带有提高的结构阻尼的承载结构 |
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| 申请号 | CN201080013544.1 | 申请日 | 2010-03-16 | 公开(公告)号 | CN102388184B | 公开(公告)日 | 2015-03-18 |
| 申请人 | VSL国际股份公司; | 发明人 | J·科莱格; P·埃格; H·帕尔达切尔; | ||||
| 摘要 | 在一种带有至少一个承载元件(2)的承载结构(1)中，承载元件(2)具有至少一个空腔(5)，至少一个杆(4)被布置在空腔(5)中，其中所有相应布置在空腔(5)中的杆(4)的总横截面积小于该空腔(5)的横截面积，并且空腔(5)剩下的容积以材料(6)填充。如果承载元件(2)发生 变形 ，则杆(4)沿着其纵向延伸部可相对于承载元件(2)相对移动，其中，杆(4)在仅仅一个部位以关于承载元件(2)不可移动的方式固定并构造成，它在发生对承载元件(2)的相对移动时耗散 能量 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种带有至少一个承载元件(2)的承载结构(1)，其特征在于，所述承载元件(2)具有至少一个空腔(5)，至少一个杆(4)布置在所述空腔(5)中，其中，所有相应布置在空腔(5)中的杆(4)的总横截面积小于所述空腔(5)的横截面积，并且所述空腔(5)剩下的容积用材料(6)填充，其中，如果所述承载元件(2)发生变形，所述杆(4)沿着其纵向延伸部相对于所述承载元件(2)能够相对移动，其中所述杆(4)在仅仅一个部位处以关于所述承载元件(2)不可移动的方式固定并构造成，所述杆(4)在发生对所述承载元件(2)的相对移动时将能量耗散，其中所述材料(6)由气体构成，并且其中所述空腔(5)能够密封地封闭。 |
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| 说明书全文 | 带有提高的结构阻尼的承载结构技术领域背景技术[0002] 承载结构例如可为高楼、烟囱、塔或者桥梁。 [0003] 承载结构由诸如杆、梁、片(Scheibe)或者板构成。在建筑技术的应用范围中的承载结构具有至少一个支座(Auflager)。支架(Lager)或者地基结构(Fundierungskonstruktion)可以用作支座。 [0006] 为了降低振动，提供固有频率的偏移作为应对措施，使得与激励频率(Erregerfrequenz)的距离尽可能的大。 [0007] ●振动隔绝 [0009] ●带有粘性阻尼特性的减振器 [0010] 减振器理解为借助于弹簧和阻尼元件联结到承载结构处的附加质量(Zusatzmasse)。 [0011] ●缓冲器(Tilger) [0012] 缓冲器理解为借助于弹簧联结到承载结构处的附加质量。 [0013] ●改变结构阻尼 [0014] 阻尼的大小对共振范围中的振动减小有决定性的影响。建筑材料中的阻尼、建筑构件与连接件中的阻尼和通过支承部与建筑地基的阻尼之间有所不同。 [0015] 当激励频率已知(例如对于机器的运转的预先给定的频率)时，频率位置的变化是用以减小振动的突出的方法。在土木工程中，尝试将行人桥以及看台的固有频率从可通过行人或人群聚集而激励的频率范围移开。 [0017] 减振器以及缓冲器是引起高的安装和维护费用的结构。 [0018] 增大结构阻尼是一种例如在地震作用时用以在共振范围内降低承载结构的振动并用以耗散能量的合适的方法。 [0019] 通过地震供给的能量使承载结构处于振动之中。如果通过在尽可能多的部位耗散所供给的能量进行有效的能量吸收并且同时确保移除(Abtragung)竖直载荷(固有重量和有效负载)，则可以避免承载结构的失效。在钢承载结构中，例如斜杆(Diagonalstab)可偏心地联接在梁处。