CN111828533A - 一种剪切型变刚度粘弹性装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种剪切型变刚度粘弹性消能装置及其工作方法，装置由刚性框架、弯曲弹簧钢片、连接块和粘弹性材料层组成。弯曲弹簧钢片由多个钢制薄片组叠而成，钢制薄片两端分别与刚性框架和连接块伸入刚性框架内的部分固定连接，粘弹性材料层填充于弯曲弹簧钢片中最外侧的两个钢制薄片与刚性框架之间的空隙。本装置可以在不同剪切荷载作用下，根据刚度和阻尼力需求以不同的工作状态适应和调整刚度及阻尼性能，达到减振消能的最优效果。
Description
技术领域
本发明主要涉及到结构振动控制领域，具体涉及一种剪切型变刚度粘弹性装置及其相应的工作方法。
背景技术
粘弹性消能减震技术是广受欢迎的振动控制技术。其优势在于耗能能力强、结构简单可靠，消能减震不依赖塑性变形，已较多应用于土木、机械、航空、船舶等诸多领域的振动控制中。
然而，粘弹性减震装置的刚度耗能特征与温度频率相关，难以大幅精确调节，不能兼顾复杂随机环境激励中最优化控制结构动力响应的刚度阻尼需求。如何精确控制粘弹性消能装置，产生刚度变化及强化、软化等非线性力学现象，是振动控制领域的重点问题之一。
现有在粘弹性消能装置中实现刚度变换的方法包括使用屈服构件、使用半主动控制方法等。或构造复杂、需外部能源及控制系统，或依赖材料屈服，消能减震后难免塑性损伤。未能发挥粘弹性消能装置构造简单，消能减震后无需修复替换的优点。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种剪切型变刚度粘弹性装置，通过几何非线性实现装置耗能、刚度等力学特征的非线性变化。该装置具备较为精确地针对优化振动控制需求提供所需刚度和阻尼的能力，能保证结构在不同工况下均有比较良好的响应；装置无需塑性变形或外部能源。
为实现上述技术目的，本发明所采用的技术手段为：
一种剪切型变刚度粘弹性装置，
包括：一对变刚度工作单元和中间的连接块，两个变刚度工作单元通过中间的连接块连接固定和传力，其中，
第一变刚度工作单元包括第一刚性框架、上凸弯曲弹簧钢片和粘弹性材料层，其中，所述上凸弯曲弹簧钢片包括多片，多片所述上凸弯曲弹簧钢片在所述第一刚性框架内沿刚性框架高度方向均匀水平间隔布置，每片上凸弯曲弹簧钢片的一端与所述第一刚性框架的内壁固定连接，另一端与所述连接块伸入第一刚性框架内的部分固定连接；
第一变刚度工作单元上，位于顶部的所述上凸弯曲弹簧钢片和第一刚性框架之间、以及位于底端的所述上凸弯曲弹簧钢片和第一刚性框架之间均填充有粘弹性材料层；
第二变刚度工作单元包括第二刚性框架、下凹弯曲弹簧钢片和粘弹性材料层，其中，所述下凹弯曲弹簧钢片包括多片，多片所述下凹弯曲弹簧钢片在所述第二刚性框架内沿刚性框架高度方向均匀水平间隔布置，每片下凹弯曲弹簧钢片的一端与所述第二刚性框架的内壁固定连接，另一端与所述连接块伸入第二刚性框架内的部分固定连接；
第二变刚度工作单元上，位于顶部的所述下凹弯曲弹簧钢片和第二刚性框架之间、以及位于底端的所述下凹弯曲弹簧钢片和第二刚性框架之间均填充有粘弹性材料层。
两个变刚度工作单元内部的弯曲弹簧钢片由多个钢制薄片组叠而成。
