CN106939653A - 单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器及其参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器及其参数设计方法。该调谐质量阻尼器包括定位板和挡板，挡板上固连有两根螺杆并分别穿过定位板两边，在定位板上、下两面的螺杆上旋有螺母；在挡板上两根螺杆之间固连有两根导轨并能使定位板在导轨上滑动；导轨通过滚珠轴承连接有一个质量块，质量块上面连接有一个螺旋弹簧，螺旋弹簧另一端与定位板连接；质量块下面设有球形碰撞头，球形碰撞头相对应的挡板上面设有一块粘弹性材料层。本发明方法主要是按照最优调谐频率确定调谐质量阻尼器的自振频率，按照自振频率设计螺旋弹簧刚度，按照最优阻尼比设计粘弹性材料层的弹性恢复系数。本发明所需设备较少，安装简易，设计方法简便，物理意义明确。

Description

单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器及其参数设计方法
技术领域
本发明属于土木工程结构减振技术领域，具体涉及一种单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器及其参数设计方法。
背景技术
土木工程结构在地震、强风、人群、车辆等荷载作用下容易引发振动响应，影响结构使用寿命和舒适性。结构控制通过在结构上设置控制机构，由控制机构与结构共同控制抵御地震等动力荷载，使结构的动力反应减小。常用的振动控制方法包括被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制等，被动控制在工程中广泛应用，对提高结构的可靠性，确保结构安全，具有重要的社会、经济、科学意义。
结构被动控制装置主要包括调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐液柱阻尼器、耗能阻尼器等，其特点是不需要外部能源，可靠性好且造价低。
目前调谐质量阻尼器主要有：(1)调谐质量阻尼器，通过在结构上设置一个弹簧、质量、阻尼机构，采用动力吸振和阻尼耗能原理减小结构振动，该装置存在振幅较大，容易失调，需要较大的布置空间等缺陷；(2)调谐颗粒质量阻尼器，如发明专利“调谐质量型颗粒阻尼器”(CN201110308416.6)，该装置存在结构复杂，离散颗粒力学参数难确定等缺点，难以达到最佳减振效果；(3)碰撞式调谐质量阻尼器，在调谐质量阻尼器基础上增加两个挡板，通过调谐吸振和碰撞耗能减振，如发明专利“竖向粘弹性碰撞调谐质量阻尼器装置及其工作模式”(CN201610301269.2)，该装置在质量块和粘弹性材料间设有间隙，存在优化参数设计难、结构振动幅值变化时减振效果差等缺陷。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种所需设备较少、安装简易的单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器。
本发明的第一个目的是通过如下的技术方案来实现的：该单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器，它包括相互平行的定位板和挡板，挡板上两边分别固连有一根垂直于挡板的螺杆并分别穿过定位板两边，在定位板上、下两面的螺杆上旋有螺母，通过旋紧螺母来固定定位板；在挡板上的两根螺杆之间固连有两根与螺杆平行的导轨，导轨穿过定位板并能使定位板在导轨上滑动；在两根导轨上通过两个滚珠轴承连接有一个质量块，质量块的上面连接有一个螺旋弹簧，螺旋弹簧的另一端与所述定位板下面连接；所述质量块的下面中心处设有一个球形碰撞头，球形碰撞头相对应的挡板上面设有一块粘弹性材料层；通过调节螺母来调节定位板与挡板之间的间距，使质量块在静平衡位置时其球形碰撞头正好与粘弹性材料层接触。
具体的，所述定位板和挡板为钢制平板。
具体的，所述质量块为钢制长方体，所述滚珠轴承为直线滚珠轴承，滚珠轴承与质量块嵌固并穿过导轨。
具体的，所述球形碰撞头为钢制半球形体，通过螺栓安装在质量块上。
具体的，所述粘弹性材料层为高阻尼橡胶板，黏贴在挡板上。
本发明的单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器，利用调谐和碰撞耗能实现结构减振，具有装置所需设备较少，安装简易的特点，适合各类土木工程结构的减振。
本发明的第二个目的在于提供上述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的参数设计方法，本发明方法主要是：根据传统调谐质量阻尼器设计理论来确定最优调谐频率和阻尼比，按照最优调谐频率确定单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率，按照单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率设计螺旋弹簧的刚度，按照最优阻尼比设计粘弹性材料层的弹性恢复系数。
具体的，所述根据传统调谐质量阻尼器设计理论来确定最优调谐频率和阻尼比，是根据调谐质量阻尼器质量比来确定调谐质量阻尼器最优调谐频率和阻尼比。
进一步的，所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率等于传统调谐质量阻尼器的最优调谐频率；或者，所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率为无粘弹性碰撞调谐质量阻尼器自振频率的2倍。
具体的，所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的螺旋弹簧刚度按照单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率确定。
具体的，所述粘弹性材料层的弹性恢复系数与最优阻尼比的关系为：ζptmd＝(1/2π)ln(1/e)，其中，e为弹性恢复系数，ζptmd为最优阻尼比；根据最优阻尼比设计弹性恢复系数。
本发明的单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的参数设计方法，具有设计方法简便，物理意义明确等特点。
附图说明
图1是本发明实施例的立面结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是图1的B-B剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1、图2、图3，本实施例的单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器，包括相互平行的定位板6和挡板9，定位板6和挡板9为钢制平板，挡板9固定在被控结构上。挡板9上两边分别固连有一根垂直于挡板9的螺杆2，两根螺杆2上端分别穿过定位板6两边，在定位板6的上、下两面的螺杆2上旋有螺母1，通过旋紧螺母1来固定定位板6。从图中可见，在挡板9上的两根螺杆2之间固连有两根与螺杆2平行的导轨3，导轨3上端穿过定位板6并能使定位板6在导轨3上滑动；在两根导轨3上通过两个直线滚珠轴承5连接有质量块7，质量块7为钢制长方体，直线滚珠轴承5与质量块7嵌固并穿过导轨3，质量块7沿导轨3运动。质量块7的上面连接有螺旋弹簧4，螺旋弹簧4的上端与定位板6下面连接。质量块7的下面中心处设有一个球形碰撞头10，球形碰撞头10为钢制半球形体，通过螺栓安装在质量块7上。球形碰撞头10相对应的挡板9上面设有一块粘弹性材料层8，粘弹性材料层8为高阻尼橡胶板，黏贴在挡板9上，阻尼器工作时球形碰撞头10与粘弹性材料层8碰撞，消耗振动能量。通过调节螺母1来调节定位板6与挡板9之间的间距，使质量块7在静平衡位置时，球形碰撞头10正好与粘弹性材料层8接触。
上述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的参数设计方法，具体步骤如下：采用传统调谐质量阻尼器设计理论，根据调谐质量阻尼器质量比确定调谐质量阻尼器最优调谐频率和阻尼比；按照最优调谐频率确定单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器自振频率；按照单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器自振频率设计螺旋弹簧的刚度；按照最优阻尼比设计粘弹性材料层的弹性恢复系数。
设质量块(包括球形碰撞头)与结构模态质量比为μ，则单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的优化频率比优化阻尼比为
根据理论分析，单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼的自振频率为(k1为螺旋弹簧刚度，m1为质量)。设结构模态频率为fstru，则调谐质量阻尼器优化自振频率令fptmd＝fopt，得到单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器弹簧刚度为
根据理论分析，单面粘弹性碰撞质量调谐阻尼器阻尼比为(e为弹性恢复系数)，令ζptmd＝ζopt，则优化弹性恢复系数
根据优化弹性恢复系数，确定粘弹性材料。

