CN103276664A - 压电俘能型调谐质量减振器 - Google Patents

Abstract

压电俘能型调谐质量减振器属于结构工程减振技术领域。包括固定在桥梁底板下端的一对工字型钢架，工字型钢架的下端翼缘承托钢梁；在钢梁上部竖向固定高强弹簧，高强弹簧的下端和上端分别与钢梁和钢框固结；钢梁上部竖向铰接阻尼器，阻尼器的下端和上端分别与钢梁和钢框铰接；钢框上放置质量块；在质量块和钢框之间安装压电振子；压电振子含有金属板和压电材料，金属板敷设于钢框上表面，金属板上表面敷设压电材料；压电材料采用多层压电技术，将多层压电薄片堆叠在一起，并联引出作为电源正极；金属板引出作为电源负极，电源正负极连接压电振子能量收集电路。本发明可以有效提高桥梁结构抗震性能，节约能源，具有广阔的应用前景。

Description

压电俘能型调谐质量减振器

本发明是基于申请号：201110106425.7，申请日：2011-4-27，发明名称《压电俘能型调谐质量减振器》的分案申请。

技术领域

压电俘能型调谐质量减振器(Piezoelectric Energy-harvesting Tuned Mass Damper，PETMD)属于土木工程结构减振技术领域，具体涉及一种桥梁工程中设置于桥身梁板构件上的采能耗能构件，特别是一种具有压电俘能特性的新型调谐质量减振器。

背景技术

桥梁属于大型、复杂结构。它的静动力特性，包括空间内力计算、稳定、振动、风和地震响应等问题，如果在桥梁的设计当中解决不好，将带来很大的危害。近年来，桥梁的振动问题备受关注：如在既有铁路桥梁基础上进行列车提速带来的过度振动、城市轨道高架桥振动带来的城市噪声污染、大跨度桥梁桥塔和拉索的风致振动等问题。

桥梁振动控制方法有主动控制和被动控制之分，由于主动控制中有许多问题尚未解决，所以目前的结构工程中一般采用被动控制。被动控制的手段包括：改变结构质量、改变结构阻尼、改变结构刚度或输入外力。但由于桥梁强度、变形条件、行车条件的限制，改变桥梁质量、刚度或外力未必总是可能的。调谐质量减振器(TMD)是解决这一难题的方法之一，无需附加太多质量即可增加结构阻尼。TMD是1909年由Frahm发明的一种吸振器，它具有经济、方便，抑制窄带振动效果显著的优点，几十年来在机械、土木、航空航天、船舶、化工工程等众多领域获得了广泛应用。其原理是把TMD(包括质量块、并联的弹簧和阻尼器)连接到主结构上，当结构在外激励作用下产生振动时，带动TMD子系统一起振动。TMD子系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，对结构的震动产生控制作用。从能量的角度来说，TMD子系统振幅远大于结构，因此由激励荷载输入的能量绝大部分由TMD消耗，输入主体结构的能量减小，从而抑制主结构的振动。它用于桥梁结构的优势在于可以耗散桥梁的振动能量而不需与大地连接。

另一方面，能源问题是当今最为关注的问题之一。解决能源问题的一个有效途径就是发掘利用环境中潜在的可用能源，如太阳能、温差、振动或噪声等等。太阳能和温差供能技术由于受到自然条件的限制而难以广泛使用，但工作环境中的振动能不仅无处不在，而且又具有较高的能量密度。由压电材料制成的压电俘能装置可以将建筑结构中的振动能转化为电能输出。近年来，因其具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工制作、集成化等诸多优点而备受关注。压电俘能装置需要利用外界振动源使压电材料产生应力应变，而安装在桥梁上的TMD正是这样一种理想的振动源。

因此，一种将传统桥梁TMD的减振特性与压电俘能装置的发电特性相整合的新型桥梁调谐质量减振器无疑将拥有广阔的市场前景，同时也有利于绿色建筑的推广和实现。

发明内容

本发明的目的在于利用压电材料的压电正转换特性，提供一种应用于桥梁上的，可以将桥梁振动的机械能转化为电能输出以作为桥梁安全检测设备用电或是部分照明用电的，可以控制桥梁振动的压电俘能型调谐质量减振器(PETMD)。

