CN109339275B - 一种基于磁铁性能的多重减振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁铁性能的多重减振器，包括一个外筒，在外筒内部由上到下依次水平设置有上层板、中层板和下层板；上层板、下层板和外筒的上、下内壁固定；所述的中层板内部中空，内部设置多道隔板，相邻隔板形成的空间内放置有适量颗粒；在上层板与中层板之间、中层板与下层板之间均设有磁铁组；所述的中层板左、右两侧设有与其相连的且水平设置的刚性杆，刚性杆的另一端设有第一滑轮，所述的第一滑轮坐落在第一导轨上；所述的第一导轨设置方向与刚性杆垂直，且在第一导轨的两端设有第二滑轮，第二滑轮坐落在第二导轨上；所述的第二导轨两端固定在外筒内壁上；所述的中层板四周设有弹簧。

Description

一种基于磁铁性能的多重减振器

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种基于磁铁性能的多重减振器，主要应用于控制高层建筑和高耸结构的振动响应。

背景技术

随着社会经济与城市化的发展，建筑物呈现超高层及大跨度的发展趋势。对于这些体型复杂的建筑结构，其抗震抗风等振动问题成为影响正常使用和极限承载的关键。然而，由于外部激励的不确定性，依靠构件自身耗能能力来被动吸收外部输入能量的传统方法难以满足建筑结构的抗振要求，存在较大的局限性。近年来的研究表明，在建筑结构上安装阻尼器或减振装置来消耗结构从外部吸收的振动能量，减小结构的振动响应，是一种有效的振动控制方法。

被动控制技术是应用最早、研究最成熟的减振方法，其不需要输入外部能量，由自身的构造特点和减振机理来实现抑制建筑结构振动响应的目的，具有良好的减振效果。其中，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器应用最为广泛，然而它们不能根据外部激励情况来实时的调节自身的工作能力，换言之，其减振效果的优劣取决于自身的振动频率是否与建筑结构相调谐。针对这种缺陷，颗粒阻尼器、电涡流阻尼器及负刚度阻尼器得到了初步研究。颗粒阻尼器和电涡流阻尼器呈现出显著的非线性，颗粒阻尼器通过颗粒与颗粒间以及颗粒与容器壁间的碰撞和摩擦来消耗建筑结构的能量，电涡流阻尼器通过导体切割磁感线来产生电涡流，以热量的形式将建筑结构的振动能量耗散掉，在正刚度减振中考虑负刚度理论，能够有效提高阻尼器的减振带宽，实现非线性抑制结构振动的目的。然而，颗粒阻尼器、电涡流阻尼器和负刚度阻尼器在单独工作时均存在很多的弊端。颗粒阻尼器和电涡流阻尼器在应用时具有一定的时滞性，在地震或风荷载的作用下，难以得到良好的减振效果。负刚度阻尼器是一种不稳定的结构，通常不能单独使用，需要与其他正刚度理论的阻尼器联合使用。

发明内容

基于现有技术中存在的技术缺陷，在不复杂化减振装置工作原理和制造工艺的条件下，为改善单一阻尼器的减振效果并实现混合耗能的目的，本发明提出了一个新型的多重耗能减振装置，其以负刚度理论为基础，以颗粒阻尼和电涡流阻尼为减振手段，在地震作用或风荷载下实现有效抑制建筑结构振动的目的，即旨在减小高层建筑或高耸结构在风荷载及地震作用下的水平振动响应，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：

一种基于磁铁性能的多重减振器，包括一个外筒，在所述的外筒内部由上到下依次水平设置有上层板、中层板和下层板；所述的上层板、下层板和外筒的上、下内壁固定；所述的中层板内部中空，内部设置多道隔板，相邻隔板形成的空间内放置有适量颗粒；在上层板与中层板之间、中层板与下层板之间均设有磁铁组；所述的中层板左、右两侧设有与其相连的且水平设置的刚性杆，刚性杆的另一端设有第一滑轮，所述的第一滑轮坐落在第一导轨上；所述的第一导轨设置方向与刚性杆垂直，且在第一导轨的两端设有第二滑轮，第二滑轮坐落在第二导轨上；所述的第二导轨两端固定在外筒内壁上；所述的中层板四周设有弹簧。

