CN111255106A - 自复位压电摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明一种自复位压电摩擦阻尼器，属于土木工程结构振动响应控制、抗震减灾技术领域；包括左侧挡板、右侧挡板、副板、外摩擦板、活动主板、内摩擦板、环形压电陶瓷驱动器、弹簧和作动杆；通过环形压电陶瓷驱动器的轴向伸缩调整所述活动主板与内摩擦板、外摩擦板之间的摩擦力；通过弹簧16来实现结构的自复位，减少结构在震后的残余变形。其构造简单，造价低廉，加工方便。本发明改变传统摩擦阻尼器被动控制为自适应控制，能够根据建筑结构的响应实时调整压电陶瓷驱动器8的工作电压，改变压电陶瓷轴向变形量，导致摩擦板和活动主板4正压力发生变化，从而改变摩擦力的大小。减震效果稳定，达到了智能控制的效果。

Description

自复位压电摩擦阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程结构振动响应控制、抗震减灾技术领域，具体涉及一种自复位压电摩擦阻尼器，能减小建筑结构在风载、地震等动载作用下的结构响应，起到耗能减振和自复位功能。

背景技术

随着城市建设的发展，高层及超高层建筑越来越多。目前在高层特别是超高层建筑领域，如何提高建筑结构的抗震与抗风能力，有效减少结构高昂的造价，成为目前国内外学术界关注的焦点。因而在振动激励下(含地震与风振)，需要对建筑结构进行响应控制。其中涉及新型建筑结构在设计时的响应控制和老旧建筑结构在使用过程中的改造及响应控制。摩擦阻尼器由于其造价低、控制效果明显，被广泛用于结构响应控制中。

目前使用的摩擦阻尼器不能根据结构的响应实时调整阻尼力的大小，并且在结构震后会有较大的残余变形，造成结构在震后不能继续使用，难以修复。因而需要发明一种新型自复位压电摩擦阻尼器，目的是提供一种可靠的结构响应控制耗能元件，其能够根据结构响应实时调整阻尼力的大小，并具有良好的耗能能力和自复位能力，能够减小结构震后的残余变形，减轻建筑结构在振动作用下的破坏，极大节省了摩擦阻尼器复位修复的成本。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出及一种自复位压电摩擦阻尼器，采用弹簧和摩擦板相结合的结构，使其具有良好的耗能能力和自复位功能，并能根据结构的响应实时调整摩擦力。

本发明的技术方案是：一种自复位压电摩擦阻尼器，其特征在于：包括阻尼器框架、活动主板、内摩擦板、环形压电陶瓷驱动器、弹簧和作动杆；

所述阻尼器框架包括左侧挡板、右侧挡板、副板和外摩擦板，所述左侧挡板和右侧挡板为结构对称的两个U型板，通过两块所述副板固定为矩形框架结构；所述外摩擦板为与所述副板外形尺寸相同的矩形板，两块外摩擦板分别固定于两块副板的内侧；

所述活动主板为矩形框架结构，安装于所述阻尼器框架内，与两块所述外摩擦板贴合的两个板面上均并列开有两个条形孔；两个所述弹簧同轴设置，并分别固定于所述活动主板没有条形孔的两个侧板与左侧挡板、右侧挡板之间，其轴向与所述阻尼器框架的中心线重合；四个螺栓分别依次穿过所述环形压电陶瓷驱动器的内孔、副板、外摩擦板、活动主板的条形孔和所述内摩擦板，将两个所述内摩擦板分别固定于所述活动主板内壁上，将四个所述环形压电陶瓷驱动器安装于所述四个螺栓上，通过环形压电陶瓷驱动器的轴向伸缩调整所述活动主板与内摩擦板、外摩擦板之间的摩擦力；所述作动杆一端设置有外螺纹，依次同轴穿过所述右侧挡板、右侧挡板和活动主板之间的弹簧、活动主板朝向右侧挡板的侧板，通过螺母固定于所述活动主板上。

本发明的进一步技术方案是：所述副板、左侧挡板和右侧挡板的宽度均相同。

本发明的进一步技术方案是：所述左侧挡板和右侧挡板的U型槽口相对，两块所述副板和两块所述外摩擦板分别通过高强螺栓固定于所述左侧挡板和右侧挡板的两侧臂上。

本发明的进一步技术方案是：所述弹簧的两端均设置有平行于轴向的直线段，两端的直线段均设置有外螺纹，分别通过螺母固定于所述活动主板、左侧挡板、右侧挡板上。

本发明的进一步技术方案是：所述左侧挡板外侧中心处固定有耳座。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1.本发明改变传统摩擦阻尼器被动控制为自适应控制，能够根据建筑结构的响应实时调整压电陶瓷驱动器8的工作电压，改变压电陶瓷轴向变形量，导致摩擦板和活动主板4正压力发生变化，从而改变摩擦力的大小。减震效果稳定，达到了智能控制的效果。

