CN103243831B - 复合式全向调谐减震阻尼摆 - Google Patents

复合式全向调谐减震阻尼摆 Download PDF

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Abstract

复合式全向调谐减震阻尼摆，属于结构工程的抗震减震技术领域，包括：隔震弹簧上部钢板、隔震弹簧、隔震弹簧下部钢板、刚性吊杆、阻尼摆箱体、质量块、阻尼颗粒、竖向钢隔板、阻尼孔、阻尼孔板、横向钢隔板、万向铰、调谐液体。阻尼摆箱体内部的所有构件和质量块作为水平向调谐质量进行减震耗能；竖向隔振弹簧之下的所有构件作为竖向、摇摆和扭转向调谐质量进行减震耗能，从而最终实现阻尼摆在所有方向内的减震耗能功能。阻尼摆具有多维减震、制作简单、布置方便灵活等特点。

Description

复合式全向调谐减震阻尼摆
技术领域
本发明涉及一种具有在结构所有方向(水平各向、竖向、扭转及摇摆各向)均能进行调谐耗能减震的阻尼摆，属于结构工程的抗震减震技术领域。
背景技术
地震时的地面运动是复杂的多维运动，各点的周期和相位均不相同，导致地面各质点的运动不仅有平动分量，也有转动分量(一个绕竖直轴旋转的扭转分量和两个绕水平轴旋转的摇摆分量)，地震动的多维特性决定了地震下建筑结构的动力特性也是多维的，既包括水平两向和竖向的变形，也包括扭转和摇摆变形。目前我国高层建筑平、立面日趋复杂，偏心结构大量涌现，地震过程中作用在结构质心上的惯性力会对刚心产生扭转力矩，使结构产生不可忽略的平动与扭转耦合的空间振动。
地震给人们的生命财产造成了严重的损失。为了减轻地震灾害，传统的结构抗震设计方法是依靠结构本身的强度、刚度和延性来抗御地震作用。但当地震强度达到某种程度以后，上述方法既不经济，又达不到预期的效果。世界各国的结构工程师都在努力寻求经济、有效、可靠的方法来减小这种损失。结构振动控制方法的出现，为解决传统的抗震结构体系中存在的问题提供了一条有效途径。然而，目前的减震控制研究大都是将结构简化成平面模型进行考虑，结构在地震作用下的反应是多维的，特别是对于非对称结构，不考虑多维耦和减震控制将导致减震效果大大降低，不能满足实际工程的需要。此外，对于诸如电视塔等高耸结构，其安装普通阻尼器的空间及位置均十分有限，甚至会影响结构初始刚度。因此，开展针对高耸结构等类型的土木工程水平和扭转耦联振动控制研究具有重要意义。
传统上的TMD(TunedMassDamper.调谐质量阻尼器)、TLD(TunedLiquidDamper.调谐液体阻尼器)存在一些不足。最明显的是，一般的调谐系统只针对结构在某一个方向的振动进行独立的减振设计，多维振动控制尤其是竖向和扭转振动控制效果不佳。此外，传统的TMD、TLD造价较昂贵，安装受限，不利于广泛应用。
复合式全向调谐减震阻尼摆很好的解决了这些问题，它主要由万向铰、隔震弹簧、阻尼摆箱体、刚性吊杆和质量块组成，每个阻尼摆箱体都是简易的的TMD、TLD的组合。通过在高耸结构顶层或其他楼层安装复合式全向调谐减震阻尼摆，对结构的某些振型加以控制，是一种新型的结构被动控制方法，其减震方法其原理与TMD、TLD相似，但它比TMD、TLD具有更为简单、经济、易于实施等优点。因此开发成本低廉、反应灵敏、具有多维调谐减振效果的阻尼系统具有重大的工程意义。
发明内容
本发明涉及一种具有在结构所有方向(水平各向、竖向、扭转及摇摆各向)均能进行调谐耗能减震的阻尼摆，属于结构工程的抗震减震技术领域。
