CN112878527B - 一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，包括气弹簧、质量块单元、滑轨和固定支架，所述滑轨固定设置在底板上，所述质量块单元滑动设置在所述滑轨上，所述气弹簧设有一对，通过所述固定支架设置在所述底板上的预定位置，且对称位于所述质量块单元的两侧，所述气弹簧进行预压后其端部与所述质量块单元连接。所述气弹簧能够实现刚度与阻尼一体的功能，简化TMD的配置，大幅降低后期系统维护费用，提出的非线性阻尼器具有两阶段减振机制，相比传统TMD，其减振频带较宽，且工作冲程更短，优势显著，弥补了传统TMD的空间局限性缺陷。

Description

一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器。

背景技术

结构振动控制技术被公认为是一种抑制结构不良振动的有效手段，无论是地震还是风荷载激励。其中，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)作为一种成熟的定量设计方法，被广泛用于实际工程结构减振，例如，台北101大楼，上海中心等。然而，传统的调谐质量阻尼技术存在自身缺陷，主要体现在减振频带较窄、工作行程较大，这也极大的限制了实际工程应用。因此，相关学者将非线性机理引入传统的TMD中，以克服其固有缺陷，例如，SMA-TMD，Pounding-TMD等，这些阻尼器均表现出良好的减振性能。由此可见，在线性TMD系统引入非线性机制可以有效的提高阻尼系统控制性能，可靠性良好。

1847年，John Lewis最先提出了气弹簧(Gas spring)的概念，后续被广泛应用于机械、航空航天等领域。气弹簧是一种充满压缩气体的密封容器，主要依靠非线性回复力来实现其弹性效应。目前，气弹簧在机械等领域通常被用做缓冲和隔离元件，例如提高汽车悬架系统的舒适性，减振精密仪器和机械设备的振动，在这些方面气弹簧表现出了优异的非线性性能。

因此，将气弹簧引入结构振动控制领域，结合传统调谐质量阻尼技术研发新型阻尼系统是一项非常有潜力的工作。

发明内容

本发明的目的就是为了进一步改善结构振动控制效果，提供一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，本发明提供的非线性气弹簧调谐质量阻尼器，通过调谐功能将主结构的振动能量传递至阻尼系统，进而利用黏滞阻尼系统将能量耗散。所提出的新型气弹簧是刚度和阻尼一体功能，且弹簧刚度具有强非线性特性，该非线性阻尼器抑制地震和风振效果显著，相比于传统的TMD，其减振频带较宽，工作冲程更短。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，包括气弹簧、质量块单元、滑轨和固定支架，所述滑轨固定设置在底板上，所述质量块单元滑动设置在所述滑轨上，所述气弹簧设有一对，通过所述固定支架设置在所述底板上的预定位置，且对称位于所述质量块单元的两侧，所述气弹簧进行预压后其端部与所述质量块单元连接。

所述气弹簧能够实现刚度与阻尼一体的功能，简化TMD的配置，大幅降低后期系统维护费用，提出的非线性阻尼器具有两阶段减振机制，相比传统TMD，其减振频带较宽，且工作冲程更短，优势显著，弥补了传统TMD的空间局限性缺陷。

进一步地，所述的气弹簧包括气弹簧腔体和阻尼腔体，所述气弹簧腔体和阻尼腔体内分别设有活塞和活塞杆，并通过活塞杆与所述质量块单元连接，所述阻尼腔体内的活塞带孔。

所述气弹簧包括气弹簧腔体和阻尼腔体两部分，可实现刚度与阻尼一体的功能，气弹簧腔体的活塞一侧充满气体，一侧与外界连通，可在弹性回复力下自由运动，阻尼腔体内部充满阻尼介质，活塞带孔，运动过程中介质流经圆孔产生阻尼力。

所述的气弹簧刚度和回复力具有强非线性特性，明显区别于普通线性钢弹簧，是核心构件。

进一步地，所述的气弹簧腔体内部气体可以是空气、氮气或氦气，按需选择，刚度大小与气压关系密切，可根据理想气体状态方程推算，仅活塞1-2一侧有气体，另一侧与外界联通；

