CN111335496B - 一种非线性负刚度多维减振装置 - Google Patents

Abstract

一种非线性负刚度多维减振装置，包括外箱体、外质量框架及内质量块，内质量块位于外质量框架的内部，外质量框架位于外箱体的内部；外质量框架与刚性外箱体之间设有电涡流减振机构；内质量块与刚性外箱体之间设有扭转弹簧减振机构；外质量框架与内质量块之间设有负刚度减振机构。当内质量块在水平X向上往复运动时，负刚度减振机构中预压弹簧的负刚度作用会与扭转弹簧减振机构中扭转弹簧产生的阻尼力相联合，可实现非线性高效减振。当外质量框架在水平Y向上往复运动时，负刚度减振机构中预压弹簧的负刚度作用会与电涡流减振机构产生的电涡流阻尼力相联合，可实现多重高效减振。内质量块和外质量框架的运动分属两个维度且彼此独立，满足多维减振。

Description

一种非线性负刚度多维减振装置

技术领域

本发明属于建筑结构减振控制技术领域，特别是涉及一种非线性负刚度多维减振装置。

背景技术

随着经济发展和技术进步，建筑结构日趋复杂多样，大规模、超高层的建筑结构越来越多，而建筑结构本身却变得更加轻柔，导致建筑结构在风荷载或地震作用下很容易发生剧烈振动，甚至造成建筑结构的破坏，进而引起巨大人员伤亡及财产损失。因此，研究如何有效控制建筑结构振动响应的技术理论及构造设计具有重要意义。

目前，结构振动控制技术以被动控制的研究最为成熟，其不需要额外的能量输入即可达到理想的减振效果，其中包括调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等，并且在实际工程中得到广泛的应用。

但是，大多数阻尼器工作时是线性机制，其减振效果的优劣取决于其自振频率是否与建筑结构的振动频率相调谐，从而导致其适应能力较差且构造要求较高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种非线性负刚度多维减振装置，能够有效减小高层建筑结构在风荷载或地震作用下的水平振动响应，提高建筑结构的安全性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种非线性负刚度多维减振装置，包括外箱体、外质量框架及内质量块，所述内质量块位于外质量框架的内部，所述外质量框架位于外箱体的内部；所述外质量框架与刚性外箱体之间设置有电涡流减振机构；所述内质量块与刚性外箱体之间设置有扭转弹簧减振机构；所述外质量框架与内质量块之间设置有负刚度减振机构。

所述电涡流减振机构包括永磁铁和钢板，所述永磁铁和钢板均采用长方体结构；所述永磁铁数量若干，若干永磁铁采用矩阵方式固装在外箱体的顶板下表面及底板上表面；所述钢板数量若干，若干钢板采用矩阵方式固装在外质量框架的顶板上表面及底板下表面；所述外箱体顶板下表面的永磁铁与外质量框架顶板上表面的钢板配合使用，且永磁铁与钢板交错排列；所述外箱体底板上表面的永磁铁与外质量框架底板下表面的钢板配合使用，且永磁铁与钢板交错排列；在所述外质量框架的顶板上表面和底板下表面安装有滚轮，在所述外箱体的顶板下表面和底板上表面安装有轨道，外质量框架顶板上表面的滚轮与外箱体顶板下表面的轨道配合使用，外质量框架底板下表面的滚轮与外箱体底板上表面的轨道配合使用；所述滚轮可沿轨道自由移动；在水平面内，将所述轨道长度方向设为X向，将垂直于轨道的方向设为Y向；在X向方向上排列的永磁铁的磁极朝向均相同，在Y向方向上排列的永磁铁的磁极朝向不同，且Y向方向上磁极朝向不同的永磁铁交替布置。

