CN207392498U - 抗地震倒塌的自减振结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抗地震倒塌的自减振结构，该结构底层局部布有摇晃构件，该摇晃构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，和/或，该摇晃构件前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙；该摇晃构件刚接有伸臂梁，伸臂梁搁置于基础顶上，且约束伸臂梁与基础相对侧滑，使结构底层刚度弱化并形成可局部摇晃的结构体系；摇晃构件受周围结构推动时发生摇晃，并牵连其所支撑的各支撑柱或墙抬起、落下和上下相对运动。本实用新型可使结构具备自减振功能，并有效提升结构抗地震倒塌能力。

Description

抗地震倒塌的自减振结构

技术领域

本实用新型涉及结构工程抗震技术领域，特别是涉及一种抗地震倒塌的自减振结构。

背景技术

房屋建筑结构抗震设计技术的发展大致经历两个途径，一是提高结构自身抵抗地震的能力途径，如发展高性能材料、构件和结构体系等；二是振动控制减小结构地震激励响应途径，如设置消能阻尼器耗能减振，及基础隔振等。耗能减振和隔振等在实践中并不一定泾渭分明，工程中的振动控制往往同时蕴含这两个概念和技术措施。

现有技术出现一种针对性放松结构内外约束弱化某些特定部位，以达到结构振动控制的效果。例如天然橡胶支座隔振基础、框架-摇摆核心筒等，此时结构或内部常呈现接近刚体模态的变形，低阶阶自振周期较大幅度变大，通常这类结构称为摇摆结构。进一步地，可在弱化部位附设耗能元件，实践隔振与耗能减振联合应用，同时减小弱化部位地震变形；或在构件连接部位用施加无粘结后张拉预应力替代刚性连接，既放松约束又在结构变形过程中产生滞回耗能，同时增强结构稳定性和使结构具有一定的自复位能力。

相比于传统结构，摇摆结构较大幅度减少地震对结构的能量输入，具有自减振和自复位能力等；但摇摆结构刚度弱化部位的地震变形较大，往往包含结构或非结构附件，如橡胶支座隔振基础、耗能元件或施加无粘结预应力等，需要更精心设计、施工和维护。

实用新型内容

本实用新型提供了一种抗地震倒塌的自减振结构，使体系具备自减振功能、自抑制刚度弱化部位地震变形及增强结构抗地震倒塌能力。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：抗地震倒塌的自减振结构，该结构底层局部布有摇晃构件，该摇晃构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，和/或，该摇晃构件前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙；该摇晃构件刚接有伸臂梁，伸臂梁搁置于基础顶上，且约束伸臂梁与基础相对侧滑，使结构底层刚度弱化并形成可局部摇晃的结构体系；摇晃构件受周围结构推动时发生摇晃，并牵连其所支撑的各支撑柱或墙抬起、落下和上下相对运动。

进一步的，所述摇晃构件呈V字形，其两上端部分别支撑上部的支撑柱或墙，且其两个上端部之间连接有第一横梁；所述摇晃构件下端刚接有所述伸臂梁。

进一步的，所述摇晃构件顶部与底层楼盖通过第二横梁连接。

进一步的，所述支撑柱或墙与周围各层楼盖之间分别通过第三横梁连接。

进一步的，所述支撑柱和/或墙之间在各层楼盖处分别连接有第四横梁。

进一步的，所述伸臂梁置于基层顶设置的凹槽内。

进一步的，所述伸臂梁的两梁端与所述凹槽侧壁约束的力学模型为辊轴支承。

进一步的，所述伸臂梁底面局部与基础顶紧密接触。

进一步的，所述伸臂梁底与基础顶的接触面为平面或平缓曲面或阶梯状折面。

进一步的，所述摇晃构件为V形柱或倒三角形墙或倒梯形墙。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型采用在结构底层局部布有刚接伸臂梁的摇晃构件，使之形成一种局部摇晃柱结构减振体系。底层局部摇晃构件布置使体系底层刚度弱化，以利于减少地震能量输入；受周围结构水平推动，摇晃构件牵连其上的支撑柱或墙等抬起、落下和上下相对运动等，相当于增大了体系水平振动质量，也使体系低阶振动频率减小，均有利于减小体系水平振动能量，从而减小体系水平位移幅值。

