CN212053181U - 一种基于主动消能技术的垂直绿化智能组拼结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种全新智能垂直绿化结构，具体涉及一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，其解决了现有VGT技术中承重龙骨笨重、安装繁琐、安全性低、维修不便、功能单一等问题。一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，包括两个三角型耗能支撑架，两个三角型耗能支撑架之间通过上弦杆和下弦杆进行连接；所述三角型耗能支撑架包括两个方形耗能管、一个矩形耗能管、一个竖杆、两个斜杆，两个方形耗能管和一个矩形耗能管构成三角型耗能支撑架的三个顶点，一个竖杆、两个斜杆构成三角型耗能支撑架的三个边；两个三角型耗能支撑架位于下部的斜杆之间设有下承重板。

Description

一种基于主动消能技术的垂直绿化智能组拼结构

技术领域

本实用新型涉及一种全新智能垂直绿化结构，具体涉及一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构。

背景技术

垂直绿化结构VGT(Vertical Green Technology)最初是用作外墙遮阳继而降低墙体表面温度，后来随着城市热岛效应、全球增温、空气污染、高层防火、高空抛物与跌落及综合减灾救灾等压力的日益加重，而垂直绿化结构在缓解城市热岛效应、调节城市微气候、改善环境舒适度、优化城市能源利用、降低城市疾病传播、和抵御高空外墙脱落和外物冲击等综合防护功能上所起到的作用越来越明显，，垂直绿化技术得到了发达国家的普遍重视，研发装卸方便、智能特性突出的外墙垂直绿化结构与系统，已经成为健康智能城市研究和竞争的重要内容。

随着垂直绿化结构从低层向高层空间应用的发展，现有垂直绿化结构存在承重龙骨笨重、安装繁琐、安全性低、维修不便、功能单一等问题，难以达到需求所要的关键技术和对应标准。

因此研发适应高层非常规空间曲面、具有智能特性的VGT结构及核心控制技术，是掌控和引领VGT市场国际竞争的关键卡脖子技术，同时也是国家实现绿色健康发展，提升建筑结构能耗品质的非常重要的交叉性综合创新技术，本实用新型就是为了解决这一关键技术而进行的综合性创新，其应用与推广，对国家和社会具有极其重要的作用。

发明内容

本实用新型提出一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，其解决了现有VGT技术中承重龙骨笨重、安装繁琐、安全性低、维修不便、功能单一等问题。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：

一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，其特殊之处在于：

包括两个三角型耗能支撑架，两个三角型耗能支撑架之间通过上弦杆和下弦杆进行连接；

所述三角型耗能支撑架包括两个方形耗能管、一个矩形耗能管、一个竖杆、两个斜杆，两个方形耗能管和一个矩形耗能管构成三角型耗能支撑架的三个顶点，一个竖杆、两个斜杆构成三角型耗能支撑架的三个边，其中，所述竖杆的两端分别与两个方形耗能管连接；所述两个方形耗能管分别通过贴墙板固定在墙体上；

所述两个三角型耗能支撑架位于上部的方形耗能管之间连接有上弦杆，所述两个三角型耗能支撑架的矩形耗能管之间连接有下弦杆；所述两个三角型耗能支撑架位于上部的斜杆之间设有上承重板，所述两个三角型耗能支撑架位于下部的斜杆之间设有下承重板。

进一步地，上述三角型耗能支撑架的相邻两个边的初始夹角为60°，角度自主可调。

进一步地，上述竖杆和斜杆的端部通过两个竖杆连接件或斜杆连接件固定在方形耗能管或矩形耗能管上，所述竖杆连接件、斜杆连接件为抗疲劳设计的专用弯折板件，弯折板件通过螺栓连接在方形耗能管或矩形耗能管上，竖杆和斜杆的端部位于两个弯折板件之间通过高强度防松螺栓连接，高强度防松螺栓的加劲肋构件上，位于竖杆、斜杆和弯折板件之间，设有双曲抛物面耗能件，高强度防松螺栓同时设有防松动反向卡紧易损垫片；防松动反向卡紧易损垫片包括两个垫圈，两个垫圈相接触部分有专门设计的变曲线斜向锯齿。