所述扭转弹簧减振机构包括扭转弹簧减振单元和支撑光轴，所述扭转弹簧减振单元包括第一齿条杆、第二齿条杆、第一齿轮套筒、第二齿轮套筒及扭转弹簧；所述支撑光轴竖直固装在外箱体的顶板下表面与底板上表面之间，支撑光轴数量若干，若干支撑光轴分布于外质量框架四周，所述扭转弹簧减振单元连接在支撑光轴与内质量块之间，且内质量块与单根支撑光轴之间至少设有一个扭转弹簧减振单元；所述扭转弹簧减振单元内的第一齿轮套筒、扭转弹簧及第二齿轮套筒由上至下套装在支撑光轴上，第一齿轮套筒及第二齿轮套筒在支撑光轴上可自由转动，扭转弹簧上端固连在第一齿轮套筒上，扭转弹簧下端固连在第二齿轮套筒上，扭转弹簧的中部固连在支撑光轴上；所述第一齿条杆和第二齿条杆结构相同，其一半杆体设为齿条结构，另一半杆体设为光杆结构；在Y向方向上且位于所述内质量块的前侧和后侧，所述第一齿条杆在水平面内沿Y向分布，第一齿条杆采用齿条结构的杆体端部固连在内质量块上，所述第一齿轮套筒的齿轮结构与第一齿条杆的中间部位贴合在一起；所述第二齿条杆在水平面内沿Y向分布，第二齿条杆位于第一齿条杆正下方，第一齿条杆与第二齿条杆相平行，第二齿条杆采用光杆结构的杆体端部固连在内质量块上，所述第二齿轮套筒的齿轮结构与第二齿条杆的中间部位贴合在一起；在Y向方向上且位于所述内质量块的左侧和右侧，所述第一齿条杆在水平面内沿Y向分布，第一齿条杆通过第一转接支杆固连在内质量块上，所述第一齿轮套筒的齿轮结构与第一齿条杆的中间部位贴合在一起；所述第二齿条杆在水平面内沿Y向分布，第二齿条杆位于第一齿条杆正下方，第一齿条杆与第二齿条杆相平行，第二齿条杆通过第二转接支杆固连在内质量块上，所述第二齿轮套筒的齿轮结构与第二齿条杆的中间部位贴合在一起。

所述负刚度减振机构由若干预压弹簧组成，所述外质量框架的架体与穿行于外质量框架的第一齿条杆、第二齿条杆、第一转接支杆及第二转接支杆之间均连接有预压弹簧。

本发明的有益效果：

本发明的非线性负刚度多维减振装置，能够有效减小高层建筑结构在风荷载或地震作用下的水平振动响应，提高建筑结构的安全性。

附图说明

图1为本发明的一种非线性负刚度多维减振装置的正向剖视图；

图2为本发明的一种非线性负刚度多维减振装置的侧向剖视图；

图3为本发明的内质量块与所有第一齿条杆及第二齿条杆的装配示意图；

图4为本发明的扭转弹簧减振单元与支撑光轴的装配示意图；

图5为本发明的电涡流减振机构的永磁铁与钢板分布关系示意图；

图中，1—外箱体，2—外质量框架，3—内质量块，4—永磁铁，5—钢板，6—滚轮，7—轨道，8—支撑光轴，9—第一齿条杆，10—第二齿条杆，11—第一齿轮套筒，12—第二齿轮套筒，13—扭转弹簧，14—第一转接支杆，15—第二转接支杆，16—预压弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～5所示，一种非线性负刚度多维减振装置，包括外箱体1、外质量框架2及内质量块3，所述内质量块3位于外质量框架2的内部，所述外质量框架2位于外箱体1的内部；所述外质量框架2与刚性外箱体1之间设置有电涡流减振机构；所述内质量块3与刚性外箱体1之间设置有扭转弹簧减振机构；所述外质量框架2与内质量块3之间设置有负刚度减振机构。

所述电涡流减振机构包括永磁铁4和钢板5，所述永磁铁4和钢板5均采用长方体结构；所述永磁铁4数量若干，若干永磁铁4采用矩阵方式固装在外箱体1的顶板下表面及底板上表面；所述钢板5数量若干，若干钢板5采用矩阵方式固装在外质量框架2的顶板上表面及底板下表面；所述外箱体1顶板下表面的永磁铁4与外质量框架2顶板上表面的钢板5配合使用，且永磁铁4与钢板5交错排列；所述外箱体1底板上表面的永磁铁4与外质量框架2底板下表面的钢板5配合使用，且永磁铁4与钢板5交错排列；在所述外质量框架2的顶板上表面和底板下表面安装有滚轮6，在所述外箱体1的顶板下表面和底板上表面安装有轨道7，外质量框架2顶板上表面的滚轮6与外箱体1顶板下表面的轨道7配合使用，外质量框架2底板下表面的滚轮6与外箱体1底板上表面的轨道7配合使用；所述滚轮6可沿轨道7自由移动；在水平面内，将所述轨道7长度方向设为X向，将垂直于轨道7的方向设为Y向；在X向方向上排列的永磁铁4的磁极朝向均相同，在Y向方向上排列的永磁铁4的磁极朝向不同，且Y方向上磁极朝向不同的永磁铁4交替布置。

