CN103603439B - 一种碰撞阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加入传动装置的新型碰撞阻尼器，包括传动装置、阻尼器腔体、腔体滑轨、颗粒群、缓冲材料及限位装置。阻尼器腔体与结构之间布置滑轨使腔体能沿滑轨自由运动，通过传动装置利用结构自身的不利变形使阻尼器腔体能够以更大的速度进行运动，这样一方面加剧了颗粒的碰撞，显著增加了阻尼器的动量转换效率与耗能能力，另一方面阻尼器运动而产生的惯性力对结构振动同样起到了控制作用，在此基础上，缓冲材料的引入进一步增加了阻尼器的耗能能力。

Description

一种碰撞阻尼器

技术领域

本发明涉及一种碰撞阻尼器，该装置通过传动装置利用结构自身的不利变形使阻尼器腔体能够以更大的速度进行运动，通过装置产生的控制力与碰撞耗能，属于土木结构（包括高层建筑、高耸结构等）振动控制领域。

背景技术

多年来被动控制技术诸如橡胶隔震、质量调谐等技术以其造价相对较低、原理简单、对原结构改动小、减震效果显著等特点而广受重视并在国内外土木工程中得到应用。颗粒阻尼技术是一种新型的被动控制技术，它利用附加在振动结构上的有限封闭空间内填充微小颗粒，通过颗粒与结构的碰撞将结构的运动动量传递到颗粒上，与此同时利用颗粒-结构、颗粒-颗粒之间的非弹性碰撞与摩擦耗散结构的振动能量。相比于传统的被动控制技术，颗粒阻尼器有着减振频带宽、环境适应性强、耐久性好等特点，使其成为近年来土木学者研究的热点。

通过实验发现，颗粒阻尼器目前仍存在着一定的不足：第一，由于颗粒与结构之间存在间隙，两者的初次碰撞将与结构振动的起始点相隔一定的时间差，使阻尼器在结构振动初期的减震效果不太明显。第二，阻尼器的工作性能主要依赖于颗粒与结构的碰撞，而在结构本身振动幅度较小的情况下颗粒与结构的碰撞，由于颗粒与腔体之间的摩擦将显得不明显甚至不发生碰撞，导致在这种条件下颗粒阻尼器的减振效率很低。第三，由于颗粒与腔体均为金属材料，两者之间的碰撞接近于弹性碰撞，所耗散的能量有限。最后，由于颗粒阻尼器对结构的控制力由颗粒与结构碰撞时的瞬时冲量产生，这使得控制力的施加变相地成为一种冲击荷载，会对结构本身造成一定的损伤。降低颗粒与结构之间的平均间隙可以在一定程度上改善前两个问题，但较小的间隙也将导致颗粒与结构碰撞的相对速度降低，降低动量交换效率，从而降低阻尼器的减震性能。

发明内容

为了解决以上传统颗粒阻尼器在振动前期以及振动幅度较小时减震性能不佳等问题，本发明的目的在于提出一种碰撞阻尼器，从根本上弥补颗粒阻尼器的以上缺陷并提高其阻尼性能，形成一种减震性能更强、耗能能力更好、对结构损伤更小的新型碰撞阻尼器，有着重大的工程意义。

在风或/和地震作用下，传动装置将放大阻尼器腔体的运动响应，从而使颗粒与腔体碰撞时的相对速度与加速度增加，在有效减少了阻尼器在振动前期的响应时间的同时，也使碰撞在小幅度振动下也能有效进行；通过加入缓冲材料，颗粒与腔体碰撞所产生的动量，由于碰撞接触时间的延长，使控制力将更平缓地施加在结构上，与此同时，阻尼器的耗能能力也将有很大的提升；不仅如此，阻尼器腔体与部分颗粒的质量所产生的惯性力也将对结构施加控制作用。根据初步实验研究，本发明碰撞阻尼器的减振效率可在同等工况下，相比传统颗粒阻尼器提升30%以上。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

