具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系的製作方法

2024-03-07 13:03:15

具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系，本發明屬於土木工程抗風、抗震和減震技術領域。

背景技術：

近年來國內國外高層、超高層建築的高度不斷攀升，而且建築的體型越來越複雜，不規則結構越來越多，這對於結構的抗震都是十分不利的。我國處於地震多發區，高層建築抗震設防和抗風減振更是工程設計面臨的迫切任務。為保證高層結構的抗震和抗風安全，達到安全和經濟的統一，有必要提高高層結構的抗振能力。超高層建築施工工期較長，有的建築工期長達四五年，因此在施工期間是很可能遭遇到較強烈的地震作用或強風的。然而我國現行結構設計規範在施工過程中是不考慮地震作用的，若在施工過程中遭遇到地震作用，結構安全性很難保證。由於其惡劣的施工環境和封閉的操作空間，逃生通道也尚未建成，正在高空施工作業的建築工人多達數百人，單不考慮其經濟損失，就工作人員的生命安全造成了巨大的威脅。目前針對施工過程中結構減震控制的研究和應用均較少，因此亟需重視施工過程中的建築遭遇地震或強風時的減振問題和技術研發。

耗能減振結構體系是建築主體結構通過附加子結構，通過子結構耗散動能，使結構的振動能量在原結構與子結構之間重新分配，從而達到減小結構振動的目的。在耗能減振技術中，調諧質量減振技術具有機理明確和簡便易行等特點，其基本原理是結構在外激勵作用下產生振動時，帶動具有相近振動周期的子結構系統共同振動，子結構的系統相對運動產生的慣性力反作用到結構上，並進行調諧控制，對結構的振動產生抑制，從而可以減小結構的地震反應。調諧質量阻尼器是高層建築結構振動控制中應用最早的結構被動控制裝置之一。調諧質量阻尼器系統由彈簧、阻尼器和質量塊組成的振動控制系統，一般支撐或懸掛在結構上。當調諧質量阻尼器的自振頻率與結構某一振型自振頻率一致時，對此振型的振動反應控制效果最佳。但是傳統的調諧質量阻尼器存在著對主結構的固有頻率攝動十分敏感的缺點，為了改善調諧質量阻尼器的穩定性，眾多學者提出並研究了具有分布頻率的多重調諧質量阻尼器。也有部分研究者建議將兩個調諧質量阻尼器上下串聯形成雙重調諧質量阻尼器。改進之後的調諧質量阻尼器減振性能和穩定性都得到了提高。

基於以上原理，在高層建築施工過程中可以將施工設備或平臺作為臨時的調諧質量阻尼器，通過合理的設置，使結構主體和調諧質量阻尼器的動力響應同時降低，從而提升結構的減震能力和施工安全。

超高層建築的迅速發展，與先進的施工技術密不可分。整體頂升鋼平臺模架體系是我國為了滿足超高層建築施工效率和降低施工安全隱患自主研製的施工模板技術。該模架體系由鋼平臺系統、支撐系統和頂升系統組成。鋼平臺體系由支撐系統和頂升系統支撐，位於建築結構核心筒的頂部，鋼平臺體系頂部除作為材料堆場外，也是各種施工機械的附著體，同時還設置一些生活及消防設施。電梯可直達鋼平臺的頂部，實現了快速高空運輸材料。支撐與頂升系統為主要受力構件，將鋼平臺上所有荷載通過支撐與頂升系統傳遞至剪力牆上。支撐系統包括格構式支撐立柱、上下支撐箱梁以及箱梁上的伸縮牛腿。鋼平臺系統隨著建築物的增高而不斷爬升，提升過程是上支撐梁的牛腿收回，液壓動力系統工作，將鋼平臺模架體系進行頂升。頂升到目標位置後，上支撐梁的牛腿伸出至核心筒的預留孔內。然後將下支撐梁牛腿收回，提升下梁，完成一次提升。

