用于减轻地震事件影响的系统的制作方法

用于减轻地震事件影响的系统的制作方法
【专利摘要】一种建筑结构具有一个或多个楼层且包括至少两个支柱，所述支柱支撑所述楼层中的第一者；其中所述支柱中的至少一者由具有第一部分和第二部分的至少一个撑脚支撑。所述至少一个撑脚具有：第一配置，其中所述第一部分可相对于所述第二部分自由地移动，使得在所述撑脚中形成间隙，从而防止沿着所述撑脚轴向地传输力；和第二配置，其中所述间隙通过所述第一部分与所述第二部分接触而闭合以允许沿着所述撑脚轴向地传输力。所述第二配置在所述至少一个支柱承受足以迫使所述间隙闭合的变形程度时发生。
【专利说明】用于减轻地震事件影响的系统
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年12月2日提交的美国临时申请No. 61 /910，474的优先权，所述美 国临时申请的内容全文以引用的方式明确并入本文中。 发明领域
[0003] 本发明一般来说涉及建立用于减轻地震事件影响的系统，且更明确地说涉及用于 减轻地震事件在具有薄弱楼层配置的建筑中的地震事件影响的系统。
[0004] 发明背景
[0005] 在过去两个世纪内，已在全世界广泛地建构具有薄弱楼层配置的建筑。概括地说， 薄弱楼层建筑是其中一层或多层在适当位置具有窗户、宽的门、大的无阻碍商业空间，或其 它开口的建筑，其中剪力墙或其它结构支撑件将通常定位于，或其中剪力墙或其它结构支 撑件定位于薄弱楼层上方的其它层上，使得薄弱楼层与其上方的楼层相比具有显著较低的 刚度和/或强度。在多楼层建筑的第一层提供用于停车、零售、店面橱窗、购物区和大厅的空 间是此类建筑的架构和社会优点，如图1所示。许多较老的建筑已经存在这种或类似的配 置。已知这些薄弱楼层建筑在第一层或界定薄弱楼层的前几层具有极差的抗震性能而具有 倒塌倾向，而且这些薄弱楼层建筑被看作通常在人口密集的市区发现的最有价值的建筑拓 扑之一。
[0006] 从已记录地震记录以来，估计全世界已报告超过850万人死亡和几乎$210万兆的 损坏。考虑到薄弱楼层建筑在生命和财产损失方面所起的高度作用，已估计薄弱楼层建筑 是造成几百万设施和几十亿美元损失的原因。举例来说，在1994年恰好在洛杉矶外的北岭 地震之后不可居住的单元中有几乎三分之二且死亡人数中有较高比例是归因于具有薄弱 楼层的建筑。关于薄弱楼层建筑的这些问题有大量文献证明，而且在本领域是众所周知的。 [0007]最近，本领域已有所发展以开发更现代的设计程序和条例，所述程序和条例旨在 避免导致薄弱楼层反应的支柱侧摆反应，薄弱楼层反应最终使建筑不可使用。已在建筑条 例中引入测量以通过确保新的建筑在建筑高度内拥有相对均匀的强度和刚度来解决这个 问题。对于具有薄弱楼层的现有建筑，法规可能需要对结构进行评估和改进，而且典型的改 进成果通常将增大薄弱楼层的强度和刚度。然而，这未必会减少整个建筑的预期总损坏和 经济损失，因为某种程度的侧摆仍会发生。另外，诸如增加钢筋混凝土墙或钢撑脚等传统改 进方法不仅对这些结构的架构功能造成若干障碍，而且大大增大所改进建筑中必须适应的 设计荷载。现有技术的这些改进方法中的大多数(如果不是全部)包括对建筑结构的基本修 改，从而经常限制对改进之前的薄弱楼层的使用，如图2中示意性示出。另外，许多改进的费 用过高而且从根本上更改建筑的架构或薄弱楼层本身的特性。
[0008]因此本领域需要减轻地震事件对具有至少一个薄弱楼层的建筑结构的影响的替 代解决方案。 发明概要
[0009]根据本发明的一个实施方案，提供一种建筑结构，其具有至少一个楼层且包括:至 少一个支柱;至少一个撑脚，所述至少一个撑脚在一端附接至所述支柱中的至少一者的一 侧且在第二端附接至固定的地基表面;所述撑脚倾斜地附接至所述至少一个支柱;所述至 少一个撑脚具有第一部分和第二部分;其中所述至少一个撑脚具有:第一配置，其中所述第 一部分可相对于所述第二部分自由地移动，使得在所述撑脚中形成间隙，从而防止沿着所 述撑脚轴向地传输力；和第二配置，其中所述间隙通过所述第一部分与所述第二部分接触 而闭合以允许沿着所述撑脚轴向地传输力;其中所述第二配置在所述至少一个支柱承受足 以迫使所述间隙闭合的变形程度时发生。
[0010]在这个实施方案的一个方面，所述第二部分包括管状部件且所述第一部分被设计 大小和以其它方式设计尺寸以便可在所述管状部件内滑动。
[0011]在这个实施方案的另一方面，所述第二部分进一步包括止挡部分，当所述间隙闭 合时所述第一部分抵住所述止挡部分。
[0012] 在这个实施方案的另一方面，所述止挡部分由所述管状部件的减小的横截面尺寸 形成。
[0013] 在这个实施方案的另一方面，所述至少一个撑脚在所述一端直接连接至所述至少 一个支柱。
