CN112343393A - 放大型负刚度摩擦阻尼墙 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种放大型负刚度摩擦阻尼墙，属于振动控制技术领域。包括顶部钢板、底部摩擦板、侧板、氮气弹簧嵌套装置、预压氮气弹簧、光杆、直线轴承、传压板、轨道轮、二次杠杆系统、转杆、摩擦板、摩擦片；预压氮气弹簧弹力通过二次杠杆系统放大，放大后的弹力通过转杆挤压摩擦板,摩擦板底部镶嵌摩擦片与底部摩擦板产生摩擦力，当阻尼墙产生相对位移时，转杆产生沿水平分量的负刚度力，即形成负刚度阻尼。本发明应用于结构减振控制中，具有良好稳定的负刚度特性，通过降低结构的等效刚度，增大结构阻尼，实现控制结构位移和加速度响应的目的。

Description

放大型负刚度摩擦阻尼墙
技术领域
本发明涉及一种放大型负刚度摩擦阻尼墙，可应用于工程结构减振控制，属于振动控制技术领域。
背景技术
我国是一个地震频发的国家，地震发生时建筑物的倒塌是造成人员伤亡的主要原因，所以人们对房屋结构的抗震技术提出了更高的要求。目前，减震技术可以有效提高结构的抗震性能，但是传统的减震技术需要在较多楼层布置阻尼器，占用了大量的结构空间，影响了结构的使用。然而负刚度减震技术可以通过在结构底层布置阻尼器形成力学上的隔震层达到减少阻尼器使用数量的目的。放大型负刚度摩擦阻尼墙可以提供负刚度与阻尼，同时由于为墙体结构设计，可以安装在隔墙位置，增大建筑有效使用面积且节省建筑材料用量，即能满足新建筑的减震需求也可对既有建筑进行抗震加固改造，具有更广泛的适用性。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种放大型负刚度摩擦阻尼墙，用以解决建筑物减震、减少结构刚度以及抗震加固的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种放大型负刚度摩擦阻尼墙，所述阻尼墙包括顶部钢板、底部摩擦板、侧板、氮气弹簧嵌套装置、预压氮气弹簧、光杆、直线轴承、传压板、轨道轮、第一级杠杆、连接杆、第二级杠杆、转杆、摩擦板、摩擦片；顶部钢板、底部摩擦板与多块侧板围成外部墙体；所述预压氮气弹簧通过螺栓固定在氮气弹簧嵌套装置下部，所述氮气弹簧嵌套装置通过螺栓固定于顶部钢板上且四角固定有光杆，预压氮气弹簧端部挤压住一传压板，所述传压板四角装有直线轴承，直线轴承内插入有所述光杆；所述传压板底部与轨道轮通过预留孔位用螺母连接，传压板可挤压轨道轮，轨道轮上的凹槽与二次杠杆系统一端相切；所述二次杠杆系统由所述第一级杠杆通过连接杆与第二级杠杆构成，所述第一级杠杆和第二级杠杆相对的一端均通过螺栓固定且可自由转动；所述二次杠杆系统另一端通过转杆与摩擦板相连，所述转杆可传递由二次杠杆系统放大的预压氮气弹簧的弹力并挤压所述摩擦板，所述摩擦板底部焊接固定有多组摩擦片，用于与所述底部摩擦板产生摩擦力。
进一步地，所述传压板可通过直线轴承在光杆上自由竖直滑动。
进一步地，所述轨道轮的凹槽与所述第一级杠杆接触且相切，用以保证二次杠杆系统上下移动时轨道轮可沿第一级杠杆外沿自由滚动。
进一步地，所述二次杠杆系统中，所述第一级杠杆与第二级杠杆在安装后的初始位置平行且共面。
进一步地，所述连接杆与转杆在安装后的初始位置均分别垂直于所述摩擦板。
进一步地，所述阻尼墙安装于建筑结构上，所述阻尼墙的下端通过摩擦板上的耳板与建筑结构相连，所述阻尼墙的上端通过螺栓与建筑结构相连。
进一步地，所述侧板与底部摩擦板焊接连接。
进一步地，所述顶部钢板插入侧板预留开槽内并与之焊接固定。
进一步地，所述第一级杠杆与第二级杠杆的端部均通过一通长转轴固定于两侧的侧板上，用以实现二次杠杆系统的有效放大传力；所述转杆与第二级杠杆连接的转动固定位置位于所述连接杆与第二级杠杆通长转轴之间的偏下位置；所述连接杆与第一级杠杆连接的转动固定位置位于所述第一级杠杆通长转轴的偏左上侧位置。
进一步地，所述多组摩擦片为多边形，且相对对称设置。
本发明的实现方法为：对预压弹性元件通过二次杠杆进行弹力放大，对放大的弹力通过转杆施加到摩擦板，当摩擦板发生相对位移时，产生摩擦力与促使阻尼墙偏离平衡位置的负刚度力，继而实现负刚度阻尼滞回曲线。
相对于现有技术，本发明能够取得如下技术效果：
当阻尼墙安装于结构上时，下端通过摩擦板的耳板与结构相连，上端通过螺栓与结构固定相连。初始状态时预压氮气弹簧通过传压板与轨道轮挤压第一级杠杆对弹力进行第一次放大，放大后的弹力通过连接杆传到第二级杠杆进行第二次放大，二次放大后的弹力通过转杆传递并挤压摩擦板，当阻尼墙进入工作阶段时，摩擦板偏离平衡位置与底部摩擦板产生摩擦力，同时转杆发生倾斜产生促使阻尼墙偏离平衡位置的水平分量，从而形成具有负刚度特征的滞回曲线。
