CN109779369B - 一种三向六自由度隔减震装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三向六自由度隔减震装置及其工作方法。装置由圆柱形活塞缸体，筒体和连接两者的波纹粘弹性材料密封圈构成；其中，圆柱形活塞缸体底部周向设有若干阻力结构，下部中空，通过圆形开口和水平隔板套嵌于圆柱形粘弹性阻尼棒之上，并浸入筒体中的粘弹性流体材料之中，圆柱形粘弹性阻尼棒支撑于筒体底部。本装置可大幅减小上部主体结构的三向六自由度振动反应，且耐久性好，构造简单可靠，利于隔减震技术的工业应用。

Description

一种三向六自由度隔减震装置及其工作方法

技术领域

本发明主要涉及到结构振动控制领域，具体涉及一种三向六自由度隔减震装置及其相应的工作方法。

背景技术

建筑结构在使用过程中会受到各种各样的外界震动激励作用，包括风，水流，地震，主体结构震动等环境激励，也包括附属设备震动，车辆行人等荷载激励。在不同幅值和频率的外界激励下，建筑结构可在不同方向发生显著的振动响应，可能影响建筑物的功能及其内部设备的正常运转，甚至倒塌失效，危及居住者的生命安全。

结构隔减震技术是一种新型的抗震措施，通过在基础和上部结构之间设置隔离装置和耗能装置，调节结构共振频率，增加结构振动阻尼；从而限制外界激励对结构振动的能量输入，并消耗输入结构的振动能量，根据结构类型和隔减震措施，可减弱结构对包括风振、地震、主体自身振动、附属设施机械振动等环境激励的反应。

特别的，外界对建筑结构的震动激励常常非常复杂，如地震作用可在两个水平方向和竖直方向都有较大的加速度，建筑结构也常有各种截面形状，质量中心和刚度中心常常不能重合，使结构在水平、竖直、扭转、前倾或侧翻等六个自由度都有显著的震动激励。为控制结构震动，就要求结构隔减震措施同时在三向六自由度都能有效限制外界激励对结构振动的能量输入并耗散结构在相应自由度的震动能量，在复杂震动和受力状态下安全可靠；工程经验还表明：隔减震措施也应有一定的限位性，在上部结构变形过大时刚度增大，避免结构过大变形产生的严重破坏；在震动激励结束后，隔减震措施应有一定的自复位能力，能够恢复初始状态，避免维护成本。

发明内容

本发明的目的是公开一种三向六自由度隔减震装置，用简便可靠的结构实现了一种三向六自由度的隔减震，并有一定限位性和自复位能力，有较好的工程应用前景。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种三向六自由度隔减震装置，包括：

筒体，筒体内部填充有粘弹性流体材料；

一圆柱形活塞缸体，所述圆柱形活塞缸体的内部具有中空内腔，圆柱形活塞缸体的底部设有底板，底板中心设有与所述中空内腔相连通的圆形孔洞；

圆柱形粘弹性阻尼棒，所述圆柱形粘弹性阻尼棒的一端伸入所述筒体内与筒体底部相连，另一端沿竖直方向延伸，通过圆柱形活塞缸体底部的圆形孔洞伸入圆柱形活塞缸体的中空内腔中，在所述圆柱形粘弹性阻尼棒的支撑作用下，所述圆柱形活塞缸体的一部分嵌设于筒体内的粘弹性流体材料中，另一部分向上伸出筒体；

密封圈，设置在圆柱形活塞缸体外壁和筒体内壁之间，以将筒体形成密封腔体；

圆柱形活塞缸体的顶部设有与振动源相连的连接承台。

所述圆柱形活塞缸体的缸壁上设有增大与所述粘弹性流体材料之间摩擦力及剪切力的阻力结构。

所述阻力结构为在圆柱形活塞缸体的底部缸壁的上沿缸壁周向均匀布置的若干结构相同的阻力单元，每个阻力单元均包括竖向布置的立板和沿水平向布置的横板。

所述圆柱形活塞缸体底部的圆形孔洞与圆柱形粘弹性阻尼棒之间的空隙为未变形圆柱形粘弹性阻尼棒直径的2%-6%。

所述密封圈为波纹粘弹性材料密封圈。

所述粘弹性流体材料为聚氨酯、酚醛树脂或高标号硅油。

一种基于所述三向六自由度隔减震装置的工作方法，

圆柱形活塞缸体及其底部阻力结构浸入筒体中的粘弹性流体材料之中，当圆柱形活塞缸体因外界激励与筒体发生各向相对位移时，通过以下方法进行耗能：

第一、圆柱形活塞缸体端部以及阻力结构压缩或剪切粘弹性流体材料，耗散因外界激励导致的上部主体结构的任一三向六自由度振动能量；

第二、圆柱形活塞缸体底部的圆形孔洞与圆柱形粘弹性阻尼棒之间有一定空隙，因外界激励发生振动时，粘弹性流体材料通过所述孔隙从圆柱形活塞缸体内部的中空内腔中流入或流出，在液体流经空隙的过程中实现隔减震装置对外部振动能量的耗散；

