CN114457930B - 一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及阻尼器领域，具体涉及一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器。包括质量块、摆杆以及质量块腔体内弧形轨道和碰撞滚球，所述摆杆的一端与所述质量块转动连接，另一端用于与被控结构转动连接；所述质量块设置有腔体，所述腔体内设置耗能装置。由于上述技术方案实现了双重调谐，大大提高了阻尼器的减振性能。由于耗能装置安装于质量块的内部，相较于现有技术中将阻尼元件布置在质量块和下层被控结构之间，耗能装置与质量块的相对位置固定，不存在实际使用时阻尼元件的设计优化参数与实际参数间出现偏差的问题。

Description

一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器
技术领域
本发明涉及一种调谐质量阻尼器，特别是一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器。
背景技术
高耸柔性结构是工程中常见的结构形式，如超高层建筑、电视塔、桥塔、风力发电机、太阳能发电塔、烟囱等，其特点是高度方向尺寸远大于截面尺寸、结构固有频率低、阻尼小，此类结构在风、地震等激励作用下，容易产生大幅振动，因此，需要开发高效的振动控制装置。
目前高耸结构的减振方案中采用的阻尼器主要包括调谐质量阻尼器(TMD)、摆式调谐质量阻尼器(PTMD)、调谐液体阻尼器(TLD)、调谐液柱阻尼器(TLCD)与碰撞调谐质量阻尼器等。TMD和PTMD减振机理均是在被控结构上附加一个子结构，利用调谐原理将被控结构的振动能量传递到子结构上，再利用子结构外接的阻尼元件耗能减振，阻尼元件长期服役后容易产生液体泄漏；TLD和TLCD减振效率低，往往作为一种减振辅助措施；碰撞调谐质量阻尼器则是采用调谐原理将主结构振动能量转移为子结构振动，利用子结构与主结构的碰撞消耗振动能量，从而达到减振目的，碰撞调谐质量阻尼器采用碰撞消耗能量，当碰撞质量较大时，碰撞将产生较大噪声，碰撞力还会引起瞬时加速度响应，对主结构的稳定造成影响，各阻尼器各有优缺，分别适应于不同的使用环境。
按照最优参数设计方法，摆式调谐质量阻尼器(PTMD)的外接阻尼元件 CTMD理论上应布置在邻近悬吊点的摆绳与结构夹角处(如图1所示)，此时摆式调谐质量阻尼器能够达到最佳减振效果。而实际工程中，由于在夹角处安装阻尼元件工艺过于复杂，通常如图2所示，将阻尼元件安装于质量块和下层被控结构之间，与主结构相接，此时再按照理论参数进行设计，但是，设计时，没有办法确认使用时摆杆的长度，也无法确定摆杆与哪一层被控结构连接，这将导致摆式调谐质量阻尼器中阻尼元件的设计优化参数与实际参数间产生较大偏差，即，在实际使用时会出现阻尼元件的实际参数与设计优化的参数数值不同，导致阻尼元件的实际阻尼比取值将不是该状态下的最优取值，从而引起摆式调谐质量阻尼器的阻尼失调，进而降低系统减振性能。
所以，目前亟需要一种技术方案，以解决现有摆式调谐质量阻尼器使用时需外接阻尼元件，且设计优化参数与实际参数间容易产生较大偏差，导致阻尼器的振动控制效果不佳的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的现有摆式调谐质量阻尼器使用时需外接阻尼元件，因此，设计优化参数与实际参数间容易产生较大偏差，导致阻尼器的振动控制效果不佳的技术问题，提供一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器，包括质量块和摆杆，所述摆杆的一端与所述质量块转动连接，另一端用于与被控结构转动连接；所述质量块设置有腔体，所述腔体内设置有耗能装置。
上述方案中，被控结构产生振动时，振动的能量先传递至质量块，再传递至质量块内部的耗能装置，通过耗能装置消耗振动的能量，实现减振的效果。通过改变摆杆的长度实现质量块与被控结构的频率调谐，即为上述方案中的第一重调谐；耗能装置与质量块的频率调谐即为上述方案中的第二重调谐。由于上述技术方案实现了双重调谐，大大提高了阻尼器的减振性能。上述的摆杆是将质量块与被控结构连接的结构，摆杆并非限定为杆件，也可指钢索等绳索类结构。
由于耗能装置安装于质量块的内部，相较于现有技术中将阻尼元件布置在质量块和下层被控结构之间，耗能装置与质量块的相对位置固定，不存在实际使用时阻尼元件的设计优化参数与实际参数间出现偏差的问题。上述方案提供的自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器的设计参数的最优取值即为使用状态下该参数的值。
