CN107419816A - 控制三维平动及其扭转方向的减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，包括一个外筒，所述的外筒内设有一个能沿其内壁上下活动的底板；所述底板的下表面与外筒底部通过弹性装置I相连；所述底板的上表面的中心位置设有一个垂直设置的支撑杆，支撑杆顶部设有一个限位板，所述的连杆和限位板用于支撑设置在外筒内的内筒，所述的内筒的底部能沿着设置在底板上的环向滑轨在外力作用下旋转；且内筒底部与底板之间设置有金属球，金属球支撑内筒底部。

Description

控制三维平动及其扭转方向的减振装置

技术领域

本发明涉及建筑结构领域，具体地说是一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，主要应用于大跨、高耸等相关结构的减振控制。

背景技术

随着社会的发展，建筑结构形式日益多样化和复杂化，地震和风雨灾害频发导致大量的建筑结构发生倒塌破坏。在强风或强烈地震作用下，结构物产生强烈的动力反应，建筑物顶端的位移、速度和加速度等参数的响应很大，严重影响结构的安全性、耐久性和适用性。地震灾害中大量的伤亡以及巨大的经济损失，使得人们的减震防灾意识日益提高，如何减小建筑物在地震灾害中的动力效应，建筑物具有良好的抗震和抗风性能，同时满足美观和舒适的要求成为土木工程领域的研究热点，受到越来越多的关注。

结构形式复杂的建筑物，刚度分布通常是不对称的，其在强风强震作用下，表现出明显的平扭耦合作用，容易诱发造成结构扭转脆性破坏，进而导致结构传力路径破坏，造成整体结构的破坏倒塌。目前工程中主要通过调整结构布置和增加结构的抗扭刚度来减小偏心结构的扭转反应。对于第一种方法，在建筑功能已经确定的情况下，平面布置的调整余地很小。对于第二种方法，结构设计以刚度控制，势必增大构件的截面，造成节点构造复杂，成本较高，且增大了地震作用。

研究表明，当前很多结构减振控制装置充分考虑到地震或风荷载作用方向的多维性以及结构振动的复杂性，可以有效控制建筑物在多个方向上的动力效应。减震控制装置的不断改进，对于实际工程中的应用也越来越多。如上海环球金融中心大楼、武汉保利文化广场、天津国贸中心、阿联酋迪拜的七星级大酒店等。但各种形式的减振器大多仅针对结构水平方向和竖直方向上进行振动控制，没有进行有效的扭转振动控制，而考虑到结构振动的复杂性，这样的振动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控制三维平动及其扭转方向的减振装置，旨在减小建筑结构(尤其是复杂及高耸建筑结构等)在风荷载及地震作用下的扭转及振动反应，达到耗能减振的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，包括一个外筒，所述的外筒内设有一个能沿其内壁上下活动的底板；所述底板的下表面与外筒底部通过弹性装置I相连；所述底板的上表面的中心位置设有一个垂直设置的支撑杆，支撑杆顶部设有一个限位板，所述的连杆和限位板用于支撑设置在外筒内的内筒，所述的内筒的底部能沿着设置在底板上的环向滑轨在外力作用下旋转；且内筒底部与底板之间设置有金属球，金属球支撑内筒底部。

进一步的，所述的内筒通过隔板分成了上下两部分，其中上部空心，下部实心。

进一步的，在所述的内筒上顶预留有圆孔；通过该圆孔向内筒上部添加用于耗散振动能量的阻尼液体，实现水平各个方向上的减震控制；在该圆孔处盖有橡胶塞，以避免液体溅出；当结构振动时带动液体晃动，以实现水平各个方向减振；

