專利名稱：擺式支座水箱阻尼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于土木工程結(jié)構(gòu)消能減振技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用高層建筑頂部水箱控制建筑物振動、減小風(fēng)荷載和地震荷載下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的擺式支座水箱阻尼器。
背景技術(shù)：
對于高層建筑，由于生活、生產(chǎn)、消防等方面的需要，常常需要在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)施水箱。水箱的質(zhì)量通常超過幾十噸甚至上百噸，在普通的安裝方式下會大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在水平荷載下的振動響應(yīng)，對建筑物的減振抗震十分不利。另一方面，近年來質(zhì)量調(diào)諧阻尼器作為一種消能減振裝置得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其良好的減振效果也得到了大量的工程驗證。質(zhì)量調(diào)諧阻尼器系統(tǒng)需要安裝較大質(zhì)量作為子系統(tǒng)以對結(jié)構(gòu)施加動力影響，而對于高層建筑來說，位于高層結(jié)構(gòu)頂部的水箱正是質(zhì)量調(diào)諧阻尼器系統(tǒng)的理想質(zhì)量源。通過特殊的安裝方式，允許高層建筑上部的水箱與結(jié)構(gòu)之間的水平相對運(yùn)動、附加適當(dāng)?shù)淖枘?，并輔以相應(yīng)的構(gòu)造措施，可作為質(zhì)量調(diào)諧阻尼器對高層建筑進(jìn)行有效的振動控制。這種方法一方面消除了高層水箱在水平荷載下對結(jié)構(gòu)的不利影響，另一方面所構(gòu)成的水箱阻尼系統(tǒng)將大大減小結(jié)構(gòu)在水平荷載下的動力響應(yīng)，提高高層建筑的抗震性能。目前，該技術(shù)在日本、美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到較多應(yīng)用，從實際應(yīng)用的情況來看，這種技術(shù)對結(jié)構(gòu)的減震效果是明顯的，具有廣闊的發(fā)展前景。現(xiàn)有的水箱阻尼系統(tǒng)分為隔振支座式和懸掛式兩種。隔振支座式水箱阻尼系統(tǒng)是在水箱底部安裝鉛芯橡膠支座等類型的隔振支座。該方法利用隔震支座的水平剛度和自有阻尼實現(xiàn)質(zhì)量調(diào)諧阻尼器系統(tǒng)的減振原理，具有構(gòu)造簡單、耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)。但另一方面，質(zhì)量調(diào)諧阻尼器系統(tǒng)的減振效果依賴于其穩(wěn)定的自振頻率，而隔震支座式水箱阻尼系統(tǒng)的基頻與水箱的質(zhì)量有關(guān)。由于水箱的水位是不斷變化的，加之鉛芯橡膠支座是一種非線性元件，因此隔震支座式水箱阻尼系統(tǒng)的自振頻率隨水箱水位的變化而變化，無法提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)減振效果，不能進(jìn)行系統(tǒng)的有效設(shè)計，其減振效果并不理想，大大制約了該類水箱阻尼系統(tǒng)的使用。懸掛式水箱阻尼系統(tǒng)通過在結(jié)構(gòu)頂端設(shè)置桁架等結(jié)構(gòu)形式，用球鉸將水箱懸掛起來，并安裝阻尼器和彈簧系統(tǒng)進(jìn)行消能減振。由于水箱作類單擺運(yùn)動，其自振頻率與水箱質(zhì)量無關(guān)。這一方法有效地克服了水箱阻尼系統(tǒng)的基頻與水箱水位相關(guān)的難題，實現(xiàn)了系統(tǒng)在任意水位下良好的減振效果。