CN108589957B - 一种stf和mrf组合式质量调谐阻尼器 - Google Patents

一种stf和mrf组合式质量调谐阻尼器 Download PDF

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Abstract

一种STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，属于工程结构减振技术领域。包括质量块、底部滑道、STF阻尼器和振动频率调节装置，所述底部滑道设置于两墙体间，质量块置于底部滑道上，振动频率调节装置为两个，分别连接墙体和质量块上，STF阻尼器为两个，分置于质量块两侧，一端分别连接在墙体上，另一端为自由端，在质量块振动时，所述自由端与质量块接触，并与质量块协同工作，消耗振动能量，所述振动频率调节装置与质量块协同作用，调节质量块振动频率本发明。采用本发明的技术方案，充分发挥MRF主动调控质量块振动频率，STF被动快速高耗质量块振动能量等优点，解决了传统质量调谐阻尼器频率范围和耗能效果有限等问题。

Description

一种STF和MRF组合式质量调谐阻尼器
技术领域
本发明属于工程结构减振技术领域，特别是涉及一种STF和MRF组合式质量调谐阻尼器。
背景技术
地震是人类面临的重大自然灾害之一，以汶川大地震为例，已确认遇难人数69227人，失踪17923人，直接经济损失8452亿元人民币。因此，工程结构减振技术的研究是对社会的发展具有重要的经济价值的。
在现有土木工程吸能减振装置中，质量调谐阻尼器(TMD)由于其构造简单、造价成本低、易于维护、不需要外部能源支持等优点，在实际工程中的应用越来越广泛，其良好减振效果也得到了大量工程验证。但是普通的质量调谐阻尼器只在特定的频率范围内具有减振效果，偏离此频率范围则减振效果不佳。
磁流变液体(Magnetorheological Fluid，MRF)是一种性能优良的智能材料，在磁场的作用下能够在瞬间从牛顿流体转变为剪切屈服能力较高的塑性流体，且这种转变连续可逆。因此，基于MRF制作的阻尼器具有结构简单、相变快、阻尼力连续可调等优点，已被广泛投入实际应用。
相比MRF，剪切增稠流体(Shear thickening fluid，STF)也是一种性能优良的智能材料，不同的是STF特性取决于其剪切应变率，在承受高应变率荷载时，接触界面的表面发生剪切增稠行为，其粘度发生巨大变化，甚至由液相转变为固相，此时，STF的剪切模量远远大于其初始的剪切模量。重要的是，当荷载撤销时，STF能瞬时由固相转变为液相，这种变化是可逆的。因此，基于STF材料特性的阻尼器可快速有效的消耗作用在其上的外界能量。
发明内容
针对现有质量调谐阻尼器初适用频率范围有限、耗能不足等问题，为使质量调谐阻尼器工作频率范围更广，阻尼耗能更大，充分利用STF被动高耗能和MRF主动可调的特点耗能机制，本发明提供一种质量块刚度可变、适用频率范围大和适用荷载范围的STF和MRF组合式质量调谐阻尼器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，包括质量块、底部滑道、STF阻尼器和振动频率调节装置，所述底部滑道设置于两墙体间，质量块置于底部滑道上，振动频率调节装置为两个，分别连接墙体和质量块上，STF阻尼器为两个，分置于质量块两侧，一端分别连接在墙体上，另一端为自由端，在质量块振动时，所述自由端与质量块接触，并与质量块协同工作，消耗振动能量，所述振动频率调节装置与质量块协同作用，调节质量块振动频率。
进一步地，所述振动频率调节装置包括MRF弹簧管和导电线圈，所述MRF弹簧管的管壁外缠有导电线圈，内部并填充有MRF，导电线圈连接外部电流调控器，通过调节导电线圈的电流，生成磁场，使弹簧管内MRF发生磁流变液效应而增加质量块刚度，从而使质量块与建筑物主体结构产生共振。