鋼平臺體系附著在建築結構上，可以視為結構上的子結構，因此可以加以利用使其與建築結構形成耗能減震結構體系。目前的整體鋼平臺模架體系相對於建築結構不能發生相對擺動，尚不具備調諧質量阻尼器的功能，可以進行適當改進。摩擦擺支座是一種圓弧面滑動摩擦系統，具有較強的限位、復位能力、耗能機制和良好的穩定性。其基本減振機理是：中間層的滑塊由高強材料構成。在地震或強風作用下，下部滑塊的圓弧形滑動面發生位移，由於上部結構的重力以及滑動面的圓弧形設計，總能產生向心的回覆力，並且能通過地震動滑移過程中滑塊和滑動面之間的摩擦來耗散能量。因此可以在鋼平臺系統與支撐系統連接處用摩擦擺支座相連接來代替之前兩者直接螺栓連接或焊接，這樣就實現了整個鋼平臺系統可相對支撐系統的滑動，即可實現相對於核心筒的滑動，且鋼平臺系統和建築結構就可以組成耗能減振結構體系。同時在鋼平臺頂部的材料堆放區下設置平臺蓋板，平臺蓋板與鋼平臺之間放置合適數量的摩擦擺支座，這樣鋼墊板上的建築材料也可相對鋼平臺擺動。此時整個改造後的整體鋼平臺模架體系對於建築結構就相當於一個雙重的調諧質量阻尼器，對振動的控制效果要比普通的調諧質量阻尼器效果更佳。此外，在減震過程中作為調諧質量阻尼器的鋼平臺模架體系的振動也是可以接受的，因此完全可以利用改造後的鋼平臺模架體系來抵禦施工工程中突發的地震作用，儘可能的減少人員傷亡和經濟損失。

技術實現要素：

本發明提出一種具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系。在正常環境和風荷載較小的情況下，可以使摩擦擺支座處於鎖定的狀態，不發生滑動，這樣改造後的鋼平臺與以往的平臺功能是相同的，可進行正常施工。在不同的施工階段，可通過動力監測技術獲得結構主體的實時振動頻率，並根據調諧減震原理和設計要求，通過改變摩擦擺支座上下板連接的彈簧剛度從而改變鋼平臺與建築結構的連接剛度來使鋼平臺的自振頻率與建築結構的第一階自振頻率接近。如果高層建築結構主體遭遇突發地震和強風，可立即把所有摩擦擺支座的鎖定螺栓取出，使其處於可滑動的狀態，此時整個鋼平臺體系相當於雙重的調諧質量阻尼器，並且其頻率接近結構的自振頻率，將最大限度的吸收振動的能量，來減少結構的振動。本發明將傳統整體爬升鋼平臺模架體系與結構主體的固接形式改為由摩擦擺支座連接的底部可水平滑動形式，利用鋼平臺模架體系質量進行調諧減振控制，同時減小由地震或風荷載產生的結構主體和模架體系的振動。材料堆放區平臺也安有摩擦擺支座，並採用調諧質量減振的方式進一步降低結構主體和模架體系的振動，從而使整個平臺系統成為雙重調諧質量阻尼器，實現雙重調諧質量減振。

為了實現上述目的，本發明採取了如下技術方案：

具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系，該體系包括鋼墊板10、鋼平臺桁架梁11、鋼格構立柱12、鋼平臺蓋板13、上支撐梁14、下支撐梁15、頂升系統16、伸縮牛腿17、結構主體18、主平臺摩擦擺支座19、材料堆放區平臺摩擦擺支座20和建築材料21。

主平臺摩擦擺支座19和材料堆放區平臺摩擦擺支座20均由摩擦擺滑塊1、摩擦擺支座下板2、摩擦擺支座上板3、彈簧4、彈簧掛鈎5、摩擦擺滑塊限位板6、防護墊層7、摩擦擺支座上板連接螺栓8、摩擦擺支座下板連接螺栓9組成。摩擦擺滑塊1設置在摩擦擺支座下板2和摩擦擺支座上板3之間，摩擦擺支座下板2和摩擦擺支座上板3由可變剛度的彈簧4通過彈簧掛鈎5水平相連。在摩擦擺支座下板2的頂面設置環形摩擦擺滑塊限位板6，並在摩擦擺滑塊限位板6的內圈貼上防護墊層7，防護墊層7限制摩擦擺滑塊1的位置，防止摩擦擺支座出現傾覆，防護墊層7用來保護摩擦擺滑塊1的撞擊。摩擦擺支座上板3通過摩擦擺支座上板連接螺栓8固定在鋼墊板10上，摩擦擺支座下板2通過摩擦擺支座下板連接螺栓9固定在鋼墊板10上。摩擦擺支座下板2在摩擦擺支座上板螺栓8對應處有螺栓孔。當不需要調諧減振時，將摩擦擺支座上板螺栓8插入並鎖定摩擦擺支座。同樣的，鋼平臺桁架梁上的摩擦擺支座具有同樣的功能。當需要調諧減振時，將摩擦擺支座上板連接螺栓8擰出摩擦擺支座下板螺栓孔洞。

