CN109763580B - 一种粘弹性—tmd复合多维减震装置及其减震方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘弹性—TMD复合多维减震装置及其减震方法，装置包括：反力钢板、设置于反力钢板间的自攻螺杆、第一粘弹性阻尼支撑系统、第二粘弹性阻尼支撑系统、质量块及底部承压钢板。自攻螺杆用于支撑反力钢板，同时根据需要对反力钢板的位置进行调节；第一粘弹性阻尼支撑系统对结构水平方向的震动进行控制，同时第一螺栓及预压弹簧可对质量块水平向的最大位移进行限制；第二粘弹性阻尼支撑系统对结构竖直方向上的震动进行控制，同时第二螺栓及预压弹簧可对质量块竖直方向的最大位移进行限制。本发明粘弹性—TMD复合多维减震装置具有可调节刚度系统和阻尼系统，能有效地对结构多方向震动响应进行稳定持续控制。

Description

一种粘弹性—TMD复合多维减震装置及其减震方法

技术领域

本发明涉及一种粘弹性—TMD复合多维减震装置及其减震方法。

背景技术

TMD由于构造简单、造价低廉、易于维护等优点逐渐成为最有效的结构被动控制手段之一，尤其在高层建筑结构、大跨桥梁的风振和地震控制领域。现有的TMD装置大多只具有单方向减震功能，而实际结构的震动通常由多个方向的震动源耦合产生，使得TMD装置实际减震效果并不理想；此外，TMD是通过调节装置自身同结构的质量比、阻尼比及频率比等动力参数，利用共振原理对控制结构的进行控制的装置，要求所安装的TMD装置具有较大的刚度及阻尼可调范围，而常见TMD装置多为低阻尼体系，整体耗能能力较差，无法有效地对输入的地震能量进行耗散，同时装置内部刚度贡献源单一，刚度及阻尼可调性差，难以满足不同动力特性受控结构的控制需求，这在一定程度上降低了TMD装置的震动控制能力。

因此，开发一种能在多方向对结构震动进行控制，同时又具有良好阻尼、刚度调节性的新型TMD装置是促进TMD减震控制进一步发展的重要途径。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种可对结构多方向震动进行控制同时具有宽刚度、阻尼可调域的粘弹性—TMD复合多维减震装置，该TMD装置在继承了粘弹性材料高阻尼特性的同时，亦可对结构多方向的震动响应进行控制。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

四个反力钢板围合形成一上部开口的矩形框，四个反力钢板中，每两个相互平行设置的反力钢板上端之间通过至少一根自攻螺杆螺纹支撑连接，四个反力钢板的底端均通过紧固件与一底部承压钢板安装固定，底部承压钢板采用螺栓与需减震的目标结构固接在一起；

一质量块，设置于所述矩形框内部，质量块的四周与反力钢板之间设有用于提供质量块水平向运动阻尼及自复位刚度的第一粘弹性阻尼支撑系统；质量块的底部与底部承压钢板之间设有用于向质量块提供竖向运动阻尼及竖向自复位刚度的第二粘弹性阻尼支撑系统，其中，

第一粘弹性阻尼支撑系统包括多个第一粘弹性阻尼支撑单元，多个第一粘弹性阻尼支撑单元沿质量块四周均匀布置，每个第一粘弹性阻尼支撑单元均包括：

第一复合式粘弹性阻尼器，第一复合式粘弹性阻尼器一端与质量块外壁固定连接，另一端与第一螺栓的螺杆端传力连接，所述反力钢板上设有供第一螺栓穿过的第一十字孔；所述第一螺栓的螺帽与反力钢板之间、反力钢板与第一复合式粘弹性阻尼器另一端之间均套设有第一预压弹簧；

