CN106930592A - 一种球型多向复合型tmd阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种球型多向复合型TMD阻尼器，该阻尼器由两层大小同心球壳作为主体框架,两层球壳通过上下左右前后六个柱杆连接支座，通过支座与主结构固定，最内有一大质量球，其上下左右前后六个方向均由阻尼弹簧与里层球壳相固定，其内填充有粘滞阻尼液。里外层球壳之间有一定数量的小质量球，小质量球与两侧球壳相切。由于球体各向均质的特性，使该阻尼器可以达到近乎360°的多方向减震控制效果；而且应对不同烈度的外部荷载引起的振动，该球型阻尼器有不同的阻尼组合与之相对应。

Description

一种球型多向复合型TMD阻尼器

技术领域

本发明涉及土木工程技术，具体涉及减振控制技术。

背景技术

阻尼器是消能减振技术的主体，FEMA 274将其分为位移相关型阻尼器、速度相关型阻尼器和其它类型，我国现行抗震设计规范也采用了此种分类方法。位移相关型—金属阻尼器、摩擦阻尼器；速度相关型—粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器；其他类型的减振装置还有：电流变流体阻尼器、磁流变流体阻尼器、调谐质量和调谐液体阻尼器。此外，一些利用两种或两种以上的耗能元件或耗能机制设计而成的复合型阻尼器，以及一些结合了新型材料特性的特殊阻尼器（如自复位SMA阻尼器）等也是最新研究的热点。

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)是时下应用范围最广泛的被动减振系统之一。由于调谐质量系统减振效果明显且占用空间少、便于施工安装维护等优势,在高层、高耸结构及桥梁的减振、抗风工程中有着广阔的发展前景。调谐质量阻尼器是一种附加在结构上的减振子结构，由弹簧、阻尼器和质量块组成，质块一般通过弹簧和阻尼器支撑或者悬挂在主结构上。当结构在受到外部荷载作用产生振动时，子结构通过连接装置与结构一起振动,由此产生的能量会通过惯性力反作用于主结构,以及部分被阻尼器所消耗,实现减振的目的。

作为一种行之有效、简单方便、经济实用的消能减振装置，调谐质量阻尼器也有其自身的缺陷--只能给结构提供有限的阻尼。调谐减振消能器减振效果主要取决于主次结构的质量比、频率比、阻尼比。由于后2个参数在振动过程中是可变的，所以很难在各阶段都处于最佳减振状态。因此，需要通过实时调节参数或施加一定作用力的方式加以改进。

现阶段，国内外很多学者都致力于通过将主动和混合控制来对TMD阻尼器进行改进，将TMD阻尼系统与其他阻尼系统联合应用，协调工作，充分利用各自优点，互补不足。世界上第一个安装混合质量阻尼器(HMD)控制系统的建筑是日本东京清水公司技术研究所的七层建筑(1991年)。我国的南京电视塔采用了主动质量阻尼系统(AMD)与调谐液体阻尼系统(TLD)相结合的混合控制体系来控制结构的风振反应。但是，目前单纯的主动控制或智能控制阻尼器需要外部大量的能量供应，成本高，且研究不够成熟，效益较低。

目前混合控制装置主要有以下几种：(1)主动质量阻尼系统(AMD)与调谐质量阻尼系统(TMD)或调谐液体阻尼系统(TLD)相结合的混合控制；(2)主动控制与阻尼耗能相结合的混合控制；(3)主动控制与基础隔振相结合的混合控制等。

随着经济社会的快速发展,许多大跨桥路、高层、超高层大楼等建筑相继建成,为人们的生活提供了许多的便利。同时，不可忽略的是此类超高大型建筑受到强风、地震等外界激振力的情况下，容易引起共振，致使结构振动幅度过大，影响日常使用，更甚者造成结构的损坏，对人们的生命安全构成威胁。因此,在外界激振力影响下，消除大型建筑结构的共振成为人们解决的问题。阻尼器，是以提供振动的阻力来耗减振动能量的装置，目前已经被广泛应用于工程实际。但由于技术原因，目前用于建筑结构中的阻尼器大多是单向控制且自振频率单一固定，大大限制了其实际耗能减振的效果。因此，多向复合型阻尼器是目前振动控制领域研究的热点。