所述扭转弹簧减振机构包括扭转弹簧减振单元和支撑光轴8，所述扭转弹簧减振单元包括第一齿条杆9、第二齿条杆10、第一齿轮套筒11、第二齿轮套筒12及扭转弹簧13；所述支撑光轴8竖直固装在外箱体1的顶板下表面与底板上表面之间，支撑光轴8数量若干，若干支撑光轴8分布于外质量框架2四周，所述扭转弹簧减振单元连接在支撑光轴8与内质量块3之间，且内质量块3与单根支撑光轴8之间至少设有一个扭转弹簧减振单元；所述扭转弹簧减振单元内的第一齿轮套筒11、扭转弹簧13及第二齿轮套筒12由上至下套装在支撑光轴8上，第一齿轮套筒11及第二齿轮套筒12在支撑光轴8上可自由转动，扭转弹簧13上端固连在第一齿轮套筒11上，扭转弹簧13下端固连在第二齿轮套筒12上，扭转弹簧13的中部固连在支撑光轴8上；所述第一齿条杆9和第二齿条杆10结构相同，其一半杆体设为齿条结构，另一半杆体设为光杆结构；在Y向方向上且位于所述内质量块3的前侧和后侧，所述第一齿条杆9在水平面内沿Y向分布，第一齿条杆9采用齿条结构的杆体端部固连在内质量块3上，所述第一齿轮套筒11的齿轮结构与第一齿条杆9的中间部位贴合在一起；所述第二齿条杆10在水平面内沿Y向分布，第二齿条杆10位于第一齿条杆9正下方，第一齿条杆9与第二齿条杆10相平行，第二齿条杆10采用光杆结构的杆体端部固连在内质量块3上，所述第二齿轮套筒12的齿轮结构与第二齿条杆10的中间部位贴合在一起；在Y向方向上且位于所述内质量块3的左侧和右侧，所述第一齿条杆9在水平面内沿Y向分布，第一齿条杆9通过第一转接支杆14固连在内质量块3上，所述第一齿轮套筒11的齿轮结构与第一齿条杆9的中间部位贴合在一起；所述第二齿条杆10在水平面内沿Y向分布，第二齿条杆10位于第一齿条杆9正下方，第一齿条杆9与第二齿条杆10相平行，第二齿条杆10通过第二转接支杆15固连在内质量块3上，所述第二齿轮套筒12的齿轮结构与第二齿条杆10的中间部位贴合在一起。

所述负刚度减振机构由若干预压弹簧16组成，所述外质量框架2的架体与穿行于外质量框架2的第一齿条杆9、第二齿条杆10、第一转接支杆14及第二转接支杆15之间均连接有预压弹簧16。

本实施例中，外箱体1、外质量框架2及内质量块3均采用不锈钢材料制作而成；预压弹簧17采用形状记忆合金制作而成；钢板5还可以采用导向性能更好的铝板或铜板替代；内质量块3与单根支撑光轴8之间设置的扭转弹簧减振单元数量为两个；在Y向方向上，内质量块3的前侧和后侧总共设置的扭转弹簧减振单元数量为八个(前后各四个)，内质量块3的左侧和右侧总共设置的扭转弹簧减振单元数量为四个(左右各两个)。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

