CN108729570B - 一种半主动温控调谐惯质阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半主动温控调谐惯质阻尼器，该装置由两部分组成，分别是工作腔控温部分和减振器主体部分。所述工作腔控温部分包括温度监控部分和温度调节部分。所述的减振器主体部分包括SMA弹簧和与其相连的惯质阻尼器组成，所述的惯质阻尼器通过滚珠螺杆与SMA弹簧连接，滚珠螺杆通过轴承和螺母固定一个旋转飞轮，所述的飞轮内部安装多个挡板并放置多个质量球。本发明可通过将轴向运动转化为旋转运动的方式提高阻尼器的惯性力，在确保减振效果的前提下，减小了阻尼器的质量。还可通过改变温度来实时的调整SMA弹簧的阻尼和刚度，使得阻尼器在较宽的频域内有较稳定的工作性能，从而达到良好的减振效果。

Description

一种半主动温控调谐惯质阻尼器
技术领域
本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种半主动温控调谐惯质阻尼器，主要应用于控制高层建筑和高耸结构的振动响应。
技术背景
现代高层建筑和高耸结构随着社会的发展与进步变得越来越常见。高耸结构水平刚度较小，对风荷载和地震作用敏感，易产生较大的动力响应，为避免结构发生破坏甚至倒塌，高耸结构的安全稳定性问题受到了学者们的重视，与此同时，结构振动控制技术也逐渐发展起来。
质量调谐减振装置(Tuned Mass Damper，简称“TMD”)是通过调节减振装置的频率与主结构相近，改变结构的共振特性，从而达到减小结构振动的目的。对于TMD而言，随着质量比的增大结构的减振率逐渐增大，质量比在2％附近时减振效果良好。但对于输电塔或其他高耸结构而言，结构本身质量较大，若取质量比为2％，则减振装置的质量过大，会造成结构的初始变形，影响结构的性能。为了克服减振装置质量过大这一弊端，有学者提出，采用调谐惯质阻尼器代替TMD，通过较小的质量块实现较好的减振效果。调谐惯质阻尼器的原理是将装置的实际质量放大，利用惯性力和调谐效应来实现减振的新型阻尼器装置。
调谐惯质阻尼器在实际工程应用中，减振效果的优劣程度依赖其自振频率与主体结构是否相调谐，且不能根据具体的外部激励情况和结构响应实时调整自身的动力特性，因而不能保证最佳的减振效果。
发明内容
本发明目的是提供一种半主动调谐惯质阻尼器，旨在减小高层结构在风荷载及地震作用下的振动响应，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：
一种半主动调谐惯质阻尼器，该装置由两部分组成，分别是工作腔控温部分和减振器主体部分；所述工作腔控温部分包括温度监控部分和温度调节部分，其中温度监控部分由温度显示器和与其相连的且设置在减振器主体部分内腔的温度传感器组成，所述的温度调节部分由温度调节器和与其相连的且与设置在减振器主体部分内腔的加热器和微型制冷器组成；通过温度调节器的内置开关选择连通加热器或微型制冷器工作；
所述的减振器主体部分包括一个矩形的密闭箱体和惯质阻尼器，所述的密闭箱体中其中两个相对的侧板之间安装有与其相连的且水平设置的SMA弹簧；其中一个侧板在所述的SMA弹簧作用下，可沿着所述的密闭箱体做往复直线运动；所述的惯质阻尼器包括旋转飞轮、滚珠螺杆和螺母；所述的滚珠螺杆一端固定连接在可运动的侧板上，所述螺母安装在滚珠螺杆上，所述的螺母与旋转飞轮固定连接；在所述的旋转飞轮内部安装有多个挡板并放置多个质量球。
进一步的，所述的减振器主体部分SMA弹簧水平分布有4根。
进一步的，所述的SMA弹簧的刚度和阻尼会随温度的变化而发生改变，从而可以实现智能控制阻尼器的频率。
进一步的，所述的密闭箱体，一侧连接惯质阻尼器，一侧连接主体结构。
进一步的，所述的惯质阻尼器可以通过滚珠螺杆将水平运动转化为旋转运动，从而使飞轮旋转运动。
进一步的，所述的飞轮内部装有数个质量球，质量球随飞轮运动，发生碰撞，起到耗能的作用。
进一步的，所述的质量球表面涂有粘弹性材料，增加碰撞的摩擦力，达到更好的耗能效果。
进一步的，所述的飞轮内部设置多个隔板，阻碍质量球的自由运动，增加耗能。
进一步的，所述的多个隔板沿着所述的飞轮的圆周方向均匀分布。
本发明的工作原理如下：