特别地，伸臂梁与基础顶的相对侧滑受限，伸臂梁纯滚动时与基础顶的接触部位随其转角增大而偏移，且摇晃构件牵连其支撑的支撑柱或墙等的抬起、落下和上下相对运动与体系的水平运动同步，体系水平位移增大，摇晃构件承载重力对所述伸臂梁与基础顶接触部位的力矩也增大；摇晃构件牵连其左部和右部分别支撑的支撑柱或墙等抬起、落下和上下相对运动加速度越大，对应的惯性力矩也越大。该两种力矩最终均反作用于周围结构，可减小底层刚度弱化的不利影响并增强体系稳定性。

相比现有技术，本实用新型的一种抗地震倒塌的自减振结构，可不需另附设耗能元件或施加无粘结预应力，使结构自抑制弱化部位地震变形及增强结构抗地震倒塌能力。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明；但本实用新型的一种抗地震倒塌的自减振结构不局限于实施例。

附图说明

图1是实施例一本实用新型的结构模型示意图；

图2是实施例一本实用新型的结构模型侧移变形示意图；

图3是实施例一本实用新型的伸臂梁搁置基础顶侧示图；

图4是实施例一本实用新型的伸臂梁纯滚动示意图；

图5是实施例二本实用新型的结构模型示意图；

图6是实施例二本实用新型的伸臂梁搁置基础顶示意图；

图7是实施例三本实用新型的结构模型示意图。

具体实施方式

实施例一

请参见图1、图2所示，本实用新型的一种抗地震倒塌的自减振结构，结构底层局部布置有摇晃构件，该摇晃构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱21、墙22。摇晃构件左部、右部所支撑的构件(支撑柱或墙)并非同一个构件，本实施例中，即摇晃构件左部对支撑柱21进行支撑，摇晃构件右部对墙22进行支撑。该摇晃构件下端刚接有伸臂梁31，该伸臂梁31的轴线位于左右方向上，该伸臂梁31搁置于基础4顶，且约束伸臂梁31与基础4相对侧滑，使结构底层刚度弱化并形成可局部摇晃的结构体系。遭遇地震时，摇晃构件受周围结构水平推动发生摇晃，并牵连其左部和右部分别支撑的支撑柱21、墙22抬起、落下和上下相对运动，且支撑柱21、墙22对周围结构产生反作用。

摇晃构件的左部、右部是指摇晃构件在自减振结构的横向上所在的两个部分，该两个部分以结构静止(平衡状态)时伸臂梁31支承于基础4顶的位置分界。

本实施例中，将体系中摇晃构件、伸臂梁31、摇晃构件左部和右部分别支撑的支撑柱或墙及它们所承重的结构部分，称为“局部摇晃柱”；而将“局部摇晃柱”周边与之连接的体系其它结构部分，称为“周围结构”。摇晃构件所支撑的构件为支撑柱21、墙22，相比于传统的落地剪力墙，墙22的性质较类似于支撑柱21，但一般墙和柱的截面抗弯和抗剪刚度差别较大，墙22对体系相关楼层水平变形的约束强于支撑柱21。

本实施例中，所述摇晃构件呈V字形，具体该摇晃构件为V形柱1，其两上端部为左右关系，并分别支撑所述支撑柱21和墙22。本实用新型在结构底层局部用V形柱1替换传统结构中垂直落地的柱(或墙)，V形柱1及下端刚接的伸臂梁31只能在基础4顶纯滚动，V 形柱1纯滚动将牵连其两上端部的支撑柱21、墙22等抬起、落下和上下相对运动。

