CN109826480A - 单向阻尼铰装置及应用其进行结构被动振动控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单向阻尼铰装置，包括上连接支座、下连接支座和铰轴，铰轴与上连接支座固定连接，铰轴与下连接支座转动连接；下连接支座上设置有齿轮齿条传动机构、阻尼器安装架和与阻尼器的输入杆固定连接的U型传动曲杆，齿轮齿条传动机构包括相互啮合的主动齿轮和从动齿条，主动齿轮与铰轴固定连接，从动齿条与U型传动曲杆固定连接；阻尼器安装架与U型传动曲杆之间设置有滚轮。此外，本发明还提供一种应用该单向阻尼铰装置进行结构被动振动控制的方法。本发明的单向阻尼铰装置利用齿轮传动原理，可有效提高建筑结构自身抵御振动荷载的能力，提高建筑结构振动控制效率，为土木工程领域中结构的振动控制提供了新的有效的方法。

Description

单向阻尼铰装置及应用其进行结构被动振动控制的方法

技术领域

本发明属于土木工程抗震及减震技术领域，具体涉及单向阻尼铰装置及应用其进行结构被动振动控制的方法。

背景技术

为了满足社会生活的需要，当前的建筑物呈现出高度增加、跨度增大、结构形式日益复杂化的变化趋势，根据传统设计方法进行的结构设计，尤其是在地震等动力荷载作用下的工程结构的设计，已很难满足要求。为了阻止结构产生动力响应，进一步提高结构安全性，人们通常采用振动控制技术。目前常用的振动控制技术包括被动抗震控制技术和被动耗能控制技术，其中，被动抗震控制技术包括应用各类耗能阻尼器、隔振支座等进行被动振动控制。但是，将构件之间的刚性连接结点替换为阻尼装置来提高结构本身的抗震能力的相关研究尚不多见，现有技术中阻尼装置很难与不同类型的结构或构件进行集成安装，且阻尼装置的维护维修保障困难较大，限制了阻尼装置在构件之间的使用范围。现有技术中的阻尼装置多为软钢阻尼器，软钢阻尼器通过产生屈曲破坏来消耗掉输入到结构中的振动能量，屈曲破坏同时对软钢阻尼器本身的性能参数造成影响，导致软钢阻尼器短时间内将无法再对结构进行振动保护，可靠度大幅降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供单向阻尼铰装置及应用其进行结构被动振动控制的方法。该单向阻尼铰装置利用齿轮传动原理，将动力作用尤其是地震作用下土木结构的动力反应特点和杆件式耗能阻尼器的运行特点有效结合，有效提高建筑结构自身抵御振动荷载的能力，提高建筑结构振动控制效率，为土木工程领域中结构的振动控制提供了新的有效的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种单向阻尼铰装置，其特征在于，包括上连接支座和下连接支座，以及用于连接上连接支座和下连接支座的铰轴；所述铰轴与上连接支座固定连接，所述铰轴与下连接支座转动连接；

所述下连接支座上设置有齿轮齿条传动机构、用于安装阻尼器的阻尼器安装架和与阻尼器的输入杆固定连接的U型传动曲杆，所述齿轮齿条传动机构包括相互啮合的主动齿轮和从动齿条，所述主动齿轮与铰轴固定连接，所述从动齿条与U型传动曲杆固定连接；所述阻尼器安装架与U型传动曲杆之间设置有滚轮。

上述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述上连接支座包括上底座和固定连接在上底座上的上侧板；所述下连接支座包括下底座和固定连接在下底座上的下侧板；所述铰轴的一端固定连接在上侧板上，所述铰轴的另一端转动连接在下侧板上。

上述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述铰轴通过销钉与上侧板固定连接。

上述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述下侧板上开设有通孔，所述铰轴经所述通孔穿出下侧板，所述主动齿轮固定连接在铰轴穿出下侧板的一端。

上述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述U型传动曲杆包括转弯部，以及均与转弯部连接的第一侧杆和第二侧杆，所述从动齿条固定连接在第一侧杆的上表面；所述阻尼器安装架包括均固定于下侧板上的上边板和下边板，所述上边板和下边板之间形成相连通的第一开口、阻尼器容纳腔和第二开口，第一开口和所述第二开口分别位于所述阻尼器容纳腔的两端；第二侧杆经第一开口伸入到所述阻尼器容纳腔，第二侧杆伸入到所述阻尼器容纳腔的一端与阻尼器的输入杆固定连接；所述滚轮包括第一滚轮以及均位于第一开口内的第二滚轮和第三滚轮，所述第一滚轮位于第一侧杆下表面与上边板上表面之间；所述第二滚轮位于上边板下表面与第二侧杆上表面之间，所述第三滚轮位于下边板上表面与第二侧杆下表面之间。

