CN104594519B - 双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器，包括阻尼器腔体、颗粒群、缓冲材料、变刚度弹簧、滚球和固定结构。阻尼器腔体为长方体或圆柱体结构，在水平或/和竖直方向分隔成若干块，构成多个阻尼器腔体单元，阻尼器腔体单元内平铺一层颗粒群。在水平方向上，阻尼器腔体外边框通过变刚度弹簧与固定结构相连，变刚度弹簧双向正交布置，刚度根据不同结构在不同方向的振动频率确定，为非线性弹簧。滚球布置在阻尼器腔体下部，可以在水平面内做无摩擦滚动。通过合理设置弹簧的刚度，可以在水平面内不同方向上提供不同的刚度以调谐结构的频率。在风或/和地震作用下，该装置在两个正交方向上提供不同的刚度调谐频率且刚度非线性变化，同时，通过颗粒群滚动、滑动、摩擦、碰撞转移和耗散基本结构的动能，加入缓冲材料后尤其可以增加碰撞所耗散的能量。

Description

双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器

技术领域

本发明涉及一种通过正交布置的变刚度弹簧与基本结构连接，在一个或多个腔体内部填充颗粒并附加缓冲材料的双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器，通过调谐和摩擦碰撞耗能，属于土木结构（包括高层建筑、高耸结构和桥梁结构等）振动控制领域。

背景技术

近年来调谐质量阻尼器（TMD）以其对原结构改动小、施工简单、减振效果显著等特点受到广泛重视，并在国内外土木工程结构中得到广泛的应用。但调谐质量阻尼器只能在特定的频带范围内具有一定的减振效果，对于偏离此频带的频率减振效果不佳。同时，附加质量块与主体结构通过悬吊或者滑动支座的方式相连，只能在水平方向上提供相同的自振频率，而建筑结构在风和/或地震作用下在两垂直方向上具有不同的振动特性。如果在质量块上设置空腔，在空腔内部填充颗粒，通过颗粒之间的相互碰撞提供阻尼，在阻尼器腔体外部两正交方向设置变刚度弹簧，可以达到调谐质量和提供阻尼的目的，同时还可以加宽阻尼器的减振频率，提高阻尼器的减振效率，降低阻尼器的造价。

发明内容

为了解决传统调谐质量阻尼器减振频带窄，设置耗能阻尼器价格昂贵的问题，以及传统调谐质量阻尼器在水平方向上只能提供某一特定的调谐频率的问题，本发明的目的在于提出一种双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器，该装置通过在质量块上设置空腔，依靠放入的颗粒群内部及与阻尼器空腔的碰撞提供阻尼，可以显著降低阻尼器的造价。同时，根据基本结构在水平方向的振动特性布置两正交的变刚度弹簧，使得阻尼器可以在水平方向上提供不同的调谐频率，当基本结构的振动频率与弹簧设置的频率相同时，可通过共振的方式将主体结构的能量传递至阻尼器腔体，引起其中颗粒发生碰撞，导致阻尼器振动特性发生变化，且阻尼器的振动将不会传递到主体结构，从而实现振动能量由主体结构到阻尼器的单向传递，实现能量的高效传递和耗散。同时，弹簧的变刚度可以俘获主体结构高阶的振动能量，通过附加阻尼器与主体结构共振传递，可迅速降低主体结构的振动，实现靶能量传递，达到高效耗能的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明提出一种双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器，包括：阻尼器腔体1、颗粒群2、缓冲材料3、变刚度弹簧4、滚球5和固定结构6，其中：阻尼器腔体1为长方体或圆柱体结构，阻尼器腔体1内水平或竖直方向分隔成若干个阻尼器腔体单元，每个阻尼器腔体单元内平铺一层颗粒群2，每个阻尼器腔体单元内壁上覆盖有缓冲材料3；阻尼器腔体1外边框一侧和顶部分别通过变刚度弹簧4与固定结构6相连接，所述固定结构6固定在基本结构上且具有较大的侧向刚度；两个变刚度弹簧4呈双向垂直正交布置，其刚度根据基本结构在相应方向上的不同振动频率呈非线性设置；滚球5布置于阻尼器腔体1底部，可在水平面内做无摩擦滚动；在风或/和地震作用下，所述阻尼器能够在水平面内两垂直方向上提供不同的调谐频率，同时，通过颗粒群2滚动、滑动、摩擦、碰撞转移和耗散基本结构的动能，加入缓冲材料3亦能增加碰撞所耗散的能量。

本发明中，颗粒群2由若干圆形或不规则颗粒组成，颗粒截面最大尺寸为2mm~50mm。颗粒材料为金属或非金属。

本发明中，颗粒群2在水平面内的占用面积为阻尼器腔体底面面积的20%~100%。

本发明中，缓冲材料3包括橡胶、泡沫塑料或珍珠棉中的一种，以增加碰撞所耗散的能量。

本发明中，阻尼器与固定结构6在水平方向上相连接变刚度弹簧4呈正交布置，其刚度、连接位置应根据基本结构在不同方向的振动特点而设置。

本发明中，滚球5为外形为球形，其直径为阻尼器最大边长尺寸的1/3~1/6。

本发明中，固定结构6可由混凝土或钢结构组成，具有较大的侧向刚度且能与基本结构牢固连接。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1）本发明通过在水平面内两正交方向上将变刚度弹簧与阻尼器腔体连接，根据基本结构的运动特点可以在水平方向上提供不同的调谐刚度，可以在两个正交方向实现主体结构振动能量的靶向传递，大大提高了阻尼器的调谐耗能效率。

