CN117211435A - 一种多灾害韧性防护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多灾害韧性防护结构，该多灾害韧性防护结构包括：牺牲挂板、支撑弹簧、阻尼器、底板。牺牲挂板由扁形箱和泡沫混凝土芯层组成，牺牲挂板芯层在受压过程中吸收较多的能量，从而提升结构的抗爆防护性能；支撑弹簧不仅可以调节TMD的自振频率，同时可以降低传递到被保护结构的爆炸荷载；牺牲挂板和底板之间设有若干横向的阻尼器，当牺牲挂板在地震作用下做惯性运动时连杆机构会带动阻尼器产生相对运动，从而实现耗能减震的作用。本发明通过牺牲挂板与主结构相对运动而抵消或吸收输入的振动能量降低结构在地震激励下的动力响应，同时利用牺牲挂板芯层在爆炸荷载作用下的吸能特性进行结构抗爆，从而可以实现结构的多灾害韧性防护。
Description
技术领域
本发明涉及一种多灾害韧性防护结构，可用于提高建筑结构在爆炸荷载和地震作用下抗多灾害性能，属于建筑结构防护领域。
背景技术
民用基础设施，包括民用建筑和能源、生命线等工程，为人民生活提供了重要的服务和便利。近些年来，极端事件(如地震、飓风、龙卷风、风暴潮、意外事故及恐怖袭击引起的爆炸)表明建筑物和交通基础设施在功能突然丧失的脆弱性。因此基础设施需要考虑多灾害的影响进行设计、建造和维护，以充分抵抗极端荷载的影响，从而维持其持续的服务性能。提高极端荷载下结构性能的一种解决方案是基于性能的设计方法。常用的策略是根据需求调整结构的刚度、阻尼等，以使产生的动态响应满足规定的工作性能要求。对于地震荷载，通常可以通过安装各类减隔震设备实现目标响应，如叠层橡胶支座、摩擦阻尼器、防屈曲支撑、调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)等。
新材料和新型结构形式可用于提高初建结构的抗爆性能，如超高性能混凝土等。与此同时，大量重要的既有结构或承重构件也需要得到保护。为此，基于泡沫铝夹芯板、折纸结构和泡沫混凝土的牺牲挂板和防爆墙被广泛用于提高现有结构的抗爆能力。其中，牺牲挂板由于其轻质、高效的吸能性能，已成为当前的研究热点。
结构在全寿命周期中将承受永久荷载、可变荷载和偶然荷载的共同作用。强地震和爆炸等极端偶然荷载会导致结构的巨大破坏，并严重威胁人类的生命和财产安全。但是在传统的结构设计中，通常研究人员仅针对单一灾种(如抗震、抗爆、抗风等)研发设计对应的防护结构，较少考虑设计应对多种极端偶然荷载的防护结构，从而导致结构抗多灾性能严重不足。考虑结构在全寿命周期内可能遭受的多重和多种灾害，设计合理的抗多灾害防护结构，这对于保障工程结构的安全性和全面提升全社会防灾减灾能力，具有重要的理论意义与应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能够用于抵抗多灾害的韧性防护结构。所用抗震方法为典型的被动控制，由于被动控制装置构造简单、经济、易于维护等优点，已经广泛地应用到实际抗震工程中。本发明中牺牲挂板与阻尼器、支撑弹簧一同组成了调频质量阻尼器(Tuned Mass Dampers，简称TMD)，牺牲挂板在地震作用下产生惯性力，通过牺牲挂板与主结构的相对运动而抵消或吸收输入的扰动力或结构控制振型的振动能量使结构在地震、风或其他环境激励下的动力响应明显降低。同时又可以利用牺牲挂板的芯层在爆炸荷载作用下的吸能特性进行结构抗爆，从而可以实现结构的多灾害防护。此外，该防护结构在受地震作用或爆炸荷载下发生破坏后可对破坏部分直接替换，操作方便，相对于主体建筑结构维修，经济成本与时间成本显著降低，大幅提升了建筑结构的可修复能力。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