所述的内筒下部预留有圆孔，所述的圆孔用于插装所述的支撑杆，支撑杆为刚性；支撑杆下端与底板焊接，上端与限位板固定连接。

进一步的，所述的外筒、内筒和底板应同轴安装。

可通过改变阻尼液体的高度来调节调谐液体阻尼器的振动频率。

支撑杆直径略小于圆孔直径，且孔壁与支撑杆相对光滑，所述的支撑杆上端设有限位板，避免内筒相对底板发生较大的竖向位移，以保证内筒绕支撑杆发生转动。

进一步的，在所述的底板上表面设有多个半圆形凹槽，每个凹槽内放置有所述的金属球；所述的金属球均匀布置在底板上，内筒放置在金属球上且能够绕支撑杆光滑转动。

进一步的，在所述的环向滑轨中安装有弹性装置II，所述的弹性装置II的两端分别连接位于环向滑轨内的挡块和内筒下端的外伸端板，实现对环向扭转的减震控制。

进一步的，所述的底板左右两侧设有滑块，所述的外筒内壁设有与滑块相匹配的竖向滑轨。

进一步的，所述的弹性装置I安装在底板下部，上端与底板固定连接，下端与外筒固定连接。

可以通过改变弹性装置I和弹性装置II的刚度、阻尼液体的高度，对减振装置的频率进行调节。

进一步的，本控制三维平动及其扭转方向的减振装置应当固定于结构易发生扭转破坏的位置。

进一步的，所述的金属球均匀布置在底板上，内筒放置在金属球上且能够绕中心轴光滑转动。

进一步的，所述的内筒下部外伸端板，端板伸入环向滑轨，通过弹性装置与滑轨挡块连接。

进一步的，所述的弹性装置I包括4根弹簧，可通过弹簧的刚度调节转动频率；所述的弹性装置I绕底板均匀分布。

进一步的，所述的内筒与金属球相接触的部分添加润滑油；所述的竖向滑轨与滑块相接触的部分添加润滑油。

本发明的有益效果是：

控制三维平动及其扭转方向的减振装置的原理属于被动控制，便于加工，无需能源输入，容易实现且安全性高。该减振装置可以减小结构在地震或风荷载作用下多维振动反应，可以有效的弥补荷载发生时方向不确定所带来的隐患。可以通过改变弹性装置Ⅰ和弹性装置Ⅱ的刚度，阻尼液体的高度，对减振装置的频率进行调节，适用性比较广。本装置既能够在水平各个方向和竖直方向上起到耗能减振的作用，又能够对结构的环向扭转进行有效的控制，很大程度上减少扭转对结构造成的损伤，解决了以往被动控制装置只能在单一方向减振的弊端。具有构造简单、加工方便、便于安装和造价低廉等特点。不仅适用于新建建筑结构的减振，也适用于已有建筑结构的减振控制，可适用于大跨、高耸、体型复杂和安全要求高的建筑结构，能够产生较好的经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为控制三维平动及其扭转方向的减振装置主视图；

图2为控制三维平动及其扭转方向的减振装置的A-A剖视图；

图中：1外筒，2内筒，3阻尼液体，4隔板，5限位板，6支撑杆，7金属球，8弧形端板，9弹性装置II，10底板，11环向滑轨，12滑块，13竖向滑轨，14橡胶塞，15弹性装置I，16滑轨挡块。

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，现有技术中考虑到结构振动的复杂性，一般的振动控制装置无法很好的满足振动控制的要求，针对以上现状，在传统的减振装置的基础上，将调谐质量阻尼器(TMD)与调谐液体阻尼器(TLD)相结合，本发明提出一种新型的控制三维平动及其扭转方向的减振装置，本装置既能够在水平各个方向和竖直方向上起到耗能减振的作用，又能够对结构的环向扭转进行有效的控制，很大程度上减少扭转对结构造成的损伤，解决了以往被动控制装置只能在单一方向减振且无法考虑扭转控制的弊端。

本发明提出的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置如图1，图2所示，该装置与传统的振动控制装置相比，本发明在减小结构动力响应的基础上，能够在水平各个方向和竖直方向上起到耗能减振的作用，而且对结构的扭转进行有效的控制，在很大程度上减少了扭转对结构造成的损伤，同时保证强风强震作用下建筑物的安全性。

本发明的具体结构如下：

控制三维平动及其扭转方向的减振装置，包括外筒1、内筒2和底板10，内筒2上部空心，下部实心，通过隔板4分隔。内筒2的下部预留圆孔，圆孔内穿有刚性支撑杆6，支撑杆6下端与底板10焊接，上端与限位板5固定连接，支撑杆6的直径略小于圆孔直径，且支撑杆6与圆孔内壁相对光滑，以保证内筒2绕支撑杆6发生与底板10的转动，而不产生其他方向的位移。底板10左右两侧设有滑块12，在外筒1内壁设有与滑块12相匹配的竖向滑轨13，保证底板10与内筒2相对于外筒1只发生竖向位移。内筒2上部盛装有阻尼液体3，在内筒2上顶预留圆孔，在圆孔处盖有橡胶塞14，用于添加阻尼液体。可以通过阻尼液体3的高度来调节调谐液体阻尼器的振动频率，实现水平各个方向减振控制。