但該方法的構(gòu)造復(fù)雜，工程造價高，安裝不便。另一方面由于球鉸等懸掛性構(gòu)造的存在，該技術(shù)的耐久性不高。而懸掛結(jié)構(gòu)一旦失效，跌落的大質(zhì)量水箱將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，造成巨大的安全隱患。因此，雖然擁有良好且穩(wěn)定的減振效果，但懸掛式水箱阻尼系統(tǒng)在安全性和耐久性上的缺陷嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的應(yīng)用和推廣。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、耐久性強(qiáng)，且基頻不隨水箱水位變化，具有穩(wěn)定的消能減振效果的擺式支座水箱阻尼器，能夠較好地解決了現(xiàn)有技術(shù)中水箱阻尼系統(tǒng)的缺陷以及存在的其他問題。本實用新型采用技術(shù)方案為由固定在建筑結(jié)構(gòu)上的多個擺式滑動支座、水箱、阻尼器支座、箱型柱以及粘滯阻尼器組成；所述擺式滑動支座由支座上板、金屬球和支座下板組成，支座上板通過螺栓連接固定在水箱的下表面，支座下板通過螺栓連接固定于結(jié)構(gòu)上頂板或承重梁之上；支座上板和支座下板相對放置，中間放置金屬球以實現(xiàn)兩者之間的相對滑動；所述水箱的底部設(shè)置箱型柱，在箱型柱的四面沿高度設(shè)置若干個阻尼器安裝孔；所述阻尼器支座安裝于結(jié)構(gòu)上頂板或承重梁之上，阻尼器支座上沿高度設(shè)置若干個阻尼器安裝孔，其位置和數(shù)量與箱型柱上的安裝孔相對應(yīng)；所述粘滯性阻尼器水平安裝于箱型柱和阻尼器支座之間，通過安裝孔和阻尼器安裝孔在兩端進(jìn)行鉸接。所述多個擺式滑動支座呈對稱性布置。所述支座上板和支座下板的形狀為圓形或矩形。所述支座上板的中央設(shè)置半球型凹槽，其半徑與金屬球的半徑相等；所述支座下板設(shè)有球冠狀凹槽，凹槽內(nèi)圈為擺動工作區(qū)，凹槽外圈為擺動緩沖區(qū)；支座下板的邊緣部分高于中心的球冠狀凹槽部分；擺動工作區(qū)對應(yīng)的球體半徑即為系統(tǒng)正常工作時的擺長；擺動緩沖區(qū)對應(yīng)的球體半徑與擺動工作區(qū)對應(yīng)的球體半徑相等，或由內(nèi)向外切線半徑逐漸變小，但與擺動工作區(qū)相連的部分的切線半徑與擺動工作區(qū)球冠半徑需—致。所述支座上板的半球面凹槽的內(nèi)表面、支座下板的擺動工作區(qū)表面以及金屬球的表面均采用低摩擦系數(shù)的鏡面不銹鋼材料制成；支座下板的擺動緩沖區(qū)表面采用普通鋼材制成。所述箱型柱為設(shè)置在水箱底部中心位置的一個，或是設(shè)置在水箱底部、對稱布置的多個。本實用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)擺式支座水箱阻尼器實現(xiàn)了系統(tǒng)固有頻率對水箱水位的不變性，具有穩(wěn)定的減振效果。水箱在擺式滑動支座上作類單擺運(yùn)動，水箱水位即水箱質(zhì)量不影響系統(tǒng)固有頻率。因此通過系統(tǒng)安裝時的準(zhǔn)確調(diào)頻，可以保證本實用新型在全生命周期中穩(wěn)定的減振性能，保證高層建筑物在任意水位下出色的抗振性能，克服了普通支座式水箱阻尼器減振效果難以控制的難題。擺式支座水箱阻尼器構(gòu)造簡單，安裝工序明晰方便。擺式支座水箱阻尼器保留了一般支座式水箱阻尼器的在構(gòu)造和安裝方面的優(yōu)點(diǎn)。對于工程構(gòu)件來說，降低了構(gòu)造和安裝的復(fù)雜性也即是保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和與理論設(shè)計的一致性。