CN106436947B - 一种用于大跨度结构的减震装置及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于大跨度结构的减震装置及其设计方法，包括顶板、底板以及设在顶板和底板之间的质量块，顶板和底板之间设有滑杆，滑杆两端分别与顶板和底板固定连接，质量块设有与滑杆对应的通孔，通孔内设有滑块，滑杆穿过滑块，顶板和质量块之间、底板与质量块之间分别设有阻尼结构。与现有技术相比，本发明减振装置设计简洁，可分块制作，便于工厂模块化生产，提高加工效率，缩短施工周期，适用性强；附加装置质量小、与主结构连接方式简单，不需要复杂的结构体系来支持其安装；该装置可以通过更换附加质量块，达到随时调整减震装置频率的目的；该减震装置中还设置限位缓冲块，保障了使用的安全。
Description
技术领域
本发明涉及大跨度建筑抗震领域，尤其是涉及一种用于大跨度结构的减震装置及其设计方法。
背景技术
随着经济和城市建设发展的需要，建筑物和桥梁的跨度和规模越来越大，大跨度结构常见于体育、会议展览和机场建筑以及大跨桥梁等。近几年建筑设计施工技术发生了很大变革，计算方法的进步、轻质高强材料的使用使得结构体系变得更轻、更柔、阻尼更小，而设计趋势是用最小重量的结构系统来跨越较长的跨度，这样就降低了结构的刚度和阻尼。传统的设计方法，通过改变结构的刚度和结构型式，提高结构的频率降低结构的振动；但从技术经济、美观和空间利用的角度看，在很多情况下不合理的。
采用调频质量阻尼器的减振方法来解决上述问题，则是一种经济和合理的解决方法。调频质量阻尼器(TMD)是应用最早的结构被动控制装置之一，是由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动系统。当主结构在外激励作用下产生振动时，带动调频质量阻尼器一起振动，其产生的惯性力反作用到结构上，其阻尼也发挥消能作用，使主结构的振动反应衰减并受到控制。
目前，TMD减震系统在高层及高耸结构振动控制中已被验证为经济有效的手段之一，而在大跨空间结构中，由于其振型复杂、频率杂糅等特点，TMD减震的研究仅仅停留在理论分析方面，在实际工程中的应用很少，该理论没有运用于实际结构的一个重要原因是缺少一套行之有效的大跨度结构减震控制装置。
中国专利CN 105156578 A公开了一种调频质量阻尼器，包括上支架、下支架和质量块，上支架和下支架两侧中部通过粘滞阻尼器连接。上支架和下支架两侧前部设有一档套杆组件和二档套杆组件，在一档套杆组件或二档套杆组件上套装弹簧；上支架上端左右两侧设有导轨，导轨上滑动连接质量块，质量块后端连接调节丝杆，调节丝杆与固定在上支架后部的丝杆螺母连接。大跨度结构振动过程中，仅控制竖向振动，水平方向的振动虽不控制，但也是不可忽略的，此发明专利为竖向可调频质量阻尼器，缺乏对质量块水平方向的限位装置。
中国专利CN 101806104 B公开了一种悬吊式的调频质量阻尼器，包括弹簧、质量块和粘滞流体阻尼器，质量块通过弹簧和粘滞流体阻尼器悬吊在上悬梁或顶板上，粘滞流体阻尼器主要由密封的缸筒、穿过缸筒可上下滑动的导杆和固定在导杆上的活塞构成，粘滞流体阻尼器的阻尼系数随着粘滞流体阻尼器位移的变化而变化。此发明专利设计的质量块位于整个调频质量阻尼器下端，重心偏下，虽设置了“双向导向定位装置”可保证自身结构不被破坏，但对主结构带来的侧向弯矩影响较大。另，此调频质量阻尼器通过改变弹簧的有效圈数来调整阻尼器频率，调整的频率范围有限且不连续。
此外，上述两篇专利均未设计与主体结构的连接。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种用于大跨度结构的减震装置及其设计方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于大跨度结构的减震装置，包括顶板、底板以及设在顶板和底板之间的质量块，所述的顶板和底板之间设有滑杆，滑杆两端分别与顶板和底板固定连接，所述的质量块设有与滑杆对应的通孔，通孔内设有滑块，所述的滑杆穿过滑块，所述的顶板和质量块之间、底板与质量块之间分别设有阻尼结构，通过阻尼结构，振动时质量块沿滑杆做往复运动，使用时，将本装置安装在结构的设计位置上。
所述的质量块为方块，质量块的四周通过螺杆连接多个附加质量块，所述的质量块以及附加质量块采用密度大的金属材料制作，优选为铸铁。
所述的阻尼结构由弹簧和阻尼器组成，弹簧的一端固定在质量块上，另一端与阻尼器连接，阻尼器的另一端连接在顶板或底板上。
