CN114673272A - 一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构及其工作方法，万向铰收集承力梁的力并传导至阻尼伸缩套杆上，阻尼伸缩套杆伸缩形变带动离心力转换段旋转，离心力转换段带动第一双圆钢管混凝土组合套筒和离心耗能结构转动，离心耗能结构中的负重块体在旋转的过程中，其一侧的弹簧连接件受离心力作用产生形变耗能，超高层建筑顶部摆动使得半圆形滑动体在支撑U型圆盘内形成反复摆动和转动的状态，而支撑U型圆盘的凹型曲面结构使得本申请结构回归轴心位置，重新作用于离心耗能结构并通过弹簧连接件形变耗能，进而有效减小超高层建筑顶部在水平面内旋转曲线的曲率，即减小超高层建筑顶部的摆动幅度。

Description

一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构及其工作方法
技术领域
本发明属于建筑结构技术领域，具体涉及一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构及其工作方法。
背景技术
风荷载会使得超高层建筑发生较大位移，如果未能采用合理的减震耗能措施，可能会影响超高层建筑的结构安全。由此，已经有学者开始研究适用于超高层建筑的阻尼结构。由于超高层建筑顶部在风荷载的影响在随时会产生不定向的位移，超高层建筑顶部在连续的两个时间状态所发生的摆动也必然是连续的，结合超高层建筑顶部摆动方向的随机性，故超高层建筑顶部在平面内发生摆动的运动轨迹也必然会体现出复摆运动的特点，同时超高层建筑顶部在摆动的过程中还会对建筑内部附加一定的离心力作用。而目前的本领域内鲜有适用于超高层建筑的复摆式耗能阻尼结构。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构及其工作方法，能够有效削弱风荷载或地震荷载对超高层建筑物顶部的影响，减小摆动幅度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，其特征在于，包括同轴依次连接的万向铰、阻尼伸缩套杆、离心力转换段、第一双圆钢管混凝土组合套筒、离心耗能结构、第二双圆钢管混凝土组合套筒、半圆形滑动体和支撑U型圆盘；
所述万向铰一端止抵承力梁，另一端固接阻尼伸缩套杆；
所述离心力转换段采用棘轮套筒结构，一端转动连接阻尼伸缩套杆底部，另一端依次固定连接第一双圆钢管混凝土组合套筒和离心耗能结构；
所述离心耗能结构包括刚性受压耗能阻尼器和固接于刚性受压耗能阻尼器两端的连接块，所述连接块四壁均铰接有连接杆，所述两个连接块的连接杆一一对应设置于同一竖直方向；所述一一对应设置的两个连接杆之间均分别铰接有连接板；所述相邻连接板之间均依次设置有旋转杆件、负重块体和弹簧连接件；
所述第二双圆钢管混凝土组合套筒一端固接靠近侧的连接块，另一端固接半圆形滑动体；
所述半圆形滑动体自由端止抵支撑凹型圆盘表面，所述支撑U型圆盘为内凹型曲面结构。
进一步的，所述棘轮套筒结构包括低阻尼螺旋条和依次贯穿设置于低阻尼螺旋条上的第一套筒和第二套筒；
所述第二套筒包括曲线型金属套，所述曲线型金属套的内壁与低阻尼螺旋条的外壁螺纹啮合；所述曲线型金属套的外壁设置有多个第二钢筋连接头，所述第二钢筋连接头固接第二套筒内壁；
所述第二套筒外壁设置有多级外凸棘轮，所述第一套筒内壁设置有与第二套筒的多级棘轮一一对应的的多级棘爪；
所述第一套筒外壁设置有第一连接圆板，所述阻尼伸缩套杆尾部转动设置有第二连接圆板，所述第一连接圆板和第二连接圆板固接。
进一步的，所述第一连接圆板和第二连接圆板上均设置有一一对应的连接孔，所述第一连接圆板和第二连接圆板上一一对应的连接孔分别螺栓连接。
进一步的，所述第二连接圆板和第二套筒之间设置有橡胶止抵圆环。
进一步的，所述低阻尼螺旋条端部固接于万向铰底部，所述低阻尼螺旋条采用金属。
进一步的，所述万向铰采用不可旋转式万向铰。
进一步的，所述阻尼伸缩套杆采用高强金属低阻尼伸缩套杆。
进一步的，所述凹型圆盘靠近外侧边缘的点的焦点低于靠近内侧点的焦点。
进一步的，所述凹型圆盘底部竖直设置有多个支撑肋，所述多个支撑肋固接有垫板。
