CN113931338A - 一种跨层式颗粒惯容系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种跨层式颗粒惯容系统，包括颗粒阻尼单元和惯容单元，所述颗粒阻尼单元设置于待减震结构的顶部并能够进行往复运动，所述惯容单元设置于待减震结构的不同层间，所述颗粒阻尼单元的两端通过连接件和惯容单元连接，所述的颗粒阻尼单元的往复运动传递至惯容单元，使得惯容器产生质量放大效应，加剧颗粒球碰撞耗能；惯容器可放置于结构的顶层、层中和底层，充分利用结构层间加速度差值，增强装置的减振性能。本发明解决颗粒阻尼单元与惯容器在实际应用中跨层连接的问题，保证颗粒惯容系统能够最大限度的利用层间加速度差，以此实现高性能要求下颗粒阻尼技术的轻质化被动控制。

Description

一种跨层式颗粒惯容系统
技术领域
本发明属于土木结构振动控制领域，具体涉及一种跨层式颗粒惯容系统。
背景技术
颗粒阻尼器是由传统的冲击阻尼器发展演变而来的一种被动控制技术，这些年来其在土木、机械、航天等领域已经得到较为深入的研究和应用。颗粒阻尼器是通过在振动体中的有限封闭空间内亦或在振动体外的附加腔体内填充一定数量的颗粒，利用颗粒与颗粒之间和颗粒与腔体壁之间的摩擦和碰撞作用消耗系统的振动能量，从而为主体结构提供阻尼，削弱主体结构的响应。颗粒阻尼技术具有耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感、减振性能好等优点，尤其在长期的恶劣环境下仍可充分发挥作用。
然而，现阶段颗粒阻尼器也存在一些弊端和不足：(1)为了提高其减振性能以及鲁棒性，需要更大的附加质量，但是附加质量增加到一定的程度，控制效率会大大降低；(2)传统颗粒阻尼器内颗粒堆叠在一起，颗粒碰撞效率低；(3)传统颗粒阻尼器工作时，能量耗散机制较为单一。
因此，如何有效增强阻尼效果和提高减振性能，对于实际工程的减震控制具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了解决实际建筑结构对附加阻尼器的质量和体积有限制、碰撞效率低、能量耗散机制单一等问题，而提出一种跨层式颗粒惯容系统。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种跨层式颗粒惯容系统，包括颗粒阻尼单元和惯容单元，
所述颗粒阻尼单元设置于待减震结构的顶部并能够进行往复运动，
所述惯容单元设置于待减震结构的不同层间，
所述颗粒阻尼单元的两端通过连接件和惯容单元连接，所述的颗粒阻尼单元的往复运动传递至惯容单元。
颗粒阻尼单元在风/地震作用下，内部颗粒球与颗粒球之间和颗粒球与箱室之间的摩擦和碰撞作用消耗系统的振动能量；由此引起颗粒阻尼单元中的颗粒阻尼器箱体往复运动，同时带动惯容器运动，实现惯容器的质量放大和加剧颗粒间的碰撞，使颗粒阻尼单元可以以较小的附加质量比获得良好的减振效果；最后利用跨层时结构的层间加速差值进一步增强惯容器的质量放大效果，实现多机制耗能、充分利用建筑空间和提高空间利用率的目的。
进一步地，所述的颗粒阻尼单元包括颗粒阻尼器箱体，所述颗粒阻尼器箱体内装填颗粒球，所述颗粒阻尼器箱体底部连接滑块支座，待减震结构的顶部设置轨道，所述滑块支座滑动设置在所述轨道上，使得所述颗粒阻尼器箱体能够沿所述轨道往复运动。
进一步地，所述待减震结构的顶部在所述颗粒阻尼单元的两侧设置弹簧支座，所述弹簧支座与所述颗粒阻尼器箱体之间连接有耗能调谐弹簧。
进一步地，所述的耗能调谐弹簧为非线性弹簧，所述颗粒阻尼器箱体运动时发生非线性长度变化，实现伸缩形变耗能和调谐。