作为本发明的优选方案，所述耗能装置包括球体与阻拦件；所述球体滚动设置于所述腔体内，通过所述球体与所述阻拦件碰撞实现耗能。
球体滚动设置于腔体内，当被控结构出现振动后，能量通过质量块传递给球体，转化为球体的动能，使球体出现滚动，球体与阻拦件碰撞时会出现能量损耗，实现耗能的目的。相较于现有技术中的碰撞调谐质量阻尼器利用质量块与主结构进行碰撞消耗振动能量的方式，上述技术方案中的球体与质量块中的阻拦件进行碰撞，不会对主结构造成影响，而且上述方案采用双重调谐，能够减小球体的质量，进而减小撞击时产生的噪音，降低被控结构由于撞击而造成局部损伤的可能。
作为本发明的优选方案，所述球体为钢制结构件。
钢材的密度大，采用钢制的球体能够在运动过程中积累更多的动能。
作为本发明的优选方案，所述腔体的底面为弧形面，所述球体设置于所述底面，所述阻拦件设置于所述底面的最底处。
腔体的底面为弧形面，当质量块出现摆动时，能够将振动的能量更多地传递到球体，使球体与阻拦件碰撞时具有更高的动能，提高耗能的效率。其中，弧形面可以是圆柱面、或球面、或圆弧面与平面的结合。
作为本发明的优选方案，所述阻拦件为隔板，所述隔板将所述腔体分隔为左右两个腔室，每个所述腔室分别设置所述球体。
通过阻拦件将腔体分为两个腔室，在每个腔室内均设置球体，能够在质量块的一个摆动周期内，分别由左右两个球体各完成一次耗能过程，提高了减振效果。
作为本发明的优选方案，所述腔体的底面设置有轨道，所述球体滚动设置于所述轨道内，所述轨道与所述阻拦件垂直，所述轨道与所述摆杆的摆动方向重合。
通过设置轨道，能够约束球体的运动轨迹；轨道与摆杆的摆动方向重合，使得质量块出现摆动后，球体能够在轨道内滚动。当轨道与所述阻拦件垂直时，球体能够垂直地撞向阻拦件，提高能量消耗的效率。
作为本发明的优选方案，所述阻拦件表面设置有粘弹性层。
通过在阻拦件表面设置粘弹性层，球体与阻拦件相撞时，粘弹性层出现变形，能够增加球体与阻拦件碰撞时的能量损耗，提高耗能效率，进而提高阻尼器的减振效果。
作为本发明的优选方案，所述粘弹性层为高阻尼橡胶结构件。
作为本发明的优选方案，所述摆杆为两根，两根所述摆杆相对位于所述阻拦件两侧。
作为本发明的优选方案，所述摆杆远离所述质量块的端部设置有铰链。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、上述技术方案以自带耗能装置的质量块取代传统摆式调谐质量阻尼器设计中于质量块底部安装阻尼的设计方法，避免了因工程实际与理论研究之间的偏差而产生的减振效果不佳的问题，按照本方案所设计的阻尼器在工程实际中，使用状态下参数的值即为参数的设计最优取值。且上述技术方案采用双重调谐，大大提高了减振性能。
2、相较于传统的调谐质量阻尼器中将阻尼元件布置在质量块和下层被控结构之间，本方案将耗能装置设置于质量块内部，更便于阻尼器的设计与安装，以及在后期使用过程中对阻尼器的维护工作。
3、本方案采用双重调谐，且耗能装置包括两个球体，通过两个球体进行耗能，相较于现有的碰撞调谐质量阻尼器，球体的质量较小，避免了球体撞击时存在的噪声问题以及可能对被控结构造成的局部损伤。
附图说明
图1是理论上摆式调谐质量阻尼器的阻尼元件的布置位置示意图；
图2是实际中摆式调谐质量阻尼器的阻尼元件的布置位置示意图；
图3是本申请的自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器的示意图。
图标：1-质量块；11-腔体；2-摆杆；3-被控结构；4-球体；5-阻拦件；51- 粘弹性层；6-轨道；7-铰链。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器，包括摆杆2与质量块1，摆杆2 用于将质量块1与被控结构3转动连接，如图3所示，摆杆2的上端与被控结构3通过铰链7转动连接，下端与质量块1转动连接。
摆杆2可以为杆件也可以为绳索类零件。质量块1内部设置有耗能装置，本实施例中的耗能装置采用碰撞耗能的原理，耗能装置包括球体4与阻拦件5，阻拦件5表面设置有粘弹性层51，阻拦件5表面设置有粘弹性层51，粘弹性层 51通过变形能够吸收球体4与阻拦件5撞击的能量起到耗能的作用。球体4可采用钢材制成，以使球体4与阻拦件5撞击时，球体4具有较大的动能。
如图3所示，质量块1内部具有腔体11，腔体11的底面为圆柱面、平面以及圆柱面过渡连接的形成的弧形面，球体4能够在腔体11的底面自由滚动。