进一步地，所述的阻尼腔体内部的阻尼介质包括油性介质，按需选择，相关阻尼系数的设定可通过公式计算，活塞为带孔圆环形活塞，液体可经孔流动。

进一步地，所述气弹簧为同心圆筒，所述阻尼腔体套设在所述气弹簧腔体外，中间圆筒腔体为气弹簧，外部圆环腔体为阻尼腔体。

进一步地，所述气弹簧腔体和阻尼腔体的活塞杆端部通过套管连接件连接，进行同步运动。

进一步地，所述质量块单元包括质量块以及底部的滑块，所述质量块用螺栓安装在滑块上方，所述气弹簧进行预压后将端部嵌入所述质量块的中间位置。

进一步地，所述固定支架包括中间支架和边缘支架。

进一步地，所述中间支架由上盖板、中空U型板及底板组成，上盖板用于固定气弹簧，气弹簧卡在U型板中间，底板开矩形洞，架在滑轨上，底板带有螺栓孔，用于固定；所述边缘支架由开槽U型板和底板组成，槽深为板厚的1/2，底板带有螺栓孔，用于固定。

进一步地，所述的质量块为工字型钢构件，中间开洞，用于连接气弹簧，底板开孔，固定于滑轨。

本发明提出了一种刚度和阻尼一体的新型活塞式气弹簧，在此基础上，利用新型气弹簧取代原有的钢弹簧和黏滞阻尼器，形成了一种新型组合减振技术，即非线性气弹簧调谐质量阻尼器(Nonlinear Gas Spring Tuned Mass Damper,NGSTMD)。

由于气弹簧的力学特性具有很强的非线性，并且随着弹簧工作距离的增加，非线性特性变得越来越强。因此，NGSTMD的工作状态随激励强度的变化在两级阻尼机制之间灵活转换。具体而言：1)当阻尼系统响应较小时，气弹簧处于近似线性工作状态，其工作机理与传统钢弹簧基本一致，通过调谐功能将振动能量从主结构传递到阻尼系统，进而由阻尼单元耗散能量。2)当响应较大时，质量块的工作距离急剧增大，NGSTMD进入非线性工作阶段。由于气弹簧的非线性刚度可以提供非线性恢复力，因此所提出的阻尼器系统具有非恒定的固有频率，阻尼器可以与结构的一系列主要模态发生共振，从而扩大其减振频带，也就是所谓的“瞬态共振捕捉”效应。

本发明专利的创新性主要体现在两点：一方面，提出了一种刚度和阻尼一体的新型气弹簧，简化TMD的配置，大幅降低后期系统维护费用；另一方面，所提出的新型非线性阻尼器具有两阶段减振机制，相比传统TMD，其减振频带较宽，且工作冲程更短，优势显著，弥补了传统TMD的空间局限性缺陷。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明提出了一种刚度和阻尼一体的新型气弹簧，大大的简化TMD的配置，有效降低后期系统维护费用；

2)本发明提出的新型气弹簧具有强非线性特性，所提出的阻尼器系统具有非恒定的固有频率，能够实现“瞬态共振捕捉”效应，其减振频带较TMD更宽；

3)本发明所提出的新型非线性阻尼器具有两阶段减振机制，即随激励强度的变化呈现不同的减振机理，其减振性能更优于TMD；

4)本发明所提出的新型非线性阻尼器的回复力具有强非线性，其质量块的工作冲程优势较TMD更为显著；

5)本发明对风荷载或/和地震作用等均有良好的控制效果，安装位置灵活，应用新型气弹簧代替原有普通钢弹簧，降低阻尼器工作过程中的噪音，适用于高层建筑和高耸结构，能够产生较好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为非线性气弹簧调谐质量阻尼器的结构示意图；

图2为阻尼器气弹簧示意图；

图3、4分别为图2中A-A及B-B的断面示意图；

图5、6、7分别为阻尼器质量块的正视图、侧视图及俯视图；

图8、9为阻尼器滑轨的正视图及俯视图；

图10、11、12为阻尼器中间支架的正视图、侧视图及俯视图；

图13、14、15为阻尼器边缘支架的正视图、侧视图及俯视图；

图中：1为气弹簧、2为质量块、3为滑轨、4为中间支座、5为边缘支座；1-1为气弹簧腔体，1-2为气弹簧的活塞与活塞杆，1-3为阻尼腔体，1-4为阻尼腔体的活塞和活塞杆，1-5为活塞杆端部的套管连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，包括新型气弹簧1、质量块2、滑轨3、中间支架4和边缘支架5。其中，新型气弹簧1具备刚度和阻尼一体机制，构造为同心圆筒，如图2-4，中间圆筒腔体1-1为气弹簧，1-2为气弹簧的活塞与活塞杆，圆环腔体1-3为阻尼腔体，1-4为阻尼腔体的活塞和活塞杆，活塞杆端部的1-5为套管连接件；如图5-7，质量块2构造为工字型钢，整体铣削而成，中间腹板带有孔，与气弹簧1连接，下翼缘板有螺栓孔与滑轨3连接；如图8、9，滑轨3由滑块和导轨组成；如图10-12，中间支架4由上盖板、中空U型板及底板组成，底板下端开洞，且底板带有螺栓孔；如图13-15，边缘支架5构造类似中间支架4，区别在于，无上盖板，中间板开U型槽，槽深为板厚的一半，底板不开洞。