进一步的技术方案为：所述的外筒由不锈钢绝缘材料制成，在露天环境下对内部装置起到保护作用。

进一步的技术方案为：所述的磁铁组由多个具有N极和S极的磁铁组成；磁铁沿上层板和中层板之间、或者中层板和下层板之间的中心线上下对称放置，且沿中心线方向相邻磁铁的磁极交错，相邻磁铁中留有间隙，间隙距离约为磁铁的长度。

进一步的技术方案为：所述的颗粒外部贴附一层具有吸收能量、耗能减振作用的粘弹性材料层。

进一步的技术方案为：所述的上层板、中层板、下层板的材料均采用金属材料。

进一步的技术方案为：所述的中层板内部采用竖向隔板将空间分隔成多个独立的空间，或/和采用水平隔板分隔成多层空间，内部设有适量颗粒。同时，隔板的两个侧面均贴附粘弹性材料层。

进一步的技术方案为：所述弹簧的制作材料为智能材料形状记忆合金。沿第一导轨方向的弹簧两端分别固定在中层板侧壁和第二导轨上，沿第二导轨方向的弹簧两端分别固定在第一导轨和外筒内壁上。

进一步的技术方案为：所述第一导轨和第二导轨的横截面形式均采用槽形，确保滑轮可以在导轨上沿轴向滚动而不发生脱轨。

进一步的技术方案为：所述的滑轮内部设有平面轴承，刚性杆与平面轴承固定，保证刚性杆发生轴向运动时滑轮能在滑轨上滚动。

进一步的技术方案为：所述的平面轴承与滑轮内部涂有润滑油，减小相对转动的摩擦影响。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用磁负刚度阻尼器的技术原理，利用相对异性磁铁相斥、相邻同性磁铁相吸来提供推动力，能够使主体结构的低幅振动转化成阻尼器中减振元件的剧烈运动，增加了该阻尼器的耗能能力，扩大了减振范围。

(2)本发明通过合理巧妙地设计磁铁位置从而形成稳定的磁场，一旦该阻尼器偏离最初的平衡状态，由于减振板块中磁通量的变化，在减振板块中产生电涡流，使得主体结构的振动能量通过热量耗散掉，从而达到耗能减振的目的。

(3)本发明利用隔板将可利用空间分成多个部分，内部放置适量的耗能颗粒，增加了颗粒间的碰撞次数，实现双重减振的目的。同时颗粒外部包附有粘弹性材料层，增加了颗粒间的摩擦能力，从而进一步增加了该阻尼器的耗能能力。

(4)本发明中涉及的弹簧采用智能材料形状记忆合金，当主体结构发生振动时，提供附加的阻尼力，配合运动板块中电涡流耗能和颗粒碰撞耗能，实现多重耗能减振的目的。同时，当主体结构振动结束后，形状记忆合金利用其显著的可恢复变形能力，将该阻尼器恢复初始状态，保证下次应用时的正常工作。

(5)本发明采用被动控制技术理论，不需要额外的外部能量输入，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为一种基于磁铁性能的多重减振器的正面示意图；

图2为一种基于磁铁性能的多重减振器的俯视示意图；

图3为一种基于磁铁性能的多重减振器的A-A剖面示意图；

图4为一种基于磁铁性能的多重减振器的B-B剖面示意图；

图中：1外筒，2中层板，3磁铁组，4第一导轨，5刚性杆，6上层板，7下层板，8第一滑轮，9颗粒，10弹簧，11第二滑轮,12第二导轨，13隔板，14平面轴承。

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。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中颗粒阻尼器、电涡流阻尼器和负刚度阻尼器在单独工作时均存在很多的弊端。颗粒阻尼器和电涡流阻尼器在应用时具有一定的时滞性，在地震或风荷载的作用下，难以得到良好的减振效果。负刚度阻尼器是一种不稳定的结构，通常不能单独使用，需要与其他正刚度理论的阻尼器联合使用，基于现有技术中存在的技术缺陷，在不复杂化减振装置工作原理和制造工艺的条件下，为改善单一阻尼器的减振效果并实现混合耗能的目的，本发明提出了一个新型的多重耗能减振装置，其以负刚度理论为基础，以颗粒阻尼和电涡流阻尼为减振手段，在地震作用或风荷载下实现有效抑制建筑结构振动的目的，。