本发明提出了一种复合式全向调谐减震阻尼摆，本阻尼摆具有多维减震、制作简单、布置灵活、成本低廉等特点。在地震作用下，阻尼器内部的液体和颗粒阻尼能够在平动、转动和摆动是发生碰撞，耗散能量，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。
所述的复合式全向调谐减震阻尼摆，主要包括：隔震弹簧上部钢板1、隔震弹簧2、隔震弹簧下部钢板3、刚性吊杆4、阻尼摆箱体5、质量块6、阻尼颗粒7、竖向钢隔板8、阻尼孔9、阻尼孔板10、横向钢隔板11、万向铰12、调谐液体13。其特征在于:隔震弹簧上部钢板1与隔震弹簧下部钢板3通过隔震弹簧2连接，与隔震弹簧下部钢板3通过万向铰12连接阻尼器；所述的阻尼器是由两个阻尼摆箱体5和一个质量块6由刚性吊杆4串联，且质量块6位于最底端；所述的阻尼摆箱体5内部由横向隔板11分割成上下两层，阻尼摆箱体5的上层由竖向钢隔板8分割且填充阻尼颗粒7，阻尼颗粒7在阻尼摆箱体5内，通过阻尼颗粒7自身以及与阻尼摆箱体5和竖向钢隔板8的相互碰撞，实现水平方向和部分竖向的减震耗能；阻尼摆箱体5的下层填充调谐液体13，在下层布置四个阻尼孔板10，且阻尼孔板10与阻尼摆箱体5固接，确保地震作用时，阻尼孔板10不会在调谐液体13中摆动；箱体下层的调谐液体13通过与阻尼孔9之间的摩擦实现水平方向和部分竖向的减震耗能。
所述的阻尼颗粒7采用主体颗粒和细颗粒进行级配。
每个阻尼摆箱体5都由三根刚性吊杆4相连，并且三根刚性吊杆4均匀成三角形布置，确保地震时结构不会发生严重扭转。
箱体上层的竖向钢隔板8是固接的，并将阻尼摆箱体5上层平均分为多份，确保地震作用时，每部分的阻尼颗粒7能发生碰撞。
两个阻尼摆箱体5和一个质量块6由刚性吊杆4串联而成阻尼器，接点处为固接或者铰接。
隔震弹簧2与隔震弹簧上部钢板1及隔震弹簧下部钢板3为固接，并沿隔震弹簧上部钢板1及隔震弹簧下部钢板3的平面均匀布置，隔震弹簧2在地震作用时扭转变形的耗能提供了抗扭的减震功能。
本发明的功能如下：
阻尼摆箱体内部的所有构件和质量块作为水平向调谐质量进行减震耗能；竖向隔振弹簧之下的所有构件作为竖向、摇摆和扭转向调谐质量进行减震耗能，从而最终实现阻尼器在所有方向内的减震耗能功能。
颗粒阻尼在颗粒阻尼箱体内，通过颗粒阻尼自身以及与颗粒阻尼箱体和竖向钢隔板的相互碰撞，实现水平方向和部分竖向的减震耗能。
所述的复合式全向调谐减震阻尼摆，阻尼摆箱体下层布置四个阻尼孔板，且阻尼孔板与阻尼摆箱体固接，确保地震作用时，阻尼孔板不会在调谐液体中摆动。箱体下层的调谐液体通过与阻尼孔之间的摩擦实现水平方向和部分竖向的减震耗能。
所述的复合式全向调谐减震阻尼摆，每层阻尼摆箱体都有三根刚性吊杆与之相连，并且三根刚性吊杆均匀成三角形布置，确保地震时结构不会发生严重扭转。
阻尼器是由两个阻尼摆箱体和一个质量块由刚性吊杆串联而成，接点处为固接或者铰接，固接或者铰接可根据结构自身周期、振型和现场条件确定，确保在地震作用时可以更大限度的实现结构的耗能。
竖向隔振弹簧与隔震弹簧上部钢板及隔震弹簧下部钢板为固接，具有足够的刚度和强度，并沿隔震弹簧上部钢板及隔震弹簧下部钢板的平面均匀布置，隔震弹簧在地震作用时扭转变形时的耗能提供了抗扭的减震功能。