上述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述第二侧杆上设置有用于固定阻尼器输入杆的螺纹接头。

上述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述阻尼器安装架上还设置有用于固定阻尼器的螺栓。

上述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述上连接支座、下连接支座、阻尼器安装架和U型传动曲杆的材质均为钢材质。

此外，本发明还提供一种应用上述单向阻尼铰装置进行结构被动振动控制的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一、将上连接支座和下连接支座安装于建筑结构中需要塑性铰的部位，将阻尼器安装于阻尼器安装架中；

步骤二、当结构变动时，上连接支座与下连接支座相对转动，上连接支座带动铰轴转动，铰轴带动主动齿轮转动，主动齿轮带动从动齿条平移，从动齿条带动U型传动曲杆同步平移，U型传动曲杆带动阻尼器的输入杆，阻尼器提供阻尼。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的单向阻尼铰装置利用齿轮传动原理，将动力作用尤其是地震作用下土木结构的动力反应特点和杆件式耗能阻尼器的运行特点有效结合，有效提高建筑结构自身抵御振动荷载的能力，提高建筑结构振动控制效率，为土木工程领域中结构的振动控制提供了新的有效的方法，具有广阔的应用前景。

2、本发明以由主动齿轮、从动齿条和U形传动曲杆组成的变速传动系统为核心，具有传动平稳，适用性高、传动比精确，使用的功率、速率和尺寸范围大，工作可靠，效率高，使用寿命长，维护费用低，经济性好等特点，主动齿轮的直径和从动齿条的宽度能根据实际应用进行调整配置，使主动齿轮与从动齿条形成既能传动，同时能够对外接的阻尼器的输入阻尼力大小及输入速率进行调整。

3、本发明的单向阻尼铰装置，能避免现有技术中的软钢阻尼器因屈曲破坏对软钢阻尼器本身的性能参数造成的可靠性降低的缺点，通过选择具有持续工作能力、性能稳定的外接阻尼器，同时能对外接的阻尼器的输入阻尼力大小及输入速率进行调整，来提供对结构的减震保护能力。

4、本发明的单向阻尼铰装置安装于建筑结构中预设塑性铰区域或结构构件支座等部位，在结构遭受外部地震作用等动力荷载作用时，产生动力响应，通过主动齿轮和从动齿条的传动，将结构动力响应产生的角位移转换为线位移，再通过U型传动曲杆传递于外接阻尼器的输入杆，既能将建筑结构较慢的变形速率转化为阻尼器输入位移的速率，也能将建筑结构较小的变形量通过阻尼器的输入位移进行放大，使外接阻尼器利用耗能能力对结构提供阻尼，实现对结构的振动控制和降低结构损伤，此外，还能根据需求选择适配技术参数的外接阻尼器。

5、本装置在服役过程中，单个装置进行阻尼器的拆装作业对结构的各项指标不会造成明显影响，能根据需求随时进行阻尼器的安全检测，有效避免装置性能失效。

6、本发明的单向阻尼铰装置以钢材料为主要原料，能根据适用环境对原料钢进行选择，具有体积小巧，安装灵活方便，不占用建筑使用空间，与结构的集成适应性佳；性能可靠，结构简单，设计新颖合理，具有广阔的应用前景。

7、本发明的单向阻尼铰装置能够减少对建筑结构的刚性要求，降低钢筋、混凝土等建筑材料的用量，降低建筑成本；能够提高建筑结构的抗震性能，建筑结构在地震作用下的损伤小，修缮建筑结构的人工成本和材料成本低。

8、本发明的单向阻尼铰装置能够应用于高压输电塔与电缆的连接位置处，能够及时吸收由于电缆的频繁振动对高压输电塔造成的疲劳损伤，提高高压输电塔的承载能力和使用寿命。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明单向阻尼铰装置的结构示意图。

附图标记说明

1-1—上底座； 1-2—上侧板； 2-1—下底座；

2-2—下侧板； 3—铰轴； 4—主动齿轮；

5—从动齿条； 6-1—第一侧杆； 6-2—第二侧杆；

6-3—转弯部； 7—第一滚轮； 8-1—上边板；

8-2—下边板； 8-3—第一开口； 9—螺栓；

10—螺纹接头； 11—第二滚轮； 12—第三滚轮。

具体实施方式

本发明的一种单向阻尼铰装置，包括上连接支座和下连接支座，以及用于连接上连接支座和下连接支座的铰轴3，所述铰轴3与上连接支座固定连接，所述铰轴3与下连接支座转动连接；