一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构的工作方法，包括以下步骤：
万向铰受承力梁的多角度的挤压后，传递压力至阻尼伸缩套杆，阻尼伸缩套杆产生伸缩形变，低阻尼螺旋条带动离心力转换段内的棘轮套筒结构旋转，并依次带动第一双圆钢管混凝土组合套筒和离心耗能结构转动，离心耗能结构中的负重块体在旋转的过程中，其一侧的弹簧连接件受离心力作用产生形变耗能；
若超高层建筑顶部摆动，则第二双圆钢管混凝土组合套筒和半圆形滑动体会在支撑U型圆盘内形成反复摆动和单方向持续转动的状态，支撑U型圆盘的凹型曲面结构使得半圆形滑动体趋于回归轴心位置，并重新作用于离心耗能结构并通过弹簧连接件形变耗能。
进一步的，若超高层建筑顶部发生摆动在平面内投影的旋转方向和离心力转换段的旋转方向相同，离心耗能结构受到的离心作用会更大，旋转速度更快；
若超高层建筑顶部发生摆动在平面内投影的旋转方向和离心力转换段的旋转方向相反，由于离心力转换段的旋转方向唯一，则第二双圆钢管混凝土组合套筒和半圆形滑动体在支撑U型圆盘内发生旋转的方向与超高层建筑相反，根据角动量平衡规则，离心耗能结构旋转速度变慢。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构及其工作方法，万向铰用于收集承力梁与半圆形滑动体之间多角度的力并传导至阻尼伸缩套杆上，阻尼伸缩套杆在受力情况下产生伸缩形变，其伸缩形变时低阻尼螺旋条可带动离心力转换段内的棘轮套筒结构旋转，离心力转换段依次带动第一双圆钢管混凝土组合套筒和离心耗能结构转动，离心耗能结构中的负重块体在旋转的过程中，其一侧的弹簧连接件受离心力作用产生形变耗能。同时，第二双圆钢管混凝土组合套筒和半圆形滑动体在超高层顶部连续摆动的情况下，会在支撑U型圆盘内形成反复摆动和转动的状态，支撑U型圆盘的凹型曲面结构能够使得本申请结构回归轴心位置，重新作用于离心耗能结构并通过弹簧连接件形变耗能。此外，若超高层建筑顶部发生在水平面内投影的旋转方向和离心力转换段的旋转方向相同，离心耗能结构受到的离心作用会更大，旋转速度更快，其对应的，弹簧连接件的形变程度对应变大，耗能效率提高；若超高层顶部所发生在水平面内投影的旋转方向和离心力转换段的旋转方向相反，由于离心力转换段的选装方向唯一，第二双圆钢管混凝土组合套筒和半圆形滑动体在支撑U型圆盘内发生旋转的方向与超高层建筑顶部相反，根据角动量平衡规则，离心耗能结构旋转速度变慢，离心耗能结构相对超高层建筑顶部在水平面内投影的旋转方向相反，离心耗能结构能够有效减小超高层建筑顶部在水平面内旋转曲线的曲率，即减小超高层建筑顶部的摆动幅度，提高超高层建筑结构安全性能。
进一步的，所述棘轮套筒结构中的低阻尼螺旋条和第二套筒的内壁螺纹啮合，能够将竖直方向的运动转换为旋转运动，进而能够带动离心耗能结构进行耗能。
进一步的，所述凹型圆盘靠近外侧边缘的点的焦点低于靠近内侧点的焦点，保证半圆形滑动体在支撑U型圆盘内滑动时，阻尼伸缩套杆会受到挤压力，进而进行伸缩。
进一步的，所述万向铰采用不可旋转式万向铰，可以保证低阻尼螺旋条相对于本申请整个阻尼结构的轴心线不发生旋转，进而当万向铰与半圆形滑动体的相对位置变小时，低阻尼螺旋条可以带动第二套筒发生旋转。
附图说明
图1为本发明具体实施例中一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中离心耗能结构的结构示意图；
图3为本发明具体实施例中离心耗能结构的俯视图；
图4为本发明具体实施例中离心力转换段的结构分解图；
图5为本发明具体实施例中A节点的放大图；
图6为本发明具体实施例中曲线型金属套的结构示意图；
图7为本发明具体实施例中第一套筒的半剖结构示意图；
图8为本发明具体实施例中第二套筒的半剖结构示意图；
图9为本发明具体实施例中支撑U型圆盘的半剖结构示意图。
