CN113833149A - 一种调谐惯质阻尼支座 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调谐惯质阻尼支座，包含均位于第一安装板和第二安装板之间的位移相关型隔震装置、速度相关型阻尼器和限位止挡，所述速度相关型阻尼器并联有弹簧元件并串联有惯容器，所述限位止挡的限位方向垂直于所述速度相关型阻尼器的变形方向。本装置采用两种耗能装置共同耗能，并且在较小位移时能进行自复位，较大作用力时能产生较大的阻尼力进行耗能，惯容器能够提高支座的耗能效果；同时，通过增设所述弹簧元件来使耗能组件的频率调整至主结构频率附近进一步提高耗能能力；另外，还能够实现双向的位移变形限制，本装置能够在不增加位移变形的前提下有效提高支座的耗能效果，结构简单，占用空间小，可靠性好，具有广泛的应用前景。

Description

一种调谐惯质阻尼支座
技术领域
本发明涉及结构减隔震技术领域，特别涉及一种调谐惯质阻尼支座。
背景技术
从历史来看，每次大规模地震都会造成严重的结构破坏和人员伤亡。如何使结构在地震作用下减小损伤甚至不发生损伤是工程抗震研究者的一个重要的研究内容。结构从最开始的“抗震”发展到现在的“减隔震”。减隔震技术能够明显减小结构在地震作用下的响应，但随着建筑结构的高度和桥梁结构的跨度不断提高，对桥梁或建筑减隔震也提出更高的要求。
支座作为连接上部结构和下部结构的重要部件，一方面起到竖向支撑的作用，另一方面则起到水平向变形耗能的作用。但仅凭支座减震耗能难以满足结构的地震需求，因此对于大跨度桥梁或高层隔震建筑通常需要在纵向设置阻尼器装置，但阻尼器和支座需要分别安装，施工复杂。支座和传统阻尼器的滞回耗能与其相对变形有关，当变形较大时，容易引起主梁震后的永久性位移，造成震后难以修复。当支座变形较小时，耗散能力差，下部结构内力较大，增加了桥墩进入塑性破坏的风险。其次，传统的阻尼器耐久性差，容易发生漏油而导致阻尼失效。
因此，如何进一步提高目前的减隔震装置，如何将支座和阻尼装置进行合理设计，如何在结构变形较小时耗散较多的能量，如何提高阻尼器的耐久性，是亟需探索的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的支座为提高耗能性能必须提高结构变形能力，容易造成主梁震后的永久性位移而难以修复的上述不足，提供一种调谐惯质阻尼支座。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种调谐惯质阻尼支座，包含：
位移相关型隔震装置，设于第一安装板和第二安装板之间；
速度相关型阻尼器，并联有弹簧元件并串联有惯容器，所述速度相关型阻尼器和惯容器分别连接所述第一安装板和第二安装板；
限位止挡，设于所述第一安装板和第二安装板之间，所述限位止挡的限位方向垂直于所述速度相关型阻尼器的变形方向。
在桥梁上使用时，所述速度相关型阻尼器的变形方向宜沿纵桥向设置。
采用本发明所述的一种调谐惯质阻尼支座，包含位移相关型隔震装置和速度相关型阻尼器两种耗能装置，在第一安装板和第二安装板发生相对位移时，二者能够共同耗能，并且所述位移相关型隔震装置能够便于针对因温度变化产生的较小位移进行自复位，所述速度相关型阻尼器能够便于在地震作用下产生较大的阻尼力进行耗能，二者结合能够起到混合耗能的双重耗能效果；在速度相关型阻尼器上串联有惯容器，而惯容器具有负刚度效应，在第一安装板和第二安装板发生位移时，能够对所述速度相关型阻尼器两端的相对位移起到放大作用，从而提高所述速度相关型阻尼器的耗能效果，进而提高支座的耗能效果；同时，所述速度相关型阻尼器还并联有所述弹簧元件，所述弹簧元件根据需要进行选用设置，通过增设所述弹簧元件来使耗能组件的频率调整至主结构频率附近，从而使支座能够耗散更多能量；另外，还配设有限位方向与耗能方向垂直的所述限位止挡，与所述惯容器分别实现双向的位移限制，本装置能够在不增加位移变形的前提下有效提高支座的耗能效果，结构简单，占用空间小，可靠性好，具有广泛的应用前景。
