CN108130958B - 一种竖向碰撞型的调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种竖向碰撞型的调谐质量阻尼器，用于固定在主结构内壁的固定底片上垂直地固连有两根刚性限位杆，每根刚性限位杆上套装有一个压簧；质量块上有两个贯通孔，每个贯通孔由一个小圆孔和一个大圆孔组成；上述两根刚性限位杆分别从下向上活动地穿过质量块上的两个贯通孔，刚性限位杆上的压簧活动地置于质量块上贯通孔的大圆孔内，且大圆孔内的压簧在质量块作用过程中总是受压。质量块上两根刚性限位杆之间还包覆有粘弹性材料；本发明通过质量块与结构内壁碰撞耗能提供阻尼，单面碰撞和双面碰撞两种耗能机制自动切换。本发明可适应于宽窄频带、不同强度水平的激励，振动控制效果明显。

Description

一种竖向碰撞型的调谐质量阻尼器

技术领域

本发明属于振动控制装置，具体涉及一种竖向碰撞型的调谐质量阻尼器装置。

背景技术

近三十年来，结构振动控制迅猛发展，出现了多种能够有效控制结构振动的方法。比如，主动控制方法，半主动控制方法，被动控制方法和混合控制方法等等。尤其是在大型的结构当中，被动控制因为安装便捷，维护容易，成本低，效果好等优点被大量使用。

被动控制又分为被动阻尼装置和可调节的振动吸收装置。前者发展应用广泛的有油阻尼器，粘性阻尼器，摩擦阻尼器等。很多国内外知名的大桥就应用的是油阻尼器。它具有结构简单，便于安装等优点。不过，不少应用中发现此装置耐久性不好，容易损坏、漏油，需要频繁更换。

可调节的振动吸收装置中，最具代表性的当属调谐质量阻尼器(TMD)。我们熟知的中国台湾台北101塔的塔顶就安装了世界上最大的TMD，还有诸多高层建筑，城市大跨桥梁，输电塔等等均选择TMD来进行振动控制。此外，还有调谐液体阻尼器，通过在高层建筑上安装大型的水箱，利用水的震荡作用于水箱壁，进而消耗结构物的振动能量，以此来减弱主结构的振动。这类阻尼器具有易安装，低成本，高效多功能等优点，已成功应用于美国加利福尼亚州的林肯南塔。

然而，现有的各种阻尼器也存在不少的缺点和不足。主动控制往往安装程序繁琐，装置系统复杂而且成本过于高昂，不能够在野外，山区等极端环境下有效发挥作用。因此，在大量的工程实例中，更多选择被动控制来进行结构物的振动控制。

但是，现有的被动控制装置往往体积或者质量过大，容易影响到原结构本身的功能和外观，导致很多结构不能顺利安装，普遍适用性较差。相比较主动控制来说，现有的被动控制效率不高，难以满足很多大型结构物高级别的设计要求。

发明内容

针对现有主动控制的高成本和现有被动控制的低效率，本发明的目的是提供一种结构简单，成本低廉，控制高效且可调节的竖向碰撞型的调谐质量阻尼器。

本发明的目的是这样实现的：一种竖向碰撞型的调谐质量阻尼器，形状与主结构内壁相吻合，用于固定在主结构内壁的固定底片上垂直地固联有两根刚性限位杆，每杆刚性限位杆上套装有一个压簧；质量块上有两个贯通孔，每个贯通孔由一个小圆孔和一个大圆孔组成；上述两根刚性限位杆分别从下向上活动地穿过质量块上的两个贯通孔，每根刚性限位杆上套装的压簧活动地置于质量块上的贯通孔的大圆孔内，质量块上两根刚性限位杆之间还包覆有粘弹性材料；当质量块在主结构内的初始平衡位置时，质量块上的粘弹性材料刚好接触固定底片，当质量块离开固定底片向上运动至与主结构内壁上边界碰撞时，压簧仍保有一定的压缩量。