本发明的一种碰撞阻尼器，包括传动装置1、阻尼器腔体2、腔体滑轨3、颗粒群4、缓冲材料5和限位装置6，阻尼器腔体2为长方体或圆柱体空腔，阻尼器腔体2内平铺一层颗粒群4，腔体滑轨3与结构固结，腔体滑轨3的滑动部分与阻尼器腔体2固结，阻尼器腔体2通过腔体滑轨3可在结构平面内沿腔体滑轨3方向自由运动，传动装置1两端分别与结构和阻尼器腔体2连接，由于传动装置1的放大效应，阻尼器腔体2将与结构保持相同的运动方向，且以更大的速度进行运动，缓冲材料5布置在阻尼器腔体2内部或/和包裹在颗粒群4表面，平面内垂直双方向上布置腔体滑轨3和阻尼器腔体2后，在风或/和地震的作用下该装置能以相比结构布置平面更大的响应进行振动，颗粒群4与阻尼器腔体2运动所产生的惯性力以及颗粒群4与阻尼器腔体2碰撞所产生的动量通过传动装置传递到结构上，为结构提供减振控制力，颗粒群与颗粒群、结构与颗粒群之间的碰撞以及摩擦将耗散结构振动的能量。

本发明中，传动装置1由滑轮及钢索组成，钢索绕过滑轮，钢索一端连接阻尼器腔体2，另一端连接结构。

本发明中，传动装置1由齿轮与链条组成，链条绕过齿轮，链条一端连接阻尼器腔体2，另一端连接结构。

本发明中，所述颗粒群4由若干个圆形颗粒组成，圆形颗粒直径为2mm~50mm的钢球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中一种或一种以上。

本发明中，颗粒群4在水平面占用面积为阻尼器腔体2水平面积的40%~80%，颗粒群４的体积应为阻尼器腔体2体积的5%~20%。

本发明中，所述缓冲材料5采用橡胶。所述缓冲材料5包括在腔体内壁布置橡胶等材料或/和在颗粒表面包裹橡胶等材料。

本发明中，通过在结构不同方向上布置该阻尼器，可降低结构在水平方向上的振动，以抵抗不同方向作用的风或/和地震荷载。

本发明中，在阻尼器腔体2与腔体滑轨之间布置有限位装置，以防止在大位移响应下阻尼器的运动超过限度而破坏。

本发明在阻尼器腔体与结构之间布置滑轨，利用结构自身的不利变形使阻尼器腔体能够以更大的速度进行运动，这样一方面加剧了颗粒的碰撞，显著增加了阻尼器的动量转换效率与耗能能力，另一方面阻尼器运动而产生的惯性力对结构振动同样起到了控制作用，在此基础上，缓冲材料的引入进一步增加了阻尼器的耗能能力。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1）使颗粒与腔体碰撞时的相对速度与加速度增加，在有效减少了阻尼器在振动前期的响应时间的同时也使碰撞在小幅度振动下也能有效进行。

2）通过加入缓冲材料，颗粒与腔体碰撞所产生的冲量由于碰撞接触时间的延长使控制力将更平缓地施加在结构上，与此同时阻尼器的耗能能力也将有很大的提升。

3）阻尼器腔体与部分颗粒的质量所产生的惯性力也将对结构施加控制作用，使阻尼器对结构施加的控制力进一步提升，并且能适应各种频段的结构振动。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图——变形前的状态；

图2为本发明的工作原理示意图——变形后的状态；

图3为本发明中一种不同传动装置的阻尼器的立面示意图；

图4为本发明中另一种不同传动装置的阻尼器的立面示意图；

图中标号：1——传动装置，2——阻尼器腔体；3——腔体滑轨；4——颗粒群；5——缓冲材料，6——限位装置。

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：如图所示，所述装置包括传动装置1、阻尼器腔体2、腔体滑轨3、颗粒群4、缓冲材料5，限位装置6，阻尼器腔体2为长方体或圆柱体空腔，腔体2内平铺一层颗粒群4，腔体滑轨3与结构固结，滑动部分与阻尼器腔体2固结使其可在结构平面沿滑轨方向自由运动，传动装置1分别与结构和阻尼器腔体连接，由于传动装置1的放大效应，阻尼器腔体2将与结构保持相同的运动方向且以更大的速度进行运动，缓冲材料5布置在腔体内部或/和包裹在颗粒表面，平面内垂直双方向上布置此装置后，在风或/和地震的作用下该装置能以相比结构布置平面更大的响应进行振动，一方面颗粒群4与阻尼器腔体2运动所产生的惯性力以及颗粒群4与阻尼器腔体2碰撞所产生的动量通过传动装置传递到结构上，为结构提供减振控制力，另一方面颗粒-颗粒与结构-颗粒之间的碰撞、摩擦将耗散结构振动的能量。所述颗粒群4由若干个圆形颗粒组成，圆形颗粒直径为2mm~50mm的钢球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中一种以上。所述颗粒群4在水平面占用面积为阻尼器腔体2水平面积的40%~80%，颗粒群４的体积应为阻尼器腔体2体积的5%~20%。

