一种用于建筑的抗侧力结构

1.本发明属于建筑结构受力领域，更具体地，涉及一种用于建筑的抗侧力结构。


背景技术：

2.风作用下，风致振动的危害主要是长持时造成的楼层加速度给居住者带来不适的问题，而地震的危害则是高峰值造成的楼层位移给结构带来破坏的问题，二者减振的目的不同，因此减振的原理也不同，很难能够在建筑中同时减弱两者对建筑的振动影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供了一种用于建筑的抗侧力结构，在建筑振动时会引起该结构的共振，由此产生的惯性力反作用于建筑上，起到减小建筑振动反应的作用，另外合金丝材能够消耗建筑外部传来的振动能量，来减小建筑风振或地震的反应。
4.为了实现上述目的，本发明提供一种用于建筑的抗侧力结构，所述建筑包括顶部结构和支撑结构，所述支撑结构支撑在所述顶部结构的下方两侧，包括：
5.摆杆，所述摆杆的顶端与所述顶部结构活动连接；
6.阻尼器，设置于所述摆杆的顶端的外周，所述阻尼器与所述摆杆摩擦连接；
7.质量块盒，所述质量块盒与所述摆杆的底端连接，所述质量块盒内设置有多个质量块；
8.多个合金丝材，所述合金丝材的两端分别与所述质量块盒的四周和所述主体结构的构件连接。
9.可选地，所述顶部结构为连梁或墙肢，所述支撑结构为剪力墙或框架柱。
10.可选地，所述阻尼器包括：
11.阻尼片，所述阻尼片呈n形，所述阻尼片的中部水平部分套设于所述摆杆的顶端；
12.两个刚度弹簧，所述刚度弹簧的一端套设于所述阻尼片的两端竖直部分，所述刚度弹簧的另一端与所述顶部结构连接。
13.可选地，所述顶部结构设置有单向铰，所述单向铰靠近所述顶部结构的一端与所述阻尼片的中部水平部分摩擦连接，所述摆杆的顶端通过弹簧螺栓与所述顶部结构连接。
14.可选地，所述质量块盒的中心位置设置有螺纹孔，所述质量块盒上设置有多个安装孔，所述摆杆的底端与所述螺纹孔连接，所述质量块与所述安装孔可拆卸连接。
15.可选地，所述质量块盒的底部设置有万向轮。
16.可选地，所述质量块盒的四周分别通过所述合金丝材与所述建筑连接，所述支撑结构设置有变向滑轮，所述变向滑轮与所述合金丝材的中部滚动贴合，所述合金丝材处于所述变向滑轮与所述质量块盒之间的部分沿水平方向设置。
17.可选地，所述合金丝材采用fe-mn-al-ni基sma材料。
18.可选地，还包括伺服控制系统，设置于所述质量块盒和所述摆杆之间，所述伺服控
制系统能够根据所述质量块盒与所述建筑的水平加速度来调整所述质量块盒在所述摆杆上的连接位置。
19.可选地，所述伺服控制系统包括第一加速度传感器、第二加速度传感器、单片机电路板和步进电机，所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器分别与所述主体结构和所述质量块盒连接，所述步进电机设置于所述质量块盒和所述摆杆之间，所述单片机电路板根据所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器的数据控制所述步进电机。
20.本发明提供了一种用于建筑的抗侧力结构，其有益效果在于：
21.1、该抗侧力结构可以应用于框架结构和框架-剪力墙结构体系中，框架结构只是用框架柱替换了剪力墙墙肢，都是抗侧结构；当结构高度、受力、功能变化发展时，抗侧力结构刚度和性能也随着变化，随风速和地震作用的变化自主相应调整刚度、阻尼力和反方向作用力，满足建筑的结构要求，同时来减小建筑风振或地震的反应，具有智能化特色；
22.2、该抗侧力结构是一种十分有效的高层建筑抗风手段，将受力变形集中在阻尼器里，大幅度减少框架梁或连梁的损伤并能自动复位作用，耗散地震能量并降低结构反应；增加刚度，增大承载能力，提高延性，增加附加阻尼，减小地震力，能自主控制地震力，主动减小地震和风荷载效应，灵活增强结构阻尼和延性，达到满足结构承载力要求，控制变形；可大大增加高层建筑结构的最大适用高度，极大地扩展建筑使用范围，满足超高层和高烈度地区建筑的需要，这种结构转型具有安全可控、减小该结构构件尺寸、更有效地满足建筑功能、更大范围扩展结构竖向构件作用功能、成本效益突出、刚度增加潜力大的优势。