进一步地，所述的颗粒阻尼器箱体由颗粒阻尼器箱体底板、颗粒阻尼器箱体第一层、颗粒阻尼器箱体第二层构成，所述的颗粒阻尼器箱体第一层、颗粒阻尼器箱体第二层内设有一个或多个箱室，所述的箱室内装填颗粒球。
进一步地，所述的颗粒阻尼器箱体底板底部装有多个厚铁条及四周角部有通孔，所述的厚铁条端部被打孔；
所述的颗粒阻尼器箱体第一层中部装有薄铁条及四周角部有通孔，所述的薄铁条端部被打孔；
所述的颗粒阻尼器箱体第二层四周角部有通孔，且所述的颗粒阻尼器箱体底板、颗粒阻尼器箱体第一层和颗粒阻尼器箱体第二层可由螺栓穿过通孔组装、拆卸；
所述的滑块支座通过颗粒阻尼器箱体底板的中部通孔连接固定，并且连同颗粒阻尼器箱体在轨道上运动。
进一步地，所述的颗粒球的材料为陶瓷、钢材、混凝土中的任意一种，直径为2mm-50mm，所述的颗粒球的体积占箱室体积的30％-50％。
进一步地，所述的惯容单元放置于结构的顶层、层中或底层，包括齿轮支座以及设于所述齿轮支座上的惯容器，所述惯容器由中间的链轮以及位于所述链轮两侧的飞轮组成。
进一步地，所述颗粒阻尼单元和惯容单元之间通过多个链条连接，多个链条连接形成封闭环，所述链条与所述链轮啮合，所述的惯容器由链条带动运行。
进一步地，所述链条之间设有花篮紧绳器和弹力绳，所述的花篮紧绳器一端与链条连接，另一端与弹力绳连接，所述的花篮紧绳器控制链条和弹力绳的张紧状态；所述的弹力绳的磅数高于链条的拉力。
本发明的具体工作原理为，颗粒阻尼单元在风/地震作用下，颗粒球与颗粒球之间和颗粒球与箱室之间的摩擦和碰撞作用消耗系统的振动能量；而由此引起颗粒阻尼单元中的颗粒阻尼器箱体往复运动，与其连接的链条带动惯容器的链轮和飞轮转动，实现惯容器的质量放大和加剧颗粒间的碰撞，使得颗粒阻尼单元可以以较小的附加质量比获得良好的减振效果；最后利用跨层时结构的层间加速差值进一步增强了惯容器的质量放大效果，实现多机制耗能、充分利用建筑空间和提高空间利用率的目的。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明改良了颗粒阻尼器箱体的细部构造，方便颗粒球箱室的组装与拆卸，可有效提高颗粒阻尼器箱体的构件化生产效率。
2)本发明利用惯容器的质量放大效应实现颗粒阻尼单元的性能增强，适用于新建建筑和既有建筑的空间利用改进。
3)本发明解决了颗粒阻尼单元与惯容器在实际应用中跨层连接的问题，保证颗粒惯容系统能够最大限度的利用层间加速度差，以此实现高性能要求下颗粒阻尼技术的轻质化被动控制。
4)本发明通过设置花篮紧绳器和弹力绳，既保证链条紧绷状态下颗粒惯容系统的正常运行，又防止由结构变形引起的链条绷断的情况。
附图说明
图1为本发明一种跨层式颗粒惯容系统二维平面图；
图2为本发明一种跨层式颗粒惯容系统三维图；
图3为本发明一种跨层式颗粒惯容系统顶层三维图；
图4为本发明颗粒阻尼器箱体底板平面图；
图5为本发明颗粒阻尼器箱体第一层；
图6为本发明颗粒阻尼器箱体底板、第一层和第二层平面图；
图7为本发明颗粒阻尼器箱体底板、第一层和第二层三维图；
图8为本发明惯容器平面图；
图9为本发明惯容器三维图；
图中标号：1为颗粒阻尼器箱体，2为颗粒球，3为耗能调谐弹簧，4为齿轮支座，5为惯容器，501为链轮，502为飞轮，6为链条，7为滑块支座，8为轨道，9为固定支座，10为花篮紧绳器，11为弹力绳。
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。
