CN112814191A - 一种惯容式多向调谐型吸能减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程结构减振技术领域，具体涉及一种多向调谐型吸能减振装置。一种惯容式多向调谐型吸能减振装置，包括质量块、传动装置和旋转装置；所述质量块通过传动装置与旋转装置连接。本发明通过改变质量块结构形式以实现惯容效果、改进减振装置的质量调谐方式、提高减振装置的能量吸收与耗能的效率。

Description

一种惯容式多向调谐型吸能减振装置

技术领域

本发明属于工程结构减振技术领域，具体涉及一种多向调谐型吸能减振装置。

背景技术

近年来，随着社会经济发展，高层及超高层建筑大量涌现，高耸构筑物也得到大量建设。高层以及高耸结构由于其柔性大、阻尼低的特点，在强风和地震作用下传统设计方法难以较好的平衡经济性和抗震和抗风的需要。如何在进一步提高工程结构在外界激励作用下的安全性及达到使用功能要求的同时确保工程经济性，受到人们的广泛关注。

减振控制技术被认为是减轻工程结构振动响应的一种较为经济的技术手段，合理且有效的减振控制措施可适当减小高层、高耸结构在风振、地震等激励下的动力响应，在工程成本可控的前提下显著提高结构防灾能力。

传统调谐质量阻尼器（TMD）系统是由质量块、弹性元件和阻尼元件三大组件所组成的减振控制系统。当外力施加于主体结构时可带动调谐质量阻尼器系统一起振动，合理的调谐设计使得能量由主结构转移至质量块再由消能阻尼元件耗散，从而达到抑制主体结构振动的效果。

然而，现有主流的调谐质量阻尼器都是基于线性刚度和阻尼进行设计的，只能针对目标频率产生窄频带的吸振作用，鲁棒性差，无法有效满足实际情况中作用方向多维度性的减振要求。一旦主结构的振动频率与理论设计值出现一定偏差，或者主结构在地震作用或者动力作用下发生刚度退化等情况，则传统线性的调谐质量阻尼器的减振效果将显著降低。传统基于线性刚度和阻尼的调谐质量阻尼器为了提高减振效果，往往要求具备很大的调谐质量，或者通常需要搭配其他限位元件来控制它的行程，增加了设计和建造的成本，且适用范围较小，在实际工程中很难实现。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的传统调谐质量阻尼器（TMD）系统存在的缺陷，提供一种惯容式多向调谐型吸能减振装置。本发明的装置不仅可以减小所需质量块的质量，还可以控制多个方向的振动，以减小高层、高耸结构在风荷载、地震等作用下的动力响应，达到耗能减振的结果；本发明通过耦合调谐质量阻尼器系统和惯容系统，在不添加额外调谐质量的同时提高了系统的耗能效率，显著提升减振效果。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种惯容式多向调谐型吸能减振装置，包括质量块、传动装置和旋转装置；所述质量块通过传动装置与主体框架连接。

作为本发明的一种优选方式，所述的质量块包括若干转动圆盘、固定所述圆盘的中心转轴以及外部箱体。

进一步优选地，所述的旋转装置包括转盘，所述转盘通过连接杆转动连接滑动装置。

进一步优选地，所述的滑动装置包括环形槽、导杆及套装在所述导杆上的滑块，所述导杆的两端嵌在环形槽内，所述滑块与所述连接杆连接。

进一步优选地，所述的传动装置包括滚珠丝杆；所述滚珠丝杆安装在所述转盘上；所述丝杆的滚珠螺母通过齿轮啮合与所述转动圆盘的中心轴传动连接。

进一步优选地，所述质量块连接若干阻尼消能装置；所述的消能阻尼装置等间隔设置，一端固定在所述外轴承上，另一端连接转接杆。

进一步优选地，所述质量块与框架立柱之间设有第一弹簧；所述第一弹簧一端与框架立柱连接，另一端与转接杆连接。

进一步优选地，所述质量块与框架立柱之间设有第二弹簧，所述第二弹簧一端与框架立柱连接，另一端与外轴承连接。

进一步优选地，所述质量块的底部安装有全向轮。

本发明具有以下有益效果：

（1）在风荷载及地震作用下，结构产生较大幅度振动时，质量块能向平面内各个方向运动，实现了对结构的多向减振控制；

（2）箱体内部的质量单元设计为可旋转可拆卸的圆盘状。圆盘可根据被控制结构的频响特征与控制目标调整形状尺寸和个数，在做平动的同时自身发生旋转，利用圆盘的转动惯量实现暂时转动储能的目的，即为惯容。利用惯容元件的特性，将暂时储存的动能进一步被阻尼器吸收耗散，通过此方式提高减振耗能的效率；

