CN108385509A - 颗粒群滚轮协同调谐阻尼器 - Google Patents

颗粒群滚轮协同调谐阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，包括外部腔体单元、限位弹簧、嵌套式颗粒群、内部腔体单元、金属隔板、阻尼颗粒群、阻尼孔、粘性液体和缓冲材料。阻尼器内外部腔体单元均为圆柱体，外部腔体内填充有粘性液体，内部腔体单元由限位弹簧控制在外部腔体单元内，以嵌套式颗粒群作滚轮，随粘性液体的不断晃荡，沿任意水平方向作来回运动；内部腔体内部被金属隔板分隔为多个子空间，竖向金属隔板开有阻尼孔，各子空间由气体、颗粒群以及粘性液体组成；粘性液体的来回震荡并带动内部腔体来回运动减振；粘性液体与阻尼孔的摩擦消耗能量。本发明结合多种阻尼器的优势，加宽减振频带，并实现多向减振消能，效率高，在土建结构振动控制领域具有典型实用性。

Description

颗粒群滚轮协同调谐阻尼器
技术领域
本发明涉及一种颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，阻尼器内部腔体单元以嵌套式颗粒群作滚轮在外部腔体单元内沿任意方向滑动，腔体内填充粘性液体，通过大小颗粒的多次碰撞、调谐液体的不断晃荡来转移并耗散结构动能，可实现在结构水平各向调谐耗能减震，属于土木结构（包括高层建筑、高耸结构和桥梁结构等）振动控制领域。
技术背景
随着近年来建筑结构往高强和超高的方向发展，地震、风致振动等问题得到了重点关注及研究。阻尼器减震消能被动控制技术被广泛运用于控制结构的振动响应，其中，调谐质量阻尼器（TMD）由于其低造价易于实现的特点，在土木工程抗震领域应用最为广泛。但传统上的调谐质量阻尼器（TMD）存在一些不足，一是减振频带窄，对于调谐频率过于敏感，一般仅在较小频率范围内工作；二是仅控制结构单一振动反向的响应，多维振动控制效果不佳，对于复杂的多维运动而言，各点振动周期及相位均不同，显然传统的调谐质量阻尼器（TMD）并非最佳减振装置。
发明内容
为克服现有调谐质量阻尼器减振频带窄和控制方向单一等局限性，本发明的目的在于提供一种颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，在传统调谐质量阻尼器的基础上，引入安装方便且易于调频的调谐液体阻尼器（TLD），综合利用多种阻尼器的优点，从而实现应用范围广、反应灵敏、减振频带宽、具有多向协调减振效果等要求，满足土建工程的实际需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出的一种颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，包括阻尼器外部腔体单元1、嵌套式颗粒群2、限位弹簧3、内部腔体单元4、金属隔板5、阻尼颗粒群6、粘性液体7和缓冲材料8，其中：阻尼器外部腔体单元1为圆柱体结构，其内壁四周和底部均覆盖有缓冲材料8，若干个限位弹簧3均匀分布于阻尼器外部腔体单元1内，其一端与阻尼器外部腔体单元1的内壁相连，嵌套式颗粒群2铺设于外部腔体单元1的内部底面；嵌套式颗粒群2由形状大小相同的球形颗粒组成，每个球形颗粒由外壳10和小球11嵌套而成，外壳10和小球11之间填充有阻尼介质12，且小球11内部由空气和颗粒物填充；内部腔体单元4置于嵌套式颗粒群2之上，内部腔体单元2与外部腔体单元1之间填充有粘性液体7，内部腔体单元4可在外部腔体单元1内沿任意方向水平滑动；内部腔体单元4内部空间通过金属隔板5分隔为若干子分区，且竖向金属隔板开有阻尼孔9，每个子分区均填充有粘性液体7，且放置有阻尼颗粒群6；在风力或/和地震作用下，通过颗粒群的摩擦、碰撞以及粘性液体的不断晃荡来转移并耗散部分结构动能；同时，内部腔体单元的来回移动，使粘性液体通过与阻尼孔之间的摩擦实现水平方向的减震耗能。