本发明的减振装置在初始阶段处于静态平衡状态，当建筑结构主体在风载荷或地震作用下发生剧烈振动时，本发明的减振装置将从静态平衡状态转换到减振状态。

具体的，当建筑结构主体发生水平X向振动时，内质量块3将在惯性作用下产生X向位移，同时使内质量块3与外质量框架2之间产生相对位移，此时二者之间的预压弹簧17会产生与内质量块3运动方向相同的推力，而根据胡克定律可知，由于推力的方向与位移方向相同，此时则产生负刚度作用；而随着预压弹簧17的预压力释放结束，预压弹簧17会转为拉伸状态，此预压弹簧17提供的则是阻尼力。同时，随着内质量块3的位移，第一齿条杆9和第二齿条杆10将与内质量块3进行同步位移，当内质量块3向前位移时，所有第一齿条杆9均与相配合的第一齿轮套筒11产生啮合传动作用，即第一齿条杆9的齿条结构与第一齿轮套筒11的齿轮结构进行啮合传动配合，而同一时刻，所有第二齿条杆10均与相配合的第二齿轮套筒12不产生啮合传动作用，即第二齿条杆10的齿条结构与第二齿轮套筒12的光杆结构之间仅进行无接触的相对运动；在第一齿条杆9的齿条结构与第一齿轮套筒11的齿轮结构进行啮合传动的过程中，第一齿条杆9的直线运动将转换为第一齿轮套筒11的旋转运动，通过第一齿轮套筒11的旋转，将带动扭转弹簧13的上半段产生形变，从而通过扭转弹簧13上半段的形变过程产生阻尼力，同一时刻，扭转弹簧13的下半段和第二齿轮套筒12不发生转动。同理，当内质量块3向后位移时，所有第二齿条杆10均与相配合的第二齿轮套筒12产生啮合传动作用，即第二齿条杆10的齿条结构与第二齿轮套筒12的齿轮结构进行啮合传动配合，而同一时刻，所有第一齿条杆9均与相配合的第一齿轮套筒11不产生啮合传动作用，即第一齿条杆9的齿条结构与第一齿轮套筒11的光杆结构之间仅进行无接触的相对运动；在第二齿条杆10的齿条结构与第二齿轮套筒12的齿轮结构进行啮合传动的过程中，第二齿条杆10的直线运动将转换为第二齿轮套筒12的旋转运动，通过第二齿轮套筒12的旋转，将带动扭转弹簧13的下半段产生形变，从而通过扭转弹簧13下半段的形变过程产生阻尼力，同一时刻，扭转弹簧13的上半段和第一齿轮套筒11不发生转动。随着内质量块3在水平X向上的往复运动，预压弹簧17的负刚度作用将与扭转弹簧13的阻尼力相联合，从而实现非线性且更高效率的抑制X向振动的目的。

具体的，当建筑结构主体发生水平Y向振动时，外质量框架2将在惯性作用下产生Y向位移，进而使外质量框架2沿着轨道7产生直线位移，此时外质量框架2与内质量块3之间的预压弹簧17会产生与外质量框架2运动方向相同的推力，而根据胡克定律可知，由于推力的方向与位移方向相同，此时则产生负刚度作用；而随着预压弹簧17的预压力释放结束，预压弹簧17会转为拉伸状态，此预压弹簧17提供的则是阻尼力。同时，随着外质量框架2的移动，外质量框架2上的钢板5会与外箱体1上的永磁铁4产生相对位移，并导致钢板5在永磁铁4磁场中的面积发生变化，进而使穿过钢板5的磁通量发生改变，从而会产生一个阻碍钢板5与永磁铁4产生相对运动的电涡流阻尼力，同时钢板5的温度升高，即外质量框架2的动能直接转化为了钢板5的热能，而热能会快速耗散掉。随着外质量框架2在水平Y向上的往复运动，预压弹簧17的负刚度作用将与电涡流阻尼力相联合，从而实现多重且更高效率的抑制Y向振动的目的。