在鋼平臺桁架梁11和鋼格構立柱12點連接處，鋼格構立柱12頂端加一層方形的鋼墊板10，鋼墊板10與鋼格構立柱12用螺栓固定在一起。

鋼墊板10中心與鋼格構立柱12中心重合，鋼平臺桁架梁11底部加同樣規格的另一層鋼墊板10並用螺栓固定在一起。兩層鋼墊板10之間均勻分布安置多個平臺摩擦擺支座19，鋼平臺桁架梁11通過摩擦擺支座19沿鋼格構立柱12水平滑動。在鋼平臺桁架梁11上安裝多個材料堆放區平臺摩擦擺支座20，然後鋪上鋼平臺蓋板13。材料堆放區鋼平臺蓋板13通過材料堆放區平臺摩擦擺支座20沿鋼平臺桁架梁11水平滑動。施工鋼平臺模架體系在主平臺摩擦擺支座19和材料堆放區平臺摩擦擺支座20同時進行水平滑動，實現雙重調諧質量減振功能。

鋼格構立柱12支撐在上支撐梁14和下支撐梁15上，上支撐梁14和下支撐梁通過頂升系統16連接起來，共同承受鋼平臺系統的豎向荷載；上支撐梁14和下支撐梁15通過伸縮牛腿17插進建築結構預留孔內將豎向荷載傳遞到建築結構主體18。當鋼平臺隨著施工需要頂升時，把主平臺摩擦擺支座19的摩擦擺支座上板連接螺栓8伸入到摩擦擺支座下板2對應的螺栓孔洞中，鎖定摩擦擺支座，阻止其滑動，保證頂升過程中的平穩。

摩擦擺支座下板2、摩擦擺支座上板3的平面面積均不能小於相應平臺平面面積的1/50。摩擦擺滑塊1的材料為高強鋼、高強合金等，彈性模量應大於3.5×105n/mm2，動摩擦係數不能超過0.10。

環形摩擦擺滑塊限位板6的厚度為摩擦擺支座下板2厚度的1/2。

摩擦擺支座上板連接螺栓8的直徑不小於摩擦擺支座上板面積的1/20。

鋼墊板10的平面面積為鋼格構立柱12平面面積的1.5倍以上。

根據施工過程中建築結構主體第一階頻率來及時調節彈簧4剛度，且應使主平臺摩擦擺支座19之上整個平臺系統的第一階頻率與建築結構主體第一階頻率之比控制在0.80-1.00之間。使材料堆放區平臺摩擦擺支座20以上的平臺系統第一階頻率與建築結構主體第一階頻率之比控制在0.85-1.05之間。

在不同的施工階段，採用增減建築材料質量的方式來進一步調節材料堆放區平臺摩擦擺支座20以上的平臺系統的第一階頻率，靈活實現調諧功能。

與現有技術相比，本發明的優點如下：

1、本發明在原有的整體鋼平臺模架體系的基礎上，通過將鋼平臺系統和鋼格構立柱連接處原有的固定節點改為由摩擦擺支座連接起來的可滑動節點，實現了整個鋼平臺可相對於建築結構的相對水平滑動，同理可利用平臺頂部的建築材料堆放區的質量相對於鋼平臺系統的水平滑動。這樣改造後的整個鋼平臺模架體系相對於施工中建築結構就可以起到雙重調諧質量阻尼器的作用，來抵禦地震作用和特大風荷載。

2、本發明在原有的摩擦擺支座的基礎上，在摩擦擺支座上板和摩擦擺支座下板安裝可變剛度的彈簧將兩者連接在一起，這樣做可以靈活的改變摩擦擺支座滑動時的剪切剛度，進而可調整鋼平臺系統水平方向自由振動的頻率來匹配施工中的建築結構的振動頻率，達到最大的減震效果。

3、本發明在鋼平臺頂部劃分不同的功能分區，僅在材料堆放區下安置合適數量的摩擦擺支座，其他功能區域僅有一層鋼蓋板鋪墊。這樣可以通過材料堆放區和其他功能分區質量分配，來調整材料堆放區域的建築材料質量，即調整平臺上部可擺動的質量。因此通過調節摩擦擺支座上的彈簧剛度和調整鋼平臺頂部材料的質量可使雙重調諧質量阻尼器發揮到最佳的效果。

