CN107227806B - 双向碰撞摆减振控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向碰撞摆减振控制装置，适于安装在大跨或高耸结构的顶部，由质量块、摆线、套筒、弹簧、连接板、限位装置、粘弹性材料层和箱体组成，其中质量块和摆线组成悬挂质量摆。双向碰撞摆减振控制装置既能够通过悬挂质量摆吸收主结构的动能，又能够在摆动的过程中与限位装置发生碰撞引发能量交换并消耗悬挂质量摆吸收的动能，降低结构的动力响应，具有双重减振控制效果；同时在限位装置上设置粘弹性材料层，增强碰撞耗能的能力。该装置原理明确、构造简单，占据空间小，抵抗外界因素干扰的能力强、抑制不良振动效果显著，能够减小多个方向的动力响应，且安全性高、造价低，能够产生较好的经济效益和社会效益，具有良好应用前景。

Description

双向碰撞摆减振控制装置

技术领域

本发明涉及的是建筑结构领域，具体而言是一种双向碰撞摆减振控制装置(bidirectional pounding tuned mass damper，简称BPTMD)，主要应用于大跨、高耸等重要建筑结构的减振控制。

背景技术

近年来，我国涌现出许多体型复杂、内部空间多变的高层、超高层结构，这类结构具有尺寸大、功能复杂、造型新颖等一系列显著特点。随着建筑高度的增加，包括水平地震作用、风荷载等水平荷载成为控制结构设计的主要因素。当前，我国技术标准和规范强调的最主要的目标是，防止结构在地震作用下发生破坏、倒塌。然而，汶川地震表明，许多建筑结构尽管未发生倒塌，但其内部许多非结构构件却发生了严重的破坏，造成了巨大的经济损失。外部荷载作用下结构产生过大的侧向变形和不良振动会严重影响结构的安全性，同时降低结构使用舒适性。

振动控制的目的是降低建筑结构在地震作用和风荷载下的动力响应，提高结构的安全运行水平。由于被动控制装置具有造价低廉、可靠性高、简便易行的特点，因此附加阻尼器对结构进行被动控制的方法在实际工程中被广泛应用。其中，悬挂质量摆和碰撞阻尼器是常见的被动减振控制装置。

悬挂质量摆是一种由质量球和摆线组成的被动控制装置。其原理是将质量球悬挂在结构上，通过控制摆线的长度来调节频率，当结构受地震作用或风荷载时，产生水平振动，此时质量摆随之产生振动，而质量摆的运动产生惯性力反作用于结构本身，当两者方向相反时就产生了制振效果，从而达到降低结构振动的目的。然而这类装置也存在明显缺陷：第一，悬挂质量摆缺乏耗能机制，无法耗散所吸收的系统动能；第二，当悬挂质量摆的自振频率与主结构的固有频率相近时减振效果较好，如果两者相差较大，减振效果会大大降低，甚至会出现放大局部响应的现象。

碰撞阻尼器是一种广泛用于结构的减振控制装置，由附加质量和限位装置构成。其工作原理是：当受控主结构在荷载作用下运动时，附加质量与主结构产生相对运动，并与限位装置发生碰撞。碰撞会引发能量交换并消耗系统动能，从而达到降低主结构动力响应的目的。与传统减振装置相比，碰撞阻尼器耗能更强，减振频带宽，鲁棒性好，而且易于维护，造价低。然而，这种减振装置也存在其局限性：传统的碰撞阻尼器质量块本身质量较大，在碰撞时存在放大结构加速度响应的危险，容易造成结构本身局部破坏；此外，碰撞过程中会造成噪声污染，影响正常生活。

发明内容

本发明提供了一种双向碰撞摆减振控制装置，目的是减小大跨、高耸等复杂结构(尤其塔式结构形式)在地震作用或风荷载下的动力响应，达到耗能减振的目的，提高结构安全性和可靠度。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

双向碰撞摆减振控制装置(BPTMD)，由质量块、摆线、套筒、弹簧、连接板、限位装置、粘弹性材料层和箱体组成；所述的箱体顶部设置有连接板，在所述的连接板顶部的中心位置通过摆线悬挂有一个质量块，所述的质量块和摆线组成悬挂质量摆；所述的质量块在水平面的前、后、左、右四个方向各通过一个弹簧连接在箱体的四个侧壁上，四个所述的弹簧通过限位装置进行限位。

