一种高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系

摘要

本发明公开了一种高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，属于高层建筑结构振动控制技术领域，包括核心筒、伸臂桁架、外框架柱和被动式复位刚度阻尼器，被动式复位刚度阻尼器包括油缸、活塞、槽形杆和旁通回路，活塞包括水平塞体和竖直杆体，水平塞体将油缸分为上腔室和下腔室，竖直杆体的上下两端与外框架柱铰接，竖直杆体的两端与槽形杆的两端连接，槽形杆上设有齿条；旁通回路的两端分别与上腔室和下腔室相连通，且旁通回路上设有常闭旁通阀，常闭旁通阀的摆针抵接在齿条的凹槽内。本发明以被动控制的方式实现了刚度的复位，克服了现有主动/半主动控制方式需要外部能量输入的问题，提高了对超高层建筑结构动力响应控制的可靠性和消能能力。

权利要求

1.一种高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，包括核心筒、伸臂桁架、外框架柱和被动式复位刚度阻尼器，所述伸臂桁架固定连接于所述核心筒的侧壁上，所述伸臂桁架的末端通过所述被动式复位刚度阻尼器与所述外框架柱连接，其特征在于：所述被动式复位刚度阻尼器包括油缸、活塞、槽形杆和旁通回路，所述油缸的侧壁通过垫板与所述伸臂桁架固定连接，所述油缸内充满流体，所述活塞包括相互固定连接的水平塞体和竖直杆体，所述水平塞体将所述油缸分为上腔室和下腔室，所述竖直杆体的上下两端分别穿出所述油缸后通过耳板与所述外框架柱上的牛腿铰接，且所述竖直杆体伸出所述油缸的两端分别与所述槽形杆的两端固定连接，所述槽形杆靠近所述油缸的一侧面上设有齿条；

所述旁通回路位于所述油缸和所述齿条之间，所述旁通回路的两端分别与所述上腔室和所述下腔室相连通，且所述旁通回路上设有常闭旁通阀，所述常闭旁通阀包括阀管和依次设置在所述阀管内的弹簧、滑块和摆针，所述阀管通过上接口和下接口与所述旁通回路相连通，所述阀管被所述槽形杆竖向贯穿且与所述槽形杆滑动密封连接，所述弹簧的一端与所述阀管的内壁固定连接，所述弹簧的另一端与所述滑块固定连接，所述滑块的另一端与所述摆针转动连接，所述摆针的另一端抵接在所述齿条的凹槽内，所述摆针与所述槽形杆垂直时，所述滑块与所述上接口和所述下接口相错设置，所述常闭旁通阀处于开启状态，所述摆针与所述槽形杆不垂直时，所述滑块封堵在所述上接口和所述下接口之间，所述常闭旁通阀处于闭合状态。

2.根据权利要求1所述的高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，其特征在于：所述阀管上设有供所述槽形杆穿过的上开缝和下开缝，所述上开缝与所述槽形杆之间、所述下开缝与所述槽形杆之间均设有密封条。

3.根据权利要求2所述的高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，其特征在于：所述阀管的一端与所述油缸的外侧壁固定连接。

4.根据权利要求3所述的高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，其特征在于：所述流体的种类为体积压缩系数小的液体。

5.根据权利要求4所述的高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，其特征在于：所述流体为液压油或有机硅油。

说明书

一种高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系

技术领域

[0001] 本发明涉及高层建筑结构振动控制领域，特别是涉及一种高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系。

背景技术

[0002] 随着全球经济的迅速发展，建筑结构体系的日益完善以及施工技术水平的不断提高，涌现了一大批高层、超高层建筑。超高层建筑结构所采用的结构体系种类较多，而框架—伸臂—核心筒体系是进入21世纪后的超高层结构的建设中最为广泛应用的体系。传统伸臂体系利用伸臂桁架连接外框架柱和中心核心筒来提高结构的抗侧刚度，但缺乏额外的能量耗散装置。消能伸臂体系基于传统伸臂体系的变形特点，在外框架柱与伸臂桁架端部连接处设置消能构件如黏滞阻尼器、防屈曲支撑等，利用集中在伸臂端部与外框柱之间较大的竖向相对变形，充分发挥消能构件的耗能能力。