本发明通过在高耸结构楼板上布置复合式全向调谐减震阻尼摆，使之形成具有一定质量的附属结构，改善原结构的动力特性，实现在地震作用下能够调谐结构自振特性、转移和耗散结构本应该承受的部分外部动能的功能。此外，复合式全向调谐减震阻尼摆可以在所有方向(水平各向、竖向、扭转及摇摆各向)运动，实现全面耗能，从而进一步降低原有建筑结构的破坏程度。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明中的复合式全向调谐减震阻尼摆可以在水平各向、竖向、扭转及摇摆各向均实现运动，从而转移和耗散地震中结构主体的动能，实现了全向减震的功能，能够有效提高减振控制效果。
2)本发明采用较为灵活的串联形式，布置方式简单，可以根据具体建筑结构的实际情况适当调整吊杆长度，也可以任意调整阻尼器的总体数量，便捷地实现结构的多维调谐减振控制。
3)所用材料成本较低，构造较简单，成本较低廉，减震耗能性价比突出。
附图说明
图1为本发明的复合式全向调谐减震阻尼摆正立面示意图；
图2为本发明的复合式全向调谐减震阻尼摆箱体上层水平剖面示意图；
图3为本发明的复合式全向调谐减震阻尼摆箱体下层水平剖面示意图；
图4为本发明的复合式全向调谐减震阻尼摆箱体的竖直剖面示意图；
图5为本发明的复合式全向调谐减震阻尼摆的万向铰的示意图；
图6为本发明的复合式全向调谐减震阻尼摆的竖向隔震弹簧的布置示意图。
图7为本发明的复合式全向调谐减震阻尼摆的竖向刚性吊杆的布置示意图。
图中：1—隔震弹簧上部钢板，2—隔震弹簧，3—隔震弹簧下部钢板，4—刚性吊杆，5—阻尼摆箱体，6—质量块，7—阻尼颗粒，8—竖向钢隔板，9—阻尼孔，10—阻尼孔板，11—横向钢隔板，12—万向铰，13—调谐液体。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
某高耸结构在八度抗震设防区，需要考虑应用减震措施提高抗震减震能力。该建筑的平面尺寸为18m×12m，高度为60m，基本周期为1.89s。根据实际需要来安置复合式全向调谐减震阻尼摆。
如图1至图7所示，为本发明的一种复合式全向调谐减震阻尼摆实施例，其主要包括隔震弹簧上部钢板1、隔震弹簧2、隔震弹簧下部钢板3、刚性吊杆4、阻尼器箱体5、质量块6、阻尼颗粒7、竖向钢隔板8、阻尼孔9、阻尼孔板10、横向钢隔板11、万向铰12、调谐液体13。
首先，根据实际结构的平面尺寸、基本周期、估算的质量、转动惯量和刚度等选取最优的调谐质量及阻尼比，从而确定复合式全向调谐减震阻尼摆的总体数量。再确定单个阻尼摆的质量、质量块6的质量、刚性吊杆4的长度、阻尼器箱体5的尺寸、隔震弹簧2总刚度、与隔震弹簧相连的上部钢板1的厚度、与隔震弹簧相连的下部钢板3的厚度、阻尼孔9的尺寸及阻尼颗粒7的级配。
其次，对于单体阻尼摆的制作，根据设计方案，加工制作各个部件。在需要安装的位置将与结构固接的隔震弹簧2上部水平钢隔板1和结构紧密连接。在水平钢隔板1下部用隔震弹簧2与下部水平钢隔板3相连，保证各平面的水平度。之后，用万向铰12将竖向刚性吊杆4与隔震弹簧2下部水平钢隔板3相连，确保竖向吊杆4可以沿任意方向运动。
然后，将两个阻尼摆箱体5用三根刚性吊杆4串联，三根刚性吊杆4成三角形布置，且刚性吊杆4与阻尼摆箱体5之间是固接；再用三根刚性吊杆4将已串联的阻尼摆箱体5与质量块6串联，三根刚性吊杆4成三角形布置，且刚性吊杆4与阻尼摆箱体5之间是固接；完成后，将串联好的三部分与万向铰12相连的三根刚性吊杆4固接，确保有足够的刚度和强度。阻尼摆箱体5中的上层阻尼颗粒7采用球形钢珠，具体材料为直径0.04m和0.02m两种钢珠，采用0.06m的钢珠与0.03m的钢珠的采用1:2质量级配比，下层装三分之二容量调谐液体。