进一步的，所述的限位装置包括一个悬挂在连接板顶部的圆筒和与圆筒外壁相连的四个套筒，质量摆罩在圆筒内，四个弹簧穿过的圆筒的侧壁后由套筒进行限位，用于约束弹簧侧向变形，且起到保护弹簧的作用。

进一步的，所述质量块为钢制球体，其质量取主结构的1％～5％。

进一步的，所述摆线用于悬挂质量块，通过单摆长度与频率的关系可以确定悬挂质量摆的摆线长度，可根据下式计算：

l＝ω²g

其中，ω为结构的固有频率；g表示重力加速度。

进一步的，所述弹簧水平双向布置，质量块前后左右各布置一根，弹簧串联刚度减半，弹簧的最优刚度可由下式计算：

式中，m_d为质量块的质量，f_opt为最优频率比，可由下式确定：

式中，μ_m是双向碰撞摆减振控制装置与建筑物主体结构的质量比。

进一步的，所述连接板为钢板，通过栓接或焊接将减振装置固定在主结构顶部。

进一步的，所述圆筒，通过焊接与连接板固定连接。

进一步的，在所述的圆筒的内壁设有一层粘弹性材料层，所述的粘弹性材料层为橡胶材料，附着于限位装置内侧，增强动能吸收，提高能量转换效率。

进一步的，所述箱体包裹整个装置，起到保护作用，避免装置受到外力的侵蚀和损坏，通过焊接与连接板固定连接。

本发明的有益效果是：

1、该装置兼具悬挂质量摆和碰撞阻尼器两者的能力，具有双重减振特点，减振效果显著，且无需外部能量的输入，安全性高；

2、该装置增设橡胶粘弹性材料层，利用橡胶的高弹性性能，提高能量转换的能力，且能够避免由于碰撞产生的噪声污染；

3、该装置在多个方向上的减振控制共用一个质量块，有效减轻结构的负担。

4、该装置抵抗外界因素干扰的能力较强，减振频带宽，鲁棒性好；

5、该装置原理明确、构造简单，占据空间较小，适用于具有空间局限性的结构；

6、该装置能够减小地震作用或风荷载下多个方向的动力响应，抑制不良振动效果显著，且造价低，能够产生较好的经济效益和社会效益。

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。

附图1是双向碰撞摆减振控制装置的结构示意图。

附图2是双向碰撞摆减振控制装置的A-A剖面图。

图中：1质量块，2摆线，3套筒，4弹簧，5连接板，6限位装置，7粘弹性材料，8箱体。

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。

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施方式。

本发明提出了一种新型的双向碰撞摆减振控制装置(BPTMD)，将悬挂质量摆和碰撞阻尼器相结合，该装置兼具两者的特性，既能够通过悬挂质量摆吸收主结构的动能，又能够在摆动的过程中与限位装置发生碰撞，引发能量交换并消耗悬挂质量摆吸收的动能，降低结构的动力响应，具有双重减振控制效果。同时在限位装置上设置粘弹性材料层，增强碰撞耗能的能力。由于结构顶部往往具有空间局限性，该装置避免大体积，正好可以满足小空间安装的要求，具有广泛的适用性。

本发明提出的双向碰撞摆减振控制装置如图1，图2所示。双向碰撞摆减振控制装置，包括一个质量块1，一根摆线2，四个套筒3，四根弹簧4，一块连接板5，一个限位装置6，一层粘弹性材料7，一个箱体8。该装置安装在大跨或高耸结构的顶部；

箱体顶部设置有连接板，在连接板顶部的中心位置通过摆线悬挂有一个质量块，所述的质量块和摆线组成悬挂质量摆；所述的质量块在水平面的前、后、左、右四个方向各通过一个弹簧连接在箱体的四个侧壁上，四个所述的弹簧通过限位装置进行限位。

限位装置包括一个悬挂在连接板顶部的圆筒和与圆筒外壁相连的四个套筒，质量摆罩在圆筒内，四个弹簧穿过的圆筒的侧壁后由套筒进行限位，用于约束弹簧侧向变形，且起到保护弹簧的作用。