另外，由于内质量块3和外质量框架2的运动分别位于水平X向和水平Y向两个维度，且二者运动彼此独立，无论建筑结构主体发生哪个方向的振动，都可以高效的实现减振，满足了多维减振的目的。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种非线性负刚度多维减振装置，其特征在于：包括外箱体、外质量框架及内质量块，所述内质量块位于外质量框架的内部，所述外质量框架位于外箱体的内部；所述外质量框架与刚性外箱体之间设置有电涡流减振机构；所述内质量块与刚性外箱体之间设置有扭转弹簧减振机构；所述外质量框架与内质量块之间设置有负刚度减振机构；所述扭转弹簧减振机构包括扭转弹簧减振单元和支撑光轴，所述扭转弹簧减振单元包括第一齿条杆、第二齿条杆、第一齿轮套筒、第二齿轮套筒及扭转弹簧；所述支撑光轴竖直固装在外箱体的顶板下表面与底板上表面之间，支撑光轴数量若干，若干支撑光轴分布于外质量框架四周，所述扭转弹簧减振单元连接在支撑光轴与内质量块之间，且内质量块与单根支撑光轴之间至少设有一个扭转弹簧减振单元；所述扭转弹簧减振单元内的第一齿轮套筒、扭转弹簧及第二齿轮套筒由上至下套装在支撑光轴上，第一齿轮套筒及第二齿轮套筒在支撑光轴上可自由转动，扭转弹簧上端固连在第一齿轮套筒上，扭转弹簧下端固连在第二齿轮套筒上，扭转弹簧的中部固连在支撑光轴上；所述第一齿条杆和第二齿条杆结构相同，其一半杆体设为齿条结构，另一半杆体设为光杆结构；在Y向方向上且位于所述内质量块的前侧和后侧，所述第一齿条杆在水平面内沿Y向分布，第一齿条杆采用齿条结构的杆体端部固连在内质量块上，所述第一齿轮套筒的齿轮结构与第一齿条杆的中间部位贴合在一起；所述第二齿条杆在水平面内沿Y向分布，第二齿条杆位于第一齿条杆正下方，第一齿条杆与第二齿条杆相平行，第二齿条杆采用光杆结构的杆体端部固连在内质量块上，所述第二齿轮套筒的齿轮结构与第二齿条杆的中间部位贴合在一起；在Y向方向上且位于所述内质量块的左侧和右侧，所述第一齿条杆在水平面内沿Y向分布，第一齿条杆通过第一转接支杆固连在内质量块上，所述第一齿轮套筒的齿轮结构与第一齿条杆的中间部位贴合在一起；所述第二齿条杆在水平面内沿Y向分布，第二齿条杆位于第一齿条杆正下方，第一齿条杆与第二齿条杆相平行，第二齿条杆通过第二转接支杆固连在内质量块上，所述第二齿轮套筒的齿轮结构与第二齿条杆的中间部位贴合在一起。

2.根据权利要求1所述的一种非线性负刚度多维减振装置，其特征在于：所述电涡流减振机构包括永磁铁和钢板，所述永磁铁和钢板均采用长方体结构；所述永磁铁数量若干，若干永磁铁采用矩阵方式固装在外箱体的顶板下表面及底板上表面；所述钢板数量若干，若干钢板采用矩阵方式固装在外质量框架的顶板上表面及底板下表面；所述外箱体顶板下表面的永磁铁与外质量框架顶板上表面的钢板配合使用，且永磁铁与钢板交错排列；所述外箱体底板上表面的永磁铁与外质量框架底板下表面的钢板配合使用，且永磁铁与钢板交错排列；在所述外质量框架的顶板上表面和底板下表面安装有滚轮，在所述外箱体的顶板下表面和底板上表面安装有轨道，外质量框架顶板上表面的滚轮与外箱体顶板下表面的轨道配合使用，外质量框架底板下表面的滚轮与外箱体底板上表面的轨道配合使用；所述滚轮可沿轨道自由移动；在水平面内，将所述轨道长度方向设为X向，将垂直于轨道的方向设为Y向；在X向方向上排列的永磁铁的磁极朝向均相同，在Y向方向上排列的永磁铁的磁极朝向不同，且Y向方向上磁极朝向不同的永磁铁交替布置。

3.根据权利要求1所述的一种非线性负刚度多维减振装置，其特征在于：所述负刚度减振机构由若干预压弹簧组成，所述外质量框架的架体与穿行于外质量框架的第一齿条杆、第二齿条杆、第一转接支杆及第二转接支杆之间均连接有预压弹簧。

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