CN102433943B - 滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种用于建筑结构或桥梁结构中的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，属于结构工程抗震与减震及抗风技术领域。阻尼器腔体为长方体或圆柱体，竖直方向含有两个以上的阻尼器隔舱板，阻尼器腔体底面连接有多个定向滑轮支撑，定向滑轮支撑可在阻尼器锚固装置内的滑动槽中滑动或滚动。每个阻尼器隔舱板上均匀单层放置有多级配阻尼器颗粒群，多级配阻尼器颗粒群由主体颗粒和细颗粒组成。在风或/和地震作用下，定向滑轮支撑可以在滑动槽上滑动或滚动以增加阻尼颗粒碰撞激烈程度调谐结构频率并耗散主体结构动能。

Description

滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器

技术领域

本发明涉及一种通过定向滑轮支撑与主体结构相连接具有耗能、调谐作用的多级配颗粒阻尼器，属于结构工程抗震与减震及抗风技术领域。

背景技术

近年来随着科学技术的发展及人们生活水平的提高，人们对结构抗震性能及结构抗风舒适度性能要求越来越高。调谐质量阻尼器(TMD)或调谐液体阻尼器(TLD)减振控制技术由于其对原结构改变小，施工简单，且减震效果显著，而受到广泛重视，并在国内外工程中得到应用。颗粒阻尼技术作为一种新型的调谐质量、耗能减震控制技术，具有对原系统改动小、附加质量小、减震频带宽、多维控制能力好、可运用于恶劣环境等优点逐渐成为工程研究人员的研究热点。

属于被动控制装置的颗粒阻尼减振系统目前存在以下不足：首先，现阶段研究成果显示，颗粒阻尼器中的阻尼颗粒起振条件较为苛刻，在一般的风荷载或多遇地震作用下阻尼颗粒很难起振或起振后颗粒间、颗粒与腔体间碰撞摩擦不剧烈，加之颗粒附加质量较小，因而颗粒阻尼器很难起到对主体结构调谐质量的作用。其次，颗粒阻尼器中阻尼颗粒起振后发生的颗粒与颗粒间，颗粒与腔体间的碰撞多为弹性碰撞，碰撞耗散结构能量的能力有限。再次，传统颗粒阻尼器多采用具有一定堆叠高度的阻尼颗粒群，极大的限制了阻尼颗粒多方向滚动或滑动、摩擦、碰撞的机率。此外，由于传统颗粒阻尼器仅依靠阻尼颗粒自身滚动摩擦碰撞对结构调频往往导致调频效果不好。因此开发阻尼颗粒起振条件低、耗能能力好、多维控制效果好、调频能力强的新型颗粒阻尼器具有重大的工程意义。

发明内容

为了解决现有颗粒阻尼技术中存在的颗粒起振难，由于颗粒堆叠导致多维控制效果差，碰撞耗能能力有限，调谐能力差的问题，本发明提出了一种通过定向滑轮支撑与主体结构相连接，内设隔舱板，具有耗能、调谐作用的多级配颗粒阻尼器。本阻尼器具有阻尼颗粒起振条件低、碰撞耗能能力好、多维控制效果好、调频能力强等特点，在风或地震作用下，多级配阻尼颗粒中的主体颗粒能够在结构发生破坏之前沿多方向充分滚动或滑动、摩擦、碰撞消耗能量，细颗粒可以在静电力或粘接剂的作用下附着于主体颗粒表面，伴随主体颗粒一起滚动、摩擦和碰撞，通过自身的塑性变形消耗主体结构传递给主体颗粒或细颗粒的能量。与此同时上部阻尼器隔舱携多级配颗粒可以通过定向滑动支撑在滑动槽上来回滚动或滑动以达到增加颗粒碰撞程度和调谐结构频率并耗散主体结构动能的功能，从而保证结构安全。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明的一种滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，主要包括：与建筑结构或桥梁结构构件相连的阻尼器锚固装置1、阻尼器隔舱板2、多级配阻尼颗粒群3、定向滑轮支撑4、滑动槽5和阻尼器腔体6，其特征在于，阻尼器腔体6为长方体或圆柱体，竖直方向含有两个以上的阻尼器隔舱板2，阻尼器腔体6底面连接有多个定向滑轮支撑4，定向滑轮支撑4可在阻尼器锚固装置1内的滑动槽5中滑动或滚动。每个阻尼器隔舱板2上均匀单层放置有多级配阻尼器颗粒群3，多级配阻尼器颗粒群3由主体颗粒和细颗粒组成。在风或/和地震作用下，定向滑轮支撑4可以在滑动槽5上滑动或滚动以增加阻尼颗粒碰撞激烈程度调谐结构频率并耗散主体结构动能；在风或/和地震作用下，多级配阻尼颗粒群3可以在阻尼器隔舱板2上多维振动摩擦碰撞并发生塑性变形耗能。

