一种设置升力构件的抗风结构

1.本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种设置升力构件的抗风结构。


背景技术：

2.对于高层及超高层结构而言，风荷载作为一种重要的侧向外荷载在设计中需重点考虑。横向风作用于结构时，除结构本身直接所受的横向风荷载外，结构重力和结构横向变形共同引起的重力二阶效应也将进一步放大横向风荷载对结构的影响，因此横向风对结构的影响随着横向风风压的增大而迅速提高。传统结构体系普遍仅依靠结构本身的弹性回复力抵抗风荷载作用。由于结构力学性能难以根据外部风荷载情况灵活调整，当外部风荷载作用超过结构的承载能力时就可能导致结构损坏乃至倒塌。对于风荷载巨大或风荷载情况高度不确定的结构，单纯依靠提高结构承载力承受所有可能的风荷载影响是不经济乃至不可行的。
3.鉴于此，提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种设置升力构件的抗风结构，以解决现有技术中存在的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种设置升力构件的抗风结构，包括：一个或两个以上的升力构件；与一个或两个以上的所述升力构件连接的支承结构，所述支承结构设置有竖向承重构件和水平抗侧力构件。当空气横向流经所述升力构件表面时，将使所述升力构件受到来自流经空气的升力作用；所述支承结构可承受所述设置升力构件的抗风结构的重力荷载，所述支承结构在横向风荷载作用下产生顺风向变形和趋向于使所述支承结构回到原本形状的回复力；所述竖向承重构件承受竖向力作用，所述水平抗侧力构件承受侧向力作用。
6.可选实施例中，所述支承结构中的某一构件同时为所述竖向承重构件和所述水平抗侧力构件。
7.可选实施例中，所述升力构件具有连续光滑的外轮廓，所述升力构件的中部厚度大于所述升力构件的边缘厚度，所述升力构件的最大厚度小于所述升力构件的平面长度。所述升力构件可将横向流经其表面的空气分为上下两部分，根据所述升力构件形状使上下两部分空气的流动速度和压强产生变化，使升力构件受到来自流经空气的升力作用。
8.可选实施例中，所述升力构件由内部骨架和表面蒙皮构成；所述内部骨架由杆件、拉索和板件构成；所述蒙皮为板材或薄膜；所述升力构件的内部填充空气或氦气。
9.可选实施例中，所述升力构件布置在所述支承结构的中上部，所述升力构件中心位置连接所述支承结构。
10.可选实施例中，所述升力构件布置在所述支承结构的中上部，所述升力构件设置于所述支承结构的内部。
11.可选实施例中，所述支承结构为桁架塔式结构，所述桁架塔式结构中的竖向承重构件为三个以上的立柱，三个以上的所述立柱连接所述升力构件，所述桁架塔式结构中的所述水平抗侧力构件设置于三个以上的所述立柱的内侧或外侧；当所述水平抗侧力构件设置于三个以上的所述立柱的内侧时，所述水平抗侧力构件为所述桁架塔式结构内部所有构件；当所述水平抗侧力构件设置于三个以上的所述立柱的外侧时，所述水平抗侧力构件为拉索。
12.可选实施例中，所述升力构件为一个，所述升力构件与所述支承结构之间连接有角度控制装置，所述角度控制装置用于调节所述升力构件的竖直角度或水平角度。
13.可选实施例中，所述角度控制装置为长度可调的拉索。
14.可选实施例中，所述升力构件的内部骨架设置有形状控制装置，所述形状控制装置改变所述内部骨架的形状从而改变所述升力构件的局部外形。
15.本发明的有益效果在于：该设置升力构件的抗风结构在横向风荷载作用下能够产生竖直向上的升力，升力与横向风阻力对结构引起的弯矩作用方向相反，实现结构受力平衡。而在横向风荷载较小的情况下，设置升力构件的抗风结构本身存在的承载能力可承受重力荷载和一定程度的横向风荷载作用。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
17.图1是本发明一实施例提供的设置升力构件的抗风结构的结构示意图。
18.图2是本发明一实施例提供的设置升力构件的抗风结构在横向风荷载作用下的受力示意图。
19.图3为图1中升力构件的剖视图。
20.图4是本发明另一个实施例提供的设置升力构件的抗风结构的结构示意图。
21.图5是图4中的设置升力构件的抗风结构的俯视示意图。
