处：
1)连杆式和杠杆式放大装置若斜撑刚度不足、安装不当如杆件铰接处缝隙较大，极易发生平面外变形甚至失稳。由于杠杆需要通过机构变形产生放大效应，变形过程中杠杆的内力也随之放大相同的倍数，杠杆产生局部应力集中，再加上机构具有不稳定特性，导致其在面外极易失稳，特别是在罕遇地震和极罕遇地震工况下，放大装置的面外稳定性成为减震系统最薄弱环节。
2)现有各类放大装置的构造和作用机理决定了其位移均被放大，当遭遇罕遇地震或极罕遇地震作用时，放大了的阻尼器位移会使其自身更早超过极限能力，从而导致阻尼器性能下降甚至失效，结构面临破坏甚至倒塌的风险。由于放大装置将变形和速度均进行了放大，能够适用于该变形的阻尼器主要包括黏滞流体阻尼器和摩擦型阻尼器，这些阻尼器具有较大的行程，能够适应放大装置带来的变形。黏滞流体阻尼器为速度相关型阻尼器，在小震下动刚度较小，摩擦型阻尼器一旦处于滑动状态，其刚度为0，难以满足伸臂为协调内筒和外框之间变形的刚度需求。
3)适用于减震的黏滞流体阻尼器速度指数一般小于1，在地震烈度逐渐增大时，由小震、中震过渡到大震时，其消耗地震能量带给结构的附加阻尼比逐渐减小。摩擦型阻尼器可视为速度指数为0的黏滞流体阻尼器，存在和黏滞流体阻尼器相同的技术问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，其包括：伸臂桁架、外框柱、放大装置、黏滞流体阻尼器、铅芯橡胶支座、防止面外失稳连接钢板；所述放大装置具有第一铰接点、第二铰接点和第三铰接点，所述放大装置的第一铰接点与外框柱铰接，所述放大装置的第二铰接点与伸臂桁架铰接，所述放大装置的第三铰接点与黏滞流体阻尼器的一端铰接，所述黏滞流体阻尼器的另一端与伸臂桁架铰接，所述防止面外失稳连接钢板固定在外框柱的两侧，每一侧的防止面外失稳连接钢板与铅芯橡胶支座固定连接，所述铅芯橡胶支座与所述放大装置第三铰接点的销轴固定连接。
作为一种进一步的技术方案，所述放大装置采用三角形连接板。
作为一种进一步的技术方案，所述放大装置的第一铰接点与外框柱的耳板通过销轴连接。
作为一种进一步的技术方案，所述放大装置的第二铰接点与伸臂桁架的上部耳板通过销轴连接。
作为一种进一步的技术方案，所述放大装置的第三铰接点与伸臂桁架的下部耳板通过销轴连接。
作为一种进一步的技术方案，所述防止面外失稳连接钢板为L型钢板，两个防止面外失稳连接钢板对称设置于所述防止面外失稳连接钢板固定在外框柱的两侧。
作为一种进一步的技术方案，所述铅芯橡胶支座包括芯棒、由交互层叠设置的橡胶层和钢板构成的橡胶隔震体、橡胶保护层、上封板、下封板、上连接钢板以及下连接钢板；其中，所述芯棒位于所述隔震层的中心，所述橡胶保护层沿所述隔震层的外表面周向设置，所述上封板和所述下封板分别设置于所述橡胶隔震体的上、下表面；所述上连接钢板和所述下连接钢板分别设置于橡胶隔震支座上下面，且分别对应与所述上封板和所述下封板连接。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明相较传统带放大装置的消能伸臂体系，增加了防面外失稳的装置，在本发明中为铅芯橡胶支座，单个铅芯橡胶支座竖向承载力可达数千吨，即使在大变形情况下也能够保证放大装置的面外稳定性。
(2)本发明相较于带放大装置的消能伸臂体系，消能装置一般选用能够适应大变形的黏滞流体阻尼器。伸臂体系的初衷为形成设置刚度很大的水平加强层，协调外框和核心筒之间的变形，让外框承担更多的倾覆弯矩，改善结构的受力状态，有效减少结构侧移，增大结构抗侧移刚度。因此，伸臂体系的刚度对于整体结构非常重要，虽然黏滞流体阻尼器消能效果较好，且具有大变形能力，但其静刚度为0，仅在地震下具有一定的动刚度，对结构抗风能力及抗震能力具有不利的一面。本发明铅芯橡胶支座具有一定的初始刚度，且屈服承载力随着变形增大，由于杠杆作用，该刚度对协调外框和核心筒的受力有利。
