CN112857722B - 一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置 - Google Patents

一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，包括与振动台连接的放大器基座，放大器基座向上连接多根高度可调的竖向支撑钢架，竖向支撑钢架之间连接多层质量块分布层，质量块分布层上设置质量块，每层质量块分布层上斜向连接多根变刚度阻尼杆，变刚度阻尼杆的两端分别与相邻的两根竖向支撑钢架连接；本发明通过调节放大器的刚度、质量和阻尼比，可以突破振动台输出峰值加速度的上限，实现更大峰值的加速度输出。

Description

一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置
技术领域
本发明涉及振动试验台加速度放大器技术领域，具体涉及一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置。
背景技术
振动台试验是研究各类工程动力学的重要手段，然而，由于场地或结构的放大效应，往往需要施加较大峰值加速度，例如，在峰值加速度0.4g地震作用下，风机顶部机舱可能承受5倍的地震放大效应，如果仅对机舱局部进行抗震试验，则需要的输入峰值加速度2g地震作用。事实上，极短工况下，一些高程建筑顶部、高陡边坡上部等遭受的水平加速度峰值可达3g以上，然而当前的振动台试验输出上限一般都在1.5g以内，无法满足试验要求。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，本发明通过调节放大器的刚度、质量和阻尼比，可以突破振动台输出峰值加速度的上限，实现更大峰值的加速度输出。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，其特征在于：包括与振动台连接的放大器基座，放大器基座向上连接多根高度可调的竖向支撑钢架，竖向支撑钢架之间连接多层质量块分布层，质量块分布层上设置质量块，每层质量块分布层上斜向连接多根变刚度阻尼杆，变刚度阻尼杆的中部可拆卸连接替换段，替换段为阻尼器或截面积不同的刚性杆，变刚度阻尼杆的两端分别与相邻的两根竖向支撑钢架连接。
进一步的：所述振动台通过多根单向螺栓与放大器基座相连接。
进一步的：所述放大器的顶面连接模型箱，放大器顶面和模型箱底面上对应设置多个螺栓孔，螺栓孔上穿设双头螺栓，放大器顶面通过双头螺栓与模型箱的底面相连接。
进一步的：所述竖向支撑钢架通过铰接或者刚接的形式与放大器基座和放大器顶面相连接。
进一步的：所述竖向支撑钢架高度为0.5～1.5m。
进一步的：所述变刚度阻尼杆的中部可拆卸连接替换段，替换段为阻尼器或截面积不同的刚性杆。
进一步的：所述质量块分布层上均匀并接近对称放置多个质量块。
进一步的：所述多根竖向支撑钢架在放大器基座上呈矩形并等间距排布。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明放大系数在振动台输出峰值加速度0.2g以下可以设定在10倍以内，在振动台输出峰值加速度超过0.6g后为保证安全可适当降低。本发明可通过质量块的布置、加装阻尼器的变刚度阻尼杆的数量和位置的布置以及加装不同截面积刚性杆的变刚度阻尼杆的数量和位置的布置，调节放大器的刚度、质量和阻尼比，基于结构动力放大效应，本发明可突破振动台输出峰值加速度的上限，实现更大峰值的加速度输出，满足各种地震工况下输入峰值加速度的要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的局部放大图；
图3是变刚度阻尼杆的结构示意图；
图4是变刚度阻尼杆与阻尼器的装配示意图；
图5是放大装置在振动台台面位置投影。
附图中的标记为：1-振动台；2-单向螺栓；3-放大器基座；4-质量块分布层；5-质量块；6-竖向支撑钢架；7-变刚度阻尼杆；8-双头螺栓；9-模型箱；10-刚性杆；11-阻尼器；12-方形布置台面位置投影区；13-矩形布置台面位置投影区；14-侧壁；15-放大器顶面；16-振动台台面中轴线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
如图1-图4所示，本发明提供的一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，包括与振动台1连接的放大器基座3，所述放大器基座3的应布置在振动台中心位置，且应尽量对称放置，防止试验过程中出现较大的倾覆力矩，试验前应校核整个放大系统的抗倾覆安全系数，放大器基座3向上连接多根高度可调的竖向支撑钢架6，竖向支撑钢架6为槽钢，竖向支撑钢架6之间连接多层质量块分布层4，质量块分布层4上设置质量块5，质量块分布层4将重力通过竖向支撑钢架6传递给振动台1台面，每层质量块分布层4上斜向连接多根变刚度阻尼杆7，变刚度阻尼杆7的两端分别与相邻的两根竖向支撑钢架6连接。
所述振动台1通过多根单向螺栓2与放大器基座3相连接。
所述放大器顶面15连接模型箱9，放大器顶面15和模型箱9底面上对应设置多个螺栓孔，螺栓孔上穿设双头螺栓8，放大器顶面15通过双头螺栓8与模型箱9的底面相连接，如果需要开展含有岩土体的试验，则还需要在模型箱9上设置侧壁14。所述双头螺栓8和单向螺栓2均通过扭力扳手进行固定。