进一步地，所述STF阻尼器由缸体、活塞与活塞杆构成，在缸体内部空间填充有STF，缸体一端连接在墙体上，另一端为活塞杆，活塞杆一端连接缸体内的活塞，带动活塞移动，另一端为自由端，与质量块间留有间隔。
进一步地，所述活塞杆自由端还连接有接触块。
进一步地，所述接触块与质量块间的间隔a为1-2cm。
进一步地，所述接触块为硬质板材。
进一步地，所述硬质板材为矩形、多边形、圆形或椭圆形。
进一步地，所述硬质板材为金属板或塑钢板。
进一步地，所述底部滑道与质量块之间设有滑动摩擦材料层。
进一步地，所述STF阻尼器置于振动频率调节装置上方。
本发明的有益效果为：
1.采用本发明的技术方案，当建筑物主体结构振动频率较低时，质量块与建筑物主体结构共振通过摩擦材料层获得相反振动速度，进一步与STF阻尼器的活塞杆接触而带动活塞杆运动，从而迫使STF流过阻尼器缝隙而消耗质量块振动的能量，最终消耗建筑物主体结构振动的能量；当地震激起建筑物主体结构的高频振动时，根据建筑物主体结构主动反馈，给MRF弹簧管外部缠绕的线圈通电以产生一定强度的磁场，使其管内MRF发生磁流变液效应而增加质量块刚度，从而使质量块与建筑物主体结构产生共振行为，并最终通过质量块挤压STF阻尼器活塞杆迫使STF流过阻尼器缝隙而消耗振动能量。充分发挥MRF主动调控质量块振动频率，STF被动快速高耗质量块振动能量等优点。
2.与传统质量调谐阻尼器相比，本发明的技术方案综合利用了STF和MRF的优点，采用STF和MRF两种智能材料协同工作，发生高耗能作用，并在建筑物主体结构高频率振动时增大质量块刚度，解决了传统质量调谐阻尼器频率范围和耗能效果有限等问题。
3.本发明中采用的阻尼器结构简单，无须大量连接件，安装拆卸方便，解决了传统阻尼器在应用中需要大量连接件和施工不便的难题。
附图说明
图1是本发明一种结构示意图。
图2图1的平面示意图。
图3是本发明中STF阻尼器的结构示意图。
图4是本发明中MRF弹簧管的局部结构示意图。
图5是图4的左视示意图。
图中：1.质量块，2.滑动摩擦材料层，3.底部滑道，4.STF阻尼器，5.MRF弹簧管，6.活塞杆，7.缸体，8.STF，9.活塞，10.连接件，11.接触块，12.MRF，13.导电线圈，14.管壁，15.墙体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：如图1、图2所示，本发明一种STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，安装于两相对墙体间，包括质量块1、底部滑道3、STF阻尼器4和振动频率调节装置，所述底部滑道3设置于两墙体间，质量块1置于底部滑道3上，振动频率调节装置为两个，分别连接墙体和质量块1上，STF阻尼器4为两个，分置于质量块1两侧，一端分别连接在墙体上，另一端为自由端，在质量块1振动时，所述自由端与质量块1接触，并与质量块1协同工作，消耗振动能量，所述振动频率调节装置与质量块1协同作用，通过增强振动频率调节装置的刚度以调节质量块振动频率。
所述振动频率调节装置包括MRF弹簧管5和导电线圈13，所述MRF弹簧管5的管壁14外缠有导电线圈13，内部并填充有MRF12，导电线圈13连接外部电流调控器，通过调节导电线圈13的电流，生成磁场，使MRF弹簧管5内MRF12发生磁流变液效应而增加质量块1刚度，从而使质量块1与建筑物主体结构产生共振。
所述STF阻尼器4由缸体7、活塞9与活塞杆6构成，在缸体7内部空间填充有STF8，缸体7一端通过连接件10连接在墙体上，另一端为活塞杆6，活塞杆6一端连接缸体7内的活塞9，带动活塞9移动，另一端为自由端，与质量块1间留有间隔。所述连接件10为连接杆，一端连接缸体7，一端固定在墙上。