第二粘弹性阻尼支撑系统包括多个第二粘弹性阻尼支撑单元，多个第二粘弹性阻尼支撑单元沿质量块底部均匀竖向布置，每个第二粘弹性阻尼支撑单元均包括：

第二复合式粘弹性阻尼器，第二复合式粘弹性阻尼器的一端与底部承压板安装固定，另一端与第二螺栓的螺杆端传力连接，圆形连接钢板上设有供第二螺栓穿过的第二十字孔；所述第二螺栓的螺帽与圆形连接钢板之间、圆形连接钢板与第二复合式粘弹性阻尼器另一端之间均套设有第二预压弹簧；

所述第一复合式粘弹性阻尼器和第二复合式粘弹性阻尼器结构相同，均包括：上端板、活塞杆以及工作缸，工作缸包括上下粘弹性阻尼腔及筒式粘弹性阻尼器，所述活塞杆一端与上端板焊接，另一端伸入所述粘弹性阻尼腔内部，且活塞杆上伸入粘弹性阻尼腔内部的杆外壁沿轴向设有多个与所述粘弹性球珠挤压耗能的径向凸起；

所述上端板与工作缸上端面之间、内部活塞板与粘弹性阻尼腔底部之间以及内部活塞板和筒式粘弹性阻尼器之间均设有第三预压弹簧；

圆形连接钢板采用焊接的方式与质量块底部连接。

所述径向凸起呈锥形，每个锥形凸起的纵向截面为等腰直角三角形。

所述反力钢板为倒放的T型厚钢板，T型厚钢板底部通过多个高强螺栓与底部承压钢板连接。

所述自攻螺杆两端设有螺纹，内部设有长度调节系统。

所述质量块与第一复合式粘弹性阻尼器的端部之间采用高强螺栓连接。

所述第二复合式粘弹性阻尼器的底端采用高强螺栓与底部承压板连接。

本发明还进一步公开了一种基于所述粘弹性—TMD复合多维减震装置的减震方法，

根据目标结构各项性能指标及粘弹性—TMD复合多维减震装置在结构中布置的位置参数对所选用复合多维减震装置的刚度、阻尼性能进行优化；

水平激励作用下，底部承压板随结构做水平运动，质量块由于惯性作用随之在水平方向作往复运动，由于装置运动同结构运动之间存在显著的迟滞现象，结构的响应将逐渐在上述装置的调谐作用下减弱；在运动过程中，质量块将拉压两侧第一粘弹性阻尼支撑系统，在拉压过程中，质量块首先会带动第一复合式粘弹性阻尼器上端板左、右运动，使得与该上端板相连的活塞杆内部所设置的多个径向凸起与缸体内部填充的粘弹性球珠发生挤压、摩擦，该粘弹性球珠在上述挤压碰撞、摩擦过程中，将通过粘弹性材料特有的“内耗”特性对外部传入的震动能量进行耗散，从而减轻装置整体的震动响应；

在上述粘弹性球珠发生内耗减震的同时，水平压、拉力会通过上端板与筒式粘弹性阻尼器间设置的多个第三预压弹簧传递到筒式粘弹性阻尼器部分，使得该筒式粘弹性阻尼器内部的粘弹性材料层发生剪切变形，从而对输入的震动能量进行二次耗散，最终实现对目标结构的减震；

由于对第一粘弹性阻尼支撑系统中的所有弹簧均事先预压，所述弹簧会为装置提供一定的抗拉拔力，防止第一复合式粘弹性阻尼器系统在大变形下被拉坏，同时将限制质量块只能在限定范围内进行运动，进而避免位移过大时质量块与装置其他部分发生碰撞；同时，所述第一预压弹簧可对质量块提供一个自复位刚度，在激励消失后使其归位；当质量块沿水平向运动时，顶部两个自攻螺杆可对反力钢板提供支撑；

