CN103114658A - 球型舱调谐型颗粒阻尼器 - Google Patents

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王瑾
许维炳
张新发
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Abstract

本发明提出了一种通过连接杆件与主体结构相连，可沿结构振动方向振动或摆动，具有多向质量调谐及摩擦碰撞耗能功能的颗粒阻尼器。其包括：阻尼器球型舱、阻尼颗粒群、竖向连接杆件和水平连接杆件，其特征在于，所述的阻尼颗粒群单层均匀地安放于阻尼器球型舱内、竖向连接杆件的两端均分别与水平连接杆件和结构构件相连、阻尼器球型舱通过焊接、螺栓连接或钢丝绳拉结与水平连接杆件相连。在风或/和地震作用下，阻尼器可分别沿结构振动方向振动或摆动，调谐结构频率，同时阻尼颗粒群可沿阻尼器球型舱壁在平衡位置附近振荡调谐结构的竖向地震响应，并通过阻尼颗粒间、阻尼颗粒与阻尼器腔体间的摩擦、碰撞以消耗主体结构的动能，保护主体结构的安全。

Description

球型舱调谐型颗粒阻尼器
技术领域
本发明涉及一种通过连接杆件与主体结构相连，可沿结构振动方向振动或摆动，具有多向质量调谐及摩擦碰撞耗能功能的颗粒阻尼器，属于结构工程抗震与减震及抗风技术领域。
背景技术
近年来迅速发展的调谐质量阻尼器（TMD）或调谐液体阻尼器（TLD）减振控制技术以其对原结构改动小、施工简单、减震效果显著等特点而受到广泛重视。调谐系统是在结构振动较大位置设置惯性质量或在附属结构内部添加流动的液体，并通过弹簧系统和附加阻尼系统对结构的动位移或动加速度进行控制的减震控制系统。调谐质量阻尼器或调谐液体阻尼器的基本原理是利用子系统吸收、耗散主体结构的振动能量而使主体结构振动反应得到降低。
属于被动控制装置的调谐质量减振系统目前存在以下不足：首先，调谐质量系统需设置昂贵的阻尼器，不利于广泛利用。其次，调谐质量系统一般会造成结构局部部位内力显著增大从而需对结构或构件进行加固设计，进而增加了施工难度和施工费用。另外，调谐质量系统调谐频带窄，对主体结构往往仅提供一个局部的附加阻尼，对于结构远离调谐系统的区域振动控制效果不佳。因此开发构造形式简单、价格低廉、提供分布阻尼的调谐质量颗粒阻尼器具有重大的工程意义。
发明内容
为了解决传统调谐质量阻尼器调谐频带窄，设置耗能阻尼器价格昂贵，安装位置不灵活，仅提供给结构局部的附加阻尼，并可能造成结构的局部应力过大的问题，本发明提出了一种通过连接杆件与主体结构相连，可沿结构振动方向振动或摆动，具有多向质量调谐及摩擦碰撞耗能功能的颗粒阻尼器。本阻尼器构造简单，占用空间小，布置位置灵活，为结构提供分布阻尼。在风或/和地震作用下，阻尼器可以通过连接件可分别沿主体结构两振动方向振动，当外部激励较小时，阻尼颗粒不与球型舱发生相对运动，通过附加质量调谐结构振动方向的振动；当外部激励较大时，阻尼颗粒不仅通过附加质量调谐结构振动，同时可沿阻尼器球型舱壁在平衡位置附近振荡调谐结构竖向振动，并通过阻尼颗粒间、阻尼颗粒与阻尼器腔体间的摩擦碰撞耗散能量。降低了由于设置昂贵阻尼器造成的不经济及主体结构的损伤，显著减小了结构振动保证结构安全。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明的一种球型舱调谐型颗粒阻尼器，包括：阻尼器球型舱1、阻尼颗粒群2、竖向连接杆件3和水平连接杆件4，其特征在于，所述的阻尼颗粒群2单层均匀地安放于阻尼器球型舱1内、竖向连接杆件3的两端分别与水平连接杆件4通过焊接或螺栓连接、阻尼器球型舱1与水平连接杆件4通过焊接、螺栓连接或钢丝绳相连。
所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，阻尼颗粒群2可随阻尼器球型舱1通过水平连接杆件4与竖向连接杆件3悬吊或支撑在建筑结构隔墙、梁式楼梯板下、楼面设备层、梁柱节点或桥梁结构箱梁、空心墩、索塔位置，沿结构振动方向振动或摆动。
所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，阻尼颗粒群2随阻尼器球型舱1振动或摆动调谐结构频率，并沿阻尼器球型舱1壁在平衡位置附近振荡，通过阻尼颗粒间、阻尼颗粒与阻尼器腔体间的摩擦、碰撞耗散结构振动能量。
所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，所述的阻尼颗粒群2中的阻尼颗粒为球形颗粒，包括直径为10mm～100mm的钢球、玻璃球、混凝土球、铅球、陶粒砂。
所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，阻尼器球型舱1为圆球型或椭球型，椭球型舱短轴半径或圆球型舱半径为阻尼颗粒群2半径的5~20倍，椭球型舱长轴半径为短轴半径的1.1~3倍，阻尼器球型舱1的壁厚为阻尼颗粒群2半径的1/10～1/3，阻尼器球型舱1个数1~3个，各个阻尼器球型舱1沿阻尼器高度方向通过竖向连接杆件3与水平连接杆件4均匀布置，上部球型舱底距下部球型舱顶面距离为50mm~500mm。
