CN107060455B - 一种滚球式多向减振控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚球式多向减振控制装置，包括半封闭式圆筒结构、空心金属质量球、内凹式曲面承台、弹簧、防撞橡胶。半封闭式圆筒结构和内凹式曲面承台相连接，内凹式曲面承台内设置有空心金属质量球。弹簧设置在半封闭式圆筒结构和内凹式曲面承台连接的连接处。空心金属质量球在内凹式曲面承台内任意方向滚动，在结构物受到水平激励时，产生较大的阻尼力。空心金属质量球内注入液体，空心金属质量球内的液体与金属质量球组成调谐液体阻尼器，给结构提供阻尼力。实现了对水平方向多级振动控制的目的；同时，当结构物受到竖向激励时，通过内凹式曲面承台的上下运动以及空心金属质量球碰撞顶部橡胶消耗能量，控制结构的竖向振动。

Description

一种滚球式多向减振控制装置

技术领域

本发明涉及建筑结构领域，是一种滚球式多向减振控制装置，主要应用于一些重要的大跨、高耸等相关工程结构的减振控制。

背景技术

随着我国的建筑行业进入快速发展阶段，建筑物的高度和复杂程度也在不断的提高，并且随着各种技术的进步，对一些轻质高强材料的应用也越来越广泛，使得结构的刚度和阻尼比变小。结构在地震作用和风荷载作用下会产生显著的动力响应，这将严重的威胁到建筑物的安全性，降低了建筑物的舒适度。而且近些年来，因为地震和风雨灾害的频发，导致了大量建筑结构的倒塌破坏。如何减少风荷载及地震作用对建筑物造成的破坏，已经成为当今研究的热点。

传统的抗风抗震设计方法，主要是通过依靠构件的弹塑性变形来耗能、提高结构本身的强度和刚度来抵御风荷载或地震作用，这是消极被动的抗风抗震方法。前者存在很大的危险性，后者的经济性差，高强材料自身的优势很难充分的发挥出来。而结构振动控制技术可以很好的解决这方面的问题，在结构上安装减振控制装置已经是现在建筑行业发展的一个趋势。经研究发现，减振控制装置可以有效的减小结构在环境荷载作用下的动力响应，显著的提高结构的防灾能力。

本专利主要结合了调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器和碰撞阻尼器的减振控制技术的相关原理，研制出的一种滚球式多向减振控制装置。在结构受到地震或风荷载作用下，结构产生振动，此时减振控制装置率先产生较大阻尼，消耗能量，从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态并迅速衰减结构的动力反应，保护主体结构。

调谐质量阻尼器是一种由弹簧、阻尼器和质量块组成的被动控制系统，其工作原理是：结构在外部激励下产生振动，带动调谐质量阻尼器系统一起振动，调谐质量阻尼器系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，通过调谐这个惯性力实现对结构的振动控制。

调谐液体阻尼器的工作原理：结构振动带动液体晃动产生与结构运动相反方向的动液体压力(等效于阻尼力)来达到减小主体结构振动的目的。

碰撞阻尼器的工作原理：通过碰撞，将结构振动的能量转化为碰撞块振动能量，从而达到减小主体结构振动的目的。

目前，实际工程中很多重要结构都会考虑减振装置的应用，传统的减振控制装置大多数只能控制一个方向的振动或者是某几个特定方向的振动，而考虑到结构振动的复杂性，这样的减振控制装置无法很好的满足振动控制的要求。

发明内容

本发明目的是提供一种滚球式多向减振控制装置，旨在减小建筑结构(尤其是高层建筑或高耸结构等)在地震、风荷载作用下的动力响应，达到耗能减振的效果；与传统减振控制装置相比，本专利在水平方向设置了可任意方向滚动的金属球，球内装有液体，组成调谐液体阻尼器，以及侧壁的防撞橡胶层，通过撞击耗能，实现了对水平方向的多级振动控制。在竖直方向设置了可以竖向变形的弹簧以及顶部的防撞橡胶层，通过竖向运动及碰撞耗能进行振动控制，实现了竖向双重振动控制。进而实现了多维控制的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种滚球式多向减振控制装置，包括半封闭式圆筒结构和内凹式曲面承台，所述的半封闭式圆筒结构和内凹式曲面承台上下设置，且通过弹性装置连接；在所述的内凹式曲面承台内设置有在内凹式曲面承台内任意方向滚动空心金属质量球。