最后，根据设计方案，可以在楼层的其他部位均匀布置并安装阻尼摆，最后形成分布式阻尼耗能的状况。
利用有限元软件模拟，在不设复合式全向调谐减震阻尼摆时，八度地震下此高耸结构的顶层水平加速度大约为3.8m/s2，顶层竖向加速度约为0.65m/s2，顶层角加速度为1.6rad/s2；在向上述实例中设置复合式全向调谐减震阻尼摆时，在相同地震作用下，该高耸结构的顶层水平加速度约为2.6m/s2,顶层竖向加速度约为0.45m/s2，顶层角加速度为1.4rad/s2。其摇摆减震性能也得到了一定的体现。所以该复合式全向调谐减震阻尼摆对于建筑物的全方位多维抗震具有一定的效果。
以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (6)

1.一种复合式全向调谐减震阻尼摆，主要包括：隔震弹簧上部钢板(1)、隔震弹簧(2)、隔震弹簧下部钢板(3)、刚性吊杆(4)、阻尼摆箱体(5)、质量块(6)、阻尼颗粒(7)、竖向钢隔板(8)、阻尼孔(9)、阻尼孔板(10)、横向钢隔板(11)、万向铰(12)、调谐液体(13)，其特征在于:隔震弹簧上部钢板(1)与隔震弹簧下部钢板(3)通过隔震弹簧(2)连接，与隔震弹簧下部钢板(3)通过万向铰(12)连接阻尼器；所述的阻尼器是由两个阻尼摆箱体(5)和一个质量块(6)由刚性吊杆(4)串联，且质量块(6)位于最底端；所述的阻尼摆箱体(5)内部由横向钢隔板(11)分割成上下两层，阻尼摆箱体(5)的上层由竖向钢隔板(8)分割且填充阻尼颗粒(7)，阻尼颗粒(7)在阻尼摆箱体(5)内，通过阻尼颗粒(7)自身以及与阻尼摆箱体(5)和竖向钢隔板(8)的相互碰撞，实现水平方向和部分竖向的减震耗能；阻尼摆箱体(5)的下层填充调谐液体(13)，在下层布置四个阻尼孔板(10)，且阻尼孔板(10)与阻尼摆箱体(5)固接，确保地震作用时，阻尼孔板(10)不会在调谐液体(13)中摆动；箱体下层的调谐液体(13)通过与阻尼孔(9)之间的摩擦实现水平方向和部分竖向的减震耗能。
2.根据权利要求1所述的复合式全向调谐减震阻尼摆，其特征在于：所述的阻尼颗粒(7)采用主体颗粒和细颗粒进行级配。
3.根据权利要求1～2任一权利要求所述的复合式全向调谐减震阻尼摆，其特征在于：每个阻尼摆箱体(5)都由三根刚性吊杆(4)相连，并且三根刚性吊杆(4)均匀成三角形布置，确保地震时结构不会发生严重扭转。
4.根据权利要求1～2任一权利要求所述的复合式全向调谐减震阻尼摆，其特征在于：箱体上层的竖向钢隔板(8)是固接的，并将阻尼摆箱体(5)上层平均分为多份，确保地震作用时，每部分的阻尼颗粒(7)能发生碰撞。
5.根据权利要求1～2任一权利要求所述的复合式全向调谐减震阻尼摆，其特征在于：两个阻尼摆箱体(5)和一个质量块(6)由刚性吊杆(4)串联而成阻尼器，接点处为固接或者铰接。
6.根据权利要求1～2任一权利要求所述的复合式全向调谐减震阻尼摆，其特征在于：隔震弹簧(2)与隔震弹簧上部钢板(1)及隔震弹簧下部钢板(3)为固接，并沿隔震弹簧上部钢板(1)及隔震弹簧下部钢板(3)的平面均匀布置，隔震弹簧(2)在地震作用时扭转变形的耗能提供了抗扭的减震功能。
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