CN105133743B - 非线性可调谐质液阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用非线性弹簧，将调谐质量阻尼器与调谐液体阻尼器结合使用的非线性调谐质液阻尼器，包括实心质量块、腔体、内部粘滞液体、万向轮、预留孔洞以及非线性弹簧装置。本发明以实心质量块及其外部的封闭外壳为中心结构，在腔体内部添加一定体积的粘滞液体，粘滞液体可以在质量块中的预留孔洞内流通。腔体外部由四组非线性弹簧将中心结构与四周挡板或墙壁连接，非线性弹簧与挡板或墙壁连接处具有转轴，可使其水平转动。中心结构的底部具有若干万向轮，使得阻尼器可以在水平面内可自由移动。其工作原理是利用实心块本身的质量、非线性弹簧和由粘滞液体流过实心块中的小孔所提供的摩擦力来耗散地震或/和风振输入到建筑物的能量。本发明结合调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的优点，安置在高层顶部，结构简单可靠，制造成本低廉，并可实现良好的减震效果。

Description

非线性可调谐质液阻尼器

技术领域

本发明涉及一种非线性可调谐质液阻尼器，结合非线性弹簧调谐的TMD、TLD组合阻尼器装置，由水箱、实心质量块、非线性弹簧（NES系统）组成，属于土木工程减振控制领域，可用于高层建筑、高耸结构和桥梁结构等。

背景技术

随着社会经济的快速发展和结构设计理论的不断改进，复杂、刚柔等高层结构不断涌现，但随之也产生了很多灾害防护问题，其中大部分动力问题，如风、地震等，由于其具有很大的随机性，导致结构的动力响应极为复杂，因此改正结构的抗震性能具有重大的研究意义。

土木工程中的结构振动控制是指针对结构在人为、地震和风等动力荷载作用下响应过大的情况，利用结构动力学原理，通过一定的减振措施来减小结构的动力响应，使结构可以在规定范围内正常工作。

在众多的被动控制装置中，调谐质量阻尼器(TMD)是较早应用在建筑结构中的控制装置，是一种相对来说比较可靠、成熟的动力减振装置。它主要是在建筑物顶部某个位置上设置惯性质量，利用共振原理，当主体结构在外部荷载作用下产生振动时，其随之产生振动并产生作用力反作用于结构上，从而减小结构的动力响应。然而，TMD 存在一个不容忽视的缺点：对频率调谐的敏感性有误差。在 TMD 的设计过程中，只有 TMD 系统的自振频率与受控结构的自振频率调谐至一个合理的比值，才能使 TMD 发挥最大的减震耗能效果。可是由于结构自身的非线性特征，理论计算与施工之间的误差，加之结构在经受地震作用过程中其动力参数将产生波动等因素，TMD系统的频率与结构的自振频率很难始终调谐到一致，其对结构的振动控制效果就会大大折扣。

调谐液体阻尼器（TLD）是一种新型的结构被动控制装置，是利用固定水箱中液体在晃荡中产生的动侧压力来提供减振力的一种控制装置。与 TMD 相比，TLD有着包括低初始成本、维修费用低和容易调谐的优点。

传统线性吸振器的适用频带较窄，而利用非线性吸振器（NES）的宽频吸振特性进行动态调谐减振，则只需有限吸振器即可达到较好的减振效果，因此受到研究界越来越多的关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效减小主体结构的振动的非线性可调谐质液阻尼器，即通过结合非线性弹簧调谐的TMD、TLD组合阻尼器装置，在风或/和地震作用下，利用实心块本身的质量和非线性弹簧产生的与结构位移相反的作用力以及由粘滞液体流过实心块中的小孔所提供的摩擦力共同吸收风或/和地震对结构输入的能量。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

本发明提出的一种非线性调谐质液阻尼器，包括：阻尼器腔体单元1、实心质量块2、粘滞液体4，非线性弹簧5，实心质量块2放置于阻尼器腔体单元1内，实心质量块2外壁与阻尼器腔体单元1内壁之间留有间隙，所述间隙处填充有粘滞液体4，所述实心质量块2的四周开有贯通的预留孔洞3，使粘滞液体4可在实心质量块2中的预留孔洞3内流通，以此来提供粘滞阻力；所述阻尼器腔体单元1的四周固定有非线性弹簧5；使用时，所述质液阻尼器固定于需要减震的主体结构上，非线性弹簧5另一端与主体结构连接；非线性弹簧5与主体结构连接处具有水平转轴，可使非线性弹簧弹簧水平转动；所述质液阻尼器通过非线性弹簧5形成非线性减震系统，非线性弹簧5的调谐范围通过增减位于四周的非线性弹簧5的刚度来调节。