进一步地，所述上承重板上设有圆孔，用于放置绿植容器，所述上承重板上靠近圆孔处设有弧面专用易损件。

进一步地，所述三角型耗能支撑架采用镁铝合金制成。

本实用新型的优点：

1)通过特殊的主动消能节点技术，能够根据结构应力和变形的大小，以较短的延时和变形幅度，通过节点内部曲面耗能，主动转化外界荷载做功，从而控制结构的不利变形，使VGT具有较好的主动抵抗荷载的智能特性；

2)采用高比强度和比刚度的改性镁铝合金，使VGT结构具有优良的强质比，结构轻便，十分便于拼卸和维修；

3)采用临时结构理论进行设计，结合气动找形，实施全截面优化，能够快速适应多种风环境，具有节点域应力自调最佳拓扑形态，提供的全铰节点支撑技术，使VGT结构具有高度的可重用性；

4)基于嵌入式双曲抛物面内部构造耗能的K、T、Y和销轴节点，能够根据荷载的不同阶段、外墙不同曲面，按需订制，新型VGT技术能够提供定量的弯曲工作频率范围和疲劳寿命，在应力全生命范围内安全工作，耗能易损件更换便捷，VGT主体结构具有优良的耐久性；

5)基于整体组拼干涉检测和碰撞误差分配算法的VGT全铰节点控制加工技术，使得VGT组拼式整体安装能够提前确定所有节点的装配与服役最优间隙，给出VGT结构订制荷载变形控制最优误差模式，使得主承载面板的倾斜可以有效避免出平面扭转破坏，形成有利于降低承重板驰振和植物容器导致的自激振动的结构边缘形态。

附图说明

图1是本实用新型VGT设计原理；

图2是本实用新型结构图；

图3是图2的左视图；

图4是三角耗能支撑架结构图；

图5是图2中A处消能节点；

图6是图2中B处销轴消能节点结构图；

图7是双曲抛物面耗能件的放大图；

图8是弧面专用易损件结构图；

图9是防松动反向卡紧易损垫片结构图。

1-上承重板；2-下承重板；3-上弦杆；4-下弦杆；5-竖杆；6-斜杆；8-K形节点；9-弧面专用易损件；10-矩形耗能管；11-方形耗能管；12-斜杆连接件；13- 竖杆连接件；14-墙体连接件；15-贴墙板；16-双曲抛物面耗能件；17-高强度防松螺栓；18-防松动反向卡紧易损垫片；19-承重板连接件；20-弧面易损件安装孔；21-斜向锯齿。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行准确、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

参见图2-图7，一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，包括两个三角型耗能支撑架，两个三角型耗能支撑架之间通过上弦杆3和下弦杆4 进行连接。

所述三角型耗能支撑架包括两个方形耗能管11、一个矩形耗能管10、一个竖杆5、两个斜杆6，两个方形耗能管11和一个矩形耗能管10构成三角型耗能支撑架的三个顶点，一个竖杆5、两个斜杆6构成三角型耗能支撑架的三个边，其中，所述竖杆5的两端分别与两个方形耗能管11连接；所述两个方形耗能管 11分别通过贴墙板15固定在墙体上。

所述两个三角型耗能支撑架位于上部的方形耗能管11之间连接有上弦杆3，所述两个三角型耗能支撑架的矩形耗能管10之间连接有下弦杆4；所述两个三角型耗能支撑架位于上部的斜杆6之间设有上承重板1，所述两个三角型耗能支撑架位于下部的斜杆6之间设有下承重板2。

