CN109898679A - 多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置及其减震方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多维波纹板‑调谐质量阻尼减震装置及其减震方法，装置包括：支承框架、以及设置在支承框架内部的质量块；质量块上端通过悬式抗拉伸件吊装在支承框架内，所述悬式抗拉伸件包括多个第一粘弹性筒式阻尼单元和多个粘弹性波纹板，其中，每个第一粘弹性筒式阻尼单元的上端通过连接摆绳与支撑框架顶部连接，第一粘弹性筒式阻尼单元内部的限位活塞杆伸出并且通过连接端板与质量块连接；质量块的左、右两侧以及底部均通过滚动式减震承压机构与支承框架内壁相抵触连接。本发明多维波纹板‑调谐质量阻尼减震装置具有较强的可装配性、较宽的阻尼和刚度调节域，以及复杂激励作用下结构多方向震动响应的稳定控制能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置及其减震方法。
背景技术
调谐质量阻尼器作为一种被动控制装置，因其构造简单、易于维护、不需外力辅助作用等特点在高层建筑结构的震动控制领域中得到了极大的重视，其主要工作原理为：
通过对装置自身质量、阻尼及频率等动力参数进行调节，利用共振原理对控制结构的目标振型进行控制，以达到减轻主体结构的震动响应的目的，这便要求所安装的调谐质量阻尼器装置具有较大的刚度及阻尼可调范围，以便对未知振源作用下结构不同动力状态激振响应进行调节。
目前，常规的调谐质量阻尼器在工作过程中基本不考虑装置自身的阻尼耗能，整体装置为低阻尼体系，基本不具有阻尼可调性；
此外，该类装置中刚度贡献来源单一，可调性差，进一步限制了调谐质量阻尼器的应用与发展。
发明内容
发明目的：针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有宽刚度、宽阻尼可调域的，同时可对结构多方向震动进行控制的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置及其减震方法。
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：
支承框架、以及设置在支承框架内部的质量块；
质量块上端通过悬式抗拉伸件吊装在支承框架内，所述悬式抗拉伸件包括多个第一粘弹性筒式阻尼单元和多个粘弹性波纹板，其中，每个第一粘弹性筒式阻尼单元的上端通过连接摆绳与支撑框架顶部连接，第一粘弹性筒式阻尼单元内部的限位活塞杆伸出并通过连接端板与质量块连接；
质量块的左、右两侧以及底部均通过滚动式减震承压机构与支承框架内壁相抵触连接，所述滚动式减震承压机构包括：
连接钢板，设置在质量块和支承框架之间，连接钢板的一侧表面通过多个第二粘弹性筒式阻尼单元与质量块连接，连接钢板的另一侧表面通过滚动单元与支承框架内壁抵触接触，连接钢板的中心处开有腰形槽；
限位机构，用于对质量块的位移范围进行限制，包括：限位撑杆，所述限位撑杆的底端通过撑杆底板及螺栓紧固件与支承框架相固定，限位撑杆顶端穿过连接钢板上的所述腰形槽，并与质量块之间间隔距离H设置，限位撑杆顶端设有撑杆顶板，所述限位撑杆的杆壁上位于撑杆顶板和连接钢板之间部分套接复位弹簧。
所述第一粘弹性筒式阻尼单元和第二粘弹性筒式阻尼单元的结构相同，均包括：
上端板、外围钢筒、活塞板、粘弹性垫层、限位活塞杆、下端板、连接端板和预压弹簧，其中，
上端板、外围钢筒以及下端板均焊接连接，限位活塞杆一端伸入外围缸筒内部与活塞板相连，另一端伸出外围缸筒与连接端板相连，连接端板通过螺纹紧固件与质量块连接，活塞板与上端板之间、粘弹性层与活塞板之间均设置预压弹簧，其中，
第一粘弹性筒式阻尼单元中的外围缸筒内位于下端板的上表面设有粘弹性垫层；
第二粘弹性筒式阻尼单元中的外围缸筒内位于上端板的下表面和下端板的上表面均设有粘弹性垫层。
所述上端板的上表面通过连接扣与连接摆绳的一端连接，连接摆绳的另一端与支撑框架顶部内壁之间铰接。
所述连接摆绳为钢绞绳或纤维绳。
所述支承框架包括上部顶板、下部承压板以及位于上部顶板和下部承压板之间的两个竖向设置的反力钢板。
所述质量块为立方体或为圆柱体，质量块为立方体时，滚动式减震承压机构均布在质量块的2个侧面和底部，质量块为圆柱体时，滚动式减震承压机构等角度均布在质量块的2个侧面和底部。
所述粘弹性波纹板为表面涂有粘弹性材料的波纹状记忆合金钢片。
所述撑杆顶板上临近连接钢板的一侧绕限位撑杆的外围均匀对称布置多个粘弹性限位部件。
所述滚动单元为对称设置在限位撑杆两侧的两个刚性滚筒，两个刚性滚筒通过滚筒架与连接板固定连接。
