CN106522400A - 多阈值控制型调谐质量阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于土木工程的抗风、抗震和减振技术领域，具体涉及一种多阈值控制型调谐质量阻尼器，包括固定挡板、连接杆、金属橡胶杆、弹簧、粘滞阻尼器、颗粒阻尼容器、斜挡板、滑动钢板、颗粒阻尼、滑轨。金属橡胶杆通过连接杆分别与固定挡板和颗粒阻尼容器相连接，弹簧通过连接杆分别与固定挡板和滑动钢板相连接，粘滞阻尼器通过连接杆分别与固定挡板和颗粒阻尼容器相连接，颗粒阻尼容器内设置为多层，每一层放置不同粒径的颗粒阻尼，每一层的两侧放置斜挡板。本发明实现达到减振效率高、时间短、吸振频带宽的效果，有效的抑制结构的整体振动。

Description

多阈值控制型调谐质量阻尼器
技术领域
本发明属于土木工程的抗风、抗震和减振技术领域，具体涉及一种多阈值控制型调谐质量阻尼器。
背景技术
近些年国内外发生破坏性较大的地震灾害已屡见不鲜，这严重威胁着人类赖以为生的建筑物及构筑物，如何提高土木工程地震安全性意义重大。在传统的抗震方法中，地震能量的消耗往往都是通过主体结构本身的非弹性状态来消耗的。因此，新型抗震减振技术的应用和推广成为了十分重要的发展方向。
高耸结构受风、地震等动力荷载作用后，会引起结构动力响应，而通过在结构上加装吸振器可以有效地抑制结构的振动。然而传统线性吸振器(例如TMD)有很大的局限性，因为它通常只在一个特定的频率附近具有良好的吸振效果，传统动力吸振器适用频带较窄，只有多个吸振器联合作用才能实现多模态控制。
近些年，随着非线性振动学特性的研究越来越深入，应用非线性吸振器进行振动能量的衰减和吸收开始引起学者们的兴趣。非线性吸振器具有多种吸振原理，如不规则弱耦合振子间的模态局部化、内共振等。尤其是非线性能量阱（一种含有硬化立方非线性刚度的新型非线性吸振振子命名为非线性能量阱）在振动控制领域的研究有了广泛和深入的发展。非线性能量阱应用到振动抑制中,则在无阻尼条件下,振动或者其他形式的能量会在主结构与非线性附属结构间振荡,在附加阻尼以后,能量在向非线性附属结构传递的过程中会在阻尼作用下耗散,从而不会返回主结构。
金属橡胶是一种适用性强的多功能性阻尼结构材料，其是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有高弹性、高阻尼、重量轻、环境适应性强、孔隙度可控、易于成型、热机械性能好等特点。
颗粒阻尼技术是一种利用在振动体中有限封闭空间内填充的微小颗粒之间的摩擦和冲击作用消耗系统振动能量的一种减振技术。颗粒阻尼技术具有应用环境范围广, 对原结构改动小, 布置位置非常灵活，产生的附加质量小, 不影响结构使用，减振效果显著等优点。所用颗粒取材廉价方便, 一些普通建筑材料, 如钢球、沙子、石子等均可适用。
综上所述，为了改进传统减震控制的不足并充分利用新型减震材料和控制理念，本发明提出了一种多阈值控制型调谐质量阻尼器，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多阈值控制型调谐质量阻尼器，以实现达到减振效率高、时间短、吸振频带宽的效果，有效的抑制结构的整体振动。
为实现上述目的，本发明具体提供的技术方案为：一种多阈值控制型调谐质量阻尼器，包括：固定挡板、连接杆、金属橡胶杆、弹簧、粘滞阻尼器、颗粒阻尼容器、斜挡板、滑动钢板、颗粒阻尼、滑轨。金属橡胶杆通过连接杆分别与固定挡板和颗粒阻尼容器相连接，弹簧通过连接杆分别与固定挡板和滑动钢板相连接，粘滞阻尼器通过连接杆分别与固定挡板和颗粒阻尼容器相连接，颗粒阻尼容器内设置为多层，每一层放置不同粒径的颗粒阻尼，每一层的两侧放置斜挡板，底层为滑动钢板，斜挡板倾斜放置一端固定在颗粒阻尼容器内侧，一端与滑动钢板相连接，滑动钢板通过滑轨固定于颗粒阻尼容器内侧。
金属橡胶杆通过预先拉紧实现硬化立方非线性刚度，金属橡胶杆的预应力大小控制在其极限抗拉强度的40%之内，作为非线性能量阱实现宽频吸振的特性。
金属橡胶杆通过连接杆分别与固定挡板和颗粒阻尼容器相连接，在颗粒阻尼容器的两侧对称分布多个金属橡胶杆，在受风、地震等动力荷载作用下，金属橡胶杆通过宽频吸振特性进行吸振。