22.图6是本发明另一实施例提供的设置升力构件的抗风结构的结构示意图。
23.图7是本发明另一实施例提供的设置升力构件的抗风结构进行升力构件水平角度控制前后的正视图。
24.图8是本发明另一实施例提供的设置升力构件的抗风结构进行升力构件竖直角度控制前后的俯视图。
25.图9是本发明另一实施例的升力构件进行形状控制前后的剖面图。
26.其中，附图标记为：
27.升力式结构1；
28.升力构件10；升力构件表面蒙皮101；升力构件内部骨架102；形状控制装置103；
29.支承结构20；竖向承重构件201；水平抗侧力构件202；
30.角度控制装置30。
具体实施方式
31.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.研究发现，传统结构体系仅依靠结构本身的弹性回复力抵抗横向风荷载与顺风向变形同时引起的重力二阶效应荷载，有限的弹性回复力导致传统结构体系对大风荷载的适应性较低，且为了实现足够的弹性回复力需要使用大量结构材料。而风筝以极小的质量却可在空中保持相对稳定的位置，且风荷载进一步增大不会导致风筝向顺风向方向产生显著的更大变形，这是风筝所受升力和横向风阻力相互平衡的结果。参考风筝的力学原理，如果在结构上布置功能类似于飞机机翼或飞盘的升力构件，在水平向风荷载作用下产生向上的升力作用。当结构具有顺风向变形时，升力构件的升力对结构造成的弯矩方向和横向风阻力引起的弯矩方向相反，升力可部分或全部平衡横向阻力对结构的影响，形成自平衡抗风能力的新结构体系。且升力随风速的增大而增大，使设置升力构件的抗风结构具有了对外部荷载的自适应能力，最终实现“以风制风”的效果。由于设置升力构件的抗风结构内存在可承受重力荷载和一定程度横向荷载的支承结构，设置升力构件的抗风结构在风荷载较小的情况下将主要依靠支承结构的弹性回复力保持结构安全和稳定。随着风荷载增大，升力构件的升力和设置升力构件的抗风结构总的横向阻力均增大，但由于升力构件产生的升力显著大于其同时产生横向阻力，升力作用的影响逐渐对结构变形起控制作用，趋向于使结构顺风向变形减小。升力作用和弹性回复力一同平衡了横向荷载作用和重力二阶效应的影响，且随风荷载增大这一平衡关系仍可以维持，使结构具有固有安全性。
34.实施例一
35.请参阅附图1-3，本实施例的目的在于提供了一种设置升力构件的抗风结构，包含一个升力构件10和一个桁架塔形式的支承结构20。升力构件10位于支承结构20的顶端，中部厚、边缘薄，且中部最大厚度小于平面长度。升力构件10在其中部和支承构件20相连。本实施例中，支承结构20为桁架塔，其中，桁架立柱为竖向承重构件201，水平抗侧力构件202包括桁架塔内的所有构件，桁架立柱同时是竖向承重构件201和水平抗侧力构件202。
36.附图2为附图1中的设置升力构件的抗风结构在横向风荷载下的受力情况示意图。其中横向风w对设置升力构件的抗风结构1施加风压作用并使设置升力构件的抗风结构1出现顺风向侧移。升力构件10产生升力f
l
和横向阻力f
w1
，作用点高度为h1。支承结构20产生总的横向阻力f
w2
，作用点高度为h2。而设置升力构件的抗风结构1也受到重力fg的作用。重力fg的作用点位于设置升力构件的抗风结构1的重心，重心侧移为xg。升力构件10位于设置升力构件的抗风结构1顶部并具有侧移x
l
，且显然有x
l
》xg，因此升力f
l
在结构底部所引起弯矩的
力臂x
l
大于重力所引起弯矩的力臂xg，使较小的升力可以对结构产生较大的弯矩。根据基本力学原理可以得到，横向风阻力f
w1
、f
w2
和重力fg对结构引起的弯矩方向和升力f
l
引起的弯矩方向相反，升力构件10的升力f
l
起到平衡横向风荷载的作用。
37.如附图3所示，升力构件10由表面蒙皮101和内部骨架102构成。表面蒙皮101的材料选择可以为铝合金、合金钢、碳纤维负荷材料和钛合金等轻质、高强的复合材料，而内部骨架102由杆件、拉索或板件等构件构成，其骨架结构可以为网架、桁架、张弦梁等结构形式。
38.实施例二
