古建筑支撑变形阻尼结构的制作方法

1.本发明涉及古建筑保护技术领域，特别是涉及古建筑支撑变形阻尼结构。


背景技术：

2.中国古建筑木结构历经千百年风吹日晒，依然屹立不倒，既存在日常风险源劣化损伤积累造成的静力失稳风险，又面临突发自然灾害下损伤量剧增而造成的动力失稳风险。在突发自然灾害（如地震、强风）作用下，古建筑木结构离散体力学模型特征，会致使古建筑结构连接界面发生滑移和节点转动，目前我国古建筑木结构安全稳定风险防控主要沿用现代工程对抗风险的理念和加固方法，可增强其在正常风险源及小震作用下的安全性能，却限制了文物在非正常自然灾害（如大震、强风）发生时原本固有的耗能能力，反而会降低其动力稳定承载能力。另一方面，不可移动文物修缮、加固、维护应尽量保持其的原有风貌，以确保历史信息的原真性，而现行加固措施需侵入文物本体，难以实现最小干预文物本体且措施可逆的原则。
3.同时由于加固措施与古建筑离散体模型耗能机理不吻合，甚至会造成动力稳定性能降低，如汶川地震震害结果表明，某些历史修复不仅没有对古建筑起到进一步的保护作用，相反还降低了其抗震能力。


技术实现要素：

4.本发明古建筑支撑变形阻尼结构。
5.解决的技术问题是：现有的建筑加固结构会破坏传统木结构古建筑自身的离散体力学模型特征，削弱古建筑对非正常自然灾害的耗能能力，降低古建筑的稳定性。
6.为解决上述技术问题，本发明古建筑支撑变形阻尼结构，采用如下方案。
7.一种古建筑支撑变形阻尼结构，包括下方固定在建筑基础部分的支座，以及上方固定在建筑横梁上的刚性横杆，横杆的左右两端铰接侧杆，侧杆的底部铰接在支座上，支座、横杆和两个侧杆围成平行四边形机构；平行四边形机构相对的两个铰接点之间设置阻尼装置，阻尼装置包括运动放大机构和气动阻尼器；当横杆相对与底座运动时，平行四边形结构相对的两个铰接点距离发生变化，运动放大机构增大两铰接点运动量并带动气动阻尼器运动。
8.优选的，在所述平行四边形结构上左右对称设置有两组阻尼装置，两组阻尼装置分别连接平行四边形机构的两个两组相对的铰接点。
9.优选的，所述阻尼装置还包括钢索，钢索的两端分别设置在平行四边形机构的两个相对的铰接点处；钢索底部连接在支座的一端，钢索顶部连接在横杆的另外一端；横杆上带有滑槽，钢索的上端连接有与滑槽滑动配合的滑块，所述运动放大机构与钢索的上端连接，由钢索的上端驱动运动放大机构运动。
10.优选的，所述运动放大机构包括驱动端和输出端，且输出端的运动距离大于驱动端，运动放大机构的输出端连接气动阻尼器；所述运动放大机构为费力杠杆或剪叉机构或
齿轮组或者滑轮组。
11.优选的，所述运动放大机构包括第一杠杆和第二杠杆两个费力杠杆，以及齿轮齿条和曲柄连杆机构；所述第一杠杆铰接安装在横杆上，第二杠杆铰接安装在支座上；第一杠杆的动力臂与钢索顶部连接，第一杠杆的阻力臂与第二杠杆的动力臂通过绳索和滑轮连接，第二杠杆的阻力臂连接齿条，齿条与设置在支座上的齿轮啮合，齿轮上沿其径向固定有向外延伸的曲柄，曲柄的外端连接连杆的一端，连杆的另一端连接气动阻尼器并带动气动阻尼器运动。
12.优选的，所述运动放大机构上还连接有复位机构，复位机构能够在运动放大机构的驱动力解除后让运动放大机构和气动阻尼器回到原位。
13.优选的，横杆连接的横梁为建筑门框、窗框顶部的木梁或者建筑结构梁，横杆上固定连接有若干抱箍，所述抱箍环抱紧横梁；横梁与抱箍接触部位进行清理去除腐蚀部分，保持横梁与抱箍的接触界面平整无局部凸起。