本发明进一步公开了一种基于所述多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置的减震方法，
将支承框架的底部与结构固结；
水平震动作用下，由于支承框架与结构固接，装置内部质量块将会跟随结构做水平往复运动，运动过程中质量块将压缩与质量块侧部连接的滚动式减震承压机构，进而带动滚动式减震承压机构内部弹簧压缩两端设置的粘弹性垫层，而在挤压粘弹性垫层过程中，由于粘弹性材料特有的“内耗”，输入的地震能量将会被吸收耗散；
其次，质量块在水平向摆动时，顶部所连接的悬式抗拉伸件将被拉伸，其内部的粘弹性材料将被不断地压缩、恢复，进而对输入的震动能量进行二次消耗；
由于滚动式减震承压机构中所安装的所有弹簧均事先预压，当外部激励消除后，质量块将在上述预压弹簧所提供的恢复力作用下重新归位，且由于滚动式减震承压机构中设置限位撑杆，其最大水平向位移将被限制在一定范围内，以保护整体装置；
竖向激励作用下，质量块将随结构做竖向往复运动，牵引其顶部所连接的粘弹性波纹板、悬式抗拉伸件不断被拉伸和恢复，从而耗散输入的竖向地震能；
同时质量块底部连接的滚动式减震承压机构将不断地被质量块压缩、拉伸，进而通过与上述水平向减震策略相同的原理，对竖向震动能量进行多次耗散，以达到保护主体结构的目标；同样，由于设置预压弹簧，质量块将在外载消失后恢复原位，且由于滚动式减震承压机构中设置限位撑杆，其最大竖向位移将被限制在一定范围内，以保护整体装置。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
一、本发明的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置可对结构水平及竖向两个方向的震动响应进行控制；
二、本发明的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置在水平和竖向分别设置了多道阻尼贡献源，可利用多道耗能机制对外部输入能量进行消耗；
三、本发明的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置可通过调节相关刚度系统及阻尼系统内部构件的安装数量、规格及布设方式对装置整体的多项动力特性进行调节，拓宽了所述调谐质量阻尼器的动力参数可调域，进而扩大了该新型调谐质量阻尼器的震动控制范围；
四、本发明的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置各部分连接处均采用了机械连接的方式，相关部分可事先预制再进行组装，使得整体调谐质量阻尼器装置具有较强的可装配性，便于使用后期的维护、检修及更换；
五、本发明的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置所引入的粘弹性阻尼部分克服了传统粘弹性阻尼器因位移敏感性而无法与调谐质量阻尼器工作所需大位移匹配的难题，保证了该粘弹性阻尼装置部分在大位移下不发生破坏，使得该装置减震效果更好更稳定。
附图说明
图1为本发明多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置水平运动极限位置示意图；
图2为本发明多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置内部俯视图；
图3为悬式抗拉伸件的结构示意图；
其中：4-1、上部连接扣；4-2、上端板；4-3、外围钢筒；4-4、活塞板；4-5、粘弹性垫层；4-6、下端板；4-7、限位活塞杆；4-8连接端板；
图4为第二粘弹性筒式阻尼单元的结构示意图；
图5为悬挂扣件构造示意图；
其中：2-1、上连接板；2-2、焊接挂钩；
图6为限位机构的结构示意图；
其中：8-1、撑杆顶板；8-2、粘弹性限位部件；8-3、限位撑杆；8-4、复位弹簧；9、连接钢板；8-5、撑杆底板。
具体实施方式
下面结合附图2-7实例对本发明相关技术方案进行详细说明。
本发明多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置，包括上部顶板；悬挂扣件；高强钢绞线；悬式抗拉伸件；粘弹性波纹板；滚动式减震承压机构；质量块；限位机构；连接钢板；滚筒；反力钢架；高性能预压弹簧；下部承压板；
下部承压板可用地脚螺栓与结构固接，随结构共同运动，同时在水平向两侧分别通过高强螺栓与反力钢架固接，反力钢架在上部同样通过高强螺栓与上部顶板固接，以此组成调谐质量阻尼器的外围支撑防护系统；
质量块采用机械连接的方式，于上端连接若干悬式抗拉伸件及粘弹性波纹板，于侧部和下端连接滚动式减震承压机构，所述滚动式减震承压机构包括：