竖向激励作用下，质量块将在竖向做往复运动，由于装置运动同结构运动之间存在显著的迟滞现象，结构的响应将逐渐在上述装置的调谐作用下减弱；在装置内部质量块运动的同时，会通过第二十字孔及第二预压弹簧使得底部的第二复合式粘弹性阻尼器产生与上述第一复合式粘弹性阻尼器同样的运动，最终实现减弱目标结构震动响应的目标；由于第二预压弹簧的作用，质量块在竖向往复运动时，第二预压弹簧会提供一定抗拉拔力，防止复合粘弹性阻尼器系统在大变形下被拉坏，同时亦会限制质量块只能在一定范围内运动，以避免位移过大时质量块与装置其他部分发生碰撞，同时第二预压弹簧可对质量块提供一个自复位刚度，在激励消失后使其归位。

相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：

一、本发明的粘弹性—TMD复合多维减震装置能够同时对结构水平方向和竖向的震动进行控制。

二、本发明的粘弹性—TMD复合多维减震装置在水平和竖向分别设置了粘弹性阻尼支撑系统，可通过两种耗能机制提升复合多维减震装置的阻尼稳定性，增大了粘弹性—TMD复合多维减震装置的整体耗能能力，可更有效地对结构震动进行控制。

三、本发明的粘弹性—TMD复合多维减震装置水平方向和竖向设置的复合式粘弹性阻尼器设有多道耗能机制，相较普通粘弹性阻尼器其工作稳定性、有效性更高，同时其内部的粘弹性球珠的粒径、级配及填充密度，及筒式粘弹性阻尼器的粘弹性层、约束钢板的数量及厚度均可依照实际进行调节，拓宽了整体装置阻尼系统的可调域，增强了装置的适用范围。

四、本发明的粘弹性—TMD复合多维减震装置中所引入的粘弹性阻尼部分解决了常规粘弹性阻尼器由于位移敏感性而造成的无法匹配TMD装置工作大位移的问题，保证了粘弹性阻尼装置部分在大位移下不发生破坏，充分地利用两种被动控制装置的优势。

五、本发明的粘弹性—TMD复合多维减震装置在两个方向设置的预压弹簧可根据减震结构的动力特性对预压弹簧的规格和尺寸进行调节，进而实现整体装置刚度系统的可调性，从而扩大的该装置的震动控制范围。

六、本发明的粘弹性—TMD复合多维减震装置在水平及竖向安装的预压弹簧系统可在防止装置内部复合阻尼器部分被拉坏的同时，对装置提供自复位刚度，实现了装置震后的自复位功能。

附图说明

图1是本发明具有多方向震动控制功能的粘弹性—TMD复合多维减震装置的A-A向视图；

其中：1、自攻螺杆；2、第一粘弹性阻尼支撑系统；3、反力钢板；4、第二粘弹性阻尼支撑系统；5、底部承压钢板；6、质量块；7、第一螺栓；8、第二螺栓；9、圆形连接钢板；10、地脚螺栓；

图2是本发明具有多方向震动控制功能的粘弹性—TMD复合多维减震装置的俯视图；

图3是第一复合式粘弹性阻尼器的结构示意图；

其中：2-1、上端板；2-2、第三预压弹簧；2-3、活塞杆；2-4、外围缸筒；2-5、径向凸起；2-6、粘弹性球珠；2-7、限位钢板；2-8内部活塞板；2-9、筒式粘弹性阻尼器；2-10、下端板；

图4是第二复合式粘弹性阻尼器的结构示意图；

图5是圆形连接钢板的第二十字孔的开孔示意图；

图6是自攻螺杆细部示意图：

其中：1-1、螺纹杆；1-2、高强钢套筒。

具体实施方式

下面结合附图1-6及实例对本发明相关技术方案进行详细说明。

依据下述实例可对本发明更好地进行理解，但需要指出的是，该实例仅为清楚说明本发明而做的举例，而非对本发明实施方式的限定，本领域普通研究人员在上述说明的基础上仍可做其他形式有益的变动。

