CN114150914A - 一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，属于建筑工程技术的新型结构振动控制领域，包括伸臂桁架，L‑型杠杆，牛腿支座，阻尼器和预压弹簧。所述伸臂桁架一端连接核心筒，另一端与L‑型杠杆、阻尼器连接。L‑型杠杆、阻尼器和预压弹簧三者连接于一处，再通过牛腿支座与结构巨柱进行连接。本发明将L‑型杠杆、阻尼器以及预压弹簧相结合，利用L‑型杠杆并结合预压弹簧的特殊构造形式，产生了基于杠杆原理和被动负刚度机制的双重放大效应，利用本发明的双重放大效应，将显著提高伸臂桁架端部阻尼器的变形及其消能能力，从而达到降低地震、台风等强力振动灾害作用下结构振动的目的。

Description

一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统

技术领域

本发明涉及建筑工程技术的新型结构振动控制领域，特别是涉及一种新型超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统。

背景技术

现代建筑中,核心筒-伸臂-巨柱结构因其良好的受力性能和内部空间的灵活性成为目前国内、国际超高层建筑中广泛应用的结构形式。核心筒通常采用剪力墙结构形成的筒体承担结构整体的竖向荷载和水平地震力。为了提高结构抗侧刚度并限制结构变形，特引入伸臂桁架迫使核心筒和外围巨柱共同参与抗侧。虽然核心筒-伸臂-巨柱结构体系本身的抗侧刚度较大，但体系本身缺乏消能手段，在地震、台风等强力振动灾害作用下依旧容易产生混凝土墙体开裂、结构整体抗侧向刚度下降、以及较大的侧向位移甚至倒塌的风险。为此，如何提高消能能力是超高层结构体系应用中亟待解决的重要问题。

基于核心筒-伸臂-巨柱结构体系的变形特点，消能伸臂体系在巨柱与伸臂桁架端部的连接处设置阻尼器，利用集中在伸臂端部与巨柱之间较大的竖向变形，充分发挥阻尼器的作用并提高了结构体系的消能能力。但是一方面，超高层建筑体量大，消能减震要求高、难度大，采用传统消能伸臂体系往往需要大吨位阻尼器；另一方面，由于巨柱轴向变形、伸臂自身弯曲变形的存在，即便使用大吨位阻尼器，传统消能伸臂结构的消能能力也无法进一步提高。如何利用较小吨位的阻尼器显著提升超高层结构消能能力是是当前消能伸臂研究与应用的‘卡脖子’问题。

因此，针对超高层建筑消能伸臂体系需要大吨位阻尼器的问题，本发明结合消能伸臂体系的特点并基于杠杆原理设置L-型杠杆和阻尼器加以解决；针对巨柱、伸臂变形所引起的对消能伸臂阻尼效应的限制，本发明结合消能伸臂体系的特点并利用L-型杠杆与预压弹簧的特殊构造共同实现了被动负刚度机制，利用该机制进一步提升巨柱、伸臂刚度不足时整个结构体系所能实现的最大附加阻尼比。换言之，本发明基于杠杆原理和被动负刚度机制的‘双重放大效应’，将显著提高超高层建筑结构消能伸臂体系的消能能力，从而达到降低地震、台风等强力振动灾害作用下结构振动的目的。

公开于上述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，克服现有技术的不足，提供一种利用较小的阻尼器显著提升并突破现有超高层结构消能能力瓶颈的被动负刚度消能伸臂系统。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，包括：设置在超高层结构中心的核心筒，超高层建筑结构外围的巨柱，连接核心筒与巨柱的伸臂桁架；其特征在于：所述伸臂桁架与所述巨柱之间设置L-型杠杆，阻尼器，预压弹簧和牛腿支座进行连接。

进一步，所述伸臂桁架包括上弦杆，下弦杆，竖向腹杆，斜腹杆；所述伸臂桁架与所述核心筒进行刚性连接；所述上弦杆与所述L-型杠杆铰接；所述下弦杆与所述阻尼器铰接。

进一步，L-型杠杆包括短边和长边；所述L-型杠杆的短边与长边相互垂直；所述L-型杠杆在短边端部、长边端部，和短边与长边的交点处开有圆孔，便于铰接；所述L-型杠杆应具有足够的刚度和承载力保证传力的稳定性与安全性，必要时可在设置斜边进行加强；所述L-型杠杆的短边外端与所述伸臂桁架的上弦杆铰接；所述L-型杠杆的短边和长边的交点与第一牛腿铰接；所述L-型杠杆的长边外端与所述阻尼器和所述预压弹簧铰接。

