CN107268821B - 一种多级混合型耗能减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级混合型耗能减振装置，包括质量块、摆箱和外箱体；质量块通过竖直设置的弹簧安装在外箱体的上方与外箱体相连，摆箱通过连接装置固定在质量块底部，摆箱与外箱体之间通过水平设置的弹簧连接；在摆箱内悬挂一个弹簧，弹簧底部金属摆球；在摆箱的顶部和底部固定有磁极相反的永久强磁铁块，金属摆球在空间摆动时切割磁感线，进而在金属摆球内部形成电涡流，感应电涡流也会形成电磁场来阻碍摆球的相对运动；从而将机械能转化为电能耗散掉；在外箱体内部装有水，形成TLD装置；TLD装置能够在外力作用下发生晃动，产生与结构相反的惯性力，同时水能够与摆箱、外箱体的碰撞耗散结构振动的能量，实现多级有效地耗能减振。

Description

一种多级混合型耗能减振装置

技术领域

本发明涉及结构工程振动控制领域，尤其涉及一种减小高耸结构地震、风荷载作用下振动响应，具体地说是一种多级混合型耗能减振装置。

背景技术

近年来，随着国民经济的发展和城镇化的推进，基础设施建设过程中对各种高耸结构(风力发电机、输电塔-线体系、通讯铁塔、烟囱等)的需求日益增加。然而这种结构高、柔性强、阻尼小、结构轻等特征，对地震荷载、风荷载等动力荷载作用下非常敏感，振动十分明显，一旦失效或破坏将会对社会造成巨大的经济损失。强烈的振动往往使得结构无法维持正常使用；长期在交变应力作用下，容易使得结构形成疲劳裂纹，影响使用寿命。因此减小高耸结构动荷载作用下的振动响应，确保高耸结构的可靠运行具有十分重要的意义。

简单来说，结构振动控制就是通过采取一定的控制措施以减轻或抑制结构由于动荷载引起的反应。对于工程中的振动问题，传统的方法即利用构件的承载能力和变形来消耗地震或风的能量是不合理的，是一种资源的浪费，目前国内外学者关于结构的振动控制技术开展了大量的研究，取得了丰硕的成果，实际工程中取得了较大的经济效益。现阶段，人们已经彻底将土木工程结构的振动控制理念加入到防震减灾的研究领域当中，不同的控制系统有不同的控制方法，侧重点也有所不同。振动控制主要分为被动控制、主动控制、混合控制、智能控制四个部分。被动控制构造复杂、造价较高，占据空间大，而且安装完成后质量块的配置和弹簧的刚度不便调节，主动控制效果显著，但需要外部能量且控制器设置技术较高，应用起来困难。混合控制具有主动与被动控制的优点，振动控制效果显著。智能控制采用智能化的控制系统，根据环境主动调节内部参数，改变减振装置特性从而迅速减小振动。

地震或风荷载作用时方向具有随机性，且高耸结构动荷载作用时的敏感性，需要针对高耸结构进行多方向的振动控制，同时强震或强风作用下需要能量能够以多种方式快速耗散，进而快速有效地减小高耸结构的振动。根据TLMD、记忆合金、弹簧摆、电涡流等优点，提出了一种多级混合型耗能减振装置，该装置能够根据结构振动的强烈实现不同方式的振动控制，同时能量能够通过电涡流，水体的晃动，弹簧摆的碰撞达到能量的耗散，从而快速有效地减小高耸结构的振动。

发明内容

针对实际工程中高耸结构的振动问题，提出一种多级混合型耗能减振装置，该装置构造简单、减振效果明显、适用范围广泛、对环境变化适应力高，能够快速有效地减小高耸结构的振动。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

多级混合型耗能减振装置，包括质量块、摆箱和外箱体；所述的质量块通过竖直设置的弹簧安装在外箱体的上方与外箱体相连，所述的摆箱通过连接装置固定在质量块底部，摆箱与外箱体之间通过水平设置的弹簧连接；在所述的摆箱内悬挂一个弹簧，所述的弹簧底部连接一个金属摆球，在摆箱的顶部和底部固定有磁极相反的永久强磁铁块，所述的金属摆球能够在空间摆动时切割磁感线，进而在金属摆球内部形成电涡流，感应电涡流也会形成一个电磁场来阻碍摆球的相对运动；从而将机械能转化为电能耗散掉；在所述的外箱体内部装有水，形成TLD装置；所述TLD装置能够在外力作用下发生晃动，产生与结构相反的惯性力，同时水能够与摆箱、外箱体的碰撞耗散结构振动的能量，实现多级有效地耗能减振。