发明内容

本发明的目的是解决现有TMD仅在一个方向上振动控制的问题，实现结构多向振动控制，振频可调的目的。

本发明是一种球型多向复合型TMD阻尼器，该阻尼器由两层同心的外层球壳1、内层球壳2作为主体框架，外层球壳1与内层球壳2通过上下左右前后六个柱杆8连接支座7，通过固定支座7与主结构固定，最内有一大质量球3，在其上下左右前后六个方向的球形铰座10上分别固定高性能阻尼弹簧5，倾斜角度，将阻尼弹簧5另一端与内层球壳2相应位置处的球形铰座10相连接，然后将内层球壳2合并密封，从预留孔中灌注粘滞阻尼液6，最后封闭预留孔，并在内层球壳2外包裹橡胶摩擦层9，并在其六个主方向加上连接件—柱杆8，把小质量球4放入外层球壳1和内层球壳2间隙中间，其中小质量球4与两侧的外层球壳1和内层球壳2相切，再将外层球壳1密封，在外边加上固定支座7，将该阻尼器固定于主结构。

本发明相对于现有技术具有以下优点：1、本发明能够解决现有TMD仅在一个方向上振动控制的问题，由于球体各向均质的特性，使该阻尼器可以达到近乎360°的多方向减振控制效果，实现结构多方向控制振动。2、本发明能够实现可调节振动控制，应对不同烈度的外部荷载引起的振动，该球型阻尼器有不同的阻尼组合与之相对应。本发明分为小质量球减振、大质量球减振、大小质量球复合减振，拓宽了该阻尼器的减振频带，增大了该阻尼器的作用范围，提升了消能减振效果，从而实现可调式振动控制。3.本发明采用摩擦、阻尼弹簧和粘滞阻尼液等多种耗能措施装置，减振效果明显且占用空间少、便于施工安装维护。

附图说明

图1为本发明的结构剖面图，图2到图13为本发明各部分组装过程的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种球型多向复合型TMD阻尼器，该阻尼器由两层大小同心球壳作为主体框架（两层球壳通过上下左右前后六个柱杆连接支座，通过支座与主结构固定），最内有一大质量球，其上下左右前后六个方向均由阻尼弹簧与里层球壳相固定，其内填充有粘滞阻尼液。里外层球壳之间有一定数量的小质量球，小质量球与两侧球壳相切。

由于球体各向均质的特性，使该阻尼器可以达到近乎360°的多方向减振控制效果；而且应对不同烈度的外部荷载引起的振动，该球型阻尼器有不同的阻尼组合与之相对应。本发明分为小质量球减振、大质量球减振、大小质量球复合减振，这样就拓宽了该阻尼器的减振频带，增大了该阻尼器的有效作用范围，提升了消能减振效果，从而可实现可调式振动控制。

如图1所示，本发明是一种球型多向复合型TMD阻尼器，该阻尼器由两层同心的外层球壳1、内层球壳2作为主体框架，外层球壳1与内层球壳2通过上下左右前后六个柱杆8连接支座7，通过固定支座7与主结构固定，最内有一大质量球3，在其上下左右前后六个方向的球形铰座10上分别固定高性能阻尼弹簧5，倾斜角度，将阻尼弹簧5另一端与内层球壳2相应位置处的球形铰座10相连接，然后将内层球壳2合并密封，从预留孔中灌注粘滞阻尼液6，最后封闭预留孔，并在内层球壳2外包裹橡胶摩擦层9，并在其六个主方向加上连接件—柱杆8，把小质量球4放入外层球壳1和内层球壳2间隙中间，其中小质量球4与两侧的外层球壳1和内层球壳2相切，再将外层球壳1密封，在外边加上固定支座7，将该阻尼器固定于主结构。

如图1所示，大质量球3与内层球壳2通过球形铰座10固定连接。

如图1所示，外层球壳1与内层球壳2通过柱杆8连接。

如图1所示，小质量球4在外层球壳1和内层球壳2的间隙中相切放置。

如图1所示，本发明的球型多向复合型TMD阻尼器包括外球壳1、内球壳2，均采用高强不锈钢制作，球壳为两半的形式，并在内球壳2外包裹橡胶摩擦层9；大质量球3、小质量球4，均采用高密度合金制作，且在大质量球外侧的上下前后左右安装有球形铰座10；弹簧5，均采用高性能阻尼弹簧；粘滞阻尼液体6；固定支座7，均采用高韧性高强度支座底板；柱杆8，均用于连接外层球壳1和内层球壳2。