本发明由调谐质量减振装置和压电俘能装置两部分组成。所述调谐质量减振装置分为悬臂式TMD和悬挂式TMD两种。所述压电俘能装置分为d31和d33两种。

悬臂式TMD压电俘能型调谐质量减振器(PETMD)，其特征在于，沿桥梁长度方向，在桥梁两侧对称布置，含有：

一端与桥梁侧壁(6)连接的钢梁(1)，所述钢梁(1)另一端连接质量块(3)；在所述钢梁(1)的上方布置阻尼器(2)，所述阻尼器(2)的一端与桥梁侧壁(6)铰接，另一端与所述质量块(3)铰接；在所述钢梁(1)下方紧贴布置压电振子。

所述阻尼器与所述钢梁(1)可以平行布置。

所述阻尼器(2)与所述桥梁侧壁(6)可以垂直布置。

所述压电振子含有一块金属板(5)和一片压电材料(4)，所述金属板(5)紧贴所述钢梁(1)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接质量块(3)；所述压电材料(4)紧贴在所述金属板(5)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；所述金属板(5)引出电源负极，所述压电材料(4)引出电源正极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。

所述压电振子含有一块金属板(5)和两片压电材料(4)，所述其中第一块压电材料(4)紧贴在所述钢梁(1)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接质量块(3)；所述金属板(5)紧贴在所述第一块压电材料(4)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；所述第二块压电材料(4)紧贴在所述金属板(3)下方；其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；将所述第一块和第二块压电材料(4)并联引出作为电源正极，将金属板(5)引出作为电源负极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。

所述压电振子含有一块金属板(5)和两片压电材料(4)，所述其中第一块压电材料(4)紧贴在所述钢梁(1)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接质量块(3)；所述金属板(5)紧贴在所述第一块压电材料(4)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；所述第二块压电材料(4)紧贴在所述金属板(3)下方；其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；将所述第一块电材料(4)引出作为电源正极，将所述第二块压电材料(4)引出作为电源负极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路；或将所述第二块电材料(4)引出作为电源正极，将所述第一块压电材料(4)引出作为电源负极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。

悬挂式为TMD压电俘能型调谐质量减振器(PETMD)，其特征在于，沿桥梁长度方向，布置于桥梁正下方，含有：固定在桥梁底板下端的一对工字型钢架(16)，所述工字型钢架(16)的下端翼缘承托钢梁(14)；在所述钢梁(14)上部竖直向固定高强弹簧(15)，所述高强弹簧(15)下端与所述钢梁(14)固结，其上端与钢框(12)固结；在所述钢梁(14)上部还竖直向铰接阻尼器(13)，所述阻尼器(13)的下端与所述钢梁(14)铰接，其上端与所述钢框(12)铰接；所述钢框(12)上放置一个质量块11；在所述质量块11和钢框12之间放置压电振子。

如权利要求7所述的压电俘能型调谐质量减振器，其特征在于，所述压电振子含有金属板(18)和压电材料(17)，所述金属板(18)敷设于所述钢框(12)的上表面，在所述金属板(18)上表面敷设所述压电材料(17)；所述金属板(18)引出作为电源负极，所述压电材料(17)引出作为电源正极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。

与现有技术相比，本发明压电俘能型调谐质量减振器具有如下优点：

1)拥有一般桥梁TMD的所有优点。把TMD(包括质量块、并联的弹簧和阻尼器)连接到主结构上，通过惯性质量与主结构控制振型谐振将主结构的能量转移到TMD，从而抑制主结构的振动。具有经济、方便的特点，不需附加太多质量而能有效耗散桥梁振动能量，降低桥梁振动。