进一步的，所述的弹簧为镍钛形状记忆合金弹簧，该弹簧自恢复能力强，阻尼大，能够在振动结束后恢复原来的状态，同时提供阻尼力，达到了耗能的目的。

进一步的，所述摆球为电导率较高的紫铜球，摆动时磁场中切割磁感线所产生的涡流大，能够快速将结构振动时的机械能转化为电能，达到快速耗能的目的。

进一步的，所述质量块上竖直的开有相对较大的矩形通孔，能够实现质量块水平移动时而不阻碍质量块的竖向的振动，从而实现空间多维减振的目的。

进一步的，所述的矩形通孔内设置有一个限位杆，所述限位杆的底部固定在外箱体上；竖直设置的弹簧套装在限位杆上。

进一步的，所述TLD装置外箱体为不锈钢容器，做好防腐处理，同时液面的高度与容器的尺寸根据结构的主频率选取，当该装置的振动频率与结构的主频率达到一致时减振效果最佳。

进一步的，弹簧摆摆球的重量，弹簧的长度与刚度，根据结构的主频率计算得到，当振动时弹簧摆与结构共振时，减振效果最佳，同时摆球表面粘贴黏弹性材料，能够在摆球与摆箱碰撞时达倒吸收能量的目的。

进一步的，质量块、摆箱、弹簧摆的总质量，记忆合金弹簧的刚度与长度根据结构主频率选取，当振动时与结构达到共振时减振效果最佳。

进一步的，水平弹簧与摆箱通过上下可移动的滑轨连接，在质量块上下晃动时而不影响水平方向的晃动。

本发明的金属摆球能够在空间摆动时切割磁感线，由电磁感应原理可知金属摆球内部形成电涡流，同时感应电涡流也会形成一个电磁场来阻碍摆球的相对运动，从而将机械能转化为电能耗散掉，结构振动强烈时摆球能够与摆箱碰撞也会耗散能量，从而减小结构的振动。外箱体内部装有水，形成TLD装置，该装置能够在小风或小震作用下发生晃动，产生与结构相反的惯性力，同时水能够与摆箱、外箱体的碰撞耗散结构振动的能量，实现多级有效地耗能减振。质量块通过竖向弹簧与外箱体连接，所述摆箱通过水平弹簧与外箱体连接，能够实现空间三个方向的晃动达到多维减振与防扭转的目的。

本发明的有益效果是：

(1)本发明一种多级混合型耗能减振装置，可通过质量块空间三个方向的晃动达到多维减振的目的，同时当外箱体与结构固定后，地震时通过质量块的相对转动能够有效地防扭转，不需要外加能量输入，构造简单，性价比高，具有较高的经济效益；

(2)该发明中的弹簧摆通过空间的摆动，达到小风小震作用下的多维减振，摆动时切割磁感线，形成电涡流，将机械能转以电能的形式耗散掉，同时球体在强震或强风作用下能够与摆箱发生碰撞，能量可以被球包裹的黏弹性材料吸收，将机械能耗散掉，达到快速耗能的目的；

(3)该装置中TLD装置通过液体的晃动产生与结构运动相反方向的动水压力阻碍结构的振动，摆箱的晃动在振动时能够推动液体运动，使其波幅更大，有利于吸收并耗散振动系统的能量，利用流体与固体的耦合作用，能够使减振效果更佳，且该装置能够在结构微小振动时能发生液体的晃动。