Claims (10)

1.一种单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：它包括相互平行的定位板和挡板，挡板上两边分别固连有一根垂直于挡板的螺杆并分别穿过定位板两边，在定位板上、下两面的螺杆上旋有螺母，通过旋紧螺母来固定定位板；在挡板上的两根螺杆之间固连有两根与螺杆平行的导轨，导轨穿过定位板并能使定位板在导轨上滑动；在两根导轨上通过两个滚珠轴承连接有一个质量块，质量块的上面连接有一个螺旋弹簧，螺旋弹簧的另一端与所述定位板下面连接；所述质量块的下面中心处设有一个球形碰撞头，球形碰撞头相对应的挡板上面设有一块粘弹性材料层；通过调节螺母来调节定位板与挡板之间的间距，使质量块在静平衡位置时其球形碰撞头正好与粘弹性材料层接触。
2.根据权利要求1所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：所述定位板和挡板为钢制平板。
3.根据权利要求1所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块为钢制长方体，所述滚珠轴承为直线滚珠轴承，滚珠轴承与质量块嵌固并穿过导轨。
4.根据权利要求1所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：所述球形碰撞头为钢制半球形体，通过螺栓安装在质量块上。
5.根据权利要求1所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：所述粘弹性材料层为高阻尼橡胶板，黏贴在挡板上。
6.一种如权利要求1所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的参数设计方法，其特征在于：根据传统调谐质量阻尼器设计理论来确定最优调谐频率和阻尼比，按照最优调谐频率确定单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率，按照单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率设计螺旋弹簧的刚度，按照最优阻尼比设计粘弹性材料层的弹性恢复系数。
7.根据权利要求6所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的参数设计方法，其特征在于：所述根据传统调谐质量阻尼器设计理论来确定最优调谐频率和阻尼比，是根据调谐质量阻尼器质量比来确定调谐质量阻尼器最优调谐频率和阻尼比。
8.根据权利要求7所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的参数设计方法，其特征在于：所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率等于传统调谐质量阻尼器的最优调谐频率；或者，所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率为无粘弹性碰撞调谐质量阻尼器自振频率的2倍。
9.根据权利要求8所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的参数设计方法，其特征在于：所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的螺旋弹簧刚度按照单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的自振频率确定。
10.根据权利要求7所述单面粘弹性碰撞调谐质量阻尼器的参数设计方法，其特征在于：所述粘弹性材料层的弹性恢复系数与最优阻尼比的关系为：ζptmd＝(1/2π)ln(1/e)，其中，e为弹性恢复系数，ζptmd为最优阻尼比；根据最优阻尼比设计弹性恢复系数。
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