一种基于屋顶花园的质量减振消能系统

1.本发明属于土木结构振动控制领域，具体涉及一种基于屋顶花园的质量减振消能系统。


背景技术：

2.随着人类社会的不断进步，人类追求提高生产力水平的同时却忽视或淡薄了快速发展所带来的负面效应，这也给自身未来的发展埋下了诸多隐患，它们随着时间的推移暴露越来越明显，直至威胁到人类自身的生存，如温室效应的出现、水污染等问题。提高城市绿化面积不仅可以对缓解甚至解决部分环境污染问题，还能满足人们对工作和居住环境的要求。但是如今城市用地十分紧张，新建公园提高绿化面积十分困难，因此屋顶花园的方案应运而生。在土木结构振动控制领域中，为了减小地震对人类生命财产安全的威胁，建筑振动响应较大的部位常常被添加阻尼器进行保护。其中广泛使用的调谐质量阻尼器即是通过添加附加质量来实现主体结构的减振。对于大多数民用建筑来说，在地震动下建筑振动响应最大的部位都是顶层。因此如果能合理的设计屋顶花园，使其在作为城市绿化一部分的同时，还能具备调谐质量阻尼器的特性，这样不仅可以提高人们的生活质量，还能在意外来临的地震中对主体结构进行一定程度的保护。
3.调谐质量阻尼器是一种传统的被动控制技术，因其构造简单、造价较低而被广泛应用于土木结构振动控制领域。但它减振频带较短、控制振动滞后的特性也使得原始的由质量块、弹簧和阻尼系统的调谐质量阻尼器需要在不同的使用环境下进行变换或者改进升级。调谐质量阻尼器在设计使用时需要根据建筑的自振频率以及特性进行调频以达到最佳减振效果。然而，由于地震中主体结构有可能进入非线性，从而使主体结构的自振频率与设置的调谐质量阻尼器的自振频率不一致，且在地震中主体结构由于开裂等使阻尼增大，这会使调谐质量阻尼器的减震效果大打折扣。因此，应用调谐质量阻尼器的原理将屋顶花园当作质量块进行振动控制，并确保其在地震动下可以产生减振效果，需要对屋顶花园的结构体系进行细致地设计。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了利用屋顶花园的附加质量，使其在提供城市绿化面积的同时兼具减振效果，而提出的一种基于屋顶花园的质量减振消能系统。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.一种基于屋顶花园的质量减振消能系统，包括屋顶花园以及设于所述屋顶花园与建筑顶层楼面之间的连接单元；
7.所述的连接单元包括设于所述顶层楼面上的高阻尼橡胶支座、设于所述屋顶花园下部的摩擦滑动支座，
8.所述的摩擦滑动支座下部设有摩擦滑动面，所述摩擦滑动支座通过所述摩擦滑动面贴合设于所述高阻尼橡胶支座的上部；
9.所述的高阻尼橡胶支座的外侧覆盖外包橡胶。
10.所述的高阻尼橡胶支座与摩擦滑动支座通过摩擦滑动面相互贴合，在地震动输入强度到一定程度之后可滑动并产生相对位移，摩擦作用会提供一定的附加阻尼比，并实现一定的耗能减振效果。
11.优选地，所述的屋顶花园包括底部的混凝土梁板，所述混凝土梁板类似倒置的筏形基础，边缘处围绕一圈矮墙，形成容纳腔体，内部设置土壤和植物。
12.优选地，所述腔体内设置多个带孔钢板，所述带孔钢板将腔体分割形成多个小腔室，所述的腔体中含有粉土，粉土宜使用塑性系数较低的饱和粉土，带孔钢板根据设计需要均匀设置等径圆孔。
13.优选地，所述的高阻尼橡胶支座内部由多层钢板和高阻尼橡胶材料交替叠合而成，并根据需求内置挡板隔断出多个腔体。