连接钢板，设置在质量块和支承框架之间，连接钢板的一侧表面通过多个第二粘弹性筒式阻尼单元与质量块连接，连接钢板的另一侧表面通过滚动单元与支承框架内壁接触，连接钢板的中心处开有腰形槽；
限位机构，用于对质量块的摆动范围进行限位，包括：限位撑杆，所述限位撑杆的底端通过撑杆底板8-5及螺栓紧固件与支承框架相固定，限位撑杆8-3的顶端穿过连接钢板上的所述腰形槽与质量块之间间隔距离H设置，限位撑杆8-3的顶端设有撑杆顶板8-1，所述限位撑杆8-3杆壁上位于撑杆顶板8-1和连接钢板之间部分套接复位弹簧。
悬式抗拉伸件的上部连接扣4-1通过钢绞线与悬挂扣件的焊接挂钩2-2连接，具体连接方式可依据实际选用焊接、机械连接或其他方式，下部连接端板4-8通过螺栓与质量块固接，可随质量块摆动，具体连接数量及布设方式需根据实际工况进行调整。本实施例中，所述钢绞绳的强度不低于2500Mpa。
粘弹性波纹板与上部顶板和质量块的连接方式采用焊接、机械连接或其他连接方式，具体连接方式可依据实际情况选用，可随质量块摆动，具体连接数量、涂设粘弹性材料层厚度及布设方式均可根据实际工况进行调整。
水平或竖向的滚动式减震承压机构可在质量块的带动下发生水平或竖向位移，其内部具体构造为：第二粘弹性筒式阻尼单元的撑杆底板6-7通过高强螺栓固接在连接钢板上，上端板6-1采用高强螺栓与质量块连接；
限位机构的撑杆底板8-5通过螺栓与支承框架固接，限位撑杆8-3穿过连接钢板中所开设的腰形槽，可在水平及竖向两个方向运动，限位撑杆8-3两侧分别与撑杆顶板8-1和撑杆底板8-5焊接，且在撑杆顶板8-1与连接钢板间的部分套设了预压高性能弹簧，撑杆顶板8-1两端焊接了粘弹性限位部件8-2，可对装置水平或竖向的位移进行限制，水平或竖向滚动式减震承压机构中所安装弹簧的型号及预压量均需依实际情况进行调整。
根据上述实例可更好地理解本发明，但本实例仅为更清楚说本发明作的例举，并非对本发明实施方式的限定，其他形式有益的延伸对本发明的实施亦是有益的。
实施例1
在设计装置时，可通过计算受控结构的动力特性，调整装置内部的弹簧型号及预压量，及粘弹性波纹板的尺型号、数量及布设方式，使装置与结构的阻尼比、刚度比等参数接近最优值，以使减震效果最优；
发明的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置可对结构水平和竖向震动进行控制；
当水平振动作用于受控结构时，下部承压板将随控制结构一起运动，质量块由于惯性作用将迟于结构运动，压缩两侧固接的滚动式减震承压机构，带动与限位活塞连接的活塞板压缩外围缸筒内部设置的粘弹性垫层，通过粘弹性材料特有的“内耗”特性对输入的震动能量进行首次耗散；
在上述过程进行的同时，质量块顶部所连接的粘弹性波纹板会不断地经历拉伸和收缩过程，由于粘弹性波纹板自身具有的耗能特性，震动能量将被二次消耗；
再加上所设置悬式抗拉伸件内部填充的粘弹性垫层4-5的阻尼耗能作用，外部输入的震动能量将被极大地削弱，以达到保护目标结构的目的。
在质量块做水平运动时，装置底部安装的滚动式减震承压机构及连接钢板将同时做水平运动，且质量块水平向的最大位移会被限位机构限制在合理范围内；此外，由于水平方向设置的滚动式减震承压机构中复位弹簧均事先预压，质量块将在外载消失后自动复位。
当竖向振动作用于受控结构时，质量块将带动水平滚动式减震承压机构中的滚动式减震承压机构一起竖向运动，进而压缩外围缸筒内部设置的粘弹性垫层，进而实现对结构竖向激振反应的首次消耗；
在上述运动进行的同时，质量块会往复拉伸粘弹性波纹板与悬式抗拉伸件，进而通过其装置中设置的粘弹性材料对输入震动能量再次进行耗散，以减轻主体结构的震动响应；由于水平滚动式减震承压机构中设置了限位机构，结构的竖向震动将会被限制在一定范围内，以避免其他部分被破坏；
在上述运动进行的同时，竖向滚动式减震承压机构中安装的滚动式减震承压机构及连接钢板将同时做竖向往复运动；由于竖向滚动式减震承压机构中设置的弹簧均事先预压，质量块将在外载消失后自动复位。
Claims (9)
1.一种多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置，其特征在于，包括：
支承框架、以及设置在支承框架内部的质量块；
质量块上端通过悬式抗拉伸件吊装在支承框架内，所述悬式抗拉伸件包括多个第一粘弹性筒式阻尼单元和多个粘弹性波纹板，其中，每个第一粘弹性筒式阻尼单元的上端通过连接摆绳与支撑框架顶部连接，第一粘弹性筒式阻尼单元内部的限位活塞杆伸出并通过连接端板与质量块连接；
质量块的左、右两侧以及底部均通过滚动式减震承压机构与支承框架内壁相抵触连接，所述滚动式减震承压机构包括：