在承载结构侧向偏转(作为地震负荷的结果)时，在梁中形成活动关节(Fliessgelenk)，在其中通过循环的塑性变形耗散能量。 [0020] 在Christian Petersen的建筑工程学中的减振器(Maurer Gmbh&Co.KG出版，慕尼黑2001，章节2，S.43和44)一文中描述了用于对弓弦式拱桥(Stabbogenbruck)的吊索(Haenger)提高结构阻尼的措施。在吊索(承载元件)处固定有两根钢杆并且在多个部位处通过带箍(Bandage)与吊索可移动地连接。在振动负荷下，摩擦力在带箍中引起显著提高的结构阻尼。Petersen写到，他所描述的解决方案技术上很难实现且腐蚀保护尤其成问题。 发明内容[0021] 本发明的目的在于提供一种带有高结构阻尼的承载结构，其具有简单的结构类型并且不需要用于腐蚀保护措施的提高的费用。 [0022] 该目的通过带有权利要求1的特征部分的特征的承载结构实现。 [0023] 根据本发明的承载结构包括至少一个承载元件，其具有至少一个空腔，在空腔中布置有至少一个杆。所有相应布置在空腔中的杆的总横截面积小于该空腔的横截面积，并且空腔的剩下的容积用材料填充。如果承载元件发生变形，杆沿着其纵向延伸部可相对于承载元件相对移动。此外杆在仅仅一个部位以关于承载元件不可移动的方式固定并构造成，它在发生对承载元件的相对移动时将能量耗散。关于“耗散”理解为能量形式到热量的转变。 [0024] “杆”在结构力学中这样定义，即它仅仅可吸收拉力和压力。在杆中，当然也可能出现弯曲力矩，但是其与梁相比，数量级明显更小。作为在本发明意义上的杆，可考虑带有圆形的或矩形的横截面的钢杆、拉索(Spanndrahtlitze)、具有相当刚度的钢丝、钢的空心型材(圆形的或多边形的)以及纤维复合材料的杆、绳索和丝线。 [0025] 通过在唯一的部位关于承载元件固定杆且杆实施成相对于承载元件可纵向移动，在承载元件变形时在杆与承载元件之间可产生相对位移。该相对位移在杆关于承载元件被固定的部位为零。随着与该固定部位距离的增加，杆与承载元件之间的相对位移变得更大。在动态作用到承载结构上时，在杆的每个部位产生杆与承载元件之间的循环的相对位移。 [0026] 在杆表面与承载元件之间，粘结应力(Verbundspannung)例如通过摩擦或通过位于空腔之中的材料来传递。粘结应力-相对位移-关系的循环的经历提供了耗散能量的可能性。根据杆的实施形式和通过相对移动产生的粘结应力，能量沿着杆被耗散。为了很好地耗散，推荐由金属材料或纤维复合材料构成的杆。 [0027] 为了提高杆与空腔内面之间的摩擦并由此促进耗散，当杆的表面和/或空腔的内面具有肋部、螺纹、型材(Profilierung)、凸起或束口(Einzug)时是有利的。紧固在杆的表面处的条状的、棱柱形的或柱形的元件可用于相同的目的。 [0028] 为了获得可观的耗散，本发明的改进方案设置成，空腔的长度至少为其最大直径的十倍。就此而言，当空腔具有柱形的或棱柱形的形状时证明是有利的。 [0029] 例如，杆的横截面的直径或高度处于10mm与200mm之间，惯性半径因此在2.5mm与58mm之间。 [0030] 用以填充杆表面与承载元件之间空腔的容积的材料有利地可由流体、粒状材料、气体或上述材料的混合物构成。 [0031] 如果流体被用作用于填充空腔的材料，则在杆与承载元件之间发生相对移动时，剪应力在流体中传递。剪应力的出现和与之相关的在流体的流线间的摩擦力引起能量耗散。不仅在层流流动中而且在湍流流动中，运动学的流动能量此处转化为热量。 [0032] 具有不同粘度的流体，尤其运动学粘度在10-6[m2/s]至1[m2/s]之间，适合作为用-6 2于填充空腔的材料。例如可使用室温下具有10 [m/s]的运动学粘度的水或在室温下具有-2 2 10 [m/s]的运动学粘度的液压油。 [0033] 一种用于阻尼元件的优选的填充介质是硅油。对于更广泛的应用范围，硅油以-6 2 210 [m/s]至1[m/s]的运动学粘度制造。尤其重要的是甲基硅油。