CN102995787B - 滚动质量调谐阻尼器 - Google Patents

Abstract

滚动质量调谐阻尼器属于土木工程结构消能减振技术领域，是一种利用高层建筑顶部质量调谐阻尼器来控制建筑物振动，减小风荷载和地震荷载下结构响应的阻尼耗能装置。齿轮与大质量圆盘固定，带齿条圆弧支座固定安装于建筑结构上，齿轮与带齿条圆弧支座的齿条啮合；在带齿条圆弧支座的下部安装耗散阻尼液箱或摩擦片；大质量圆盘的半径位于带齿条圆弧支座最低点时，部分伸入耗散阻尼液箱内耗散能量，或通过与摩擦片摩擦耗散能量。本发明在不显著增加重力荷载的情况下，能显著增加质量调谐阻尼器的等效质量，从而极大的减小结构在水平荷载下的动力响应；其减振效果稳定、构造简单、安全可靠、耐久性好、可设计性强，能够有效提高高层建筑物的舒适度。

Description

滚动质量调谐阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程结构消能减振技术领域，具体涉及一种控制建筑物振动、减小风荷载和地震荷载下结构响应的滚动质量调谐阻尼器。

背景技术

近年来质量调谐阻尼器作为一种消能减振装置得到了越来越广泛的应用，其良好的减振效果也得到了大量的工程验证。但是普通的质量调谐阻尼器为了取得较好的减震效果，质量比设定较大，这会显著增加结构重量，正常情况希望达到原结构质量的3％～5％，这些附加质量将显著增加结构的重力荷载。

现有的质量调谐阻尼器系统常见的有悬挂式和滑轨式两种。悬挂式质量调谐阻尼系统通过在结构顶端设置桁架等结构形式，用悬索将大质量块悬挂起来，并安装阻尼器系统以便耗散能量。由于质量块按单摆运动，其自振频率与悬索长度相关，如要求系统具有较长的自振周期，则要求悬索长度非常大。这一方法对于空间利用率低下，构造复杂，工程造价高，安装不便。另一方面如果悬挂结构一旦失效，跌落的大质量块将对结构产生破坏，造成安全隐患。滑轨式质量调谐阻尼器通过设置滑动轨道和弹簧系统，使质量块在滑动轨道上按照设定的频率运动，并安装阻尼器以耗散能力。该技术对滑动轨道的摩擦系数要求非常严格，如果滑动轨道的摩擦系数太大，将出现质量块无法滑动的情况。

滚动质量调谐阻尼器系统在带纸条圆弧支座上安装大质量圆盘，充分利用大质量圆盘的转动惯量，使其提供高出自身重量数倍的等效质量，这样就能减轻结构所承受的竖向荷载。通过简单的安装方式，允许大质量圆盘在支座上、附加适当的阻尼，并辅以相应的耗能构造措施(例如在下部安装阻尼液箱)，可作为质量调谐阻尼器对高层建筑进行有效的振动控制，并且满足供目前大多数质量调谐体系在地震中无法满足的大位移条件。这种方法一方面减轻了附加质量对结构的不利影响，提高高层建筑的抗震性能。该方法具有构造简单、耐久性强的特点。质量调谐阻尼器系统的减振效果依赖于其稳定的自振频率，而滚动质量调谐阻尼系统的基频可调，通过改变大质量圆盘上配重的位置(示意图中留有安装质量块的螺栓孔位置)，或者改变支座面圆弧半径与齿轮半径，即可轻易调整该体系的频率。

目前，质量调谐减震技术在日本、美国等发达国家以及中国等发展中国家均已经得到较多应用，本发明提出技术具有高效，可靠，适应性强的特点，具有广阔的市场应用前景。

发明内容

本发明是为提供一种结构简单、安全可靠、耐久性强、基频可调、具有稳定的消能减振效果的滚动质量调谐阻尼器，能够较好地解决现有质量调谐阻尼系统的缺陷以及存在的问题。

本发明采用的技术方案为：

齿轮与大质量圆盘固定，带齿条圆弧支座固定安装于建筑结构上，齿轮与带齿条圆弧支座的齿条啮合，能使齿轮在其上发生无摩擦滚动；大质量圆盘沿半径设置多圈安装孔，用以安装配重；在带齿条圆弧支座的下部安装耗散阻尼液箱或摩擦片；齿轮位于带齿条圆弧支座最低点时，大质量圆盘部分伸入耗散阻尼液箱内耗散能量，或通过与摩擦片摩擦耗散能量。

所述大质量圆盘上的配重以中心对称的方式安装，以免圆盘转动时产生较大偏心力；且配重的位置可调。

所述带齿条圆弧支座的两端安装挡块，避免大质量圆盘脱落。

所述大质量圆盘的数量为偶数个，分别安装在齿轮的两侧。

所述齿轮的数量为偶数个，分别安装在大质量圆盘的两侧。

所述阻尼液箱的宽度可调，方便并排安装的多个大质量圆盘同时穿过。

本发明具有如下优点：

(1)滚动质量调谐阻尼器实现了系统固有频率可调，且具有稳定的减振效果。本发明通过大质量圆盘在带齿条圆弧支座上滚动提供稳定的调谐质量，通过质量块分布调整调谐系统的调谐频率。此特殊机制可保证本发明在全寿命周期中稳定的减振性能，克服了普通质量调谐阻尼器频率无法克服的难题。

(2)滚动质量调谐阻尼器不会产生巨大的竖向荷载。其主要是利用了圆盘的转动惯量，使其能提供较大的等效质量，而实际竖向新增荷载远远小于一般的质量调谐阻尼器，这对于建筑物的安全性非常有利。