所述的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其特征在于：所述的多级配阻尼颗粒群3的级配颗粒包含主体颗粒和细颗粒，其中主体颗粒粒径为10mm～100mm，材料为混凝土珠、钢珠、玻璃球、陶粒砂，细颗粒粒径为主体颗粒粒径的1/200～1/10，材料为铁粉、铅粉、铜粉、铝粉、锌粉。

所述的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其特征在于：细颗粒的体积约为主体颗粒体积的1/50～1/5，主体颗粒的体积约为阻尼器腔体的1/50～1/5，各阻尼器隔舱板2上分别放置有不同种主体颗粒和细颗粒的组合。各阻尼器隔舱板2上的多级配阻尼颗粒群3水平面占用面积应为阻尼器隔舱板2水平截面面积的50％～80％。

所述的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其特征在于：定向滑轮支撑4的滑动方向可以通过调整阻尼器锚固装置1与主体结构锚固方位得以改变，用以抵抗不同方向作用的风或/和地震荷载。

所述的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其特征在于：阻尼器锚固装置1选用高强度(抗拉强度大于470MPa)的工字型型钢，工字型型钢上翼缘与滑动槽5焊接，工字型型钢下翼缘通过高强螺栓与主体结构连接，滑动槽5可以依据控制作用需求使用润滑剂或干燥剂进行处理。

本发明通过在建筑结构主体结构设备层、附属结构或桥梁结构箱梁内、索塔位置安装通过定向滑轮支撑与主体结构相连接具有耗能、调谐作用的多级配颗粒阻尼器，使之形成具有一定质量、一定自振频率的附属结构，以改善原结构的动力特性，实现在风或/和地震作用下能够调谐结构自振特性、转移和耗散受制结构本应承受的部分能量，此外，多级配阻尼颗粒主体颗粒之间及主体颗粒与阻尼器腔体之间发生多维充分摩擦和碰撞，细颗粒伴随主体颗粒的滚动或滑动以及碰撞发生塑性变形耗散主体结构能量，从而降低原有结构的破坏或振动程度。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明将阻尼器安放于定向滑轮支撑上，既可以通过阻尼器腔体动能与势能的转化调谐结构频率，又提高在风荷载或多遇地震荷载作用下阻尼颗粒群起振的可能性，提高了多级配颗粒群的振动剧烈程度，改善了阻尼颗粒群沿多方向滚动、摩擦和碰撞的效果，进而提高了阻尼器对多维风荷载或地震动的控制能力。

2)本发明将传统阻尼颗粒群拓展为多级配的阻尼颗粒，既可以利用主体颗粒间及主体颗粒和隔板之间的振动、摩擦和碰撞进行耗能，同时通过细颗粒在主体颗粒运动过程中产生的塑性变形进一步耗散能量，显著提高阻尼器的减振耗能能力。

3)本发明采用分散灵活的阻尼颗粒群布置方式，通过在不同的阻尼器隔舱板上添加不同类型的主体颗粒和细颗粒以获得不同起振条件的阻尼颗粒群组合，从而多层次多阶段地实现对结构的质量调谐和减振控制。

附图说明

图1为本发明的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器正立面示意图；

图2为本发明的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器锚固装置及定向滑轮支撑系统的平面示意图；

图3为本发明的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器锚固装置侧立面示意图；

图4为本发明的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器滑动槽横截面示意图；

图中：1——阻尼器锚固装置，2——阻尼器隔舱板，3——多级配阻尼颗粒群，4——定向滑动支撑，5——滑动槽，6——阻尼器腔体。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

如图1至图4所示，为本发明的一种滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其主要包括阻尼器锚固装置1、阻尼器隔舱板2、多级配阻尼颗粒群3、定向滑动支撑4、滑动槽5和阻尼器腔体6。

阻尼器锚固装置1为工字型型钢，通过高强螺栓连接在结构构件预留的锚板上或直接将高强螺栓埋入混凝土中再与阻尼器锚固装置连接，阻尼器锚固装置1一般根据滑动槽5布置方向应为结构一阶阵型主方向布置调整。阻尼器隔舱板2为5mm平滑钢板，其通过焊接连接于阻尼器腔体6上，通过定向滑动支撑4与阻尼器锚固装置1连接。单向滑动支撑4与阻尼器腔体6焊接在一起。滑动槽5采用润滑剂处理。多级配阻尼颗粒群3单层均匀安放于阻尼器隔舱板2上，多级配阻尼颗粒群3中主体颗粒的体积为阻尼器腔体6的1/50，细颗粒的体积为主体颗粒体积的1/50。主体颗粒材料为平均直径10mm的钢球，细颗粒材料为平均直径0.1mm的铁粉。

如最上部第一层阻尼器隔舱板2上放置混凝土珠和铁粉，第二层阻尼器隔舱板2上放置有钢珠和铅粉，第三层阻尼器隔舱板2放置玻璃球和铁粉。

阻尼器隔舱板2位置可以由阻尼器隔舱板2与阻尼器腔体6形成的分隔舱腔体尺寸由滑动槽5的布置方向的结构模态频率由下式确定：

$f_p=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\πg}}{h}\tanh \left(\frac{\mathrm{\πh}}{L}\right)}=f_s$