新型碰撞阻尼器不再直接固定在结构上部，而是固定在一个腔体滑轨上，所以该阻尼器可以在结构顶层自由的左右移动。通过两条钢索绕过结构上部两端的滑轮与容器连接，此时，当结构有向右的相对位移时，由于钢架的几何性质，阻尼器右侧的钢索会拉紧并牵引阻尼器相对于结构上部继续向右运动，如此往复，该新型碰撞阻尼器的响应将相对于结构顶部的响应有所放大，使得在结构响应较小时，阻尼器仍能以较大速度进行往复运动，从而使颗粒更容易与容器内壁进行碰撞，并且由于相对速度增大，碰撞将更加剧烈。

如图3－4所示，为本发明的几种碰撞阻尼器实例，图3的传动装置为滑轮与钢索，图4的传动装置为齿轮与链条。两者的作用机理类似。

阻尼器腔体2是由5mm~10mm厚的钢板焊接而成的长方体空箱，通过腔体滑轨3与结构连接，阻尼器布置于层间楼板或顶层楼板的外侧或高耸结构。由于需要布置钢索或链条，该装置特别适用于加有斜撑的钢结构建筑。颗粒群4在阻尼器腔体2内平铺一层，其尺寸以及阻尼器腔体2的尺寸应根据结构的频率依据相关理论求得。颗粒群4在水平面占用面积应为阻尼器腔体2水平面积的40%~80%，颗粒群4的体积应为阻尼器腔体2体积的5%~20%。阻尼器腔体内壁贴上缓冲材料5（比如5mm厚的橡胶或者泡沫塑料等）。

Claims (1)

1.一种碰撞阻尼器，包括：传动装置（1）、阻尼器腔体（2）、腔体滑轨（3）、颗粒群（4）、缓冲材料（5）和限位装置（6），其特征在于：阻尼器腔体（2）为长方体或圆柱体空腔，阻尼器腔体（2）内平铺一层颗粒群（4），腔体滑轨（3）与结构固结，腔体滑轨（3）的滑动部分与阻尼器腔体（2）固结，阻尼器腔体（2）通过腔体滑轨(3)可在结构平面内沿腔体滑轨(3)方向自由运动，传动装置（1）两端分别与结构和阻尼器腔体(2)连接，由于传动装置（1）的放大效应，阻尼器腔体（2）将与结构保持相同的运动方向，且以更大的速度进行运动，缓冲材料（5）布置在阻尼器腔体（2）内部或/和包裹在颗粒群（4）表面；平面内垂直双方向上布置腔体滑轨（3）和阻尼器腔体（2）后，在风或/和地震的作用下该装置能以相比结构布置平面更大的响应进行振动，颗粒群（4）与阻尼器腔体（2）运动所产生的惯性力以及颗粒群（4）与阻尼器腔体（2）碰撞所产生的动量通过传动装置传递到结构上，为结构提供减振控制力，颗粒群与颗粒群、结构与颗粒群之间的碰撞以及摩擦将耗散结构振动的能量；其中：传动装置（1）由滑轮及钢索组成，钢索绕过滑轮，钢索一端连接阻尼器腔体（2），另一端连接结构；或者：传动装置（1）由齿轮与链条组成，链条绕过齿轮，链条一端连接阻尼器腔体（2），另一端连接结构；所述颗粒群（4）由若干个圆形颗粒组成，圆形颗粒为直径2mm~50mm的钢球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中一种或一种以上；颗粒群（4）在水平面占用面积为阻尼器腔体（2）水平面积的40%~80%，颗粒群(4)的体积应为阻尼器腔体（2）体积的5%~20%；所述缓冲材料（5）采用橡胶。