图中：承力梁1，万向铰2，阻尼伸缩套杆3，离心力转换段4，第一套筒41，第一连接圆板42，第二套筒43，曲线型金属套431，第二钢筋连接头432，橡胶止抵圆环44，第二连接圆板31，第一双圆钢管混凝土组合套筒5，第三钢筋连接头51，离心耗能结构6，刚性受压耗能阻尼器65，连接块61，连接杆62，连接板63，旋转杆件66，负重块体64，弹簧连接件67，第二双圆钢管混凝土组合套筒7，半圆形滑动体8，支撑U型圆盘9，支撑肋10，垫板11，低阻尼螺旋条12。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，如图1所示，包括同轴依次连接的万向铰2、阻尼伸缩套杆3、离心力转换段4、第一双圆钢管混凝土组合套筒5、离心耗能结构6、第二双圆钢管混凝土组合套筒7、半圆形滑动体8和支撑U型圆盘9；
所述万向铰2一端止抵承力梁1，另一端固接阻尼伸缩套杆3；
所述离心力转换段4采用棘轮套筒结构，一端转动连接阻尼伸缩套杆3底部，另一端依次固定连接第一双圆钢管混凝土组合套筒5和离心耗能结构6；
如图2和图3所示，所述离心耗能结构6包括刚性受压耗能阻尼器65和固接于刚性受压耗能阻尼器65两端的连接块61，具体的，所述连接块61采用矩形体结构，两个连接块61上下相对设置，四个侧壁均一一对应设置；
所述连接块61四壁均铰接有连接杆62，所述两个连接块61的连接杆62一一对应设置于同一竖直方向；所述一一对应设置的两个连接杆62之间均分别铰接有连接板63；所述相邻连接板63之间均依次设置有旋转杆件66、负重块体64和弹簧连接件67；
具体的，所述两个连接块61四壁铰接的连接杆62沿连接板63镜像对称设置；同时，所述相邻的弹簧连接件67之间均间隔有一个连接板63、负重块体64和旋转杆件66；
进一步的，所述离心力转换段4的转动方向与旋转杆件66绕着旋转杆件66与连接板63连接点转动的方向相同，这是为了让离心耗能结构6在超高层建筑顶部发生摆动时的离心力最大；
所述第二双圆钢管混凝土组合套筒7一端固接靠近侧的连接块61，另一端固接半圆形滑动体8；
所述半圆形滑动体8自由端止抵支撑凹型圆盘9表面，所述支撑U型圆盘9为内凹型曲面结构。
本发明提供的一种优选实施例为，如图4和图5所示，所述棘轮套筒结构包括低阻尼螺旋条12和依次贯穿设置于低阻尼螺旋条12上的第一套筒41和第二套筒43；
所述第二套筒43包括曲线型金属套431，所述曲线型金属套431的内壁与低阻尼螺旋条12的外壁螺纹啮合；优选的，所述曲线型金属套431的内壁和低阻尼螺旋条12的外壁螺纹的螺纹间距较大，进而保证曲线型金属套431在低阻尼螺旋条12上相对位移较为顺滑；
所述曲线型金属套431的外壁设置有多个第二钢筋连接头432，所述第二钢筋连接头432固接第二套筒43内壁；具体的，所述第二钢筋连接头432沿曲线型金属套431的外壁曲面均匀布置；
所述第二套筒43外壁设置有多级外凸棘轮，所述第一套筒41内壁设置有与第二套筒43的多级棘轮一一对应的的多级棘爪；
所述第一套筒41外壁设置有第一连接圆板42，所述阻尼伸缩套杆3尾部设置有第二连接圆板31，所述第一连接圆板42和第二连接圆板31固接。
具体的，如图6所示，所述曲线型金属套431采用埋设的方式设置于第二套筒43内部，所述第一套筒41和第二套筒43采用混凝土构件；具体的，所述曲线型金属套431和第二钢筋连接头432置于第二套筒43内部，通过模具支撑，浇筑混凝土，使得曲线型金属套431、第二钢筋连接头432和第二套筒43固接。
具体的，如图7所示，所述第一双圆钢管混凝土组合套筒5壁内轴向埋设有多个钢筋，所述多个钢筋在与第一套筒41连接的端部延伸出，形成第三钢筋连接头51，所述第一套筒41靠近第三钢筋连接头51的端部设置有多个与第三钢筋连接头51相适配的连接孔，用于第一双圆钢管混凝土组合套筒5与第一套筒41的连接；
当离心耗能结构6发生转动时，两个连接块61会产生靠近的位移趋势，该过程中刚性受压耗能阻尼器65会受压耗能。
刚性受压耗能阻尼器65采用具有大刚度的受压耗能阻尼器装置，起到耗能作用的同时将两个连接块61连接在一起，保证两个连接块61只能在本本申请阻尼结构的轴向位置中发生位移。
本发明提供的另一种优选实施例为，所述第一连接圆板42和第二连接圆板31上均设置有一一对应的连接孔，所述第一连接圆板42和第二连接圆板31上一一对应的连接孔分别螺栓连接；
具体的，所述第一连接圆板42为金属部件，在第一套筒41浇筑成型时，预埋在第一套筒41外壁端部；所述第一连接圆板42和第二连接圆板31为同轴设置。