本发明粘弹性—TMD复合多维减震装置，包括左、右反力钢板3、设置于反力钢板间的自攻螺杆1、第一粘弹性阻尼支撑系统2、第二粘弹性阻尼支撑系统4、质量块6及底部承压钢板5等部分。

底部承压钢板5位于装置底部，采用高强螺栓将整体装置与目标结构固接在一起，通过高强螺栓与左、右反力钢板3及多个第二粘弹性阻尼支撑系统4相连，其在外载作用下可带动上述第二粘弹性阻尼支撑系统4及左、右反力钢板3做水平及竖向运动；

第二粘弹性阻尼支撑系统4则通过焊接的多个竖向设置的第二螺栓8与质量块6底部焊接的圆形连接钢板9连接，且该圆形连接钢板9底部开有水平向的第二十字孔，允许第二螺栓在水平和竖向运动；

圆形连接钢板9采用焊接的方式与质量块6底部连接，两者一起运动，质量块6两侧通过多个高强螺栓连接了若干个第一粘弹性阻尼支撑系统2，该复合阻尼器系统可在质量块6的带动下沿水平及竖向两个方向运动；

质量块两侧所连接的多个第一粘弹性阻尼支撑系统2通过第一螺栓7与左、右反力钢板3连接，且连接处的反力钢板3开有竖向的第一十字孔，允许第一螺栓在水平及竖向两个方向运动；

螺栓的螺帽与反力钢板之间、反力钢板与限位钢板之间以及限位钢板与复合式粘弹性阻尼器端部之间均套设有预压弹簧，预压弹簧的预压量可依据实际进行调节。

四个反力钢板中，每两个相互平行设置的反力钢板上端之间通过至少一根自攻螺杆螺纹支撑连接；自攻螺杆两端设有螺纹杆1-1，可通过扭转中间高强钢套筒1-2及两端连接反力钢板3的高强螺栓对螺纹杆1-1的长度进行调节，以对反力钢板3进行支撑并调节其与质量块6间的相对位置，其具体数量及排布方式可依据实际进行调节。

实施例1

在装置安装前，可基于目标结构动力特性的计算结果，对装置内部的预压高性能弹簧的型号、预压量进行调整，对第一粘弹性阻尼支撑系统2和第二粘弹性阻尼支撑系统4内部粘弹性球珠及筒式粘弹性阻尼器粘弹性层厚度及数量进行优化，以使减震效果最优；

发明的粘弹性—TMD复合多维减震装置可在水平和竖向对结构进行减震控制。

水平震动作用下，底部承压板5随结构做水平运动，质量块6则由于惯性作用随之在水平方向作往复运动，在运动过程中，质量块6将拉压两侧第一粘弹性阻尼支撑系统2，在拉压过程中，质量块6首先会带动第一复合式粘弹性阻尼器的上端板2-1左右运动，使得与该上端板2-1相连的活塞杆2-3内部所设置的多个径向凸起2-5与缸体内部填充的粘弹性球珠2-6发生挤压、碰撞，该粘弹性球珠2-6在上述挤压碰撞过程中，将通过粘弹性材料特有的“内耗”特性对外部传入的震动能量进行耗散，从而减轻装置整体的震动响应。

在上述粘弹性球珠阻尼器部分运动的同时，水平压（拉）力会通过内部活塞板2-8与筒式粘弹性阻尼器间设置的多个第三预压弹簧传递到筒式粘弹性阻尼器部分，使得该筒式粘弹性阻尼器内部的粘弹性材料层发生剪切变形，从而对输入的震动能量进行二次耗散，最终实现对目标结构的减震；由于对第一粘弹性阻尼支撑系统2中的所有预压弹簧均事先预压，再加上两侧第一螺栓7的限位作用，第一螺栓7及第一预压弹簧会为装置提供一定的抗拉拔力，防止水平复合粘弹性阻尼器系统2在大变形下被拉坏，同时将限制质量块6只能在限定范围内进行位移，进而避免位移过大时质量块6与装置其他部分发生碰撞。另外，第一预压弹簧可对质量块提供一个横向的自复位刚度，在激励消失后使其归位；当质量块6沿水平向运动时，顶部自攻螺杆1可对反力钢板提供支撑。