[0014] 在这个实施方案的另一方面，所述至少一个撑脚在接近所述至少一个支柱的位置 处连接至梁。
[0015] 在这个实施方案的另一方面，所述至少一个撑脚通过销接头附接至所述支柱和固 定地面。
[0016] 在这个实施方案的另一方面，所述至少一个撑脚使用支架附接至所述支柱，所述 支架具有连接至所述支柱的第一端和从所述支柱偏移的第二端;所述至少一个撑脚借助销 接头附接至所述第二端。
[0017] 在这个实施方案的另一方面，所述第一和第二部分中的一者包括用于调整所述第 一和第二部分中的一者的长度的调整构件。
[0018] 在这个实施方案的另一方面，所述调整构件包括轴向长度调整螺钉。
[0019] 在这个实施方案的另一方面，所述至少一个支柱包括两个外部支柱。
[0020] 在这个实施方案的另一方面，所述至少一个撑脚包括支撑所述支柱中的每一者的 两个撑脚;所述两个撑脚定位于所述支柱的相对侧。
[0021] 在这个实施方案的另一方面，所述至少一个撑脚包括支撑所述支柱中的每一者的 一个撑脚和支撑至少一个内部支柱中的每一者的两个撑脚。
[0022] 在这个实施方案的另一方面，提供一种用于阻尼所述建筑结构中的振动的补充阻 尼系统。
[0023] 在这个实施方案的另一方面，建筑被配置为薄弱楼层结构。
[0024] 根据本发明的第二实施方案，提供一种用于在薄弱楼层建筑结构中的至少一个支 柱在地震事件之后承受变形时支撑所述支柱的撑脚;所述建筑结构具有由至少一个支柱支 撑的一个或多个楼层;所述撑脚具有第一部分和第二部分;其中所述撑脚具有:第一配置， 其中所述第一部分可相对于所述第二部分自由地移动，使得在所述撑脚中形成间隙，从而 防止沿着所述撑脚轴向地传输力；和第二配置，其中所述间隙通过所述第一部分与所述第 二部分接触而闭合以允许沿着所述撑脚轴向地传输力。
[0025] 在第二实施方案的一个方面，所述第二部分包括管状部件且所述第一部分被设计 大小和以其它方式设计尺寸以便可在所述管状部件内滑动。
[0026] 在第二实施方案的一个方面，所述第二部分进一步包括止挡部分，当所述间隙闭 合时所述第一部分抵住所述止挡部分。
[0027] 在第二实施方案的一个方面，所述止挡部分由所述管状部件的减小的横截面尺寸 形成。
[0028] 在第二实施方案的一个方面，所述第一和第二部分中的一者包括用于调整所述第 一和第二部分中的一者的长度的调整构件。
[0029] 在第二实施方案的一个方面，所述调整构件包括轴向长度调整螺钉。
[0030] 在本发明的第三实施方案中，提供一种建筑结构，其具有至少一个楼层且包括:至 少一个支柱;至少一个撑脚，所述至少一个撑脚在一端附接至所述支柱中的至少一者的一 侧;所述撑脚倾斜地附接至所述至少一个支柱;其中所述至少一个撑脚具有:第一配置，其 中通过所述撑脚形成间隙，从而防止沿着所述撑脚轴向地传输力;和第二配置，其中所述间 隙闭合以允许沿着所述撑脚轴向地传输力;其中所述第二配置在所述至少一个支柱承受足 以迫使所述间隙闭合的变形程度时发生。
[0031] 在第三实施方案的一个方面，进一步提供一种盘形元件，所述盘形元件垂直地连 接至所述撑脚的另一端，使得当所述至少一个撑脚处于所述第一配置时所述盘形元件以与 地面非正交的角度定位，且当所述至少一个撑脚处于所述第二配置时所述盘形元件基本上 平坦地定位于所述地面上。
[0032] 在另一方面，进一步提供一种止挡元件，所述止挡元件定位于所述至少一个支柱 与所述至少一个撑脚之间，使得所述盘形元件在所述第一配置中抵住所述止挡元件。
[0033] 在另一方面，进一步提供定位于所述至少一个支柱的每一面上的球形元件和位于 所述至少一个支柱周围的环形部件，使得在所述第一配置中所述环形部件的内表面与所述 球形元件间隔开;所述至少一个撑脚在另一端连接至所述环形部件;其中所述至少一个撑 脚中的每一者经由销接头连接至所述环形部件，使得所述环形部件在所述第二配置中朝所 述球形元件中的一者水平地移动并抵住所述球形元件中的所述一者。
[0034] 在另一方面，进一步提供:环形部件，其位于所述至少一个支柱周围，使得所述环 形部件的内表面与所述支柱间隔开;止挡部件，其定位成轴向地远离所述环形部件的外表 面，使得在所述第一配置中在所述环形部件的所述外表面与所述止挡部件的内表面之间形 成间隙;所述至少一个撑脚在另一端连接至所述环形部件;其中所述至少一个撑脚中的每 一者经由销接头连接至所述环形部件，使得所述环形部件在所述第二配置中朝所述止挡部 件中的一者移动并抵住所述止挡部件中的所述一者。
[0035] 附图简述
[0036] 图1是现有薄弱楼层建筑布置的图示。
[0037] 图2是为了减轻地震事件影响而对图1的建筑做出的现有技术改进的图示。