本實用新型在保留懸掛式水箱阻尼器基頻穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)的同時，避免了其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從工藝上保證了系統(tǒng)的減振性能，降低了產(chǎn)品成本和推廣難度。擺式支座水箱阻尼器耐久性強(qiáng)，安全隱患小。懸掛式水箱阻尼器耐久性不足，安全隱患大的特點(diǎn)使得該技術(shù)在實際工程應(yīng)用中步履維艱。本實用新型的設(shè)計特點(diǎn)和簡單可靠的構(gòu)造措施保證了系統(tǒng)的耐久性。而對于幾十噸甚至上百噸的水箱，更為安全的滑動支座消除了懸掛水箱跌落對結(jié)構(gòu)造成巨大破壞的可能。可設(shè)計性強(qiáng)。擺式支座水箱阻尼器中擺式滑動支座的轉(zhuǎn)動半徑、擺式滑動支座的數(shù)量、粘滯性阻尼器的數(shù)量可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行有針對的設(shè)計。而且與普通支座式水箱阻尼器的一次成型不同，擺式支座水箱阻尼器在安裝后還可以根據(jù)工程實測方便地調(diào)整粘滯性阻尼器的阻值和數(shù)量，保證阻尼系統(tǒng)減振耗能效果的最大化。綜上所述，擺式支座水箱阻尼器綜合了目前已有水箱阻尼器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并有效規(guī)避了主要缺點(diǎn)，具有減振效果穩(wěn)定、構(gòu)造簡單、安全可靠、耐久性和可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高高層建筑物抗震性能，具有廣闊的市場推廣和應(yīng)用前景。

圖1為本實用新型擺式支座水箱阻尼器的俯視圖。圖2為圖1中的A-A剖面圖。圖3為圖1中的B-B剖面圖。圖4為圖1中的C-C剖面圖。圖5為擺式滑動支座的構(gòu)造示意圖。圖6為擺式滑動支座的剖面圖一。圖7為擺式滑動支座的剖面圖二。圖8為擺式滑動支座的剖面圖三。圖9為擺式滑動支座下板的俯視圖。圖中標(biāo)號1-擺式滑動支座；2_水箱；3_箱型柱；31_阻尼器安裝孔；4_阻尼器支座；41_阻尼器安裝孔；5_粘滯阻尼器；11_支座上板；12_支座下板；13_金屬球；14_擺動工作區(qū)；15-擺動緩沖區(qū)；16-螺栓孔。
具體實施方式
本實用新型提供了一種擺式支座水箱阻尼器，
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型做進(jìn)一步說明。圖1是擺式支座水箱阻尼器的俯視圖，所示的擺式支座水箱阻尼器由擺式滑動支座1、水箱2、箱型柱3、阻尼器支座4以及粘滯阻尼器5組成。擺式滑動支座I安裝于結(jié)構(gòu)頂層的上頂板上，或安裝在上頂板和擺式滑動支座I之間的承重梁上。擺式滑動支座I可根據(jù)水箱2的大小布置多個，布置時保持對稱性。如圖5和圖6所示，擺式滑動支座I由支座上板11、支座下板12和金屬球13組成。其中支座上板11與支座下板12形狀為圓形或矩形，支座上板11通過螺栓連接固定在水箱2下表面，支座下板12通過螺栓連接固定于結(jié)構(gòu)上頂板或承重梁之上。螺栓孔16位置如圖9所示。支座上板11與支座下板12相對放置，中間放置金屬球13以實現(xiàn)兩者之間的相對滑動。支座上板11的中央設(shè)置半球型凹槽，其半徑與金屬球13的半徑相等，以保證滑動過程中支座上板11球面凹槽的內(nèi)表面與金屬球13表面的緊密接觸。支座上板11球面凹槽的內(nèi)表面與金屬球13表面均采用鏡面不銹鋼等低摩擦系數(shù)的材料，以減少支座滑動時產(chǎn)生的阻尼，保證系統(tǒng)做近似無阻尼的單擺運(yùn)動。如圖9所示，支座下板12設(shè)有球冠狀凹槽，凹槽內(nèi)圈為擺動工作區(qū)14，采用鏡面不銹鋼等低摩擦系數(shù)的材料，以減少支座滑動時產(chǎn)生的阻尼。凹槽外圈為擺動緩沖區(qū)15，采用普通鋼材或其他摩擦系數(shù)一般或較大的材料；擺動工作區(qū)14對應(yīng)的球體半徑即為系統(tǒng)正常工作時的擺長。