具有摇摆减震壁式框架和垂直绿化系统的高层结构体系

1.本发明涉及一种具有摇摆减震壁式框架和垂直绿化系统的高层结构体系，属于土木工程的防灾减灾技术领域和环境学领域。


背景技术：

2.我国是世界上遭受地震灾害最频繁的国家之一，因地震灾害损失巨大，又因为我国又是人口大国，人口密度位于世界前列，同时建筑领域发展迅速，高层结构的日益增多，相关的结构受力特征及抗震性能要求也逐渐严格。此外，伴随着城市化进程的加快，城市土地空缺越来越严重，资源环境压力日益增大，热岛效应加剧，城市雾霾天数改善较慢，绿化需求也不断提高。针对以上情况，本发明提出一种具有摇摆减震壁式框架和垂直绿化系统的高层结构体系，该体系主体结构、摇摆壁式框架、摇摆支座、连梁、垂直绿化系统、灌溉系统和空调外机位组成。该装置的力学原理为：摇摆壁式框架沿主体结构四周连续布置，两者由连梁连接，可提高体系的整体性，由于摇摆壁式框架是双向摇摆的，具有多维减震功能，因此可以减小层间位移，达到减震耗能的效果。摇摆支座布置在摇摆壁式框架底部与地面连接，主体结构受到地震作用时，连接方式为铰接，摇摆支座同样是可以双向摇摆的，也具有多维减震功能，此时便可以进一步增强减震耗能的效果。该装置的环境学原理为：垂直绿化系统、灌溉系统和空调外机位布置在摇摆壁式框架中，垂直绿化系统可以吸收二氧化碳，产生氧气，降低周围环境温度；灌溉系统可给垂直绿化系统供水，并将具有排水功能，形成循环体系；空调外机位可将空调产生的废水输送给灌溉系统，参与循环。