所述质量块可以为圆柱体、椭圆柱体、方柱体或多棱柱体。质量块和固定底片的外形都适应主结构内壁的形状。

所述主结构为圆管时，质量块为圆柱体，固定底片为一与圆管内壁相吻合的弧形板；所述两根刚性限位杆从质量块上的两个贯通孔伸出后与主结构的圆管内壁接触或相固定；所述质量块上的两个贯通孔对称地设置在质量块圆柱体中截面的两边。

本发明是一种利用质量块与主结构内壁的碰撞快速耗散能量的新型调谐质量阻尼器。

本发明的阻尼器旨在高效地控制结构物的竖向振动。首先利用阻尼器与结构物的振动频率协调，实现结构物的能量能够在阻尼器和结构物之间按照一定的频率来回传递。第二，充分利用阻尼器的质量块与结构物的碰撞，瞬间消耗结构物传递过来的振动能量，有效地将碰撞前的机械能转化为碰撞后产生的内能。第三，粘贴富有极强弹塑性变形能力的粘弹性材料，最大程度上地将振动机械能转化为内能，并在一定程度上减小噪音。第四，通过调节阻尼器与结构物的频率比和质量比，优化控制效果，实现短时间内耗散结构物的大部分能量，快速达到减小振动的目的。第五，将阻尼器安装在结构物最合理的位置上，物尽其用。

本发明新型碰撞型阻尼器由5个主要部件组成，分别为刚性限位杆、质量块、压簧、粘性碰撞材料和固定底片，整体结构如图1所示。两根相同的刚性限位杆固定在底片上，两个相同的压簧套入刚性限位杆，不加约束地静置于底片，以方便更换，调节不同弹簧刚度。如图2 所示，质量块在刚性限位杆的位置处，对称地开一大一小贯通的圆孔。大圆孔套入压簧，小圆孔套入刚性限位杆，同样不加任何连接。质量块可在刚性限位杆方向顺畅滑动，滑动摩擦可忽略不计。质量块上粘贴一圈粘弹性材料，保证上下碰撞均为粘弹性碰撞。在自重作用下，质量块和压簧系统竖向振动的静平衡位置是质量块下表面的粘弹性材料恰好与固定底片接触时的位置。

为方便使用，该阻尼器可安装于主结构发生较大位移处的内部狭小空间内。直接利用主结构的内壁作为该阻尼器的上限位边界，质量块和固定底片的外形也适应主结构内壁的形状。

阻尼器的工作机理是：

本发明通过粘弹性材料的碰撞迅速消耗结构物的振动能量，实现快速控制振动的目的。当结构物竖向振动固有频率与阻尼器相协调时，结构物的振动能量会按照一定频率在两者之间相互传递，引起阻尼器的振动。阻尼器的底片是固定在结构物上的，阻尼器的振动实际就是质量块和弹簧系统的振动。当系统振动能量比较大，质量块剧烈振动，运动到远离平衡位置处的上边界时，两者发生碰撞，耗散一部分的能量；当质量块运动到平衡位置处,也就是下边界处时，两者相对速度很大，发生猛烈碰撞，瞬间消耗大量振动能量。如此，相对于只有下边界平衡位置处的碰撞，远端的碰撞会一定程度上加速能量的消耗。相对于只有远端的碰撞，下边界平衡位置处的碰撞不仅能增大每次碰撞消耗的能量，提高工作效率，而且能耗散掉微弱的振动能量，提升工作精度。

本发明竖向的碰撞型调谐质量阻尼器装置中质量块的工作模式，如下：

(1)当激励水平不高，质量块与主结构的相对位移小于质量块在主结构内的活动区间时，质量块仅仅与下边界发生碰撞，此时表现为单面碰撞耗能。

(2)当激励水平较高，质量块与主结构的相对位移超过质量块在主结构内的活动区间时，质量块交替地与上下边界发生碰撞，此时表现为双面碰撞耗能。

(3)以上两种工作模式随着激励水平的不同自动切换，从而保证主结构在任意激励水平下都能得到较好的控制。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明涉及的设计参数简单、容易确定：质量块的质量和弹簧的刚度根据主结构的自振频率确定；质量块的活动空间根据激励水平确定。