14.优选的，所述横杆与横梁的间隙不小于1cm，横杆的抗弯刚度不小于相连木梁抗弯刚度的3～5倍，材料强度不小于相连木梁材料强度的7～10倍。
15.优选的，所述气动阻尼器包括密闭气缸、活塞杆、活塞、复位弹簧构成，活塞杆内端安装活塞，活塞杆外端连接运动放大机构；活塞轮廓侧表面与密闭气缸内壁接触，密闭气缸内充满气体，活塞开设气孔；活塞一侧与复位弹簧连接，复位弹簧支设在密闭气缸的内壁上。
16.本发明古建筑支撑变形阻尼结构与现有技术相比，具有如下有益效果：针对传统木结构古建筑的离散受力和变形吸能的结构特点。针对性的设计了一种可变性具有阻尼作用的辅助稳定装置。用来对传统的木结构古建筑进行加固支撑保护。
17.当建筑遇到诸如地震强风等震动时，木结构的古建筑其横梁会发生水平横移，建筑的木结构发生形变，然后进行回弹。从而吸收建筑震动的能量，保护建筑物主体。但是老旧的建筑物，其木结构本身已经发生了腐蚀，不能再提供足够的变形和回弹。
18.具体地，主要由一个平行四边形机构的框架组成。平行四边形机构的框架，为建筑的横梁提供支撑，对古建筑进行加固。当建筑发生震动形变是，会带动平行四边形机构运动。
19.在平行四边形机构运动时，其对角线相对的两个铰接点的间距会发生变化。本发明在平行四边形机构内设置运动放大机构来扩大这个间距变化的运动距离，然后用运动放大机构放大后的运动带动气动阻尼器，气动阻尼器用来起到阻尼作用，消耗运动的能量来减少变形量和回弹。
附图说明
20.图1是本发明古建筑支撑变形阻尼结构安装后的结构简图；图2是在仅有一个阻尼装置的情况下，装置运初始状态时的示意图；图3是图2中装置运行后的状态示意图；图4是图2中另外一种运动放大机构的实施例示意图；图5是气动阻尼器的结构示意图。
21.附图标记说明：1-平行四边形机构，1a-支座，1b-横杆，1c-侧杆；2-阻尼装置；2a-运动放大机构，2a1-第一杠杆、2a2-第二杠杆、2a3-齿条、2a4-齿轮、2a5-曲柄、2a6-连杆、2a7-绳索、2a8-滑轮，2b-气动阻尼器，2b1-密闭气缸、2b2-活塞杆、2b3-活塞、2b4-复位弹簧、2b5-气孔；2c-钢索；3-抱箍；4-滑槽；5-横梁；6-建筑基础；7-复位机构。
具体实施方式
22.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
23.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图1所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
24.为了解决现有的建筑加固结构会破坏传统木结构古建筑自身的离散体力学模型特征，削弱古建筑对非正常自然灾害的耗能能力，降低古建筑的稳定性的问题，本实用性提出了一种古建筑支撑变形阻尼结构。如图1到图4中所示的。
25.一种古建筑支撑变形阻尼结构，其特征在于，包括下方固定在建筑基础6部分的支座1a，以及上方固定在建筑横梁5上的刚性横杆1b，横杆1b的左右两端铰接侧杆1c，侧杆1c的底部铰接在支座1a上，支座1a、横杆1b和两个侧杆1c围成平行四边形机构1；平行四边形机构1相对的两个铰接点之间设置阻尼装置2，阻尼装置2包括运动放大机构2a和气动阻尼器2b；当横杆1b相对与底座运动时，平行四边形结构相对的两个铰接点距离发生变化，运动放大机构2a增大两铰接点运动量并带动气动阻尼器2b运动。