进一步的，半封闭式圆筒结构和下部的内凹式曲面承台连接的地方设置有竖向弹簧，所述的弹簧设置在上下结构之间，分八组均匀布置于结构的四周。

进一步的，所述的内凹式曲面承台包括一个顶部内凹的圆柱底座，所述的顶部内凹面为一个半球形的内凹面；在圆柱底座的顶部向外延伸的设有一圈承台I。

进一步的，所述的半封闭式圆筒结构包括一个底部开口的圆柱形盖体，且其底部设有一圈向内延伸的承台II。

进一步的，所述的承台I位于承台II的上方，承台I和承台II之间设置有弹簧。

进一步的，所述的半封闭式圆筒结构的顶部和侧壁的内壁表面设有防撞橡胶。

进一步的，所述的承台II的内圈也设有防撞橡胶。

进一步的，所述的承台I的外圈也设有防撞橡胶。

进一步的，所述的空心金属质量球可以在内凹式曲面承台内任意方向滚动，且在所述的空心金属质量球内腔注入液体。

进一步的，所述的滚球式多向减振控制装置在工作时可以通过调节空心金属质量球内液体的种类、液面高度、弹簧刚度、内凹式曲面承台的弧度来调节该装置的频率。

本发明的有益效果是：

在风荷载及地震作用下，随着结构响应的增大，金属质量球在内凹式曲面承台内滚动，率先产生较大阻尼，消耗掉结构的大量能量，从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态并迅速衰减结构的动力反应，保护主体结构。

空心金属质量球内注入的液体，使其形成调谐液体阻尼器，从而实现双重减振，由于液体具有流动性，在发生晃动时，液体因随外部的激励向各个方向流动，可以实现多个方向上的双重减振控制，减振效果好。

同时，在较大的地震作用或风荷载作用下，结构产生较大幅度的振动时，空心金属质量球与半封闭式圆筒侧壁上的橡胶撞击消耗能量。进而实现了对水平方向多级振动控制的目的。

在竖直方向上，当建筑物受到竖向激励时，通过内凹式曲面承台的上下运动以及空心金属质量球碰撞顶部橡胶消耗能量，控制结构的竖向振动。

该装置在多个方向上的减振控制共用一个质量体，即空心质量金属球，有效地减轻了结构的负担。

该减振装置可以实现任意方向的振动控制，可以有效的解决荷载发生时方向不确定所带来的隐患，充分的保证建筑结构的安全性，适用于高耸、结构复杂的建筑。该减振装置还具有构造简单、加工方便、性价比高、灵活性高、便于安装等特点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是滚球式多向减振控制装置的主视图。

图2是滚球式多向减振控制装置的A-A剖面图。

图中：1空心金属质量球，2内凹式曲面承台，3弹簧，4防撞橡胶，5半封闭式圆筒结构。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在实际工程中很多重要结构都会考虑减振装置的应用，传统的减振控制装置大多数只能控制一个方向的振动或者是某几个特定方向的振动，而考虑到结构振动的复杂性，这样的减振控制装置无法很好的满足振动控制的要求。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种滚球式多向减振控制装置；本发明中的空心金属质量球可以在内凹式曲面承台内任意方向滚动，在结构物受到水平激励时，可以产生较大的阻尼力。空心金属质量球内注入液体，空心金属质量球内的液体与金属质量球组成调谐液体阻尼器，给结构提供阻尼力。并且空心金属质量球也可与防撞橡胶撞击消耗能量。实现了对水平方向多级振动控制的目的。同时，当结构物受到竖向激励时，通过内凹式曲面承台的上下运动以及空心金属质量球碰撞顶部橡胶消耗能量，控制结构的竖向振动。该减振装置可以有效的减小结构在地震或风荷载作用下多维振动响应，弥补荷载发生时方向不确定所带来的隐患。具有原理简单、便于安装和性价比高等特点。

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施方式：

本发明提出的一种滚球式多向减振控制装置如图1，图2所示，该装置包括半封闭式圆筒结构5，下部的内凹式曲面承台2,半封闭式圆筒结构5和内凹式曲面承台2连接处的弹簧3，内凹式曲面承台2内部的空心金属质量球1。