弯曲弹簧钢片的各个钢制薄片间内嵌粘弹性材料层。
所述连接块伸入所述刚性框架的中部位置，弯曲弹簧钢片包括对称设置在所述连接块左、右两侧的两组。
本发明还进一步公开了基于所述剪切型变刚度粘弹性装置的工作方法，装置两侧弯曲弹簧钢片曲率弯曲方向相反，使装置在双向剪切荷载中都由弹簧钢片弹性突跳发送拟屈服现象；
当所嵌入的构件发生剪切变形时，本装置的两个工作单元将相应发生错动，变形情况将决定本装置的工作状态：
小变形时，两个工作单元相对连接块发生较小的错动，连接两者的弯曲弹簧钢片发生形变从而吸收能量，同时连接块及刚性框架内一侧端部的弯曲弹簧钢片挤压该侧的粘弹性材料，进一步耗散能量，整个装置保持较大的刚度；
大变形时，两个工作单元相对连接块发生较大的错动，弯曲弹簧钢片受工作单元刚性框架和连接块的反向错动牵引，当错动位移达到一定值时，其凸向会突跳式地变为与原本朝向相反，两侧弯曲弹簧钢片会分别挤压和拉伸粘弹性材料层，在该过程中，装置整体的刚度产生显著变化，发送拟屈服现象，由此调整结构整体刚度，避开环境激励卓越频率区间，而在极大变形中，装置由曲率反向的弯曲弹簧片限位，保护粘弹性材料不发生过大变形。
根据结构的性能需求，当需要小幅调整本装置的刚度和阻尼力时，通过调整工作单元两端粘弹性材料层的厚度来实现。
根据结构的性能需求，当需要大幅调整本装置的刚度和阻尼力时，通过调整工作单元中弯曲弹簧钢片的数量和弯曲程度来实现。
有益效果：
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
装置通过精确设计的弯曲弹簧钢片，利用弹性变形下的几何非线性实现剪切消能装置的刚度耗能特征可调，装置无需材料屈服，耗能后无需修复替换，也不需外部能源和复杂的刚度调节机制，简单可靠；
在小变形作用下，弯曲弹簧钢片发生少量形变，同时粘弹性材料层开始工作耗能，且装置耗能能力良好；弯曲弹簧钢片不产生弹性突跳，亦不发生破坏。
在大变形作用下，弯曲弹簧钢片发生大量形变，产生弹性突跳，在该过程中刚度产生显著下降，粘弹性材料层同时参与工作，耗能能力得到显著提高。
在极大变形下，弯曲弹簧钢片于反向曲率中产生平衡，刚度重新增加限制最大变形，通过限位机制避免粘弹性材料的破坏。
将装置所受的剪切力转化为对弯曲弹簧钢片和粘弹性材料层的拉压力，防止粘弹性材料层发生剪切破坏，提高其延性。
本装置在引起不同位移大小的作用下均能对结构振动起到良好的抑制作用。
本装置同时具备可通过简易的改装改变整体性能的特点，可以满足不同类型的结构的减振消能需求。
本装置还可以根据所嵌入结构构件的具体情况对形状、尺寸作相应调整，不同形状、尺寸的本装置也可通过调整弯曲弹簧钢片数量和粘弹性材料层厚度以达到相同效果。
附图说明
图1为本发明剪切型变刚度粘弹性装置的立体结构示意图，
其中，1为刚性框架，2为弯曲弹簧钢片，3为连接块，4为粘弹性材料层；
图2为本发明剪切型变刚度粘弹性装置的主视图；
图3为本发明剪切型变刚度粘弹性装置的侧视图；
图4为本发明剪切型变刚度粘弹性装置的俯视图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明；实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