2)与压电俘能装置相整合，在耗散桥梁振动能的同时，将其中一部分机械能通过压电俘能装置收集并转化为电能。转化得到的电能视功率大小可以用于桥梁的夜间照明或是桥梁安全监控当中。这种产能方式绿色无污染，并且不受环境左右，安全稳定。是解决能源问题，有效利用环境能量的有效途径。

3)结构简单，安装方便。通过本发明中的设计，压电俘能装置依附于TMD的主体结构，压电振子形式简单有效，安装十分方便。能量采集电路和储能元件方便工厂内生产，尺寸小，重量轻，可集成为一个整装元件与压电振子相连接。

4)可设计性强。本发明可以通过改变质量块重量、阻尼器阻尼或是悬臂梁截面尺寸和长度，安装于不同规模、不同用途、不同结构形式的各种桥梁，或是一座桥梁的不同位置。本发明还可以通过改变压电振子中金属板的厚度，压电材料的厚度，金属板与压电材料的连接方式以及能量采集电路和储能元件的各种参数调节压电俘能装置的俘能特性，使压电振子与谐振质量阻尼器自振频率相一致，保证PETMD的平均输出功率最大化。

本发明利用一般TMD系统控制桥梁振动，并整合压电材料将机械能转化为电能为耗能装置进行供电。其结构新颖合理，易于加工，使用方便灵活，适用性强，可以有效提高桥梁结构的抗震性能，节约能源，具有广阔的应用前景和推广价值。

附图说明

图1为PETMD的结构示意图之一。

图2为图1所示PETMD的局部放大图。

图3为PETMD的结构示意图之二。

图4为图3所示PETMD的局部放大图。

图5为图1所示PETMD的单晶片连接方式。

图6为图1所示PETMD的并联双晶片连接方式。

图7为图1所示PETMD的串联双晶片连接方式。

图8为PETMD的结构示意图之三。

图9为图8所示PETMD的局部放大图。

图10为图9的竖向剖面图。

图11为能量采集存储电路示意图之一。

图12为能量采集存储电路示意图之二。

具体实施方式

实施例一

如图1至图4所示的悬臂式压电俘能型调谐质量减振器，由钢梁1、阻尼器2、质量块3、压电材料4、金属板5、连接件7和能量采集存储电路组成。钢梁1可采用型钢，通过连接件7连接至桥梁侧壁6。质量块3采用混凝土，现浇于钢梁1远端。

阻尼器2布置于钢梁1上方，分别与质量块和桥身侧壁相铰接，在桥身和质量块发生相对运动时耗散一部分振动机械能。阻尼器2的布置可如图1所示平行于钢梁1方向放置。对于截面为梯形等桥侧壁倾斜的桥梁，阻尼器2的布置也可如图3所示，布置方向垂直于桥梁侧壁6，这样更有利于桥梁受力。质量块重量根据桥梁大小和安装位置的不同进行设计。

压电材料4和金属板5组成的压电振子有单晶片、并联双晶片和串联双晶片三种布置方式。所述单晶片模式如图5所示，金属板5放置于钢梁1的下表面，以PVDF为例的压电材料4安装在金属板5的下表面。将压电材料4引出为电源正极9，将金属板引出为电源负极10，为外负载进行供电。所述并联双晶片模式如图6所示，在钢梁1的下表面先敷设一层压电材料4，再安装金属板5，最后在金属板5的下表面敷设第二层压电材料4。将上下两层压电材料4并联引出作为电源正极9，将中间的金属板5引出作为电源负极10，为外负载进行供电。所述串联双晶片模式如图7所示，压电材料4和金属板5的位置关系同并联双晶片模式一致，所不同的其中一层压电材料引出作为电源正极9，另一层引出作为电源负极10，金属板5不作引出。具体采用何种压电振子模式视具体的桥梁动力特性和负载情况决定。另外，压电振子特别是金属板的外露面及与混凝土接触面需做防锈防腐处理8，以保证所设计PETMD的工作寿命。

能量采集存储电路组成简单，体积小，可布置性强。如图11、图12所示的是两种压电振子能量收集电路。其中图11是由一个全桥整流器和充电电容组成标准能量存储电路。图12是一种电感同步开关能量存储电路。