弹簧通过连接杆分别与固定挡板和滑动钢板相连接，在颗粒阻尼容器的两侧对称分布多个具有不同弹性极限的弹簧，其弹性极限值即为预设位移阈值。
粘滞阻尼器通过连接杆分别与固定挡板和颗粒阻尼容器相连接，在颗粒阻尼容器的两侧对称分布粘滞阻尼器，在受风和地震等动力作用下，粘滞阻尼器提供基本的阻尼比和耗能能力。
颗粒阻尼容器内设置为多层，每一层放置不同粒径的颗粒阻尼，在受风和地震等动力作用下，每一层的颗粒阻尼之间通过碰撞、运动和摩擦，产生耗能能力和阻尼效果，从而减小结构的动力响应。
颗粒阻尼容器每一层的两侧放置斜挡板，底层为滑动钢板，斜挡板倾斜放置，两端分别固定在颗粒阻尼容器内侧和滑动钢板上。滑动钢板通过滑轨固定于颗粒阻尼容器内侧，滑动钢板咬合的部位设置成互补的缺口型，缺口长度为设置位移阈值，当滑动钢板发生滑动时保证颗粒阻尼先掉落在咬合部位不致立即掉落到下一层，提供缓冲作用。
当滑动钢板在地震下的位移超过设定的阈值位移或弹簧的弹性极限时，上层的颗粒阻尼能够逐渐掉落下一层，如此层层递进，不同粒径的颗粒阻尼会随着结构整体位移的增加而逐渐聚集，不同粒径的颗粒阻尼通过发生运动、碰撞和摩擦，从而产生更强的耗能能力和阻尼性能。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1）本发明采用金属橡胶杆作为非线性能量阱，金属橡胶杆是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有高弹性、高阻尼、重量轻、环境适应性强、孔隙度可控、热机械性能好等特点，金属橡胶杆通过预先拉紧实现硬化立方非线性刚度，在受风、地震等动力荷载作用下，金属橡胶杆通过宽频吸振特性进行吸振，从而达到减振效率高、时间短、吸振频带宽的效果，减小结构的动力响应。
2）本发明采用的金属橡胶杆和粘滞阻尼器都具有非线性阻尼的特性，在风震，地震荷载作用下都能发挥更好的阻尼效果，耗能更多更大的地震能量。
3）本发明采用颗粒阻尼容器各层放置不同粒径的颗粒阻尼，在地震荷载作用下，各层的颗粒阻尼之间通过运动、碰撞和摩擦产生阻尼效果，吸收一定频率的振动，随着结构整体位移的增大，不同粒径的颗粒阻尼逐渐聚在一起，通过运动、碰撞和摩擦会产生不同的耗能能力和阻尼效果，吸收更宽频带的振动，达到更佳的减振效果。
4）本发明采用滑动钢板和具有不同弹性极限的弹簧来控制不同粒径的颗粒阻尼何时聚到一起，保证颗粒阻尼可以随地震荷载强度的变化而提供不同频率的吸振能力。
5）本发明采用多个金属橡胶杆和粘滞阻尼器对称分布在颗粒阻尼容器两侧，结构整体无论发生那个方向的位移，都可以提供更好的耗能能力和减振效果。
附图说明
图1为本发明装置的立体图；图2为本发明装置的正视图；图3为本发明装置滑动钢板和斜挡板详图；图4为本发明装置滑动钢板和滑轨详图。
图中：１－固定挡板、２－连接杆、3－金属橡胶杆、4－弹簧、5－粘滞阻尼器、6－颗粒阻尼容器、7－斜挡板、8－滑动钢板、9－颗粒阻尼、10－滑轨。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-4所示，本发明揭示的是一种多阈值控制型调谐质量阻尼器，包括固定挡板1、连接杆2、金属橡胶杆3、弹簧4、粘滞阻尼器5、颗粒阻尼容器6、斜挡板7、滑动钢板8、颗粒阻尼9、滑轨10；
金属橡胶杆3通过连接杆2分别与固定挡板1和颗粒阻尼容器6相连接，弹簧4通过连接杆2分别与固定挡板1和滑动钢板8相连接，粘滞阻尼器5通过连接杆2分别与固定挡板1和颗粒阻尼容器6相连接，颗粒阻尼容器6内设置为多层，每一层放置不同粒径的颗粒阻尼9，每一层的两侧放置斜挡板7，底层为滑动钢板8，斜挡板7倾斜放置一端固定在颗粒阻尼容器6内侧，一端与滑动钢板8相连接，滑动钢板8通过滑轨10固定于颗粒阻尼容器6内侧。
金属橡胶杆3通过连接杆2分别与固定挡板1和颗粒阻尼容器6相连接。
弹簧4通过连接杆2分别与固定挡板1和滑动钢板8相连接，在颗粒阻尼容器6的两侧对称分布有弹簧4，其弹性极限值即为预设位移阈值。
粘滞阻尼器5通过连接杆2分别与固定挡板1和颗粒阻尼容器6相连接；颗粒阻尼容器6内设置为多层，每一层放置不同的粒径的颗粒阻尼9。