本发明可用于输电塔和其他高耸结构的减振领域。在地震或风荷载作用下，该阻尼器会随结构发生水平方向的运动，滚珠螺杆可将惯质阻尼器的轴向运动转变为飞轮的旋转运动。飞盘转动角与螺杆轴向运动的关系：
式中，x为螺杆的轴向运动，L为飞轮转动一周螺杆所移动距离。飞轮的惯性矩表示为：
式中，I为飞轮的转动惯量。m0为飞轮质量，r0、ri分别为飞轮的内径和外径。则由飞轮转动产生的惯性力为：
式中mr为等效质量。可以看出mr相对飞轮实际质量m0放大了倍，调节飞轮尺寸可以使放大系数达到几百甚至上千倍。因为转动的原因，惯性力被放大了许多倍，从而满足了较小的质量块实现较好地减振效果。飞轮转动的同时还会带动表面涂有粘弹性材料的质量球发生碰撞，增加摩擦耗能。SMA弹簧是温敏变刚度变阻尼材料，所以由工作腔控温部分实现温度的监控和调整，可以改变SMA弹簧的刚度和阻尼，增大装置阻尼提高耗能能力的同时，还可以实现装置频率的智能调控，使装置达到最大化的吸能减振作用。
本发明的有益效果是：
(1)在调谐质量阻尼器的基础上，根据调谐惯质阻尼器的原理，通过将轴向运动转化为旋转运动的方式提高阻尼器的惯性力，在确保减振效果的前提下，减小了阻尼器的质量，避免设置阻尼器而造成结构频率改变的弊端，并减小了阻尼器造成结构的初始变形。
(2)本发明在被动控制调谐惯质阻尼器的基础上，与SMA弹簧和温控主体结合，形成半主动控制装置。根据激励荷载形式和结构响应状态，改变温度来实时的调整SMA弹簧的阻尼和刚度，使得阻尼器在较宽的频域内有较稳定的工作性能，从而达到良好的减振效果。
(3)本发明构造简单，灵活性高且维护方便，有效提高结构的抗震抗风性能，适用于高层建筑和高耸结构，能够产生较好的社会效益和经济效益。
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为一种半主动温控调谐惯质阻尼器正视图；
图2为惯质阻尼器的构造详图；
图3为2-6飞轮的构造详图；
图中：1为工作腔控温部分，2为减振器主体部分。1-1温度显示器，1-2温度调节器，1-3导线，1-4温度传感器，1-5微型制冷器，1-6加热器；2-1密闭箱体，2-2SMA弹簧，2-3侧板，2-4滚珠螺杆，2-5螺母，2-6飞轮，2-7滚珠，2-8飞轮内挡板，2-9质量球，2-10侧板。
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；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在调谐惯质阻尼器在实际工程应用中，减振效果的优劣程度依赖其自振频率与主体结构是否相调谐，且不能根据具体的外部激励情况和结构响应实时调整自身的动力特性，因而不能保证最佳的减振效果，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种半主动温控调谐惯质阻尼器。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明提出的一种半主动温控调谐惯质阻尼器如图所示。该装置由两部分组成，分别是工作腔控温部分1和减振器主体部分2。所述工作腔控温部分包括温度监控部分和温度调节部分，其中温度监控部分由温度显示器1-1通过导线1-3与设置在减振器主体部分2内腔的温度传感器1-4连接组成，温度调节部分由温度调节器1-2通过导线分别与设置在减振器主体部分2内腔的加热器1-6和微型制冷器1-5连接组成，通过温度调节器的内置开关选择连通加热器或微型制冷器工作。
所述的减振器主体部分2包括SMA弹簧2-2和与其相连的惯质阻尼器组成，所述的惯质阻尼器通过滚珠螺杆2-4与SMA弹簧2-2连接，滚珠螺杆2-4通过轴承和螺母2-5固定一个旋转飞轮2-6，所述的飞轮内部安装多个挡板2-8并放置多个质量球2-9。
SMA(形状记忆合金)是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。SMA是温敏变刚度变阻尼材料，温度的监控和调整，可以改变SMA的刚度和阻尼，将SMA与惯质阻尼器结合，可以实现装置频率的智能调控。
进一步的，所述的减振器主体部分SMA弹簧2-2水平分布有4根。