所述质量块1为钢球，其质量取主结构质量的1％～5％；

所述摆线2为钢绞线，一端与连接板5铰接，一端与质量块1连接，其长度由公式计算得到；

l＝ω²g

其中，ω为结构的固有频率；g表示重力加速度。

所述套筒3是一种薄壁钢管，套筒两端分别与限位装置6和箱体8焊接，沿弹簧水平布置，其直径略大于弹簧外径，一方面限制弹簧侧向变形，另一方面可以起到保护弹簧的作用；

所述弹簧4两端分别与质量块1和箱体8连接，当质量块运动时弹簧沿套筒3轴向变形，可以提供侧向刚度，由于弹簧串联，刚度减半，具体刚度可按公式计算，

弹簧的最优刚度可由下式计算：

式中，m_d为质量块的质量，f_opt为最优频率比，可由下式确定：

式中，μ_m是双向碰撞摆减振控制装置与主体结构的质量比。

弹簧表面喷涂，隔绝空气中化学成分对弹簧的影响，起到保护弹簧的作用；

所述连接板5位于装置顶部，用于连接主结构，连接板可打孔或使用其他措施与主结构固定；

所述限位装置6为薄壁圆钢管，与连接板5焊接，内侧附有粘弹性材料7，其中质量块1与内侧粘弹性材料层7的碰撞间隙取最优值；

所述粘弹性材料7为橡胶材料，具有高弹性，可恢复能力强，能够一定程度的增加碰撞的次数，有利于动能的吸收，耗散能量；

所述箱体8用于固定套筒3和弹簧4，与连接板焊接，组成封闭式箱体，隔绝空气，保护内部结构；

所述质量块1与限位装置6发生碰撞，撞击到粘弹性材料层7，引发动量交换，其中碰撞力P(t)可根据下式计算:

式中，β为碰撞刚度，由最小二乘优化算法得到；u₁和u₂分别为限位装置与质量块的位移；u₁-u₂为相对速度；g_p为碰撞间隙；c_k为非线性碰撞阻尼系数，可由下式计算：

式中，m₁和m₂分别为限位装置与质量块的质量；γ为滞后阻尼系数，由下式可得：

式中e为牛顿速度恢复系数，可由落球实验得到。

为了使该装置达到理想的减振效果，本方案需要注意一下几个方面：第一、根据主结构的自振频率，在合理选择质量比的前提下准确的确定弹簧的刚度，合理计算摆线的长度，保证减振装置的自振频率与主结构的固有频率相近。第二、合理的选择粘弹性材料层，要有一定的弹性，变形可恢复能力强，耐疲劳损伤，保证一定的使用期限。第三、套筒的内径与弹簧的外径要合理的设计与选择，不宜过小，防止阻碍弹簧的轴向变形。第四、碰撞间隙确定尤为重要，最有碰撞间隙若选择过大，碰撞次数减少，减振效果就差，若选择间隙过小，同样减少了碰撞次数，不利于减振。第五、箱体重量尽量小，减小对主结构自振周期的影响，保证良好的减振效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.双向碰撞摆减振控制装置，其特征在于，包括质量块、摆线、套筒、弹簧、连接板、限位装置、粘弹性材料层和箱体；所述的箱体顶部设置有连接板，在所述的连接板顶部的中心位置通过摆线悬挂有一个质量块，所述的质量块和摆线组成悬挂质量摆；所述的质量块在水平面的前、后、左、右四个方向各通过一个弹簧连接在箱体的四个侧壁上，四个所述的弹簧通过限位装置进行限位；

所述的限位装置包括一个悬挂在连接板顶部的圆筒和与圆筒外壁相连的四个套筒，质量摆罩在圆筒内，四个弹簧穿过的圆筒的侧壁后由套筒进行限位，套筒用于约束弹簧侧向变形，且起到保护弹簧的作用；

所述质量块为钢制球体，其质量取主结构的1%~5%。

2.如权利要求1所述的双向碰撞摆减振控制装置，其特征在于，根据单摆长度l与频率w的关系确定悬挂质量摆的摆线长度，如下：

其中，

为结构的固有频率，g表示重力加速度。

3.如权利要求1所述的双向碰撞摆减振控制装置，其特征在于，所述弹簧的最优刚度由下式计算：

式中，

为质量块的质量，/>

为最优频率比，可由下式确定：

式中，

是整个装置与建筑物主体结构的质量比。

4.如权利要求1所述的双向碰撞摆减振控制装置，其特征在于，所述连接板为钢板，通过栓接或焊接安装在箱体顶部。

5.如权利要求1所述的双向碰撞摆减振控制装置，其特征在于，所述圆筒通过焊接与连接板固定连接。

6.如权利要求1所述的双向碰撞摆减振控制装置，其特征在于，在所述的圆筒的内壁设有一层粘弹性材料层。

7.如权利要求6所述的双向碰撞摆减振控制装置，其特征在于，所述的粘弹性材料层为橡胶材料。

8.如权利要求1所述的双向碰撞摆减振控制装置，其特征在于，所述箱体包裹整个装置。

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