(3)本发明黏滞流体阻尼器消耗能量带给超高层结构的附加阻尼比，随地震烈度的增大而减小，本发明采用铅芯橡胶支座与粘滞流体阻尼器组成复合减震装置，铅芯橡胶支座具有良好的复位能力和耗能能力，可保证减震系统的耗能减震效果随着震级的提升而不断增加，有效保护罕遇地震或极罕遇地震工况下超高层建筑的安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂的立体图；
图2为本发明提供的防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂的侧视图；
图3为本发明提供的防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂的俯视图；
图4为本发明实施例提供的铅芯橡胶支座的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的放大装置的结构示意图。
图标：1-黏滞流体阻尼器；2-防止面外失稳连接钢板；3-外框柱；4-放大装置；5-伸臂桁架；6-核心筒；7-铅芯橡胶支座。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
结合图1至图4所示，本实施例提供一种防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，其包括：伸臂桁架5、外框柱3、放大装置4、黏滞流体阻尼器1、铅芯橡胶支座7、防止面外失稳连接钢板2；所述放大装置4具有第一铰接点、第二铰接点和第三铰接点，所述放大装置4的第一铰接点与外框柱3铰接，所述放大装置4的第二铰接点与伸臂桁架5铰接，所述放大装置4的第三铰接点与黏滞流体阻尼器1的一端铰接，所述黏滞流体阻尼器1的另一端与伸臂桁架5铰接，所述防止面外失稳连接钢板2固定在外框柱3的两侧，每一侧的防止面外失稳连接钢板2与铅芯橡胶支座7固定连接，所述铅芯橡胶支座7与所述放大装置4第三铰接点的销轴固定连接。可见，本实施例提出了一种可应于超高层的带放大装置4的消能伸臂减震体系，减震装置包括可以产生大变形的粘滞流体阻尼器和铅芯橡胶支座7，两种消能装置组成复合消能减震体系。
该方案技术特点如下：
1)放大装置4利用杠杆原理将外框和核心筒6之间的竖向变形差和速度差进行放大，粘滞流体阻尼器利用放大后的竖向速度差产生粘滞阻尼力耗能，铅芯橡胶支座7利用放大后的竖向位移差屈服耗能，更有效的消耗地震能量，减轻主体结构地震响应。
2)铅芯橡胶支座7的水平剪切刚度和粘滞流体阻尼器的动刚度相叠加，协调外框和核心筒6之间的变形。
3)由于放大装置4为杠杆类型的机构，其极易产生面外失稳破坏，利用铅芯橡胶支座7高竖向承载力约束放大装置4，防止其侧向失稳。
该方案可实施性强，解决了目前带放大装置4的消能伸臂关键技术难题，且消能减震效果及协调内筒和外框变形效果均优于已有的技术方案。
作为一种进一步的技术方案，所述放大装置4采用三角形连接板。所述放大装置4的第一铰接点与外框柱3的耳板通过销轴连接。所述放大装置4的第二铰接点与伸臂桁架5的上部耳板通过销轴连接。所述放大装置4的第三铰接点与伸臂桁架5的下部耳板通过销轴连接。
作为一种进一步的技术方案，所述防止面外失稳连接钢板2为L型钢板，两个防止面外失稳连接钢板2对称设置于所述防止面外失稳连接钢板2固定在外框柱3的两侧。
作为一种进一步的技术方案，所述铅芯橡胶支座7包括芯棒、由交互层叠设置的橡胶层和钢板构成的橡胶隔震体、橡胶保护层、上封板、下封板、上连接钢板以及下连接钢板；其中，所述芯棒位于所述隔震层的中心，所述橡胶保护层沿所述隔震层的外表面周向设置，所述上封板和所述下封板分别设置于所述橡胶隔震体的上、下表面；所述上连接钢板和所述下连接钢板分别设置于橡胶隔震支座上下面，且分别对应与所述上封板和所述下封板连接。
本实施例中，防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂的工作机理：