阻拦件5设置于腔体11底面最低处的位置，阻拦件5可以是与质量块1一体的结构，也可以是与质量块1相连接的独立结构。如图3所示，阻拦件5为隔板结构，阻拦件5将腔体11的底面对称地分为两个部分，阻拦件5的两侧面垂直于质量块1的摆动方向(如图3所示，当被控结构3出现振动时，质量块1 左右摆动，因此，阻拦件5的两侧表面与左右的水平方向垂直)。质量块1左右摆动时，球体4在腔体11的底面相对滚动，振动的能量转化为球体4的动能，球体4与阻拦件5相撞后，球体4的动能被粘弹性层51吸收，实现耗能的过程，起到减振效果，其中，可采用高阻尼橡胶等材料制作粘弹性层51。
为了提高耗能的效率，进而提高减振效果，可使球体4与阻拦件5相撞时，球体4的速度垂直于阻拦件5。因此，可在腔体11的底面设置与所述摆杆2的摆动方向重合的轨道6，对球体4的运动方向进行约束。轨道6的外形也呈弧形，轨道6可以是设置于质量块1内部弧形表面的凹槽。还可以采用在阻拦件5的左右两侧均设置轨道6与球体4的方式提高减振效果。
本实施例中，通过改变摆杆2的长度以实现单摆与被控结构的频率调谐，即本阻尼器的第一重调谐；摆质(质量块)的自振频率与摆杆2长度关系为：
Figure BDA0003530481310000061
其中：ω1为摆质自振圆频率，g为重力加速度，l为摆杆2的长度。
通过调节轨道6的尺寸实现球体4与单摆的频率调谐，即本阻尼器的第二重调谐。为便于计算，以轨道6为圆弧形为例，球体4的频率调谐通过改变轨道半径与球体半径差实现。球体4自振频率与轨道半径、球体半径关系为：
Figure BDA0003530481310000071
ρ＝R-r；
其中：ω2为球体自振圆频率，g为重力加速度，ρ为轨道半径与球体半径之差，R为轨道半径，r为球体半径。
实施例2
一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器，与实施例1中所提供的技术方案的不同在于，本实施例中腔体11的底面为球面，阻拦件5为圆柱状结构件，设置于腔体11底面的最低处，球体4为一个或多个，自由滚动的设置在腔体11 中或通过在腔体11的底面设置轨道6对球体4的运动方向进行约束，使球体4 能够在质量块1摆动过程中碰撞阻拦件5，实现耗能。
优选的，圆柱状结构件的阻拦件5设置在腔体11底面的中心。
优选的，摆杆2通过球铰与被控结构3连接，使该阻尼器能够实现不同方向上的减振，适应性更好。
优选的，轨道6为多个，绕阻拦件5环周均布，每个轨道6内分别设置球体4。使该阻尼器能够实现各轨道6方向的减振。
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 (5)

1.一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器，其特征在于，包括质量块（1）和摆杆（2），所述摆杆（2）的一端与所述质量块（1）转动连接，另一端用于与被控结构（3）转动连接；所述质量块（1）设置有腔体（11），所述腔体（11）内设置有耗能装置；所述耗能装置包括球体（4）与阻拦件；所述球体（4）滚动设置于所述腔体（11）内，通过所述球体（4 ）与所述阻拦件碰撞实现耗能；所述球体（4）为钢制结构件；所述腔体（11）的底面为弧形面，所述阻拦件设置于所述底面的最低处；所述阻拦件（5）为隔板，所述隔板将所述腔体（11）分隔为左右两个腔室，每个所述腔室分别设置所述球体（4）；所述腔体（11）的底面设置有轨道（6），所述球体（4）滚动设置于所述轨道（6）内，所述轨道（6）的轨迹与所述阻拦件（5）垂直，所述轨道（6）的轨迹与所述摆杆（2）的摆动方向重合。
2.根据权利要求1所述的一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器，其特征在于，所述阻拦件表面设置有粘弹性层（51）。
3.根据权利要求2所述的一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器，其特征在于，所述粘弹性层（51）为高阻尼橡胶结构件。
4.根据权利要求1所述的一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器，其特征在于，所述摆杆（2）为两根，两根所述摆杆（2）相对位于所述阻拦件（5）两侧。
5.根据权利要求4所述的一种自耗能摆式碰撞双重调谐质量阻尼器，其特征在于，所述摆杆（2）远离所述质量块（1）的端部设置有铰链（7）。
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