2、本发明的装置完全贴合主结构的形状，置于主结构内部，安全适用美观耐久。由于通过碰撞耗能，所以该装置需要占用的空间较小。

3、本发明的两种自动切换的碰撞耗能机制，改善了常规调谐质量阻尼器的减振效果对频率十分敏感、对不同水平激励的适应性差等缺陷，具有较强的适应性和通用性。

4、本发明的结构非常简单，成本低廉，易于实现，安装方便，效果显著，因此便于应用于实际工程的减振控制中

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图。

图2是图1的前视图。

图3是安装于交通信号杆横杆管内的阻尼器示意图。

图4是图3的前视图。

图5是主结构的振动衰减示意图。

图中：1-刚性限位杆；2-质量块；3-压簧；4-粘弹性材料(如橡胶垫质量块碰撞减振作用)； 5-固定底片；6-(主结构水平)圆管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

参见图1、图2、图3。一种碰撞型的调谐质量阻尼器，形状与主结构内壁相吻合，用于固定在主结构内壁的固定底片5上垂直地固联有两根刚性限位杆1，每杆刚性限位杆1上套装有一个压簧3；质量块2上有两个贯通孔，每个贯通孔由一个小圆孔和一个大圆孔组成；上述两根刚性限位杆1分别从下向上活动地穿过质量块2上的两个贯通孔，每根刚性限位杆1上套装的压簧3活动地置于质量块2上的贯通孔的大圆孔内，质量块2上两根刚性限位杆1之间还包覆有粘弹性材料4；当质量块2在主结构内的初始平衡位置时，质量块上的粘弹性材料4刚好接触固定底片5，且压簧3处于小于或等于最大压缩量状态，当质量块2离开固定底片5向上运动至与主结构内壁上边界碰撞时，压簧3仍保有一定的压缩量。

质量块2可为圆柱体、椭圆柱体、方柱体或多棱柱体。质量块和固定底片的形式是基于主结构内部空间的形式。

主结构为圆管6时，质量块2为圆柱体，固定底片5为一与圆管6内壁相吻合的弧形板；所述两根刚性限位杆1从质量块2上的两个贯通孔伸出后与主结构的圆管6内壁接触或相固定；所述质量块2上的两个贯通孔对称地设置在质量块圆柱体中截面的两边。

一个1:6的交通标志杆模型被用来说明该阻尼器的功用。根据交通标志杆的振动特性，杆的末端振幅最大，是阻尼器安装的最合理位置。如图3所示，阻尼器安装于交通标志杆的末端处。由于主结构是水平圆杆即横杆，因此质量块2应设计为圆柱体，固定底片5的形式为圆弧片。质量块2的直径由质量块2在圆管6内的活动空间确定。质量块2的质量和压簧3的刚度由主结构的竖向自振频率确定。刚性限位杆1的直径稍小于压簧3的内径，高度约等于圆管6的内径。质量块2的小圆孔直径稍大于刚性限位杆1的直径，大圆孔的直径稍大于压簧3的外径(质量块上有一贯通型阶梯孔，即上半段小直径、下半段大直径的贯通孔)。压簧置于大圆孔内。粘弹性材料4包裹住两根刚性限位杆1之间的质量块2。

首先，有一定间距的两根刚性限位杆1竖直地焊接在固定底片上，两根刚性限位杆1垂直于固定底片。粘弹性材料4粘贴在质量块2的中段。接着，在压簧3套入刚性限位杆1之后，质量块2大孔向下套入刚性限位杆1，压缩压簧3(质量块的大圆孔直径略大于压簧3的外直径)。质量块2在圆管6内的初始平衡位置(即未受外力状态)是质量块上的粘弹性材料4刚好接触固定底片5，压簧3完全藏于质量块的大圆孔之内，此时压簧3处于最大压缩量状态，如图4所示。当质量块2离开固定底片5向上运动时，压簧3的压缩量逐渐减小，直到质量块2与主结构上边界碰撞时，压簧3仍保有一定的压缩量。最后，通过阻尼器的固定底片5与交通标志杆模型水平圆管6内表面螺栓连接，将整个阻尼器固定于圆管6内。