[0038]图3示意性地示出施加至薄弱楼层建筑的具有间隙的倾斜撑脚(GIB)元件。
[0039]图4A、4B和4C分别示意性地示出采用本发明的GIB的建筑的正常状态、撑脚被激活 的状态以及撑脚到达稳态激活位置的状态。
[0040]图5A、5B和5C分别示出初始位置、间隙闭合之前支柱的弹性性能和支柱的屈服后 状况。
[0041 ]图6示出从纤维单元模型获得的系统(框架和GIB)的总的力偏转反应。
[0042] 图7示出GIB与建筑建构中的支柱的连接的一个实施方案。
[0043] 图8示出GIB与建筑建构中的支柱的连接的另一实施方案。
[0044] 图9示出GIB与建筑建构中的支柱的连接的另一实施方案。
[0045] 图10示出根据本发明的GIB内的间隙的构造的一种可能方法。
[0046] 图11A和图11B示出GIB内的间隙的替代构造。
[0047] 图12示出根据本发明的另一实施方案的并入有调整螺钉的具有间隙的倾斜撑脚。 [0048]图13示出图12的螺钉的公部。
[0049]图14示出图12的螺钉的母部。
[0050]图15示出在备用配置下使用本发明的GIB的建筑结构。
[0051]图16示出地震事件之后的图15的建筑结构。
[0052]图17示出安装在建筑结构的支柱上的本发明的具有间隙的倾斜撑脚的布置。
[0053]图18示出安装在建筑结构的支柱上的本发明的GIB的替代布置。
[0054]图19示出安装在建筑结构的支柱上的本发明的GIB的另一替代布置。
[0055]图20示出并入有GIB和补充的阻尼器的建筑结构。
[0056]图21示出根据本发明的GIB的三维实现方式。
[0057]图22A、22B和23A、23B示出使用相连撑脚的替代实现方式，其中间隙形成在撑脚与 底层的交叉处。
[0058]图24和25示出多个相连撑脚连接至单个间隙部件的另一实现方式。
[0059]图26A、26B和27A、27B示出本发明的另一变化形式，其中间隙提供在撑脚与支柱之 间的水平距离中。
[0060] 图28A、28B和29A和29B示出关于图26和27的实施方案的变化形式。
[0061] 实施方案的详细描述
[0062] 本发明的实施方案提供一种机械装置，所述机械装置允许地震变形集中在操作机 械装置的单个层面处，同时保护位于上方的结构的其余部分。术语单个层面被广泛地用以 定义配置为薄弱楼层的一个或多个建筑楼层。这些通常是在建筑底部的相连楼层。尽管下 文将详细描述实现方式、设计和应用的特定细节，但装置操作以增大薄弱楼层建筑的第一 层面的位移能力并减少残余变形。一般来说，本发明提供一种撑脚元件，所述撑脚元件在一 端连接至建筑的现有支柱且在另一端连接至地面或地基表面。撑脚元件倾斜地定位，以便 具有因建筑中的支柱的移动而施加至撑脚上的力的垂直和水平分量。然而，垂直分量旨在 显著大于水平分量，使得当被激活时，撑脚将支柱向上推。撑脚中并入有用于提供撑脚的一 端相对于撑脚的另一端的相对移动的构件，其在本文中称作间隙元件。累积起来，所述装置 或系统在本文中称作具有间隙的倾斜撑脚(GIB)系统。图3示意性地示出这个布置。
[0063]具有间隙的倾斜撑脚(GIB)30由撑脚32和间隙元件34组成，间隙元件34可以添加 至此类建筑38的现有支柱36,如图3所示，或替代地在新的建筑结构的原始设计和建造期间 实现。由地震事件导致的建筑的横向移动激活GIB并引发系统的间隙闭合且允许保护薄弱 的第一楼层。术语"间隙"在本申请中广泛地使用，而且表示倾斜撑脚的一部分可以借以相 对于倾斜撑脚的第二部分轴向地移动的构件。应注意，尽管图式的示意性版本中示出物理 间隙，但物理实现方式可能不包括倾斜撑脚的第一部分与倾斜撑脚的第二部分之间的此类 结构分离。实情是，间隙是在打开时防止张力沿着撑脚轴向地行进，且在闭合时允许压缩力 沿着撑脚传输的间隙。用这种方式，撑脚只有在足够变形在压缩撑脚元件的方向上在支柱 中发生时才被激活为撑脚，这时撑脚被激活以增强支柱性能。下文将进一步论述此类间隙 的优选实现方式。
[0064] 撑脚的设计是有效的以便增大支柱的变形能力并且减小因为底层处的P-△效应 而倒塌的可能性，而不会使楼层的横向阻力增大至远高于薄弱楼层层面处的支柱提供的横 向阻力。这里的P-A效应指由上方楼层的横向位移在建筑的薄弱楼层层面处产生的二阶效 应。此外，撑脚被设计以便不会对架构功能性增加相当大的限制，因为它不会侵入薄弱楼层 的可使用的内部空间。