4、本發明在原有的摩擦擺支座的基礎上，在摩擦擺支座上下板對應處預留螺栓孔，當在正常環境施工過程中，可以通過螺栓將摩擦擺支座上下板鎖定在一起，阻止其相對擺動，這樣就與以往的模架體系功能完全相同。當有地震來襲或者較大風荷載時，將螺栓打開即可，切換方便靈活。

附圖說明

圖1是本發明具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系的單個支撐節點的正面圖

圖2是本發明具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系中摩擦擺支座結構正面圖

圖3是本發明具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系中摩擦擺支座結構俯視圖

圖4是本發明具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系中摩擦擺支座結構水平剖面俯視圖

圖5是本發明具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系中摩擦擺支座結構發生滑動示意圖

圖6是本發明具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系鋼平臺功能分區布置圖俯視圖

圖7是本發明具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系豎向支撐點的布置圖

圖中：1-摩擦擺滑塊、2-摩擦擺支座下板、3-摩擦擺支座上板、4-彈簧、5-彈簧掛鈎、6-摩擦擺滑塊限位板、7-防護墊層、8-摩擦擺支座上板連接螺栓、9-摩擦擺支座下板連接螺栓、10-鋼墊板、11-鋼平臺桁架梁、12-鋼格構立柱、13-鋼平臺蓋板、14-上支撐梁、15-下支撐梁、16-頂升系統、17-伸縮牛腿、18-結構主體、19-主平臺摩擦擺支座、20-材料堆放區平臺摩擦擺支座、21建築材料。

具體實施方式

實施例：

下面結合正在施工過程中的某高層為實例，來詳細說明該發明是如何來減小地震作用下主體結構的振動。

該建築是集五星級酒店、商場、高等辦公寫字樓為一體的綜合性超高層建築，為核心筒-鋼管混凝土結構，地上71層，地下6層，高318米。根據核心筒的平面面積確定好鋼平臺模架體系各部件的規格，滿足技術方案中的要求。然後將具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系攀附在核心筒上來進行施工，每當核心筒新建5層，測量結構主體的第一階自振頻率，施工過程中整個鋼平臺及上部設備和建築材料的質量保持恆定，只要調控主平臺摩擦擺支座的彈簧剛度即可改變整個鋼平臺相對於核心筒的自振頻率。大鋼平臺上的材料堆放區平臺的自振頻率可以採取將平臺蓋板上建築材料質量分配到其他區域的方法來調控。假定當核心筒施工到35層時發生地震，此時核心筒第一階自振頻率是3.70hz，經過自振頻率公式計算可得到所有主平臺摩擦擺支座的彈簧剛度之和應為7200kn/m,由於整個大平臺由4根格構立柱支撐，每個支撐點處設置4個主平臺摩擦擺支座，每個摩擦擺支座上言擺動方向有4根可變剛度彈簧，因此整個大平臺與鋼格構立柱之間由64根彈簧並聯，因此每根彈簧的剛度應該更換為112.5kn/m，此時整個鋼平臺的自振頻率為3.20hz。建築材料區域平臺蓋板上建築材料的質量通過和其他區域進行分配，最後小平臺蓋板的自振頻率調控在3.80hz。將以上計算數據經過有限元建模，輸入地震波後將傳統鋼平臺模架體系攀附的核心筒和具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系攀附的核心筒的地震加速度峰值進行對比，可以發現具有雙重調諧質量減振功能的施工鋼平臺模架體系攀附的核心筒地震加速度峰值下降了37.2％，減震效果比較顯著。當核心筒施工達到60層時，根據氣象報告將有強風襲來，此時核心筒的第一階頻率為2.50hz,經過計算將主平臺摩擦擺支座的彈簧剛度更換為82kn/m時大平臺的自振頻率約2.20hz，建築材料堆放區域平臺蓋板上建築材料的質量通過和其他區域進行分配，小平臺蓋板的自振頻率調整到2.60hz。此時將所有摩擦擺支座上板連接螺栓擰出摩擦擺支座下板的螺栓孔，使摩擦擺支座處於可擺動狀態。在之後的強風作用下，整個鋼平臺和小平臺蓋板沿著摩擦擺支座水平雙重擺動，鋼平臺模架體系的雙重調諧作用的反拉慣性力對施工中的核心筒的振動起到了很好的控制效果，吸收了振動能量，使核心筒在暴風作用下頂部的位移得到了很好的控制，加速度峰值較不進行減振下降了16.7％，保護了建築和人員的安全。

以上為本發明的一個典型實施例，但本發明的實施不限於此。