如图1-3所示，本发明具体结构如下：基于磁铁性能的多重减振器，包括一个外筒1和三块水平放置的板。上层板6和下层板7分别固定在外筒1的上壁和下壁。

中层板2内部中空，其中可以设有多道竖向隔板13将空间分成多个部分，也可以设有多道水平隔板13将空间分有多层，或者如图3所示，同时设置水平隔板或者竖直隔板，将中层板分隔成多个矩形的小空间；其中放有适量的颗粒9。颗粒9外部贴附能够吸收能量的粘弹性材料层。

上层板6的下表面、下层板7的下表面和中层板2的两个端面设有磁铁组3。磁铁组3由多个具有S级和N极的磁铁组成。磁铁3绕板中心环向阵列布置，且磁铁3沿着上层板和中层板、或者中层板和下层板之间的中心线上下对称设置；例如图1中位于长层板上的磁铁组是N极和S极，则位于中层板的磁铁组是S极和N极,即上、下磁极相斥；且沿中心线方向的相邻磁铁的磁极交错，例如图1中位于长层板上的第一磁铁组是N极和S极，则相邻的第二磁铁组是N极和S极,即左右相邻的磁极相吸；相邻磁铁留有间隙，间隙的距离为磁铁的边长。上层板6、中层板2和下层板7上磁铁的磁极一一对应。

中层板2的左、右两侧设有与其相连的刚性杆5，刚性杆5的另一端固定设有平面轴承14，平面轴承14外部设有第一滑轮8，第一滑轮8坐落在第一导轨4上并可以沿着第一导轨4发生轴线移动。第一导轨4的两端同样的设有平面轴承14和第二滑轮11，第二滑轮11放置在第二导轨12中并可以沿着第二导轨12水平移动。第二导轨12固定在外筒1的内壁上；第二导轨的方向与第一导轨方向垂直；

优选的，第一导轨4和第二导轨12的横截面形式均采用槽形，保证第一滑轮8和第二滑轮11在第一导轨4和第二导轨12上移动时而不发生脱轨。

优选的，中层板2四周设有弹簧10。从图2看，中层板2左、右两侧的弹簧的两端分别固定在第一导轨4和外筒1内壁上，中层板2前、后两侧的弹簧的两端分别固定在中层板2和第二导轨12上。

优选的，外筒1是由不锈钢材料制作而成，在露天环境下对内部装置起到保护作用。

弹簧10由智能材料形状记忆合金制作而成，上层板6、中层板2和下层板7均为铜板。

如图2所示，可以将第一导轨4和第二导轨12的轴线方向分别定义为Y向和X向。将该减振装置固定于高层建筑或高耸结构的顶部。在地震或风荷载作用下，主体结构发生振动。当主体结构发生轴线Y方向振动时，中层板2由于惯性沿第一导轨4发生运动。在图1中上层板6、中层板2和下层板7上磁铁的几何中心在同一竖向位置上，此时处于平衡状态。当中层板2与上层板6和下层板7发生相对错动时，由于对应的同磁极相斥和相邻的异磁极相吸，从而产生一个与中层板2运动方向相同的作用力。根据胡克定律，力的方向与位移方向相同产生负刚度作用。同时，当中层板2的运动导致磁铁组3发生相对错动时，根据楞次定律，中层板2内部在交替变化的磁场中切割磁感线产生电涡流，会产生一个阻碍中层板2运动的阻尼力。在这一过程中电涡流表现出了良好的粘性阻尼特性，并且通过自身耗能加速了振动的消减。中层板2内部空间的颗粒9随着中层板2的运动而发生碰撞和摩擦，贴附在颗粒9外表面的粘弹性材料层增加了颗粒9的耗能能力。而且，弹簧10随着中层板2的运动而发生拉伸和压缩变形，进一步增加了输出阻尼力，实现多重控制主体结构振动的目的。