所述下连接支座上设置有齿轮齿条传动机构、用于安装阻尼器的阻尼器安装架和与阻尼器的输入杆固定连接的U型传动曲杆，所述齿轮齿条传动机构包括相互啮合的主动齿轮4和从动齿条5，所述主动齿轮4与铰轴3固定连接，所述从动齿条5与U型传动曲杆固定连接；所述阻尼器安装架与U型传动曲杆之间设置有滚轮。

主动齿轮4、从动齿条5和U形传动曲杆组成变速传动系统，主动齿轮4的直径和从动齿条5的宽度能根据实际应用进行调整配置，使主动齿轮4与从动齿条5形成既能传动，同时能对外接的阻尼器的输入阻尼力大小及输入速率进行调整。

本实施例中，所述上连接支座包括上底座1-1和固定连接在上底座1-1上的上侧板1-2；所述下连接支座包括下底座2-1和固定连接在下底座2-1上的下侧板2-2；所述铰轴3的一端固定连接在上侧板1-2上，所述铰轴3另一端转动连接在下侧板2-2上。

本实施例中，所述铰轴3通过销钉与上侧板1-2固定连接。铰轴3的一端穿过通孔，下连接支座能相对铰轴3转动，铰轴3的另一端固定于上连接支座上；优选的，所述通孔内设置有用于支撑安装所述铰轴3的轴承。轴承为无润滑轴承。轴承可带动铰轴3无阻力转动，铰轴3带动上连接支座与下连接支座产生以铰轴3为轴心的无阻力相对转动。铰轴3的一端穿过通孔，阻尼器安装于下侧板远离上连接支座的壁面上，可以有效减少阻尼器输入杆与上连接支座之间产生摩擦，影响阻尼的输入。

本实施例中，所述下侧板2-2上开设有通孔，所述铰轴3经所述通孔穿出下侧板2-2，所述主动齿轮4固定连接在铰轴3穿出下侧板2-2的一端。

本实施例中，所述U型传动曲杆包括转弯部6-3，以及均与转弯部6-3连接的第一侧杆6-1和第二侧杆6-2，所述从动齿条5固定连接在第一侧杆6-1的上表面；所述阻尼器安装架包括均固定于下侧板2-2上的上边板8-1和下边板8-2，所述上边板8-1和下边板8-2之间形成相连通的第一开口8-3、阻尼器容纳腔和第二开口，第一开口8-3和所述第二开口分别位于所述阻尼器容纳腔的两端；第二侧杆6-2经第一开口8-3伸入到所述阻尼器容纳腔，第二侧杆6-2伸入到所述阻尼器容纳腔的一端与阻尼器的输入杆固定连接；所述滚轮包括第一滚轮7以及均位于第一开口8-3内的第二滚轮11和第三滚轮12，所述第一滚轮7位于第一侧杆6-1下表面与上边板8-1上表面之间；所述第二滚轮11位于上边板8-1下表面与第二侧杆6-2上表面之间，所述第三滚轮12位于下边板8-2上表面与第二侧杆6-2下表面之间。通过设置第一滚轮7，U型传动曲杆能相对下连接支座无阻力轴向平移；第二滚轮11和第三滚轮12能避免第二侧杆6-2与第一开口8-3之间产生过大摩擦，影响U型传动曲杆轴向反复运动；第一侧杆6-1和第二侧杆6-2平行设置，能确保同步轴向往复运动。

本实施例中，所述第二侧杆6-2上设置有用于固定阻尼器输入杆的螺纹接头10。

本实施例中，所述阻尼器安装架上还设置有用于固定阻尼器的螺栓9。通过螺栓9将阻尼器固定于下侧板2-2上。

本实施例中，上连接支座、下连接支座、阻尼器安装架和U型传动曲杆的均由钢材料制造而成。

应用本发明的单向阻尼铰装置进行结构被动振动控制的方法：

将上连接支座和下连接支座安装于建筑结构中需要形成塑性铰部位或者结构构件支座处，将阻尼器安装于阻尼器安装架中，将阻尼器的输入杆固定于螺纹接头10上，拧紧螺栓9将阻尼器固定于下连接支座上；

当建筑结构遭受外部地震作用等动力荷载作用而产生动力响应时，上连接支座与下连接支座相对转动，上连接支座带动铰轴3转动，铰轴3带动主动齿轮4转动，主动齿轮4带动啮合的从动齿条5平移，从动齿条5带动第一侧杆6-1平移，U型传动曲杆同步平移，U型传动曲杆的第二侧杆6-2带动阻尼器的输入杆，阻尼器提供阻尼。