擺動緩沖區(qū)15對應(yīng)的球體半徑可與擺動工作區(qū)14對應(yīng)的球體半徑相等。如圖8所示，擺動緩沖區(qū)15也可由內(nèi)向外切線半徑逐漸變小，但與擺動工作區(qū)14相連的部分切線半徑要求與擺動工作區(qū)14相一致，以保證金屬球13滑動平穩(wěn)。金屬球13的下表面剖為球冠狀，其對應(yīng)的球體半徑與擺動工作區(qū)14對應(yīng)的球體半徑相等，以實現(xiàn)滑動過程中兩者的的緊密接觸。支座下板12的邊緣部分高于球冠狀凹槽，以防止在特大水平振動下，金屬球13滑出緩沖區(qū)，造成支座失效發(fā)生危險。如圖7所示，當(dāng)系統(tǒng)在水平激勵下振動時，支座上板11和金屬球13 —起相對支座下板12做單擺運(yùn)動。在水平激勵較小時，質(zhì)量調(diào)諧阻尼器系統(tǒng)在工作區(qū)14內(nèi)做近似無阻尼的單擺運(yùn)動。當(dāng)水平激勵較大時，質(zhì)量調(diào)諧阻尼器系統(tǒng)振幅超過擺動工作區(qū)14半徑，通過擺動緩沖區(qū)15的摩擦阻力適當(dāng)減小振幅，幫助水箱2復(fù)位，防止系統(tǒng)失控。當(dāng)水平激勵過大時，支座下板邊緣能夠避免支座上板11和金屬球13滑脫，避免支座失效發(fā)生危險水箱2設(shè)計時除了滿足水箱的一般功能需求外，也需保證水箱的整體剛度，以保證減振效果和安全性。如圖2、3、4所示，水箱2安裝于擺式滑動支座I頂部，與支座上板11固接，保證水箱2與支座上板11 一起做單擺運(yùn)動。水箱2底部中央設(shè)置箱型柱3，箱型柱3四面沿高度設(shè)置安裝孔31，可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模設(shè)置多排，用以安裝水平粘滯阻尼器5。若水箱2較大，也可對稱布置多個箱型柱3，方便安裝多個粘滯阻尼器5，并增加水箱運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性。箱型柱3的高度小于擺式滑動支座I的高度，保證在水箱2運(yùn)動過程中不與結(jié)構(gòu)頂板發(fā)生剮蹭。本例中在水箱2底部正中設(shè)置箱型柱3，每面設(shè)置兩排安裝孔31，共八個，可對稱安裝四或八個粘滯阻尼器5。阻尼器支座4安裝于結(jié)構(gòu)頂層上頂板之上，亦可安裝在承重梁之上。阻尼器支座4的高度小于擺式滑動支座I的高度，以保證在運(yùn)動過程中阻尼器支座不與水箱2的下底板發(fā)生接觸。阻尼器支座4的數(shù)量和安裝位置與箱型柱3的數(shù)量和位置相對應(yīng)。阻尼器支座4上沿高度設(shè)置阻尼器安裝孔41，其位置和數(shù)量與箱型柱3上的安裝孔31相對應(yīng)。本例中與箱型柱3的設(shè)置相對應(yīng)，在每兩個擺式滑動支座I之間設(shè)置一個阻尼器支座4，每個阻尼器支座4上設(shè)置兩排阻尼器安裝孔41，共八個，與箱型柱3上的安裝孔31 —起作為水平向粘滯阻尼器5的鉸接端。粘滯性阻尼器5水平安裝于箱型柱3和阻尼器支座4之間，通過安裝孔31、阻尼器安裝孔41在兩端進(jìn)行鉸接。粘滯性阻尼器5的數(shù)量和每個阻尼器的阻尼可根據(jù)系統(tǒng)安裝后的工程實測進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)然，本實用新型的布置形式及使用數(shù)量也不局限于本例，可以根據(jù)工程實際進(jìn)行優(yōu)化選擇，也都可以起到相同的作用，在此不一一做單獨(dú)說明，只要基于本實用新型的技術(shù)原理，都在本實用新型的保護(hù)范疇中。