底板10设有环向滑轨11，环向滑轨11中预留有挡块16，内筒2下部连接有弧形端板8并可插入环向滑轨11中，弹性装置II9安装在环向滑轨11中，弹性装置II9的两端分别连接有底板上环向滑轨的挡块16和内筒2下端的弧形端板8。内筒2底部放置在金属球7上，内筒2通过金属球7与底板10相接触，可通过改变弹性装置II9的刚度调节内筒2的转动频率，以保证与原结构在地震荷载下产生的扭转频率相近或一致，实现绕竖直方向的扭转减振控制。

弹性装置I15设置在底板10下部，弹性装置I15上端固定连接在底板10上，下端固定连接在外筒1上，弹性装置I15绕底板均匀分布，内筒2、底板10与弹性装置I15组成竖向调谐质量阻尼器，可以通过改变弹性装置I15的刚度来调节调谐质量阻尼器的频率，保证与被控结构的竖向方向的振动频率一致，达到最优的减振效果。

该减振装置可以对结构的扭转进行有效的控制，很大程度上减少扭转对结构造成的损伤，除此之外，装置可减小结构在风荷载或地震作用下水平向的振动反应，保证强风强震作用下建筑物的安全性。该减振装置构造简单、加工方便、耐性价比高、便于安装。

将本装置安装在建筑主体结构易发生扭转破坏的位置，当建筑主体结构受到地震或风等荷载作用时，会发生振动响应，进而带动本装置一起振动。由于建筑主体结构的振动比较复杂，地震或风荷载具有多维性，往往多个方向的振动同时存在。

本装置利用调谐液体阻尼器中的阻尼液体随结构发生晃动时产生的动水压力作用于容器壁起到减振控制力的作用，并将振动的机械能最终转化成热能，从而达到减小振动对结构影响的目的。通过调谐质量阻尼器中质量块在运动中产生的惯性力反作用到建筑主体结构上，且弹簧发生伸长或缩短，在变形过程中，产生的弹力会阻碍相对运动，从而提供较大的阻尼力和耗能能力，达到耗能减振的效果。

可以通过改变弹性装置I和弹性装置II中弹簧的刚度、内筒2中的阻尼液体3的高度，对减振装置的频率进行调节，保证与建筑主体结构的振动频率一致，适用范围广。

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 (10)

1.一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，包括一个外筒，所述的外筒内设有一个能沿其内壁上下活动的底板；所述底板的下表面与外筒底部通过弹性装置I相连；所述底板的上表面的中心位置设有一个垂直设置的支撑杆，支撑杆顶部设有一个限位板，所述的连杆和限位板用于支撑设置在外筒内的内筒，所述的内筒的底部能沿着设置在底板上的环向滑轨在外力作用下旋转；且内筒底部与底板之间设置有金属球，金属球支撑内筒底部。

2.如权利要求1所述的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，所述的内筒通过隔板分成了上下两部分，其中上部空心，下部实心。

3.如权利要求2所述的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，在所述的内筒上顶预留有圆孔；通过该圆孔向内筒上部添加用于耗散振动能量的阻尼液体，实现水平各个方向上的减震控制；，在该圆孔处盖有橡胶塞；当结构振动时带动液体晃动，以实现水平各个方向减振；所述的内筒下部也预留有圆孔，该圆孔用于插装所述的支撑杆。

4.如权利要求3所述的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，可通过改变阻尼液体的高度来调节调谐液体阻尼器的振动频率。

5.如权利要求1所述的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，在所述的底板上表面设有多个半圆形凹槽，每个凹槽内放置有所述的金属球；所述的金属球均匀布置在底板上，内筒放置在金属球上且能够绕支撑杆光滑转动。

6.如权利要求1所述的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，在所述的环向滑轨中安装有弹性装置II，所述的弹性装置II的两端分别连接位于环向滑轨内的挡块和内筒下端的外伸端板，实现对环向扭转的减震控制。

7.如权利要求5所述的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，通过改变弹性装置I和弹性装置II的刚度、阻尼液体的高度，对减振装置的频率进行调节。

8.如权利要求1所述的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，所述的底板左右两侧设有滑块，所述的外筒内壁设有与滑块相匹配的竖向滑轨。

9.如权利要求1所述的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，所述的内筒与金属球相接触的部分添加润滑油；所述的竖向滑轨与滑块相接触的部分添加润滑油。

10.如权利要求1所述的一种控制三维平动及其扭转方向的减振装置，其特征在于，所述的弹性装置I绕底板均匀分布。