所述竖向支撑钢架6通过铰接或者刚接的形式与放大器基座3和放大器顶面15相连接，在需要精确调整放大器频响区间时竖向支撑钢架6应设置为铰接的形式与放大器基座3和放大器顶面15相连接。
所述竖向支撑钢架6高度为0.5～1.5m。所述质量块分布层4上均匀并接近对称放置多个质量块5。当模型较小，质量块5无法布置在一层时，可以增加竖向支撑钢架6高度，将该放大器做成多层质量块分布层4，在每一层内布置质量块5，通过质量块5的布置，可实现放大器整体的质量调节。
所述变刚度阻尼杆7的中部可拆卸连接替换段，替换段为阻尼器11或截面积不同的刚性杆10，所述变刚度阻尼杆7的两端与竖向支撑钢架6螺纹连接，所述替换段两端与变刚度阻尼杆7螺纹连接，刚性杆10与变刚度阻尼杆7的材质相同。本发明必须保留一定数量的具有阻尼器11的变刚度阻尼杆7，保证试验过程中加速度不会过大导致模型共振失控。
通过对不同截面积的刚性杆10的连接、具体分布位置的调节以及设置的数量的不同，可实现放大器整体的刚度调节；将变刚度阻尼杆7中部替换段设置为阻尼器11，并对其具体分布位置的进行调节以及设置的数量的不同(即阻尼器11可根据需要仅加装在部分变刚度阻尼杆7上，也可在所有变刚度阻尼杆7上全部加装阻尼器11)，可实现放大器整体的阻尼调节。
所述多根竖向支撑钢架6在放大器基座3上呈矩形并等间距排布。放大器装置在设计之初应考虑上部试验模型尺寸，进而考虑放大器为方形布置台面位置投影12或者矩形布置台面位置投影13，一般地，为保证激震过程的稳定和安全，放大器应沿振动台台面中轴线16对称布置。
本发明模型总质量设计与所需加速度峰值负相关，即高峰值加速度对应惯性力大，试验中应减小模型质量。对不使用放大器的振动台1试验，模型最大质量小于振动台1最大负荷；对于使用放大器的振动台1试验，模型最大质量应小于振动台1最大负荷再除以对应的放大倍数。
上述的一种可变刚度、质量与阻尼的振动台1试验加速度放大装置的试验过程如下：
设计加速度放大器底面范围及高度：根据模型尺寸及质量大小设计加速度放大器，在满足试验要求的前提下尽可能将放大器底面范围做大，保障放大器基座3的稳固；
计算试验所需刚度及质量：根据质量体系动力运到方程，初步求解所需的总刚度及相应的质量，如果体系复杂，可通过动力有限元初步计算不同刚度、质量设计下放大器的放大效果，取最优方案进行放大器设计；
加工变刚度阻尼杆7两端及中间替换段：根据前述计算，初步加工变刚度阻尼杆7及中间的替换段，通过设计不同截面面积的刚性杆10实现变刚度阻尼杆7刚度的调节，中间替换段的设计应考虑阻尼器11的尺寸，便于试验过程中的替换连接；
加工放大器竖向支撑钢架6及质量块分布层4：将竖向支撑钢架6铰接或半铰接在放大器基座3和顶面上，竖向支撑钢架6中间设置质量块分布层4；
放置质量块5并调整空间位置：在质量块分布层4均匀对称放置质量块5，尽量调整质量块5均匀放置，避免偏心或质量过于集中；
将模型箱9固定在放大器的上部：通过放大器顶面15双头螺栓8实现放大器与模型箱9的固定；
安装无阻尼器11的变刚度阻尼杆7并测试模型基本频率：初步测试时应在较小幅值地震作用下开展测试，使用安装无阻尼器11的变刚度阻尼杆7和已经放置好的质量块5进行初步测试，估算模型基本频率，测定放大器频响区间；
安装具有阻尼器11的变刚度阻尼杆7并进行放大测试：将变刚度阻尼杆7的替换段调整为阻尼器11，调大振动台1的输出峰值，开展放大测试；
精细化调整放大器刚度、质量、阻尼：进一步微调放大器内部结构，局部对称调整放大器刚度、质量、阻尼，将输出加速度峰值控制在所需要精度，随后开展动力试验。
以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，其特征在于：包括与振动台连接的放大器基座，放大器基座向上连接多根高度可调的竖向支撑钢架，竖向支撑钢架之间连接多层质量块分布层，质量块分布层上设置质量块，每层质量块分布层上斜向连接多根变刚度阻尼杆，变刚度阻尼杆的中部可拆卸连接替换段，替换段为阻尼器或截面积不同的刚性杆，变刚度阻尼杆的两端分别与相邻的两根竖向支撑钢架连接。
2.根据权利要求1所述的一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，其特征在于：所述振动台通过多根单向螺栓与放大器基座相连接。
3.根据权利要求1所述的一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，其特征在于：所述放大器的顶面连接模型箱，放大器顶面和模型箱底面上对应设置多个螺栓孔，螺栓孔上穿设双头螺栓，放大器顶面通过双头螺栓与模型箱的底面相连接。
4.根据权利要求1所述的一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，其特征在于：所述竖向支撑钢架通过铰接或者刚接的形式与放大器基座和放大器顶面相连接。
5.根据权利要求1所述的一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，其特征在于：所述竖向支撑钢架高度为0.5～1.5m。
6.根据权利要求1所述的一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，其特征在于：所述质量块分布层上均匀并接近对称放置多个质量块。
7.根据权利要求1所述的一种可变刚度、质量与阻尼的振动台试验加速度放大装置，其特征在于：所述多根竖向支撑钢架在放大器基座上呈矩形并等间距排布。
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