进一步的，本发明密闭箱体2-1包括上、下两个顶板和左、右、前、后四个侧板；形成一个密闭的空间；其中侧板2-3、侧板2-10作为密闭箱体2-1的左、右侧板；SMA弹簧2-2两端固定在两侧的侧板2-3和2-10上；其中侧板2-10固定不动，侧板2-3在弹簧的作用下直线运动；从而可以通过工作腔控温部分进行温度的监控和调整。
其中，加热器1-6、微型制冷器1-5和温度传感器1-4均安装在所述的密闭箱体2-1内。
进一步的，所述的SMA弹簧刚度和阻尼会随温度的变化而发生改变，从而可以实现智能控制阻尼器的频率。
进一步的，所述的密闭箱体2-1，一侧连接惯质阻尼器，一侧连接主体结构；即侧板2-3连接惯质阻尼器；侧板2-10连接主体结构。
进一步的，所述的惯质阻尼器可以通过滚珠螺杆2-4将水平运动转化为旋转运动，从而使飞轮2-6旋转运动。
进一步的，所述的飞轮2-6内部装有数个质量球2-9，质量球随飞轮运动，发生碰撞，起到耗能的作用。
进一步的，所述的质量球2-9表面涂有粘弹性材料，增加碰撞的摩擦力，达到更好的耗能效果。
进一步的，如图3所示，飞轮2-6内部设置八个隔板，阻碍质量球的自由运动，增加耗能；八个隔板沿着飞轮2-6的圆周方向均匀分布。
本实施方案中，应当根据结构的具体情况确定半主动温控调谐惯质阻尼器的安装位置和数量，以达到最佳的减振效果。
本发明在调谐质量阻尼器的基础上，根据调谐惯质阻尼器的原理，通过将轴向运动转化为旋转运动的方式提高阻尼器的惯性力，在确保减振效果的前提下，减小了阻尼器的质量，避免设置阻尼器而造成结构频率改变的弊端，并减小了阻尼器造成结构的初始变形。本发明在被动控制调谐惯质阻尼器的基础上，与SMA弹簧和温控主体结合，形成半主动控制装置。根据激励荷载形式和结构响应状态，改变温度来实时的调整SMA弹簧的阻尼和刚度，使得阻尼器在较宽的频域内有较稳定的工作性能，从而达到良好的减振效果。同时，本发明构造简单，灵活性高且维护方便，有效提高结构的抗震抗风性能，适用于高层建筑和高耸结构，能够产生较好的社会效益和经济效益。
本发明的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半主动温控调谐惯质阻尼器，其特征在于，包括工作腔控温部分和减振器主体部分；
所述工作腔控温部分包括温度监控部分和温度调节部分，其中温度监控部分由温度显示器和与其相连的且设置在减振器主体部分内腔的温度传感器组成，所述的温度调节部分由温度调节器和与其相连的且与设置在减振器主体部分内腔的加热器和微型制冷器组成；通过温度调节器的内置开关选择连通加热器或微型制冷器工作；
所述的减振器主体部分包括一个矩形的密闭箱体和惯质阻尼器，所述的密闭箱体中其中两个相对的侧板之间安装有与其相连的SMA弹簧；所述的SMA弹簧水平设置，其中一个侧板在所述的SMA弹簧作用下，可沿着所述的密闭箱体做往复直线运动；所述的惯质阻尼器包括旋转飞轮、滚珠螺杆和螺母；所述的滚珠螺杆一端固定连接在可运动的侧板上，所述螺母安装在滚珠螺杆上，所述的螺母与旋转飞轮固定连接。
2.如权利要求1所述的一种半主动温控调谐惯质阻尼器，其特征在于，所述的减振器主体部分SMA弹簧水平分布有4根。
3.如权利要求1所述的一种半主动温控调谐惯质阻尼器，其特征在于，所述的SMA弹簧刚度和阻尼会随温度的变化而发生改变，从而可以实现智能控制阻尼器的频率。
4.如权利要求1所述的一种半主动温控调谐惯质阻尼器，其特征在于，所述的密闭箱体的一侧连接惯质阻尼器，相对的另一侧连接主体结构。
5.如权利要求1所述的一种半主动温控调谐惯质阻尼器，其特征在于，所述的飞轮内部装有数个质量球，质量球随飞轮运动，发生碰撞，起到耗能的作用。
6.如权利要求5所述的一种半主动温控调谐惯质阻尼器，其特征在于，所述的质量球表面涂有粘弹性材料。
7.如权利要求1所述的一种半主动温控调谐惯质阻尼器，其特征在于，所述的飞轮内部设置有多个隔板，阻碍质量球的自由运动，增加耗能。
8.如权利要求7所述的一种半主动温控调谐惯质阻尼器，其特征在于，所述的多个隔板沿着所述的飞轮的圆周方向均匀分布。
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