23.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
24.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
25.图1示出了根据本发明的一个实施例的一种用于建筑的抗侧力结构的结构示意图。
26.附图标记说明：
27.1、顶部结构；2、支撑结构；3、摆杆；4、质量块盒；5、质量块；6、合金丝材；7、构件；8、阻尼片；9、刚度弹簧；10、单向铰；11、弹簧螺栓；12、变向滑轮。
具体实施方式
28.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
29.本发明提供一种用于建筑的抗侧力结构，建筑包括顶部结构和支撑结构，支撑结构支撑在顶部结构的下方两侧，包括：
30.摆杆，摆杆的顶端与顶部结构活动连接；
31.阻尼器，设置于摆杆的顶端的外周，阻尼器与摆杆摩擦连接；
32.质量块盒，质量块盒与摆杆的底端连接，质量块盒内设置有多个质量块；
33.多个合金丝材，合金丝材的两端分别与质量块盒的四周和主体结构的构件连接。
34.具体的，该抗侧力结构通过摆杆的顶端与顶部结构连接，在顶端的外周设置有阻尼器，在摆杆受到振动摆动时，摆杆与阻尼器摩擦运动，摆杆的底部与带有质量块的质量块盒连接，改变质量块的数量、增加阻尼器的阻尼和保证合金丝材的刚度，能够使质量块产生更大的反向惯性力，使阻尼器能迅速承受更大的风载和地震力，吸收更多的外界能量，而建筑本身承受更小的作用力和产生更小的变形，能更有效地保护建筑。
35.在一个实施例中，质量块盒里的质量块提供恢复建筑形变的作用力，通过调整摆杆的长度，来调节阻尼器自身频率与建筑的频率相同，当风载荷或地震作用在建筑上使其发生水平振动时，质量块带动摆杆产生与建筑相反的振动，对建筑产生反作用力，从而控制建筑的振动，并且通过阻尼器耗散风载荷或地震带来的振动能量。
36.摆杆依靠质量块的重力提供恢复力，通过调整摆杆的长度来调整阻尼器自身的频率，使该抗侧力结构与建筑的主振频率接近，从而达到更好的减振效果。摆杆的长度与阻尼器的周期公式如下：
[0037][0038]
fd和td分别为阻尼器的频率和周期，l为吊杆长度，g为重力加速度。
[0039]
可选地，顶部结构为连梁或墙肢，支撑结构为剪力墙或框架柱。
[0040]
具体的，该抗侧力结构可以设置在建筑的墙体开设的空腔内，不占用建筑的使用面积，在结构平面的x和y方向应均匀布置，使两个方向抗振能力相当，外部可用装饰材料封闭，底部设置挡槛，防止滑块滑出边界，该抗侧力结构设置在两侧的短肢剪力墙或一般剪力墙或框架柱连接成双肢剪力墙或一跨框架内，将连梁或墙肢作为顶部结构，剪力墙或框架柱作为支撑结构。
[0041]
可选地，阻尼器包括：
[0042]
阻尼片，阻尼片呈n形，阻尼片的中部水平部分套设于摆杆的顶端；
[0043]
两个刚度弹簧，刚度弹簧的一端套设于阻尼片的两端竖直部分，刚度弹簧的另一端与顶部结构连接。
[0044]
具体的，阻尼器包括阻尼片，阻尼片呈n形，阻尼片的中部套设在摆杆上，阻尼片的两端竖直部分套设有刚度弹簧，刚度弹簧与顶部结构连接，当摆杆受到建筑振动开始摆动时，摆杆与阻尼片相互摩擦运动，通过阻尼片的阻尼效果来减慢摆杆摆动，耗散建筑振动的能量；阻尼片为粘弹性材料，阻尼片的中部套设在摆杆的外周，能够起到减少振动的作用，继而形成阻尼效果。
[0045]
在一个实施例中，阻尼片也可以为圆环形，阻尼片沿水平方向设置，摆杆的顶端穿设于阻尼片的圆环内，阻尼片的外周通过刚度弹簧与顶部结构连接。
[0046]