第三、圆柱形活塞缸体发生各向振动时，圆柱形粘弹性阻尼棒产生轴向压缩和弯曲变形，并与筒体底面和圆柱活塞缸之间发生摩擦，通过这些压缩、弯曲和摩擦消耗上部结构的振动能量。

有益效果：

1、本发明将圆柱形活塞缸体通过圆柱形粘弹性阻尼棒支撑，浸入粘弹性流体材料之中，并通过波纹粘弹性材料固定于筒体之上，通过摩擦，挤压，拉伸，剪切等粘弹性固体材料和粘弹性流体材料的变形综合耗能，并根据设计要求调节活塞筒截面，表面性能和粘弹性流体材料刚度和粘性等优化隔减震装置；使用简单，可靠，轻便的结构设计，即可使隔减震装置在圆柱形活塞缸体因外界激励发生水平向、竖向、扭转、前倾或侧翻的任一三向六自由度运动时，都有显著的耗能和隔减震能力。

2、本发明通过布置于圆柱形活塞缸体底部周向的阻力结构，增加所述三向六自由度隔减震装置的耗能性能，并且有显著的扭转方向的刚度和耗能能力。

3、本发明的圆柱形粘弹性阻尼棒插入圆柱形活塞缸体空腔开口中，圆柱形活塞缸体因上部结构变形较底部筒体发生在水平、竖直向下、扭转，前倾或侧翻方向的较大位移时，圆柱形粘弹性阻尼棒都可膨胀堵塞空腔开口；使隔减震装置刚度在各个自由度上都有一定自适应性，上部结构变形较大时隔减震装置刚度相应增大，限制结构中出现过大的位移。

4、本发明利用插入圆柱形活塞缸体的圆柱形粘弹性阻尼棒和圆柱形活塞缸体底部周向的阻力结构为圆柱形活塞缸体提供抗倾覆的回位弯矩，保证圆柱形活塞缸体的垂直性和稳定性。

5、本发明使用参与耗能的粘弹性材料形成密封腔体，将粘弹性材料流体和对隔减震耗能至关重要的柱活塞缸体保护于密闭空腔之中，控制成本的同时增加了隔减震装置的可靠性和耐久性。

附图说明

图1是本发明拼装后的最终效果示意图；

图2是本发明结构的爆炸图；

图3是本发明的圆柱活塞缸通过圆柱形粘弹性阻尼棒支撑于筒体之上的示意图；

图中：1-圆柱形活塞缸体；11-阻力结构；12-圆柱形粘弹性阻尼棒；12-水平隔板；2-波纹粘弹性材料密封圈；3-筒体；31-粘弹性流体材料。

具体实施方式

为利于对本发明的结构的了解，以下结合附图及实施例进行说明。

如图1和图2所示，装置由圆柱形活塞缸体1，筒体3和连接两者的波纹粘弹性材料密封圈2构成；其中，圆柱形活塞缸体1底部周向设有若干阻力结构11，下部中空，通过圆形开口和水平隔板13套嵌于圆柱形粘弹性阻尼棒12之上，并浸入筒体中的粘弹性流体材料之中31，圆柱形粘弹性阻尼棒12支撑于筒体1底部。

作为本发明的一个具体实施例，所述圆柱形活塞缸体1通体为Q345钢材制成，筒体3外径为300mm，厚度为20mm，上部与直径为600mm，厚度20mm的承台焊接，承台通过螺栓或焊接与主体结构支座相连。

筒体下部焊有开设有圆形孔洞的钢板，圆形孔洞直径为106mm，并在中部焊有20mm厚水平隔板，水平隔板与圆柱形活塞缸体1下表面间隔为150mm。

额外的，圆柱形活塞缸体1底部周向等距焊接有4个结构相同的阻力结构11，每个阻力结构11由两片20mm厚Q345钢板垂直焊接而成，两钢板尺寸相同，长100mm，宽75mm。

圆柱形活塞缸体1通过圆柱形粘弹性阻尼棒12与下部结构相连。

作为本发明的一个优选实施例，圆柱形粘弹性阻尼棒12由弹性刚度较大的丁基橡胶制成，长度为300mm，半径为100mm，透过圆柱形活塞缸体1下部的圆形孔洞，将圆柱形活塞缸体1支撑于筒体3底部。

筒体3为长方体筒体，尺寸与圆柱形活塞缸体1相应，内部灌注有酚醛树脂流体材料31，流体材料高度没过通过圆柱形粘弹性阻尼棒12支撑于筒体3的圆柱形活塞缸体1底部阻力结构11。

作为本发明的一个优选实施例，波纹粘弹性材料密封圈2由防水耐老化橡胶材料制成，通过环氧树脂胶粘剂或聚氨酯胶粘剂粘结于圆筒体3和柱活塞缸体1之上，外侧紧密的粘结于筒体3的内部，内侧开洞，紧密的粘结于圆柱形活塞缸体1的筒体外表面，密封圈高度高于酚醛树脂流体材料50mm。