图2到图13为各部分组装图，组装步骤如下：

（1）图2为大质量球，并在其外侧上下前后左右安装球形铰座；

（2）图3是在图2在大质量球的上下前后左右的球形铰座上分别固定一个高性能阻尼弹簧；

（3）图4是将图3倾斜一定角度，将高性能阻尼弹簧另一端分别与内层球壳相对应位置处的球形铰座相连接；

（4）图5是将图4的内层球壳合并，并将其进行封闭；

（5）图6是从图5内层球壳的预留孔中灌入粘滞阻尼液；

（6）图7是将图6内层球壳的预留孔进行封闭；

（7）图8是在图7的内层球壳外包裹橡胶摩擦层；

（8）图9是在图8的六个主方向加上连接件（柱杆）；

（9）图10是将图9与一半外层球壳相连；

（10）图11是在图10的内外球壳间隙中间放入小质量球；

（11）图12是将图11与另一半外层球壳密封；

（12）图13是在图12外边加上固定支座。

本发明是一种以调谐质量阻尼系统为主，复合了粘滞阻尼系统，摩擦阻尼系统、弹簧阻尼系统的复合型消能减振装置，各个阻尼系统之间相互配合，以应对来自外界不同的振动情况，各个阻尼系统的工作原理如下：

（1）调谐质量阻尼系统，当主结构在受到外部荷载作用下产生振动时，两层球壳通过连接装置而伴随主结构共同振动，而质量球因惯性而反向振动，此时其他辅助的阻尼系统共同作用产生阻尼力。由此，外部荷载带来的振动能量，一部分通过惯性力反作用于主结构，另一部分则被阻尼力所消耗，从而达到减振控制的效果。

（2）摩擦阻尼系统，当小质量球因惯性在两层球壳间运动时，小球与两侧球壳的橡胶壁产生滑动摩擦（一种干摩擦），通过将动能转化为热能达到能量耗散的目的，另一部分惯性力在摩擦中反作用于主结构。

（3）粘滞阻尼系统、弹簧阻尼系统，当大质量球在内层球壳中因惯性反向于主结构运动时，粘滞阻尼液和连接弹簧会产生阻尼力，将大质量球的惯性力反作用于主结构，并将部分能量转化为弹性势能和内能的形式耗散。与此同时，也大大限制了大质量球的位移，节约空间，使阻尼器整体更易于使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种球型多向复合型TMD阻尼器，其特征在于该阻尼器由两层同心的外层球壳（1）、内层球壳（2）作为主体框架，外层球壳（1）与内层球壳（2）通过上下左右前后六个柱杆（8）连接支座（7），通过固定支座（7）与主结构固定，最内有一大质量球（3），在其上下左右前后六个方向的球形铰座（10）上分别固定高性能阻尼弹簧（5），倾斜角度，将阻尼弹簧（5）另一端与内层球壳（2）相应位置处的球形铰座（10）相连接，然后将内层球壳（2）合并密封，从预留孔中灌注粘滞阻尼液（6），最后封闭预留孔，并在内层球壳（2）外包裹橡胶摩擦层（9），并在其六个主方向加上连接件—柱杆（8），把小质量球（4）放入外层球壳（1）和内层球壳（2）间隙中间，其中小质量球（4）与两侧的外层球壳（1）和内层球壳（2）相切，再将外层球壳（1）密封，在外边加上固定支座（7），将该阻尼器固定于主结构。

2.根据权利要求1所述的球型多向复合型TMD阻尼器，其特征在于大质量球（3）与内层球壳（2）通过球形铰座（10）固定连接。

3.根据权利要求1所述的球型多向复合型TMD阻尼器，其特征在于外层球壳（1）与内层球壳（2）通过柱杆（8）连接。

4.根据权利要求1所述的球型多向复合型TMD阻尼器，其特征在于小质量球（4）在外层球壳（1）和内层球壳（2）的间隙中相切放置。