一种抵御多重灾变的超高层建筑结构自适应摩擦消能伸臂体系

1.本发明属于建筑工程技术的结构振动控制领域，特别是涉及一种抵御多重灾变的超高层建筑结构自适应摩擦消能伸臂体系。


背景技术：

2.核心筒-伸臂-巨柱结构体系是目前国内、国际超高层建筑中广泛应用的结构形式。结构中部的核心筒与外围设置的巨柱通过伸臂桁架连接，一同组成结构的抗侧力体系(记为传统伸臂体系)，可显著提高结构的抗侧刚度，并有效限制结构在风荷载(特别是平均风作用)下的变形。但传统伸臂体系仅提供刚度，其自身缺乏消能手段，在地震、脉动风等动力灾变作用下对结构的控制效果有限。为此，消能伸臂体系应运而生。消能伸臂体系基于体系的变形特点，在巨柱与伸臂桁架端部的连接处设置阻尼器，利用集中在二者之间较大的竖向变形，充分发挥阻尼器的作用为结构体系提供额外的消能能力。
3.但是一方面，消能伸臂打破了传统伸臂中巨柱与伸臂桁架的刚性连接，替代为阻尼器，一定程度上损失了结构的静力刚度，从而降低了控制结构在平均风作用下静力变形的效果；另一方面，超高层建筑结构在其服役周期内不可避免地有遭遇不同水准地震(小震、中震、和大震)的风险，针对某一水准地震设计的消能伸臂因无法自适应调整其消能能力，因而在抵御其他水准地震时常常难以有效发挥其效用。因此，当下超高层建筑结构的工程实践中迫切需要可兼顾结构静力变形和动力响应，并根据灾变水准提供自适应耗能的有效措施。
4.针对上述问题，本发明结合消能伸臂体系的特点并提出一种抵御多重灾变的超高层建筑结构自适应摩擦消能伸臂体系；本发明通过在伸臂桁架端部与外围巨柱之间引入自适应摩擦消能装置，可实现超高层建筑结构对平均风、脉动风、小震、中震、大震等多重灾变地有效抵御，具体表现在：针对平均风作用，提出的自适应摩擦消能伸臂体系中的伸臂端部和巨柱之间不产生滑动，相当于刚性连接的传统伸臂，为结构整体提供额外静力刚度来降低平均风引起的静力变形；在遭遇脉动风作用或小震时，提出的自适应摩擦消能伸臂体系中的伸臂端部和巨柱之间产生轻微滑动并提供较小的摩擦耗能消耗脉动风和小震输入给结构整体的能量；当遭遇中震时，提出的自适应摩擦消能伸臂体系可提供较大的摩擦耗能消耗中震的能量；当遭遇大震时，提出的自适应摩擦消能伸臂体系可提供更大的摩擦耗能来满足大震的耗能需求，从而实现抵御多重灾害的目的。
5.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


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，克服现有技术的不足，为超高层建筑结构提供可兼顾结构静
力变形和动力响应，并根据灾变水准提供自适应耗能的自适应摩擦消能伸臂体系。
7.为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
8.本发明提供了一种抵御多重灾变的超高层建筑结构自适应摩擦消能伸臂体系，包括：核心筒、巨柱、伸臂桁架、自适应摩擦消能装置和支撑牛腿；其特征在于：所述核心筒与所述伸臂桁架的一端固结，所述伸臂桁架的另一端通过所述自适应摩擦消能装置与固支于所述巨柱上的支撑牛腿相连。
9.进一步，所述伸臂桁架包括：上弦杆、下弦杆、中部弦杆、斜腹杆、和竖向腹杆；所述伸臂桁架与所述核心筒进行刚性连接；所述伸臂桁架的中部弦杆的端头与所述自适应摩擦消能装置刚性连接。
10.进一步，所述巨柱与所述支撑牛腿进行刚性连接；所述支撑牛腿与所述自适应摩擦消能装置进行刚性连接；所述支撑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。
11.进一步，所述自适应摩擦消能装置包括：第一支座、第二支座、第一滑动盘、第二滑动盘、凸面滑块、对拉螺栓；所述第一支座与所述伸臂桁架连接；所述第二支座与所述支撑牛腿连接。
12.进一步，所述自适应摩擦消能装置的第一支座下部的内凹曲面与第一滑动盘上部的外凸曲面的曲率一致；第二支座上部的内凹曲面与第二滑动盘下部的外凸曲面的曲率一致；第一滑动盘下部的内凹曲面与滑动块上部的外凸曲面的曲率一致；第二滑动盘上部的内凹曲面与滑动块下部的外凸曲面的曲率一致。
13.进一步，所述自适应摩擦消能装置的第一支座与第一滑动盘之间设置第一摩擦面；第二支座与第二滑动盘之间设置第二摩擦面；第一滑动盘与凸面滑块的上表面之间设置第三摩擦面；第二滑动盘与凸面滑块的下表面之间设置第四摩擦面；所述第三摩擦面与所述第四摩擦面具有相同的摩擦系数，并且小于所述第二摩擦面的摩擦系数；所述第二摩擦面的摩擦系数小于所述第一摩擦面的摩擦系数。