26.针对传统木结构古建筑的离散受力和变形吸能的结构特点。针对性的设计了一种可变性具有阻尼作用的辅助稳定装置。用来对传统的木结构古建筑进行加固支撑保护。当建筑遇到诸如地震强风等震动时，木结构的古建筑其横梁5会发生水平横移，建筑的木结构发生形变，然后进行回弹。从而吸收建筑震动的能量，保护建筑物主体。但是老旧的建筑物，其木结构本身已经发生了腐蚀，不能再提供足够的变形和回弹。
27.具体地，主要由一个平行四边形机构1的框架组成。平行四边形机构1的框架，为建筑的横梁5提供支撑，对古建筑进行加固。当建筑发生震动形变是，会带动平行四边形机构1运动。在平行四边形机构1运动时，其对角线相对的两个铰接点的间距会发生变化。本发明在平行四边形机构1内设置运动放大机构2a来扩大这个间距变化的运动距离，然后用运动放大机构2a放大后的运动带动气动阻尼器2b，气动阻尼器2b用来起到阻尼作用，消耗运动的能量来减少变形量和回弹。
28.古建筑需要加固保护的主要原因就是，原有建筑主体上主要受力的木结构经过常年的腐蚀，已经发生变形或者不再能够提供足够的支撑力。因此对古建筑进行加固最重要的就是提供支撑，本发明的古建筑支撑变形阻尼结构首先是一个框架结构的平行四边形机构1，底部的支座1a安装在建筑物较为稳定的部分一般是门框的底部、窗框的底部，或者人工在建筑物上加固形成的稳定支撑结构。然后通过两个侧杆1c支撑顶部的横杆1b，用横杆1b去支撑建筑的横梁5结构，为建筑物的柱体分散压力。但是如果直接用金属焊接一个固定的框架结构，就会破坏木结构建筑本身的抗震耗能能力。在地震大风等外部受力影响时，建筑物的横梁5会发生平移，建筑的柱体发生一定的变形或者建筑梁柱结合部位发生扭转变形，然后再进行回弹，来吸收建筑震动的能量。这也是木质古建筑抗震能力的核心。如果用固定框架这个横梁5就难以发生水平横移，或者会在框架和横梁5的连接部位发生滑移，反而加重对建筑物的破坏。削弱建筑物的抗震抗风能力。
29.因此本发明的框架为一个活动的平行四边形机构1，当建筑物发生变形时，平行四边形机构1首先会随着建筑物一起发生变形，为建筑物提供支撑保护的同时，不会影响建筑物的弹性抗震能力。
30.其次古建筑由于木结构老化，其本身的回弹能力也大大的减弱了。因此本发明中还在平行四边形机构1内设置了阻尼装置2，用来在建筑受力变形时辅助建筑物进行吸能抗震，减小建筑物本身的应力集中，避免变形超过已经老化的木结构的受力极限。同时由于建筑物的变形一般不大，所以阻尼装置2首先包括运动放大机构2a。利用平行四边形机构1在运动时其对角线的间距会发生变化，运动放大机构2a放大这个变化距离带动惯性阻尼装置2实现阻尼效果。
31.其中支座1a安装所在的建筑基础6需要根据受保护木建筑的具体结构情况确定，可以是一层建筑的砖石结构基础，也可以是图4中所示的建筑窗户、门洞下缘处的底部横梁5，或者建筑底板上的支撑梁。支座1a一方面组成平行四边形机构1，另一方面为其他的附属设备提供固定和安装基础。
32.如图1中所示的，在平行四边形机构1运动时，其两个对角线的铰接点间距都会发生变化，一个伸长的同时另外一个会缩短。因此为了受力平衡，本发明在所述平行四边形结构上左右对称设置有两组阻尼装置2，两组阻尼装置2分别连接平行四边形机构1的两个两组相对的铰接点。两个相对的铰接点分别是图1中左上和右下的铰接点，以及右上和左下的铰接点。