[0065] 本发明的具有间隙的倾斜撑脚(GIB)由具有间隙元件的销接撑脚组成，撑脚安装 在底层而不会在建筑结构的现有元件中引发任何力-这借助间隙元件实现，间隙元件有效 地预防轴向力经由撑脚元件传输直到建筑的横向位移使间隙闭合为止。这在图4A中示意性 地示出，其中代表性建筑支柱20示出为具有一对撑脚42，撑脚42具有间隙元件40。当支柱20 横向移动时，如图4B所示，GIB发生弹性旋转，而且间隙40中的一者闭合。间隙40用以延迟 GIB 10提供的横向强度的增大，使得这个横向阻力可以用来补偿伴随增大的位移需求而发 生的现有或新建结构的横向阻力的减小，而且间隙40控制从薄弱楼层传递至上方的结构的 其余部分的力。因此，当横向移动不显著时建筑保持经受低加速度，而且一旦支柱20达到临 界变形，间隙40就闭合，而且来自现有支柱20的轴向荷载开始传递至GIB系统10。通过考虑 第一层的P-A效应或支柱变形限制来设置临界位移。可以安装撑脚42而不施加任何力(经 由千斤顶或类似物)这个事实代表着显著建构益处，从而限制建构成本和时间。
[0066]参看图4C，示出在达到支柱20的最终位移时系统的变形状态。这时，间隙40闭合的 撑脚42补偿位移和变形的支柱，以因此支撑建筑的结构。因此，甚至在安装GIB 10之后的建 筑的总横向阻力类似于未改进建筑的横向阻力，但已改进系统增加了结构可以承受显著更 大的横向变形的优点。基于三个主要参数来定义GIB的性质:初始GIB角度、间隙距离和倾斜 撑脚的性质。基于封闭方程式从系统设计程序获得这些参数。
[0067] GIB的初始位置
[0068]现在参看图5A、5B和5C，现有支柱与GIB之间的初始角度0_§控制系统的总横向阻 力。GIB的横向阻力应理想地补偿支柱的横向强度降级，支柱的横向强度从屈服强度Vy，col 减小为最终强度Vu，col。因此，图3所示的GIB的初始角度0GIB和△ (^由以下式子给出：
[0069]
[0070]其中Fy,ccli是第一楼层支柱在初始轴向力Po(静荷载和动荷载)下的屈服横向阻力； Fu,cca是在轴向荷载减小至备.、.时第一楼层支柱的最终横向阻力，轴向荷载减小至疼,.在最终 横向漂移比时发生。间隙距离△師S是GIB的初始长度Lgib与倾斜撑脚的初始长度L b〇之间的 差。
[0071]
[0072] 其中，Avy是支柱屈服时的垂直位移，假设所述垂直位移可忽略，即使这个假设对 于外部支柱很可能并不非常准确，因为外部支柱的轴向力因为倾覆力矩而改变。
[0073]倾斜撑脚的设计
[0074] 根据几何协调性，可以从倾斜撑脚的初始长度（当间隙刚刚闭合时)与荷载历史期 间的压缩长度之间的差获得倾斜撑脚的变形：
[0075]
[0076]其中△ Lc是现有支柱的轴向伸长量且在最终状态时支柱的压缩力显著减小时可 以是相当大的。因此，通过将倾斜撑脚的轴向力除以其轴向变形(方程式3 )，可以确定倾斜 撑脚的所需轴向刚度。还需要撑脚轴向变形来确保撑脚在与支柱屈服对应的漂移时接触且 在支柱最终漂移时达到设计阻力。
[0077] 分析验证
[0078]为了验证所提议的方法，分析地呈现使用所提议的方法改进并经受准静态荷载的 单跨RC框架的循环反应。假设框架是开放的地面楼层建筑的第一层。分别将跨度长度和框 架高度设置为5.0m和3.0m(图5.a)。0.40x0.40m的RC支柱的高度是3.0m，纵筋率是0.01且限 制因子是1.15。梁的高度是500mm且宽度是300mm，而且纵筋率是0.008,其被对称地分布在 截面的顶部和底部。通过这么做，在支柱顶部和底部形成塑料铰链，而且支柱摆动机构进行 支配。
[0079]初始轴向荷载比0.5时的支柱横向力是170kN。获得GIB与现有支柱的中心线之间 的距离AGIB = 240mm。因此，GIB占据框架跨度的15%以下，这不会显著影响架构功能性。获 得间隙距离1.3111111，且将正方形空心钢部分(!^3 1271127113034等级!〇用作倾斜撑脚。618 位于现有支柱的两侧以实现循环反复荷载。通过闭合间隙元件中的轴承来承载轴向荷载， 而且当间隙打开时没有额外力传递至系统。
[0080] 为了处理可建构性问题，撑脚的底部和顶部可以偏移（图8和图9)。此类连接可能 需要抵抗因为偏心而引起的力矩，但它是有益的，因为它使建构公差增大。另外，如果GIB位 于支柱两侧，那么它使RC支柱顶部的混凝土的限制增大。当将GIB连接至梁（图8)时，应注意 防止在梁与GIB连接之处出现梁剪切破坏。然而，没有呈现连接的详细设计，因为这个阶段 的焦点不在于此。
[0081] 图6示出从纤维单元模型获得的整个系统(框架和GIB)的总滞回反应，并与现有框 架的反应进行比较。系统的滞回反应展现自动定心反应和良好的耗能能力，这可显著减少 底层上方的层的需求参数。系统的最终漂移能力显著增大而阻力完全不会显著增大。此外， 残余位移大大减小至大约1.0%，这在生命安全性能层面上对于大多数现有建筑可以看作 可接受的。
