CN108442552A - 三向非线性混合耗能自复位阻尼器 - Google Patents

三向非线性混合耗能自复位阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三向非线性混合耗能自复位阻尼器，包括阻尼器腔体、颗粒群、缓冲材料、粘滞液体、变刚度弹簧和固定结构。阻尼器腔体为内外两个长方体空腔，内腔体内部铺有一层颗粒群，并在内壁粘贴有缓冲材料。内腔体外壁和外腔体内壁通过变刚度弹簧相连，并在内外腔体之间填充粘滞液体。外腔体底部均匀布置四根变刚度弹簧与基本结构相连，水平方向通过正交布置的两根变刚度弹簧与固定结构相连。通过合理设置各形状记忆合金制成的非线性变刚度弹簧的刚度，在风/地震等作用下该阻尼器可以在水平和竖直的三个方向上提供不同的刚度以调谐结构的频率，并通过粘滞耗能、弹簧耗能和颗粒群的摩擦、碰撞等多种方式耗散结构的振动能量。

Description

三向非线性混合耗能自复位阻尼器
技术领域
本发明涉及一种三向非线性混合耗能自复位阻尼器，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。
背景技术
近年来调谐质量阻尼器（TMD）以其对原结构改动小、施工简单、减振效果显著等特点受到广泛重视，并在国内外土木工程结构中得到广泛的应用。但调谐质量阻尼器只能在特定的频带范围内具有一定的减振效果，对于偏离此频带的频率减振效果不佳，而且具有附加的耗能阻尼器造价昂贵的缺点。同时，附加质量块与主体结构通过悬吊或者滑动支座的方式相连，只能在水平方向上提供相同的自振频率，而土木结构在风和/或地震作用下在水平和竖直方向上具有不同的振动特性。
形状记忆合金（SMA）由于其超弹性具有较强的自复位能力和抗疲劳、较高的抗拉强度等特性，目前在各领域的应用均广获好评。
发明内容
为了解决传统调谐质量阻尼器减振频带窄，设置耗能阻尼器价格昂贵的问题，以及传统调谐质量阻尼器只能在水平方向上提供某一特定的调谐频率的问题，本发明的目的在于提出一种三向非线性混合耗能自复位阻尼器，该装置通过在质量块上设置空腔，依靠放入的颗粒群内部及与阻尼器空腔的碰撞、内外腔体之间粘滞液体和形状记忆合金弹簧提供阻尼，可以显著降低阻尼器的造价。同时，根据基本结构在水平和竖直方向的振动特性布置多级非线性变刚度SMA弹簧，使得阻尼器可以在水平和竖直的三个方向上提供不同的调谐频率，当基本结构的振动频率与弹簧设置的频率相同时，可通过共振的方式将主体结构的能量传递至阻尼器腔体，引起其中内腔体与粘滞液体的相对运动、SMA弹簧的拉压变形和颗粒群内部及颗粒群与内腔体发生碰撞，导致阻尼器振动特性发生变化，且阻尼器的振动将不会传递到主体结构，从而实现振动能量由主体结构到阻尼器的单向传递，实现能量的高效传递和耗散。同时，弹簧的变刚度可以俘获主体结构高阶的振动能量，通过阻尼器与主体结构共振传递，可迅速降低主体结构的振动，实现靶能量传递，达到高效耗能的目的，具有重大的工程意义和广泛的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。
本发明提出的一种三向非线性混合耗能自复位阻尼器，包括：阻尼器外腔体1、阻尼器内腔体2、缓冲材料3、颗粒群4、一级水平弹簧5、二级水平弹簧6、一级竖向弹簧7、二级竖向弹簧8、固定结构9和粘滞液体10，其中：阻尼器腔体为长方体空腔，阻尼器内腔体2位于阻尼器外腔体1内，阻尼器内腔体2内部平铺一层颗粒群4，内腔体2内壁及顶部和底部粘贴有缓冲材料3；阻尼器内腔体2外壁四周和阻尼器外腔体1内壁四周通过水平方向正交布置的四根二级水平弹簧6相连，阻尼器内腔体2外壁底部和阻尼器外腔体1底部上方通过均匀布置的四根二级竖向弹簧8相连，且阻尼器外腔体1和阻尼器内腔体2之间填充粘滞液体10；阻尼器外腔体1底部均匀布置四根一级竖向弹簧7与基本结构相连，阻尼器外腔体1四外壁水平方向通过正交布置的两根一级水平弹簧5与固定结构9相连，固定结构9固定于基本结构上，且具有较大的侧向刚度。