一种剪切型变刚度粘弹性装置，包括：一对变刚度工作单元和中间的连接块，两个变刚度工作单元通过中间的连接块连接固定和传力，其中，
第一变刚度工作单元包括第一刚性框架、上凸弯曲弹簧钢片和粘弹性材料层，其中，所述上凸弯曲弹簧钢片包括多片，多片所述上凸弯曲弹簧钢片在所述第一刚性框架内沿刚性框架高度方向均匀水平间隔布置，每片上凸弯曲弹簧钢片的一端与所述第一刚性框架的内壁固定连接，另一端与所述连接块伸入第一刚性框架内的部分固定连接；
第一变刚度工作单元上，位于顶部的所述上凸弯曲弹簧钢片和第一刚性框架之间、以及位于底端的所述上凸弯曲弹簧钢片和第一刚性框架之间均填充有粘弹性材料层；
第二变刚度工作单元包括第二刚性框架、下凹弯曲弹簧钢片和粘弹性材料层，其中，所述下凹弯曲弹簧钢片包括多片，多片所述下凹弯曲弹簧钢片在所述第二刚性框架内沿刚性框架高度方向均匀水平间隔布置，每片下凹弯曲弹簧钢片的一端与所述第二刚性框架的内壁固定连接，另一端与所述连接块伸入第二刚性框架内的部分固定连接；
第二变刚度工作单元上，位于顶部的所述下凹弯曲弹簧钢片和第二刚性框架之间、以及位于底端的所述下凹弯曲弹簧钢片和第二刚性框架之间均填充有粘弹性材料层。
两个变刚度工作单元内部的弯曲弹簧钢片由多个钢制薄片组叠而成。
弯曲弹簧钢片的各个钢制薄片间内嵌粘弹性材料层。
所述连接块伸入所述刚性框架的中部位置，弯曲弹簧钢片包括对称设置在所述连接块左、右两侧的两组。
实施例：
本发明为一种剪切型变刚度粘弹性装置，该装置由两个变刚度工作单元和一个连接块3组成，变刚度工作单元包括刚性框架1、弯曲弹簧钢片2若干、粘弹性材料层4，其中，
所述刚性框架1和连接块3可由Q345钢板切割并焊接制成，所述弯曲弹簧钢片钢板可由65Mn弹簧钢制成；
弯曲弹簧钢片2平行排列在刚性框架1内，弯曲弹簧钢片2两端分别与刚性框架1和连接块3连接固定，弯曲弹簧钢片2对称排列于连接块3两侧，粘弹性材料层4填充于刚性框架和最外侧的弯曲弹簧钢片之间；
粘弹性材料4与刚性框架1可通过高温高压硫化方式连接，粘弹性材料4与两侧的弯曲弹簧钢片2可通过高温高压硫化方式连接，弯曲弹簧钢片2与连接块3可通过焊接或栓接固定；
组装完成该装置各构件，将该装置布置于结构抗剪切构件中，弯曲弹簧钢片凸向与剪切力方向平行，即弯曲弹簧钢片大致与剪切力方向垂直，应用在混凝土构件的装置刚性框架上可加焊锚固螺钉，便于与混凝土充分咬合。
所述弯曲弹簧钢片2的数量可以根据计算结果进行增减，根据所需刚度和阻尼力的要求，大幅调节可以通过增减弯曲弹簧钢片的数量来实现，小幅调节可以通过调节工作单元两侧粘弹性材料层的厚度来实现。
本装置在引起不同位移大小的作用下均能对结构振动起到良好的抑制作用。
在位移激励下，连接块3和两侧的弯曲弹簧钢片2会挤压一侧的粘弹性材料层4而拉伸另一侧，相比于剪切，拉压作用使得粘弹性材料层更难破坏，提高了整体装置的减振消能能力。
在小变形作用下，弯曲弹簧钢片发生少量形变，同时粘弹性材料层开始工作耗能，且装置耗能能力良好；弯曲弹簧钢片不产生弹性突跳，亦不发生破坏。
在大变形作用下，弯曲弹簧钢片发生大量形变，产生弹性突跳，在该过程中刚度产生显著下降，粘弹性材料层同时参与工作，耗能能力得到显著提高。
Claims (7)