[0082] 还观察到如果允许倾斜撑脚屈服(使用防屈曲撑脚或其它滞回装置），那么支柱与 GIB之间的距离可增大。使用这个解决方案，总系统的滞回反应不会显著不同于用线性弹性 撑脚提供的滞回反应。然而，因为倾斜撑脚的塑料变形，系统的残余位移可增大。发现使用 具有非线性弹性性能的撑脚(倾斜撑脚或自动定心耗能撑脚拉紧之后)可以进一步减小残 余位移。
[0083]应注意，所描述的一系列方程式(方程式1至3)表示可以实现GIB系统的预期反应 的一种可能的设计策略。另一种可能的方法由通过假设外力所做的功等于内力所做的功来 计算倾斜撑脚的所需刚度组成。
[0084]示例性实现方式
[0085]现在参看图7,示出根据本发明的具有间隙的倾斜撑脚70的一个示例性实现方式。 撑脚70由第一管状部件72和第二管状部件74组成。第一管状部件72被设计大小和以其它方 式设计尺寸以便可在第二管状部件74内滑动。在一个变化形式中，部件72未必是管状的，且 可以是可在管状部件74内滑动的实心部件。第一部件72可在第二部件74内滑动，直到止挡 表面76啮合为止。在所示实施方案中，止挡表面76通过第一部件72的增大的直径而形成，这 防止第一部件72在第二部件74内进一步滑动移动。借助这个布置，撑脚70提供有间隙，撑脚 70在安装时或在间隙通过第一部件72从第二部件74向外滑动而扩大时不会承载来自支柱 的任何荷载。间隙通过自由滑动移动提供，自由滑动移动可获得直到止挡表面76啮合为止。 结果是当撑脚70拉紧时，撑脚70不承载荷载，且其在备用配置中操作。当支柱78以将压缩力 施加至撑脚70的方式移动时，间隙闭合直到止挡表面76啮合为止，这时撑脚70承载压缩力， 因而支撑支柱78以防进一步变形。由于撑脚70以近垂直角度（见倾斜撑脚部分的设计）安 装，因此当撑脚70形成荷载时，其不会增加显著横向阻力或刚度，而是撑脚70提供力以防支 柱78向下移动，因而将支柱78向上推动。这例如在图16中可见（图5.C中示意性地示出），下 文将详细地进一步对此进行论述。钢筋混凝土支柱的变形能力取决于所承载的轴向荷载。 当这个荷载减少时，变形能力增大。另外，当支柱变形时，通过压缩中的撑脚承载较多轴向 荷载，这归功于撑脚定位的方式，而且当这个荷载从支柱进行传递发生时，撑脚减小对钢筋 混凝土支柱的P-Δ效应。
[0086]撑脚70的底部(它是第一部件72的底部)安装有与地面的销接头80。第二部件74的 顶端例如借助安装板82类似地销接至支柱78。一对销接头允许撑脚70响应于支柱78的变形 而在两端完全可旋转。由于撑脚70直接连接至支柱78，因此在建筑外部在每个正交方向上 为每个支柱78提供单个撑脚70。
[0087]图8示出替代布置，其中撑脚84在接近支柱88中的每一者处连接至连梁86。在这个 布置中，撑脚84提供在每个支柱88的每一侧，以在梁86与支柱88的接触位置处对梁86提供 垂直提升力。结果与上文所描述类似。
[0088] 图9示出又一布置，其中撑脚90用与图7的实施方案类似的销连接安装，然而，将撑 脚90连接至支柱92的支架94从支柱92偏移，且明确地说，支架94在销连接形成之前延伸远 离支柱92。这个布置在建构公差方面提供一些灵活度，并提供安装的容易性。
[0089] 图10示出撑脚的细节，撑脚可用于上述布置中的任一者中。图10中的撑脚1000包 括第一部件1005,第一部件1005被设计形状和以其它方式设计尺寸以便可在第二部件1010 内滑动。这个实施方案中的第一部件1005和第二部件1010中的每一者是管状的，而且在其 末端包括适于附接至如先前描述的销接头的支架1015、1020。通过对第一部件1005和第二 部件1010设计大小来提供间隙，使得当间隙存在时，第一部件1005可在第二部件1010内自 由地滑动。当第一部件1005抵住内部下部表面时，或替代地抵住支架1020的内部末端1025 时，间隙闭合，使得力可传输通过整个撑脚1 〇〇〇。
[0090] 图11A示出一种变化形式，其中撑脚1100包括第一部件1105和第二部件1110。第二 部件1110包括顶部部分1115,顶部部分1115的横截面尺寸比下部部分1120大。也就是说，下 部部分1120也提供内部止挡件1125,顶部部分1115终止于内部止挡件1125处。第一部件 1105被设计大小和以其它方式设计尺寸以便在间隙存在于撑脚1100中时在正常操作下可 在顶部部分1115内滑动。间隙借助底端1130闭合，底端1130抵住下部部分1120的内部止挡 件1125。一旦第一部件1105在内部止挡件1125处抵住第二部件1110,间隙闭合，且力可沿着 撑脚1100传输。图11B示出另一变化形式，其中撑脚1130具有第一部件1135和第二部件 1140。第一部件1135包括下部部分1145,下部部分1145被设计大小和以其它方式设计尺寸 以便可在第二部件1140内滑动。第一部件1135的下部部分1145的横截面尺寸比第一部件 1135的主体小，使得下部部分1145与主体部分的交叉处提供内部止挡件1150,从而以与关 于图11A描述的方式类似的方式操作。