(4)该装置中所采用的弹簧均为阻尼大、自复位能力强的记忆合金弹簧，弹簧的拉伸和压缩能够提供较大的阻尼力，结构振动结束后能够恢复原状，达到减振耗能的目的。

(5)该装置实现高耸结构多维振动控制，能够根据环境进行不同的振动控制方式，同时能够实现多重快速耗能的目的，具有较高的经济效益与社会应用前景。

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是一种多级混合型耗能减振装置正视图。

附图2是一种多级混合型耗能减振装置俯视图。

附图3是一种多级混合型耗能减振装置A-A剖面图。

附图4是一种多级混合型耗能减振装置B-B剖面图。

图中：1质量块，2记忆合金弹簧，3外箱体，4摆球，5黏弹性材料，6限位杆，7挡块，8竖向滑轨，9摆箱，10磁铁快，11水。

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，现有技术中存在地震或风荷载作用时方向具有随机性，且高耸结构动荷载作用时的敏感性，需要针对高耸结构进行多方向的振动控制，同时强震或强风作用下需要能量能够以多种方式快速耗散，进而快速有效地减小高耸结构的振动。根据TLMD、记忆合金、弹簧摆、电涡流等优点，提出了一种多级混合型耗能减振装置，该装置能够根据结构振动的强烈实现不同方式的振动控制，同时能量能够通过电涡流，水体的晃动，弹簧摆的碰撞达到能量的耗散，从而快速有效地减小高耸结构的振动。

本发明提出的一种多级混合型耗能减振装置如图1、图2、图3和图4所示。该装置安装在高耸结构的顶部，包括一个外箱3，若干质量块1，四根限位杆6，1个摆箱8，一个摆球4，四块挡块7，十二根记忆合金弹簧2，两块永久磁铁块10，八根竖向导轨8，黏弹性材料5和水11若干。

具体结构：摆箱8通过螺栓固定在质量块1下端，摆箱上下端固定一份磁极相反的永磁铁块10，摆箱内部悬挂一弹簧摆，金属摆球4能够在空间摆动时切割磁感线，由电磁感应原理可知金属摆球内部形成电涡流，同时感应电涡流也会形成一个电磁场来阻碍摆球的相对运动，从而将机械能转化为电能耗散掉，同时摆球4的与箱体的碰撞也会耗散能量，从而减小结构的振动。外箱3内部装有水11，形成TLD装置，该装置能够在小风或小震作用下发生晃动，产生与结构相反的惯性力，同时水能够与摆箱、外箱体的碰撞耗散结构振动的能量，实现多级有效地减振。质量块1通过竖向弹簧2与外箱体3连接，所述摆箱通过水平弹簧与外箱体3连接，能够实现空间三个方向的晃动达到多维减振与防扭转的目的。

进一步的，所述的弹簧为镍钛形状记忆合金弹簧，该弹簧自恢复能力强，阻尼大，能够在振动结束后恢复原来的状态，同时提供阻尼力，达到了耗能的目的。

进一步的，所述摆球为电导率较高的紫铜球，摆动时磁场中切割磁感线所产生的涡流大，能够快速将结构振动时的机械能转化为电能，达到快速耗能的目的。

进一步的，所述质量块上竖直的开有相对较大的矩形通孔，能够实现质量块水平移动时而不阻碍质量块的竖向的振动，从而实现空间多维减振的目的。

进一步的，所述的矩形通孔内设置有一个限位杆，所述限位杆的底部固定在外箱体上；竖直设置的弹簧套装在限位杆上。

进一步的，所述TLD装置外箱体为不锈钢容器，做好防腐处理，同时液面的高度与容器的尺寸根据结构的主频率选取，当该装置的振动频率与结构的主频率达到一致时减振效果最佳。

进一步的，弹簧摆摆球的重量，弹簧的长度与刚度，根据结构的主频率计算得到，当振动时弹簧摆与结构共振时，减振效果最佳，同时摆球表面粘贴黏弹性材料，能够在摆球与摆箱碰撞时达倒吸收能量的目的。

进一步的，质量块、摆箱、弹簧摆的总质量，记忆合金弹簧的刚度与长度根据结构主频率选取，当振动时与结构达到共振时减振效果最佳。

进一步的，水平弹簧与摆箱通过上下可移动的滑轨连接，在质量块上下晃动时而不影响水平方向的晃动。

为了使本装置减振效果最佳，需要注意以下几个方面：第一、所述弹簧摆装置根据结构的主频率选取合适的摆球重量和弹簧的长度、刚度，当弹簧摆的振动频率与结构基本一致时效率最佳，其次摆球外粘贴黏弹性材料，能够在强风或强震作用下摆球与摆箱发生碰撞吸收能量。第二、TLD装置外箱体的尺寸、液面的高度也要根据结构的主频率选取，该装置能够实现动荷载较小时发生晃动，同时摆箱要浸入液体中，振动时摆箱能够带动液体晃动，使其波幅更大，达到快速耗能的目的。第三、该装置要做好防腐处理，保证该装置的耐久性及有效性。第四、质量块、摆箱与弹簧摆的总重量、记忆合金弹簧的长度与刚度需要根据结构的主频率得到，能够在振动时该装置的振动频率与结构主频率基本一致的时候该装置减振效果最佳。第五、质量块开孔相对较大，挡块要适当大一些，保证该装置的安全性与减振的有效性。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)本发明可通过质量块空间三个方向的晃动达到多维减振的目的，同时当外箱体与结构固定后，地震时通过质量块的相对转动能够有效地防扭转，不需要外加能量输入，构造简单，性价比高，具有较高的经济效益；