[0003] 但是既有的消能伸臂体系大多采用被动控制消能构件如黏滞阻尼器、防屈曲支撑等，振动控制效果有限；而主动/半主动控制方式的振动控制效果好，但需要外部能量输入，对超高层建筑结构动力响应控制的可靠性低，因此迫切需要能以被动控制方式实现主动/半主动控制效果的高层建筑结构减振措施。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，克服现有技术的不足，以被动控制的方式实现了刚度的复位，克服了现有的主动/半主动控制方式需要外部能量输入的问题，提高了对超高层建筑结构动力响应控制的可靠性和消能能力。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，包括核心筒、伸臂桁架、外框架柱和被动式复位刚度阻尼器，所述伸臂桁架固定连接于所述核心筒的侧壁上，所述伸臂桁架的末端通过所述被动式复位刚度阻尼器与所述外框架柱连接，所述被动式复位刚度阻尼器包括油缸、活塞、槽形杆和旁通回路，所述油缸的侧壁通过垫板与所述伸臂桁架固定连接，所述油缸内充满流体，所述活塞包括相互固定连接的水平塞体和竖直杆体，所述水平塞体将所述油缸分为上腔室和下腔室，所述竖直杆体的上下两端分别穿出所述油缸后通过耳板与所述外框架柱上的牛腿铰接，且所述竖直杆体伸出所述油缸的两端分别与所述槽形杆的两端固定连接，所述槽形杆靠近所述油缸的一侧面上设有齿条；

[0006] 所述旁通回路位于所述油缸和所述齿条之间，所述旁通回路的两端分别与所述上腔室和所述下腔室相连通，且所述旁通回路上设有常闭旁通阀，所述常闭旁通阀包括阀管和依次设置在所述阀管内的弹簧、滑块和摆针，所述阀管通过上接口和下接口与所述旁通回路相连通，所述阀管被所述槽形杆竖向贯穿且与所述槽形杆滑动密封连接，所述弹簧的一端与所述阀管的内壁固定连接，所述弹簧的另一端与所述滑块固定连接，所述滑块的另一端与所述摆针转动连接，所述摆针的另一端抵接在所述齿条的凹槽内，所述摆针与所述槽形杆垂直时，所述滑块与所述上接口和所述下接口相错设置，所述常闭旁通阀处于开启状态，所述摆针与所述槽形杆不垂直时，所述滑块封堵在所述上接口和所述下接口之间，所述常闭旁通阀处于闭合状态。

[0007] 优选的，所述阀管上设有供所述槽形杆穿过的上开缝和下开缝，所述上开缝与所述槽形杆之间、所述下开缝与所述槽形杆之间均设有密封条。

[0008] 优选的，所述阀管的一端与所述油缸的外侧壁固定连接。

[0009] 优选的，所述流体的种类为体积压缩系数小的液体。

[0010] 优选的，所述流体为液压油或有机硅油。

[0011] 因此，本发明采用上述结构的高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，具有如下有益效果：

[0012] 1、本发明结合了消能伸臂体系的特点，在伸臂桁架与外框架柱之间布置被动式复位刚度阻尼器，利用活塞和油缸的相对竖向位移来控制常闭旁通阀打开和关闭，从而产生刚度、复位刚度和耗散能量。

[0013] 2、本发明克服了主动/半主动控制需要外部能量输入的问题，以被动控制的方式实现了现有的主动/半主动控制方式的效果，提高了对结构动力响应控制的可靠性。

[0014] 3、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。

[0015] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0016] 图1是本发明高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系在超高层建筑布置的立面示意图；

[0017] 图2是图1中A处的放大示意图；

[0018] 图3是本发明高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系中被动式复位刚度阻尼器的实施例的示意图；