该多灾害韧性防护结构包括：牺牲挂板、支撑弹簧、阻尼器、底板，所述牺牲挂板由扁形箱和泡沫混凝土芯层组成，所述支撑弹簧焊接于上部/下部连接板上，上下连接板通过螺栓连接分别安装于牺牲挂板与底板；
所述牺牲挂板和底板之间的四周均设有若干横向的阻尼器，所述的阻尼器两端通过连杆机构将其平行安装于牺牲挂板和底板之间，所述连杆机构包括四个固定基座、四个固定板、六个销轴和四个连杆，其中一侧两根连杆的一端通过销轴相接，其中另一侧两根连杆的一端也通过销轴相接，连杆均可绕销轴转动，四根连杆的另一端分别通过销轴安装于不同的固定基座上，四个固定基座分别连接四个固定板，阻尼器的两端通过两个销轴相连。当牺牲挂板在地震作用下做惯性运动时连杆机构会带动阻尼器产生相对运动，从而实现耗能减震的作用。
一种多灾害韧性防护结构，其特征在于，包括：牺牲挂板1、支撑弹簧4、阻尼器6和底板8；其中所述牺牲挂板1由扁形箱11和芯层15组成；所述支撑弹簧4焊接于上部连接板42和下部连接板43上，上部连接板42和下部连接板43通过螺栓连接安装于牺牲挂板1与底板8之间；所述牺牲挂板1和底板8之间的四周均设有若干横向的阻尼器6，每个阻尼器两端通过连杆机构7将其平行安装于牺牲挂板1和底板8之间；每个连杆机构7为对称结构，包括四个固定基座、四个固定板、六个销轴和四个连杆，四个固定基座包括两个上部固定基座和两个下部固定基座；四个连杆包括两个第一连杆和两个第二连杆；其中一侧第一连杆的尾端和第二连杆的顶端通过销轴相接，其中另一侧第一连杆的尾端和第二连杆的顶端也通过另一销轴相接，阻尼器6的两端通过两个销轴相连；两根第一连杆的顶端分别通过销轴安装于上部固定基座上，两根第二连杆的尾端通过销轴安装于下部固定基座上；四个固定基座分别连接四个固定板，四个连杆均可绕销轴转动。
优选地，所述扁形箱由六块板材(一块顶板，四块侧板，一块背板)组成，其中相邻侧板，侧板与顶板均进行焊接。扁形箱侧板开设若干螺栓孔，扁形箱背板与扁形箱侧板采用角钢进行连接。为了实现背板与侧板角钢连接，扁形箱背板水平方向的尺寸(长和宽)要大于扁形箱顶板尺寸，且在扁形箱背板开设若干螺栓孔，方便与支撑弹簧连接。为节约空间，扁形箱的高一般要小于其长宽。扁形箱作为容器，在其中填加抵御爆炸荷载的可压缩芯层，在芯层受荷载压缩的过程中，扁形箱顶板可以将爆炸荷载较均匀地施加在芯层上，并降低输入到芯层的能量。同时，扁形箱对芯层起到了约束的作用，不仅使芯层充分压缩，而且可以提升芯层的压缩强度。扁形箱还可以作为TMD的主要质量源，为抵抗地震作用提供惯性力。
优选地，TMD质量源的质量对于结构振动控制效果具有显著影响，因此扁形箱作为TMD的主质量源，其几何尺寸可根据实际工程条件和工程概况进行优化设计，以充分发挥TMD的抗震性能。
优选地，牺牲挂板芯层建议采用缓冲吸能的泡沫混凝土多孔材料。泡沫混凝土材料具有较长的应力平台，在受压逐层破碎的过程中会吸收较多能量。在芯层压缩过程中传递给被保护结构的荷载为牺牲挂板的平台应力，避免出现应力集中的现象，无论从能量吸收或荷载传递的角度均有利于缓解爆炸荷载，提升结构的防护性能。另外，泡沫混凝土还具有易浇筑成型，施工方便，造价低，轻质环保等优点。
优选地，与扁形箱的质量相比，泡沫混凝土芯层的质量较小，但仍然可以作为TMD的次要质量源，为抵抗地震作用提供部分惯性力。因此在实际工程中，可针对不同工况合理选择不同密度，进而改变泡沫混凝土的质量、压缩强度和能量吸收能力，从而发挥其抵御多灾害的性能。
