CN106836543B - 串联机制的可调被动负刚度阻尼器 - Google Patents

串联机制的可调被动负刚度阻尼器 Download PDF

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Abstract

一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，包括正、负刚度串联机构和普通阻尼器，所述的正、负刚度串联机构包括正刚度单元和负刚度单元，所述的正刚度单元包括机械弹簧和上、下连接件，机械弹簧的两端分别与上、下连接件固定连接，保证机械弹簧能够承受拉压往复荷载；所述的负刚度单元包括外框、两个预压弹簧、导杆和滑块，导杆的下端固定连接到外框底面的中心位置，滑块套在导杆上，能够沿导杆自由光滑运动，将阻尼单元与正负刚度串联机构整体并联，可仅调节刚度而不改变阻尼；将普通阻尼器部分与正刚度或负刚度通过构造分别并联，则可同时调节刚度和阻尼。本发明能够提高对土木结构尤其是超大尺寸土木结构的抗震减振效果。

Description

串联机制的可调被动负刚度阻尼器
技术领域
本发明属于土木工程结构振动控制领域，具体涉及一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器。
背景技术
随着经济发展和技术进步，土木结构体积也愈来愈大，比如中国广州电视塔高600m，迪拜哈利法塔则总高度达到828m；2008年建成的中国苏通大桥车，主跨突破千米级，达到1088m，2012年建成的俄罗斯岛大桥主跨则达到1102m。作为斜拉桥主要受力构件，俄罗斯岛大桥中最长斜拉索为483m，而中国苏通大桥最长斜拉索达到577m。体积的增大使得结构或构件周期变得更长，阻尼更小，在地震、强风等随机突发性自然灾害时，容易发生强烈振动，甚至造成破坏而导致人员伤亡和经济损失。结构振动控制则通过附加阻尼器来耗散或吸收振动能量，可以显著提高结构阻尼水平，减小结构动力反应，进而实现防灾减灾目的。控制装置的阻尼力性能基本上决定了结构振动控制所能实现的效果。
受安装位置和本身性能限制，传统阻尼器能给土木工程结构、尤其是超大体积土木工程结构提供的附加模态阻尼比显得愈加不足。在斜拉桥、斜拉索等主动、半主动振动控制研究中，学者们发现负刚度趋势阻尼力可以增大安装位置处位移，进而增加耗能，实现更大阻尼比和更优的控制效果。而主动、半主动控制的负刚度阻尼力需要控制器、传感器、外部能源等支持来实时实现，较为复杂，能实现的负刚度大小一定程度上也受限于半主动阻尼器本身性能。因此，如何被动地实现负刚度，并可以调节实现任意需要的负刚度力，以达到振动控制需要水平则成为了提高土木工程结构尤其是超大体积土木结构振动控制效果的有效途径。
发明内容
基于以上不足之处，本发明提供一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，在已有较小的被动负刚度和阻尼情况下，通过串联机制调节实现更大的负刚度与阻尼，以较小代价实现土木工程结构尤其是超大体积土木工程结构抗震减振所需控制力，可用于建筑结构、桥梁、拉索，尤其是超大体积土木结构等抗震减振。
本发明目的是这样实现的：一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，包括正、负刚度串联机构和普通阻尼器，所述的正、负刚度串联机构包括正刚度单元和负刚度单元，
所述的正刚度单元包括机械弹簧和上、下连接件，机械弹簧的两端分别与上、下连接件固定连接，保证机械弹簧能够承受拉压往复荷载；
所述的负刚度单元包括外框、两个预压弹簧、导杆和滑块，导杆的下端固定连接到外框底面的中心位置，滑块套在导杆上，能够沿导杆自由光滑运动，滑块的两侧分别与一个预压弹簧的一端连接，每个预压弹簧的另外一端与外框内壁铰接；
所述的上、下连接件中间都开有圆孔，上、下连接件能够穿过所述的导杆并自由运动，下连接件与滑块固定连接；
普通阻尼器的活塞杆上端与正刚度单元的上连接件并联固定连接，普通阻尼器的固定端与负刚度单元的外框固定连接，从而形成结构一。
本发明还具有如下技术特征：
1、或者普通阻尼器的活塞杆作为导杆的一部分与负刚度单元的滑块固定连接，普通阻尼器的固定端与负刚度单元的外框底面的中心固定连接，从而形成结构二；
2、或者普通阻尼器的活塞杆上端与正刚度单元的上连接件固定连接，普通阻尼器的固定端与正刚度单元的下连接件固定连接，将普通阻尼器与机械弹簧共同设置在上、下连接件之间，从而形成结构三。
3、当为结构一时，通过选取不同刚度机械弹簧，而实现更大的负刚度，而不改变耗能阻尼力。
4、当为结构二或三时，同时调节改变刚度和阻尼；选用不同机械弹簧刚度，能够调节实现更大的负刚度与阻尼。
本阻尼器在使用时，通过正、负刚度串联机构引入内部位移，并不改变外界端部连接，所以外界端部与结构的连接与传统阻尼器一致。根据振动控制设计理论得到需要的控制力后，则可以根据已有的较小的负刚度和阻尼，选择适当正刚度单元参数，调节放大负刚度和阻尼，以较小代价实现较大的负刚度与阻尼，提高对土木工程结构/构件的振动控制效果。