(2)该发明中的弹簧摆通过空间的摆动，达到小风小震作用下的多维减振，摆动时切割磁感线，形成电涡流，将机械能转以电能的形式耗散掉，同时球体在强震或强风作用下能够与摆箱发生碰撞，能量可以被球包裹的黏弹性材料吸收，将机械能耗散掉，达到快速耗能的目的；

(3)该装置中TLD装置通过液体的晃动产生与结构运动相反方向的动水压力阻碍结构的振动，摆箱的晃动在振动时能够推动液体运动，使其波幅更大，有利于吸收并耗散振动系统的能量，利用流体与固体的耦合作用，能够使减振效果更佳，且该装置能够在结构微小振动时能发生液体的晃动。

(4)该装置中所采用的弹簧均为阻尼大、自复位能力强的记忆合金弹簧，弹簧的拉伸和压缩能够提供较大的阻尼力，结构振动结束后能够恢复原状，达到减振耗能的目的。

(5)该装置实现高耸结构多维振动控制，能够根据环境进行不同的振动控制方式，同时能够实现多重快速耗能的目的，具有较高的经济效益与社会应用前景。

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)

1.一种多级混合型耗能减振装置，其特征在于，包括质量块、摆箱和外箱体；所述的质量块通过竖直设置的弹簧安装在外箱体的上方与外箱体相连，所述的摆箱通过连接装置固定在质量块底部，摆箱与外箱体之间通过水平设置的弹簧连接；在所述的摆箱内悬挂一个弹簧，所述的弹簧底部连接一个金属摆球，形成弹簧摆；在摆箱的顶部和底部固定有磁极相反的永久强磁铁块，所述的金属摆球能够在空间摆动时切割磁感线，进而在金属摆球内部形成电涡流，感应电涡流也会形成一个电磁场来阻碍摆球的相对运动；从而将机械能转化为电能耗散掉；在所述的外箱体内部装有水，形成TLD装置；所述TLD装置能够在外力作用下发生晃动，产生与结构相反的惯性力，同时水能够与摆箱、外箱体的碰撞耗散结构振动的能量，实现多级有效地耗能减振；在所述的摆球表面粘贴黏弹性材料，能够在摆球与摆箱碰撞时达倒吸收能量的目的；水平设置的弹簧与摆箱通过上下可移动的滑轨连接，在质量块上下晃动时而不影响水平方向的晃动。

2.如权利要求1所述的一种多级混合型耗能减振装置，其特征在于，所述的弹簧为镍钛形状记忆合金弹簧。

3.如权利要求1所述的一种多级混合型耗能减振装置，其特征在于，所述金属摆球为紫铜球。

4.如权利要求1所述的一种多级混合型耗能减振装置，其特征在于，所述质量块上竖直的开有矩形通孔。

5.如权利要求4所述的一种多级混合型耗能减振装置，其特征在于，所述的矩形通孔内设置有一个限位杆，所述限位杆的底部固定在外箱体上；竖直设置的弹簧套装在限位杆上。

6.如权利要求1所述的一种多级混合型耗能减振装置，其特征在于，所述外箱体为不锈钢容器，且做有防腐处理；且外箱体内液面的高度与容器的尺寸根据结构的主频率选取，当该装置的振动频率与结构的主频率达到一致时减振效果最佳。

7.如权利要求1所述的一种多级混合型耗能减振装置，其特征在于，弹簧摆中摆球的重量，弹簧的长度与刚度，根据结构的主频率计算得到，当振动时弹簧摆与结构共振时，减振效果最佳。

8.如权利要求1所述的一种多级混合型耗能减振装置，其特征在于，质量块、摆箱、弹簧摆的总质量，记忆合金弹簧的刚度与长度根据结构主频率选取，当振动时与结构达到共振时减振效果最佳。

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