它无色、无味、无毒且斥水。它对酸和碱具有高抵抗力。在环境温度下它实际上不挥发。熔点在-50℃，燃点在 3 250℃，而着火温度为大约400℃。密度为大约970kg/m。 [0034] 甲基硅油具有大的粘度范围和粘度与温度的较小的依赖性。另外的特征是高压缩性。由此在压力负荷非常高时，不存在硅油固化的风险。 [0036] 此外，作为气态的填充介质可使用空气或氮气。 [0037] 作为填充介质，也可使用触变流体。在某些非牛顿学的流体中，在机械负荷下，粘度降低。在中断负荷后，起始粘度再次被建立。 [0038] 为了使根据本发明的承载结构易于维护，杆和/或材料可以是可更换的。 [0039] 为了防止腐蚀或污物侵入空腔中，当空腔可密封地封闭时是有利的。 [0040] 如果空腔(杆在其中被引导)的至少一个截段具有弯曲部，则通过杆实现耗散的进一步提高。 [0041] 在根据本发明的承载结构的优选的实施形式中，承载元件中的空腔与承载元件的重心轴线成一定距离布置。距离选取越大，则杆的相对的可移动性和由此耗散就越大。 [0042] 如果承载结构的尺寸沿着其重心轴线至少是在正交于重心轴线布置的横截面中的十倍，且如果承载元件几乎平行地且与承载结构的重心轴线成一定距离地布置，则在根据本发明的承载结构中实现较好的振动阻尼。 [0044] 为了进一步提高摩擦力，当套管的面向空腔的表面和/或套管的面向承载元件的表面具有肋部、型材、凸起或束口时是有利的。 [0045] 根据本发明的承载结构的另一优选的实施形式由此突出，即，杆在承载元件之外布置在空心型材中，空心型材布置在承载元件附近且与其在至少三个部位固定地连接，杆的横截面积小于空心型材的内部的横截面积，且空心型材中的剩余的容积用材料填充。附图说明 [0046] 根据本发明，下面根据在附图中示出的实施例进行详细阐述。其中： [0047] 图1示出了带有布置在承载元件中的空腔的承载结构的剖面。 [0048] 图2示出了沿着图1的线II-II的剖面。 [0049] 图3示出了带有安装到承载元件中的杆的根据图1的承载结构1的剖面，杆在承载结构1的支座处具有锚固部(Verankerung)。 [0050] 图4示出了根据图3的承载结构在变形状态中的剖面， [0051] 图5示出了在杆与承载元件之间的相对位移Δ沿着杆的分布， [0052] 图6示出了剪应力τ沿着杆的分布， [0053] 图7示出了拉力N沿着杆的分布， [0054] 图8示出了对于在各种载荷循环中耗散能量的材料的剪应力τ-相对位移Δ的关系，其中τ-Δ关系通过弹-塑性特性表征， [0055] 图9示出了对于在各种载荷循环中耗散能量的材料的剪应力τ-相对位移Δ的关系，其中τ-Δ关系通过粘性特性表征， [0056] 图10示出了沿着图3的线X-X的剖面， [0057] 图11示出了通过承载结构(其中杆固定在上端处)的相应于图3的剖面，[0058] 图12示出了根据图11的承载结构在变形状态中的剖面， [0059] 图13示出了带有布置在承载结构外部的空心型材(杆位于空心型材之中)的承载结构的另一实施形式， [0060] 图14示出了根据图13的承载结构在变形状态中的剖面， [0061] 图15示出了沿着图13的线XV-XV的剖面， [0062] 图16示出了带有杆(其在杆中部具有固定部)的承载结构的另一实施形式以及[0063] 图17示出了沿着图16的线XVII-XVII的剖面， [0064] 图18示出了由支撑部(Stuetze)、梁和弯曲地安装到壁中的杆所构成的承载结构， [0065] 图19示出了对应于图18的带有五个安装到壁中的杆的承载结构，[0066] 图20示出了沿着图19的线XX-XX的剖面， [0067] 图21示出了沿着图20的线XXI-XXI的剖面， [0068] 图22示出了弓弦式拱桥， [0069] 图23示出了带有联接着的空心型材(杆布置在其中)的弓弦式拱桥的吊索，[0070] 图24示出了沿着图22或图23的线XXIV-XXIV的剖面， [0071] 图25示出了带有布置在承载结构内部的空心型材(杆位于其中)的另一承载结构， [0072] 图26示出了根据图25的承载结构在变形状态中的剖面， [0073] 图27示出了沿着图25的线XXVII-XXVII的剖面。 