优选的，所述惯容器为滚珠丝杠式惯容器。
进一步优选的，所述惯容器包含第一丝杠和第一外筒，所述第一丝杠上套设有第一螺母，所述第一螺母外侧套设有飞轮，所述飞轮两侧均设有第一推力轴承，所述第一推力轴承远离所所述飞轮一侧具有连接板，所述连接板固定连接所述第一外筒。
采用上述设置方式，两侧的所述第一推力轴承能够限制所述飞轮和第一螺母的直线运动，使其只能进行旋转运动，大大提高工件工作的灵活性，使用较小力道，方可带动工件直接驱动，滚动噪音低，惯性小，利于避免丝杆自重引起的下垂，保证装置长期使用的可靠性。
进一步优选的，所述第一丝杠穿设连接惯容器安装座，所述惯容器安装座的安装孔与第一丝杠之间具有橡胶圈。
采用上述设置方式，能够当支座发生竖向或横向位移时，在一定程度上能够保护惯容器的丝杠或阻尼器的活塞杆不发生屈曲，从而有效保护惯容器和阻尼器，提高装置的耐久性，利于降低维保成本。
优选的，所述限位止挡包含限位槽和挡块，所述挡块的长度大于所述限位槽的长度，初始状态下，所述挡块与所述限位槽槽壁均有间隙。
进一步优选的，所述挡块和所述限位槽槽壁均设有缓冲层。
设置的所述缓冲层具有较好的缓冲能力，对所述挡块自身起到了很好的保护作用，延长装置使用寿命。
优选的，所述位移相关型隔震装置为板式橡胶支座，所述速度相关型阻尼器为电涡流阻尼器。
进一步优选的，所述板式橡胶支座为矩形叠层橡胶支座。
以更好的增加支座的承压面积和承载能力。
进一步优选的，所述板式橡胶支座相对两侧分别设有一个所述电涡流阻尼器，两个所述电涡流阻尼器的变形方向相同，所述电涡流阻尼器为滚珠丝杠式电涡流阻尼器，所述电涡流阻尼器包含第二丝杠和第二外筒，所述第二丝杠上套设有第二螺母，所述第二螺母外侧套设有导体圆盘，所述导体圆盘两侧具有背铁，所述背铁朝向所述导体圆盘的一侧设有永磁体，所述第二螺母与背铁之间具有第二推力轴承，所述背铁连接所述第二外筒，所述第二丝杠通过法兰连接所述惯容器，所述弹簧元件套设于所述第二丝杠伸出所述第二外筒以外部分的外侧，所述弹簧元件一端连接于所述第二外筒、另一端连接于所述惯容器。
所述电涡流阻尼器采用双边布置，所述第二推力轴承也能限制所述第二螺母的直线运动，使其只能进行旋转运动。
进一步优选的，通过如下步骤设计：
根据竖向承载力确定所述板式橡胶支座的厚度和承压面积，得到所述板式橡胶支座的水平向剪切刚度k1；
根据调谐惯质阻尼支座的安装空间和上部结构质量m1确定所述惯容器的表观质量me，质量比μ＝me/m1，μ取0.001～0.2；
根据质量比μ和板式橡胶支座的水平向剪切刚度k1，确定所述弹簧元件的最优弹簧刚度ke和所述电涡流阻尼器的最优阻尼ce，
其中，
Figure BDA0003309239480000041
采用上述设计方法设计的调谐惯质阻尼支座，在使用时可直接根据竖向承载力选取，即已知上部结构质量的情况下直接确定最优隔震效果的支座。相较于现有技术中确定支座后再优化阻尼器的传统设计过程，本发明有效节省了单独对支座和阻尼器进行分别选型和对阻尼器进行设计的过程，提高了工程效率，在提高隔震耗能的同时降低了时间和额外设计所带来的成本。
综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用本发明所述的一种调谐惯质阻尼支座，两种阻尼器能够共同耗能，并且较小位移时能进行自复位，较大作用力时能产生较大的阻尼力进行耗能，利用放大所述速度相关型阻尼器两端的相对位移，从而提高其耗能效果，进而提高支座的耗能效果；同时，通过增设所述弹簧元件来使耗能组件的频率调整至主结构频率附近进一步提高耗能能力；另外，还能够实现双向的位移变形限制，本装置能够在不增加位移变形的前提下有效提高支座的耗能效果，结构简单，占用空间小，可靠性好，具有广泛的应用前景。
2、有效提高了支座的耐久性，利于降低维保成本。