1.一种剪切型变刚度粘弹性装置，其特征在于：
包括：一对变刚度工作单元和中间的连接块，两个变刚度工作单元通过中间的连接块连接固定和传力，其中，
第一变刚度工作单元包括第一刚性框架、上凸弯曲弹簧钢片和粘弹性材料层，其中，所述上凸弯曲弹簧钢片包括多片，多片所述上凸弯曲弹簧钢片在所述第一刚性框架内沿刚性框架高度方向均匀水平间隔布置，每片上凸弯曲弹簧钢片的一端与所述第一刚性框架的内壁固定连接，另一端与所述连接块伸入第一刚性框架内的部分固定连接；
第一变刚度工作单元上，位于顶部的所述上凸弯曲弹簧钢片和第一刚性框架之间、以及位于底端的所述上凸弯曲弹簧钢片和第一刚性框架之间均填充有粘弹性材料层；
第二变刚度工作单元包括第二刚性框架、下凹弯曲弹簧钢片和粘弹性材料层，其中，所述下凹弯曲弹簧钢片包括多片，多片所述下凹弯曲弹簧钢片在所述第二刚性框架内沿刚性框架高度方向均匀水平间隔布置，每片下凹弯曲弹簧钢片的一端与所述第二刚性框架的内壁固定连接，另一端与所述连接块伸入第二刚性框架内的部分固定连接；
第二变刚度工作单元上，位于顶部的所述下凹弯曲弹簧钢片和第二刚性框架之间、以及位于底端的所述下凹弯曲弹簧钢片和第二刚性框架之间均填充有粘弹性材料层。
2.根据权利要求1所述的剪切型变刚度粘弹性装置，其特征在于：两个变刚度工作单元内部的弯曲弹簧钢片由多个钢制薄片组叠而成。
3.根据权利要求2所述的剪切型变刚度粘弹性装置，其特征在于：弯曲弹簧钢片的各个钢制薄片间内嵌粘弹性材料层。
4.根据权利要求1所述的剪切型变刚度粘弹性装置，其特征在于：所述连接块伸入所述刚性框架的中部位置，弯曲弹簧钢片包括对称设置在所述连接块左、右两侧的两组。
5.一种基于权利要求1~4中任一所述剪切型变刚度粘弹性装置的工作方法，其特征在于，装置两侧弯曲弹簧钢片曲率弯曲方向相反，使装置在双向剪切荷载中都由弹簧钢片弹性突跳发送拟屈服现象；
当所嵌入的构件发生剪切变形时，本装置的两个工作单元将相应发生错动，变形情况将决定本装置的工作状态：
小变形时，两个工作单元相对连接块发生较小的错动，连接两者的弯曲弹簧钢片发生形变从而吸收能量，同时连接块及刚性框架内一侧端部的弯曲弹簧钢片挤压该侧的粘弹性材料，进一步耗散能量，整个装置保持较大的刚度；
大变形时，两个工作单元相对连接块发生较大的错动，弯曲弹簧钢片受工作单元刚性刚性框架架和连接块的反向错动牵引，当错动位移达到一定值时，其凸向会突跳式地变为与原本朝向相反，两侧弯曲弹簧钢片会分别挤压和拉伸粘弹性材料层，在该过程中，装置整体的刚度产生显著变化，发送拟屈服现象，由此调整结构整体刚度，避开环境激励卓越频率区间，而在极大变形中，装置由曲率反向的弯曲弹簧片限位，保护粘弹性材料不发生过大变形。
6.根据权利要求5所述剪切型变刚度粘弹性装置的工作方法，其特征在于，根据结构的性能需求，当需要小幅调整本装置的刚度和阻尼力时，通过调整工作单元两端粘弹性材料层的厚度来实现。
7.根据权利要求5所述基于权利要求1所述剪切型变刚度粘弹性装置的工作方法，其特征在于，根据结构的性能需求，当需要大幅调整本装置的刚度和阻尼力时，通过调整工作单元中弯曲弹簧钢片的数量和弯曲程度来实现。
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