进一步的，所述第二连接圆板31和第二套筒43之间设置有橡胶止抵圆环44，所述橡胶止抵圆环44用于缓冲第二套筒43在第一套筒41内部发生所能较大竖直向位移；
具体的，所述阻尼伸缩套杆3的内径小于橡胶止抵圆环44的外径，保证橡胶止抵圆环44可以一直被低阻尼伸缩套杆3压在第一套筒41内部。
本发明提供的另一种优选实施例为，所述低阻尼螺旋条12端部固接于万向铰2底部，所述低阻尼螺旋条12采用金属。
进一步的，所述万向铰2采用不可旋转式或只能小角度旋转的万向铰。
进一步的，所述阻尼伸缩套杆3采用高强金属低阻尼伸缩套杆。
进一步的，第二连接圆板31通过低阻尼旋转机构与低阻尼伸缩套杆3可转动连接，如低阻尼轴承等。
本发明提供的另一种优选实施例为，如图9所示，所述凹型圆盘9靠近外侧边缘的点的焦点低于靠近内侧点的焦点，保证半圆形滑动体8在支撑U型圆盘9内滑动时，阻尼伸缩套杆3会受到挤压力，进而进行伸缩，从而离心力转换段4会发挥功效。
本发明提供的另一种优选实施例为，所述凹型圆盘9底部竖直设置有多个支撑肋10，所述多个支撑肋10固接有垫板11。
本发明提供一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构的工作方法，包括以下步骤：
万向铰2受承力梁1的多角度的挤压后，传递压力至阻尼伸缩套杆3，阻尼伸缩套杆3产生伸缩形变，低阻尼螺旋条12带动离心力转换段4内的棘轮套筒结构旋转，并依次带动第一双圆钢管混凝土组合套筒5和离心耗能结构6转动，离心耗能结构6中的负重块体64在旋转的过程中，其一侧的弹簧连接件67受离心力作用产生形变耗能；
若超高层建筑顶部摆动，则第二双圆钢管混凝土组合套筒7和半圆形滑动体8会在支撑U型圆盘9内形成反复摆动和单方向持续转动的状态，支撑U型圆盘9的凹型曲面结构使得半圆形滑动体8趋于回归轴心位置，并重新作用于离心耗能结构6并通过弹簧连接件67形变耗能。
进一步的，若超高层建筑顶部所发生在水平面内投影的旋转方向和离心力转换段4的旋转方向相同，离心耗能结构6受到的离心作用会更大，旋转速度更快，其对应的，弹簧连接件67的形变程度对应变大，耗能效率提高；
若超高层建筑顶部所发生在水平面内投影的旋转方向和离心力转换段4的旋转方向相反，由于离心力转换段4的旋转方向唯一，则第二双圆钢管混凝土组合套筒7和半圆形滑动体8在支撑U型圆盘9内发生旋转的方向与超高层建筑相反，根据角动量平衡规则，离心耗能结构6旋转速度变慢，具体的，离心耗能结构6相对超高层建筑顶部在水平面内投影的旋转方向相反，离心耗能结构6能够有效减小超高层建筑顶部在水平面内旋转曲线的曲率，即减小超高层建筑顶部的摆动幅度，提高超高层建筑结构安全性能。
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实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，其特征在于，包括同轴依次连接的万向铰(2)、阻尼伸缩套杆(3)、离心力转换段(4)、第一双圆钢管混凝土组合套筒(5)、离心耗能结构(6)、第二双圆钢管混凝土组合套筒(7)、半圆形滑动体(8)和支撑U型圆盘(9)；
所述万向铰(2)一端止抵承力梁(1)，另一端固接阻尼伸缩套杆(3)；
所述离心力转换段(4)采用棘轮套筒结构，一端转动连接阻尼伸缩套杆(3)底部，另一端依次固定连接第一双圆钢管混凝土组合套筒(5)和离心耗能结构(6)；
所述离心耗能结构(6)包括刚性受压耗能阻尼器(65)和固接于刚性受压耗能阻尼器(65)两端的连接块(61)，所述连接块(61)四壁均铰接有连接杆(62)，所述两个连接块(61)的连接杆(62)一一对应设置于同一竖直方向；所述一一对应设置的两个连接杆(62)之间均分别铰接有连接板(63)；所述相邻连接板(63)之间均依次设置有旋转杆件(66)、负重块体(64)和弹簧连接件(67)；
所述第二双圆钢管混凝土组合套筒(7)一端固接靠近侧的连接块(61)，另一端固接半圆形滑动体(8)；
所述半圆形滑动体(8)自由端止抵支撑凹型圆盘(9)表面，所述支撑U型圆盘(9)为内凹型曲面结构。
2.根据权利要求1所述一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，其特征在于，所述棘轮套筒结构包括低阻尼螺旋条(12)和依次贯穿设置于低阻尼螺旋条(12)上的第一套筒(41)和第二套筒(43)；