所述三角型耗能支撑架的相邻两个边的初始夹角为60°。垂直绿化智能组拼结构采用镁铝合金制成。

所述竖杆5和斜杆6的端部通过两个竖杆连接件13或斜杆连接件12固定在方形耗能管11或矩形耗能管10上，所述竖杆连接件13、斜杆连接件12为弯折板件，弯折板件通过螺栓固定在方形耗能管11或矩形耗能管10上，竖杆5 和斜杆6的端部位于两个弯折板件之间通过高强度防松螺栓17连接，高强度防松螺栓17上位于竖杆5、斜杆6和弯折板件之间设有双曲抛物面耗能件16，高强度防松螺栓17上设有防松动反向卡紧易损垫片18。参见图9，防松动反向卡紧易损垫片18包括两个垫圈，两个垫圈相接触部分设有方向相反的斜向锯齿21，两个垫圈的外面两个面分别焊接在弯折板件和高强度防松螺栓17上。

所述上承重板1上设有圆孔，用于放置绿植容器，所述上承重板1上靠近圆孔处设有弧面专用易损件9(参见图8)，弧面专用易损件9的两端设有弧面易损件安装孔20。

参见图1，本实用新型在制作时，首先根据用户订制的环境参数，对VGT 结构服役荷载进行分级，确定内力和变形设计值，选择合理的镁铝合金材料及其改性工艺；其次进行VGT结构气动找形，确定最优抗风截面；再根据VGT 能耗指标，设计VGT主动消能内部构造双曲抛物面的参数，以及连接方式；然后利用VGT整体拼卸误差控制算法，确定VGT结构部件重叠检查路径与模式，在排除碰撞后，给出订制精度的数控加工参数和误差控制精度，最后进行可调主承载板、核心连接件、易损件初始位置的调试，并最终通过风载模拟检验，给出VGT额定参数和性能指标。

根据VGT设计方案，本实用新型提出的新型VGT智能结构所依托的技术方案和实现途径如下：

1、超轻VGT结构技术

VGT超轻结构主要由3个方面的技术组成:一是采用比强度和比刚度都较好的轻质高强镁铝合金-稀土材料，二是全部VGT构件连接由变形可控铰连接，三是VGT结构采用基于临时结构组拼理论进行设计。

为了最大限度提高VGT的强质比，本实用新型采用镁铝合金-稀土材料，经改进的T6工艺处理后形成的铝合金作为基材，从而大幅度减轻VGT结构的重量。基于临时组拼结构理论，采用截面和构件全局优化算法，根据荷载分级和变形控制程度，对VGT结构进行了调优设计，保证了结构安全条件下的最优形态设计，结合专门设计的全铰节点，通过预拉板件子结构，提高结构在剪应力作用下的冲击应力承担能力，从而降低主结构的功能截面尺寸，最大限度降低VGT结构的重量。

2、基于临时结构理论的VGT可重用单元全铰节点设计

VGT结构消能是一种主动的耗能方式，主要通过专门设计的全铰节点完成消能功能，并通过临时结构理论，针对荷载分级，采用VGT变形全局最优和局部应力控制的优化计算，对可重用构件进行了基于节点易损构件的新型内部构造设计，该技术不仅是全铰节点不仅成为控制VGT静动态变形的主要装置，也是VGT结构可重用的基本保证。

3、VGT智能消能节点设计

消能节点是VGT结构全铰节点的重要组成部分，由外围铝合金主材和内部限位消能构造组成。其中节点外形采用整体冲压成型工艺，通过套接和销轴覆盖连接，分为矩形和板式连接两种。

消能构造采用双曲抛物面作为耗能件，每个节点内部镶嵌2～4个消能二次基面，曲面单抛物线面与节点内部固结，其余为自由端，通过曲面变形迅捷消耗外力所做的功，保持VGT结构稳定。