權(quán)利要求1.擺式支座水箱阻尼器，其特征在于，由固定在建筑結(jié)構(gòu)上的多個擺式滑動支座(I)、水箱(2)、阻尼器支座(4)、箱型柱(3)以及粘滯阻尼器(5)組成； 所述擺式滑動支座(I)由支座上板(11)、金屬球(13)和支座下板(12)組成，支座上板(11)通過螺栓連接固定在水箱(2)的下表面，支座下板(12)通過螺栓連接固定于結(jié)構(gòu)上頂板或承重梁之上；支座上板(11)和支座下板(12)相對放置，中間放置金屬球(13)； 所述水箱(2 )的底部設(shè)置箱型柱(3 )，在箱型柱(3 )的四面沿高度設(shè)置若干個阻尼器安裝孔(31); 所述阻尼器支座(4)安裝于結(jié)構(gòu)上頂板或承重梁之上，阻尼器支座(4)上沿高度設(shè)置若干個阻尼器安裝孔(41)，其位置和數(shù)量與箱型柱(3)上的阻尼器安裝孔(31)相對應(yīng)； 所述粘滯性阻尼器(5)水平安裝于箱型柱(2)和阻尼器支座(4)之間，通過阻尼器安裝孔(31)和阻尼器安裝孔(41)在兩端進(jìn)行鉸接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述多個擺式滑動支座(I)呈對稱性布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述支座上板(11)和支座下板(12)的形狀為圓形或矩形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述支座上板(11)的中央設(shè)置半球型凹槽，其半徑與金屬球(13)的半徑相等； 所述支座下板(12)設(shè)有球冠狀凹槽，凹槽內(nèi)圈為擺動工作區(qū)，凹槽外圈為擺動緩沖區(qū)；支座下板(12)的邊緣部分高于中心的球冠狀凹槽部分；擺動工作區(qū)對應(yīng)的球體半徑即為系統(tǒng)正常工作時的擺長；擺動緩沖區(qū)對應(yīng)的球體半徑與擺動工作區(qū)對應(yīng)的球體半徑相等，或由內(nèi)向外切線半徑逐漸變小，且在與擺動工作區(qū)相連的部分的切線半徑與擺動工作區(qū)球冠半徑一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擺式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述支座上板(11)的半球面凹槽的內(nèi)表面、支座下板(12)的擺動工作區(qū)表面以及金屬球(13)的表面均采用低摩擦系數(shù)的鏡面不銹鋼材料制成；支座下板(12)的擺動緩沖區(qū)表面采用普通鋼材制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述金屬球(13)的下表面剖為球冠狀，其對應(yīng)的球體半徑與擺動工作區(qū)(14)對應(yīng)的球體半徑相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺式支座水箱阻尼器，其特征在于，所述箱型柱(3)為設(shè)置在水箱(2)底部中心位置的一個，或是設(shè)置在水箱(2)底部、對稱布置的多個。
專利摘要一種擺式支座水箱阻尼器屬于土木工程結(jié)構(gòu)消能減振技術(shù)領(lǐng)域。由多個擺式滑動支座、水箱、阻尼器支座、箱型柱以及粘滯阻尼器組成；擺式滑動支座由支座上板、金屬球和支座下板組成，支座上板固定在水箱的下表面，支座下板固定于結(jié)構(gòu)上頂板或承重梁之上；支座上板和支座下板相對放置，中間放置金屬球以實現(xiàn)兩者之間的相對滑動；水箱的底部設(shè)置箱型柱，阻尼器支座安裝于結(jié)構(gòu)上頂板或承重梁之上；粘滯性阻尼器水平安裝于箱型柱和阻尼器支座之間。本實用新型一方面消除了高層水箱在水平荷載下對結(jié)構(gòu)的不利影響，另一方面所構(gòu)成的水箱阻尼系統(tǒng)將極大減小結(jié)構(gòu)在水平荷載下的動力響應(yīng)；其減振效果穩(wěn)定、構(gòu)造簡單、安全可靠、耐久性好、可設(shè)計性強(qiáng)。
文檔編號E04B1/98GK202850118SQ20122052055
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者潘鵬, 陳浩文, 嚴(yán)紅, 林勁松 申請人:清華大學(xué), 北京羿射旭科技有限公司