3、在使用时可直接根据竖向承载力选取所需的调谐惯质支座，即已知上部结构质量的情况下直接确定最优隔震效果的支座。相较于现有技术中确定支座后再优化阻尼器的传统设计过程，有效节省了单独对支座和阻尼器进行分别选型和对阻尼器进行设计的过程，提高了工程效率，在提高隔震耗能的同时降低了时间和额外设计所带来的成本。
附图说明：
图1为实施例1的一种调谐惯质阻尼支座的结构示意图；
图2为图1中沿限位方向的剖视图；
图3为实施例1的惯容器的结构爆炸示意图；
图4为实施例1的电涡流阻尼器的结构爆炸示意图。
图中标记：1-第一安装板，2-第二安装板，3-位移相关型隔震装置，4-速度相关型阻尼器，41-第二丝杠，42-第二外筒，43-第二螺母，44-导体圆盘，45-背铁，46-永磁体，47-第二推力轴承，5-弹簧元件，6-惯容器，61-第一丝杠，62-第一外筒，63-第一螺母，64-飞轮，65-第一推力轴承，66-惯容器安装座，67-橡胶圈，71-限位槽，72-挡块，73-缓冲层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1-4所示，本发明所述的一种调谐惯质阻尼支座，包含第一安装板1和第二安装板2，所述第一安装板1和第二安装板2之间设有位移相关型隔震装置3和速度相关型阻尼器4，如调谐惯质阻尼支座安装在桥梁结构上，所述速度相关型阻尼器4的变形方向沿纵桥向设置，所述第一安装板1和第二安装板2分别连接梁体和墩体，当梁体和墩体发生相对位移时，两种阻尼器能够共同耗能，所述位移相关型隔震装置3能够便于针对因温度变化产生的较小位移进行自复位，所述速度相关型阻尼器4能够便于在地震作用下产生较大的阻尼力进行耗能。所述位移相关型隔震装置3如为板式橡胶支座、摩擦摆支座和铅芯橡胶支座等，所述速度相关型阻尼器4如为粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器，优选的，所述位移相关型隔震装置3为板式橡胶支座，所述速度相关型阻尼器4为电涡流阻尼器，不会产生漏油现象，提高了阻尼装置的耐久性。所述电涡流阻尼器并联有弹簧元件5还串联有惯容器6，串联的所述惯容器6用于放大电涡流阻尼器的位移，进而提高耗能效果，并联的所述弹簧元件5用于使耗能组件的频率调整至主结构频率附近，从而使支座能够耗散更多能量，另外，所述第一安装板1和第二安装板2之间还设有用于控制横桥向位移的限位止挡，提高了地震作用下对主梁的位移限制。
所述板式橡胶支座的顶板和底板分别连接所述第一安装板1和第二安装板2，可采用粘结或螺栓连接，优选为矩形叠层橡胶支座，以更好的增加支座的承压面积和承载能力。所述板式橡胶支座位于所述调谐惯质阻尼支座的中心部位。
所述电涡流阻尼器位于所述板式橡胶支座的相对两侧，两个所述电涡流阻尼器的变形方向相同，优选的，所述电涡流阻尼器为滚珠丝杠式电涡流阻尼器，如图4所示，所述电涡流阻尼器包含第二丝杠41和第二外筒42，所述第二丝杠41上套设有第二螺母43，所述第二螺母43外侧套设有导体圆盘44，所述导体圆盘44两侧具有背铁45，所述背铁45朝向所述导体圆盘44的一侧设有永磁体46，所述第二螺母43与背铁45之间具有第二推力轴承47，所述背铁45连接所述第二外筒42，所述第二丝杠41通过法兰连接所述惯容器6，所述弹簧元件5套设于所述第二丝杠41伸出所述第二外筒42以外部分的外侧，所述弹簧元件5一端连接于所述第二外筒42、另一端连接于所述第二丝杠41。
优选的，所述惯容器6为滚珠丝杠式惯容器，如图3所示，所述惯容器6包含第一丝杠61和第一外筒62，所述第一丝杠61上套设有第一螺母63，所述第一螺母63外侧套设有飞轮64，所述飞轮64两侧均设有第一推力轴承65，所述第一推力轴承65远离所所述飞轮64一侧具有连接板，所述连接板固定连接所述第一外筒62，两侧的所述第一推力轴承65能够限制所述飞轮64和第一螺母63的直线运动，使其只能进行旋转运动，大大提高工件工作的灵活性，使用较小力道，方可带动工件直接驱动，滚动噪音低，惯性小，利于避免丝杆自重引起的下垂，保证装置长期使用的可靠性。所述第一丝杠61穿设连接惯容器安装座66，所述惯容器安装座66的安装孔与第一丝杠61之间具有橡胶圈67，在一定程度上能够保护惯容器的丝杠或阻尼器的活塞杆不发生屈曲，从而有效保护惯容器和阻尼器，提高装置的耐久性，利于降低维保成本。