竖向震动作用下，质量块6将在竖向做往复运动，在装置内部质量块6运动的同时，会通过第二螺栓8及第二预压弹簧使得底部的第二粘弹性阻尼支撑系统4在竖向做与上述第一粘弹性阻尼支撑系统2相似的运动，以实现减弱目标结构震动响应的目标；

由于对第二粘弹性阻尼支撑系统4内部的第二预压弹簧均事先进行预压，再加上两侧第二螺栓8的限位作用，质量块6在竖向往复运动时，竖向弹簧和第二螺栓8将会提供一定抗拉拔力，防止复合粘弹性阻尼器系统4在大变形下被拉坏，同时亦会限制质量块6只能在一定范围内位移，以避免位移过大时质量块6与装置其他部分发生碰撞，同时第二预压弹簧可对质量块6提供一个竖向的自复位刚度，在激励消失后使其归位。

Claims (7)

1.一种粘弹性—TMD复合多维减震装置，其特征在于，包括：

四个反力钢板围合形成一上部开口的矩形框，四个反力钢板中，每两个相互平行设置的反力钢板上端之间通过至少一根自攻螺杆螺纹支撑连接，四个反力钢板的底端均通过紧固件与一底部承压钢板安装固定，底部承压钢板采用螺栓与需减震的目标结构固接在一起；

一质量块，设置于所述矩形框内部，质量块的四周与反力钢板之间设有用于提供质量块水平向运动阻尼及自复位刚度的第一粘弹性阻尼支撑系统；质量块的底部与底部承压钢板之间设有用于向质量块提供竖向运动阻尼及竖向自复位刚度的第二粘弹性阻尼支撑系统，其中，

第一粘弹性阻尼支撑系统包括多个第一粘弹性阻尼支撑单元，多个第一粘弹性阻尼支撑单元沿质量块四周均匀布置，每个第一粘弹性阻尼支撑单元均包括：

第一复合式粘弹性阻尼器，第一复合式粘弹性阻尼器一端与质量块外壁固定连接，另一端与第一螺栓的螺杆端传力连接，所述反力钢板上设有供第一螺栓穿过的第一十字孔；所述第一螺栓的螺帽与反力钢板之间、反力钢板与第一复合式粘弹性阻尼器另一端之间均套设有第一预压弹簧；

第二粘弹性阻尼支撑系统包括多个第二粘弹性阻尼支撑单元，多个第二粘弹性阻尼支撑单元沿质量块底部均匀竖向布置，每个第二粘弹性阻尼支撑单元均包括：

第二复合式粘弹性阻尼器，第二复合式粘弹性阻尼器的一端与底部承压板安装固定，另一端与第二螺栓的螺杆端传力连接，圆形连接钢板上设有供第二螺栓穿过的第二十字孔；所述第二螺栓的螺帽与圆形连接钢板之间、圆形连接钢板与第二复合式粘弹性阻尼器另一端之间均套设有第二预压弹簧；

所述第一复合式粘弹性阻尼器和第二复合式粘弹性阻尼器结构相同，均包括：上端板、活塞杆以及工作缸，工作缸包括上下粘弹性阻尼腔及筒式粘弹性阻尼器，所述活塞杆一端与上端板焊接，另一端伸入所述粘弹性阻尼腔内部，且活塞杆上伸入粘弹性阻尼腔内部的杆外壁沿轴向设有多个与所述粘弹性球珠挤压耗能的径向凸起；

