一种质量调谐式摇摆墙框架结构

1.本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种质量调谐式摇摆墙框架结构。


背景技术：

2.地震作为最主要的自然灾害之一，严重影响着建筑结构的安全性和人民生命财产安全，随着社会的进步，随着建筑结构抗震技术的发展，地震后建筑结构快速恢复使用功能的能力受到工程界的关注。其中将摇摆墙与框架结构进行组合，可形成一种较为典型和有效的可恢复功能结构体系。摇摆墙-框架结构是通过放松剪力墙底部约束，使墙体在地震过程中形成摇摆机制，从而改变传统框架剪力墙结构的地震动特性以及变形模式。摇摆墙一方面可以延长结构周期，降低结构地震动响应，另一方面，摇摆墙限制了框架结构层的变形，迫使各楼层变形趋于一致，降低地震动过程中结构的失效风险。例如：日本东京工业大学g3教学楼抗震加固改造项目，利用原结构构型，加装摇摆墙构件与软钢阻尼器，使得结构在地震作用下层间位移角减小，且分布均匀，实现强震下不坏的设防目标。
3.目前，摇摆墙框架结构都用于多层结构或高度较低的高层结构，高层或超高层结构中还未见此类结构形式，原因如下：1.当结构高度较高、长细比较大时，对摇摆墙的承载力需求提高，当结构竖向刚度分布不均匀时，摇摆墙侧移刚度设计难度提高，对整体结构的动力响应控制难度加大。2.随着结构高度的增加，整体摇摆的变形模式迫使结构顶层位移显著增大，难以满足高层结构对变形的要求。
4.降低结构的位移响应，是解决上述问题的有效措施，可以利用质量调谐实现。调谐质量阻尼器tmd(tuned mass damper)由质块、弹簧与阻尼系统组成。将其振动频率调整至主结构频率附近，改变结构共振特性，以达到减震作用。如我国上海金融中心、国际金融中心，采用了tmd装置，进行振动控制。将tmd系统用于摇摆墙框架结构，可进一步减小结构的位移响应，优化结构变形模式，进而提高摇摆墙框架结构的适用高度。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种质量调谐式摇摆墙框架结构，兼备结构变形控制与质量调谐减震功能。基于摇摆墙结构和tmd减震机制，通过合理设计摇摆墙-框架结构形式，实现两种减震控制机制的融合，进一步降低结构的地震动响应。
6.具体技术方案如下：
7.一种质量调谐式摇摆墙框架结构，包括摇摆墙主体和框架结构，摇摆墙主体底部与基础单元通过铰接支座铰接，摇摆墙主体的内外墙角位置可设置阻尼器；所述框架结构的楼层分为与摇摆墙体连接楼层和未与摇摆墙体连接的自由楼层；自由楼层通过对其质量和侧移刚度的合理设计实现对整体结构的质量调谐。
8.所述框架结构中，某一或若干楼层未与摇摆墙主体连接，视为自由楼层，在振动过程中作为独立自由度存在。
9.所述自由楼层上下相连柱采用摇摆柱，通过合理设计摇摆柱的转动刚度实现对自
由楼层侧移刚度调节。
10.所述自由楼层的质量和侧移刚度经过合理设计，可作为整体结构的调谐质量，实现对整体结构的振动控制。
11.层间设置阻尼器，对自由楼层变形加以控制。
12.所述摇摆墙主体和框架结构之间采用连梁连接，连梁梁端设置理想铰或塑性铰，当采用理想铰时，设计中连梁可视为链杆，摇摆墙主体与楼层之间仅传递水平力，不传递剪力与弯矩；当连梁两端设置塑性铰时，连梁可传递轴力和部分弯矩及剪力。
13.所述铰接支座位于摇摆墙主体的中部，摇摆墙主体可绕铰接支座做刚体转动。
14.所述铰接支座采用建筑及桥梁结构中商品铰支座，或者采用钢结构中的柔性连接节点作为支座，具有可更换性。
15.所述摇摆墙体的铰接支座位置处或墙角处设置阻尼器，对摇摆墙刚体转动加以控制。
16.所述自由楼层为框架结构的顶层时，仅有下相连柱，下相连柱采用摇摆柱；所述自由楼层为框架结构的中部某一层时，其上下相连柱都应采用摇摆柱，以实现自由楼层侧移刚度调节机制。
17.与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
18.(1)与现有的摇摆墙-框架结构相比，本发明提出的结构增设质量调谐部分，在对结构变形模式控制的基础上降低整体结构的变形幅值，可使整体结构地震响应进一步优化。
19.(2)将结构变形模式控制与tmd减震机制相结合，对地震下结构变形更有效控制，可间接提高摇摆墙-框架结构的适用高度,拓宽此类结构的适用范围，例如，将其用于对地震下变形要求更高的高层结构中。
20.(3)本发明中，tmd的实现形式是：通过框架结构某一层或若干楼层与摇摆墙主体断开，形成自由楼层，再通过在自由楼层中设置摇摆柱，调整该层抗侧刚度，进而调整其频率，最终实现对整体结构的质量调谐。所提出的tmd实现机制最大程度利用原有结构形式，不需要独立设置tmd装置，降低成本。
21.(4)此外，根据结构设计的具体形式，可合理选择自由楼层位置，实现结构的特定功能。比如，在框架刚度突变位置设置自由层，以降低框架竖向不规则对摇摆墙内力的影响，可规避结构刚度突变所造成的设计困难。
附图说明
22.图1为本发明实施例1：设置顶层为自由层时摇摆墙-框架结构整体结构示意图；
23.图2为本发明实施例2：设置底层为自由层时摇摆墙-框架结构整体结构示意图。可用于底层刚度突变的结构，如大底盘-塔楼结构。
24.图中，1、摇摆墙主体；2、框架结构；3、基础单元；4、铰接支座；5、阻尼器；6、连梁；7、自由楼层；8、摇摆柱。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明进行进一步说明，但本发明的保护范围不仅限于附图。
26.实施例1
27.如图1所示，放松框架结构为顶层时，质量调谐式摇摆墙框架结构包括摇摆墙主体1和框架结构2，摇摆墙主体1底部与基础单元3通过铰接支座4铰接，摇摆墙主体1的内外墙角位置分别设置阻尼器5；所述框架结构2的楼层分为连接楼层和自由楼层7，摇摆墙主体1仅与连接楼层之间连接，与自由楼层7之间断开；自由楼层7通过调节摇摆柱8的侧移刚度实现对整体结构的质量调谐。
28.所述连接楼层与摇摆墙主体1通过连梁6连接。
29.所述连梁6可视为刚性链杆，通过梁端设置铰或塑性铰，当梁端设置理想铰时，连梁仅传递轴力；当梁端设置塑性铰时，连梁可传递轴力和部分弯矩。
30.所述铰接支座4位于摇摆墙主体1的中部，具体结构可采用建筑及桥梁结构中商品铰支座，也可采用钢结构中的柔性连接节点作为支座，具有可更换性。
31.所述自由楼层7中，可设置耗能阻尼器9对其位移加以控制。
32.所述自由楼层7为框架结构的顶层时，仅有下相连柱，下相连柱采用摇摆柱。
33.实施例2
34.如图2所示，放松框架结构为一层时，与实施例1不同之处在于，自由楼层7的框架结构2上下相连柱8采用摇摆柱。