本发明中，所述粘滞液体4加入的体积、比例根据实际减震结构测量调节。

本发明中，阻尼器腔体单元1的底部安装有万向轮6，以实现质液阻尼器水平面内双自由度移动。

本发明中，所述阻尼器腔体单元1为矩形结构，其四周各分布有一组非线性弹簧5。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1）基于传统质量阻尼器，引入NES系统，利用其非线性特性，大幅提高减振频带。

传统质量阻尼器有着技术成本低、价格便宜等优点；然而，其工作方式大多为线性模式，这也就意味着在阻尼器的减震方式和减震效果较为单一。在当今自然灾害（诸如风、地震）或者人为的荷载施加情况下，传统阻尼器所能发挥的功能十分有限。因此，在高层结构设计中，NES，作为可以大幅增加阻尼以达到减少高层建筑物侧向位移的系统，越来越为结构设计师所关注。本项目所提出的阻尼器设计方案，一方面具备传统阻尼器简易、造价低的特点；另一方面，通过增加非线性的阻尼系统（诸如非线性弹簧、可控气压腔），大幅提高其减振频带，从而可以广泛应用于各种高层建筑。

2）去除轨道约束，通过转轴及万向轮，使阻尼器在多向荷载作用下，发挥其减振作用。

一般来说，阻尼器的安置方向与可能最大荷载的方向一致，因此，在其他方向或多向的荷载下，无法起到有效的减振作用。在我们的设计中，通过安置万向轮和连接转轴，使得阻尼器在平面上进行双自由度的运动，进而达到多向荷载下，最优化的减振效果。

3）本发明阻尼器腔体单元构造形式简单，可以根据基本结构的特点设置不同的组合方式，使阻尼器布置位置更为灵活，适用于不同方向的地震作用，以达到较好的减震效果。制造成本低廉，安装简便。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些或其他方面的优点将会变得更清楚，并且更易于理解，其中

图1为本发明正立面图；

图2为本发明侧立面图；

图3为本发明俯视图。

图中标号：1为阻尼器腔体单元，2为实心质量块，3为预留孔洞，4为粘滞液体，5为非线性弹簧，6为万向轮。

具体实施方式

本发明的具体构思是，通过结合TMD和TLD阻尼器共同的优良特性，使主体结构的震动传递到非线性可调谐质液阻尼器减震控制装置上

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－图3所示，为本发明的一种实施例。

阻尼器质量主要为实心质量块2和粘滞液体4，再根据需要，可以附加额外质量。阻尼器腔体单元1，尺寸为1000x1000x500mm，中部固定一实心质量块2，尺寸为800x800x300mm，重1000千克，内部预先钻有φ10的预留孔洞（通孔），实心质量块2与阻尼器腔体单元1间充入60%至70%粘滞液体4；非线性弹簧5共四组，长度皆为500mm，外径为25mm，每组20根，一端连在阻尼器腔体单元1上，另一端连于挡板或墙壁所预先安置的水平转轴处，使其实现弹簧在水平方向上的转动。中心结构底部布置@250φ40万向轮6，万向轮支架采用国标304不锈钢，轮子材料采用高强度尼龙。

通过对本装置的研究发现，由于其结合了多种消能减振的方式，故其在风振和地震下的减振率分别能够达到50%和40%以上。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (4)

1.一种非线性调谐质液阻尼器，包括：阻尼器腔体单元（1）、实心质量块（2）、粘滞液体（4）和非线性弹簧（5），其特征在于实心质量块（2）放置于阻尼器腔体单元（1）内，实心质量块（2）外壁与阻尼器腔体单元（1）内壁之间留有间隙，所述间隙处填充有粘滞液体（4），所述实心质量块（2）的四周开有贯通的预留孔洞（3），使粘滞液体（4）可在实心质量块（2）中的预留孔洞（3）内流通，以此来提供粘滞阻力；所述阻尼器腔体单元（1）的四周固定有非线性弹簧（5）；使用时，所述质液阻尼器固定于需要减震的主体结构上，非线性弹簧（5）另一端与主体结构连接；非线性弹簧（5）与主体结构连接处具有水平转轴，可使非线性弹簧（5）水平转动；所述质液阻尼器通过非线性弹簧（5）形成非线性减震系统，非线性弹簧（5）的调谐范围通过增减位于四周的非线性弹簧（5）的刚度来调节。

2.根据权利要求1所述的非线性调谐质液阻尼器，其特征在于：所述粘滞液体（4）加入的体积、比例根据实际减震结构测量调节。

3.根据权利要求1所述的非线性调谐质液阻尼器，其特征在于：阻尼器腔体单元（1）的底部安装有万向轮（6），以实现质液阻尼器水平面内双自由度移动。

4.根据权利要求1所述的非线性调谐质液阻尼器，其特征在于：所述阻尼器腔体单元（1）为矩形结构，其四周各分布有一个非线性弹簧（5）。