具体实施方式[0074] 在以下阐述中，首先涉及图1至图10。 [0075] 在图1中示出了在未变形状态中(F(t)＝0)用于吸收作用在上端处的力F(t)的承载结构1。该承载结构1的承载元件2由杆和梁构成。空腔5位于构造为钢管的承载元件2中。承载结构1的重心轴线用9表示，而承载元件2的重心轴线用8表示。地基16用作对承载结构的支座21。图2示出了通过带有空腔5的承载元件2的剖面。 [0076] 在图3中示出了根据图1的承载结构1的剖面，其中安装杆4并且空腔5的剩余的容积用材料6填充。杆4利用锚固部3不可移动地紧固在支座21处。为了更好地理解，从锚固部3开始，沿着杆4引入行程坐标x。杆2的长度在图3中以l表示。 [0077] 根据图4，承载结构1由于力F(t)而发生变形，力F(t)具有时间上可变化的数值。根据在图4中所示，带有安装的杆4的承载元件2通过被延伸并由此被拉长从而发生变形。 对于在相反的方向上所作用的力F(t)，承载元件2将被沉下(tauchen)并且因此变短。如果空腔5未填充以材料6并且杆4与承载元件2之间的摩擦等于零，则杆4在承载元件2变形时仅仅一同弯曲，它将不会改变其长度并且仅仅具有由于强迫变形的从属的弯曲应力。 在杆4的每个横截面中的法向应力的总和将等于零，即在杆4中的法向力等于零。根据在承载元件2和杆4变形时在材料6中引起的应力的大小，法向应力在杆2中建立。在杆4的任意的横截面积上的该法向应力的和或积分对应于杆4中的法向力并且不等于零。 [0078] 在图4中，承载元件2中的杆4被材料6包围。在承载结构1以力F(t)加载时，在杆4中不仅产生法向力，而且产生在杆4与承载元件2之间的相对位移Δ(x)。 [0079] 在图5中示出了沿着杆4的相对位移Δ(x)的可能的分布。图6示出了在杆4的表面上的剪应力τ(x)，其作为相对位移Δ(x)的结果而产生。剪应力τ(x)在杆4的表面上的积分得到在图7中所示出的、法向力N(x)沿着杆4的分布。对于在图4中所示出的示例，法向力N(x)为拉力。 [0080] 在图8中对于一种加载循环示出了相对位移Δ与剪应力τ之间的一种可能的联系。在图8中示出的τ-Δ关系具有弹-塑性材料特性。在循环地出现相对位移Δ时，能量被耗散。在加载循环中，在τ-Δ关系曲线内部的面积A的大小就是所耗散能量的数值。对于线性的τ-Δ关系，没有能量被耗散。 [0081] 在图9中示出了相对位移Δ与剪应力τ之间的另一可能的联系。在图9中示出的τ-Δ关系具有粘性的材料特性。 [0082] 图10示出了通过杆4、承载元件2以及材料6的横截面。τ-Δ关系曲线的实际形状按比例受杆4和承载元件2的表面的性质以及对材料6的材料选择的影响。在图8和图9中所示出的τ-Δ关系可仅仅理解为示例性的材料模型。通过材料6的变化以及杆4和承载元件2的表面的变化，可产生许多不同的τ-Δ关系。 [0083] 根据本发明的承载结构1的第二实施形式在图11和图12中示出。用于不可移动地固定杆4和承载元件2的锚固部3在该示例中布置在承载元件2的上端。在承载结构1由于力F(t)而变形时，在杆4与承载元件2之间出现相对位移Δ。相对位移Δ的最大值出现在x＝0部位。 [0084] 根据本发明的承载结构1的第三实施形式在图13至图15中示出。承载结构1由壁15构成，且通过水平作用的力F(t)在上端加载。承载结构1由唯一的承载元件2构成，承载元件2由片形成。在承载结构1的右边外侧以固定部11联接有空心型材10。在空心型材10中布置有杆4，其借助于锚固部3与地基16相连接。在该示例中示出的根据本发明的承载结构1的实施形式可通过后来将空心型材10、杆4以及材料6安装到存在的承载元件2处来制造。