进一步，所述阻尼器一端与所述伸臂桁架的下弦杆端部铰接，另一端与所述L-型杠杆的长边端部以及所述预压弹簧的端部铰接；所述阻尼器包括但不限于诸如粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、摩擦型阻尼器、金属阻尼器等具体类型。

进一步，所述预压弹簧一端与第二牛腿铰接，另一端与所述L-型杠杆的长边端部以及所述阻尼器的端部铰接；所述预压弹簧设计有预压力和预压变形，并与所述L-型杠杆的长边平行。

进一步，所述第一牛腿和所述L-型杠杆的短边与长边的交点铰接；所述第二牛腿和所述预压弹簧的下端铰接；所述第一牛腿和所述第二牛腿与所述巨柱刚接；所述第一牛腿和所述第二牛腿应具有足够的刚度和承载力保证传力的稳定性与安全性。

进一步，所述L-型杠杆通过杠杆原理放大所述阻尼器的变形，即当所述伸臂桁架的上弦杆端部与所述巨柱之间发生相对竖向变形时，所述L-型杠杆的短边将绕着所述第一牛腿的铰接点发生转动，带动所述L-型杠杆的长边端部产生更大的横向位移，从而放大所述阻尼器的变形和消能能力。

进一步，所述L-型杠杆和所述预压弹簧可实现被动负刚度机制，当所述伸臂桁架的上弦杆端部与所述巨柱之间发生相对竖向变形时，所述L-型杠杆的短边将绕着所述第一牛腿的铰接点发生转动，带动所述L-型杠杆的长边转动，并进一步带动所述预压弹簧绕着所述第二牛腿的铰接点发生转动，此时所述预压弹簧内部的预压力得到释放，将推动所述L-型杠杆向着其转动方向进一步转动，从而在所述伸臂桁架的上弦杆端部产生与其变形方向一致的力，即负刚度力。

进一步，所述L-型杠杆和所述预压弹簧产生的被动负刚度大小可通过调整所述预压弹簧的预压力与刚度，所述L-型杠杆的短边和长边的数值进行设计。

进一步，所述阻尼器将受到所述L-型杠杆的杠杆放大效应以及所述L-型杠杆与所述预压弹簧共同组成的被动负刚度机制的‘双重放大效应’，显著提升所述伸臂桁架端部的阻尼器的变形及其消能能力，达到消能减振的目的。

本发明的技术特点在于，将L-型杠杆、阻尼器以及预压弹簧相结合，其特征是利用L-型杠杆并结合预压弹簧的特殊构造形式，利用杠杆原理和被动负刚度机制，实现阻尼器变形的‘双重放大效应’，即当在所述的伸臂桁架端部与巨柱之间产生相对竖向变形时，L-型杠杆的短边产生转动，进而带动长边放大其端部的位移，因此阻尼器的变形得以放大；同时由于所述弹簧是预压的，其内部的预压力会推动所述L-型杠杆进一步向着变形方向运动，即产生了与变形方向一致的作用力，即以被动地方式产生了负刚度力，因此将进一步地放大阻尼器的变形和其消能能力。利用本发明的“双重放大效应”，将显著提高伸臂桁架端部阻尼器的变形及其消能能力，从而达到消能减振的目的。

与现有技术相比,本发明有以下特点：

本发明结合了消能伸臂体系的特点，首先基于杠杆原理设置L-型杠杆和阻尼器解决了超高层建筑消能伸臂体系对大吨位阻尼器的需求；在此基础上，利用L-型杠杆和预压弹簧的特殊构造形式，实现了被动负刚度机制，进一步解决超高层建筑结构在巨柱、伸臂刚度不足时整个结构体系最大附加阻尼比受限的卡脖子问题。本发明基于杠杆原理和被动负刚度机制的‘双重放大效应’，将显著放大消能伸臂体系阻尼器的变形及其消能能力，从而达到降低地震、台风等强力振动灾害作用下结构振动的目的。

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显示为本发明一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统在建筑物竖向布置正立面示意图。

图2显示为本发明一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统在建筑物平面布置示意图。

图3显示为本发明一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统在伸臂桁架端部与巨柱连接处没有相对竖向变形时的立面示意图。

图4显示为本发明一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统在伸臂桁架端部与巨柱连接处产生相对竖向变形时的立面示意图。

图5显示为本发明中L-型杠杆的平面示意图

图6显示为本发明中L-型杠杆对阻尼器进行杠杆放大原理的示意图。

图7显示为本发明中L-型杠杆和预压弹簧实现被动负刚度机制的原理示意图。

附图标记说明

10核心筒，20巨柱，30伸臂桁架,301上弦杆，302下弦杆，303竖向腹杆，304斜腹杆，40L-型杠杆，401短边，402长边，403斜边，5阻尼器，6预压弹簧，7牛腿，701第一牛腿，702第二牛腿。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“顶部”、“底部”、“上”、“下”、“一”、“两”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