[0091] 图12至14示出关于撑脚的变化形式，其中具有第一部分1205和第二部分1210的撑 脚1200进一步包括调整构件，将调整构件示出为螺钉部分1215。尽管螺钉部分1215可以提 供在第一部分1205或第二部分1210上的任何位置，但所说明的实施方案示出形成在第一部 分1210上的螺钉1215。螺钉部分在图13和图14中更详细地示出，且包括公部1220和母部 1225。沿着母部1225的主体还提供通孔或圆柱体1230,螺钉部分可以借助通孔或圆柱体 1230锁定在适当位置，以防止公部1220在母部1225内的进一步旋转。提供螺钉使得可以在 建构期间对撑脚的总长度进行初始调整。由于撑脚中的间隙一般较小，大约几毫米，因此当 通过将撑脚两端连接至框架而安装撑脚时并考虑到安装公差，间隙可以在出于安装的目的 而伸长或压缩撑脚时增大或减小。提供螺钉以在安装之后修改间隙以使其回到目标间隙开 口。撑脚的其它方面可以如先前所描述而形成。
[0092]现在参看图15和16,示出具有支撑多个支柱1510的多个具有间隙的倾斜撑脚1505 的薄弱楼层建筑1500。这个图示中的撑脚1505包括如图12中说明的可调螺钉。图15示出处 于备用模式的系统，其中间隙1575存在于撑脚1505中的每一者中，使得撑脚1505不传输垂 直力。图16示出事件已发生（诸如地震事件），从而导致支柱1570变形的情形。这导致撑脚 1505a绕着其枢转接头旋转并移动至较向上的定向，同时间隙1575闭合以准许通过撑脚 1505a承载垂直力，撑脚1505a因此支撑变形的支柱1570a并减轻对建筑的进一步损坏。还应 注意，定位于变形支柱1570a的相对侧的撑脚1505b用一种方式延伸，使得间隙由于支柱 1570a的顶部移动进一步远离撑脚1505b的底部而扩大。如果变形在相反方向上，那么间隙 1505a和1505b的打开和闭合将颠倒。
[0093]图17至19示出可以如何实现具有间隙的倾斜撑脚1700的各种布置。图17示出建筑 中的每个支柱1705在支柱任一侧具有撑脚1700的布置。图18示出撑脚1800仅定位于每个支 柱1805的外侧的布置。图19示出图17和18的混合布置，其中在外部支柱1905的外侧提供撑 脚1900,但在内部支柱1910的两侧都提供撑脚1900。将取决于特定建筑要求和安装撑脚的 建筑的地理位置来选择这些配置中的每一者。此外，撑脚的设计考虑和大小可以指示所使 用的布置。
[0094]图20示出具有间隙的倾斜撑脚2000结合补充阻尼构件2015应用于建筑结构2010 中的支柱2005的实现方式。阻尼构件2015可以是本领域中已知的用以阻尼结构中的振动的 任何合适的阻尼器。这些阻尼器在本领域中是已知的，而且对本发明来说不是新的。然而， 它们与具有间隙的倾斜撑脚结合的实现方式被视为具有额外益处，因为阻尼器可以减少建 筑的第一楼层的移动。优选地，阻尼构件2015直接连接至撑脚中的一者的销接头，然而，这 并不是必须的。
[0095] 尽管本文中描述的各种实施方案已示出撑脚在同一平面中定位于支柱的相对侧 的实现方式的实例，其表示在一个方向上支撑建筑的变形的二维实现方式，然而本发明的 教导同样也适用于平面外或三维实现方式。参看图21，示出一对支柱2100,每个支柱2100具 有四个相关联的具有间隙的倾斜撑脚2105以便在三维中允许如本文中描述的撑脚的功能 性，且因此在地震事件之后支撑支柱2100而不管建筑承受的摆动方向如何。撑脚2105可以 是如本文中描述的撑脚中的任一者，且不限于图21针对三维实现方式所示的特定形式。
[0096] 也预期产生间隙的其它布置，只要撑脚具有其中形成间隙进而防止力沿着撑脚轴 向地传输的第一配置，和其中间隙闭合以允许力沿着撑脚轴向地传输的第二配置。举例来 说，现在参看图22A、22B和23A、23B，示出本发明的实施方案，其中撑脚2205是倾斜的并且用 销连接至支柱2210顶部。这个实施方案中的撑脚2205是在底端具有盘形板2215的相连撑 脚。撑脚2205固定至盘形板2215,盘形板2215与地基或地面表面接触，但并不与其严格地附 接。止挡元件2207防止盘形板2215和撑脚2205朝支柱2210移动，这是必要的，因为与地面表 面没有连接。在正常操作期间，盘形板2215是倾斜的且通过仅用于定位支撑的止挡元件 2207提供与地基的接触点。然而，直到变形发生才有压缩力沿着撑脚2205传输，从而导致撑 脚2205中的任何一个或多个旋转，使得其相应盘形板2215相对于地面保持为平坦的，使得 其整个表面区域与地面接触。一旦这种情形发生，盘形板2215与地面之间的间隙就闭合且 压缩力可以沿着撑脚2205传输。