所述限位止挡也包含两个，分别位于所述板式橡胶支座的另一方向上的相对两侧，所述限位止挡包含限位槽71和挡块72，所述限位槽71和挡块72分别螺栓连接所述第一安装板1和第二安装板2，所述挡块72的长度大于所述限位槽71的长度，初始状态下，所述挡块72与所述限位槽71槽壁均有间隙，使结构能够在温度作用下自有收缩，所述挡块72和所述限位槽71槽壁均设有缓冲层73，如橡胶层，调谐惯质阻尼支座的结构布置更加合理科学。
所述惯容器安装座66螺栓连接所述第一安装板1，所述电涡流阻尼器的第二外筒42螺栓连接所述第二安装板2，当然连接位置也可以互换，方便后期维保拆卸。
如桥梁遭遇纵向地震时，所述第一安装板1和第二安装板2的相对位移带动板式橡胶支座发生纵向剪切变形，同时，带动惯容器6的第一丝杠61发生位移，第一丝杠61的直线运动转化为第一螺母63和飞轮64的旋转运动，从而使飞轮64产生惯性力，该惯性力反作用于第一丝杠61，阻碍其线性运动，从而产生与惯容器6两端相对加速度相关的作用力。在往复荷载作用下，由于惯容器6自身的负刚度效应，使其产生“惰性”，从而放大了电涡流阻尼器两端的相对位移。而电涡流阻尼器将第二丝杠41的直线运动转化为第二螺母43和导体圆盘44的旋转运动，背铁45上的永磁体46产生磁场，导体圆盘44切割磁感线，产生阻碍导体圆盘44转动的洛伦兹力，导体圆盘44的阻力反作用于第二丝杠41，从而产生与电涡流阻尼器两端相对速度相关的阻尼力。弹簧元件5的作用是将惯容器6、弹簧元件5和电涡流阻尼器的自振频率调整到与主结构的频率附近，从而达到“共振”，使阻尼器耗能增加，从而获得更好的减振效果。在纵向地震力作用下，由板式橡胶支座和电涡流阻尼器共同耗能。
当遭遇横向地震时，所述第一安装板1和第二安装板2的相对位移带动板式橡胶支座发生横向剪切变形，同时，分别带动的挡块72相对于限位槽71发生横向的相对位移，缓冲层73有效缓冲，保护支座不会因为过大的冲击力而发生破坏，限位止挡为钢制材料，不会使调谐惯质阻尼支座发生横向大位移，从而防止盖梁挡块破坏或发生落梁现象。惯容器6的橡胶圈67同样在横向地震力作用下起到缓冲作用，防止温度或横向地震力时使惯容器6或电涡流阻尼器内部产生次应力，起到了很好的保护作用。
另外，本调谐惯质阻尼支座通过如下步骤设计：
首先，根据竖向承载力确定所述板式橡胶支座的厚度和承压面积，得到所述板式橡胶支座的水平向剪切刚度k1；
然后，根据质量比μ＝me/m1，m1表示上部结构质量，确定惯容器6的表观质量me，μ取0.001～0.2，μ的选取根据调谐惯质阻尼支座的安装空间确定，若安装空间越大，则μ宜取越大；
根据质量比μ和板式橡胶支座的水平向剪切刚度k1，确定所述弹簧元件5的最优弹簧刚度ke和所述电涡流阻尼器的最优阻尼ce，
其中，
Figure BDA0003309239480000091
采用该设计方法的调谐惯质阻尼支座，在使用时可直接根据竖向承载力选取，即已知上部结构质量的情况下直接确定最优隔震效果的支座。相较于现有技术中确定支座后再优化阻尼器的传统设计过程，有效节省了单独对支座和阻尼器进行分别选型和对阻尼器进行设计的过程，提高了工程效率，在提高隔震耗能的同时降低了时间和额外设计所带来的成本
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，包含：
位移相关型隔震装置(3)，设于第一安装板(1)和第二安装板(2)之间；
速度相关型阻尼器(4)，并联有弹簧元件(5)并串联有惯容器(6)，所述速度相关型阻尼器(4)和惯容器(6)分别连接所述第一安装板(1)和第二安装板(2)；
限位止挡，设于所述第一安装板(1)和第二安装板(2)之间，所述限位止挡的限位方向垂直于所述速度相关型阻尼器(4)的变形方向。