可选地，顶部结构设置有单向铰，单向铰靠近顶部结构的一端与阻尼片的中部水平部分摩擦连接，摆杆的顶端通过弹簧螺栓与顶部结构连接。
[0047]
具体的，顶部结构内预埋钢筋吊钩，单向铰悬挂在吊钩上可以在平面内自由摆动，摆杆的顶部设置有穿入孔，单向铰的转轴通过穿入孔与摆杆连接，单向铰的顶部与阻尼片
相贴合，当摆杆摆动时，摆杆带动阻尼片与单向铰摩擦运动，通过调整弹簧螺栓可以改变摆杆的上下位置，由于阻尼片通过刚度弹簧与顶部结构连接，因此摆杆的上下位置的改变能够改变单向铰对阻尼片的预压力，从而调整摆杆的阻尼系数。
[0048]
可选地，质量块盒的中心位置设置有螺纹孔，质量块盒上设置有多个安装孔，摆杆的底端与螺纹孔连接，质量块与安装孔可拆卸连接。
[0049]
具体的，质量块盒的中心位置设置有螺纹孔，摆杆与质量块盒通过螺纹连接，这样能够对摆杆的长度进行调整，通过调整摆杆的长度来调节阻尼器自身评论与建筑频率相同，在风荷载或地震作用在建筑上使建筑发生水平振动时，摆杆产生与建筑相反的振动，对建筑产生反作用力，从而控制建筑的振动，并通过阻尼器耗散建筑振动的能量；并且在质量块盒上对称设置有多个安装孔，这样可以方便对质量块的增减。
[0050]
可选地，质量块盒的底部设置有万向轮。
[0051]
具体的，质量块盒下部还可以设置有万向轮，可抵抗任意方向的地震作用，摩擦系数由滑动摩擦系数变为滚动摩擦系数，摩擦系数更小，减振灵敏度更高，减振效率更好；因为质量块盒沿平行于顶部结构的方向运动，且两者之间的距离最长，能够抵抗或消减平行方向的地震作用效果最好，因此设置万向轮能够一定程度的降低质量块盒和质量块的运动阻力。
[0052]
可选地，质量块盒的四周分别通过合金丝材与建筑连接，支撑结构设置有变向滑轮，变向滑轮与合金丝材的中部滚动贴合，合金丝材处于变向滑轮与质量块盒之间的部分沿水平方向设置。
[0053]
具体的，质量块盒的左右、前后两端用合金丝材固定于建筑上，合金丝材的锚固端一般在建筑的构件上，总共四个，有左右、前后两个方向；在支撑结构上设置变向滑轮，可以改变合金丝材与质量块盒的连接角度，使连接在质量块盒两侧的合金丝材沿水平方向设置，保证在建筑受到振动时，摆杆带动质量块盒沿水平方向移动。
[0054]
可选地，合金丝材采用fe-mn-al-ni基sma材料。
[0055]
具体的，合金丝材采用fe-mn-al-ni基sma具有较好的超弹性性能，最大相变应变达8％，且相比于传统ni-ti基sma价格低、机械加工性能好。此材料既有传感功能，即有感知应力、应变、电、热等信号的能力；又有驱动功能，即对所感知的信号作出响应的能力。其与聚合物基体或铝基等金属基体、水泥基体以及其它增强纤维复合而成的sma复合材料结构，因此具有主动控制的能力，又由于sma具有独特的超弹性特点，在加载-卸载过程中能够吸收较多的振动能量，使sma复合材料结构也能够实现对结构振动的被动控制。
[0056]
在一个实施例中，合金丝材可以为丝状、带状、管状等形式；不同形式的合金丝材可以与建筑有不同的连接方式；它既可以像玻纤或碳纤那样埋入基体材料，也可以离散地连接于建筑上，还可以张贴于建筑表面。
[0057]
可选地，还包括伺服控制系统，设置于质量块盒和摆杆之间，伺服控制系统能够根据质量块盒与建筑的水平加速度来调整质量块盒在摆杆上的连接位置。
[0058]
具体的，该抗侧力结构还包括伺服控制系统，伺服控制系统设置在质量块盒和摆杆之间，获取质量块和建筑水平加速度，通过调整摆杆的长度来调整阻尼器的自振频率接近建筑的自振频率，实现质量块和建筑的水平加速度的比值大于某个限值的方法来实现阻尼器频率的调节。当加速度比值大于该限值时，认为阻尼器与建筑频率相近，不必进行频率
调节；当加速度比值小于该限值时，认为阻尼器的减振效果欠佳，须要进行频率调节；然后启动驱动装置改变摆杆的长度以改变其频率，使阻尼器的频率与建筑的自振频率相近。
[0059]