14.优选地，所述的高阻尼橡胶支座外侧覆盖外包橡胶，所述的摩擦滑动面与外包橡胶直接接触，并通过它们两者的材料选择来控制二者之间的摩擦系数，使质量减振消能系统表现出的“摩擦刚度”与主体结构的自振频率适配，从而实现多级耗能减振机制，即高阻尼橡胶支座在地震输入较小时仅通过高阻尼支座将上部的屋顶花园响应放大，不与摩擦滑动支座产生相对滑动；而地震输入较大时，摩擦滑动面与外包橡胶处出现相对位移产生摩擦，进一步提高耗能。
15.优选地，所述的顶层楼面内含预埋套筒，通过锚栓、法兰板与定位板进行锚固；所述高阻尼橡胶支座设置在所述法兰板上。
16.优选地，所述的摩擦滑动支座为半封闭形，两侧设有突出部位，突出部位的内侧设有粘弹性材料，以控制高阻尼橡胶支座与摩擦滑动支座之间的最大相对位移，并且在运动剧烈时，高阻尼橡胶支座可与粘弹性材料发生碰撞，产生较大的水平剪切变形进一步提高系统的耗能减振效果。
17.优选地，所述的粘弹性材料为橡胶，所述的摩擦滑动面的材料为橡胶、钢、铝中的任意一种。
18.优选地，所述摩擦滑动支座通过预埋件与抗剪键与所述屋顶花园连接。
19.优选地，所述的粘弹性材料与居中时的高阻尼橡胶支座的边缘的距离不小于50mm。
20.本发明的具体工作原理为，在风/地震作用较小时，质量减振消能系统的摩擦滑动支座不产生滑动，此时仅通过高阻尼橡胶支座将上部质量块(即屋顶花园)的响应放大，即通过提高结构附加阻尼比的方式减小结构振动相应；当风/地震作用增大到一定程度时，高阻尼橡胶支座与摩擦滑动支座之间开始产生相对滑动，此时主要通过摩擦滑动耗能来提供减振效果；当风/地震作用更加剧烈时，高阻尼橡胶支座主体会与起限位作用的粘弹性材料发生碰撞，高阻尼橡胶支座受剪发生较大的水平剪切变形，从而进一步消耗能量，此时仍然可以通过摩擦滑动耗能来耗散外部输入能量。同时，由于屋顶花园剧烈的水平向位移，腔体中的粉土会出现振动液化现象。此时粉土的粒间联结变弱，表现出一定的粘性特征，可以通过颗粒摩擦以及变形提升屋顶花园质量减振消能系统的耗能能力。
21.与现有技术相比，本发明的优点如下：
22.1、本发明通过包含高阻尼橡胶支座与摩擦滑动支座的连接结构将屋顶花园的附
加质量有效的利用到振动控制中，为主体结构的在风/地震作用下提供保护。
23.2、本发明可根据风/地震作用的大小，采用不同机制进行耗能；即振动作用较小时，仅通过高阻尼橡胶支座将上部质量块的响应放大；当振动程度较大时，高阻尼橡胶支座与摩擦滑动支座之间的摩擦滑动耗能会提供减振效果，且起限位作用的粘弹性材料可能会与高阻尼橡胶支座发生碰撞进一步耗能。并可根据屋顶花园的特性，在合理的设计下利用粉土液化提高系统的耗能能力。
24.3、本发明的质量减振消能系统，由于等效刚度可以发生变化，因此经过合理的设计后能有效跟踪主体结构的等效自振频率变化，在较宽的频带内进行消能减振。
25.4、本发明的多级耗能机制可以有效应对不同的情况，减少居民的恐慌，并在危险情况下提供可靠的耗能减振效果。
附图说明
26.图1为本发明基于屋顶花园的质量减振消能系统的正立面剖面图；
27.图2为本发明基于屋顶花园的质量减振消能系统的屋顶花园的剖视图；
28.图中标号：1为腔体，2为混凝土梁板，3为摩擦滑动支座，4为粘弹性材料，5为摩擦滑动面，6为高阻尼橡胶支座，7为外包橡胶，8为挡板，9为预埋套筒，10为锚栓，11为法兰板，12为定位板，13为顶层楼面，14为预埋件，15为抗剪键，16为粉土，17为带孔钢板。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
