一种可控消能摇摆自复位结构体系

本发明涉及可恢复功能防震结构，特别涉及一种可控消能摇摆自复位结构体系。

背景技术：

1、可恢复功能防震结构体系是近年来地震工程领域的一个研究热点。这种结构体系的设计目标是使建筑物在地震发生时能够保持可接受的功能水平，并且在地震后不需要复杂的修复或者只需稍作修复即可恢复其使用功能。这种设计理念的提出，是基于提高城市建筑和基础设施的抗震韧性，减少地震灾害带来的经济损失和社会影响。

2、随着社会的发展和城市化进程的加快，对于建筑物的抗震性能提出了更高的要求，不仅要保证安全，还要保证震后能够快速恢复使用，以减少地震对社会经济的影响。传统的抗震设计主要关注结构在地震作用下的生存性，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”，但对震后建筑物功能的快速恢复关注不足，难以满足社会发展需求。隔震设计是一种有效的抗震策略，通过在建筑物的基础和上部结构之间引入隔震层来减少地震力的传递。尽管隔震设计有许多优点，但在实际应用中也存在一些限制和挑战：建筑高度，对于高宽比较大的建筑物，隔震设计可能需要更复杂的系统和更严格的设计标准；地质条件对隔震设计也至关重要，软弱或不稳定的土壤可能需要额外的地基处理或特殊的隔震措施，隔震结构的施工可能需要特殊的技术和施工方法，存在施工复杂和建筑成本高的问题。

3、随着城市经济的发展，城市人口密集，土地昂贵，高层建筑和超高层建筑越来越多，对于此类高宽比较大的建筑结构，抗震设计和隔震设计均表现出一定的局限性。可恢复功能防震结构应用摇摆、自复位、可更换和附加耗能装置等技术，在遭受地震（设防或罕遇）作用时保持可接受的功能水平。自复位结构能够减小结构在地震中的响应及地震后的残余变形，结构在往复载荷作用下的滞回曲线近似“旗帜”型，因此在外力撤销后结构的顶点侧向位移可逐渐恢复至零；同时，结构的摇摆可以降低地震作用并提高结构自身的延性设计需求，减少地震破坏、节约结构造价。基于性能抗震设计正在向基于可恢复功能防震的方向转变。

4、综上所述，通过科学研究和技术创新，提高建筑结构的抗震韧性和恢复能力，提供一种可在地震作用下产生摇摆且震后结构残余变形小的结构，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种可控消能摇摆自复位结构体系，用通过可控摇摆机制、自复位机制、装置耗能机制减轻结构在强震下的损伤，且在震后的结构残余变形小、能够保持可接受的功能水平。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种可控消能摇摆自复位结构体系，包括上部结构、基础和连接于上部结构和基础之间的弹簧支座；