本例所述活塞杆6的自由端还连接有接触块11。本例所述接触块11为矩形钢片，也可以采用多边形、圆形或椭圆形，采用钢片以增大与质量块的接触面积；钢片与质量块1间的间隔a为1cm。所述质量块为建筑物主体结构质量的1％。
本例所述底部滑道3与质量块1之间设有滑动摩擦材料层2，以增大底部滑道3的摩擦力，降低质量块1的移动速度。
所述STF阻尼器置于振动频率调节装置上方。
在地震作用下，当建筑物主体结构振动频率较低时，质量块1与建筑物主体结构共振通过滑动摩擦材料层2获得相反振动速度，进一步与STF阻尼器4的活塞杆6的端部钢片接触而带动活塞杆6运动，从而迫使STF8流过阻尼器缝隙而消耗质量块1振动的能量，最终消耗建筑物主体结构振动的能量；当地震激起建筑物主体结构的高频振动时，根据建筑物主体结构主动反馈，给MRF弹簧管5外部缠绕的导电线圈13通电以产生一定强度的磁场，使MRF弹簧管5内MRF12发生磁流变液效应而增加质量块1刚度，从而使质量块1与建筑物主体结构产生共振行为，并最终通过质量块1挤压STF阻尼器活塞杆6迫使STF8流过阻尼器缝隙而消耗振动能量。
实施例2：本例与实施例1不同的是：本例所述接触块11为多边形金属片，金属片与质量块1间的间隔a为2cm。
实施例3：本例与实施例1不同的是：本例所述接触块11为圆形硬质板，硬质板与质量块1间的间隔a为1.5cm。
实施例4：本例与实施例1不同的是：本例所述接触块11为椭圆形塑钢板，塑钢板与质量块1间的间隔a为1.2cm。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，其特征在于：包括质量块、底部滑道、STF阻尼器和振动频率调节装置，所述底部滑道设置于两墙体间，质量块置于底部滑道上，振动频率调节装置为两个，分别连接墙体和质量块上，STF阻尼器为两个，分置于质量块两侧，一端分别连接在墙体上，另一端为自由端，在质量块振动时，所述自由端与质量块接触，并与质量块协同工作，消耗振动能量，所述振动频率调节装置与质量块协同作用，调节质量块振动频率；所述底部滑道与质量块之间设有滑动摩擦材料层；
所述振动频率调节装置包括MRF弹簧管和导电线圈，所述MRF弹簧管的管壁外缠有导电线圈，内部并填充有MRF，导电线圈连接外部电流调控器，通过调节导电线圈的电流，生成磁场，使弹簧管内MRF发生磁流变液效应而增加质量块刚度，从而使质量块与建筑物主体结构产生共振；
所述STF阻尼器由缸体、活塞与活塞杆构成，在缸体内部空间填充有STF，缸体一端连接在墙体上，另一端为活塞杆，活塞杆一端连接缸体内的活塞，带动活塞移动，另一端为自由端，与质量块间留有间隔。
2.根据权利要求1所述STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，其特征在于：所述活塞杆自由端还连接有接触块。
3.根据权利要求2所述STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，其特征在于：所述接触块与质量块间的间隔a为1-2cm。
4.根据权利要求2所述STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，其特征在于：所述接触块为硬质板材。
5.根据权利要求4所述STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，其特征在于：所述硬质板材为矩形、多边形、圆形或椭圆形。
6.根据权利要求5所述STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，其特征在于：所述硬质板材为金属板或塑钢板。
7.根据权利要求1所述STF和MRF组合式质量调谐阻尼器，其特征在于：所述STF阻尼器置于振动频率调节装置上方。
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