本例中钢梁1与桥身6之间、金属板5与桥身6和质量块3之间、阻尼器2与桥身6和质量块3之间均采用相应的连接件进行连接。本例中连接件设置用于连接的通孔，也可以设置螺纹孔、带有连接孔的耳板、锁扣、吊环等其他用于连接的结构。钢梁1、压电材料4、金属板5两两之间采用化学胶黏剂或铆钉相连接，PETMD工作时三者共同工作，变形协调。

在实际应用中，所设计的PETMD需成对使用，要求用相同规格的PETMD安装在桥身两侧相同位置，以防止桥梁受力不对称。同时可视具体桥梁的减振要求沿桥梁长度方向布置多对PETMD，具体规格视不同桥梁的动力特性和安装位置的不同而定。

在桥梁结构的使用中，由于车行，人行等移动荷载和风等自然作用力，桥梁不断发生竖直向振动。安装PETMD后，通过惯性质量与主结构控制振型谐振将主结构的能量转移到质量调谐阻尼器(TMD)上，从而抑制主结构的振动。另外，PETMD在振动时，钢梁1受变弯矩作用，发生弯曲。位于受压区的压电材料4受到大小不断变化的压力作用。由压电材料4的正压电转化特性，压电材料4以d31模式极化产生电势差，将PETMD的部分机械能转化为电能，通过能量采集存储电路为桥梁安全检测设备或是桥梁照明设备供能。

悬臂式TMD对应于d31型压电俘能装置，d31型压电俘能装置由压电振子、能量采集电路和能量存储装置三部分组成。d31型压电俘能装置的压电振子由压电材料和金属板组成。压电材料和金属板沿悬臂梁受压区表面通长铺设，可采用串联双晶片、并联双晶片和单晶片三种连接方式。其中压电材料选用柔韧性较好的有机压电材料PVDF，极化方向与作用力方向相垂直(d31模式)。金属板采用导电性能好的金属材料，外露面做防锈防腐蚀处理，作为压电振子输出端的负极

需要指出的是，本发明的规格设计应先根据桥梁的动力特性和具体安装位置确定质量块3的大小、钢梁1的长度和阻尼器2阻值等参数，先使调谐质量阻尼器的减振效能最大化。然后再分别设计压电材料4和金属板5的厚度，并选择合适的能量采集电路，使压电振子达到与外负载向对应的最佳阻抗，并使压电振子在桥梁使用常态时处于谐振频率附近，以达到PETMD输出功率的最大化。

实施例二

如图8所示的悬挂式压电俘能型调谐质量减振器，由质量块11，钢框12、阻尼器13、钢梁14、高强弹簧15、工字型钢架16、压电材料17和金属板18以及连接件组成。工字型钢架16左右各一肢，上端通过布置于翼缘的锚栓固定于桥梁6的下底板，下端翼缘承托钢梁14。工字型钢架16是悬挂式PETMD与桥梁的唯一连接，承受整个装置的重力和振动作用力。悬挂式TMD的钢梁14通过锚栓固定于工字型钢架16的下端内翼缘。钢梁14与高强弹簧15通过连接件固结，与阻尼器13相铰接。钢框12由底板和四周护壁组成，便于固定质量块11，防止横向和纵向振动导致的质量块掉落。质量块11可采用预制混凝土块，放置于钢框12内，重量根据桥梁大小和安装位置的不同进行设计。悬挂式TMD的阻尼器13竖直布置，上端铰接于钢框12下底面，下端与钢梁14相铰接。用以耗散部分振动机械能。悬挂式TMD的高强弹簧15竖直布置，上端固定于钢框12下底面，下端与钢梁14相固接。