[0019] 图4为本发明中被动式复位刚度阻尼器在工作时的力与活塞位移曲线示意图；

[0020] 图5是常闭旁通阀在图4的OA段的工作状态示意图；

[0021] 图6是常闭旁通阀在图4的AB段的工作状态转变示意图；

[0022] 图7是常闭旁通阀在图4的CD段的工作状态转变示意图。

[0023] 附图标记

[0024] 1、核心筒；2、伸臂桁架；3、外框架柱；4、被动式复位刚度阻尼器；41、油缸；42、活塞；421、水平塞体；422、竖直杆体；43、槽形杆；44、旁通回路；45、齿条；46、常闭旁通阀；461、阀管；462、弹簧；463、滑块；464、摆针；5、垫板；6、耳板；7、牛腿。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

[0026] 如图1‑7所示，一种高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，包括核心筒1、伸臂桁架2、外框架柱3和被动式复位刚度阻尼器4，伸臂桁架2固定连接于核心筒1的侧壁上，伸臂桁架2的末端通过被动式复位刚度阻尼器4与外框架柱3连接。被动式复位刚度阻尼器4包括油缸41、活塞42、槽形杆43和旁通回路44，油缸41的侧壁通过垫板5与伸臂桁架2固定连接，垫板5能够在振动中对油缸41的侧壁起到保护作用，保证油缸41的使用寿命。油缸41内充满流体，流体为液压油、有机硅油等体积压缩系数小的液体。

[0027] 活塞42包括相互固定连接的水平塞体421和竖直杆体422，水平塞体421将油缸41分为上腔室和下腔室。竖直杆体422的上下两端分别穿出油缸41后通过耳板6与外框架柱3上的牛腿7铰接，且竖直杆体422伸出油缸41的两端分别与槽形杆43的两端固定连接，槽形杆43靠近油缸41的一侧面上设有齿条45，竖直杆体422能够实现活塞42与外框架柱3之间、齿条45与外框架柱3之间的固定连接，使得在伸臂桁架2端部与外框架柱3之间产生相对竖向变形时，油缸41与活塞42之间、油缸41与齿条45之间产生相对竖向移动。

[0028] 旁通回路44位于油缸41和齿条45之间，旁通回路44的两端分别与上腔室和下腔室相连通，且旁通回路44上设有常闭旁通阀46，在常闭旁通阀46处于关闭时，上腔室和下腔室内的流体互不流通。常闭旁通阀46包括阀管461和依次设置在阀管461内的弹簧462、滑块463和摆针464，阀管461通过上接口和下接口与旁通回路44相连通，阀管461被槽形杆43竖向贯穿且与槽形杆43滑动密封连接。滑动密封连接的实现方式可以是阀管461上设有供槽形杆43穿过的上开缝和下开缝，上开缝与槽形杆43之间、下开缝与槽形杆43之间均设有密封条。阀管461的一端与油缸41的外侧壁固定连接，阀管461与油缸41的连接能够增加阀管
461的稳定性，防止长时间使用后上接口和下接口处产生裂缝。

[0029] 弹簧462的一端与阀管461的内壁固定连接，弹簧462的另一端与滑块463固定连接，滑块463的另一端与摆针464转动连接，摆针464的另一端抵接在齿条45的凹槽内。弹簧462具有适当的预压力，使得滑块463对摆针464施加一个推力，保证摆针464的末端始终处于齿条45的凹槽内，同时弹簧462的变形性能使得摆针464能够在齿条45的拨动下在阀管
461内摆动，实现摆针464与槽型杆之间垂直和不垂直的状态转变。摆针464与槽形杆43垂直时，滑块463与上接口和下接口相错设置，常闭旁通阀46处于开启状态，摆针与槽形杆43不垂直时，滑块463封堵在上接口和下接口之间，常闭旁通阀46处于闭合状态，此时上腔室和下腔室内的流体互不流通。