本发明中，所述内部腔体单元4的直径为阻尼器外部腔体单元1的直径的70%-80%；嵌套式颗粒群2铺设于外部腔体单元1底部，占外部腔体单元1投影面积的60%-70%，限位弹簧3均匀对称布置于阻尼器外部腔体单元1内壁。
本发明中，所述嵌套型颗粒群外壳10和小球11的材料均为钢材、混凝土或陶瓷中任一种，阻尼介质12的材料为硅油、硅胶或胶水中任一种，小球内部颗粒由粒径不同的级配钢球组成；颗粒群外壳10直径为90-110mm，壁厚为5-8mm，小球直径为70-80mm，且单个嵌套式颗粒外直径大于阻尼器外部腔体单元1与内部腔体单元4的直径差。
本发明中，所述阻尼颗粒6为球状级配颗粒，采用钢、玻璃或其他具有一定摩擦性能的材料，所选粒径为6-30mm，阻尼颗粒6水平投影面积占相应子分区的50%~80%。
本发明中，所述粘性液体7包括油、甘油、胶水或其他一种或多种粘性系数不同的液体，且混合时多种液体不发生反应，阻尼器外部腔体单元1与内部腔体单元4内的粘性液体体积分别为阻尼器外部腔体单元1与内部腔体单元4体积的2/3。
本发明中，所述金属隔板5开设有阻尼孔9，内腔粘性液体7晃荡过程中不断与阻尼孔9摩擦。
本发明中，所述缓冲材料8包括海绵、橡胶、泡沫塑料或气垫薄膜中任一种。可进一步提高能量耗散，同时具有一定的降噪吸音的功能。
本发明的有益效果在于：
1.本发明综合利用颗粒阻尼器和调谐液体阻尼器的优势，通过多种减振机制，获得更加的减振效果。相对于传统的调谐质量阻尼器，其应用范围更广、减振频带更宽，满足现代土木工程的实际需求。
2.本发明利用粒径不同的颗粒群，增加颗粒间的碰撞次数和有效碰撞，加之粘性液体与阻尼孔之间的摩擦，更大限度的实现结构的耗能。
3.本发明利用内腔体任意水平方向的来回滑动实现多维耗能，进一步提高阻尼器的利用率，降低结构的破坏程度。
附图说明
图1为本发明一种颗粒群滚轮协同调谐阻尼器的剖面示意图；
图2为本发明一种颗粒群滚轮协同调谐阻尼器的俯视图；
图3为本发明金属隔板的三维示意图。
图中标号：1为阻尼器外部腔体单元、2为嵌套式颗粒群、3为限位弹簧、4内部腔体单元、5为金属隔板、6为阻尼颗粒群、7为粘性液体、8为缓冲材料、9为阻尼孔。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：如图1所示，本发明为一种颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，其主要包括：阻尼器外部腔体单元1、嵌套式颗粒群2、限位弹簧3、内部腔体单元4、金属隔板5、阻尼颗粒群6、粘性液体7和缓冲材料8。阻尼器外部腔体单元1和内部腔体单元4由钢板紧密焊接而成，其中外部腔体单元1的内壁、底部和内部腔体单元4的内外侧均涂以防锈涂料，以免钢板锈蚀；外部腔体单元1通过高强螺栓连接与主体结构相连。外部腔体单元1内壁和底部粘贴有缓冲材料8，内部腔体单元4可通过嵌套式颗粒群2作滚轮在外部腔体单元1内部底面来回滑动，嵌套型颗粒群外壳10和小球11的材料均为钢材、混凝土或陶瓷中任一种，阻尼介质12的材料为硅油、硅胶或胶水中任一种，小球内部颗粒由粒径不同的级配钢球组成；限位弹簧3置于外部腔体单元1内侧壁，可适当减小外部腔体单元1的刚度，并保证内部腔体单元4不脱离外部腔体单元实现水平方向来回运动。内部腔体单元4内壁贴有缓冲材料8，内部被固接的金属隔板5分隔为多个子空间，竖向金属隔板上开设有阻尼孔9；各个子空间均投放有颗粒群6，颗粒群6由大小不同的金属或其他具有摩擦性质的球形颗粒组成。内外腔体内部均填充有2/3体积的一种或多种粘性液体7，当多种液体混合时不发生化学反应。在风或/和地震等作用下，通过嵌套式颗粒群滚轮及粘性液体的不断晃荡耗散一部分输入能量，并将剩余的能量最终转移到阻尼器内腔体，充分激发内部腔体内颗粒与颗粒间、颗粒与内腔体内壁间的碰撞摩擦，以及粘性液体与金属隔板上阻尼孔的摩擦消能，从而获得更好地减振效果。