结合图5所示，地震作用下，外框筒和核心筒6之间产生竖向变形差△，由于放大装置4的放大作用，黏滞流体阻尼器1轴向变形和铅芯橡胶支座7的剪切变形均为f△，其中f为放大系数f＝l1/l2，为力臂l1和l2之间的比值，该放大系数越大，f△越大，黏滞流体阻尼器1和铅芯橡胶支座7消能效果越显著。
放大装置4仅通过销轴与伸臂桁架5和外框架铰接连接，黏滞流体阻尼器1阻尼力输出可到数百吨，面外稳定性通过铅芯隔震支座保证，隔震支座竖向刚度大，承载力可达数千吨，可保证放大装置4正常工作不失稳破坏。
黏滞流体阻尼器1为速度相关型阻尼器，通过两端的速度变形差进行耗能，铅芯橡胶支座7为位移相关型隔震装置，在此作为减震装置使用，充分利用了其竖向承载力和刚度大，水平向耗能能力强的特点。二者均具有大变形特性，能够适应罕遇地震和极罕遇地震下的大变形需求，组成复合减震系统。
综上，采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明相较传统带放大装置4的消能伸臂体系，增加了防面外失稳的装置，在本发明中为铅芯橡胶支座7，单个铅芯橡胶支座7竖向承载力可达数千吨，即使在大变形情况下也能够保证放大装置4的面外稳定性。
(2)本发明相较于带放大装置4的消能伸臂体系，消能装置一般选用能够适应大变形的黏滞流体阻尼器1。伸臂体系的初衷为形成设置刚度很大的水平加强层，协调外框和核心筒6之间的变形，让外框承担更多的倾覆弯矩，改善结构的受力状态，有效减少结构侧移，增大结构抗侧移刚度。因此，伸臂体系的刚度对于整体结构非常重要，虽然黏滞流体阻尼器1消能效果较好，且具有大变形能力，但其静刚度为0，仅在地震下具有一定的动刚度，对结构抗风能力及抗震能力具有不利的一面。本发明铅芯橡胶支座7具有一定的初始刚度，且屈服承载力随着变形增大，由于杠杆作用，该刚度对协调外框和核心筒6的受力有利。
(3)本发明黏滞流体阻尼器1消耗能量带给超高层结构的附加阻尼比，随地震烈度的增大而减小，本发明采用铅芯橡胶支座7与粘滞流体阻尼器组成复合减震装置，铅芯橡胶支座7具有良好的复位能力和耗能能力，可保证减震系统的耗能减震效果随着震级的提升而不断增加，有效保护罕遇地震或极罕遇地震工况下超高层建筑的安全。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，其特征在于，包括：伸臂桁架、外框柱、放大装置、黏滞流体阻尼器、铅芯橡胶支座、防止面外失稳连接钢板；所述放大装置具有第一铰接点、第二铰接点和第三铰接点，所述放大装置的第一铰接点与外框柱铰接，所述放大装置的第二铰接点与伸臂桁架铰接，所述放大装置的第三铰接点与黏滞流体阻尼器的一端铰接，所述黏滞流体阻尼器的另一端与伸臂桁架铰接，所述防止面外失稳连接钢板固定在外框柱的两侧，每一侧的防止面外失稳连接钢板与铅芯橡胶支座固定连接，所述铅芯橡胶支座与所述放大装置第三铰接点的销轴固定连接。
2.根据权利要求1所述的防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，其特征在于，所述放大装置采用三角形连接板。
3.根据权利要求1所述的防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，其特征在于，所述放大装置的第一铰接点与外框柱的耳板通过销轴连接。
4.根据权利要求1所述的防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，其特征在于，所述放大装置的第二铰接点与伸臂桁架的上部耳板通过销轴连接。
5.根据权利要求1所述的防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，其特征在于，所述放大装置的第三铰接点与伸臂桁架的下部耳板通过销轴连接。
6.根据权利要求1所述的防止放大装置面外失稳的复合消能伸臂，其特征在于，所述防止面外失稳连接钢板为L型钢板，两个防止面外失稳连接钢板对称设置于所述防止面外失稳连接钢板固定在外框柱的两侧。
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