压电材料17和金属板18组成的压电振子采用d33极化模式。所述单晶片模式如图10所示。先在钢框12底板的内表面敷设一层金属板18，引出作为电源负极。在金属板18的上表面敷设压电材料17。本例中压电材料的安装采用多层压电技术，将多层压电薄片堆叠在一起，并联引出作为电源正极。采用多层压电技术可以有效减小单个压电元件的尺寸，并提高负载的匹配阻值。

d33型压电俘能装置由压电振子、能量采集电路和能量存储装置三部分组成。d33型压电俘能装置的压电振子由压电材料和金属板组成。压电材料和金属板沿钢框底板的上表面通长铺设，压电材料采用多层堆叠并联的连接方式。所述压电材料选用压电转换性能较好的压电陶瓷材料PZT，极化方向与作用力方向相平行(d33模式)，作为压电振子输出端的正极。所述金属板采用导电性能好的金属材料，作为压电振子输出端的负极。整个压电振子敷设于质量块和钢框之间，金属板的防锈防腐蚀处理要求相对d31型压电俘能装置略松。

能量采集存储电路组成简单，体积小，可布置性强。如图11、图12所示的是两种压电振子能量收集电路。其中图11是由一个全桥整流器和充电电容组成标准能量存储电路。图12是一种电感同步开关能量存储电路。

本例中，高强弹簧15与钢框12之间、阻尼器13与钢框12之间、高强弹簧15与钢梁14之间、阻尼器13与钢梁14之间均采用相应的连接件进行连接。本例中连接件设置用于连接的通孔，也可以设置螺纹孔、带有连接孔的耳板、锁扣、吊环等其他用于连接的结构。钢框12底板与金属板18之间，金属板18与压电材料17之间采用化学胶黏剂或铆钉相连接。工字型钢架16上翼缘与桥梁6底板、下翼缘内侧与钢梁14之间采用锚栓连接，开孔方式如图10所示。

在实际应用中，PETMD安装在桥底板中间位置，以防止桥梁受力不对称。同时可视具体桥梁的减振要求沿桥梁长度方向布置多对PETMD，具体规格视不同桥梁的动力特性和安装位置的不同而定。

在桥梁结构的使用中，由于车行，人行等移动荷载和风等自然作用力，桥梁不断发生竖直向振动。安装PETMD后，通过惯性质量与主结构控制振型谐振将主结构的能量转移到TMD，从而抑制主结构的振动。另外，PETMD在振动时，质量块受惯性力作用，作用于压电材料的压力随振动发生变化。由压电材料的正压电转化特性，压电材料以d33模式极化产生电势差，将PETMD的部分机械能转化为电能，通过能量采集存储电路为桥梁安全检测设备或是桥梁照明设备供能。

需要指出的是，本发明的规格设计应先根据桥梁的动力特性和具体安装位置确定质量块11的质量、高强弹簧15的劲度系数和阻尼器13的阻值等TMD部分的参数，先使调谐质量阻尼器的减振效能最大化。然后再分别设计压电材料17和金属板18的厚度，使压电振子达到与外负载向对应的最佳阻抗，并使压电振子在桥梁使用常态时处于谐振频率附近，以达到PETMD输出功率和输出电压的最大化。

Claims (1)

1.压电俘能型调谐质量减振器，其特征在于，沿桥梁长度方向，布置于桥梁正下方，含有：固定在桥梁底板下端的一对工字型钢架(16)，所述工字型钢架(16)的下端翼缘承托钢梁(14)；在所述钢梁(14)上部竖直向固定高强弹簧(15)，所述高强弹簧(15)下端与所述钢梁(14)固结，其上端与钢框(12)固结；在所述钢梁(14)上部还竖直向铰接阻尼器(13)，所述阻尼器(13)的下端与所述钢梁(14)铰接，其上端与所述钢框(12)铰接；所述钢框(12)上放置一个质量块(11)；在所述质量块(11)和钢框(12)之间放置压电振子；所述压电振子含有金属板(18)和压电材料(17)，所述金属板(18)敷设于所述钢框(12)的上表面，在所述金属板(18)上表面敷设所述压电材料(17)；所述的压电材料(17)采用多层压电技术，将多层压电薄片堆叠在一起，并联引出作为电源正极；所述金属板(18)引出作为电源负极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。

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