[0030] 当核心筒1受到水平外力发生转动变形后，伸臂桁架2端部与外框架柱3之间产生相对竖向变形，作用于被动式复位刚度阻尼器4，使得活塞42相对油缸41、齿条45相对常闭旁通阀46产生同步的竖向位移，活塞42相对油缸41的竖向位移改变了被动式复位刚度阻尼器4中的力。被动式复位刚度阻尼器4中的力与活塞的相对位移曲线如图4所示，O点为初始状态，设定此时常闭旁通阀46处于如图5的关闭状态，摆针处于最大倾斜角度，OA段表示活塞42相对油缸41向上移动至最大的相对位移的过程，此过程中，上腔室和下腔室内的流体互不流通，活塞42压缩油缸41中的流体，从而提供给结构整体刚度，并将能量储存于被动式复位刚度阻尼器4中，同时摆针464因处于最大的倾斜角度而与齿条之间发生打滑；AB段表示活塞42反向向下移动，使齿条45带着摆针464向着与槽形杆43垂直的方向摆动的过程，此过程中，常闭旁通阀46仍然处于关闭状态，虽然被动式复位刚度阻尼器4中的力变小但仍然提供给结构整体刚度；BC段表示活塞42正好向下移动到齿条45将摆针464拨弄到与槽形杆43垂直的位置，摆针实现了大小为d的摆幅，此时，滑块463与上接口和下接口相错，常闭旁通阀46打开，上腔室和下腔室内的流体得以流通，实现刚度复位与能量耗散；CD段表示活塞
42继续向下移动直到最大相对位移处，此过程中，齿条45将摆针464从与槽形杆43垂直状态拨弄到最大倾角状态，并在将摆针464拨弄到最大倾角状态后与摆针464之间发生打滑，滑块463被弹簧推至与上接口和下接口相对的位置，常闭旁通阀46关闭，上腔室和下腔室内的流体互不流通，活塞42压缩油缸41中的流体，从而提供给结构整体刚度，并将能量储存于被动式复位刚度阻尼器4中；DE段表示活塞42再次反向向上移动，使齿条45带着摆针464向着与槽形杆43垂直的方向摆动的过程，此过程中，常闭旁通阀46仍然处于关闭状态，虽然被动式复位刚度阻尼器4中的力变小但仍然提供给结构整体刚度；EF段表示活塞42正好向上移动到齿条45将摆针464拨弄到与槽形杆43垂直的位置，摆针实现了大小为d的摆幅，此时，滑块463与上接口和下接口相错，常闭旁通阀46打开，上腔室和下腔室内的流体得以流通，实现刚度复位与能量耗散，FG段表示活塞42继续向上移动并移动至最大的相对位移的过程，此过程中，齿条45将摆针464从与槽形杆43垂直状态拨弄到最大倾角状态，并在将摆针464拨弄到最大倾角状态后与摆针464之间发生打滑，滑块463被弹簧推至与上接口和下接口相对的位置，常闭旁通阀46关闭，上腔室和下腔室内的流体互不流通，活塞42压缩油缸41中的流体，从而提供给结构整体刚度，并将能量储存于被动式复位刚度阻尼器4中。

[0031] 因此，每当被动式复位刚度阻尼器4的活塞42相对油缸41的运动方向发生改变的时候，常闭旁通阀46都会瞬间打开并关闭，从而以被动控制的方式实现传统主动/半主动控制才能实现的复位刚度效果，有效控制超高层建筑伸臂结构体系在外部动力荷载作用下的振动问题。

[0032] 因此，本发明采用上述结构的高层建筑结构被动式复位刚度消能伸臂体系，结合了消能伸臂体系的特点，在伸臂桁架与外框架柱之间布置被动式复位刚度阻尼器，利用活塞和油缸的相对竖向位移来控制常闭旁通阀打开和关闭，从而产生刚度、复位刚度和耗散能量；克服了主动/半主动控制需要外部能量输入的问题，以被动控制的方式实现了现有的主动/半主动控制方式的效果，提高了对结构动力响应控制的可靠性；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。

[0033] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。