其中

f_p——颗粒自振频率

f_s——对应滑动槽布置方向的结构模态频率

g——重力加速度

L——沿激励方向容器尺寸

h——单层颗粒体的重心高度

实施例2：

如图1至图4所示，为本发明的一种滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其主要包括阻尼器锚固装置1、阻尼器隔舱板2、多级配阻尼颗粒群3、定向滑动支撑4、滑动槽5和阻尼器腔体6。

阻尼器锚固装置1是工字型型钢，通过焊接与结构预留钢板连接，阻尼器锚固装置1一般根据滑动槽布置方向应为结构一阶阵型主方向布置调整。阻尼器隔舱板2采用3mm内表面粘接细砂或粘接砂纸处理。阻尼器隔舱板采用螺栓与阻尼器腔体6连接构成隔舱。阻尼器腔体6通过定向滑动支撑4与阻尼器锚固装置1连接。滑动槽5采用干燥剂处理。多级配阻尼颗粒群3单层均匀安放于阻尼器隔舱板2内，顶层阻尼器隔舱2上安放的多级配阻尼颗粒群3中主体颗粒为直径50mm混凝土珠，主体颗粒外表面使用直径为0.5mm的铝粉细颗粒包裹。第二层、第三层隔舱板上设置的多级配阻尼器颗粒群3中主体颗粒材料为直径20mm的钢球，细颗粒为0.2mm的铁粉。各层阻尼器隔舱板2上的主体颗粒体积为隔舱腔体体积的1/5，细颗粒体积为主体颗粒体积的1/5。

阻尼器隔舱板2位置可以由阻尼器隔舱板2与阻尼器腔体6形成的分隔舱腔体尺寸由滑动槽5的布置方向的结构模态频率由下式确定：

$f_p=2\mathrm{\π}\frac{{\left(\mathrm{gh}\right)}^{1/2}}{L}[1-\frac{1}{6}{\mathrm{\π}}^2{\left(\frac{h}{L}\right)}^2]=f_s$

其中

f_p——颗粒自振频率

f_s——对应滑动槽布置方向的结构模态频率

g——重力加速度

L——沿激励方向容器尺寸

h——单层颗粒体的重心高度

以上为本发明的两个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (5)

1.一种滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，包括：与建筑结构或桥梁结构构件相连的阻尼器锚固装置（1）、阻尼器隔舱板（2）、多级配阻尼颗粒群（3）、定向滑轮支撑（4）、滑动槽（5）和阻尼器腔体（6），其特征在于：阻尼器腔体（6）为长方体或圆柱体，竖直方向含有两个以上的阻尼器隔舱板（2），阻尼器腔体（6）底面连接有多个定向滑轮支撑（4），定向滑轮支撑（4）可在阻尼器锚固装置（1）内的滑动槽（5）中滑动或滚动；每个阻尼器隔舱板（2）上均匀单层放置有多级配阻尼器颗粒群（3），多级配阻尼器颗粒群（3）由主体颗粒和细颗粒组成；在风或/和地震作用下，定向滑轮支撑（4）可以在滑动槽（5）上滑动或滚动以增加阻尼颗粒碰撞激烈程度、调谐结构频率并耗散主体结构动能；在风或/和地震作用下，多级配阻尼颗粒群（3）可以在阻尼器隔舱板（2）上多维振动摩擦碰撞并发生塑性变形耗能。 

2.根据权利要求1所述的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其特征在于：所述的多级配阻尼颗粒群（3）的级配颗粒包含主体颗粒和细颗粒，其中主体颗粒粒径为10mm～100mm，材料为混凝土珠、钢珠、玻璃球、陶粒砂，细颗粒粒径为主体颗粒粒径的1/200～1/10，材料为铁粉、铅粉、铜粉、铝粉、锌粉。 

3.根据权利要求1或2所述的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其特征在于：细颗粒的体积约为主体颗粒体积的1/50～1/5，主体颗粒的体积约为阻尼器腔体（6）体积的1/50～1/5，各阻尼器隔舱板（2）上分别放置有不同种主体颗粒和细颗粒的组合，各阻尼器隔舱板（2）上的多级配阻尼颗粒群（3） 水平面占用面积应为阻尼器隔舱板（2）水平截面面积的50%～80%。 

4.根据权利要求1所述的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其特征在于：定向滑轮支撑（4）的滑动方向可以通过调整阻尼器锚固装置（1）与主体结构锚固方位得以改变，用以抵抗不同方向作用的风或/和地震荷载。 

5.根据权利要求1所述的滑动隔舱式多级配耗能-调谐颗粒阻尼器，其特征在于：阻尼器锚固装置（1）选用抗拉强度大于470MPa的高强度工字型型钢，工字型型钢上翼缘与滑动槽（5）焊接，工字型型钢下翼缘通过高强螺栓与主体结构连接，滑动槽（5）使用润滑剂或干燥剂进行处理。 

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