一种跨层式颗粒惯容系统，其结构如图1～3所示，颗粒阻尼单元设置于待减震结构的顶部，颗粒阻尼单元和惯容单元之间通过链条6连接，颗粒阻尼单元的往复运动能够传递至惯容单元。颗粒阻尼单元由颗粒阻尼器箱体1、颗粒球2、耗能调谐弹簧3、滑块支座7、轨道8、弹簧支座9构成；颗粒阻尼器箱体1的厚铁条105和弹簧支座9由耗能调谐弹簧3连接，可带动颗粒阻尼器箱体1连同滑块支座7一起在轨道8上做往复运动；惯容单元由齿轮支座4、惯容器5、花篮紧绳器10、弹力绳11构成，惯容器5由链条6带动运行。
作为具体的实施方式，颗粒阻尼器箱体1由颗粒阻尼器箱体底板A、颗粒阻尼器箱体第一层B、颗粒阻尼器箱体第二层C构成，颗粒阻尼器箱体第一层B、颗粒阻尼器箱体第二层C内设有一个或多个箱室，并且箱室内装填颗粒球2；颗粒阻尼器箱体底板A底部装有多个厚铁条101及四周角部有通孔103，厚铁条101端部被打孔；颗粒阻尼器箱体第一层B中部装有薄铁条102及四周角部有通孔103，薄铁条102端部被打孔；颗粒阻尼器箱体第二层C四周角部有通孔103，且颗粒阻尼器箱体底板A、颗粒阻尼器箱体第一层B和颗粒阻尼器箱体第二层C可由螺栓104穿过通孔103组装、拆卸，其中厚铁条101和薄铁条102端部的通孔用于悬挂耗能调谐弹簧3，如图4～7所示。
作为具体的实施方式，颗粒球2的材料为陶瓷、钢材、混凝土中的任意一种，直径为2mm-50mm，颗粒球2的体积占箱室体积的30％-50％。
作为具体的实施方式，耗能调谐弹簧3为非线性弹簧，颗粒阻尼器箱体1运动时发生非线性长度变化，实现伸缩形变耗能和调谐，且耗能调谐弹簧3一端与厚铁条101的通孔连接，另一端与弹簧支座9连接。
作为具体的实施方式，滑块支座7通过颗粒阻尼器箱体底板A的中部通孔105连接固定，并且连同颗粒阻尼器箱体1在轨道8上运动。
作为具体的实施方式，花篮紧绳器10一端与链条6连接，另一端与弹力绳11连接，花篮紧绳器10控制链条6和弹力绳11的张紧状态，保证链条紧绷状态下颗粒惯容系统的正常运行，链轮501和链条6运行时紧密相扣。
作为具体的实施方式，弹力绳11的磅数高于链条6的拉力，既保证链条带动惯容器5正常运行，又防止由结构变形引起的链条绷断的情况。
作为具体的实施方式，惯容器5由链轮501、飞轮502构成，且可放置于结构的顶层、层中和底层，实现颗粒惯容系统的跨层式连接，进一步利用了的层间加速度差值，Fin＝min(ü2-ü1)，其中ü1、ü2分别为颗粒阻尼器箱体1和惯容器5的加速度，min为惯质系数，如图8和图9所示。
本装置的具体工作原理为，颗粒阻尼单元在风/地震作用下，颗粒球2与颗粒球2之间和颗粒球2与箱室之间的摩擦和碰撞作用消耗系统的振动能量；而由此引起颗粒阻尼单元中的颗粒阻尼器箱体1往复运动，与其连接的链条6带动惯容器5的链轮501和飞轮502转动，实现惯容器5的质量放大和加剧颗粒间的碰撞，使得颗粒阻尼单元可以以较小的附加质量比获得良好的减振效果；最后利用跨层时结构的层间加速差值进一步增强了惯容器5的质量放大效果，实现多机制耗能、充分利用建筑空间和提高空间利用率的目的。
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 (10)

1.一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，包括颗粒阻尼单元和惯容单元，
所述颗粒阻尼单元设置于待减震结构的顶部并能够进行往复运动，
所述惯容单元设置于待减震结构的不同层间，
所述颗粒阻尼单元的两端通过连接件和惯容单元连接，所述的颗粒阻尼单元的往复运动传递至惯容单元。
2.根据权利要求1所述的一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，所述的颗粒阻尼单元包括颗粒阻尼器箱体(1)，所述颗粒阻尼器箱体(1)内装填颗粒球(2)，