[0097]还参看图24和图25,示出先前实施方案的替代方案，其中多个撑脚2405各自用销 连接至单个盘形板2415。间隙存在于盘形板2415与地面之间，如图24中可见。在这个配置 中，没有压缩力沿着撑脚2405中的任一者传输。然而，在地震事件期间，撑脚中的一个或多 个将绕着其相应销接头旋转，因而使盘形板2415与地面接触并允许压缩力沿着撑脚2405中 的至少一者传输。球形元件2407也可附接至支柱2410以防止盘形板2415与支柱2410接触。 盘形板2415任选地在底表面上凸起地弯曲，使得其在第一配置中在其中心区域与地面接 触，但板2415的外部区域仅仅在第二配置中与地面接触，因而使间隙闭合并允许压缩力沿 着撑脚2405中的至少一者传输。
[0098] 在用于产生间隙的另一布置中，如图26A、26B和27A、27B所示，撑脚2605是相连撑 脚，所述撑脚例如借助如上文所描述的销接头从支柱2610顶部连接，而在撑脚2605与地基 之间没有固定连接。撑脚2605中的每一者通过环2615连接以提供一组三维的具有间隙的倾 斜撑脚。四个球形2620元件连接至支柱2610中的每个面。设计环2615与球形元件2620之间 的空间距离，所述空间距离充当间隙。一旦支柱2610横向变形或摆动，环2615也横向移动直 到其抵住球形元件2620中的一者为止。接着，环2615滑动直到其抵住相应球形元件2620为 止，从而导致撑脚2605中的一个或多个旋转得更接近垂直，这允许压缩力沿着撑脚2605传 输。
[0099]在关于先前所描述的实施方案的一个变化形式中，撑脚2805例如通过如上文所描 述的销接头从支柱2810的顶部连接，而在撑脚2805与地基之间没有固定连接。撑脚2805中 的每一者通过环2815连接以提供一组三维的具有间隙的倾斜撑脚。四个(或更多)止挡元件 2820定位成与环2815间隔开。环2815有效地浮动，其中环2815与止挡元件2820之间的空间 水平距离形成间隙。一旦支柱2810横向变形或摆动，环2815也横向移动直到其抵住止挡元 件2820中的一者为止。接着，环2815朝相应止挡元件2820滑动，从而导致撑脚2805旋转，这 允许力沿着撑脚2805传输。
[0100]可以对如本文中描述的本发明进行各种修改和变化。举例来说，本发明可应用于 严格来说并不是薄弱楼层配置的建筑结构。举例来说，具有间隙的倾斜撑脚可以用以支撑 其它建筑配置中的支柱，或用以补充已使用现有技术布置改进的薄弱楼层配置或用于有意 地设计以形成薄弱楼层的新建筑中。本发明仅由随附的权利要求限制。权利要求的范围不 应由实例中阐述的优选实施方案限制，而是应被给予整体上与描述一致的最广义的解释。
【主权项】
1. 一种具有至少一个楼层的建筑结构，其包括： 至少一个支柱； 至少一个撑脚，其在一端附接至所述支柱中的至少一者的一侧且在第二端附接至固定 的地基表面;所述撑脚倾斜地附接至所述至少一个支柱； 所述至少一个撑脚具有第一部分和第二部分； 其中所述至少一个撑脚具有：第一配置，其中所述第一部分可相对于所述第二部分自 由地移动，使得在所述撑脚中形成间隙，从而防止沿着所述撑脚轴向地传输力；和第二配 置，其中所述间隙通过所述第一部分与所述第二部分接触而闭合以允许沿着所述撑脚轴向 地传输力； 其中所述第二配置在所述至少一个支柱承受足以迫使所述间隙闭合的变形程度时发 生。2. 根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述第二部分包括管状部件且所述第一部分 被设计大小和以其它方式设计尺寸以便可在所述管状部件内滑动。3. 根据权利要求2所述的建筑结构，其中所述第二部分进一步包括止挡部分，当所述间 隙闭合时所述第一部分抵住所述止挡部分。4. 根据权利要求3所述的建筑结构，其中所述止挡部分由所述管状部件的减小的横截 面尺寸形成。5. 根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述至少一个撑脚在所述一端直接连接至所 述至少一个支柱。6. 根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述至少一个撑脚在接近所述至少一个支柱 的位置处连接至梁。7. 根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述至少一个撑脚通过销接头附接至所述支 柱和固定地面。