优选地，根据工程所需，所述阻尼器可以为粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等不同类型阻尼器，其功能均是为TMD提供阻尼，通过阻尼系统耗散振动能量，从而达到减震或抗风的效果。
优选地，支撑弹簧的作用是调节TMD的自振频率，使其接近结构的基本频率或是激励频率，从而达到最优或近优的调谐状态，实现对结构振动的有效控制，因此可以根据实际工程中的结构特性来选择支撑弹簧的类型、参数及数量。
优选地，支撑弹簧作为一种柔性连接装置将牺牲挂板与被保护结构相连。牺牲挂板与支撑弹簧共同组成了挂板-连接器系统，爆炸荷载作用下牺牲挂板利用芯层压缩消耗大部分的能量，在芯层压缩到一定程度之后，支撑弹簧发生形变，通过弹簧变形增加荷载作用时间，降低传递到被保护结构的荷载峰值，在弹簧变形的过程中剩余部分能量以弹性势能的方式进行消耗，如有未耗散的能量将继续传递至被保护结构。在芯层压缩过程中，支撑弹簧为牺牲挂板提供恢复力，因此每一个支撑弹簧均可视为牺牲挂板的自恢复韧性单元，利用支撑弹簧实现了在爆炸冲击后防护结构的自复位，从而使防护结构快速恢复到正常使用功能。在面对连环爆炸或发生次生灾害等极端情况下对主体结构提供有效的韧性防护。
优选地，所述底板开设若干螺栓孔，其中底板四个边角处的螺栓孔较大用以将多灾害韧性防护结构固定于被保护结构上，除此之外，底板可以降低由支撑弹簧传递的爆炸荷载。所述的支撑弹簧与连接板之间的焊接可以采用电弧焊、埋弧焊等方式，支撑弹簧的上下连接板开有若干螺栓孔可以采用螺栓连接与牺牲挂板和底板相连。阻尼器通过连杆机构安装于牺牲挂板和底板之间。连杆机构中固定基座与固定板之间采用焊接方式，上下固定板开设若干螺栓孔利用螺栓连接分别安装于牺牲挂板和底板上。所述多灾害韧性防护结构关键部位均采用模块化装配方式连接使得防护结构安装和维修加固更加便捷，大幅降低了时间和经济成本。因此重要部件(如牺牲挂板、阻尼器、支撑弹簧等)在消能变形或破坏后可以拆除，重新安装新的部件，进而实现结构的韧性防护。
优选地，所述各板块所用材料可为低碳钢板、不锈钢板、合金钢材和塑钢等。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中多灾害韧性防护结构通过牺牲挂板与主体结构的相对运动而抵消或吸收输入的扰动力或结构控制振型的振动能量使结构在地震、风或其他环境激励下的动力响应明显降低。同时又可以利用牺牲挂板的芯层在爆炸荷载作用下的吸能特性进行结构抗爆，从而可以实现结构的多灾害防护。
(2)本发明中支撑弹簧不仅可以消耗牺牲挂板所传递的能量，同时可以降低传递到被保护结构的荷载峰值。除此之外，支撑弹簧可视为牺牲挂板的自恢复韧性单元，利用支撑弹簧实现在爆炸冲击后防护结构的自复位功能，从而使防护结构在应对连环爆炸等极端情况下为主结构提供有效的韧性防护。
(3)本发明可以通过调节芯层密度改变芯层的耗能性能和次质量源的质量，因此可以考虑芯层的多灾害防护性能对芯层进行优化设计，从而实现实用性和经济性的最大化。
(4)本发明中多灾害防护结构采用模块化装配方式使得安装和维修加固更加便捷，大幅降低了时间和经济成本。
(5)本发明中牺牲挂板芯层所用材料质量轻，节能环保，制作简单，且多灾害防护结构安装于墙体，因此可以充分发挥芯层保温、隔热耐火、隔音的材料特性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明牺牲挂板结构刨面示意图；
图3为本发明扁形箱刨面示意图；