本实施例中，V形柱1的两上端部与支撑柱21、墙22连接的力学模型为铰接。

本实施例中，所述V形柱1的两个上端部之间连接有第一横梁51。V形柱1两个上端部用第一横梁51连接近似组成一个三角形，以减少V形柱1的两个分叉柱的弯曲变形。第一横梁51与V形柱1两上端部刚接，V形柱1两上端部分别与周围底层楼盖刚接有第二横梁61，支撑柱21、墙22分别与周围各层楼盖之间铰接有第三横梁62，支撑柱21和/或墙 22之间在各层楼盖处分别铰接有第四横梁52。

本实施例中，所述伸臂梁31搁置于基础4顶设置的矩形凹槽41内。所述伸臂梁31受到基础4的水平向支承约束。

请参见图3所示，本实施例中，V形柱1下端刚接的伸臂梁31置于基础4顶的矩形凹槽41内，伸臂梁31的两梁端受基础4顶凹槽41侧壁约束的力学模型为辊轴支承。V形柱1 及其下端刚接的伸臂梁31相对于基础4的水平侧滑被限，只能在基础4顶纯滚动。

本实施例中，所述伸臂梁31底面只有局部与基础4顶紧密接触。所述伸臂梁31底与基础4顶的接触面为平缓曲面。以此实现前述V形柱1及其下端刚接的伸臂梁31在基础4 顶纯滚动，而不是绕伸臂梁31梁端定轴转动。此时，伸臂梁31底与基础4顶的接触部位将随V形柱1转角增大而偏移，且V形柱1下端被逐渐抬起。此外，V形柱1转动将牵连其两上端部的支撑柱21、墙22等上下相对运动。

本实施例中，V形柱1下端刚接的伸臂梁31的底面采用圆柱曲面，而基础4顶凹槽41的底面采用水平面。

请参见图4所示，伸臂梁31底圆柱曲面的圆曲率越小(即圆半径R越大)，V形柱1 摇晃时伸臂梁31底与基础4顶接触部位的偏移量x就越大。体系水平振动时，由运动学可知，V形柱1及其下端刚接的伸臂梁3的转角等于体系底层层间位移角θ。考虑到体系正常工作时θ一般较小，选择采用较大的圆半径R。此时，伸臂梁31底与基础4顶接触部位的偏移量为x＝Rθ，V形柱1下端两柱交叉处的抬起量近似为y＝Rθ²-R(1-cosθ)θ≈Rθ²。

作为一种优选，所述伸臂梁31的挑出长度，使当结构底层层间位移角达到弹塑性变形限值时，伸臂梁31底与基础4顶保持面接触。

进一步说明，出于对结构遭遇大地震不倒塌的要求，结构抗震设计对结构弹塑性层间位移角提出一定限值条件。例如：框架结构弹塑性层间位移角一般不大于1/50，框架-剪力墙结构弹塑性层间位移角一般不大于1/100等。对本实施例，底层为框架结构，采用弹塑性层间位移角限值θ＝1/50，与此限值相应的V形柱1转角θ＝1/50，作为一种优选，不妨预设伸臂梁31的挑出长度1800mm，留有余量取此时相应伸臂梁31底与基础4顶接触部位偏移量x＝1600mm作估算，则伸臂梁31底圆柱曲面的圆半径为R＝1600mm÷(1/50)＝80000mm，V形柱1下端两柱交叉处抬起y≈80000mm×1/50²＝32mm。

本实用新型的一种抗地震倒塌的自减振结构，以实施例一说明其自减振、自抑制弱化部位地震变形及增强体系抗地震倒塌能力的工作机理如下：

⑴所述的抗地震倒塌的自减振结构，底层局部布有V形柱1，且解除V形柱1的转动约束和向上运动约束，弱化了体系底层刚度；受周围结构水平推动，V形柱1纯滚动及牵连其两上端部的支撑柱21、墙22等抬起、落下和上下相对运动，与底层楼盖水平运动同步，相当于增加了体系水平振动质量；均使体系低阶自振频率较大幅度变小，从而远离场地特征频率以利于减少对体系的地震能量输入，从而减小体系水平振动位移幅值。