33.由于两个阻尼装置2的结构相同，仅仅是对称设置在不同位置，因此在后续说明中仅针对其中一个进行说明。也就是图2到图4中所示的。
34.如图2中所示的，所述阻尼装置2还包括钢索2c，钢索2c的两端分别设置在平行四边形机构1的两个相对的铰接点处；钢索2c底部连接在支座1a的一端，钢索2c顶部连接在横杆1b的另外一端；横杆1b上带有滑槽4，钢索2c的上端连接有与滑槽4滑动配合的滑块，所述运动放大机构2a与钢索2c的上端连接，由钢索2c的上端驱动运动放大机构2a运动。其中的钢索2c可以是硬质的杆件也可以是柔性的钢丝绳，这里为了名称统一称之为钢索2c。运动放大机构2a由于设计标准化的原因，又是不能安装在各型各类的平行四边形机构1的对角线铰接点处。以图2和图3为例，由钢索2c连接平行四边形机构1的两个对角线的铰接点，钢索2c底部固定在制作的右端；钢索2c顶部通过滑块滑动安装到横杆1b左端，当平行四边形
机构1运动时，滑块相对滑槽4滑动，也就是滑块就会相对与横杆1b运动。然后运动放大机构2a同时与横杆1b和滑块连接，运动放大机构2a放大横杆1b和滑块的相对运动，然后驱动气动阻尼器2b。
35.所述运动放大机构2a包括驱动端和输出端，且输出端的运动距离大于驱动端，运动放大机构2a的输出端连接气动阻尼器2b；所述运动放大机构2a为费力杠杆或剪叉机构或齿轮2a4组或者滑轮2a8组。图2的实施例中运动放大机构2a采用的是费力杠杆和滑轮2a8组的组合。图3的实施例中才用的是剪叉机构、滑轮2a8组和费力杠杆的组合。也可以是齿轮2a4组等其他组合，这个可以根据现场的实际情况确定。
36.如图2和图3中所示的，所述运动放大机构2a包括第一杠杆2a1和第二杠杆2a2两个费力杠杆，以及齿轮2a4齿条2a3和曲柄2a5连杆2a6机构；所述第一杠杆2a1铰接安装在横杆1b上，第二杠杆2a2铰接安装在支座1a上；第一杠杆2a1的动力臂与钢索2c顶部连接，第一杠杆2a1的阻力臂与第二杠杆2a2的动力臂通过绳索2a7和滑轮2a8连接，第二杠杆2a2的阻力臂连接齿条2a3，齿条2a3与设置在支座1a上的齿轮2a4啮合，齿轮2a4上沿其径向固定有向外延伸的曲柄2a5，曲柄2a5的外端连接连杆2a6的一端，连杆2a6的另一端连接气动阻尼器2b并带动气动阻尼器2b运动。其中齿条2a3和第二杠杆2a2转动安装，在齿条2a3和第二杠杆2a2之间设置弹性件，弹性件将齿条2a3压向齿轮2a4。
37.在运动放大机构2a需要的放大比例不大的情况下，这里的曲柄2a5摇杆和齿轮2a4齿条2a3机构可以去除，第二杠杆2a2的阻力臂上直接连接连杆2a6，连杆2a6与气动阻尼器2b连接带动气动阻尼器2b运动。或者第二杠杆2a2直接连接气动阻尼器2b的活塞杆2b2，然后气动阻尼器2b通过铰座转动安装在支座1a上。
38.当钢索2c为柔性的钢丝绳时，由于钢丝绳只能提供拉力，因此所述运动放大机构2a上还连接有复位机构7，复位机构7能够在运动放大机构2a的驱动力解除后让运动放大机构2a和气动阻尼器2b回到原位。具体地，这个复位机构7可以是一根复位弹簧2b4，可以杆状在第二杠杆2a2的动力臂和支座1a之间也可以设置在气动阻尼器2b上。如图2所示的，首先平行四边形机构1的横杆1b运动向左运动，就会引起钢丝绳牵动滑块滑动，然后运动放大结构就会驱动气动阻尼器2b，气动阻尼器2b反过来就会将阻尼作用力转导到平行四边形机构1上来吸收建筑震动的能量。气动阻尼器2b被带动的同时复位弹簧2b4储能。当平形四边形机构的横杆1b开始向右运动时，复位机构7释放能量带动运动放大机构2a回位。