（3）该装置在多个方向上的减振控制共用一个质量块，将质量块和惯容单元耦合为一体，都有效地减轻了减振装置的总质量，降低了对主结构产生的附加荷载；

（4）该装置对结构的多向减振控制，有效地解决由于载荷方向的不确定性而造成的结构安全问题；

（5）装置还具有结构简单、加工方便、便于安装、成本较低等特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的惯容式多向调谐型吸能减振装置立体图；

图2是本发明实施例提供的惯容式多向调谐型吸能减振装置主视图；

图3是本发明实施例提供的惯容式多向调谐型吸能减振装置侧视图；

图4是本发明实施例提供的惯容式多向调谐型吸能减振装置附视图；

图5是质量块剖面图；

图6是环形槽立体图；

图中：1、顶板；2、环形槽；3、导杆；4、连接杆；5、滑轮转盘；6、滚珠丝杆；7、第一伞状齿轮；8、第二伞状齿轮；9、质量块；10、第一弹簧；11、消能阻尼器；12、第二弹簧；13、箱体；14、全向轮；15、外轴承；16、中心转轴；17、转动圆盘；18、框架立柱；19转接杆。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

本实施例提供的惯容式多向调谐型吸能减振装置，结构如图1-4所示，主要包括：框架及安装在框架内的质量调谐装置和惯容装置。其中，框架由顶板1和支撑顶板1的四根框架立柱18组成，顶板1与框架立柱18固定连接。

质量调谐装置包括质量块9、消能阻尼器11、第二弹簧12、全向轮14。如图1和5所示，质量块9由箱体13、箱体外部的外轴承15、箱体内部的中心转轴16和安装在中心转轴16上的转动圆盘17组成。

箱体13由金属板或者增强纤维材料制成，形状为圆柱形，侧面设有两个对称的可供安装转动圆盘的开口。顶部中央设有安装孔，用于固定轴承。箱体13底部设有多个全向轮14，可使质量块在平面内沿任意方向运动。

质量块9内部设置有多个转动圆盘17。中心转轴16上每隔一段距离焊有用于支撑转动圆盘17的小平台。转动圆盘17由两个半圆盘拼成，每个半圆盘上设有安装孔，分别用螺栓连接固定在小平台上。可根据被控制结构的频响特征与控制目标，调节转动圆盘17的形状尺寸和数量，达到控制质量大小及转动惯量的目的，从而提高装置的泛用性。

中心转轴16上端设有参数合适的深沟球钢轴承，保证轴承内径、中心转轴16外径和第二伞状齿轮8外径均相同。

第二伞状齿轮8通过参数合适的深沟球钢轴承固定于箱体13顶部中央，轴承内径与第二伞状齿轮8外径相同，轴承内壁与伞状齿轮8焊接在一起，轴承外壁与箱体13通过焊接的方式连接。

如图1和6所示，惯容装置由环形槽2、滑轮转盘5、滚珠丝杆6、和转动圆盘17等组成。环形槽2固定在顶板1的下表面。环形槽2中嵌有带滑块的导杆3，滑块与下部连接杆4连接。导杆3可沿环形槽2转动，滑块可随下部构件的运动沿导杆3前后移动，使滑块可做平面运动。连接杆4与滑轮转盘5通过滚珠滑轮连接，使滑轮转盘5可绕连接杆4转动。