本发明可通过更改摩擦板的摩擦系数，氮气弹簧规格，氮气弹簧预压缩量，转杆长度，杠杆放大倍数对放大型负刚度摩擦阻尼墙的力学性能进行调节。可实现降低结构刚度的同时提高阻尼，可布置于减震结构较低楼层实现力学上的隔震层，相较于传统阻尼器减少了使用数量，具有非常广阔的应用前景。
该放大型负刚度摩擦阻尼墙具有以下优点：
1)负刚度特征明显，阻尼器行程长，力学性能稳定。
2)放大型负刚度摩擦阻尼墙力学特性可根据更改摩擦板的摩擦系数，氮气弹簧规格，氮气弹簧预压缩量，转杆长度，杠杆放大倍进行调节。
附图说明
图1是本发明放大型负刚度摩擦阻尼墙的主视图；
图2为图1的侧视图；
图3是本发明内部结构示意与局部放大图；
图4是本发明摩擦板与摩擦片安装示意图；
图5是顶部钢板结构示意图；
图6是底部摩擦板构构造图；
图7是预压氮气弹簧施压系统结构构造图；
图8是第一级杠杆结构构造图；
图9是连接杆结构构造图；
图10是第二级杠杆结构构造图；
图11是转杆结构构造图；
图12是侧板结构构造图；
图13是负刚度摩擦阻尼产生示意图；
图14是本发明放大型负刚度摩擦阻尼墙试验滞回曲线；
图中：1-顶部钢板、2-底部摩擦板、3-侧板、4-氮气弹簧嵌套装置、5-预压氮气弹簧、6-光杆、7-直线轴承、8-传压板、9-轨道轮、10-第一级杠杆、11-连接杆、12-第二级杠杆、13-转杆、14-摩擦板、15-摩擦片、16-水平分量、17-竖直分量、18-放大力。
具体实施方式
下面结合附图1-14对本发明的放大型负刚度摩擦阻尼墙的结构和使用原理进行进一步说明。
如图1-14所示，本发明的一种放大型负刚度摩擦阻尼墙，阻尼墙包括顶部钢板1、底部摩擦板2、侧板3、氮气弹簧嵌套装置4、预压氮气弹簧5、光杆6、直线轴承7、传压板8、轨道轮9、第一级杠杆10、连接杆11、第二级杠杆12、转杆13、摩擦板14、摩擦片15。如图1-2所示，顶部钢板1、底部摩擦板2与多块侧板3围成外部墙体。侧板3与底部摩擦板2焊接连接，顶部钢板1插入侧板3预留开槽内并与之焊接固定。如图3和图7所示，预压氮气弹簧5通过螺栓固定在氮气弹簧嵌套装置4下部，氮气弹簧嵌套装置4通过螺栓固定于顶部钢板1上且四角固定有光杆6，预压氮气弹簧5端部挤压住一传压板8，传压板8四角装有直线轴承7，直线轴承7内插入有光杆6。传压板8可通过直线轴承7在光杆6上自由竖直滑动。
如图3所示，传压板8底部与轨道轮9通过预留孔位用螺母连接，传压板8可挤压轨道轮9，轨道轮9上的凹槽与二次杠杆系统一端相切。二次杠杆系统由第一级杠杆10通过连接杆11与第二级杠杆12构成，第一级杠杆10和第二级杠杆12相对的一端均通过螺栓固定且可自由转动。如图4所示，二次杠杆系统另一端通过转杆13与摩擦板14相连，转杆13可传递由二次杠杆系统放大的预压氮气弹簧5的弹力并挤压摩擦板14，摩擦板14底部焊接固定有多组摩擦片15，用于与底部摩擦板2产生摩擦力。多组摩擦片15为多边形，且相对对称设置。
如图3以及图8-11所示，其中，轨道轮9的凹槽与第一级杠杆10接触且相切，用以保证二次杠杆系统上下移动时轨道轮9可沿第一级杠杆10外沿自由滚动。第一级杠杆10与第二级杠杆12在安装后的初始位置平行且共面。连接杆11与转杆13在安装后的初始位置均分别垂直于摩擦板14。本实例中，第一级杠杆10与第二级杠杆12的端部均通过一通长转轴固定于两侧的侧板3上，用以实现二次杠杆系统的有效放大传力。转杆13与第二级杠杆12连接的转动固定位置位于连接杆11与第二级杠杆12通长转轴之间的偏下位置。连接杆11与第一级杠杆10连接的转动固定位置位于第一级杠杆10通长转轴的偏左上侧位置。
本实施例的阻尼墙安装于建筑结构上，阻尼墙的下端通过摩擦板14上的耳板与建筑结构相连，阻尼墙的上端通过螺栓与建筑结构相连。
装配时，需在光杆6下部预留螺纹，通过在螺纹处拧紧螺母挤压传压板8，使传压板8向上移动挤压氮气弹簧5，从而使氮气弹簧5得到预压，当装配好二次杠杆系统并使轨道轮9与第一级杠杆10相切时，释放螺栓，使放大后的弹力传递到摩擦板14。
初始状态时预压氮气弹簧5通过传压板8与轨道轮9挤压第一级杠杆10对弹力进行第一次放大，通过连接杆11将放大的弹力传到第二级杠杆12进行第二次放大，放大后的弹力通过转杆13传递并挤压摩擦板14；当阻尼墙进入工作阶段时，摩擦板14偏离平衡位置同时转杆13产生竖直分量产生摩擦力，并产生水平分量的负刚度力如图13所示，形成具有负刚度特征的滞回曲线。其实施例的滞回曲线如图14所示，可以看出阻尼墙在工作过程中表现为明显的负刚度。此外，本发明的力学性能可通过更改摩擦板的摩擦系数，氮气弹簧规格，氮气弹簧预压缩量，转杆长度，杠杆放大倍进行调节。