将本发明的单向阻尼铰装置安装于建筑结构中预设塑性铰区域或结构构件支座等部位，在结构遭受外部地震作用等动力荷载作用时，产生动力响应，通过主动齿轮4和从动齿条5的传动，将结构动力响应产生的角位移转换为线位移，再通过U型传动曲杆传递于外接阻尼器的输入杆，既可以将建筑结构较慢的变形速率转化为阻尼器输入位移的速率，也可以将建筑结构较小的变形量通过阻尼器的输入位移进行放大，使外接阻尼器利用耗能能力对结构提供阻尼，实现对结构的振动控制和降低结构损伤的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种单向阻尼铰装置，其特征在于，包括上连接支座和下连接支座，以及用于连接上连接支座和下连接支座的铰轴(3)；所述铰轴(3)与上连接支座固定连接，所述铰轴(3)与下连接支座转动连接；

所述下连接支座上设置有齿轮齿条传动机构、用于安装阻尼器的阻尼器安装架和与阻尼器的输入杆固定连接的U型传动曲杆，所述齿轮齿条传动机构包括相互啮合的主动齿轮(4)和从动齿条(5)，所述主动齿轮(4)与铰轴(3)固定连接，所述从动齿条(5)与U型传动曲杆固定连接；所述阻尼器安装架与U型传动曲杆之间设置有滚轮。

2.根据权利要求1所述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述上连接支座包括上底座(1-1)和固定连接在上底座(1-1)上的上侧板(1-2)；所述下连接支座包括下底座(2-1)和固定连接在下底座(2-1)上的下侧板(2-2)；所述铰轴(3)的一端固定连接在上侧板(1-2)上，所述铰轴(3)的另一端转动连接在下侧板(2-2)上。

3.根据权利要求2所述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述铰轴(3)通过销钉与上侧板(1-2)固定连接。

4.根据权利要求2所述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述下侧板(2-2)上开设有通孔，所述铰轴(3)经所述通孔穿出下侧板(2-2)，所述主动齿轮(4)固定连接在铰轴(3)穿出下侧板(2-2)的一端。

5.根据权利要求2所述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述U型传动曲杆包括转弯部(6-3)，以及均与转弯部(6-3)连接的第一侧杆(6-1)和第二侧杆(6-2)，所述从动齿条(5)固定连接在第一侧杆(6-1)的上表面；所述阻尼器安装架包括均固定于下侧板(2-2)上的上边板(8-1)和下边板(8-2)，所述上边板(8-1)和下边板(8-2)之间形成相连通的第一开口(8-3)、阻尼器容纳腔和第二开口，第一开口(8-3)和所述第二开口分别位于所述阻尼器容纳腔的两端；第二侧杆(6-2)经第一开口(8-3)伸入到所述阻尼器容纳腔，第二侧杆(6-2)伸入到所述阻尼器容纳腔的一端与阻尼器的输入杆固定连接；所述滚轮包括第一滚轮(7)以及均位于第一开口(8-3)内的第二滚轮(11)和第三滚轮(12)，所述第一滚轮(7)位于第一侧杆(6-1)下表面与上边板(8-1)上表面之间；所述第二滚轮(11)位于上边板(8-1)下表面与第二侧杆(6-2)上表面之间，所述第三滚轮(12)位于下边板(8-2)上表面与第二侧杆(6-2)下表面之间。

6.根据权利要求5所述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述第二侧杆(6-2)上设置有用于固定阻尼器输入杆的螺纹接头(10)。

7.根据权利要求1所述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述阻尼器安装架上还设置有用于固定阻尼器的螺栓(9)。

8.根据权利要求1所述的单向阻尼铰装置，其特征在于，所述上连接支座、下连接支座、阻尼器安装架和U型传动曲杆的材质均为钢材质。

9.一种应用如权利要求1所述的单向阻尼铰装置进行结构被动振动控制的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一、将上连接支座和下连接支座安装于建筑结构中需要塑性铰的部位，将阻尼器安装于阻尼器安装架中；

步骤二、当结构变动时，上连接支座与下连接支座相对转动，上连接支座带动铰轴(3)转动，铰轴(3)带动主动齿轮(4)转动，主动齿轮(4)带动从动齿条(5)平移，从动齿条(5)带动U型传动曲杆同步平移，U型传动曲杆带动阻尼器的输入杆，阻尼器提供阻尼。