对于一个层数为15、层高为3.0m的建筑结构，平面尺寸为28m×16m，在建筑结构顶部安装该具有非线性能量阱和非线性复合颗粒阻尼的多阈值控制型调谐质量阻尼器。
一种多阈值控制型调谐质量阻尼器实施步骤如下：
1）固定挡板和连接杆采用Q345钢，金属橡胶杆通过连接杆分别与固定挡板和颗粒阻尼容器相连接，弹簧通过连接杆分别与固定挡板和滑动钢板相连接，粘滞阻尼器通过连接杆分别与固定挡板和颗粒阻尼容器相连接，它们之间采用焊接的方式连接。
2）作为非线性能量阱的金属橡胶杆是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有高弹性、高阻尼的特性，在颗粒阻尼容器的两侧各对称布置两个具有不同尺寸的金属橡胶杆，尺寸分别为20×5×5cm、30×8×8cm，金属橡胶杆预应力的大小控制在其极限抗拉强度的25%，同样在颗粒阻尼容器的两侧各对称布置两个具有不同弹性极限值的弹簧，其弹性极限值即为预设位移阈值，粘滞阻尼器对称布置在金弹簧下面。
3）长方体颗粒阻尼容器的尺寸选为1.5×0.5×0.7m，颗粒阻尼容器内划分为三层，底层层高为0.3m，第二、三层层高为0.2m，第二、三层两侧分别布置斜挡板，斜挡板厚20mm，选用Q345钢，斜挡板倾斜角度为30度（与滑动钢板的夹角），斜挡板焊接在颗粒阻尼容器内侧和滑动钢板表面上。
4）颗粒阻尼容器的第二、三层的底层为滑动钢板，选用Q345钢，厚为40mm，滑动钢板的两端通过焊接在连接杆上与弹簧相连接，每层有两块滑动钢板，在它们的咬合部位设置成互补的缺口形状，缺口长等于相应的位移阈值，设置缺口长分别50mm、80mm，高20mm。
5）滑轨通过高强度螺栓固定在颗粒阻尼容器内侧，并将滑动钢板置于滑轨的凹槽里，在滑轨的凹槽里涂抹一层润滑剂，保证滑动钢板需要滑动时可以顺利滑动。
6）颗粒阻尼容器每层放置的颗粒阻尼选用不同粒径的钢球，但是每层颗粒阻尼的直径相同，底层颗粒直径为0.05m，第二层为0.03m，第三层为0.02m。
7）通过模态测试技术获得试结构频率，适当增减颗粒的数量和粒径比例从而改变阻尼器的质量，最终使阻尼器自振频率与结构基本频率相吻合。
8）各构件按图示的位置摆放连接固定好，就可以作为阻尼器用在建筑结构上，在地震作用下发挥很好的耗能减振的功效。
以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (5)

1.一种多阈值控制型调谐质量阻尼器，其特征在于：包括固定挡板（1）、连接杆（2）、金属橡胶杆（3）、弹簧（4）、粘滞阻尼器（5）、颗粒阻尼容器（6）、斜挡板（7）、滑动钢板（8）、颗粒阻尼（9）、滑轨（10）；金属橡胶杆（3）通过连接杆（2）分别与固定挡板（1）和颗粒阻尼容器（6）相连接，弹簧（4）通过连接杆（2）分别与固定挡板（1）和滑动钢板（8）相连接，粘滞阻尼器（5）通过连接杆（2）分别与固定挡板（1）和颗粒阻尼容器（6）相连接，颗粒阻尼容器（6）内设置为多层，每一层放置不同粒径的颗粒阻尼（9），每一层的两侧放置斜挡板（7），底层为滑动钢板（8），斜挡板（7）倾斜放置一端固定在颗粒阻尼容器（6）内侧，一端与滑动钢板（8）相连接，滑动钢板（8）通过滑轨（10）固定于颗粒阻尼容器（6）内侧。
2.根据权利要求1所述的多阈值控制型调谐质量阻尼器，其特征在于：金属橡胶杆（3）通过连接杆（2）分别与固定挡板（1）和颗粒阻尼容器（6）相连接。
3.根据权利要求1所述的多阈值控制型调谐质量阻尼器，其特征在于：弹簧（4）通过连接杆（2）分别与固定挡板（1）和滑动钢板（8）相连接，在颗粒阻尼容器（6）的两侧对称分布有弹簧（4），其弹性极限值即为预设位移阈值。
4.根据权利要求1所述的多阈值控制型调谐质量阻尼器，其特征在于：粘滞阻尼器（5）通过连接杆（2）分别与固定挡板（1）和颗粒阻尼容器（6）相连接。
5.根据权利要求1所述的多阈值控制型调谐质量阻尼器，其特征在于：颗粒阻尼容器（6）内设置为多层，每一层放置不同的粒径的颗粒阻尼（9）。
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