2.本发明通过弹簧16来实现结构的自复位，减少结构在震后的残余变形。其构造简单，造价低廉，加工方便。

3.本发明各个部件通过螺栓有效连接，加工简单，易于装配，在结构中安装和拆卸简单，可以在结构震后更换阻尼器中损耗的部件，从而减小结构震后的修复成本。

4.本发明压环形电陶瓷驱动器8通过螺栓6固定在副板2外侧，可以稳定、有效的传递摩擦板与活动主板4之间的正压力。

附图说明

图1是本发明优选实施例中阻尼器的装配图；

图2是本发明优选实施例中阻尼器的主视图；

图3是本发明优选实施例中阻尼器的俯视图；

图4是本发明优选实施例中阻尼器的A-A剖面图；

图5是本发明优选实施例中阻尼器的副板俯视图；

图6是本发明优选实施例中阻尼器的外摩擦板俯视图；

图7是本发明优选实施例中阻尼器的内摩擦板俯视图；

图8是本发明优选实施例中阻尼器的活动主板俯视图；

图9是本发明优选实施例中阻尼器的活动主板左视图；

图10是本发明优选实施例中阻尼器的左侧挡板左视图；

图11是本发明优选实施例中阻尼器的左侧挡板俯视图；

图12是本发明优选实施例中阻尼器的右侧挡板左视图；

图13是本发明优选实施例中阻尼器的右侧挡板俯视图；

图14是本发明优选实施例中PID控制流程图。

附图标记说明：1—耳板；2—副板；3—外摩擦板；4—活动主板；5—内摩擦板；6—M14六角头螺栓；7—第一平垫圈；8—压电陶瓷驱动器；9—M14六角螺母；10—M16高强六角头螺栓；11—M16高强六角螺母；12—弹簧垫圈；13—M20高强六角螺母；14—第二平垫圈；15—作动杆；16—压缩弹簧；17—右侧挡板；18—左侧挡板；19—M8六角螺母。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

本发明一种自复位压电摩擦阻尼器，如图1所示，包括耳板1、两个副板2、两个外摩擦板3、活动主板4、两个内摩擦板5、四个M14六角头螺栓6、十二个第一平垫圈7、四个环形压电陶瓷驱动器8、四个M14六角螺母9、八个M16高强六角头螺栓10、八个M16高强六角螺母11、十六个弹簧垫圈12、两个M20高强六角螺母13、两个第二平垫圈14、作动杆15、两个弹簧16、右侧挡板17、左侧挡板18、四个M8六角螺母19；通过M16高强六角头螺栓10和M16高强六角螺母11将两个副板2、右侧挡板17、左侧挡板18固定为矩形框架，两个外摩擦板3分别固定于两个副板2的内侧面上。

如图11所示，所述耳板1焊接固定在所述左侧挡板18上，左侧挡板18上设有螺栓孔；如图1所示，所述活动主板4为矩形框架结构，其左侧设有螺栓孔，左侧弹簧16通过螺母一端安装固定在左侧挡板18上，另一端安装固定在活动主板4的左侧板上；所述右侧弹簧16一端安装固定在右侧挡板17上，另一端安装固定在活动主板4的右侧板上；所述左侧弹簧16和右侧弹簧16用于活动主板4和外摩擦板3、内摩擦板5的定位以及活动主板4的自复位；所述活动主板4的上、下面板分别设置在外摩擦板3、内摩擦板5之间；如图8所示，所述活动主板4的上面板和下面板分别有两个螺栓长孔对称于中心线，所述活动主板4的左侧板有一螺栓孔用于固定弹簧16；在所述活动主板4的右侧板有一螺栓孔和圆孔，右面板的螺栓孔用于固定弹簧16，右面板的圆孔用于固定作动杆15；

如图1所示，所述作动杆15通过M20高强六角螺母13固定在活动主板4上，并穿过右侧弹簧16和右侧挡板17的中间孔；如图5所示，所述副板2有六个螺栓孔对称于中心线；所述外摩擦板3有六个螺栓孔对称于中心线；所述内摩擦板5有两个螺栓孔对称于中心线；如图1所示，所述M14六角头螺栓6依次穿过环形压电陶瓷驱动器8的内孔、副板2的螺栓孔、外摩擦板3的螺栓孔、活动主板4的长孔、内摩擦板5的螺栓孔使其连成一个整体，将内摩擦板固定于活动主板4的内侧面；如图12、13所示，右侧挡板17的上面板和下面板各有两个螺栓孔，中间板有螺栓孔和圆孔；如图10、11所示，左侧挡板18的上面板和下面板各有两个螺栓孔，中间板有螺栓孔；如图1所示，所述M16高强六角头螺栓10依次穿过挡板的螺栓孔、副板2的螺栓孔和外摩擦板3的螺栓孔使其连成一个整体；随着的活动主板4的往复运动带动弹簧16伸缩，利用其弹性势能实现复位；控制器通过调节环形压电陶瓷驱动器8的电压来改变预压力，进而改变活动主板4和外摩擦板3、内摩擦板5的摩擦力。