所述第二套筒(43)包括曲线型金属套(431)，所述曲线型金属套(431)的内壁与低阻尼螺旋条(12)的外壁螺纹啮合；所述曲线型金属套(431)的外壁设置有多个第二钢筋连接头(432)，所述第二钢筋连接头(432)固接第二套筒(43)内壁；
所述第二套筒(43)外壁设置有多级外凸棘轮，所述第一套筒(41)内壁设置有与第二套筒(43)的多级棘轮一一对应的多级棘爪；
所述第一套筒(41)外壁设置有第一连接圆板(42)，所述阻尼伸缩套杆(3)尾部转动设置有第二连接圆板(31)，所述第一连接圆板(42)和第二连接圆板(31)固接。
3.根据权利要求2所述一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，其特征在于，所述第一连接圆板(42)和第二连接圆板(31)上均设置有一一对应的连接孔，所述第一连接圆板(42)和第二连接圆板(31)上一一对应的连接孔分别螺栓连接。
4.根据权利要求2所述一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，其特征在于，所述第二连接圆板(31)和第二套筒(43)之间设置有橡胶止抵圆环(44)。
5.根据权利要求2所述一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，其特征在于，所述低阻尼螺旋条(12)端部固接于万向铰(2)底部，所述低阻尼螺旋条(12)采用金属。
6.根据权利要求1所述一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，其特征在于，所述万向铰(2)采用不可旋转式万向铰；所述阻尼伸缩套杆(3)采用高强金属低阻尼伸缩套杆。
7.根据权利要求1所述一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，其特征在于，所述凹型圆盘(9)靠近外侧边缘的点的焦点低于靠近内侧点的焦点。
8.根据权利要求1所述一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，其特征在于，所述凹型圆盘(9)底部竖直设置有多个支撑肋(10)，所述多个支撑肋(10)固接有垫板(11)。
9.一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构的工作方法，其特征在于，基于权利要求1-8所述任意一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构，包括以下步骤：
万向铰(2)受承力梁(1)的多角度的挤压后，传递压力至阻尼伸缩套杆(3)，阻尼伸缩套杆(3)产生伸缩形变，低阻尼螺旋条(12)带动离心力转换段(4)内的棘轮套筒结构旋转，并依次带动第一双圆钢管混凝土组合套筒(5)和离心耗能结构(6)转动，离心耗能结构(6)中的负重块体(6)在旋转的过程中，其一侧的弹簧连接件(67)受离心力作用产生形变耗能；
若超高层建筑顶部摆动，则第二双圆钢管混凝土组合套筒(7)和半圆形滑动体(8)会在支撑U型圆盘(9)内形成反复摆动和单方向持续转动的状态，支撑U型圆盘(9)的凹型曲面结构使得半圆形滑动体(8)趋于回归轴心位置，并重新作用于离心耗能结构(6)并通过弹簧连接件(67)形变耗能。
10.根据权利要求9所述一种用于超高层建筑的离心式复摆阻尼结构的工作方法，其特征在于，
若超高层建筑顶部发生摆动在平面内投影的旋转方向和离心力转换段(4)的旋转方向相同，离心耗能结构(6)受到的离心作用会更大，旋转速度更快；
若超高层建筑顶部发生摆动在平面内投影的旋转方向和离心力转换段(4)的旋转方向相反，由于离心力转换段(4)的旋转方向唯一，则第二双圆钢管混凝土组合套筒(7)和半圆形滑动体(8)在支撑U型圆盘(9)内发生旋转的方向与超高层建筑相反，根据角动量平衡规则，离心耗能结构(6)旋转速度变慢。
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