⑵所述的抗地震倒塌的自减振结构，受周围结构水平推动，V形柱1向一侧摇晃，V形柱1下端刚接的伸臂梁31与基础4顶的接触(支撑)位置随其转角增大而不断偏移，V 形柱1下端随之逐渐抬起，V形柱1两上端部支撑柱21、墙22承载的重力做负功，一部分体系水平振动动能转化为重力势能，从而进一步减小体系水平振动位移幅值。

⑶所述的抗地震倒塌的自减振结构，受周围结构水平推动，V形柱1向一侧摇晃时，V 形柱1下端抬起牵连其两上端部的支撑柱21、墙22等向上平移，V形柱1转动牵连其两上端部的支撑柱21和墙22等上下相对运动，一部分体系水平振动动能转化为垂直振动动能，同时增加体系内部阻尼耗散，从而进一步减小体系水平振动位移幅值。

⑷所述的抗地震倒塌的自减振结构，受周围结构水平推动，V形柱1向一侧摇晃，V形柱1下端刚接的伸臂梁31与基础4顶的接触(支撑)位置随其转角增大而不断偏移，V 形柱1两上端部的支撑柱21、墙22承载重力对该接触位置的力矩也逐渐增大，该力矩反作用于周围结构，将阻碍底层楼盖的水平侧移，从而减小体系底层刚度弱化的不利影响。

⑸所述的一种抗地震倒塌的自减振结构，受周围结构水平推动，V形柱1向一侧摇晃时，V形柱1下端抬起牵连其两上端部的支撑柱21、墙22等向上平移，V形柱1转动牵连其两上端部的支撑柱21、墙22等上下相对运动，与此向上平移、及上下相对运动加速度对应的惯性力矩，最终将反作用于底层楼盖，将阻碍底层楼盖的水平侧移，从而也减小体系底层刚度弱化的不利影响。

⑹如前(2)、⑶、(4)和⑸所述，V形柱1及其下端刚接的伸臂梁31、V形柱1两上端部上的支撑柱21、墙22等结构部分，相当于体系内置的一个“不倒翁”；且所述伸臂梁 31的挑出长度，使当结构底层层间位移角达到弹塑性变形限值时，伸臂梁31底与基础4顶保持面接触。故，除了前述减小体系水平振动位移、自抑制体系底层(刚度弱化层)地震变形，也将有效提升体系在弹性和弹塑性振动时的整体稳定性，增强体系遭受罕遇大震时的抗倒塌能力。

本实用新型的一种抗地震倒塌的自减振结构，所述V形柱本身为体系承重构件，可不需另附设耗能元件或施加无粘结预应力等。但本实用新型不排斥以此为基础，进一步采取附设耗能元件或施加无粘结预应力等技术措施。

实施例二

请参见图5-图6所示，本实用新型的一种抗地震倒塌的自减振结构，其与实施例一的主要区别在于：V形柱1两个上端部支撑的构件均为柱构件，即支撑柱21、23，V形柱1两个上端部与支撑柱21、23的连接为刚接，支撑柱21、23之间在各层楼盖处分别有第四横梁 52刚接。

体系遭遇地震时，V形柱1摇晃牵连其两上端部上的支撑柱21、23等抬起、落下和上下相对运动，V形柱1与其两个上端部上的支撑柱21、23连接结点处柱截面，以及支撑柱 21、23与之间的第四横梁52连接结点处梁截面的转角变形，比周围结构中梁柱结点的转角变形一般大很多，将率先形成塑性铰，使之成为类似实施例一的局部摇晃柱结构。所形成的塑性铰在V形柱1牵连其两上端部支撑柱21、23等摇晃过程中将产生滞回变形耗能，进一步提升体系弹塑性振动阶段的减振效果。