所有构件尺寸皆通过Inventor和XSteel干涉与碰撞检查，然后输出数控验证接口文件，由数控加工设备制成。

4、VGT可调斜撑与倾斜面板抗风设计

由于VGT可以服役在较高楼层的外墙，经过对VGT结构风载计算，利用 Y、T和K专用主动消能节点和三角型支撑连接件以初始60°构造倾斜面板，作为绿植的生长基本支撑面，随着绿植的生长，结合非接触图像识别数据的智能辅助，通过调节斜杆的角度，实现VGT结构抗风、植物助长、全程管理的最优结构几何性态和低能耗体系。

本实用新型主要由智能消能节点选材与构造、VGT整体结构快速拼卸、可重用可控技术、VGT结构整体断面找形及抗自激振动设计组成，下面分别对上述实用新型内容进行详细阐述。

1、智能消能节点构造设计

智能消能节点设计主要包括如下过程，首先是节点外形选择。由于VGT节点可承受冲击和较大风载，因此在节点外形上首先通过ABAQUS建立的计算模型，获得结构在正常使用极限状态下的变形门槛值，给出VGT结构节点极限分阶段荷载下结构形状和边界尺寸，在确定VGT节点截面设计内力后，根据用户的订制使用年限，对于临时VGT，以2年或4年为设计年限，基于总重量最轻或者承载板和节点截面最优的原则，基于临时结构设计理论，选择镁铝合金的比刚度和比强度值，据于此给出T6变形镁铝合金后处理加强工艺，在给出更高淬火温度和线性变化的淬火速率条件下，采用3级时效延长镁铝合金变形的保温时间，使VGT所用镁铝合金在以7和5系为主的基础上，通过添加适量含铜和锰元素的稀土，形成高强抗腐专用VGT镁铝合金材料，为满足订制要求，提供特殊铝合金消能节点制造材料。

完成上述工作后，根据VGT能耗指标，确定节点内部双曲抛物面(马鞍面) 面积，将马鞍面一侧的抛物线面和双曲线面在搭接节点处的内部进行固结，马鞍面的另一侧保持自由，Y、T和K形节点和销轴节点内部的耗能抛物面连接曲线长度根据能耗分配的不同而定，对控制VGT左右摇摆的三角型耗能支撑架节点，其内部马鞍面可以根据需要做成2～4层多面叠加的形式；对防止VGT承重板在风载中的横流驰振，组拼方案是在销轴节点内设置扁平型马鞍面，配合主承载板的气动外形，实现不利风载和冲击荷载下的快速稳定。

VGT智能主动耗能节点除了从结构动载响应上主动耗散外力以外，还通过非接触式图像传递技术，将提取的高精度结构动态变形信息准确反馈给节点内部的耗能马鞍面节点形变重叠区域，提前实施节点变形耗能的机构控制系统，通过荷载信息，启动VGT结构的主动耗能机制，从而最大限度保证VGT结构在高层服役时的安全性、耐久性和稳定性。

2、VGT可重用组拼结构设计

VGT组拼结构如图2所示，采用临时结构组拼理论，由三角型耗能支撑架、弦杆构件和承重面板组成，通过高强度防松螺栓17组拼而成。

三角型耗能支撑架构造如图3所示，它包括腹杆、贴墙板15、耗能管和各节点连接件，腹杆是由两个斜杆6和一个竖杆5组成，在平面内相交成一个初始角度60°，并通过耗能管及相应连接件连接，分别形成Y、T形节点(图2 中A处)、K形节点8，承重板通过销轴节点和三角型耗能支撑架连接，节点内部均设置双曲抛物面耗能件16，VGT消能节点构造如图4、5所示。

VGT可重用技术是通过设计特殊连接的易损件来完成的。VGT耗能的主动性使得VGT三角形耗能支撑架K、Y、T及销轴节点的低周疲劳特性比较突出，同时耗能节点内部在某些荷载下，会发生较大幅度的往复运动，因此兼有大幅度低周疲劳的特征，同时考虑到VGT的拼卸累计损伤，在植物容器和面板之间的连接处，设计了弧面专用易损构件9，在K、Y、T及销轴节点处设计了防松动反向卡紧易损垫片18，通过这两种专用易损件的设计，保证VGT重复使用 1000次的目标。