14.进一步，所述自适应摩擦消能装置的第一支座与第二支座的翼缘板上开长圆孔，并在所述长圆孔的对应位置设置对拉螺栓；所述对拉螺栓包括：螺帽、螺杆、和垫片；所述对拉螺栓需按设计要求施加预紧力。
15.进一步，所述自适应摩擦消能装置可根据变形大小产生自适应的摩擦力与等效刚度，具体表现为：受到较小作用力时，所述自适应摩擦消能装置不产生滑动变形；随着作用力不断提高，所述凸面滑块与第一滑动盘和第二滑动盘之间先产生滑动并伴随有较小的摩擦力；随着外部作用力进一步增大，第二支座与第二滑动盘之间随后产生滑动并伴随有较大的摩擦力；当作用力再增加时，第一支座和第一滑动盘之间产生滑动并伴随有巨大的摩擦力。
16.进一步，所述的自适应摩擦消能伸臂体系可抵御多重灾变，具体表现为：针对风荷载的平均风作用时，所述自适应摩擦消能装置不产生滑动，此时所述伸臂桁架的端部与所述巨柱之间相当于刚性连接，为结构整体提供额外静力刚度来抵御平均风作用；针对风荷载的脉动风作用和小震时，所述自适应摩擦消能装置发生滑动并提供较小的摩擦力，此时所述伸臂桁架的端部与所述巨柱之间产生相对变形，并通过较小的摩擦耗能消耗脉动风和小震输入给结构整体的能量；当遭遇中震时，所述自适应摩擦消能装置发生较大滑动并提
供较大的摩擦力，此时所述伸臂桁架的端部与所述巨柱之间产生相对较大变形，并通过较大的摩擦耗能消耗中震输入给结构整体的能量；当遭遇大震时，所述自适应摩擦消能装置发生滑动并提供更大的摩擦力，此时所述伸臂桁架的端部与所述巨柱之间产生相对更大的变形，并通过更大的摩擦耗能消耗大震输入给结构整体的能量。
17.与现有技术相比,本发明有以下特点：
18.本发明结合了消能伸臂体系的特点，所提出的自适应摩擦消能伸臂体系可以兼顾结构静力变形和动力响应，并根据灾变水准提供自适应耗能，可同时满足诸如静力平均风、脉动风/小震、中震、以及大震等多重灾变下超高层建筑结构减振(震)性能需求，达到降低多重灾害影响的目的。另外，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。
附图说明
19.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。
20.图1显示为本发明一种抵御多重灾变的超高层建筑结构自适应摩擦消能伸臂体系在建筑物竖向布置正立面示意图。
21.图2显示为本发明一种抵御多重灾变的超高层建筑结构自适应摩擦消能伸臂体系在伸臂桁架端部与巨柱连接处布置时的立面示意图。
22.图3显示为本发明中自适应摩擦消能装置的各个组件的分解示意图。
23.图4a显示为本发明中自适应摩擦消能装置的主视图。
24.图4b显示为本发明中自适应摩擦消能装置的左视图。
25.图4c显示为本发明中自适应摩擦消能装置的俯视图。
26.图5显示为本发明中自适应摩擦消能装置的三种变形模式示意图。
27.图6显示为本发明中自适应摩擦消能装置的三种变形模式的力——位移曲线示意图。
28.附图标记说明
29.10核心筒，20巨柱，30伸臂桁架,301上弦杆，302下弦杆，303中部弦杆，304斜腹杆，305竖向腹杆，40自适应摩擦消能装置，401第一支座，402第二支座，403第一滑动盘，404第二滑动盘，405凸面滑块，413第一摩擦面，424第二摩擦面，435第三摩擦面，445第四摩擦面，46对拉螺栓，461螺帽，462螺杆，463垫片,47长圆孔，50支撑牛腿。
具体实施方式
30.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。
31.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。
32.鉴于目前超高层建筑结构的工程实践中迫切需要可兼顾结构静力变形和动力响应，并根据灾变水准提供自适应耗能的有效措施，本发明结合消能伸臂体系的特点，提出一种可同时满足诸如静力平均风、脉动风/小震、中震、以及大震等多重灾变下超高层建筑结构减振(震)性能需求的自适应摩擦消能伸臂体系，通过自适应摩擦消能，达到降低多重灾变影响的目的。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。