2.根据权利要求1所述的一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，所述惯容器(6)为滚珠丝杠式惯容器。
3.根据权利要求2所述的一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，所述惯容器(6)包含第一丝杠(61)和第一外筒(62)，所述第一丝杠(61)上套设有第一螺母(63)，所述第一螺母(63)外侧套设有飞轮(64)，所述飞轮(64)两侧均设有第一推力轴承(65)，所述第一推力轴承(65)远离所所述飞轮(64)一侧具有连接板，所述连接板固定连接所述第一外筒(62)。
4.根据权利要求3所述的一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，所述第一丝杠(61)穿设连接惯容器安装座(66)，所述惯容器安装座(66)的安装孔与第一丝杠(61)之间具有橡胶圈(67)。
5.根据权利要求1所述的一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，所述限位止挡包含限位槽(71)和挡块(72)，所述挡块(72)的长度大于所述限位槽(71)的长度，初始状态下，所述挡块(72)与所述限位槽(71)槽壁均有间隙。
6.根据权利要求5所述的一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，所述挡块(72)和所述限位槽(71)槽壁均设有缓冲层(73)。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，所述位移相关型隔震装置(3)为板式橡胶支座，所述速度相关型阻尼器(4)为电涡流阻尼器。
8.根据权利要求7所述的一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，所述板式橡胶支座为矩形叠层橡胶支座。
9.根据权利要求7所述的一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，所述板式橡胶支座相对两侧分别设有一个所述电涡流阻尼器，两个所述电涡流阻尼器的变形方向相同，所述电涡流阻尼器为滚珠丝杠式电涡流阻尼器，所述电涡流阻尼器包含第二丝杠(41)和第二外筒(42)，所述第二丝杠(41)上套设有第二螺母(43)，所述第二螺母(43)外侧套设有导体圆盘(44)，所述导体圆盘(44)两侧具有背铁(45)，所述背铁(45)朝向所述导体圆盘(44)的一侧设有永磁体(46)，所述第二螺母(43)与背铁(45)之间具有第二推力轴承(47)，所述背铁(45)连接所述第二外筒(42)，所述第二丝杠(41)通过法兰连接所述惯容器(6)，所述弹簧元件(5)套设于所述第二丝杠(41)伸出所述第二外筒(42)以外部分的外侧，所述弹簧元件(5)一端连接于所述第二外筒(42)、另一端连接于所述惯容器(6)。
10.根据权利要求7所述的一种调谐惯质阻尼支座，其特征在于，通过如下步骤设计：
根据竖向承载力确定所述板式橡胶支座的厚度和承压面积，得到所述板式橡胶支座的水平向剪切刚度k1；
根据调谐惯质阻尼支座的安装空间和上部结构质量m1确定所述惯容器(6)的表观质量me，质量比μ＝me/m1，μ取0.001～0.2；
根据质量比μ和板式橡胶支座的水平向剪切刚度k1，确定所述弹簧元件(5)的最优弹簧刚度ke和所述电涡流阻尼器的最优阻尼ce，
其中，
Figure FDA0003309239470000021
CN202111212062.5A 2021-10-18 2021-10-18 一种调谐惯质阻尼支座 Active CN113833149B (zh)

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