[发明专利]控制建筑物受地震引起的力、加速度和偏移的方法和装置

说明书

                本发明的背景

1．技术领域

本发明涉及用以缓冲和限制在诸如楼房和桥梁等建筑物中由外力例如地震和风导致的内力、加速度、漂移等情况的一个系统，更具体地涉及一建筑结构的系统，其中通过本发明设定了该建筑物的响应周期、偏移模式和减震性能，以消散地震能量且控制内力、偏移和加速度。

2．已有技术的描述

为了保护诸如楼房或桥梁这样的建筑物，以及占据或处于该建筑物中的人，已设计出抗地震力系统。这些系统有时具有主动和／或被动地震能量消散装置。这些系统试图保护该建筑物，使之避免总体坍塌，且控制地震产生的地震力所造成的损坏。一般当地的建筑标准依据各种参数设定了该建筑物必须能够抵抗的最小的等同地震力。这些力的大小和分布一般以该建筑物的质量、其振动特性(响应周期)、该区域地震活动度、当地土质条件、地震系统的类型和该建筑物的重要性等因素而定。

对于具有一抗震系统的传统结构，诸如一地震支撑系统，主响应周期和减震性能均有效融进了该系统中，这些是由其质量和组成该地震支承系统的元件的形状和材料性能决定的。这些元件通常包括各种类型的结构壁和／或框架。该结构的响应周期及其减震性能可影响由给定的地震所导致的该结构的内力、加速度和偏移。

对于传统的支撑系统，一结构的边侧弹性地震响应被该地震系统相对于地震摇晃特性和该系统的减震性能的刚性所影响。简言之，中等至强烈的地震，距一建筑物的位置为中等至较大的距离，而当该建筑物之下的土质至少是中等刚度时，在较大刚性的建筑物中产生较大的力，而在较小刚性的建筑物中产生较小的力。在上述的情况下，对于刚性较大的建筑物相对偏移较小，而对于刚性较小的建筑物相对偏移较大。如果该建筑物特别接近裂开的地震断层，或者如果该建筑物之下是特别柔性的土质时，这些一般性的关系可能不再正确。

一般而言，刚性较大的建筑物应比柔性的建筑物制造得较为牢固，以弹性地抵抗较大的地震力。刚性较大的建筑物会产生较高的内部加速度，该加速度可对其内容产生不利影响。当一刚性较大的建筑物没有制造得足够牢固，以抵抗住弹性的地震力时，它将遭受到结构性的损坏。通过承受损坏，该建筑物消散了地震能量。内力被该建筑物的弹性强度所限制。该建筑物有效地软化且承受了较大的漂移。这些较大的漂移是非弹性变形，它们增加了非结构性的损坏。

另一方面，一柔性的建筑物一般可制造得比刚性较大的建筑物相对不牢固一些，且仍然能够弹性地抵抗一给定的地震所产生的地震力。正如一刚性建筑物一样，当该柔性建筑物没有制造得足够牢固，以抵抗住弹性的地震力时，它也能够通过承受结构性的损坏来消散地震能量。该柔性建筑物可以承受较大的变形，通过使它们遭受该结构的变形可对非结构元件产生不利的影响。

一建筑物能够承受显著的结构性损坏而没有明显丧失强度的能力(即具有较强挠性的建筑物)构成在当地的建筑标准中。具有较强挠性的建筑物与具有较弱挠性的那些建筑物相比可设计得不牢固一些。

通过在一传统地震支撑系统的支撑元件中增加能量消散单元(EDU)来提供补充的减震部件。增加的减震部件通过减小偏移、加速度以及结构性和非结构性损坏改进了该建筑物的减震性能。

图20用曲线示出了用于一简化模型的加速度、响应周期和减震的关系，该简化模型可用来理解复杂的结构。

结构系统的强度、刚性和挠性存在几种基本的关系，这些关系影响着目前的设计实践。这些关系包括：

对于一给定尺寸和类型的建筑物，强度的增强通常导致刚性的增强；

刚性的增强通常导致地震力、内部加速度(和潜在的内容损坏)的增加，以及变形的减小；

强度的减小通常导致挠性需求或减震需求的减小；

补充减震的增加通常导致力、变形、内部加速度以及结构性和非结构性损坏的减小；

一系统的强度、挠性和减震的相对改进通常导致成本增加。