33.以下将通过具体实施例来对本发明提供的抵御多重灾变的超高层建筑结构自适应摩擦消能伸臂体系进行详细说明。
34.如图1至图6所示，本实施例提供了一种抵御多重灾变的超高层建筑结构自适应摩擦消能伸臂体系，包括：核心筒10、巨柱20、伸臂桁架30、自适应摩擦消能装置40和支撑牛腿50；其特征在于：所述核心筒10与所述伸臂桁架30的一端固结，所述伸臂桁架30的另一端通过所述自适应摩擦消能装置40与固支于所述巨柱20上的所述支撑牛腿50相连。
35.进一步，所述伸臂桁架30包括：上弦杆301、下弦杆302、中部弦杆303、斜腹杆304、和竖向腹杆305；所述伸臂桁架30与所述核心筒10进行刚性连接；所述伸臂桁架30的中部弦杆303的端头与所述自适应摩擦消能装置40刚性连接。
36.进一步，所述巨柱20与所述支撑牛腿50进行刚性连接；所述支撑牛腿50与所述自适应摩擦消能装置40进行刚性连接；所述支撑牛腿50应具有足够的刚度和承载力保证传力的稳定性与安全性。
37.进一步，所述自适应摩擦消能装置40包括：第一支座401、第二支座402、第一滑动盘403、第二滑动盘404、凸面滑块405、对拉螺栓46；所述第一支座401与所述伸臂桁架30连接；所述第二支座402与所述支撑牛腿50连接；凸面滑块405的两端部为凸起结构，凸面滑块405的两端部分别由第一滑动盘403和第二滑动盘404包覆，第一滑动盘403由第一支座401支撑，第二滑动盘404由第二支座402支撑；第一支座401与第二支座402之间通过对拉螺栓46进行连接固定。
38.进一步，所述自适应摩擦消能装置40的第一支座401下部的内凹曲面与第一滑动盘403上部的外凸曲面的曲率一致；第二支座402上部的内凹曲面与第二滑动盘404下部的外凸曲面的曲率一致；第一滑动盘403下部的内凹曲面与滑动块405上部的外凸曲面的曲率一致；第二滑动盘404上部的内凹曲面与滑动块405下部的外凸曲面的曲率一致。
39.进一步，所述自适应摩擦消能装置40的第一支座401与第一滑动盘403之间设置第一摩擦面413；第二支座402与第二滑动盘404之间设置第二摩擦面424；第一滑动盘403与凸面滑块405的上表面之间设置第三摩擦面435；第二滑动盘404与凸面滑块405的下表面之间设置第四摩擦面445；所述第三摩擦面435与所述第四摩擦面445具有相同的摩擦系数，并且小于所述第二摩擦面424的摩擦系数；所述第二摩擦面424的摩擦系数小于所述第一摩擦面413的摩擦系数。
40.进一步，所述自适应摩擦消能装置40的第一支座401与第二支座402的翼缘板上开
长圆孔47，并在所述长圆孔47的对应位置设置对拉螺栓46；所述对拉螺栓46包括：螺帽461、螺杆462、和垫片463；所述对拉螺栓46需按设计要求施加预紧力。
41.进一步，所述自适应摩擦消能装置40可根据变形大小产生自适应的摩擦力与等效刚度，具体表现为：受到较小作用力时，所述自适应摩擦消能装置40不产生滑动变形；随着作用力不断提高，所述凸面滑块405与第一滑动盘403和第二滑动盘404之间先产生滑动并伴随有较小的摩擦力；随着外部作用力进一步增大，第二支座402与第二滑动盘404之间随后产生滑动并伴随有较大的摩擦力；当作用力再增加时，第一支座401和第一滑动盘403之间产生滑动并伴随有巨大的摩擦力。
42.进一步，所述的自适应摩擦消能伸臂体系可抵御多重灾变，具体表现为：针对风荷载的平均风作用时，所述自适应摩擦消能装置40不产生滑动，此时所述伸臂桁架30的端部与所述巨柱20之间相当于刚性连接，为结构整体提供额外静力刚度来抵御平均风作用；针对风荷载的脉动风作用和小震时，所述自适应摩擦消能装置40发生滑动并提供较小的摩擦力，此时所述伸臂桁架30的端部与所述巨柱20之间产生相对变形，并通过较小的摩擦耗能消耗脉动风和小震输入给结构整体的能量；当遭遇中震时，所述自适应摩擦消能装置40发生较大滑动并提供较大的摩擦力，此时所述伸臂桁架30的端部与所述巨柱20之间产生相对较大变形，并通过较大的摩擦耗能消耗中震输入给结构整体的能量；当遭遇大震时，所述自适应摩擦消能装置40发生滑动并提供更大的摩擦力，此时所述伸臂桁架30的端部与所述巨柱20之间产生相对更大的变形，并通过更大的摩擦耗能消耗大震输入给结构整体的能量。
43.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。