CN106639022A - 一种新型非线性减震器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非线性减震器。本发明能有效耗散主体传入的能量且单向传入减震器中、宽频抗震、避免共振破坏的难题；不仅具有适宜的刚度和阻尼性能，而且性能稳定，结构紧凑，频率可变，破坏可控，加工制作容易。本发明的吸振器主要为水平吸震装置，结构总体外形呈长条状，其组成包括：1、端部固定构件,2、连接预埋件，3、硅胶阻尼垫，4、非线性刚性弹簧，5、钢管滑道，6、NES振子。本发明除了可以用于工程结构的层间隔震、基础隔震外，还可以用于机械设备的隔震。

Description

一种新型非线性减震器

技术领域：

本发明涉及一种新型非线性减震器。

背景技术：

由于地震波在地下传导的过程中，释放大量的能量，传统的建筑结构，依靠结构本身的强度、刚度和延性来消耗地震能量。当结构所承受的地震作用超过极限承载能力后，就无法满足安全要求。如果在结构中安装一种能大幅度耗掉并瞬间俘获地震能的附属子结构，将能量传至附属子结构而不再由主体结构承担，则会有效地减小地震对主体结构的作用及损失；其次减震子结构会改变主体结构在地震作用下的动力反应，削弱以第一阶振型为主的地震作用，从而减小结构的位移反应和加速度反应，保证主体结构的稳定与安全。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新型非线性减震器。

为了最大限度地减轻地震灾害，人们提出了结构控制的概念。主动控制由于需要稳定的外部能源，复杂且昂贵的控制系统不易实现。被动控制中的结构隔震有线性减震器和非线性减震器两种，传统的线性减震器只在其固有频率处具有良好的吸振效果，而在更宽频带范围内难以有效解决振动抑制问题。现提出一种新型非线性减震器，非线性减震器主要由质量块、非线性刚性弹簧和阻尼垫组成。它的非线性刚性弹簧没有特定的固有频率，可以随主结构的多阶频率振动并且吸收能量，使得非线性减震器具有较大吸振宽带，作为实现靶能量传递的非线性减震器，它能够瞬间俘获地震能，使结构与其产生瞬间内共振，能量就能以足够快的速度从结构中提取并单向传至附属结构，并在附属结构内继续消散而不扩展返回到主体结构，这样就能够大大减小地震响应对主要结构的影响。该装置不仅具有适宜的刚度和阻尼性能，而且效率高，鲁棒性强，减振所需时间短，性能稳定，加工制作容易。除了可以用于工程结构的层间隔震以及旧有建筑物的抗震改造外，还可以用于航天领域局部减振及机械设备装置的隔震。因此，具有广阔的应用前景。

在充分分析新型非线性减震器装置性能的基础上，设计并制造了减震器装置模型，对该模型刚度、系统摩擦系数及阻尼性能进行了研究和理论分析。研究分析结果表明：普通框架结构耗能主要通过结构的塑性损伤消耗地震输入的能量，安装非线性减震器的框架结构主要通过减震器吸收地震输入的能量，从而减小地震对主体结构的破坏，发挥减震效果；安装有非线性减震器的框架结构可以有效减小上部结构的加速度响应，并在很大程度上减小上部结构的层间位移角，延长了结构自振周期，具有良好的减震性能。同时，安装有非线性减震器的框架结构可比普通框架结构按本地区的抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。

上述的目的通过以下技术方案实现：

新型非线性减震器属结构隔震控制领域。现有的新型非线性减震器要将其应用于建筑结构中，存在以下问题：

(1)不适于层间位移小的配筋砌体结构；

(2)新型非线性减震器用于层间隔震时，在高层建筑的屋面部位可能会出现鞭梢效应；

本发明的新型非线性减震器主要为水平减震装置，该装置外形总体呈长条状，采用一种光滑钢管穿过立方体NES振子的滑道装置，光滑的钢管表面具有非常小的摩擦系数，使该立方体NES振子在往复运动中的快速耗能能力及振动稳定性得到了有效保证；同时非线性弹簧的设置，使该装置具有自复位和限位功能；滑道两端的硅胶阻尼垫将增大该装置的阻尼并协助NES振子消耗地震能量。

新型非线性减震器，其组成包括：1、端部固定构件,2、连接预埋件，3、硅胶阻尼垫，4、非线性刚性弹簧，5、钢管滑道，6、NES振子。所述的硅胶阻尼垫3与立方体刚性NES振子4高度相同，通过螺栓固定在两端的固定构件上；所述的空心圆柱体钢管滑道通过螺栓连接在两端的固定构件上；所述的立方体刚性NES振子的形心处圆柱孔洞直径大于空心圆柱体钢管滑道直径，将立方体刚性NES振子套在空心圆柱 体钢管滑道上；所述非线性弹簧一端焊接在立方体刚性NES振子上，另一端焊接在端部固定构件上，两侧一致。

这个技术方案有以下有益效果：

1、新型非线性减震器可以设置在建筑物的基础、层间及顶部，设置位置灵活，还可将减震器布置在结构形式发生变化的部位或者是竖向刚度有突变的部位。隔震层设置位置不同，产生的效果也不同。在结构底部布置隔震层可以充当基础隔震装置，有效的降低结构的自振频率，延长结构整体的周期，大大远离场地的特征周期，从而减小地震时发生共振的可能性；在建筑结构各层间设置隔震层，可以同时控制上下结构的地震反应加速度，从而减小地震作用；在建筑结构顶部布置隔震层可以调整振型参与方式，有效减小上部结构的层间位移。