本发明中，一级水平弹簧5、二级水平弹簧6、一级竖向弹簧7和二级竖向弹簧8均为由形状记忆合金SMA制成的非线性变刚度弹簧，其刚度根据基本结构在相应方向上的不同振动频率和实际需要呈非线性设置，通过合理设置各非线性变刚度弹簧的刚度和阻尼器腔体的大小，在风/地震作用下该自复位阻尼器在水平正交方向和竖直方向的三个方向上提供不同的刚度以调谐结构的频率，并通过粘滞耗能、SMA弹簧耗能和颗粒群的滚动、摩擦和碰撞方式转移和耗散结构的振动能量；且形状记忆合金由于其超弹性具有较强的自复位能力和抗疲劳、较高的抗拉强度等特性，在消能后能够使阻尼器恢复初始状态。
本发明中，颗粒群4由若干大小不同的球形颗粒组成，所述球形颗粒材质是钢球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中的一种或多种，颗粒群4的水平投影面积为阻尼器内腔体2水平面积的 40%~80%，颗粒群4的体积为阻尼器内腔体2体积的 5%~20%。
本发明中，缓冲材料3采用橡胶、泡沫塑料或珍珠棉中任一种或多种。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1）本发明通过在水平和竖直方向上设置多级变刚度SMA弹簧将阻尼器内外腔体连接并将阻尼器与固定结构及基本结构相连，根据基本结构的运动特点可以在水平和竖直方向上提供不同的调谐刚度，可以在三个正交方向实现主体结构振动能量的靶向传递，大大提高了阻尼器的调谐耗能效率。
2）本发明采用变刚度的弹簧，通过共振的方式实现能量的单向传递，可将基本结构高阶模态的振动能量迅速降低，较传统阻尼器具有较高的耗能效率。
3）本发明构造形式简单，采用可靠耐久廉价的颗粒和粘滞液体作附加阻尼的提供载体，结合调谐质量阻尼器、颗粒阻尼器和粘滞阻尼器的优点，通过调谐质量、粘滞耗能、弹簧耗能和颗粒摩擦与碰撞来消耗能量，降低了设置传统阻尼器的造价，从而具有更强的适用性和经济性。
附图说明
图1为本发明三向非线性混合耗能自复位阻尼器的俯视图；
图2为本发明三向非线性混合耗能自复位阻尼器的A—A剖面图；
图3为本发明三向非线性混合耗能自复位阻尼器的B—B剖面图。
图中标号：1为阻尼器外腔体，2为阻尼器内腔体，3为缓冲材料，4为颗粒群，5为一级水平弹簧，6为二级水平弹簧，7为一级竖向弹簧，8为二级竖向弹簧，9为固定结构，10为粘滞液体。
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—图3所示，为本发明一种三向非线性混合耗能自复位阻尼器的实施例，其主要包括阻尼器外腔体1、阻尼器内腔体2、缓冲材料3、颗粒群4和多级变刚度弹簧。
阻尼器内外腔体为5mm~10mm厚的钢板焊接制成的长方体空腔，内腔体2内部平铺一层颗粒群4，颗粒群4由若干大小不同的球形颗粒组成，是钢球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中的一种或多种，颗粒群4的水平面投影面积为阻尼器内腔体2水平面积的 40%~80%，颗粒群4的体积为阻尼器内腔体2体积的 5%~20%。内腔体2内壁粘贴有缓冲材料3，缓冲材料3可以用橡胶、泡沫塑料或珍珠棉等材料制作。内腔体2外壁和外腔体1内壁通过水平方向正交布置的四根二级水平弹簧6以及内腔体2底部均匀布置的四根二级竖向弹簧8相连，并在外腔体1和内腔体2之间填充粘滞液体10。外腔体1底部均匀布置四根一级竖向弹簧7与基本结构相连，水平方向通过正交布置的两根一级水平弹簧5与固定结构9相连，固定结构9由混凝土或钢材制作，可以固定在基本结构上且具有较大的侧向刚度。
一级水平弹簧5、二级水平弹簧6、一级竖向弹簧7和二级竖向弹簧8均为由形状记忆合金制成的变刚度弹簧，其刚度根据基本结构在相应方向上的不同振动频率和实际需要呈非线性设置，通过合理设置各非线性变刚度SMA弹簧的刚度和阻尼器腔体的大小，在风/地震等作用下该阻尼器可以在水平和竖直的三个方向上提供不同的刚度以调谐结构的频率，并通过粘滞耗能、SMA弹簧耗能和颗粒群的滚动、摩擦、碰撞等多种方式转移和耗散结构的振动能量。并且形状记忆合金由于其超弹性具有较强的自复位能力和抗疲劳、较高的抗拉强度等特性，在消能后能够使阻尼器恢复初始状态。