具体安装中，圆柱形活塞缸体1中预先粘连波纹粘弹性材料密封圈2，根据主体结构与下部筒体支撑的施工顺序，可首先安装筒体3，再通过圆柱形粘弹性阻尼棒12支撑圆柱形活塞缸体1，然后灌注酚醛树脂流体材料31，最后将内侧与圆柱形活塞缸体1粘连的波纹粘弹性材料密封圈2外侧粘连于筒体3，完成隔减震装置的施工安装。

一种基于所述三向六自由度隔减震装置的工作方法，

圆柱形活塞缸体及其底部阻力结构浸入筒体中的粘弹性流体材料之中，当圆柱形活塞缸体因外界激励与筒体发生各向相对位移时，通过以下方法进行耗能：

第一、圆柱形活塞缸体端部以及阻力结构压缩或剪切粘弹性流体材料，耗散因外界激励导致的上部主体结构的任一三向六自由度振动能量；

第二、圆柱形活塞缸体底部的圆形孔洞与圆柱形粘弹性阻尼棒之间有一定空隙，因外界激励发生振动时，粘弹性流体材料通过所述孔隙从圆柱形活塞缸体内部的中空内腔中流入或流出，在液体流经空隙的过程中实现隔减震装置对外部振动能量的耗散；

第三、圆柱形活塞缸体发生各向振动时，圆柱形粘弹性阻尼棒产生轴向压缩和弯曲变形，并与筒体底面和圆柱活塞缸之间发生摩擦，通过这些压缩、弯曲和摩擦消耗上部结构的振动能量。

Claims (7)

1.一种三向六自由度隔减震装置，其特征在于，包括：

筒体，筒体内部填充有粘弹性流体材料；

一圆柱形活塞缸体，所述圆柱形活塞缸体的内部具有中空内腔，圆柱形活塞缸体的底部设有底板，底板中心设有与所述中空内腔相连通的圆形孔洞；

圆柱形粘弹性阻尼棒，所述圆柱形粘弹性阻尼棒的一端伸入所述筒体内与筒体底部相连，另一端沿竖直方向延伸，通过圆柱形活塞缸体底部的圆形孔洞伸入圆柱形活塞缸体的中空内腔中，在所述圆柱形粘弹性阻尼棒的支撑作用下，所述圆柱形活塞缸体的一部分嵌设于筒体内的粘弹性流体材料中，另一部分向上伸出筒体；

密封圈，设置在圆柱形活塞缸体外壁和筒体内壁之间，以将筒体形成密封腔体；

圆柱形活塞缸体的顶部设有与振动源相连的承台。

2.根据权利要求1所述的三向六自由度隔减震装置，其特征在于，所述圆柱形活塞缸体的缸壁上设有增大与所述粘弹性流体材料之间摩擦力及剪切力的阻力结构。

3.根据权利要求2所述的三向六自由度隔减震装置，其特征在于，所述阻力结构为在圆柱形活塞缸体的底部缸壁的上沿缸壁周向均匀布置的若干结构相同的阻力单元，每个阻力单元均包括竖向布置的立板和沿水平向布置的横板。

4.根据权利要求1所述的三向六自由度隔减震装置，其特征在于，所述圆柱形活塞缸体底部的圆形孔洞与圆柱形粘弹性阻尼棒之间的空隙为未变形圆柱形粘弹性阻尼棒直径的2%-6%。

5.根据权利要求1所述的三向六自由度隔减震装置，其特征在于，所述密封圈为波纹粘弹性材料密封圈。

6.根据权利要求1所述的三向六自由度隔减震装置，其特征在于，所述粘弹性流体材料为聚氨酯、酚醛树脂或高标号硅油。

7.一种基于权利要求1~6中任一所述三向六自由度隔减震装置的工作方法，其特征在于，

圆柱形活塞缸体及其底部阻力结构浸入筒体中的粘弹性流体材料之中，当圆柱形活塞缸体因外界激励与筒体发生各向相对位移时，通过以下方法进行耗能：

第一、圆柱形活塞缸体端部以及阻力结构压缩或剪切粘弹性流体材料，耗散因外界激励导致的上部主体结构的任一三向六自由度振动能量；

第二、圆柱形活塞缸体底部的圆形孔洞与圆柱形粘弹性阻尼棒之间有一定空隙，因外界激励发生振动时，粘弹性流体材料通过所述空隙从圆柱形活塞缸体内部的中空内腔中流入或流出，在液体流经空隙的过程中实现隔减震装置对外部振动能量的耗散；

第三、圆柱形活塞缸体发生各向振动时，圆柱形粘弹性阻尼棒产生轴向压缩和弯曲变形，并与筒体底面和圆柱活塞缸之间发生摩擦，通过这些压缩、弯曲和摩擦消耗上部结构的振动能量。

Images