滚珠丝杆6安装在滑轮转盘5下方，滚珠丝杆6上的丝杆螺母套有第一伞状齿轮7，第一伞状齿轮7和第二伞状齿轮8啮合。第一伞状齿轮7可在滚珠丝杆6上沿着同一方向运动，第一伞状齿轮7沿滚珠丝杆6运动时带动第二伞状齿轮8转动。伞状齿轮8转动进而带动中心转轴16和转动圆盘17转动。

在第一弹簧10、消能阻尼器11及第二弹簧12两端的连接处分别焊接闭口小挂钩。四组第二弹簧12串联连接在框架立柱18和套在箱体13外的大轴承15上。四组第一弹簧10的一端连接框架立柱18，一端通过转接杆19并联连接消能阻尼器11和连接杆4转接杆19为一竖向的杆，其一侧下端与消能阻尼器11连接，上端与连接杆4连接，其另一侧与第一弹簧10连接。使连接杆4与消能阻尼器11先并联，再与第一弹簧10串联，第一弹簧10起增加自由度的作用。

消能阻尼器11一端连接转接杆19，一端连接外轴承15。每相邻两组第一弹簧和消能阻尼器夹角均为90度。若受到外部激励，质量块9向水平面内任意方向移动，引起第二弹簧12和第一弹簧10发生弹性变形，与转动圆盘17共同储能，进而由消能阻尼器11吸收耗散。

本实施例提供的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其工作原理简述如下：

受到外部激励时，质量块在平面内运动，同时滚珠丝杆在平面内相对中心转轴转动，二者发生相对运动，带动套在滚珠丝杆上的第一伞状齿轮转动，进而带动第二伞状齿轮；第二伞状齿轮带动中心转轴和转动圆盘转动，外部结构的能量转换为转动圆盘转动时的转动动能，并最终通过弹簧将其传递给阻尼单元，由此来实现惯容减振。

本实施例提供的惯容式多向调谐型吸能减振装置，调谐质量结构的频率由质量块9的表观质量与第二弹簧12的刚度进行控制，可根据被控制结构的频响特征与优化目标设计质量块的质量。惯容元件的惯性系数与其中转动圆盘17的形状尺寸和个数有关，可通过调节转动圆盘17的形状尺寸和个数来改变转动惯量，达到需要的惯容效果。质量块9同时作为质量调谐装置和惯容装置的组成部分，将调谐质量装置与惯容装置有机耦合在一起，转动圆盘17转动时对应的惯性力可用于储存外部结构的动能，并将其传递给阻尼单元，从而提高结构的耗能效率，减轻主结构的振动。本发明通过改变质量块结构以实现惯容效果、改进减振装置的质量调谐方式、提高减振装置的能量吸收与耗能的效率。

Claims (10)

1.一种惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：包括质量块、传动装置和旋转装置；所述质量块通过传动装置与旋转装置连接。

2.根据权利要求1所述的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：所述的质量块包括若干转动圆盘、固定所述转动圆盘的中心转轴。

3.根据权利要求2所述的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：所述的旋转装置包括转盘，所述转盘通过连接杆转动连接滑动装置。

4.根据权利要求3所述的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：所述的传动装置包括滚珠丝杆；所述滚珠丝杆安装在所述转盘上；所述丝杆的丝杆螺母通过齿轮传动与中心转轴连接。

5.根据权利要求3所述的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：所述的滑动装置包括环形槽、导杆及套装在所述导杆上的滑块，所述导杆的两端嵌在环形槽内，所述滑块与所述连接杆连接。

6.根据权利要求3所述的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：所述质量块包括箱体和套装在所述箱体外部的外轴承。

7.根据权利要求6所述的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：所述质量块连接若干消能阻尼装置；所述消能阻尼装置等间隔设置，一端固定在所述外轴承上，另一端连接转接杆。

8.根据权利要求7所述的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：所述质量块与框架立柱之间设有第一弹簧；所述第一弹簧一端与框架立柱连接，另一端与转接杆连接。

9.根据权利要求8所述的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：所述质量块与框架立柱之间设有第二弹簧，所述第二弹簧一端与框架立柱连接，另一端与外轴承连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的惯容式多向调谐型吸能减振装置，其特征在于：所述质量块的底部安装有全向轮。

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