CN114164958A - 一种带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,包括外套筒、竖向准零刚度弹簧组、调谐质量构件、黏滞阻尼器以及加载限位棒;加载限位棒承载于竖向准零刚度弹簧组之上,竖向准零刚度弹簧组为加载限位棒提供非线性弹性回复力;黏滞阻尼器两端分别与主体受控结构和加载限位棒相连,通过两者相对变形吸收振动能量,减小主体受控结构的振动幅值;调谐质量构件连接在加载限位棒底端,并对竖向准零刚度弹簧组起支撑作用;外套筒位于加载限位棒和竖向准零刚度弹簧组的外层,外套筒上设置有与主体受控结构连接的连接部。本发明利用竖向准零刚度弹簧组的非线性刚度特性,提升装置的控制带宽范围,实现结构楼板和竖向柔性结构的地震和振动双控效果。

Description

一种带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置
技术领域
本发明涉及地震灾害防护和振动控制技术领域,尤其涉及一种带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置。
背景技术
地震是一种多维度的作用,其竖向震动分量对于建筑结构楼板有较大影响。由于楼板的自振周期远远小于结构的墙、柱等竖向构件,对竖向地震动有放大作用。楼板地震作用的放大,虽然不会对结构的地震损伤有决定性的影响,但研究表明,竖向震动是引起非结构构件,例如楼板装修吊顶、通风管线和屋内电器家具等破坏的主要因素。随着城市轨道交通的快速发展,越来越多的住宅修建于地铁站或地铁线路之上。轨道交通振动引起居住不适的问题越发显著。此外,人行天桥、大跨度楼板等竖向柔性结构,人行导致竖向振动问题也尤为突出。
基于以上,设计提出一种针对建筑结构楼板和竖向柔性结构的地震、振动双控的减震/振装置,能切实解决工程中的实际问题。
调谐减振属于一种被动的振动控制技术,调谐减振装置通常由质量块、弹簧和阻尼系统三部分组成。它通过将减振装置的固有频率设计至受控结构的主频率附近,改变结构的共振动力特性,以达到减振的作用。调谐质量减振的理念提出至今已有100余年的历史,在工程中得到了广泛应用。在土木工程领域,调谐质量阻尼器(TMD)通常被应用在超高层建筑的风振控制,例如上海中心,台北101大楼等。然而,调谐质量阻尼器具有有效频率带宽较窄,控制效果不稳定的缺点,使得其对于地震等激励频率范围较广的震动作用发挥的控制作用有限。故鲜有将TMD应用到地震控制的研究。
发明内容
本发明提供了一种带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,以解决竖向地震动引起非结构构件损坏,以及竖向柔性结构环境振动控制的问题。本发明能够针对竖向地震动和其他竖向振动输入有着比传统基于线性刚度的调谐减振装置更优异的震/振动控制效果。
本发明采用的技术方案是:提供一种带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,包括外套筒、竖向准零刚度弹簧组、调谐质量构件、黏滞阻尼器以及加载限位棒;
所述加载限位棒承载于竖向准零刚度弹簧组之上,竖向准零刚度弹簧组为加载限位棒提供非线性弹性回复力;
所述黏滞阻尼器两端分别与主体受控结构和加载限位棒相连,通过两者之间的相对变形吸收振动能量,实现吸收主体受控结构的振动能量;
所述调谐质量构件连接在所述加载限位棒的底端,并对竖向准零刚度弹簧组起支撑作用;在外部振动作用下由竖向准零刚度弹簧组的变形产生上下往复运动,带动黏滞阻尼器产生相对变形耗能;
所述外套筒位于所述加载限位棒和竖向准零刚度弹簧组的外层,且所述外套筒上设置有与主体受控结构连接的连接部。
本发明采用了竖向准零刚度弹簧组作为TMD弹簧,由于其具有竖向准零刚度特性,在竖向提供非线性回复力。在静态承受质量块重力时,弹簧组提供较大的“静刚度”,表现为弹簧的重力变形较小;而在受外部激励做往复振动时,提供较小的“动刚度”,表现为减震/振装置具有更宽的调谐频率范围,可对具有较广频谱范围的地震动激励有减震效果。
本发明采用黏滞阻尼器作为耗能装置,通过竖向准零刚度弹簧组与主体受控结构之间的相对变形来耗散振动能量。
优选地,还包括聚四氟乙烯环,所述外套筒内壁上设置有聚四氟乙烯环卡槽,用以固定聚四氟乙烯环;所述聚四氟乙烯环套设在加载限位棒上,用于对加载限位棒起导向作用。
本发明设计了聚四氟乙烯环卡槽、聚四氟乙烯环等装置和构造,聚四氟乙烯环设计于外套筒和加载限位棒之间,其内直径等于加载限位棒上端部的外直径,起到了限制调谐质量构件和竖向准零刚度弹簧组不发生水平向变形,仅在竖向运动的限位作用。