技术实现要素：

3.为了提高高层建筑的抗震性能和改善建筑周围的环境，本发明提出一种具有摇摆减震壁式框架和垂直绿化系统的高层结构体系，该体系具有提高主体结构多维减震耗能、减小层间位移、降低主体结构周围温度、净化空气等特点。在主体结构受到地震作用时，可以提高抗震性能；在主体结构周围环境恶化时，可以改善环境，提高环境宜居性。摇摆减震壁式框架可以增强体系的完整性，提高耗能减震的能力，在顶点位移不变的情况下，平均各层层间位移，提高结构的的抗变形能力。同时垂直绿化系统具有提高空气质量、避免热岛效应、减少噪声、保持水分、美化市容市貌等作用。
4.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
5.具有摇摆减震壁式框架和垂直绿化系统的高层结构体系，主要包括主体结构(1)、摇摆壁式框架(2)、摇摆支座(3)、连梁(4)、垂直绿化系统(5)、灌溉系统(6)、空调外机位(7)。具有摇摆减震壁式框架和垂直绿化系统的高层结构体系中，主体结构(1)为多高层钢筋混凝土框架结构，摇摆壁式框架(2)为多高层环形连续框架，底部由摇摆支座(3)与地面固定，同时通过连梁(4)与主体结构(1)连接，垂直绿化系统(5)、灌溉系统(6)和空调外机位(7)均匀布置在摇摆壁式框架(2)中。
6.主体结构(1)是多高层钢筋混凝土框架结构，除了必须具有足够的承载力和刚度
外，还应具有良好的延性和耗能能力。将摇摆壁式框架(2)通过连梁(4)与主体结构(1)进行连接，连接形式为刚接，使主体结构(1)与摇摆壁式框架(2)形成一个整体。刚接形式能够传递垂直和水平作用，又能传递转动力矩，具有连接的密闭性好，结构刚度大的特点。主体结构(1)与摇摆壁式框架(2)形成一个整体，便可减小主体结构地震响应及层间位移，同时保证各层层间位移均匀，提高主体结构(1)的多维减震耗能的能力，增强抗震效果。
7.摇摆壁式框架(2)为一连续框架结构，将主体结构(1)包围。因为不需要承担较大的竖向承载力，所以主要材料为再生混凝土，又因为主体结构(1)需要采光，所以墙体采用了具有保温隔热功能的高强度透明玻璃。摇摆壁式框架(2)上布置了垂直绿化系统(5)、灌溉系统(6)和空调外机位(7)。
8.摇摆支座(3)将摇摆壁式框架(2)与地面连接，该摇摆支座(3)可以进行连接形式的变换，该开关为金属棒，制作材料为高强度金属，当主体结构(1)不受到地震作用时，金属棒会嵌入到摇摆支座(3)轮子中的预留孔洞，阻止轮子的水平运动，此时开关处于关闭状态，摇摆支座(3)为固接支座；当主体结构(1)受到地震作用时，金属棒会从预留孔洞中拔出，使轮子可以自由地进行水平方向运动，此时开关处于开启状态，摇摆支座(3)为铰接支座。这样做便可以减轻损耗，延长使用寿命，当主体结构(1)受到地震作用时，处于铰接状态的摇摆支座(3)将摇摆壁式框架(2)与地面相连，可以使摇摆壁式框架(2)不受约束地转到，增强多维减震耗能的效果。
9.连梁(4)将主体结构(1)与摇摆壁式框架(2)连接形成一整体结构，连梁(4)由钢筋混凝土制成，与主体结构(1)和摇摆壁式框架(2)的连接方式为固定连接，这样可以更好地提高二者的整体性，提高多维耗能减震的效果，减小主体结构地震响应及层间位移，同时保证各层层间位移均匀，增强抗震能力。同时连梁(4)也具有通道的功能，可实现从主体结构(1)通往摇摆壁式框架(2)。
10.垂直绿化系统(5)可利用主体结构(1)周围的空间进行绿化和装饰，解决了主体结构(1)周围绿化空间不足、绿化成本过高等环境问题，还具有吸收二氧化碳、提高空气质量、避免热岛效应、减少噪声、保持水分等优点。垂直绿化系统中，绿植应以灌木类为主，高度不超过1m，目的是植物不遮挡阳台和门窗，可以更好地通风和采光；为了植物更好地生存，土壤厚度不少于20cm，并定期更换，保持土壤具有足够养分。
11.灌溉系统(6)具有供水管道和排水管道，将垂直绿化系统(5)需要的灌溉用水通过供水管道输送到摇摆壁式框架(2)的每一层中，再使用排水管道将每一层中剩余的灌溉用水输送出来，并循环使用。
12.空调外机位(7)具有固定空调外机的功能，并将空调运行时产生的水运输到灌溉系统(6)中的排水管道，随着剩余的灌溉用水一齐循环使用。此时，垂直绿化系统(5)、灌溉系统(6)和空调外机位(7)形成了一套完整的循环系统，可以最大程度地节约资源。
13.本发明的功能如下：
14.主体结构通过连梁与摇摆壁式框架连接，可利用摇摆壁式框架耗能能力强、变形能力大、双向摇摆的特点，改善主体结构的变形特点，减小层间位移，提高多维耗能减震的能力，增大抗震性能。摇摆支座可以使摇摆壁式框架更好地进行双向摇摆，从而更好地提高提高主体结构的多维减震抗震性能。
15.垂直绿化系统中建议种植常绿植物，这样便可以一年中的绝大部分时间里具有减
少阳光的直接辐射、防止热岛效应、降低温度、增加湿度、减少噪音污染、吸收二氧化碳、产生氧气、防风等功能。但是，绿植应以灌木类为主，高度不超过1m，目的是植物不遮挡阳台和门窗，可以更好地通风和采光；为了植物更好地生存，土壤厚度不少于20cm，并定期更换，保持土壤具有足够养分。
16.与现有技术相比，本发明的优点如下：
17.1)与传统框架
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剪力墙结构体系相比，摇摆壁式框架具有耗能能力强、变性能力大、质量轻、可以双向摇摆等特点，可以提高主体结构多维耗能减震的能力，提高抗震性能。
18.2)与传统的刚性连接相比，摇摆框架体系通过摇摆支座与地面连接，当主体结构不受到地震作用时，摇摆支座为刚性支座；当主体结构受到地震作用时，摇摆支座为铰接形式。这样设置既可以减小损耗，延长使用寿命，最主要的是使摇摆壁式框架更好地进行双向摇摆，增大其多维耗能减震能力和变形能力，从而更好地提高主体结构的抗震性能。
19.3)与单一功能的摇摆壁式框架相比，该发明中的摇摆壁式框架中布置了垂直绿化系统、灌溉系统和空调外机位，既可以改善主体结构周围的环境，使其更加宜居，又可以形成循环系统，节约资源。
附图说明
20.图1为本发明装置的立体示意图
21.图2为本发明装置的俯视图
22.图3为主体结构的立体示意图
23.图4为摇摆壁式框架的立体示意图
24.图5为摇摆壁式框架的剖面图
25.图6为摇摆支座的俯视图
26.图7为摇摆支座的剖面图
27.图8为连梁的立体示意图
28.图9为空调外机位的立体示意图
29.图中：1－主体结构、2－摇摆壁式框架、3－摇摆支座、4－连梁、5－垂直绿化系统、6－灌溉系统、7－空调外机位
具体实施方式
30.实施例1：
31.下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
32.所提出的具有摇摆减震壁式框架和垂直绿化系统的高层结构体系，可以在主体结构受到水平地震作用时，增强多维耗能减震的效果，减小层间位移，提高结构抗变形能力，改善抗震效果。同时，该发明还有减少阳光的直接辐射、防止热岛效应、降低温度、增加湿度、减少噪音污染、吸收二氧化碳、产生氧气、防风等功能。其中包括：主体结构(1)、摇摆壁式框架(2)、摇摆支座(3)、连梁(4)、垂直绿化系统(5)、灌溉系统(6)、空调外机位(7)。
33.实施步骤如下：
34.本实例中，应用的主体结构为钢混框架结构，整体共5层，层高为4.2m，长度为10m，宽度为10m；摇摆壁式框架为再生混凝土框架结构，整体共5层，层高4.2m，内侧长度为13m，
宽度为13m，外侧长度为17m，宽度为17m。主体结构与摇摆壁式框架用连梁连接，连接方式为刚接。摇摆壁式框架通过摇摆支座固定在地面，摇摆支座为具有刚接铰接转换开关的支座。连梁为钢筋混凝土梁，长度为1.5m，宽度为1m，高度为0.3m，上面有布置栏杆和顶棚。
35.灌溉系统的供水主管道和排水主管道沿构造柱从第一标准层连续布置到第五标准层，然后每一层的供水管道和排水管道分别从供水主管道和排水主管道引出，分别给每一层的植物供水，并将多余的用水排进排水主管道，循环使用。
36.经过有限元模拟，在0.4g地震下的结构的在两个水平方向的位移减震率分别为19.8％和14.6％，扭转角减震率为8.2％。
37.经过观察记录，对比分析，主体结构室内的氧气含量比相同条件下类似建筑物室内的氧气含量平均高20％，室内温度比类似建筑物的室内温度平均低0.5℃。
38.以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。