(3)滚动质量调谐阻尼器的允许行程远远大于一般的质量调谐阻尼器。普通的质量调谐阻尼器在地震作用时往往锁死，因为其整个系统无法满足地震时质量震动需要的位移。而滚动质量调谐阻尼器可以增加带齿条圆弧支座的长度，满足非常大的工作行程。

(4)可设计性强。滚动质量调谐阻尼器带齿条圆弧支座表面半径、大圆盘的质量分布以及齿轮的半径都可根据不同结构特性进行有针对的设计。而且与普通质量调谐阻尼器不同，滚动调谐质量阻尼器在安装后还可以根据工程实测方便地调整阻尼器自振频率，保证阻尼系统减振耗能效果的最大化。

综上所述，滚动调谐质量阻尼器在兼顾目前已有质量调谐阻尼器技术优点的同时，有效规避了主要缺点，具有减振效果稳定、构造简单、安全可靠、耐久性和可设计性强等优点，能够有效提高结构的抗风和抗震性能，具有广阔的市场推广和应用前景。

附图说明

图1为本发明的力学计算简图。

图2为本发明实施例的结构示意图。

图3为带齿条圆弧支座的结构示意图。

图4为大质量圆盘的结构示意图。

图中标号：

1-大质量圆盘；2-带齿条圆弧支座；3-齿轮。

具体实施方式

本发明提供了一种滚动质量调谐阻尼器，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图2、图3和图4所示，两个齿轮3与在大质量圆盘1两侧分别与其固定，两个带齿条圆弧支座2并列固定安装于建筑结构上，中间留有容大质量圆盘1通过的间隙；齿轮3与带齿条圆弧支座2的齿条啮合；大质量圆盘1沿半径设置多圈安装孔，用以安装配重，质量块可以固定在圆盘上据圆心不同距离的地方，以便安装完毕以后调整系统的自振频率；在带齿条圆弧支座2的下部安装耗散阻尼液箱；齿轮3位于带齿条圆弧支座2最低点时，大质量圆盘1部分伸入耗散阻尼液箱内耗散能量。

带齿条圆弧支座2的长度根据需要调整，另外可在两端设置挡块，防止齿轮3滚出。

该滚动质量调谐阻尼器的力学计算简图如图1所示，等效质量与等效刚度公式推导如下：

R表示带齿条圆弧支座的弧形支座半径，r表示齿轮的半径，其中大质量圆盘的回旋半径用r₁表示(图中未标出)，m表示大质量圆盘的总质量。以下推导该系统的自振频率，等效质量与等效刚度。式(1)表示该系统动能，式(2)表示该系统势能，式(3)表示拉格朗日运动方程。

$T=\frac{m{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2}{2}[{(R-r)}^2+{r_1}^2{(R-r)}^2/r^2]---\left(1\right)$

V＝mg(R-r)(cosθ-1)       (2)

$\frac{d}{\mathrm{dx}}\left(\frac{\∂T}{\∂\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}\right)+\frac{\∂V}{\∂\mathrm{\θ}}=0---\left(3\right)$

联立方程(1)、(2)、(3)解得该系统的运动平衡方程(4)。

$m(R-r)\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+{{\mathrm{mr}}_1}^2\frac{R-r}{r^2}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\θ}=0---\left(4\right)$

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{g}{({r_1}^2/r^2+1)(R-r)}}---\left(5\right)$

由式(5)可以看出滚动式TMD自振周期与总质量无关，由R,r,r₁控制。单摆系统的自振周期同样与质量无关，若将其等效为为单摆系统，则等效摆长如式(6)。

l＝(r₁ ²/r²+1)(R-r)        (6)

当需要相当长度的摆长时，只需使r₁远大于r，故滚动式TMD可以节省较大的安装空间。

另一方面，若认为滚动式TMD的运动是在小角度范围内的平动，将其等效为质量弹簧系统，则等效质量与等效刚度分别如式(7)、式(8)所示。

$m_{\mathrm{eq}}=m(1+\frac{{r_1}^2}{r^2})---\left(7\right)$

k_eq＝mg/(R-r)        (8)

该质量调谐阻尼器的等效质量主要来源于大质量圆盘的转动惯量，通过齿轮的约束使其发生转动。结构遭遇地震或者风振时，大质量圆盘发生转动，其产生的扭矩通过齿轮作用于支座，支座再将反力传递到结构上，以此达到减震的目的。

Claims (5)

1.滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，齿轮与大质量圆盘同轴固定，带齿条圆弧支座固定安装于建筑结构上，齿轮与带齿条圆弧支座的齿条啮合；大质量圆盘沿半径设置多圈安装孔，用以安装配重；在带齿条圆弧支座的下部安装耗散阻尼液箱或摩擦片；齿轮位于带齿条圆弧支座最低点时，大质量圆盘部分伸入耗散阻尼液箱内耗散能量，或通过与摩擦片摩擦耗散能量。

2.根据权利要求1所述的滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，所述大质量圆盘上的配重以中心对称的方式安装，以免圆盘转动时产生较大偏心力；且配重的位置可调。

3.根据权利要求1所述的滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，所述带齿条圆弧支座的两端安装挡块，避免大质量圆盘脱落。

4.根据权利要求1所述的滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，所述大质量圆盘的数量为偶数个，分别安装在齿轮的两侧。

5.根据权利要求1所述的滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，所述齿轮的数量为偶数个，分别安装在大质量圆盘的两侧。