2）本发明采用变刚度的弹簧，通过共振的方式实现能量的单向传递，可将基本结构高阶模态的振动能量迅速降低，较传统阻尼器具有较高的耗能效率。

3）本发明采用附加缓冲材料的方法，增加颗粒与阻尼器腔体碰撞所耗散的能量，提高了阻尼器的耗能效率。

4）本发明构造形式简单，采用可靠耐久廉价的颗粒作附加阻尼的提供载体，结合调谐质量阻尼器与颗粒阻尼器的优点，通过调谐质量和颗粒摩擦碰撞耗能，降低了设置传统阻尼器的造价，从而具有更强的适用性和经济性。

附图说明

图1为双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器俯视图。

图2为双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器立面图。

图中标号：1为阻尼器腔体，2为颗粒群，3为缓冲材料，4为变刚度弹簧，5为滚球，6为固定结构。

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所示，为本发明的一种双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器实例，其主要包括阻尼器腔体1、颗粒群2、缓冲材料3、变刚度弹簧4、滚球5和固定结构6。阻尼器腔体1为长方体或圆柱体结构，阻尼器腔体1为一个或多个，多个阻尼器腔体1为水平或竖直方向设置，每个阻尼器腔体1内平铺一层颗粒群2，阻尼器腔体1内壁上覆盖有缓冲材料3，一个或多个阻尼器腔体3组成一个阻尼器，阻尼器腔体1通过变刚度弹簧4与固定结构6相连，滚球5位于阻尼器腔体底部，可以在水平面内做无摩擦滚动，变刚度弹簧4采用正交布置，且刚度非线性，因此可以在结构不同的振动模态下调谐结构的振动频率。同时，通过颗粒群2滚动、滑动、摩擦、碰撞转移和耗散基本结构的动能，加入缓冲材料3亦能增加碰撞所耗散的能量，固定结构6由混凝土或钢结构组成，具有较大的刚度，可以固定在主体结构振动较大的部位，从而可以有效的抑制结构的振动。

将阻尼器安装在结构振动较大的部位，在风和/或地震作用下，固定结构6随主体结构的振动而振动，通过预先设定变刚度弹簧4的非线性刚度，使其可以捕获主体结构在高阶振型下的振动频率，使得附加阻尼器与基本结构高阶频率发生共振，阻尼器下部滚球5的运动带动内部颗粒群2之间的摩擦、碰撞可迅速耗散阻尼器的振动能量。由于变刚度弹簧4刚度可变，能量传递至阻尼器后不能反向传递至主体结构，从而实现主体结构高阶模态振动能量靶向传递，大大提高了阻尼器的减振耗能效率。当结构只有一个自振频率时，可将变刚度弹簧的刚度设定为主体结构自振频率对应的刚度。

Claims (5)

1.一种双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器，包括：阻尼器腔体（1）、颗粒群（2）、缓冲材料（3）、变刚度弹簧（4）、滚球（5）和固定结构（6），其特征在于：阻尼器腔体（1）为长方体或圆柱体结构，阻尼器腔体（1）内水平或竖直方向分隔成若干个阻尼器腔体单元，每个阻尼器腔体单元内平铺一层颗粒群（2），每个阻尼器腔体单元内壁上覆盖有缓冲材料（3）；阻尼器腔体（1）外边框一侧和顶部分别通过变刚度弹簧（4）与固定结构（6）相连接，所述固定结构（6）固定在基本结构上且具有较大的侧向刚度；两个变刚度弹簧（4）呈双向垂直正交布置，其刚度根据基本结构在相应方向上的不同振动频率呈非线性设置；滚球（5）布置于阻尼器腔体（1）底部，可在水平面内做无摩擦滚动；在风或/和地震作用下，所述阻尼器能够在水平面内两垂直方向上提供不同的调谐频率，同时，通过颗粒群（2）滚动、滑动、摩擦、碰撞转移和耗散基本结构的动能，加入缓冲材料（3）亦能增加碰撞所耗散的能量。

2.根据权利要求1所述的双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器，其特征在于：所述颗粒群（2）由若干圆形或不规则颗粒组成，颗粒截面最大尺寸为2mm~50mm，颗粒材料为金属或非金属。

3.根据权利要求1所述的双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器，其特征在于：颗粒群（2）在水平面内的占用面积为阻尼器腔体底面面积的20%~100%。

4.根据权利要求1所述双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器，其特征在于：所述缓冲材料（3）包括橡胶、泡沫塑料或珍珠棉中的一种，以增加碰撞所耗散的能量。

5.根据权利要求1所述双向变刚度颗粒调谐质量阻尼器，其特征在于：阻尼器与固定结构（6）在水平方向上相连接变刚度弹簧（4）呈垂直正交布置，其刚度、连接位置应根据基本结构在不同方向的振动特点而设置。