所述颗粒阻尼器箱体(1)底部连接滑块支座(7)，待减震结构的顶部设置轨道(8)，所述滑块支座(7)滑动设置在所述轨道(8)上，使得所述颗粒阻尼器箱体(1)能够沿所述轨道(8)往复运动。
3.根据权利要求2所述的一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，所述待减震结构的顶部在所述颗粒阻尼单元的两侧设置弹簧支座(9)，所述弹簧支座(9)与所述颗粒阻尼器箱体(1)之间连接有耗能调谐弹簧(3)。
4.根据权利要求3所述的一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，所述的耗能调谐弹簧(3)为非线性弹簧，所述颗粒阻尼器箱体(1)运动时发生非线性长度变化，实现伸缩形变耗能和调谐。
5.根据权利要求2所述的一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，所述的颗粒阻尼器箱体(1)由颗粒阻尼器箱体底板(A)、颗粒阻尼器箱体第一层(B)、颗粒阻尼器箱体第二层(C)构成，所述的颗粒阻尼器箱体第一层(B)、颗粒阻尼器箱体第二层(C)内设有一个或多个箱室，所述的箱室内装填颗粒球(2)。
6.根据权利要求5所述的一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，所述的颗粒阻尼器箱体底板(A)底部装有多个厚铁条(101)及四周角部有通孔(103)，所述的厚铁条(101)端部被打孔；
所述的颗粒阻尼器箱体第一层(B)中部装有薄铁条(102)及四周角部有通孔(103)，所述的薄铁条(102)端部被打孔；
所述的颗粒阻尼器箱体第二层(C)四周角部有通孔(103)，且所述的颗粒阻尼器箱体底板(A)、颗粒阻尼器箱体第一层(B)和颗粒阻尼器箱体第二层(C)可由螺栓(104)穿过通孔(103)组装、拆卸；
所述的滑块支座(7)通过颗粒阻尼器箱体底板(A)的中部通孔(105)连接固定，并且连同颗粒阻尼器箱体(1)在轨道(8)上运动。
7.根据权利要求2所述的一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，所述的颗粒球(2)的材料为陶瓷、钢材、混凝土中的任意一种，直径为2mm-50mm，所述的颗粒球(2)的体积占箱室体积的30％-50％。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，所述的惯容单元放置于结构的顶层、层中或底层，包括齿轮支座(4)以及设于所述齿轮支座(4)上的惯容器(5)，
所述惯容器(5)由中间的链轮(501)以及位于所述链轮(501)两侧的飞轮(502)组成。
9.根据权利要求8所述的一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，所述颗粒阻尼单元和惯容单元之间通过多个链条(6)连接，多个链条(6)连接形成封闭环，
所述链条(6)与所述链轮(501)啮合，所述的惯容器(5)由链条(6)带动运行。
10.根据权利要求9所述的一种跨层式颗粒惯容系统，其特征在于，所述链条(6)之间设有花篮紧绳器(10)和弹力绳(11)，所述的花篮紧绳器(10)一端与链条(6)连接，另一端与弹力绳(11)连接，所述的花篮紧绳器(10)控制链条(6)和弹力绳(11)的张紧状态；所述的弹力绳(11)的磅数高于链条(6)的拉力。
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