本发明的阻尼器，通过引入调节机制，在已知较小负刚度和阻尼情况下，可以改变调节实现更大更优的负刚度和阻尼以达到所需水平。
附图说明
图1为正、负刚度串联机构结构图；
图2为实施例2的串联机制的可调被动负刚度阻尼器结构图；
图3为实施例3的串联机制的可调被动负刚度阻尼器结构图；
图4为实施例4的串联机制的可调被动负刚度阻尼器结构图；
图5为取阻尼为线性粘滞阻尼时，实施例2中所示结构的力-位移滞回曲线示意图；
图6为取阻尼为线性粘滞阻尼时，实施例3中所示结构的力-位移滞回曲线示意图；
图7为取阻尼为库伦摩擦力时，实施例3中所示结构的力-位移滞回曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步详细说明，但是本发明的保护范围并不只限于此。
实施例1
结合图1所示，本实施例的正、负刚度串联机构，包括正、负刚度单元，所述的正刚度单元包括机械弹簧2、上连接件1和下连接件3，机械弹簧2的两端分别与上连接件1、下连接件3固定连接，保证机械弹簧1能够承受拉压往复荷载；
所述的负刚度单元包括外框7、两个预压弹簧6、导杆5和滑块4，导杆5的下端固定连接到外框7底面的中心位置，滑块4套在导杆5上，能够沿导杆5自由光滑运动，滑块4的两侧分别与一个预压弹簧6的一端连接，每个预压弹簧6的另外一端与外框7内壁铰接；
所述的上、下连接件中间都开有圆孔，上、下连接件能够穿过所述的导杆并自由运动，下连接件与滑块固定连接。
实施例2
结合图2所示，一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，包括实施例1所述的正、负刚度串联机构和普通阻尼器，普通阻尼器可以是粘滞、摩擦等任意的耗散能量出力，普通阻尼器的活塞杆上端与正刚度单元的上连接件并联固定连接，普通阻尼器的固定端与负刚度单元的外框固定连接；通过更换不同刚度机械弹簧2，可以调节实现更大的负刚度，而不改变耗能阻尼力。
实施例3
结合图3，一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，包括实施例1所述的正、负刚度串联机构和普通阻尼器，普通阻尼器可以是粘滞、摩擦等任意的耗散能量出力，普通阻尼器的活塞杆作为导杆的一部分与负刚度单元的滑块固定连接，普通阻尼器的固定端与负刚度单元的外框底面的中心固定连接，本实施例提供的串联机制的可调被动负刚度阻尼器，可同时调节实现更大负刚度和更大耗能阻尼力。
实施例4
结合图4，一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，包括实施例1所述的正、负刚度串联机构和普通阻尼器，普通阻尼器可以是粘滞、摩擦等任意的耗散能量出力，普通阻尼器的活塞杆上端与正刚度单元的上连接件固定连接，普通阻尼器的固定端与正刚度单元的下连接件固定连接，此时，将普通阻尼器与机械弹簧共同设置在上下连接件之间，本实施例提供的串联机制的可调被动负刚度阻尼器，可同时调节实现更大负刚度和更大耗能阻尼力。
实施例5
结合图5-7，是本发明提供的串联机制的可调被动负刚度阻尼器，在固定已有负刚度和阻尼单元情况下，采用不同正刚度时力-位移滞回曲线示意图。
图5为采用实施例2中结构，阻尼采用线性粘滞系数为1时的滞回曲线，其中横轴表示无量纲位移，纵轴是无量纲出力，k1表示原有负刚度，其值等于-1。采用不同正刚度k2时，当k2＝1.2时，可调被动负刚度阻尼器滞回曲线实现负刚度为-6，放大了6倍；当k2＝1.8时，可调被动负刚度阻尼器滞回曲线实现正刚度为-2.25，数值上均明显大于原有刚度值。
图6为采用实施例3中结构，阻尼采用线性粘滞阻尼时，原有无量纲负刚度k1＝-1，无量纲粘滞阻尼c1＝0.15。当正刚度k2＝1.2时，滞回曲线负刚度趋势为-3.4，放大了3.4倍；当正刚度k2＝1.8，可调被动负刚度阻尼器实现负刚度-2.1，放大了2.1倍；两种情况下，粘滞阻尼单元均得到显著放大，分别放大了23.3倍和4.9倍，表现为图6中滞回曲线显著比原有滞回曲线饱满，即耗散更多的振动能量。
图7为采用实施例3中结构，阻尼采用库伦摩擦力时，原有无量纲负刚度k1＝-1，无量库伦摩擦力为0.5。当正刚度k2＝1.2时，滞回曲线负刚度趋势为-6，放大了6倍，而库伦摩擦力为3，同样放大了6倍；当正刚度k2＝1.8，可调被动阻尼器实现正刚度2.25，库伦摩擦力为1.13，同样放大了2.25倍。
图4中可调被动负刚度阻尼器实现效果与图3中可调被动负刚度阻尼器类似，在此不再详细列出。值得指出的是，图5-7对负刚度和阻尼放大倍数仅是在特定参数组合下串联机制的可调被动负刚度阻尼器所能实现效果，调整不同参数数值，将能实现更大地放大和调节效果。
本发明提供了一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，可以根据需要选取适当参数，调节放大原有负刚度和阻尼，以更小代价实现更大更优阻尼器出力，达到土木工程结构，尤其是超大体积土木工程结构振动抗震减振所需控制力。