可选地，伺服控制系统包括第一加速度传感器、第二加速度传感器、单片机电路板和步进电机，第一加速度传感器和第二加速度传感器分别与主体结构和质量块盒连接，步进电机设置于质量块盒和摆杆之间，单片机电路板根据第一加速度传感器和第二加速度传感器的数据控制步进电机。
[0060]
具体的，伺服控制系统由第一加速度传感器、第二加速度传感器和单片机电路板组成.两个加速度传感器分别测得建筑和质量块的水平加速度，单片机电路板根据预先设置于内的加速度比值限值和调节算法，有规律地驱动步进电机来调节摆杆的长度，直至达到加速度比值限值为止，达到阻尼器的频率与建筑的自振频率相近。
[0061]
实施例
[0062]
如图1所示，本发明提供一种用于建筑的抗侧力结构，建筑包括顶部结构1和支撑结构2，支撑结构2支撑在顶部结构1的下方两侧，包括：
[0063]
摆杆3，摆杆3的顶端与顶部结构1活动连接；
[0064]
阻尼器，设置于摆杆3的顶端的外周，阻尼器与摆杆3摩擦连接；
[0065]
质量块盒4，质量块盒4与摆杆3的底端连接，质量块盒4内设置有多个质量块5；
[0066]
多个合金丝材6，合金丝材6的两端分别与质量块盒4的四周和主体结构的构件7连接。
[0067]
在本实施例中，顶部结构1为连梁或墙肢，支撑结构2为剪力墙或框架柱。
[0068]
在本实施例中，阻尼器包括：
[0069]
阻尼片8，阻尼片8呈n形，阻尼片8的中部水平部分套设于摆杆3的顶端；
[0070]
两个刚度弹簧9，刚度弹簧9的一端套设于阻尼片8的两端竖直部分，刚度弹簧9的另一端与顶部结构1连接。
[0071]
在本实施例中，顶部结构1设置有单向铰10，单向铰10靠近顶部结构的一端与阻尼片8的中部水平部分摩擦连接，摆杆3的顶端通过弹簧螺栓11与顶部结构1连接。
[0072]
在本实施例中，质量块盒4的中心位置设置有螺纹孔，质量块盒4上设置有多个安装孔，摆杆3的底端与螺纹孔连接，质量块5与安装孔可拆卸连接。
[0073]
在本实施例中，质量块盒4的底部设置有万向轮。
[0074]
在本实施例中，质量块盒4的四周分别通过合金丝材6与建筑连接，支撑结构2设置有变向滑轮12，变向滑轮12与合金丝材6的中部滚动贴合，合金丝材6处于变向滑轮12与质量块盒4之间的部分沿水平方向设置。
[0075]
在本实施例中，合金丝材6采用fe-mn-al-ni基sma材料。
[0076]
在本实施例中，还包括伺服控制系统，设置于质量块盒4和摆杆3之间，伺服控制系统能够根据质量块盒4与建筑的水平加速度来调整质量块盒4在摆杆3上的连接位置。
[0077]
在本实施例中，伺服控制系统包括第一加速度传感器、第二加速度传感器、单片机电路板和步进电机，第一加速度传感器和第二加速度传感器分别与主体结构和质量块盒4连接，步进电机设置于质量块盒4和摆杆3之间，单片机电路板根据第一加速度传感器和第二加速度传感器的数据控制步进电机。
[0078]
综上，在建筑受到风载和地震力影响时，摆杆3由右向左摆动时，可带动质量块盒4
沿水平滑道运动并拉动右侧的合金丝材6产生相对位移，此时左侧的合金丝材6处于松弛状态，当质量块5恢复到平衡位置时合金丝材6放松，其经历了一个耗能循环过程，其滞回曲线饱满注明耗能过程达到要求，同时质量块5的惯性力通过摆杆3反作用到顶部结构1上，与顶部结构1的移动方向相反，对建筑的振动产生控制作用，使建筑的振动反应得到衰减；同理当质量块5由左侧摆向右侧时，那么质量块盒4会被带动左侧的合金丝材6拉紧并产生位移，右侧的合金丝材6松弛；在质量块5的摆动过程中，合金丝材6经历了由拉紧到收缩的循环过程，构成了饱满的滞回曲线，实现了对建筑的耗能，合金丝材6具有自复位功能；通过弹簧螺栓11调整调整单向铰对阻尼片的预压力，从而合理的调整该结构的阻尼比，另外通过伺服控制系统对质量块盒4在摆杆3上的连接位置进行调整，达到智能和主动控制来减小建筑风振或地震的反应。
[0079]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。