鉴于目前超高层建筑结构尚没有可利用较小的阻尼器显著提升并突破现有消能伸臂体系的消能能力瓶颈的系统，本发明结合消能伸臂体系的特点，提出了一种被动负刚度消能伸臂系统。该系统在超高层建筑结构的伸臂端部与巨柱之间设置L-型杠杆，阻尼器和预压弹簧，基于杠杆原理和被动负刚度机制的‘双重放大效应’，显著放大伸臂端部阻尼器的变形及消能能力，从而达到降低整体结构在遭遇地震、台风等强力振动灾害作用下结构振动的目的。本发明可以与超高层建筑结构伸臂体系融合为一体，不占用多余空间，且易于安装与维护。

以下将通过具体实施例来对本发明提供的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统进行详细说明。

如图1至图7所示，本实施例提供了一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，包括：设置在超高层结构中心的核心筒10，超高层建筑结构外围的巨柱20，连接核心筒10与巨柱20的伸臂桁架30；其特征在于：所述伸臂桁架30与所述巨柱20之间设置L-型杠杆40，阻尼器5，预压弹簧6和牛腿支座7进行连接。

进一步，所述伸臂桁架30包括上弦杆301，下弦杆302，竖向腹杆303，斜腹杆304；所述伸臂桁架30与所述核心筒10进行刚性连接；所述上弦杆301与所述L-型杠杆40铰接；所述下弦杆302与所述阻尼器5铰接。

进一步，L-型杠杆40包括短边401和长边402；所述L-型杠杆40的短边401与长边402相互垂直；所述L-型杠杆40在短边401端部、长边402端部，和短边401与长边402的交点处开有圆孔，便于铰接；所述L-型杠杆40应具有足够的刚度和承载力保证传力的稳定性与安全性，必要时可在设置斜边403进行加强；所述L-型杠杆40的短边401外端与所述伸臂桁架30的上弦杆301铰接；所述L-型杠杆40的短边401和长边402的交点与第一牛腿701铰接；所述L-型杠杆40的长边402外端与所述阻尼器5和所述预压弹簧6铰接。

进一步，所述阻尼器5一端与所述伸臂桁架30的下弦杆302端部铰接，另一端与所述L-型杠杆40的长边402端部以及所述预压弹簧6的端部铰接；所述阻尼器5包括但不限于诸如粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、摩擦型阻尼器、金属阻尼器等具体类型。

进一步，所述预压弹簧6一端与第二牛腿702铰接，另一端与所述L-型杠杆40的长边402端部以及所述阻尼器5铰接；所述预压弹簧(6)设计有预压力和预压变形，并与所述L-型杠杆40的长边402平行。

进一步，所述第一牛腿701和所述L-型杠杆40的短边401与长边402的交点铰接；所述第二牛腿702和所述预压弹簧6的端部铰接；所述第一牛腿701和所述第二牛腿702与所述巨柱20刚接；所述第一牛腿701和所述第二牛腿702应具有足够的刚度和承载力保证传力的稳定性与安全性。

进一步，所述L-型杠杆40通过杠杆原理放大所述阻尼器5的变形，即当所述伸臂桁架30的上弦杆301端部与所述巨柱20之间发生相对竖向变形时，所述L-型杠杆40的短边401将绕着所述第一牛腿701的铰接点发生转动，带动所述L-型杠杆40的长边402端部产生更大的横向位移，从而放大所述阻尼器5的变形和消能能力。

进一步，所述L-型杠杆40和所述预压弹簧6可实现被动负刚度机制，当所述伸臂桁架30的上弦杆301端部与所述巨柱20之间发生相对竖向变形时，所述L-型杠杆40的短边401将绕着所述第一牛腿701的铰接点发生转动，带动所述L-型杠杆40的长边402转动，并进一步带动所述预压弹簧6绕着所述第二牛腿702的铰接点发生转动，此时所述预压弹簧6内部的预压力得到释放，将推动所述L-型杠杆40向着其转动方向进一步转动，从而在所述伸臂桁架40的上弦杆401端部产生与其变形方向一致的力，即负刚度力；

进一步，所述L-型杠杆40和所述预压弹簧6产生的被动负刚度大小可通过调整所述预压弹簧6的预压力与刚度，所述L-型杠杆40的短边401和长边402的数值进行设计。

进一步，所述阻尼器5将受到所述L-型杠杆40的杠杆放大效应以及所述L-型杠杆40与所述预压弹簧6共同组成的被动负刚度机制的‘双重放大效应’，显著提升所述伸臂桁架30端部的阻尼器5的变形及其消能能力，达到消能减振的目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，包括：设置在超高层结构中心的核心筒(10)、超高层建筑结构外围的巨柱(20)以及连接核心筒(10)与巨柱(20)的伸臂桁架(30)；其特征在于：所述伸臂桁架(30)与所述巨柱(20)之间通过L-型杠杆(40)、阻尼器(5)、预压弹簧(6)和牛腿支座(7)进行连接。