半封闭式圆筒结构5的顶部和侧壁设有防撞橡胶4，在结构产生幅度大的振动时，空心金属质量球1与之碰撞消耗能量。

半封闭式圆筒结构5和内凹式曲面承台2边缘设有防撞橡胶4。在内凹式曲面承台2振动幅度过大时起到缓冲防撞的功能。

内凹式曲面承台2包括一个顶部内凹的圆柱底座，所述的顶部内凹面为一个半球形的内凹面；在圆柱底座的顶部向外延伸的设有一圈承台I。

半封闭式圆筒结构5包括一个底部开口的圆柱形盖体，且其底部设有一圈向内延伸的承台II。

承台I位于承台II的上方，承台I和承台II之间设置有弹簧。

半封闭式圆筒结构的顶部和侧壁的内壁表面设有防撞橡胶。

承台II的内圈也设有防撞橡胶。

承台I的外圈也设有防撞橡胶。

在使用时，本发明装置应当悬挂于高耸结构顶部。当结构受到水平方向的激励时，空心金属质量球1在内凹式曲面承台2内滚动，给结构施加了较大的阻尼力，可以有效的控制结构物的振动。并且空心金属质量球1内的液体与金属质量球形成了调谐液体阻尼器，进一步控制了结构物的振动。液体在振动的作用下产生晃动，由于液体的流动特性，液体会向多个方向流动，可以实现多个方向上的双重减振控制，减振效果好。同时，在较大的地震作用或风荷载作用下，结构产生较大幅度的振动时，空心金属质量球与半封闭式圆筒侧壁上的橡胶撞击消耗能量。进而实现了对水平方向多级振动控制的目的。

在竖直方向上，内凹式曲面承台2和空心金属质量球1以及弹簧3组成调谐质量阻尼器，当结构物受到竖向的激励时，对结构的振动起到控制作用。同时，在结构竖向振动时，空心金属质量球与半封闭式圆筒顶部防撞橡胶撞击消耗能量。

该装置可以通过调节空心金属质量球内液体的种类、液面高度、弹簧3的刚度、内凹式曲面承台2的弧度来调节该装置的频率。使其和结构的固有频率保持一致，达到最优的减振效果。

本实施方案在设置空心金属质量球内液体和弹簧刚度时，需要的注意是：第一，在确定空心金属质量球内的液面高度和液体种类时要保证该减振控制装置的频率与结构物的振动频率一致；第二，合理选择弹簧刚度，确保调谐质量阻尼器的频率接近被控结构的振动频率；第三，内凹式曲面承台的弧度也要根据结构物的具体情况来设计，选择最优的设计曲面。

本实施方案中，应当根据结构的实际情况确定该装置的安装位置和数量，以达到最佳的减振效果。

本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种滚球式多向减振控制装置，其特征在于,本装置悬挂于高耸结构顶部，包括半封闭式圆筒结构和内凹式曲面承台，所述的半封闭式圆筒结构和内凹式曲面承台上下设置，且通过弹性装置连接；在所述的内凹式曲面承台内设置有在内凹式曲面承台内任意方向滚动空心金属质量球，在所述的空心金属质量球内腔注入液体；

半封闭式圆筒结构和下部的内凹式曲面承台连接的地方设置有竖向弹簧，所述的弹簧设置在上下结构之间。

2.如权利要求1所述的滚球式多向减振控制装置，其特征在于,所述的内凹式曲面承台包括一个顶部内凹的圆柱底座，所述的顶部内凹面为一个半球形的内凹面；在圆柱底座的顶部向外延伸的设有一圈承台I。

3.如权利要求2所述的滚球式多向减振控制装置，其特征在于,所述的承台I的外圈也设有防撞橡胶。

4.如权利要求3所述的滚球式多向减振控制装置，其特征在于,所述的半封闭式圆筒结构包括一个底部开口的圆柱形盖体，且其底部设有一圈向内延伸的承台II。

5.如权利要求4所述的滚球式多向减振控制装置，其特征在于,所述的承台II的内圈也设有防撞橡胶。

6.如权利要求5所述的滚球式多向减振控制装置，其特征在于,所述的承台I位于承台II的上方，承台I和承台II之间设置有弹簧。

7.如权利要求1所述的滚球式多向减振控制装置，其特征在于,所述的半封闭式圆筒结构的顶部和侧壁的内壁表面设有防撞橡胶。

8.如权利要求1所述的滚球式多向减振控制装置，其特征在于,所述的滚球式多向减振控制装置在工作时通过调节空心金属质量球内液体的种类、液面高度、弹簧刚度、内凹式曲面承台的弧度来调节该装置的频率。

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