当主体结构发生X方向振动时，中层板2通过刚性杆5带动第一导轨4沿第二导轨12发生水平移动。磁铁组3发生相对错动而产生负刚度作用，联合中层板2内部的电涡流阻尼、中层板2内部空间的颗粒阻尼和由于弹簧变形而产的阻尼共同工作，实现多重抑制主体结构水平X方向振动的目的。

当主体结构的振动停止后，由于形状记忆合金显著的恢复变形能力，将工作后的阻尼器稳定的还原到初始状态，确定下次应用时仍然能具有良好的工作性能。

本发明合理巧妙地设计磁铁的位置和排列次序，当磁铁发生相对错动时形成负刚度作用。利用相对异性磁铁相斥、相邻同性磁铁相吸来提供推动力，能够使主体结构的低幅振动转化成阻尼器中减振元件的剧烈运动，增加了该阻尼器的耗能能力，扩大了减振范围。

本发明将中层板2内部产生的电涡流阻尼、中层板2内部空间的颗粒阻尼和由于弹簧10变形产生的阻尼联合工作，在质量块单一的情况下实现多重耗能，达到良好的减振效果。

本发明利用隔板将可利用空间分成多个部分，内部放置适量的耗能颗粒，增加了颗粒间的碰撞次数，实现有效减振的目的。同时颗粒外部包附有粘弹性材料层，增加了颗粒间的摩擦能力，从而进一步增加了该阻尼器的耗能能力。

本发明安装在建筑主体结构易发生振动破坏的位置，采用被动控制技术理论，不需要额外的外部能量输入，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。

本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，包括一个外筒，在所述的外筒内部由上到下依次水平设置有上层板、中层板和下层板；所述的上层板、下层板和外筒的上、下内壁固定；所述的中层板内部中空，内部设置多道隔板，相邻隔板形成的空间内放置有适量颗粒；在上层板与中层板之间、中层板与下层板之间均设有磁铁组；所述的中层板左、右两侧设有与其相连的且水平设置的刚性杆，刚性杆的另一端设有第一滑轮，所述的第一滑轮坐落在第一导轨上；所述的第一导轨设置方向与刚性杆垂直，且在第一导轨的两端设有第二滑轮，第二滑轮坐落在第二导轨上；所述的第二导轨两端固定在外筒内壁上；所述的中层板四周设有弹簧。

2.如权利要求1所述的一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，所述的外筒由不锈钢绝缘材料制成。

3.如权利要求1所述的一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，所述的磁铁组由多个具有N极和S极的磁铁组成；磁铁沿上层板和中层板之间、或者中层板和下层板之间的中心线上下对称放置，且沿中心线方向相邻磁铁的磁极交错，相邻磁铁中留有间隙，间隙距离为磁铁的长度。

4.如权利要求1所述的一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，所述的颗粒外部贴附一层具有吸收能量、耗能减振作用的粘弹性材料层。

5.如权利要求1所述的一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，所述的上层板、中层板、下层板的材料均采用金属材料。

6.如权利要求1所述的一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，所述的中层板内部采用竖向隔板将空间分隔成多个独立的空间或/和采用水平隔板分隔成多层空间，内部设有适量颗粒。

7.如权利要求6所述的一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，所述竖向隔板或/和水平隔板的两个侧面均贴附粘弹性材料层。

8.如权利要求1所述的一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，所述弹簧的制作材料为智能材料形状记忆合金；沿第一导轨方向的弹簧两端分别固定在中层板侧壁和第二导轨上，沿第二导轨方向的弹簧两端分别固定在第一导轨和外筒内壁上。

9.如权利要求1所述的一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，所述第一导轨和第二导轨的横截面形式均采用槽形，确保滑轮可以在导轨上沿轴向滚动而不发生脱轨。

10.如权利要求1所述的一种基于磁铁性能的多重减振器，其特征在于，所述的滑轮内部设有平面轴承，刚性杆与平面轴承固定。