所述的顶板与底板的四周开有螺孔，所述的滑杆的两端分别与顶板和底板上的螺孔固定连接。
所述的顶板和底板上设有多个限位缓冲块，所述的限位缓冲块包括缓冲层和磁铁层，所述的缓冲层采用树脂或橡胶制得。
所述的质量块的上下表面设有与限位缓冲块对应的磁铁块，该磁铁块与顶板或底板上的磁铁层磁极设为相互吸引。
所述的顶板上端设有与减震主结构相连接的螺栓，所述的滑块通过固定螺丝与质量块连接。
所述的附加质量块设有2-4个，且对称布置。
所述的减震装置中的质量块以及弹簧的设计，具体采用以下方法：
(a)根据减震效果以及主结构悬挂处局部的承压能力，确定单个减震装置质量块的质量mTMD；
(b)根据设计资料或现场实测，确定主结构动力响应主要贡献振型所对应的频率fs，确定减震装置质量块的运动频率fTMD＝fs；
(c)根据公式kTMD＝mTMD(2·π·fTMD)2/N确定每个弹簧的刚度系数，其中N为弹簧根数；
(d)根据公式kTMD＝Gd4/(8D3n)，选择或制作符合要求的弹簧，其中，G为弹簧的切变模量，d为弹簧丝的直径，D为弹簧的中径，n为弹簧有效圈数。
所述的mTMD为质量块质量和附加质量块的质量总和。
本发明针对大跨度主结构由于在竖直方向刚度较弱，主结构以竖向运动为主的动力特性，运用TMD的减震原理，提供一种行之有效的减震装置，对主结构加以保护。该装置通过螺栓与主结构紧密相连，与主结构形成一个整体，仅有在滑杆上的质量块与主结构有竖向的相对运动。当主结构受到干扰振动时，带动减震装置中的质量块运动。由共振原理，当质量块运动的频率与主结构运动的频率接近或相同时，质量块达到共振状态，在该状态下，减震装置会施加与主结构运动反方向的力来减弱主结构的运动，从而对主结构起到保护作用；从能量的角度来说，主结构运动的能量转移到减震装置上，再由减震装置上的阻尼耗散掉，从而减少了主结构的运动能量。
本减震装置的TMD质量块由质量块和附加质量块组成，附加质量块可进行更换和拆卸，考虑到以下两方面：(1)结构设计与实际有差别，所要控制的主要频率，可能会有变化，而在减震装置已加工好的情况下可通过更换附加质量块来调整减震装置TMD质量块的质量，从而可调整TMD的频率使其与结构接近；(2)在主结构经受了较大的震动作用后，主结构的动力特性发生改变，原减震装置可能已无法发挥减震作用，此时可通过更换附加质量块，调节该减震装置的频率与结构主频率接近，使之在地震之后也能起到较好的减震效果。
与现有技术相比，本发明减震装置利用大跨度结构动力特性，抓住主要矛盾，仅对主结构进行了竖向振动控制，通过单向的控制达到多向减震的效果。本发明减震装置设计简洁，可分块制作，便于工厂模块化生产，提高加工效率，缩短施工周期，适用性强；本减震装置附加质量小、与主结构连接方式简单，不需要复杂的结构体系来支持其安装。该减震装置不仅可在结构施工阶段直接安装在结构中，还可以在一些需要加固的既有大跨度结构上安装，达到减震效果；该减震装置可以通过更换附加质量块，可随时调整减震装置频率；该减震装置中还设置限位缓冲块，当弹簧失效后，质量块与减震装置吸附在一起，不至于对结构施加额外的动力荷载，保障了使用的安全。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的质量块通孔与滑块安装局部示意图；
图3为本发明阻尼结构的示意图；
图4为本发明的使用状态示意图；
图中：1-顶板；2-阻尼结构；3-质量块；4-附加质量块；5-滑杆；6-限位缓冲块；7-底板；8-主结构；11-螺栓；21-弹簧；22-阻尼器；31-通孔；32-磁铁块；41-螺杆；51-滑块；52-固定螺丝；61-缓冲层；62-磁铁层；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种用于大跨度结构的减震装置，如图1-3所示，包括顶板1、底板7以及设在顶板1和底板7之间的质量块3，顶板1和底板7之间设有四个滑杆5，顶板1与底板7的四周开有螺孔，滑杆5的两端分别与顶板1和底板7上的螺孔固定连接。质量块3设有与滑杆5对应的通孔31，通孔31内设有滑块51，滑杆5穿过滑块51，顶板1和质量块3之间、底板7与质量块3之间分别设有阻尼结构2。
质量块3为方块，质量块3的四周通过螺杆41连接四个附加质量块4，附加质量块4对称布置。质量块3以及附加质量块4采用密度大的金属材料制作。阻尼结构2由弹簧21和阻尼器22组成，弹簧21的一端固定在质量块3上，另一端与阻尼器22连接，阻尼器22的另一端连接在顶板1或底板7上。顶板1和底板7上设有四个限位缓冲块6，限位缓冲块6包括缓冲层61和磁铁层62，缓冲层61采用橡胶制得。