质量块在主结构内部有一定的活动空间，压簧在质量块活动区间内总是受压。

当交通标志杆模型受到外部的竖向激励时，整个杆模型发生竖向振动。此时，由于阻尼器与杆模型竖向振动固有频率协调，两者发生能量交换，杆模型的振幅不断减小，能量向阻尼器转移，阻尼器开始竖向振动。阻尼器的振动主要表现为质量块的振动。质量块来回上下振动，通过与上部远端和下部平衡位置的相互碰撞，快速耗散掉整个结构的能量，实现结构的振动控制。

图5显示了在本发明阻尼器的作用下，主结构振动衰减的过程。质量块按以下两种工作模式运动：

(1)当激励水平不高，质量块与主结构的相对位移小于质量块在主结构内的活动区间时，质量块仅仅与下边界发生碰撞，此时表现为单面碰撞耗能；

(2)当激励水平较高，质量块与主结构的相对位移超过质量块在主结构内的活动区间时，质量块交替地与上下边界发生碰撞，此时表现为双面碰撞耗能；

(3)以上两种工作模式随着激励水平的不同自动切换，从而保证主结构在任意激励水平下都能得到较好的控制。

可以发现安装新型阻尼器的交通标志杆模型在受到外部竖向力作用时，竖向振动得到有效控制，振动能量能够迅速耗散。新型阻尼器的控制效果优于一般被动控制阻尼器。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种竖向碰撞型的调谐质量阻尼器，其特征是，用于固定在主结构内壁的固定底片(5)上垂直地固连有两根刚性限位杆(1)，每杆刚性限位杆(1)上套装有一个压簧(3)；质量块(2)上有两个贯通孔，每个贯通孔由一个小圆孔和一个大圆孔组成；上述两根刚性限位杆(1)分别从下向上活动地穿过质量块(2)上的两个贯通孔，每根刚性限位杆(1)上套装的压簧(3)活动地置于质量块(2)上的贯通孔的大圆孔内，质量块(2)上两根刚性限位杆(1)之间还包覆有粘弹性材料(4)；当质量块(2)在主结构内的初始平衡位置时，质量块上的粘弹性材料(4)刚好接触固定底片(5)，当质量块(2)离开固定底片(5)向上运动至与主结构内壁上边界碰撞时，压簧(3)仍保有一定的压缩量，质量块为圆柱体、椭圆柱体、方柱体或多棱柱体，质量块和固定底片的外形适应于主结构内壁的形状，当主结构为圆管(6)时，质量块(2)为圆柱体，固定底片(5)为一与圆管(6)内壁相吻合的弧形板；所述两根刚性限位杆(1)从质量块(2)上的两个贯通孔伸出后与主结构的圆管(6)内壁接触或相固定；所述质量块(2)上的两个贯通孔对称地设置在质量块圆柱体中截面的两边。

2.根据权利要求1所述的一种竖向碰撞型的调谐质量阻尼器，其特征在于，所述质量块按以下两种工作模式运动：

(1)当激励水平不高，质量块与主结构的相对位移小于质量块在主结构内的活动区间时，质量块仅仅与下边界发生碰撞，此时表现为单面碰撞耗能；

(2)当激励水平较高，质量块与主结构的相对位移超过质量块在主结构内的活动区间时，质量块交替地与上下边界发生碰撞，此时表现为双面碰撞耗能；

(3)以上两种工作模式随着激励水平的不同自动切换，从而保证主结构在任意激励水平下都能得到较好的控制。