连接钢板，设置在质量块和支承框架之间，连接钢板的一侧表面通过多个第二粘弹性筒式阻尼单元与质量块连接，连接钢板的另一侧表面通过滚动单元与支承框架内壁抵触接触，连接钢板的中心处开有腰形槽；
限位机构，用于对质量块的位移范围进行限制，包括：限位撑杆，所述限位撑杆的底端通过撑杆底板及螺栓紧固件与支承框架相固定，限位撑杆顶端穿过连接钢板上的所述腰形槽，并与质量块之间间隔距离H设置，限位撑杆顶端设有撑杆顶板，所述限位撑杆的杆壁上位于撑杆顶板和连接钢板之间部分套接复位弹簧；
所述第一粘弹性筒式阻尼单元和第二粘弹性筒式阻尼单元的结构相同，均包括：
上端板、外围钢筒、活塞板、粘弹性垫层、限位活塞杆、下端板、连接端板和预压弹簧，其中，
上端板、外围钢筒以及下端板均焊接连接，限位活塞杆一端伸入外围缸筒内部与活塞板相连，另一端伸出外围缸筒与连接端板相连，连接端板通过螺纹紧固件与质量块连接，活塞板与上端板之间、粘弹性层与活塞板之间均设置预压弹簧，其中，
第一粘弹性筒式阻尼单元中的外围缸筒内位于下端板的上表面设有粘弹性垫层；
第二粘弹性筒式阻尼单元中的外围缸筒内位于上端板的下表面和下端板的上表面均设有粘弹性垫层。
2.根据权利要求1所述的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置，其特征在于，所述上端板的上表面通过连接扣与连接摆绳的一端连接，连接摆绳的另一端与支撑框架顶部内壁之间铰接。
3.根据权利要求1所述的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置，其特征在于，所述连接摆绳为钢绞绳或纤维绳。
4.根据权利要求1所述的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置，其特征在于，
所述支承框架包括上部顶板、下部承压板以及位于上部顶板和下部承压板之间的两个竖向设置的反力钢板。
5.根据权利要求1所述的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置，其特征在于，所述质量块为立方体或为圆柱体，质量块为立方体时，滚动式减震承压机构均布在质量块的2个侧面和底部，质量块为圆柱体时，滚动式减震承压机构等角度均布在质量块的2个侧面和底部。
6.根据权利要求1所述的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置，其特征在于，所述粘弹性波纹板为表面涂有粘弹性材料的波纹状记忆合金钢片。
7.根据权利要求1所述的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置，其特征在于，所述撑杆顶板上临近连接钢板的一侧绕限位撑杆的外围均匀对称布置多个粘弹性限位部件。
8.根据权利要求1所述的多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置，其特征在于，所述滚动单元为对称设置在限位撑杆两侧的两个刚性滚筒，两个刚性滚筒通过滚筒架与连接板固定连接。
9.一种基于权利要求1~8中任一所述多维波纹板-调谐质量阻尼减震装置的减震方法，其特征在于：
将支承框架的底部与结构固结；
水平震动作用下，由于支承框架与结构固接，装置内部质量块将会跟随结构做水平往复运动，运动过程中质量块将压缩与质量块侧部连接的滚动式减震承压机构，进而带动滚动式减震承压机构内部弹簧压缩两端设置的粘弹性垫层，而在挤压粘弹性垫层过程中，由于粘弹性材料特有的“内耗”，输入的地震能量将会被吸收耗散；
其次，质量块在水平向摆动时，顶部所连接的悬式抗拉伸件将被拉伸，其内部的粘弹性材料将被不断地压缩、恢复，进而对输入的震动能量进行二次消耗；
由于滚动式减震承压机构中所安装的所有弹簧均事先预压，当外部激励消除后，质量块将在上述预压弹簧所提供的恢复力作用下重新归位，且由于滚动式减震承压机构中设置限位撑杆，其最大水平向位移将被限制在一定范围内，以保护整体装置；
竖向激励作用下，质量块将随结构做竖向往复运动，牵引其顶部所连接的粘弹性波纹板、悬式抗拉伸件不断被拉伸和恢复，从而耗散输入的竖向地震能；
同时质量块底部连接的滚动式减震承压机构将不断地被质量块压缩、拉伸，进而采用与上述水平向减震策略相同的原理，对竖向震动能量进行多次耗散，以达到保护主体结构的目标；同样，由于设置预压弹簧，质量块将在外载消失后恢复原位，且由于滚动式减震承压机构中设置限位撑杆，其最大竖向位移将被限制在一定范围内，以保护整体装置。
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