39.如图4中所示的，横杆1b连接的横梁5为建筑门框、窗框顶部的木梁或者建筑结构梁，横杆1b上固定连接有若干抱箍3，所述抱箍3环抱紧横梁5；横梁5与抱箍3接触部位进行清理去除腐蚀部分，保持横梁5与抱箍3的接触界面平整无局部凸起。
40.其中所述横杆1b与横梁5的间隙不小于1cm，横杆1b的抗弯刚度不小于相连木梁抗弯刚度的3～5倍，材料强度不小于相连木梁材料强度的7～10倍。
41.如图5中所示的，所述气动阻尼器2b包括密闭气缸2b1、活塞杆2b2、活塞2b3、复位弹簧2b4构成，活塞杆2b2内端安装活塞2b3，活塞杆2b2外端连接运动放大机构2a；活塞2b3轮廓侧表面与密闭气缸2b1内壁接触，密闭气缸2b1内充满气体，活塞2b3开设气孔2b5；活塞2b3一侧与复位弹簧2b4连接，复位弹簧2b4支设在密闭气缸2b1的内壁上。气动阻尼器2b就是一个利用流体通过小孔时压力和流速增大，来获得阻尼效果的装置。其阻尼力会随着运动速度的加快而增大。
42.在本实施例中，箍板呈圆弧形，以使抱箍3适用于圆形木梁，翼板与圆弧形箍板焊接成型，翼板开设两个连接孔，连接抱箍3中的螺纹紧固组件、连接孔的直径与螺纹紧固组件中的螺栓直径均为10mm。抱箍3板包括箍板与翼板，抱箍3板的材质均为钢材。抱箍3板的厚度为10mm，箍板上半部圆弧半径为160mm，翼板长50mm，宽30mm，厚度为10mm，连接孔为直径为10mm，螺纹所在圆柱长度为30mm，螺纹外径为15mm，中部实腹柱体长度为100mm。
43.弧形的滑槽4的深度为20mm，弧形滑槽4以运动放大机构2a与铰支座1a连接点为圆心，由两段半径分别为450mm和500mm的弧组成；滑块为直径50mm，厚度为20mm的圆形钢块。
44.如图2中所示的，第一杠杆2a1的铰支座1a与平行四连杆2a6机构的横杆1b固采用螺栓固定连接。第一杠杆2a1的铰接点在距上端点自身杆长0.2倍的位置与铰支座1a通过销轴连接，第一杠杆2a1上端与滑块通过销轴连接，第一杠杆2a1和第二杠杆2a2，所用钢材均为355mpa的钢材，铰支座1a所用材料采用屈服强度为550mpa的钢材。 在本实施例中，第一杠杆2a1长度为740mm，第一杠杆2a1的横截面为0.1m*0.1m*0.012m的箱型截面，第一杠杆2a1两端轴承直径为30mm。
45.如图2-图3，拉索左上端点连接耳板与滑块通过销轴铰接，拉索右下端点与平行四连杆2a6机构的铰接轴连接。 在本实施例中，拉索直径10mm，连接耳板为内径为50mm，外径为60mm的圆环，使圆环内壁足够光滑，摩擦系数0.15。拉索材料选用锌-5%铝-稀土合金镀层高强钢索2c, 屈服强度为400mpa，极限强度为540mpa，弹性模量200000mpa。
46.在本实施例中，绳索2a7与第一杠杆2a1的初始角度为75
°
，定滑轮2a8直径为80mm，弧形滑槽4直径为12mm。杠杆主梁截面选用0.12m*0.1m*0.012m的箱型截面，杠杆主梁的长度为850mm，杠杆主梁在自身杆长0.3倍所在位置与支撑座连接。
47.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。