技术特征：
1.一种质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：包括摇摆墙主体(1)和框架结构(2)，摇摆墙主体(1)底部与基础单元(3)通过铰接支座(4)铰接，摇摆墙主体(1)的内外墙角位置可设置阻尼器(5)；所述框架结构(2)的楼层分为与摇摆墙体连接楼层和未与摇摆墙体连接的自由楼层(7)；自由楼层(7)通过对其质量和侧移刚度的合理设计实现对整体结构的质量调谐。2.根据权利要求1所述的质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：所述框架结构(2)中，某一或若干楼层未与摇摆墙主体(1)连接，视为自由楼层(7)，在振动过程中作为独立自由度存在。3.根据权利要求2所述的质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：所述自由楼层(7)上下相连柱(8)采用摇摆柱，通过合理设计摇摆柱的转动刚度实现对自由楼层(7)侧移刚度调节。4.根据权利要求2所述的质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：所述自由楼层(7)的质量和侧移刚度经过合理设计，可作为整体结构的调谐质量，实现对整体结构的振动控制。5.根据权利要求1所述的质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：层间设置阻尼器(9)，对自由楼层(7)变形加以控制。6.根据权利要求1所述的质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：所述摇摆墙主体(1)和框架结构(2)之间采用连梁(6)连接，连梁(6)梁端设置理想铰或塑性铰，当采用理想铰时，设计中连梁(6)可视为链杆，摇摆墙主体(1)与楼层之间仅传递水平力，不传递剪力与弯矩；当连梁(6)两端设置塑性铰时，连梁可传递轴力和部分弯矩及剪力。7.根据权利要求1所述的质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：所述铰接支座(4)位于摇摆墙主体(1)的中部，摇摆墙主体(1)可绕铰接支座(4)做刚体转动。8.根据权利要求7所述的质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：所述铰接支座(4)采用建筑及桥梁结构中商品铰支座，或者采用钢结构中的柔性连接节点作为支座，具有可更换性。9.根据权利要求1所述的质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：所述摇摆墙体(1)的铰接支座(4)位置处或墙角处设置阻尼器(5)，对摇摆墙刚体转动加以控制。10.根据权利要求1所述的质量调谐式摇摆墙框架结构，其特征在于：所述自由楼层(7)为框架结构的顶层时，仅有下相连柱，下相连柱采用摇摆柱(8)；所述自由楼层(7)为框架结构的中部某一层时，其上、下相连柱都应采用摇摆柱，以实现自由楼层侧移刚度调节机制。

技术总结
本发明涉及土木工程技术领域，涉及一种质量调谐式摇摆墙框架结构，具体是一种自带质量调谐(TMD)功能的摇摆墙框架结构。主体结构分为摇摆墙和框架两部分，摇摆墙与基础铰接，地震过程中墙体可实现刚体摇摆。部分框架楼层与摇摆墙通过刚性链杆连接。预留某一或若干自由楼层不与摇摆墙连接，作为整体结构的质量调谐(TMD)部分，通过在自由楼层设置摇摆柱实现此部分楼层的刚度调节机制，从而实现地震过程中对主体结构的震动控制。对主体结构的震动控制。对主体结构的震动控制。


技术研发人员：朱春阳 王馨辉 孙丽 刘海成 金峤 宋岩升 于淏川
受保护的技术使用者：沈阳建筑大学
技术研发日：2022.08.31
技术公布日：2023/3/21