8. 根据权利要求7所述的建筑结构，其中所述至少一个撑脚使用支架附接至所述支柱， 所述支架具有连接至所述支柱的第一端和从所述支柱偏移的第二端;所述至少一个撑脚借 助销接头附接至所述第二端。9. 根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述第一和第二部分中的一者包括用于调整 所述第一和第二部分中的一者的长度的调整构件。10. 根据权利要求9所述的建筑结构，其中所述调整构件包括轴向长度调整螺钉。11. 根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述至少一个支柱包括两个外部支柱。12. 根据权利要求11所述的建筑结构，其中所述至少一个撑脚包括支撑所述支柱中的 每一者的两个撑脚;所述两个撑脚定位于所述支柱的相对侧。13. 根据权利要求11所述的建筑结构，其中所述至少一个撑脚包括支撑所述支柱中的 每一者的一个撑脚和支撑至少一个内部支柱中的每一者的两个撑脚。14. 根据权利要求1所述的建筑结构，其进一步包括用于阻尼所述建筑结构中的振动的 补充阻尼系统。15. 根据权利要求1所述的建筑结构，其被配置为薄弱楼层结构。16. -种用于在某一结构中的至少一个支柱承受变形时支撑所述支柱的撑脚;所述撑 脚包括： 第一部分和第二部分； 其中所述撑脚具有:第一配置，其中所述第一部分可相对于所述第二部分自由地移动， 使得在所述撑脚中形成间隙，从而防止沿着所述撑脚轴向地传输力;和第二配置，其中所述 间隙通过所述第一部分与所述第二部分接触而闭合以允许沿着所述撑脚轴向地传输力。17. 根据权利要求16所述的撑脚，其中所述第二部分包括管状部件且所述第一部分被 设计大小和以其它方式设计尺寸以便可在所述管状部件内滑动。18. 根据权利要求17所述的撑脚，其中所述第二部分进一步包括止挡部分，当所述间隙 闭合时所述第一部分抵住所述止挡部分。19. 根据权利要求18所述的撑脚，其中所述止挡部分由所述管状部件的减小的横截面 尺寸形成。20. 根据权利要求16所述的撑脚，其中所述第一和第二部分中的一者包括用于调整所 述第一和第二部分中的一者的长度的调整构件。21. 根据权利要求20所述的撑脚，其中所述调整构件包括轴向长度调整螺钉。22. -种具有至少一个楼层的建筑结构，其包括： 至少一个支柱； 至少一个撑脚，其在一端附接至所述支柱中的至少一者的一侧;所述撑脚倾斜地附接 至所述至少一个支柱； 其中所述至少一个撑脚具有:第一配置，其中通过所述撑脚形成间隙，从而防止沿着所 述撑脚轴向地传输力;和第二配置，其中所述间隙闭合以允许沿着所述撑脚轴向地传输力； 其中所述第二配置在所述至少一个支柱承受足以迫使所述间隙闭合的变形程度时发 生。23. 根据权利要求22所述的建筑结构，其进一步包括盘形元件，所述盘形元件垂直地连 接至所述撑脚的另一端，使得当所述至少一个撑脚处于所述第一配置时所述盘形元件以与 地面非正交的角度定位，且当所述至少一个撑脚处于所述第二配置时所述盘形元件基本上 平坦地定位于所述地面上。24. 根据权利要求23所述的建筑结构，其进一步包括止挡元件，所述止挡元件定位于所 述至少一个支柱与所述至少一个撑脚之间，使得所述盘形元件在所述第一配置中抵住所述 止挡元件。25. 根据权利要求22所述的建筑结构，其进一步包括 定位于所述至少一个支柱的每一面上的球形元件和位于所述至少一个支柱周围的环 形部件，使得所述环形部件的内表面在所述第一配置中与所述球形元件间隔开； 所述至少一个撑脚在另一端连接至所述环形部件;其中所述至少一个撑脚中的每一者 经由销接头连接至所述环形部件，使得所述环形部件在所述第二配置中朝所述球形元件中 的一者水平地移动并抵住所述球形元件中的所述一者。26. 根据权利要求22所述的建筑结构，其进一步包括 环形部件，其位于所述至少一个支柱周围，使得所述环形部件的内表面与所述支柱间 隔开； 止挡部件，其定位成轴向地远离所述环形部件的外表面，使得在所述第一配置中在所 述环形部件的所述外表面与所述止挡部件的内表面之间形成间隙； 所述至少一个撑脚在另一端连接至所述环形部件;其中所述至少一个撑脚中的每一者 经由销接头连接至所述环形部件，使得所述环形部件在所述第二配置中朝所述止挡部件中 的一者移动并抵住所述止挡部件中的所述一者。
【文档编号】E04G23/04GK105940168SQ201480072029
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2014年12月2日
【发明人】C·赫里斯托普洛斯, H·阿加贝吉, T·J·苏利文
【申请人】多伦多大学管理委员会