2.根据权利要求1所述的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，其特征在于：所述伸臂桁架(30)包括上弦杆(301)、下弦杆(302)、竖向腹杆(303)和斜腹杆(304)；所述伸臂桁架(30)与所述核心筒(10)之间为刚性连接；所述上弦杆(301)与所述L-型杠杆(40)铰接；所述下弦杆(302)与所述阻尼器(5)铰接；上弦杆(301)与下弦杆(302)之间通过竖向腹杆(303)和斜腹杆(304)进行连接。

3.根据权利要求2所述的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，其特征在于：L-型杠杆(40)包括短边(401)和长边(402)，短边(401)与长边(402)相互垂直；所述L-型杠杆(40)在短边(401)端部、长边(402)端部以及短边(401)与长边(402)的交点处开有圆孔，便于进行铰接；所述L-型杠杆(40)的短边(401)外端与所述伸臂桁架(30)的上弦杆(301)铰接；所述L-型杠杆(40)的短边(401)和长边(402)的交点与第一牛腿(701)铰接；所述L-型杠杆(40)的长边(402)外端与所述阻尼器(5)和所述预压弹簧(6)铰接。

4.根据权利要求3所述的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，其特征在于：所述阻尼器(5)一端与所述伸臂桁架(30)的下弦杆(302)端部铰接，另一端与所述L-型杠杆(40)的长边(402)端部以及所述预压弹簧(6)的端部铰接；所述阻尼器(5)包括粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、摩擦型阻尼器或金属阻尼器。

5.根据权利要求4所述的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，其特征在于：所述预压弹簧(6)一端与第二牛腿(702)铰接，另一端与所述L-型杠杆(40)的长边(402)端部以及所述阻尼器(5)的端部铰接；所述预压弹簧(6)设计有预压力和预压变形，并与所述L-型杠杆(40)的长边(402)平行。

6.根据权利要求5所述的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，其特征在于：所述第一牛腿(701)和所述L-型杠杆(40)的短边(401)与长边(402)的交点铰接；所述第二牛腿(702)和所述预压弹簧(6)的端部铰接；所述第一牛腿(701)和所述第二牛腿(702)与所述巨柱(20)刚接；所述第一牛腿(701)和所述第二牛腿(702)具有足够的刚度和承载力，保证传力的稳定性与安全性。

7.根据权利要求6所述的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，其特征在于：所述L-型杠杆(40)放大所述阻尼器(5)的变形，即当所述伸臂桁架(30)的上弦杆(301)端部与所述巨柱(20)之间发生相对竖向变形时，所述L-型杠杆(40)的短边(401)将绕着所述第一牛腿(701)的铰接点发生转动，带动所述L-型杠杆(40)的长边(402)端部产生横向位移，从而放大所述阻尼器(5)的变形和消能能力。

8.根据权利要求7所述的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，其特征在于：所述L-型杠杆(40)和所述预压弹簧(6)实现被动负刚度机制，当所述伸臂桁架(30)的上弦杆(301)端部与所述巨柱(20)之间发生相对竖向变形时，所述L-型杠杆(40)的短边(401)将绕着所述第一牛腿(701)的铰接点发生转动，带动所述L-型杠杆(40)的长边(402)转动，并带动所述预压弹簧(6)绕着所述第二牛腿(702)的铰接点发生转动，此时所述预压弹簧(6)内部的预压力得到释放，将推动所述L-型杠杆(40)向着其转动方向转动，从而在所述伸臂桁架(40)的上弦杆(401)端部产生与其变形方向一致的力，即负刚度力。

9.根据权利要求8所述的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，其特征在于：所述L-型杠杆(40)和所述预压弹簧(6)产生的被动负刚度大小通过调整所述预压弹簧(6)的预压力与刚度，所述L-型杠杆(40)的短边(401)和长边(402)的数值进行设计。

10.根据权利要求9所述的超高层建筑被动负刚度消能伸臂系统，其特征在于：所述阻尼器(5)将受到所述L-型杠杆(40)的杠杆放大效应以及所述L-型杠杆(40)与所述预压弹簧(6)共同组成的被动负刚度机制的双重放大效应，提升所述伸臂桁架(30)端部的阻尼器(5)的变形及其消能能力，达到消能减振的目的。

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