空心型材10可由钢管或塑料管构成。 [0085] 根据本发明的承载结构1的第四实施形式在图16和图17中示出。承载结构1由唯一的承载元件2构成，承载元件2通过梁形成。所以承载元件2和承载结构1的重心轴线8、9在该示例中是相同的。通过套管7在由钢筋混凝土构成的承载结构1中提供空腔5。套管7可由在预应力混凝土结构中通常加肋的或起槽的钢板管道构成。图16示出了在杆 4引入空腔5之后的装配状态。杆4在中间借助于锚固部3不可移动地与承载元件2相连接。在之后未在图16和图17中示出的装配步骤中，空腔5以材料6填充。 [0086] 根据本发明的承载结构1的第五实施形式在图18中示出。承载结构1由若干承载元件2构成，即由壁15(或片)、支撑部13和梁14构成。在壁15中布置有空腔5，其具有若干弯曲部。布置在弯曲的空腔5中的杆4在承载结构1变形时通过在杆4与承载元件2之间的摩擦力而被加载。在承载结构1的动态负荷下(例如由于地震)，能量通过摩擦力耗散。对于在图18中所示出的承载结构1的规定的运行，重要的是，空腔5的直径和杆4的轴向刚度(Achsialsteifigkeit)及弯曲刚度相互协调，由此在加载循环中，杆4中的法向压力(Drucknormalkraft)不会引起实现杆4的起皱弯曲(Ausknicken)。杆4应当在压力负荷下附接到承载元件2的表面处，而不应由于局部的起皱弯曲而被破坏。 [0087] 根据本发明的承载结构1的第六实施形式在图19至图21中示出。在图19中所示出的承载结构1的承载元件2对应于图18的承载结构。在壁15中布置有5个空腔5，其在(壁15由钢筋混凝土)制造时通过放入套管7而形成。在空腔5中放入杆4，板12被焊接到杆4处。如可在图21中识别出，板具有孔洞，以便对于杆4与承载元件2之间的相对位移Δ激活更高的剪应力τ。套管7在两侧设有肋部，以便一方面确保套管7与承载元件2或壁15之间不可移动的连接，另一方面对于杆4与承载元件2之间的相对位移Δ激活更高的剪应力τ。 [0088] 在图22至图24中示出了根据本发明的承载结构1以弓弦式拱桥17的形式的第七实施形式。图22示出了由桥梁支座19、拱18、吊索20和支座21所构成的弓弦式拱桥17。吊索20由圆形的钢型材构成，钢型材与空心型材10利用紧固部11相连接。在空心型材10中布置有杆4和材料6。杆4与桥梁支座19借助于锚固部3不可移动地连接。在杆4与承载元件2或吊索20之间的相对位移Δ中出现的较高的结构阻尼降低吊索20的风激励的振动。 [0089] 根据本发明的承载结构1的第八实施形式在图25至图27中示出。在图25至27中所示出的承载结构1与根据图11和12的承载结构1的区别在于，在承载元件2内部布置有空心型材10，其不与承载元件2连接。在承载结构1由于力F(t)而变形时因此在杆2与空心型材10之间产生相对位移Δ，其在杆的长度上保持恒定。通过沿着杆2以恒定大小出现的相对位移Δ，依赖于τ-Δ关系(其又依赖于材料6的特性和杆2及空心型材10的表面的特性)沿着杆的长度，比在图11和12的带有沿着杆长度可变的相对位移Δ的示例中，沿着杆长度可出现更大的能量耗散。 [0090] 附图标记清单 [0091] 1 承载结构 [0092] 2 承载元件 [0093] 3 锚固部 [0094] 4 杆 [0095] 5 空腔 [0096] 6 材料 [0097] 7 套管 [0098] 8 承载元件的重心轴线 [0099] 9 承载结构的重心轴线 [0100] 10 空心型材 [0101] 11 空心型材的固定部 [0102] 12 板 [0103] 13 支撑部 [0104] 14 梁 [0105] 15 壁 [0106] 16 地基 [0107] 17 弓弦式拱桥 [0108] 18 拱 [0109] 19 桥梁支座 [0110] 20 吊索 [0111] 21 支座 |
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