4、所述上部结构为细长型高层、超高层框架结构或框架剪力墙结构；

5、所述弹簧支座为只发生竖向位移和转角的支座，弹簧支座布设于上部结构的柱体和基础连接处；其中，弹簧支座的刚度对应上部结构摇摆轨迹区别设置。

6、进一步的，所述上部结构包含上部梁体和上部柱体，上部梁体呈层状网格状布置，上部柱体连接于上部梁体的相交点上；对应的每个上部柱体底部设置有弹簧支座。

7、进一步的，所述上部结构高宽比和刚度比适应上部结构摇摆复位变形需求；

8、其中，高宽比为上部结构高度与上部结构宽度的比值；

9、刚度比为上部结构的转动刚度与弹簧支座的转动刚度之比，上部结构的刚度为顶端产生单位位移需要的力；上部结构的刚度越大，其抵抗自身变形的能力越大。

10、进一步的，所述弹簧支座包含弹性减震元件和阻尼元件，弹簧支座为提供竖向不对称拉压刚度和拉压承载力元件。

11、进一步的，正常使用阶段，弹簧支座为受压状态设置；弹性减震元件的刚度设计满足承担上部结构的竖向荷载的需求；

12、在地震水平力作用下，弹簧支座的允许的竖向抬升位移为受拉状态限制上部结构的摇摆幅度。

13、进一步的，所述弹簧支座的刚度分布设置根据刚体转动位移占比进行布设，且其刚度设置的平面分布对应设计控制摇摆轨迹；

14、其中，刚体转动位移占比为上部结构发生摇摆时各层侧移中由刚体转动引起的位移占总位移比值，该值越大表明上部结构低损伤和良好的自复位功能。

15、进一步的，所述弹簧支座根据上部结构的上部柱体分别划分为核心区和外围区，其中核心区位于上部建筑的中心部位，外围区为中心部位的周边区。

16、进一步的，弹簧支座中弹性减震元件赋予不同的抗拉刚度对应调节上部结构摇摆位移和幅度。

17、进一步的，核心区中弹簧支座赋予弹性减震元件的刚度大于外围区中弹簧支座中赋予弹性减震元件的刚度；

18、或核心区中弹簧支座赋予弹性减震元件的刚度等于外围区中弹簧支座中赋予弹性减震元件的刚度。

19、本发明的有益效果体现在：

20、本发明提出的可控消能摇摆自复位结构体系改变了结构固接于基础的传统约束形式，使框架结构体系或框架剪力墙结构体系受地震力水平力作用出现弯曲变形、剪切变形或弯剪变形模式转化为结构整体围绕某一轴心的可控摇摆模式，不同于传统隔震的水平剪切隔震原理，在发生强震时通过上部结构的整体摇摆和底部弹簧支座的变形耗散地震能量，减少地震能量向上部结构的传递。结构稳定性强且具备较强的自复位能力，能够减轻结构在强震作用下的损伤与破坏，保护结构安全。

21、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。

技术特征：

1.一种可控消能摇摆自复位结构体系，其特征在于，包括上部结构（1）、基础（3）和连接于上部结构（1）和基础（3）之间的弹簧支座（2）；

2.如权利要求1所述的一种可控消能摇摆自复位结构体系，其特征在于，所述上部结构（1）包含上部梁体（11）和上部柱体（12），上部梁体（11）呈层状网格状布置，上部柱体（12）连接于上部梁体（11）的相交点上；对应的每个上部柱体（12）底部设置有弹簧支座（2）。

3.如权利要求2所述的一种可控消能摇摆自复位结构体系，其特征在于，所述上部结构（1）高宽比和刚度比适应上部结构（1）摇摆复位变形需求；

4.如权利要求1所述的一种可控消能摇摆自复位结构体系，其特征在于，所述弹簧支座（2）包含弹性减震元件和阻尼元件，弹簧支座（2）为提供竖向不对称拉压刚度和拉压承载力的支座。

5.如权利要求4所述的一种可控消能摇摆自复位结构体系，其特征在于，正常使用阶段，弹簧支座（2）为受压状态设置；弹性减震元件的刚度设计满足承担上部结构（1）的竖向荷载的需求；

6.如权利要求5所述的一种可控消能摇摆自复位结构体系，其特征在于，所述弹簧支座（2）的刚度分布设置根据刚体转动位移占比进行布设，且其刚度设置的平面分布对应设计控制摇摆轨迹；

7.如权利要求1所述的一种可控消能摇摆自复位结构体系，其特征在于，所述弹簧支座（2）根据上部结构（1）的上部柱体（12）分别划分为核心区（4）和外围区（5），其中核心区（4）位于上部建筑的中心部位，外围区（5）为中心部位的周边区。

8.如权利要求7所述的一种可控消能摇摆自复位结构体系，其特征在于，弹簧支座（2）中弹性减震元件赋予不同的抗拉刚度对应调节上部结构（1）摇摆位移和幅度。

9.如权利要求8所述的一种可控消能摇摆自复位结构体系，其特征在于，核心区（4）中弹簧支座（2）赋予弹性减震元件的刚度大于外围区（5）中弹簧支座（2）中赋予弹性减震元件的刚度；

技术总结本发明公开了一种可控消能摇摆自复位结构体系，包括上部结构、基础和连接于上部结构和基础之间的弹簧支座；弹簧支座为只发生竖向位移和转角的支座，弹簧支座布设于上部结构的柱体和基础连接处；其中，弹簧支座的刚度对应上部结构摇摆轨迹区别设置。本发明改变了结构固接于基础的传统约束形式，使结构体系受地震力水平力作用出现弯曲变形、剪切变形或弯剪变形模式转化为结构整体围绕某一轴心的可控摇摆模式，不同于传统隔震的水平剪切隔震原理，在发生强震时通过上部结构的整体摇摆和底部弹簧支座的变形耗散地震能量，减少地震能量向上部结构的传递。结构稳定性强且具备较强的自复位能力，能够减轻结构在强震作用下的损伤与破坏，保护结构安全。技术研发人员：陈云,秦佳,吴金林,高辰旭受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17