具体地，当振动发生时，首先活动主板4和外摩擦板3、内摩擦板5利用板间的摩擦进行被动耗能，当振动更强时，环形压电陶瓷作动器8开始工作；如图14所示，计算机根据建筑结构响应的位移信号计算出压电陶瓷驱动器8所需的电压值，并与压电陶瓷驱动器8上实际电压反馈值进行比较，比较的误差作为输入，通过PID控制器的比例、积分和微分运算得到电压的输出值，作用在压电陶瓷驱动器8上，从而实时调整本发明的控制力以实现半主动控制。当断电时，压电陶瓷驱动器8不能正常工作，而阻尼器中的活动主板4和外摩擦板3、内摩擦板5可以继续被动耗能来达到减振的目的。

本发明的工作过程是：

作动杆穿过右侧挡板和活动主板右侧，并通过螺母连接在活动主板上，耳座焊接在左侧挡板上。本发明可以以斜撑或者人字形支撑布置于框架中，作动杆受压时，作动杆带动活动主板向左运动，左侧弹簧受压，右侧弹簧受拉。作动杆受拉时，作动杆带动活动主板向右运动，左侧弹簧受拉，右侧弹簧受压。在往复运动过程中，由于螺栓的预紧力，活动主板和内外摩擦板之间相互摩擦产生热能耗散能量。当外力撤除时，左侧和右侧弹簧由于变形储存的弹性势能带动活动主板向平衡位置移动，实现自复位功能。计算机根据建筑结构响应的位移信号计算出压电陶瓷驱动器所需的电压值，并与压电陶瓷驱动器上实际电压反馈值进行比较，比较的误差作输入，通过PID控制器的比例、积分和微分运算得到电压的输出值，作用在压电陶瓷驱动器上。电压值与结构位移响应之间呈线性关系，即结构位移增大，电压也随之线性增大。利用压电陶瓷的逆压电效应，在压电陶瓷上施加电压，压电陶瓷驱动器会产生轴向伸缩变形，从而活动主板与内摩擦板和外摩擦板之间的正压力会发生相应变化，从而实时调整摩擦力。实现了适应不同水平振动，稳定耗能的功能。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种自复位压电摩擦阻尼器，其特征在于：包括阻尼器框架、活动主板、内摩擦板、环形压电陶瓷驱动器、弹簧和作动杆；

所述阻尼器框架包括左侧挡板、右侧挡板、副板和外摩擦板，所述左侧挡板和右侧挡板为结构对称的两个U型板，通过两块所述副板固定为矩形框架结构；所述外摩擦板为与所述副板外形尺寸相同的矩形板，两块外摩擦板分别固定于两块副板的内侧；

所述活动主板为矩形框架结构，安装于所述阻尼器框架内，与两块所述外摩擦板贴合的两个板面上均并列开有两个条形孔；两个所述弹簧同轴设置，并分别固定于所述活动主板没有条形孔的两个侧板与左侧挡板、右侧挡板之间，其轴向与所述阻尼器框架的中心线重合；四个螺栓分别依次穿过所述环形压电陶瓷驱动器的内孔、副板、外摩擦板、活动主板的条形孔和所述内摩擦板，将两个所述内摩擦板分别固定于所述活动主板内壁上，将四个所述环形压电陶瓷驱动器安装于所述四个螺栓上，通过环形压电陶瓷驱动器的轴向伸缩调整所述活动主板与内摩擦板、外摩擦板之间的摩擦力；所述作动杆一端设置有外螺纹，依次同轴穿过所述右侧挡板、右侧挡板和活动主板之间的弹簧、活动主板朝向右侧挡板的侧板，通过螺母固定于所述活动主板上。

2.根据权利要求1所述自复位压电摩擦阻尼器，其特征在于：所述副板、左侧挡板和右侧挡板的宽度均相同。

3.根据权利要求1所述自复位压电摩擦阻尼器，其特征在于：所述左侧挡板和右侧挡板的U型槽口相对，两块所述副板和两块所述外摩擦板分别通过高强螺栓固定于所述左侧挡板和右侧挡板的两侧臂上。

4.根据权利要求1所述自复位压电摩擦阻尼器，其特征在于：所述弹簧的两端均设置有平行于轴向的直线段，两端的直线段均设置有外螺纹，分别通过螺母固定于所述活动主板、左侧挡板、右侧挡板上。

5.根据权利要求1所述自复位压电摩擦阻尼器，其特征在于：所述左侧挡板外侧中心处固定有耳座。

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