优选地,所述外套筒采用分体式设计,两个或多个外套筒一并装配,起到方便安装的目的;所述连接部为设置于外套筒顶部的内六角螺栓孔,通过螺栓将本发明的竖向调谐减震/振装置挂在主体受控结构下方。
优选地,所述调谐质量构件包括大质量砝码和小质量砝码,所述大质量砝码和小质量砝码能组合成一个完整的砝码,所述加载限位棒下端设置用托住大质量砝码和小质量砝码的砝码盘,大质量砝码和小质量砝码底部设置有砝码挂槽用于固定到限位棒下端的砝码盘。通过分为两块质量砝码,并设计砝码预留孔的设计,方便安装和装置调平。
优选地,所述竖向准零刚度弹簧组包括螺旋弹簧、碟形弹簧、外加载环和内加载环;
所述碟形弹簧通过外加载环和内加载环交替叠合的方式进行串并联的组合形成串、并联碟形弹簧组;
所述螺旋弹簧上端作用于加载限位棒上端设置的加载棒加载环内部,下端作用于外套筒下端,与串、并联碟形弹簧组共同并联承载组成竖向准零刚度弹簧组。
优选地,所述外套筒下端设有外套筒加载环,用于承载竖向准零刚度弹簧组。
本发明的有益效果是:
(1)利用准零刚度弹簧组的非线性刚度特性,提升调谐减震/振装置的控制带宽范围,实现结构楼板和竖向柔性结构的地震和振动双控效果。
(2)利用内、外加载环的设置,减小了碟簧串、并连组的动摩擦刚度,并提升了碟形弹簧的变形范围,有利于实现黏滞阻尼器的耗能能力的提升。
(3)设计了通过聚四氟乙烯环实现的运动解耦构造,较为简单地实现了准零刚度弹簧组和调谐质量构件的水平限位需求。
附图说明
图1为本发明公开的带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置的结构示意;
图2a为本发明公开的的外套筒的结构示意图;
图2b为本发明公开的的外套筒的剖视图;
图3为本发明公开的的聚四氟乙烯环的结构示意图;
图4为本发明公开的的黏滞阻尼器的结构示意图;
图5a为本发明公开的加载限位棒示的结构意图;
图5b为本发明公开的加载限位棒示的剖视图;
图6为本发明公开的螺旋弹簧的结构示意图;
图7a为本发明公开的串、并联碟形弹簧组的爆炸图;
图7b为本发明公开的串、并联碟形弹簧组的结构示意图;
图7c为本发明公开的串、并联碟形弹簧组的剖视图;
图8a为本发明公开的大质量砝码和小质量砝码的结构示意图;
图8b为本发明公开的大质量砝码和小质量砝码的另一结构示意图;
图9为本发明公开的带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置的爆炸图。
附图标记:1、外套筒;2、外套筒加载环;3、聚四氟乙烯环卡槽;4、内六角螺栓孔;5、聚四氟乙烯环;6、黏滞阻尼器;7、加载限位棒;8、加载棒加载环;9、砝码盘;10、加载棒预留孔;11、螺旋弹簧;12、碟形弹簧;13、外加载环;14、内加载环;15、大质量砝码;16、砝码预留孔;17、小质量砝码;18、砝码挂槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步详细描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1:
参见图1、图9,本实施例公开一种带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,包括外套筒1、竖向准零刚度弹簧组、调谐质量构件、黏滞阻尼器6、加载限位棒7以及聚四氟乙烯环5。
加载限位棒7承载于竖向准零刚度弹簧组之上,竖向准零刚度弹簧组为加载限位棒7提供非线性弹性回复力。
黏滞阻尼器6两端分别与主体受控结构和加载限位棒7相连,通过两者之间的相对变形吸收振动能量,实现吸收主体受控结构的振动能量。
调谐质量构件连接在加载限位棒7的底端,并对竖向准零刚度弹簧组起支撑作用;在外部振动作用下由竖向准零刚度弹簧组的变形产生上下往复运动,带动黏滞阻尼器6产生相对变形耗能。
外套筒1位于加载限位棒7和竖向准零刚度弹簧组的外层,且外套筒上设置有与主体受控结构连接的连接部。
本发明采用了竖向准零刚度弹簧组作为TMD弹簧,由于其具有竖向准零刚度特性,在竖向提供非线性回复力。在静态承受质量块重力时,弹簧组提供较大的“静刚度”,表现为弹簧的重力变形较小;而在受外部激励做往复振动时,提供较小的“动刚度”,表现为减震/振装置具有更宽的调谐频率范围,可对具有较广频谱范围的地震动激励有减震效果。
本发明采用黏滞阻尼器6作为耗能装置,黏滞阻尼器6为应用技术成熟装置,通过竖向准零刚度弹簧组与主体受控结构之间的相对变形来耗散振动能量。
参见图2,外套筒1的构造和使用方式说明。外套筒1上端预留内六角螺栓孔4作为与主体受控结构连接的连接部,通过内六角螺栓与振动受控结构下端构件相连,将本发明的竖向调谐减震/振装置挂在主体受控结构下方。例如,钢结构或组合结构的钢梁下翼缘,或混凝土楼板钢预埋件。预留聚四氟乙烯环卡槽3用以固定聚四氟乙烯环5以起到水平限位作用。下端设有外套筒加载环2,起到承载竖向准零刚度弹簧组的功能。优选地,外套筒1采用分体式设计,两个或多个外套筒一并装配,外套筒1优选为钢材质。
