CN106894535B - 一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆 - Google Patents

一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆 Download PDF

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Abstract

一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，主要包括刚性吊杆、调谐质量球、空气弹簧、锚固螺栓、顶部铰支座、预留填充孔和阻尼颗粒。该装置与结构楼板相连。其目的在于利用多摆结构的周期与质量、摆长和刚度均有关联的特点，合理地设置调谐质量球的质量和各段吊杆长度、空气弹簧刚度以及阻尼颗粒的整体阻尼，使质量调谐式减振多摆的多个自振周期与结构的相应多阶周期相等或接近，从而实现对结构多振型的调谐减振控制，降低结构主体在地震和风荷载下的动力响应。

Description

一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆
技术领域
本发明涉及一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，其功能在于通过多个调谐质量球、可控刚度的空气弹簧及颗粒阻尼实现对风荷载和地震作用下的结构进行多振型的调谐减振控制，并通过阻尼颗粒进行碰撞耗能，降低结构动力响应，属于结构减振领域。
背景技术
目前，随着我国建筑结构高度的不断增加，建筑结构在风和地震作用下的动力响应和风险性也逐渐增大，选取有足够阻尼效果的阻尼器对减缓建筑结构的振动显得越来越重要。现阶段的阻尼器一般包括弹簧阻尼器、液压阻尼器、脉冲阻尼器、粘滞阻尼器、单摆阻尼器和传统TMD阻尼器等。传统单摆阻尼器通过将其振动频率调整至主结构频率附近，改变结构共振特性，以达到减震作用。但传统单摆阻尼器有其不足：1)只能控制结构第一振型的反应，而且控制效果对被控振型的频率非常敏感；2)在传统单摆应用有限的质量范围内，对结构控制能力有限，耗能能力不足；3)单摆阻尼器需要调频到与被控振型反应共振的频率，单摆阻尼器的质量行程通常较大；4)传统单摆阻尼器阻尼可调性差，对风荷载和地震不能均达到最优减振效果；5)受限于摆长、多振型控制以及结构工程要求，传统悬吊单摆只适用于超高层结构和长周期结构，中短周期结构无法使用单摆。
为了更好地利用地震作用力并获得更明显的阻尼效果，本发明提出了一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，该装置所遵循的原理为：通过合理地设置调谐质量球的质量和各段吊杆长度、空气弹簧刚度以及阻尼颗粒的整体阻尼，使质量调谐式减振多摆的多个自振周期与结构的多阶周期相等或接近，从而实现对结构多振型的调谐减振控制，降低结构动力响应。
多摆结构的组成主要包括多个调谐质量、阻尼颗粒、连接各个质量的刚性吊杆以及对各个调谐质量施加刚度的空气弹簧。为了说明多摆结构的减振性能，现针对一个具有二个调谐质量的结构进行说明，其简化模型如图7所示。
对该简化模型进行动力分析，相应的动力方程为：
对于最简单的多摆结构，当令m1＝m2，l1＝l2时，
令
可得
由以上频率求解公式可以发现：对于多摆结构，由于其质量、摆长和刚度均对频率或周期有明显影响，因此可以在本发明中可通过综合控制调谐质量、刚性吊杆长度和空气弹簧的刚度来实现指定的多阶频率，从而实现多阶振型控制和有效减振。例如，单摆结构只能通过控制摆长调整频率或周期，对于空间有限的结构很难真正实现，而对于多摆结构，可先确定各段摆长再根据调谐要求选择适合的调谐质量和刚度。因此悬吊多摆不仅可用于高层结构，也能很很灵活的应用于中低层结构，其灵活性和实用性均比普通单摆调谐减振要优越。
发明内容
为了消耗环境中存在的振动能量以获得更好的阻尼效果，本发明提出了一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，该装置能有效地耗散建筑结构中的振动能量，更好的减缓建筑结构的振动。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，该减振多摆包括：刚性吊杆(1)、调谐质量球(2)、空气弹簧(3)、锚固螺栓(4)、顶部铰支座(5)、预留填充孔(6)、阻尼颗粒(7)。刚性吊杆(1)通过顶部铰支座(5)与结构顶板相连接，调谐质量球(2)通过刚性吊杆(1)相间连接，调谐质量球(2)与吊杆(1)之间的连接方式为铰接，调谐质量球(2)与空气弹簧(3)通过锚固螺栓(4)相连接，空气弹簧(3)通过锚固螺栓(4)与结构墙体相连接，阻尼颗粒(7)通过预留填充空(6)填入调谐质量球(2)，整个装置通过顶部铰支座(5)固定于结构顶层楼板下方。该减振多摆置于结构顶层，通过合理地设置调谐质量球(2)的质量和各段刚性吊杆(1)长度、空气弹簧(3)刚度以及阻尼颗粒(7)的整体阻尼，使质量调谐式减振多摆的多个自振周期与结构的多阶周期相等或接近，从而实现对结构多振型的调谐减振控制，降低结构动力响应。
调谐质量球(2)的个数至少为两个，直径不能超过安装楼层高度的1/4，调谐质量球(2)的总质量不小于为建筑结构总质量1.5％，通过适当增减阻尼颗粒(7)进行微调。
刚性吊杆(1)的总长度不能超过所安装楼层高度的1/3，每根刚性吊杆的长度不能小于所安装的楼层高度的1/10。