39.请参阅附图4-5，本实施例的目的在于提供了一种设置升力构件的抗风结构，设置升力构件的抗风结构1包括多个升力构件10和一个桁架塔形式的支承结构20。在本实施例中，升力构件10在其边缘和支承结构20相连。此实施例中的支承结构20为包含数根立柱的桁架塔，其中桁架立柱为竖向承重构件201，水平抗侧力构件202则包括桁架塔内的所有构件，桁架立柱同时是竖向承重构件201和水平抗侧力构件202。
40.实施例三
41.请参阅附图6，本实施例的目的在于提供了一种设置升力构件的抗风结构，包括两个升力构件10和柱形支承结构20。本实施例中，竖向承重构件201为多个竖直立柱，水平抗侧力构件202为斜拉索。
42.实施例四
43.请参阅附图7-8，本实施例的目的在于提供了一种设置升力构件的抗风结构，包括一个升力构件10、一个桅杆结构形式的支承结构20和角度控制装置30。本实施例中，升力构件10的平面形状为矩形，一个升力构件10对称布置在支承结构20的两侧，且升力构件10可绕支承结构20转动，角度控制装置30为电机和长度可调节的拉索，优选为上下左右对称布置4条拉索。
44.实施例五
45.请参阅附图9，本实施例的目的在于提供了一种设置升力构件的抗风结构，升力构件10中包含升力构件表面蒙皮101、升力构件内部骨架102和形状控制装置103，形状控制装置103可改变升力构件10的局部形状。
46.本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种设置升力构件的抗风结构，其特征在于，包括：一个或两个以上的升力构件；与一个或两个以上的所述升力构件连接的支承结构，所述支承结构设置有竖向承重构件和水平抗侧力构件。2.如权利要求1所述的设置升力构件的抗风结构，其特征在于，所述支承结构中的某一构件同时为所述竖向承重构件和所述水平抗侧力构件。3.如权利要求1所述的设置升力构件的抗风结构，其特征在于，所述升力构件具有连续光滑的外轮廓，所述升力构件的中部厚度大于所述升力构件的边缘厚度，所述升力构件的最大厚度小于所述升力构件的平面长度。4.如权利要求3所述的设置升力构件的抗风结构，其特征在于，所述升力构件由内部骨架和表面蒙皮构成；所述内部骨架由杆件、拉索或板件构成；所述蒙皮为板材或薄膜；所述升力构件的内部填充空气或氦气。5.如权利要求1所述的设置升力构件的抗风结构，其特征在于，所述升力构件布置在所述支承结构的中上部，所述升力构件中心位置连接所述支承结构。6.如权利要求1所述的设置升力构件的抗风结构，其特征在于，所述升力构件布置在所述支承结构的中上部，所述升力构件设置于所述支承结构的内部。7.如权利要求6所述的设置升力构件的抗风结构，其特征在于，所述支承结构为桁架塔式结构，所述桁架塔式结构中的竖向承重构件为三个以上的立柱，三个以上的所述立柱连接所述升力构件，所述桁架塔式结构中的所述水平抗侧力构件设置于三个以上的所述立柱的内侧或外侧；当所述水平抗侧力构件设置于三个以上的所述立柱的内侧时，所述水平抗侧力构件为所述桁架塔式结构内部所有构件；当所述水平抗侧力构件设置于三个以上的所述立柱的外侧时，所述水平抗侧力构件为拉索。8.如权利要求1所述的设置升力构件的抗风结构，其特征在于，所述升力构件为一个，所述升力构件与所述支承结构之间连接有角度控制装置，所述角度控制装置用于调节所述升力构件的竖直角度或水平角度。9.如权利要求8所述的设置升力构件的抗风结构，其特征在于，所述角度控制装置为长度可调的拉索。10.如权利要求4所述的设置升力构件的抗风结构，其特征在于，所述升力构件的内部骨架设置有形状控制装置，所述形状控制装置改变所述内部骨架的形状从而改变所述升力构件的局部外形。

技术总结
本发明涉及土木工程技术领域，提供了一种设置升力构件的抗风结构。一个或两个以上的升力构件；与一个或两个以上的所述升力构件连接的支承结构，所述支承结构设置有竖向承重构件和水平抗侧力构件。所述支承结构中的某一构件同时为所述竖向承重构件和所述水平抗侧力构件。有益效果在于：该设置升力构件的抗风结构在横向风荷载作用下能够产生竖直向上的升力，升力与横向风阻力对结构引起的弯矩作用方向相反，实现结构受力平衡。而在横向风荷载较小的情况下，设置升力构件的抗风结构本身存在的承载能力可承受重力荷载和一定程度的横向风荷载作用。荷载作用。荷载作用。


技术研发人员：潘鹏 曹迎日 任革学 王海深
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/22