2、新型非线性减震器与传统线性吸振器不同之处在于其系统的硬化立方刚度，硬化代表弹簧刚度大且具有非线性，而立方刚度是指该模型的恢复力与质点位移成三次方比例关系。系统硬化立方刚度可以使NES所吸收的能量不返回到主体结构，另外系统硬非线性立方刚度可以锁定多个共振频率，使得NES锁定的频率比传统吸振器更加宽泛。

3、新型减震器中的阻尼垫可以限制NES运动范围并吸收消耗主体结构传来的地震能量，振幅稳定，起到了较好的振动耗能控制效果，使主体结构迅速复位。

4、新型减震器应用领域广泛，在建筑结构中适用于不同结构类型。

5、本发明对结构形式和层数没有特别限制，施工简便，但要实现最优靶能量传递需满足下述条件：

(1)在罕遇地震中，地震能量达到一定值；

(2)非线性减震器的质量与主结构质量之比临界值大于0.056且远小于1；

(2)非线性减震器的阻尼应小于1/√3倍的主结构固有频率；

附图说明：

附图1是本产品的结构示意图。附图标记说明如下：

1、端部固定构件,2、连接预埋件，3、硅胶阻尼垫，4、非线性刚性弹簧，5、钢管滑道，6、NES振子

附图2是本产品立方体NES振子的剖面图，中心圆孔为钢管滑道的孔洞，剖面图中右上侧一点为非线性刚性弹簧。

具体实施方式：

实施例1：

新型非线性减震器，其组成包括：1、端部固定构件,2、连接预埋件，3、硅胶阻尼垫，4、非线性刚性弹簧，5、钢管滑道，6、NES振子。所述的硅胶阻尼垫3与立方体刚性NES振子4高度相同，通过螺栓固定在两端的固定构件上；所述的空心圆柱体钢管滑道通过螺栓连接在两端的固定构件上；所述的立方体刚性NES振子的形心处圆柱孔洞直径大于空心圆柱体钢管滑道直径，将立方体刚性NES振子套在空心圆柱体钢管滑道上；所述非线性弹簧一端焊接在立方体刚性NES振子上，另一端焊接在端部固定构件上，两侧一致。

实施例2：

工作过程描述：

上述的新型非线性减震器，对于钢筋混凝土框架结构房屋，在设计时若将此减震器放在梁中，需在梁中设好预埋件，保证减震器与结构可靠连接，控制其滑道摩擦系数，确保附属结构吸能水平。

当罕遇地震发生时，减振装置在强地震工作状态的同时，装置本体的运动增强，瞬间捕获地震频率，使减震装置频率接近主结构频率，从而将主结构频率传至减震器中，耗散主结构能量，减小地震对主体结构的作用，并可以进一步延长结构的自振周期。

新型减震器的作用是：能在宽频范围内迅速吸收地震动产生的能量，并能将其转换为减震系统的阻尼耗能，能从根本上减少结构所需要通过构件损伤以及结构位移作为代价来消耗的大量地震能，从而来减轻结构的塑性损伤，同时可确保结构不会被地震作用破坏，在不增加结构的刚度和延性的基础上，利用非线性减震器不仅能有效地减小地震作用，同时也能降低造价。

新型非线性减振器安装在钢筋混凝土框架结构的梁跨中底部位置，可按下列顺序布置减震器：

(1)设计框架结构；

(2)在梁跨中底部设置预埋件；

(3)将预埋件与非线性减震器两端的固定构件连接；

(4)硅胶阻尼垫用螺栓固定在两端固定构件上，与NES振子高度一致；

(5)NES振子套在钢管滑道上；

(6)钢管滑道通过其两端螺纹固定在两端固定构件上；

(7)非线性刚性弹簧一端焊接在固定构件上，一端焊接在NES振子上，两侧一致。

Claims (1)

1.新型非线性减震器组成由左至右依次为：(1)、端部固定构件,(2)、连接预埋件，(3)、硅胶阻尼垫，(4)、非线性刚性弹簧，(5)、钢管滑道，(6)、NES振子。硅胶阻尼垫(3)与立方体刚性NES振子(6)高度相同，通过螺钉固定在两端固定构件上(1)；空心圆柱体钢管滑道(5)通过螺栓固定在两端的固定构件(1)上；立方体刚性NES振子(6)形心处圆柱孔洞直径大于空心圆柱体钢管滑道(5)，将立方体NES振子套在在空心圆柱体钢管滑道(5)上；立方体刚性NES振子(6)形心处圆柱孔洞与空心圆柱体钢管滑道(5)的圆心在一条直线上，非线性弹簧(4)一端焊接在立方体刚性NES振子(6)上，一端焊接在端部固定构件(1)上，两侧一致。

一种新型非线性减震器，总体外形呈长条状，为水平隔震装置。其主要组成为：非线性刚性弹簧、硅胶阻尼垫及NES振子，(1)、其弹簧本身所具有的强刚度非线性可以使NES振子所吸收的能量不返回到主结构；(2)、它可以锁定多个共振频率，使得NES振子锁定的频率比传统减震器更加广泛；(3)、附加的硅胶阻尼垫增大了该装置的阻尼并协助NES消耗地震能量。