所述上端板与工作缸上端面之间、内部活塞板与粘弹性阻尼腔底部之间以及内部活塞板和筒式粘弹性阻尼器之间均设有第三预压弹簧；

圆形连接钢板采用焊接的方式与质量块底部连接。

2.根据权利要求1所述的粘弹性—TMD复合多维减震装置，其特征在于，所述径向凸起呈锥形，每个锥形凸起的纵向截面为等腰直角三角形。

3.根据权利要求1所述的粘弹性—TMD复合多维减震装置，其特征在于，所述反力钢板为倒放的T型厚钢板，T型厚钢板底部通过多个高强螺栓与底部承压钢板连接。

4.根据权利要求1所述的粘弹性—TMD复合多维减震装置，其特征在于，所述自攻螺杆两端设有螺纹，内部设有长度调节系统。

5.根据权利要求1所述的粘弹性—TMD复合多维减震装置，其特征在于，所述质量块与第一复合式粘弹性阻尼器的端部之间采用高强螺栓连接。

6.根据权利要求1所述的粘弹性—TMD复合多维减震装置，其特征在于，所述第二复合式粘弹性阻尼器的底端采用高强螺栓与底部承压板连接。

7.一种基于权利要求1~6中任一所述粘弹性—TMD复合多维减震装置的减震方法，其特征在于：

根据目标结构各项性能指标及粘弹性—TMD复合多维减震装置在结构中布置的位置参数对所选用复合多维减震装置的刚度、阻尼性能进行优化；

水平激励作用下，底部承压板随结构做水平运动，质量块由于惯性作用随之在水平方向作往复运动，由于装置运动同结构运动之间存在显著的迟滞现象，结构的响应将逐渐在上述装置的调谐作用下减弱；在运动过程中，质量块将拉压两侧第一粘弹性阻尼支撑系统，在拉压过程中，质量块首先会带动第一复合式粘弹性阻尼器上端板左、右运动，使得与该上端板相连的活塞杆内部所设置的多个径向凸起与缸体内部填充的粘弹性球珠发生挤压、摩擦，该粘弹性球珠在上述挤压碰撞、摩擦过程中，将通过粘弹性材料特有的“内耗”特性对外部传入的震动能量进行耗散，从而减轻装置整体的震动响应；

在上述粘弹性球珠发生内耗减震的同时，水平压、拉力会通过上端板与筒式粘弹性阻尼器间设置的多个第三预压弹簧传递到筒式粘弹性阻尼器部分，使得该筒式粘弹性阻尼器内部的粘弹性材料层发生剪切变形，从而对输入的震动能量进行二次耗散，最终实现对目标结构的减震；

由于对第一粘弹性阻尼支撑系统中的所有弹簧均事先预压，所述弹簧会为装置提供一定的抗拉拔力，防止第一复合式粘弹性阻尼器系统在大变形下被拉坏，同时将限制质量块只能在限定范围内进行运动，进而避免位移过大时质量块与装置其他部分发生碰撞；同时，所述第一预压弹簧可对质量块提供一个自复位刚度，在激励消失后使其归位；当质量块沿水平向运动时，顶部两个自攻螺杆可对反力钢板提供支撑；

竖向激励作用下，质量块将在竖向做往复运动，由于装置运动同结构运动之间存在显著的迟滞现象，结构的响应将逐渐在上述装置的调谐作用下减弱；在装置内部质量块运动的同时，会通过第二十字孔及第二预压弹簧使得底部的第二复合式粘弹性阻尼器产生与上述第一复合式粘弹性阻尼器同样的运动，最终实现减弱目标结构震动响应的目标；由于第二预压弹簧的作用，质量块在竖向往复运动时，第二预压弹簧会提供一定抗拉拔力，防止复合粘弹性阻尼器系统在大变形下被拉坏，同时亦会限制质量块只能在一定范围内运动，以避免位移过大时质量块与装置其他部分发生碰撞，同时第二预压弹簧可对质量块提供一个自复位刚度，在激励消失后使其归位。

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