3、VGT结构整体断面及抗自激振动设计

自激振动是VGT在高层外墙中可能出现的一种较为严重的破坏形态，主要由植物容器钝体外形和较薄的承载板，在风截面急剧变化处因压力差所引起。为了克服这种风载导致的自激振动并避免引发后续的驰振，本实用新型对VGT 和植物容器和植物分类进行了抗风振设计，在气动找形的基础上，结合植物容器、倾斜承重板和植物质量性态分布三者气动特征及风敏参数，基于三者之间在全铰连接状态下的气动耦合灵敏度分析，设计了VGT主承载面板半圆弧角和倒圆台形植物容器。根据VGT订制要求，以植物可能的频率分布范围为调频参考，用频率依赖型非线性振动计算方法，确定植物容器中土壤和水分的重量分布，非等间距安排主承载板中植物容器间距和数量，以最大限度降低VGT结构整体及其断面在冲击和风载双非线性动力作用下可能出现的几何负阻尼，最大程度保持结构在较大风载下的稳定性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，本领域的技术人员其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行调节，或者对其中部分技术特征进行等同替换。所以，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，其特征在于：

包括两个三角型耗能支撑架，两个三角型耗能支撑架之间通过上弦杆(3)和下弦杆(4)进行连接；

所述三角型耗能支撑架包括两个方形耗能管(11)、一个矩形耗能管(10)、一个竖杆(5)、两个斜杆(6)，两个方形耗能管(11)和一个矩形耗能管(10)构成三角型耗能支撑架的三个顶点，一个竖杆(5)、两个斜杆(6)构成三角型耗能支撑架的三个边，其中，所述竖杆(5)的两端分别与两个方形耗能管(11)连接；所述两个方形耗能管(11)分别通过贴墙板(15)固定在墙体上；

所述两个三角型耗能支撑架位于上部的方形耗能管(11)之间连接有上弦杆(3)，所述两个三角型耗能支撑架的矩形耗能管(10)之间连接有下弦杆(4)；所述两个三角型耗能支撑架位于上部的斜杆(6)之间设有上承重板(1)，所述两个三角型耗能支撑架位于下部的斜杆(6)之间设有下承重板(2)。

2.根据权利要求1所述的一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，其特征在于：

所述三角型耗能支撑架的相邻两个边的初始夹角为60°。

3.根据权利要求2所述的一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，其特征在于：

所述竖杆(5)和斜杆(6)的端部通过两个竖杆连接件(13)或斜杆连接件(12)固定在方形耗能管(11)或矩形耗能管(10)上，所述竖杆连接件(13)、斜杆连接件(12)为弯折板件，弯折板件通过螺栓固定在方形耗能管(11)或矩形耗能管(10)上，竖杆(5)和斜杆(6)的端部位于两个弯折板件之间通过高强度防松螺栓(17)连接，高强度防松螺栓(17)上位于竖杆(5)、斜杆(6)和弯折板件之间设有双曲抛物面耗能件(16)，高强度防松螺栓(17)上设有防松动反向卡紧易损垫片(18)；

防松动反向卡紧易损垫片(18)包括两个垫圈，两个垫圈相接触部分设有斜向锯齿(21)。

4.根据权利要求3所述的一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，其特征在于：

所述上承重板(1)上设有圆孔，用于放置绿植容器，所述上承重板(1)上靠近圆孔处设有弧面专用易损件(9)。

5.根据权利要求4所述的一种基于主动消能技术的超轻垂直绿化智能组拼结构，其特征在于：

所述三角型耗能支撑架采用镁铝合金制成。

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