本实施例中，所述新型气弹簧1既能够提供系统所需刚度，又能够提供黏滞阻尼，并且刚度呈强非线性，整体构造为同心圆筒，其中，中间圆筒腔体1-1为气弹簧，活塞一侧充满气体(氮气、氦气或者空气)，一侧与外界连通；圆环腔体1-3为阻尼腔体，其内部充满阻尼介质，活塞1-4为圆环型带孔活塞，活塞运动时介质可经孔流动；套管连接件1-5主要用于连接活塞杆。

本实施例中，所述质量块2形状为工字型，腹板中间开圆形孔，可以嵌入气弹簧1的活塞杆端，底板斜对称开孔，减少质量损失，用于连接滑轨3。

本实施例中，所述滑轨3由滑块和导轨组成，滑块上部有螺栓孔，便于安装质量块2.

本实施例中，所述中间支架4由上盖板、中空U型板及底板组成，上盖板用于固定气弹簧1，气弹簧1卡在U型板中间，底板开矩形洞，可架在滑轨3上底板带有螺栓孔，用于固定。

本实施例中，所述边缘支架5由开槽U型板和底板组成，槽深为板厚的1/2，底板带有螺栓孔，用于固定。

具体使用时，将滑轨3、中间支架4和边缘支架5装配于底板，利用支架4和5将气弹簧1固定在预先设定的位置，质量块2用螺栓安装在滑块上方，气弹簧1进行预压后将端部嵌入质量块2的中间位置。

当地震和风荷载激励时，非线性阻尼系统开始工作，将主结构的能量传递至阻尼系统，质量块2沿滑轨3来回滑动，带动气弹簧1的活塞杆左右运动。其中，气弹簧的活塞及活塞杆1-2压缩气弹簧腔体1-1内的气体，产生系统所需的弹性回复力；与此同时，阻尼腔体的活塞和活塞杆1-4在阻尼腔体1-3中来回运动，腔体内的阻尼介质流经活塞上的圆孔，进而产生阻尼力。也就说，阻尼系统通过调谐功能将主结构振动能量传递至阻尼系统，带动质量块2运动，进而阻尼腔体1-3的活塞运动，利用阻尼介质流动的黏滞阻尼进一步将能量耗散。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，包括气弹簧、质量块单元、滑轨和固定支架，所述滑轨固定设置在底板上，所述质量块单元滑动设置在所述滑轨上，所述气弹簧设有一对，通过所述固定支架设置在所述底板上的预定位置，且对称位于所述质量块单元的两侧，所述气弹簧进行预压后其端部与所述质量块单元连接；

所述的气弹簧包括气弹簧腔体和阻尼腔体，所述气弹簧腔体和阻尼腔体内分别设有活塞和活塞杆，并通过活塞杆与所述质量块单元连接，所述阻尼腔体内的活塞带孔；

所述气弹簧为同心圆筒，所述阻尼腔体套设在所述气弹簧腔体外，中间圆筒腔体为气弹簧，外部圆环腔体为阻尼腔体；

所述气弹簧腔体和阻尼腔体的活塞杆端部通过套管连接件连接，进行同步运动。

2.根据权利要求1所述的一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的气弹簧腔体内部气体可以是空气、氮气或氦气。

3.根据权利要求1所述的一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的阻尼腔体内部的阻尼介质包括油性介质。

4.根据权利要求1所述的一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述质量块单元包括质量块以及底部的滑块，所述质量块用螺栓安装在滑块上方，所述气弹簧进行预压后将端部嵌入所述质量块的中间位置。

5.根据权利要求1所述的一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述固定支架包括中间支架和边缘支架。

6.根据权利要求5所述的一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述中间支架由上盖板、中空U型板及底板组成，上盖板用于固定气弹簧，气弹簧卡在U型板中间，底板开矩形洞，架在滑轨上，底板带有螺栓孔，用于固定；所述边缘支架由开槽U型板和底板组成，槽深为板厚的1/2，底板带有螺栓孔，用于固定。

7.根据权利要求1所述的一种非线性气弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的质量块为工字型钢构件，中间开洞，用于连接气弹簧，底板开孔，固定于滑轨。

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