图4为本发明阻尼器安装示意图；
图5为本发明支撑弹簧安装示意图。
图中：1、牺牲挂板；11、扁形箱；12、扁形箱顶板；13、扁形箱背板；14、扁形箱侧板；15、芯层；2、螺栓孔；3、角钢；4、支撑弹簧；41、弹簧；42、上部连接板；43、下部连接板；5、螺栓；6、阻尼器；7、连杆机构；71、上部固定基座；72、下部固定基座；73、上部固定板；74、下部固定板；75、销轴；76、第一连杆；77、第二连杆；8、底板。
具体实施方式
结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明为一种多灾害韧性防护结构，由牺牲挂板1、支撑弹簧4、阻尼器6、底板8共同组成。
现针对建筑墙体设置多灾害韧性防护结构作为示例叙述安装步骤。
TMD与整体建筑结构的质量比增大，减振效果会更佳，当质量比逐渐增大到一定值时，变化趋势趋于稳定，因此TMD中质量源的质量可以根据实际条件酌情选取，通常质量比取1％或稍大一些。选定质量比后根据整体建筑结构质量计算出TMD的质量，并结合墙体的数量和面积确定一堵墙体所需安装TMD的质量，进而设计出牺牲挂板1的几何尺寸和数量。
牺牲挂板1由扁形箱11和芯层15两部分组成，首先制作扁形箱11，将设计好尺寸的侧板14和顶板12焊接在一起形成缺少背板13的扁形箱11，然后按照设定配合比将水、水泥和外加剂混合制成水泥浆，随后根据设定密度掺入泡沫并搅拌均匀形成泡沫混凝土浆体并将其浇筑至缺少背板13的扁形箱11中振捣均匀，按照规定的龄期进行养护，保证泡沫混凝土完成凝结硬化产生强度。为了方便安装支撑弹簧4，需要对扁形箱背板13开设螺栓孔2，螺栓孔2的直径可开设为1.0cm-2.0cm，其中相邻两个螺栓孔2间的间距可以根据需要设置为3.5cm-5cm，四边边缘处的螺栓孔2距离板边可设置为1.0cm-2.0cm。在角钢3上均匀开设螺栓孔2，其直径大小与扁形箱背板13螺栓孔2一致，最后利用角钢3、螺栓5将扁形箱背板13与扁形箱11其他部分连接在一起，即可制成泡沫混凝土填充的牺牲挂板结构1。
支撑弹簧4的作用是调节TMD的自振频率，使其接近结构的基本频率或是激励频率，从而达到最优或近优的调谐状态，实现对结构振动的有效控制，因此可以根据实际工程中的结构特性来选择弹簧41的类型、参数及数量。为了安装方便，利用上部连接板42和下部连接板43将弹簧41分别与牺牲挂板1和底板8相连。上部连接板42各开设两个螺栓孔2，直径可开设为1.0cm-2.0cm，与扁形箱背板13上的螺栓孔2尺寸对应。下部连接板43各开设两个螺栓孔2，直径可开设为2.0cm-3.0cm，与底板8四个边角处的螺栓孔2尺寸对应。除底板8的四个角落外，底板8所开设的螺栓孔2直径可为1.0cm-2.0cm，与上部连接板42上的螺栓孔2尺寸对应，底板8四个边角处的螺栓孔2较大(可设置为2.0cm-3.0cm)用以将多灾害韧性防护结构固定于被保护墙体上。利用焊接方式将弹簧41与上部连接板42和下部连接板43相连，然后采用螺栓5连接将弹簧41的上部连接板42和下部连接板43分别与牺牲挂板1和底板8相连。每一个支撑弹簧均可视为牺牲挂板的自恢复韧性单元，除四个角落处的支撑弹簧外，每一个相邻自恢复韧性单元等间距分布，间距可为8.0cm-10.0cm，并依次进行安装。