所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，阻尼颗粒群2单层均匀布置于阻尼器球型舱1内，各阻尼器球型舱1内的阻尼颗粒群2不应出现堆叠。
所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，竖向连接杆件3横截面为圆形、矩形或工字型的型钢，通过焊接或螺栓与相同截面和材料的水平连接杆件4连接，竖向连接杆件3的水平抗侧刚度为1×100kN/m~1×104kN/m。
所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，所述的竖向连接杆件3通过焊接、铰接或螺栓连接与结构预埋件相连。
本发明采用竖向连接杆件将建筑结构或桥梁结构内设置的预埋件与水平连接杆件固定连接，并将阻尼器球型舱与水平连接杆件进行焊接、螺栓连接或钢丝绳拉接，使之成为具有一定质量、一定自振频率的子结构。在风或/和地震作用下，阻尼器可随竖向连接杆件沿结构振动方向振动或摆动调谐结构振动，阻尼颗粒群可沿阻尼器球型舱壁在平衡位置附近振荡，通过阻尼颗粒间、阻尼颗粒与阻尼器腔体间的摩擦、碰撞耗散能量，并以灵活分散的布置方式为结构提供分布附加阻尼抑制结构振动保证结构安全。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1）本发明可分别沿主体结构两个振动方向振动或摆动，当外部激励较小时，阻尼颗粒群不与阻尼器球型舱发生相对运动，可通过附加质量调谐结构振动；当外部激励较大时，阻尼颗粒群不仅通过附加质量调谐结构振动，同时可沿阻尼器球型舱壁在平衡位置附近振荡降低结构的竖向地震响应，并通过阻尼颗粒群间、阻尼颗粒群与阻尼器腔体间的摩擦、碰撞耗散结构能量。
2）本发明将传统颗粒阻尼器的矩型舱拓展为球型舱，同时采用更分散灵活的多球型舱系统，不仅具备传统颗粒阻尼器便于安装，可分散布置，价格低廉等特点，同时确保振动停止时阻尼颗粒群及阻尼器球型舱可恢复初始平衡状态。
3）本发明采用竖向连接杆件和水平连接杆件实现与主体结构与阻尼器球型舱的连接，可通过合理设计竖向连接杆件沿两个方向的刚度，从而实现阻尼器对主体结构的最优调谐作用。通过调节球型舱与水平连接杆件的连接方式可以调整阻尼器质量调谐效果与摩擦、碰撞耗能效果的作用比例，满足不同受控结构的振动控制需要。
附图说明
图1为本发明的一种球型舱调谐型颗粒阻尼器立面示意图；
图2为本发明的一种球型舱调谐型颗粒阻尼器平面示意图；
图3为本发明的一种球型舱调谐型颗粒阻尼器立面示意图；
图4为本发明的一种球型舱调谐型颗粒阻尼器平面示意图；
图中：1——阻尼器球型舱，2——阻尼颗粒群，3——竖向连接杆件，4——水平连接杆件
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和图2所示，为本发明的一种球型舱调谐型颗粒阻尼器实施例，其主要包括单个阻尼器球型舱1、单层均匀安放于球型舱内的阻尼颗粒群2、竖向连接杆件3、水平连接杆件4以及预埋入结构构件内的预埋件。
阻尼器球型舱1为椭球型，由3mm~5mm厚的钢板通过磨具压制而成，球型舱长轴半径为100mm，短轴半径为50mm，阻尼器球型舱1通过焊接与水平向连接杆件4连接，并通过竖向连接杆件3与结构构件内的预埋件焊接在一起，阻尼器支撑于建筑结构设备层或桥梁结构的箱梁底板位置。阻尼颗粒群2为粒径10mm摩擦系数较小的钢珠，颗粒附加质量由结构基频和竖向连接杆件3的侧向刚度依据相关理论求得，阻尼颗粒群2球心连线占用球型舱的圆心角在-15°~+15°之间。竖向连接杆件为工字型型钢，侧向刚度为2×101kN/m。
实施例2：
如图3所示，为本发明的一种球型舱调谐型颗粒阻尼器实施例，其主要包括多个阻尼器球型舱1、以单层均匀安放于球型舱内的阻尼颗粒群2、竖向连接杆件3、水平连接杆件4以及预埋入结构构件内的预埋件。
阻尼器由两个单独3mm~10mm厚的钢板通过磨具预压而成阻尼器球型舱1通过钢丝绳与水平连接杆件拉接，并通过竖向连接杆件3与结构构件内的预埋件焊接在一起，阻尼器悬吊于建筑结构梁柱节点位置或桥梁的顶板位置，球型舱半径均为200mm。阻尼颗粒群2单层均匀布置于两个球型舱内，上、下球型舱沿阻尼器高度方向均匀布置，上部球型舱底距下部球型舱顶面距离为100mm，阻尼颗粒群2的球心连线占用球型舱的圆心角分别为-15°~+15°和-10°~+10°之间，阻尼颗粒群的平均粒径为球型舱半径的1/10。阻尼颗粒材料选用摩擦系数较小的钢珠以便于起振。竖向连接杆件为工字型型钢，侧向刚度为1×103kN/m。
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 (8)