Claims (4)

1.一种三向非线性混合耗能自复位阻尼器，包括：阻尼器外腔体（1）、阻尼器内腔体（2）、缓冲材料（3）、颗粒群（4）、一级水平弹簧（5）、二级水平弹簧（6）、一级竖向弹簧（7）、二级竖向弹簧（8）、固定结构（9）和粘滞液体（10），其特征在于：阻尼器腔体为长方体空腔，阻尼器内腔体（2）位于阻尼器外腔体（1）内，阻尼器内腔体（2）内部平铺一层颗粒群（4），内腔体（2）内壁及顶部和底部粘贴有缓冲材料（3）；阻尼器内腔体（2）外壁四周和阻尼器外腔体（1）内壁四周通过水平方向正交布置的四根二级水平弹簧（6）相连，阻尼器内腔体（2）外壁底部和阻尼器外腔体（1）底部上方通过均匀布置的四根二级竖向弹簧（8）相连，且阻尼器外腔体（1）和阻尼器内腔体（2）之间填充粘滞液体（10）；阻尼器外腔体（1）底部均匀布置四根一级竖向弹簧（7）与基本结构相连，阻尼器外腔体（1）四外壁水平方向通过正交布置的两根一级水平弹簧（5）与固定结构（9）相连，固定结构（9）固定于基本结构上，且具有较大的侧向刚度。
2.根据权利要求1所述的三向非线性混合耗能自复位阻尼器，其特征在于：一级水平弹簧（5）、二级水平弹簧（6）、一级竖向弹簧（7）和二级竖向弹簧（8）均为由形状记忆合金（SMA）制成的非线性变刚度弹簧，其刚度根据基本结构在相应方向上的不同振动频率和实际需要呈非线性设置，通过合理设置各非线性变刚度弹簧的刚度和阻尼器腔体的大小，在风/地震作用下该自复位阻尼器在水平正交方向和竖直方向的三个方向上提供不同的刚度以调谐结构的频率，并通过粘滞耗能、SMA弹簧耗能和颗粒群的滚动、摩擦和碰撞方式转移和耗散结构的振动能量；且形状记忆合金由于其超弹性具有较强的自复位能力和抗疲劳、较高的抗拉强度等特性，在消能后能够使阻尼器恢复初始状态。
3.根据权利要求1所述的三向非线性混合耗能自复位阻尼器，其特征在于：颗粒群（4）由若干大小不同的球形颗粒组成，所述球形颗粒材质是钢球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中的一种或多种，颗粒群（4）的水平投影面积为阻尼器内腔体（2）水平面积的 40%~80%，颗粒群（4）的体积为阻尼器内腔体（2）体积的 5%~20%。
4.根据权利要求1所述的三向非线性混合耗能自复位阻尼器，其特征在于：缓冲材料（3）采用橡胶、泡沫塑料或珍珠棉中任一种或多种。
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