30.一种基于屋顶花园的质量减振消能系统，通过屋顶花园和顶层楼面的连接设计将屋顶花园纳入质量减振效能系统中，其结构如图1所示，包括屋顶花园以及屋顶花园与建筑顶层楼面的连接单元。如图2，屋顶花园包括混凝土梁板2及其分隔而成的多个腔体1，内部设置土壤和植物。
31.连接单元包括高阻尼橡胶支座6、摩擦滑动支座3等，高阻尼橡胶支座6由多层高阻尼橡胶材料与钢板叠合而成，外侧覆盖外包橡胶7，并通过锚栓10等与顶层楼面13相互连接；
32.摩擦滑动支座3由摩擦滑动面5与粘弹性材料4等部分组成，并通过预埋件14与抗剪键15与屋顶花园部分连接。
33.具体地，高阻尼橡胶支座6与摩擦滑动支座3通过摩擦滑动面5相互贴合，在地震动输入强度到一定程度之后可滑动并产生相对位移，摩擦作用会提供一定的附加阻尼比，并实现一定的耗能减振效果。
34.具体地，摩擦滑动支座3为半封闭形，突出部位设置有粘弹性材料4，可控制高阻尼橡胶支座6与摩擦滑动支座3之间的最大相对位移，并且在运动剧烈时，高阻尼橡胶支座6可与粘弹性材料4发生碰撞，产生较大的水平剪切变形进一步提高系统的耗能减振效果。
35.具体地，高阻尼橡胶支座6内部由多层钢板和高阻尼橡胶材料交替叠合而成，并可根据需求内置挡板8隔断出多个腔体。
36.具体地，摩擦滑动面5与外包橡胶7直接接触，并通过它们两者的材料选择来控制二者之间的摩擦系数，使质量减振消能系统表现出的“摩擦刚度”与主体结构的自振频率适
配，从而实现多级耗能减振机制，即高阻尼橡胶支座6在地震输入较小时仅通过高阻尼支座将上部的屋顶花园响应放大，不与摩擦滑动支座3产生相对滑动；而地震输入较大时，摩擦滑动面5与外包橡胶7处出现相对位移产生摩擦，进一步提高耗能。
37.具体地，顶层楼面13内含预埋套筒9，通过锚栓10、法兰板11与定位板12进行锚固。
38.具体地，粘弹性材料4为橡胶，摩擦滑动面5的材料可以为橡胶、钢、铝中的任意一种，根据设计需要进行选择。
39.具体地，粘弹性材料4与居中时的高阻尼橡胶支座6的边缘的距离一般不小于50mm。
40.具体地，屋顶花园底部为混凝土梁板2，类似倒置的筏形基础，边缘处围绕一圈矮墙。
41.具体地，腔体1中含有粉土16和固定的带孔钢板17，粉土16宜使用塑性系数较低的饱和粉土，带孔钢板17根据设计需要均匀设置等径圆孔。
42.本装置具体工作原理为，在风/地震作用较小时，上述质量减振消能系统的摩擦滑动支座3不产生滑动，此时仅通过高阻尼橡胶支座6将上部质量块(即屋顶花园)的响应放大，即通过提高结构附加阻尼比的方式减小结构振动相应；当风/地震作用增大到一定程度时，高阻尼橡胶支座6与摩擦滑动支座3之间开始产生相对滑动，此时主要通过摩擦滑动耗能来提供减振效果；当风/地震作用更加剧烈时，高阻尼橡胶支座6会与起限位作用的粘弹性材料4发生碰撞，高阻尼橡胶支座6受剪发生较大的水平剪切变形，从而进一步消耗能量，此时仍然可以通过摩擦滑动耗能来耗散外部输入能量。同时，腔体1中的粉土16会出现振动液化现象。此时粉土16的粒间联结变弱，表现出一定的粘性特征，可以通过颗粒摩擦以及变形提升屋顶花园质量减振消能系统的耗能能力，带孔钢板17的设置可以提高粉土液化后的耗能效率。
43.通过对摩擦滑动面5、粘弹性材料4以及摩擦滑动支座3的结构设计可以改变高阻尼橡胶支座6与摩擦滑动支座3的摩擦系数和高阻尼橡胶支座6的行程，从而使主体结构的主要自振频率包括在质量减振消能系统的刚度变化范围对应的有效减振频率内。
44.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。