1.一种球型舱调谐型颗粒阻尼器，其包括：阻尼器球型舱（1）、阻尼颗粒群（2）、竖向连接杆件（3）和水平连接杆件（4），其特征在于，所述的阻尼颗粒群（2）单层均匀地安放于阻尼器球型舱（1）内、竖向连接杆件（3）的两端分别与水平连接杆件（4）通过焊接或螺栓连接、阻尼器球型舱（1）与水平连接杆件（4）通过焊接、螺栓连接或钢丝绳相连。
2.根据权利要求1所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，其特征在于：阻尼颗粒群（2）可随阻尼器球型舱（1）通过水平连接杆件（4）与竖向连接杆件（3）悬吊或支撑在建筑结构隔墙、梁式楼梯板下、楼面设备层、梁柱节点或桥梁结构箱梁、空心墩、索塔位置，沿结构振动方向振动或摆动。
3.根据权利要求1所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，其特征在于：阻尼颗粒群（2）随阻尼器球型舱（1）振动或摆动调谐结构频率，并沿阻尼器球型舱（1）壁在平衡位置附近振荡，通过阻尼颗粒间、阻尼颗粒与阻尼器腔体间的摩擦、碰撞耗散结构振动能量。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，其特征在于：所述的阻尼颗粒群（2）中的阻尼颗粒为球形颗粒，包括直径为10mm~100mm的钢球、玻璃球、混凝土球、铅球、陶粒砂。
5.根据权利要求1或权利要求3或权利要求4所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，其特征在于：阻尼器球型舱（1）为圆球型或椭球型，椭球型舱短轴半径或圆球型舱半径为阻尼颗粒群（2）半径的5~20倍，椭球型舱长轴半径为短轴半径的1.1~3倍，阻尼器球型舱（1）的壁厚为阻尼颗粒群（2）半径的1/10~1/3，阻尼器球型舱（1）个数1~3个，各个阻尼器球型舱（1）沿阻尼器高度方向通过竖向连接杆件（3）与水平连接杆件（4）均匀布置，上部球型舱底距下部球型舱顶面距离为50mm~500mm。
6.根据权利要求1或权利要求3或权利要求4或权利要求5所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，其特征在于：阻尼颗粒群（2）单层均匀布置于阻尼器球型舱（1）内，各阻尼器球型舱（1）内的阻尼颗粒群（2）不应出现堆叠。
7.根据权利要求1所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，其特征在于：竖向连接杆件（3）横截面为圆形、矩形或工字型的型钢，通过焊接或螺栓与相同截面和材料的水平连接杆件（4）连接，竖向连接杆件（3）的水平抗侧刚度为1×100kN/m~1×104kN/m。
8.根据权利要求1或权利要求7所述的球型舱调谐型颗粒阻尼器，其特征在于：所述的竖向连接杆件（3）通过焊接、铰接或螺栓连接与结构预埋件相连。
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