Claims (7)

1.一种颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，包括阻尼器外部腔体单元（1）、嵌套式颗粒群（2）、限位弹簧（3）、内部腔体单元（4）、金属隔板（5）、阻尼颗粒群（6）、粘性液体（7）和缓冲材料（8），其特征在于：阻尼器外部腔体单元（1）为圆柱体结构，其内壁四周和底部均覆盖有缓冲材料（8），若干个限位弹簧（3）均匀分布于阻尼器外部腔体单元（1）内，其一端与阻尼器外部腔体单元（1）的内壁相连，嵌套式颗粒群（2）铺设于外部腔体单元（1）的内部底面；嵌套式颗粒群（2）由形状大小相同的球形颗粒组成，每个球形颗粒由外壳（10）和小球（11）嵌套而成，外壳（10）和小球（11）之间填充有阻尼介质（12），且小球（11）内部由空气和颗粒物填充；内部腔体单元（4）置于嵌套式颗粒群（2）之上，内部腔体单元（2）与外部腔体单元（1）之间填充有粘性液体（7），内部腔体单元（4）可在外部腔体单元（1）内沿任意方向水平滑动；内部腔体单元（4）内部空间通过金属隔板（5）分隔为若干子分区，且竖向金属隔板开有阻尼孔（9），每个子分区均填充有粘性液体（7），且放置有阻尼颗粒群（6）；在风力或/和地震作用下，通过颗粒群的摩擦、碰撞以及粘性液体的不断晃荡来转移并耗散部分结构动能；同时，内部腔体单元的来回移动，使粘性液体通过与阻尼孔之间的摩擦实现水平方向的减震耗能。
2.根据权利要求1所述的颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，其特征在于：所述内部腔体单元（4）的直径为阻尼器外部腔体单元（1）的直径的70%-80%；嵌套式颗粒群（2）铺设于外部腔体单元（1）底部，占外部腔体单元（1）投影面积的60%-70%，限位弹簧（3）均匀对称布置于阻尼器外部腔体单元（1）内壁。
3.根据权利要求1所述的颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，其特征在于：所述嵌套型颗粒群外壳（10）和小球（11）的材料均为钢材、混凝土或陶瓷中任一种，阻尼介质（12）的材料为硅油、硅胶或胶水中任一种，小球内部颗粒由粒径不同的级配钢球组成；颗粒群外壳（10）直径为90-110mm，壁厚为5-8mm，小球直径为70-80mm，且单个嵌套式颗粒外直径大于阻尼器外部腔体单元（1）与内部腔体单元（4）的直径差。
4.根据权利要求1所述的颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，其特征在于：所述阻尼颗粒（6）为球状级配颗粒，采用钢、玻璃或其他具有一定摩擦性能的材料，所选粒径为6-30mm，阻尼颗粒（6）水平投影面积占相应子分区的50%~80%。
5.根据权利要求1所述的颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，其特征在于：所述粘性液体（7）包括油、甘油、胶水或其他一种或多种粘性系数不同的液体，且混合时多种液体不发生反应，阻尼器外部腔体单元（1）与内部腔体单元（4）内的粘性液体体积分别为阻尼器外部腔体单元（1）与内部腔体单元（4）体积的2/3。
6.根据权利要求1所述的颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，其特征在于：所述金属隔板（5）开设有阻尼孔（9），内腔粘性液体（7）晃荡过程中不断与阻尼孔（9）摩擦。
7.根据权利要求1所述的颗粒群滚轮协同调谐阻尼器，其特征在于：所述缓冲材料（8）包括海绵、橡胶、泡沫塑料或气垫薄膜中任一种。
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