本发明设计了聚四氟乙烯环卡槽3、聚四氟乙烯环5等装置和构造,起到了限制调谐质量构件和竖向准零刚度弹簧组不发生水平向变形,仅在竖向运动的限位作用。
图3为聚四氟乙烯环5的构造和使用方式说明。聚四氟乙烯环5的内直径与加载限位棒7的上端外径一致,通过套合起到水平限位作用。
图4为黏滞阻尼器6的构造和使用方式说明。黏滞阻尼器6为技术成熟装置,其一端连接与主体受控结构,另一端穿入加载限位棒7顶部设置的加载棒预留孔10内。通过主体受控结构与加载限位棒7之间的相对运动来消耗振动能量。
图5为加载限位棒7的构造和使用方式说明。上端通过设置加载棒加载环8,以及加载棒加载环8圈内与螺旋弹簧11的接触,将调谐质量传递到竖向准零刚度弹簧组。下端设置砝码盘9,用于托住大质量砝码15和小质量砝码17。
图6为螺旋弹簧11的构造和使用方式说明。螺旋弹簧11为技术成熟装置,其上端作用于加载限位棒7上端,加载棒加载环8内部;下端作用于外套筒1下端。与串、并联碟形弹簧组共同并联承载组成竖向准零刚度弹簧组,也就是说,串、并联碟形弹簧组位套设于螺旋弹簧11外层。
图7为竖向准零刚度碟簧组合使用方式说明。碟形弹簧12通过正、反叠合实现碟形弹簧的串联和并联,形成串、并联碟形弹簧组,每片碟形弹簧12之间通过外加载环13和内加载环14进行叠合,起到减小碟形弹簧12之间的接触摩擦力和增大变形能力的作用。
图8为下挂质量砝码使用方式说明。调谐质量构件包括大质量砝码15和小质量砝码17,大质量砝码15和小质量砝码17能组合成一个完整的砝码,加载限位棒7下端设置用托住大质量砝码15和小质量砝码17的砝码盘9,大质量砝码15和小质量砝码17底部设置有砝码挂槽18用于嵌入到加载限位棒7下端的砝码盘9。通过分为两块质量砝码,并设计砝码预留孔16的设计,方便安装和装置调平。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,其特征在于,包括外套筒、竖向准零刚度弹簧组、调谐质量构件、黏滞阻尼器以及加载限位棒;
所述加载限位棒承载于竖向准零刚度弹簧组之上,竖向准零刚度弹簧组为加载限位棒提供非线性弹性回复力;
所述黏滞阻尼器两端分别与主体受控结构和加载限位棒相连,通过两者之间的相对变形吸收振动能量,实现吸收主体受控结构的振动能量;
所述调谐质量构件连接在所述加载限位棒的底端,并对竖向准零刚度弹簧组起支撑作用;在外部振动作用下由竖向准零刚度弹簧组的变形产生上下往复运动,带动黏滞阻尼器产生相对变形耗能;
所述外套筒位于所述加载限位棒和竖向准零刚度弹簧组的外层,且所述外套筒上设置有与主体受控结构连接的连接部。
2.根据权利要求1所述的带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,其特征在于,还包括聚四氟乙烯环,所述外套筒内壁上设置有聚四氟乙烯环卡槽,用以固定聚四氟乙烯环;所述聚四氟乙烯环套设在加载限位棒上,用于对加载限位棒起导向作用。
3.根据权利要求1所述的带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,其特征在于,所述外套筒采用分体式设计,两个或多个外套筒一并装配,所述连接部为设置于外套筒顶部的内六角螺栓孔。
4.根据权利要求1所述的带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,其特征在于,所述调谐质量构件包括大质量砝码和小质量砝码,所述大质量砝码和小质量砝码能组合成一个完整的砝码,所述加载限位棒下端设置用托住大质量砝码和小质量砝码的砝码盘,大质量砝码和小质量砝码底部设置有砝码挂槽用于固定到限位棒下端的砝码盘。
5.根据权利要求1所述的带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,其特征在于,所述竖向准零刚度弹簧组包括螺旋弹簧、碟形弹簧、外加载环和内加载环;
所述碟形弹簧通过外加载环和内加载环交替叠合的方式进行串并联的组合形成串、并联碟形弹簧组;
所述螺旋弹簧上端作用于加载限位棒上端设置的加载棒加载环内部,下端作用于外套筒下端,与串、并联碟形弹簧组共同并联承载组成竖向准零刚度弹簧组。
6.根据权利要求5所述的带准零刚度特性的竖向调谐减震/振装置,其特征在于,所述外套筒下端设有外套筒加载环,用于承载竖向准零刚度弹簧组。
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