本实施例与实施例一的区别还在于：V形柱1下端刚接的伸臂梁32与基础4的接触面，均采用阶梯状折面。作为一种优选，不妨取伸臂梁32底水平阶梯面的每阶梯长500mm、高5mm，伸臂梁32的挑出长度左右各2000mm；基础4顶矩形凹槽41底水平阶梯面的每阶梯长500mm、高3mm。

实施例三

本实用新型的一种抗地震倒塌的自减振结构，其与实施例二的主要区别在于：V形柱1 两上端部支撑的构件均为柱构件，支撑柱21、23，V形柱1两个上端部与支撑柱21、23连接的力学模型均为铰接，支撑柱21、23之间在各层楼盖处分别有第四横梁52刚接。

本实施例与实施例二的区别还在于：V形柱1两个上端部与周围底层楼盖、支撑柱21、 23分别与周围各层楼盖之间采用弹簧和阻尼器连接，弹簧和阻尼器水平并联，且阻尼器在水平和垂直方向均可产生阻尼力作用。

实施例四

请参见图7所示，本实用新型的一种抗地震倒塌的自减振结构，其与实施例一的主要区别在于：V形柱1两上端部支撑的构件均为柱构件，即支撑柱21、23，V形柱1两上端部与支撑柱21、23的连接均为刚接，支撑柱21、23之间在各层楼盖处分别有第四横梁52刚接。

本实施例与实施例一的区别还在于：V形柱1及横梁51被一片倒梯形墙7替换。

实施例五

其与上述各实施例的区别在于：所述摇晃构件为倒三角形墙。

实施例六

其与上述各实施例的区别在于：所述摇晃构件仅前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙，且摇晃构件前部、后部所支撑的构件(支撑柱或墙)并非同一个构件。摇晃构件的前部、后部是指摇晃构件在自减振结构的纵向上所在的两个部分，该两个部分以结构静止(平衡状态)时伸臂梁支承于基础顶的位置分界。

实施例七

其与上述各实施例的区别在于：所述摇晃构件不仅左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，所述摇晃构件的前部和后部也分别支撑上部的支撑柱或墙，且摇晃构件左部、右部、前部、后部以及该四者中的任意两个、任意三个所支撑的构件(支撑柱或墙)并非同一个构件。

上述实施例仅用来进一步说明本实用新型的一种抗地震倒塌的自减振结构，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：该结构底层局部布有摇晃构件，该摇晃构件左部和右部分别支撑上部的支撑柱或墙，和/或，该摇晃构件前部和后部分别支撑上部的支撑柱或墙；该摇晃构件刚接有伸臂梁，伸臂梁搁置于基础顶上，且约束伸臂梁与基础相对侧滑，使结构底层刚度弱化并形成可局部摇晃的结构体系；摇晃构件受周围结构推动时发生摇晃，并牵连其所支撑的各支撑柱或墙抬起、落下和上下相对运动。

2.根据权利要求1所述的抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：所述摇晃构件呈V字形，其两上端部分别支撑上部的支撑柱或墙，且其两上端部之间连接有第一横梁；所述摇晃构件下端刚接有所述伸臂梁。

3.根据权利要求1所述的抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：所述摇晃构件顶部与底层楼盖通过第二横梁连接。

4.根据权利要求1所述的抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：所述支撑柱或墙与周围各层楼盖之间分别通过第三横梁连接。

5.根据权利要求1所述的抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：所述支撑柱和/或墙之间在各层楼盖处分别连接有第四横梁。

6.根据权利要求1所述的抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：所述伸臂梁置于基础顶设置的凹槽内。

7.根据权利要求6所述的抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：所述伸臂梁的两梁端与所述凹槽侧壁约束的力学模型为辊轴支承。

8.根据权利要求1所述的抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：所述伸臂梁底面局部与基础顶紧密接触。

9.根据权利要求1或7所述的抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：所述伸臂梁底与基础顶的接触面为平面或平缓曲面或阶梯状折面。

10.根据权利要求1所述的抗地震倒塌的自减振结构，其特征在于：所述摇晃构件为V形柱或倒三角形墙或倒梯形墙。