空气弹簧(3)在两个正交方向安装。空气弹簧(3)是一种非金属弹性元件，该非金属弹性元件由有帘线的橡胶囊和充入其内腔的压缩空气组成；空气弹簧(3)包括内衬(11)、外壳(8)、帘线(9)及加强橡胶层(10)的四层结构，内衬(11)是空气弹簧(3)的最里层，外壳(8)是空气弹簧的最外层，帘线(9)与加强橡胶层(10)结合在一起位于内衬(11)和外壳(8)之间。空气弹簧(3)的平面直径不小于调谐质量球(2)直径的20％。
空气弹簧(3)的刚度根据实际需求通过调整气室的容积和有效面积来进行改变，且通过调控空气弹簧(3)的刚度确保具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆的前几阶频率与结构对应的前几阶频率相一致或接近。
阻尼颗粒(7)由不同材料和直径的颗粒球混合组成，颗粒球的材料包括混凝土、碳钢颗粒、铅粒等，颗粒球的直径范围为2mm-50mm。
阻尼颗粒(7)的总质量不小于建筑结构总质量的0.5％，填充率不小于调谐质量球(2)体积的5％。在安装时通过预留填充孔(6)将阻尼颗粒(7)填入调谐质量球(2)内，在结构发生振动时阻尼颗粒将发生碰撞和运动，从而产生耗能能力和阻尼效果。
本发明的功能如下：
当结构发生振动时，质量调谐式减振多摆的多个自振周期与结构的多阶周期相等或接近，从而实现对结构多振型的调谐减振控制，降低结构动力响应。
空气弹簧的刚度可以根据实际需求通过附加气室的容积和有效面积来进行改变，便于根据结构实际情况来调整装置整体刚度。
调谐质量球中得阻尼颗粒，在结构发生振动时将发生碰撞和运动，产生耗能能力和阻尼效果，从而提高减振效果。
在进行精细化调谐调整时，可将阻尼颗粒灌入预留填充孔，使调谐质量球与阻尼颗粒的整体质量满足设计要求。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明中一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，通过合理地设置调谐质量球的质量和各段吊杆长度、空气弹簧刚度以及阻尼颗粒的整体阻尼，使质量调谐式减振多摆的多个自振周期与结构的多阶周期相等或接近，从而实现对结构多振型的调谐减振控制，降低结构动力响应。
2)本发明中一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，空气弹簧的刚度可以根据实际需求通过附加气室的容积和有效面积来进行改变，便于根据结构实际情况来调整装置整体刚度。
3)本发明中一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，调谐质量球中得阻尼颗粒，在结构发生振动时将发生碰撞和运动，产生耗能能力和阻尼效果，从而提高减振效果。
4)本发明中一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，与传统单摆相比，该装置不仅可以应用于高层结构建筑，同样可应用于中低层结构建筑。
5)本发明中一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，该装置可以对吊杆的长度进行灵活控制，将总摆长控制在合理范围之内，不影响结构立面的的平整性。
附图说明
图1为本发明减振多摆的立体图。
图2为本发明减振多摆的正视图。
图3为本发明减振多摆的调谐质量球剖面图和阻尼颗粒分布图。
图4为本发明减振多摆空气弹簧正视图。
图5为本发明减振多摆顶部铰支座立体图。
图6为本发明空气弹簧气囊组成图。
图7为一个具有二个调谐质量的结构的简化模型。
图中：1－刚性吊杆、2－调谐质量球、3－空气弹簧、4－锚固螺栓、5－顶部铰支座、6－预留填充孔、7－阻尼颗粒、8－外壳、9－帘线、10－加强橡胶层、11－内衬。
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所示，是本发明一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆实施例，其主要包括：刚性吊杆1、调谐质量球2、空气弹簧3、锚固螺栓4、顶部铰支座5、预留填充孔6、阻尼颗粒7。
实施步骤如下：
1)对于一个5层钢筋混凝土框架结构进行多摆调谐减振。结构底层层高为3.5m，其他层层高为3.1m，平面尺寸为55m×18m，计划在建筑结构顶部安装具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振双摆。
2)确定每个调谐质量球的直径均为0.6m，两个调谐质量球通过刚性吊杆相间连接，刚性吊杆的长度为0.8m，调谐质量球与刚性吊杆为铰接。
3)本实施例采用三曲囊式空气弹簧，空气弹簧的直径为0.4m，空气弹簧由有帘线的橡胶囊和充入其内腔的压缩空气所组成，包括内衬、外壳及帘线加强橡胶层的四层结构。
4)选用不同材质和直径的阻尼颗粒，具体材料选用混凝土、金属等，阻尼颗粒的直径从0.01m到0.2不等，然后将不同材料不同粒径的阻尼颗粒通过预留填充孔灌入调谐质量球。
5)通过模态测试技术获得结构频率为2.51Hz，适当增减颗粒的数量从而改变调谐总质量的质量或者调整空气弹簧刚度，最终使阻尼器自振频率与结构基本频率相吻合。
6)为增加顶部铰支座的可靠性和稳定性，顶部铰支座与结构顶板严格固结。
7)各构件按规定位置摆放固定后，把空气弹簧和调谐质量球用锚固螺栓连接，空气弹簧用锚固螺栓固定到结构墙体，且确保在安装结束后双摆结构的摆长方向与楼板垂直。
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 (7)