质量块3的上下表面设有与限位缓冲块对应的磁铁块32，该磁铁块32与顶板1或底板7上的磁铁层62磁极设为相互吸引。顶板1上端设有与减震主结构8相连接的螺栓11，滑块51通过固定螺丝52与质量块3连接。
本装置在使用时，将该装置装在主结构8的下部，图4为使用状态示意图，当主结构8受到干扰振动时，带动减震装置中的质量块3运动。当质量块3运动的频率与主结构8运动的频率接近或相同时，质量块3达到共振状态，在该状态下，减震装置会施加与主结构8运动反方向的力来减弱主结构的运动，从而对主结构起到保护作用。
实施例2
该减震装置的质量块以及弹簧设计，具体采用以下步骤：
(a)根据减震效果以及主结构悬挂处局部的承压能力，确定单个减震装置质量块的质量mTMD，mTMD为质量块质量和附加质量块的质量总和；
(b)根据设计资料或现场实测，确定主结构动力响应主要贡献振型所对应的频率fs，确定减震装置质量块的运动频率fTMD＝fs；
(c)根据公式kTMD＝mTMD(2·π·fTMD)2/N确定每个弹簧的刚度系数，其中N为弹簧根数；
(d)根据公式kTMD＝Gd4/(8D3n)，选择或制作符合要求的弹簧，其中，G为弹簧的切变模量，d为弹簧丝的直径，D为弹簧的中径，n为弹簧有效圈数。
Claims (7)
1.一种用于大跨度结构的减震装置，包括顶板(1)、底板(7)以及设在顶板(1)和底板(7)之间的质量块(3)，其特征在于，所述的顶板(1)和底板(7)之间设有滑杆(5)，滑杆(5)两端分别与顶板(1)和底板(7)固定连接，所述的质量块(3)设有与滑杆(5)对应的通孔(31)，通孔(31)内设有滑块(51)，所述的滑杆(5)穿过滑块(51)，所述的顶板(1)和质量块(3)之间、底板(7)与质量块(3)之间分别设有阻尼结构(2)，通过阻尼结构(2)，振动时质量块(3)沿滑杆(5)做往复运动，所述的质量块(3)为方块，质量块(3)的四周通过螺杆(41)连接附加质量块(4)，所述的质量块(3)以及附加质量块(4)采用密度大的金属材料制作，
所述的顶板(1)和底板(7)上设有限位缓冲块(6)，所述的限位缓冲块(6)包括缓冲层(61)和磁铁层(62)，所述的缓冲层(61)采用树脂或橡胶制得，所述的质量块(3)的上下表面设有与限位缓冲块(6)对应的磁铁块(32)，该磁铁块(32)与顶板(1)或底板(7)上的磁铁层(62)磁极设为相互吸引。
2.根据权利要求1所述的一种用于大跨度结构的减震装置，其特征在于，所述的阻尼结构由弹簧(21)和阻尼器(22)组成，弹簧(21)的一端固定在质量块(3)上，另一端与阻尼器(22)连接，阻尼器(22)的另一端连接在顶板(1)或底板(7)上。
3.根据权利要求1所述的一种用于大跨度结构的减震装置，其特征在于，所述的顶板(1)与底板(7)的四周开有螺孔，所述的滑杆(5)的两端分别与顶板(1)和底板(7)上的螺孔固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于大跨度结构的减震装置，其特征在于，所述的顶板(1)上端设有与减震主结构相连接的螺栓(11)，所述的滑块(51)通过固定螺丝(52)与质量块(3)连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于大跨度结构的减震装置，其特征在于，所述的附加质量块(4)对称布置。
6.一种如权利要求1所述的用于大跨度结构的减震装置的设计方法，其特征在于，所述的减震装置中的质量块(3)以及弹簧(21)的设计，具体采用以下方法：
(a)根据减震效果以及主结构悬挂处局部的承压能力，确定单个减震装置质量块的质量mTMD；
(b)根据设计资料或现场实测，确定主结构动力响应主要贡献振型所对应的频率fs，确定减震装置质量块的运动频率fTMD＝fs；
(c)根据公式kTMD＝mTMD(2·π·fTMD)2/N确定每个弹簧的刚度系数，其中N为弹簧根数；
(d)根据公式kTMD＝Gd4/(8D3n)，选择或制作符合要求的弹簧，其中，G为弹簧的切变模量，d为弹簧丝的直径，D为弹簧的中径，n为弹簧有效圈数。
7.根据权利要求6所述的用于大跨度结构的减震装置的设计方法，其特征在于，所述的mTMD为质量块(3)的质量和附加质量块(4)的质量总和。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190806 |