Claims (5)

1.一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，包括正、负刚度串联机构和普通阻尼器，所述的正、负刚度串联机构包括正刚度单元和负刚度单元，其特征在于：
所述的正刚度单元包括机械弹簧和上、下连接件，机械弹簧的两端分别与上、下连接件固定连接，保证机械弹簧能够承受拉压往复荷载；
所述的负刚度单元包括外框、两个预压弹簧、导杆和滑块，导杆的下端固定连接到外框底面的中心位置，滑块套在导杆上，能够沿导杆自由光滑运动，滑块的两侧分别与一个预压弹簧的一端连接，每个预压弹簧的另外一端与外框内壁铰接；
所述的上、下连接件中间都开有圆孔，上、下连接件能够穿过所述的导杆，并能够自由运动，下连接件与滑块固定连接；
所述的普通阻尼器的活塞杆上端与正刚度单元的上连接件并联固定连接，普通阻尼器的固定端与负刚度单元的外框固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，其特征在于：通过选取不同刚度机械弹簧，而实现更大的负刚度，而不改变耗能阻尼力。
3.一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，包括正、负刚度串联机构和普通阻尼器，所述的正、负刚度串联机构包括正刚度单元和负刚度单元，其特征在于：
所述的正刚度单元包括机械弹簧和上、下连接件，机械弹簧的两端分别与上、下连接件固定连接，保证机械弹簧能够承受拉压往复荷载；
所述的负刚度单元包括外框、两个预压弹簧和滑块，滑块套在所述的普通阻尼器的活塞杆上，能够沿活塞杆自由光滑运动，滑块的两侧分别与一个预压弹簧的一端连接，每个预压弹簧的另外一端与外框内壁铰接；
所述的上、下连接件中间都开有圆孔，上、下连接件能够穿过所述的活塞杆，并能够自由运动，下连接件与滑块固定连接；
所述的普通阻尼器的固定端与负刚度单元的外框底面的中心固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，其特征在于：将所述的普通阻尼器的固定端与负刚度单元的外框固定连接，替换为：普通阻尼器的固定端与正刚度单元的下连接件固定连接，将普通阻尼器与机械弹簧共同设置在上、下连接件之间。
5.根据权利要求3或4所述的一种串联机制的可调被动负刚度阻尼器，其特征在于：同时调节改变刚度和阻尼；选用不同机械弹簧刚度，能够调节实现更大的负刚度与阻尼。
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