1.一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，其特征在于：该减振多摆包括：刚性吊杆(1)、调谐质量球(2)、空气弹簧(3)、锚固螺栓(4)、顶部铰支座(5)、预留填充孔(6)、阻尼颗粒(7)；刚性吊杆(1)通过顶部铰支座(5)与结构顶板相连接，调谐质量球(2)通过刚性吊杆(1)相间连接，调谐质量球(2)与刚性吊杆(1)之间的连接方式为铰接，调谐质量球(2)与空气弹簧(3)通过锚固螺栓(4)相连接，空气弹簧(3)通过锚固螺栓(4)与结构墙体相连接，阻尼颗粒(7)通过预留填充孔(6)填入调谐质量球(2)，整个装置通过顶部铰支座(5)固定于结构顶层楼板下方；该减振多摆置于结构顶层，通过合理地设置调谐质量球(2)的质量和各段刚性吊杆(1)长度、空气弹簧(3)刚度以及阻尼颗粒(7)的整体阻尼，使质量调谐式减振多摆的多个自振周期与结构的多阶周期相等或接近，从而实现对结构多振型的调谐减振控制，降低结构动力响应。
2.根据权利要求1所述的一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，其特征在于：调谐质量球(2)的个数至少为两个，直径不能超过安装楼层高度的1/4，调谐质量球(2)的总质量不小于为建筑结构总质量1.5％，通过适当增减阻尼颗粒(7)进行微调。
3.根据权利要求1所述的一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，其特征在于：刚性吊杆(1)的总长度不能超过所安装楼层高度的1/3，每根刚性吊杆的长度不能小于所安装的楼层高度的1/10。
4.根据权利要求1所述的一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，其特征在于：空气弹簧(3)在两个正交方向安装；空气弹簧(3)是一种非金属弹性元件，该非金属弹性元件由有帘线的橡胶囊和充入其内腔的压缩空气组成；空气弹簧(3)包括内衬(11)、外壳(8)、帘线(9)及加强橡胶层(10)的四层结构，内衬(11)是空气弹簧(3)的最里层，外壳(8)是空气弹簧的最外层，帘线(9)与加强橡胶层(10)结合在一起位于内衬(11)和外壳(8)之间；空气弹簧(3)的平面直径不小于调谐质量球(2)直径的20％。
5.根据权利要求1所述的一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，其特征在于：空气弹簧(3)的刚度根据实际需求通过调整气室的容积和有效面积来进行改变，且通过调控空气弹簧(3)的刚度确保具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆的前几阶频率与结构对应的前几阶频率相一致或接近。
6.根据权利要求1所述的一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，其特征在于：阻尼颗粒(7)由不同材料和直径的颗粒球混合组成，颗粒球的材料包括混凝土、碳钢颗粒和铅粒，颗粒球的直径范围为2mm-50mm。
7.根据权利要求1所述的一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，其特征在于：阻尼颗粒(7)的总质量不小于建筑结构总质量的0.5％，填充率不小于调谐质量球(2)体积的5％；在安装时通过预留填充孔(6)将阻尼颗粒(7)填入调谐质量球(2)内，在结构发生振动时阻尼颗粒将发生碰撞和运动，从而产生耗能能力和阻尼效果。
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