根据工程所需，选择合适类型的阻尼器6为TMD提供阻尼，通过阻尼系统耗散振动能量，从而达到减震或抗风的效果，阻尼器数量根据实际工程确定。所述牺牲挂板1和底板8之间的四周均设有若干横向的阻尼器6，每个阻尼器两端通过连杆机构7将其平行安装于牺牲挂板1和底板8之间；每个连杆机构7包括四个固定基座、四个固定板、六个销轴和四个连杆，其中一侧第一连杆76的尾端和第二连杆77的顶端通过销轴75相接，其中另一侧第一连杆76的尾端和第二连杆77的顶端也通过销轴75相接，连杆均可绕销轴75转动，两根第一连杆76的顶端分别通过销轴75安装于上部固定基座71上，两根第二连杆77的尾端通过销轴75安装于下部固定基座72上；上部固定板73和下部固定板74各开有四个螺栓孔2，直径可开设为1.0cm-2.0cm，与扁形箱背板13和底板8(除四个角落处)的螺栓孔2尺寸对应；然后分别将上部固定基座71和下部固定基座72焊接在上部固定板73和下部固定板74上，采用螺栓连接将上部固定板73和下部固定板74与牺牲挂板1和底板8相连；阻尼器6的两端通过两个销轴75相连。根据阻尼器数量，重复上述步骤，依次完成阻尼器的安装工作。上述步骤完成后，基于底板8四个边角处的螺栓孔2利用螺栓5将多灾害韧性防护结构固定于墙体上。
Claims (8)
1.一种多灾害韧性防护结构，其特征在于，包括：牺牲挂板(1)、支撑弹簧(4)、阻尼器(6)和底板(8)；其中所述牺牲挂板(1)由扁形箱(11)和芯层(15)组成；所述支撑弹簧(4)焊接于上部连接板(42)和下部连接板(43)上，上部连接板(42)和下部连接板(43)通过螺栓连接安装于牺牲挂板(1)与底板(8)之间；所述牺牲挂板(1)和底板(8)之间的四周均设有若干横向的阻尼器(6)，每个阻尼器两端通过连杆机构(7)将其平行安装于牺牲挂板(1)和底板(8)之间；每个连杆机构(7)为对称结构，包括四个固定基座、四个固定板、六个销轴和四个连杆，四个固定基座包括两个上部固定基座和两个下部固定基座；四个连杆包括两个第一连杆和两个第二连杆；其中一侧第一连杆的尾端和第二连杆的顶端通过销轴相接，其中另一侧第一连杆(76)的尾端和第二连杆(77)的顶端也通过另一销轴相接，阻尼器(6)的两端通过两个销轴相连；两根第一连杆的顶端分别通过销轴安装于上部固定基座上，两根第二连杆的尾端通过销轴安装于下部固定基座上；四个固定基座分别连接四个固定板，四个连杆均可绕销轴转动。
2.根据权利要求1所述的一种多灾害韧性防护结构，其特征在于：扁形箱(11)不仅作为可压缩芯层(15)的容器，还作为TMD的主要质量源。
3.根据权利要求1所述的一种多灾害韧性防护结构，其特征在于：芯层(15)采用泡沫混凝土、泡沫铝、聚氨酯泡沫或聚苯乙烯泡沫多孔材料。
4.根据权利要求1所述的一种多灾害韧性防护结构，其特征在于：芯层(15)作为TMD的次质量源。
5.根据权利要求1所述的一种多灾害韧性防护结构，其特征在于：阻尼器(6)为粘滞阻尼器或摩擦阻尼器。
6.根据权利要求1所述的一种多灾害韧性防护结构，其特征在于：支撑弹簧(4)不仅调节TMD的自振频率，还作为牺牲挂板(1)的自恢复韧性单元。
7.根据权利要求1所述的一种多灾害韧性防护结构，其特征在于：多灾害韧性防护结构关键部分均为预制构件，且采用模块化装配方式连接使得防护结构在现场拼接完成。
8.根据权利要求1所述的一种多灾害韧性防护结构，其特征在于：各板块所用材料为低碳钢板、不锈钢板、合金钢材或塑钢。
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- 2023-09-28 CN CN202311276020.7A patent/CN117211435A/zh active Pending
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