上述实施例只是为了更清楚说明本发明的技术方案做出的列举，并非对本发明的限定，本领域的普通技术人员根据本领域的公知常识对本申请技术方案的变通亦均在本申请保护范围之内，总之，上述实施例仅为列举，本申请的保护范围以所附权利要求书范围为准。

Claims (10)

1.一种放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述阻尼墙包括顶部钢板(1)、底部摩擦板(2)、侧板(3)、氮气弹簧嵌套装置(4)、预压氮气弹簧(5)、光杆(6)、直线轴承(7)、传压板(8)、轨道轮(9)、第一级杠杆(10)、连接杆(11)、第二级杠杆(12)、转杆(13)、摩擦板(14)、摩擦片(15)；顶部钢板(1)、底部摩擦板(2)与多块侧板(3)围成外部墙体；所述预压氮气弹簧(5)通过螺栓固定在氮气弹簧嵌套装置(4)下部，所述氮气弹簧嵌套装置(4)通过螺栓固定于顶部钢板(1)上且四角固定有光杆(6)，预压氮气弹簧(5)端部挤压住一传压板(8)，所述传压板(8)四角装有直线轴承(7)，直线轴承(7)内插入有所述光杆(6)；所述传压板(8)底部与轨道轮(9)通过预留孔位用螺母连接，传压板(8)可挤压轨道轮(9)，轨道轮(9)上的凹槽与二次杠杆系统一端相切；所述二次杠杆系统由所述第一级杠杆(10)通过连接杆(11)与第二级杠杆(12)构成，所述第一级杠杆(10)和第二级杠杆(12)相对的一端均通过螺栓固定且可自由转动；所述二次杠杆系统另一端通过转杆(13)与摩擦板(14)相连，所述转杆(13)可传递由二次杠杆系统放大的预压氮气弹簧(5)的弹力并挤压所述摩擦板(14)，所述摩擦板(14)底部焊接固定有多组摩擦片(15)，用于与所述底部摩擦板(2)产生摩擦力。
2.根据权利要求1所述的放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述传压板(8)可通过直线轴承(7)在光杆(6)上自由竖直滑动。
3.根据权利要求1所述的放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述轨道轮(9)的凹槽与所述第一级杠杆(10)接触且相切，用以保证二次杠杆系统上下移动时轨道轮(9)可沿第一级杠杆(10)外沿自由滚动。
4.根据权利要求1所述的放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述二次杠杆系统中，所述第一级杠杆(10)与第二级杠杆(12)在安装后的初始位置平行且共面。
5.根据权利要求4所述的放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述连接杆(11)与转杆(13)在安装后的初始位置均分别垂直于所述摩擦板(14)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述阻尼墙安装于建筑结构上，所述阻尼墙的下端通过摩擦板(14)上的耳板与建筑结构相连，所述阻尼墙的上端通过螺栓与建筑结构相连。
7.根据权利要求1所述的放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述侧板(3)与底部摩擦板(2)焊接连接。
8.根据权利要求1所述的放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述顶部钢板(1)插入侧板(3)预留开槽内并与之焊接固定。
9.根据权利要求1所述的放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述第一级杠杆(10)与第二级杠杆(12)的端部均通过一通长转轴固定于两侧的侧板(3)上，用以实现二次杠杆系统的有效放大传力；所述转杆(13)与第二级杠杆(12)连接的转动固定位置位于所述连接杆(11)与第二级杠杆(12)通长转轴之间的偏下位置；所述连接杆(11)与第一级杠杆(10)连接的转动固定位置位于所述第一级杠杆(10)通长转轴的偏左上侧位置。
10.根据权利要求1所述的放大型负刚度摩擦阻尼墙，其特征在于：所述多组摩擦片(15)为多边形，且相对对称设置。
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