CN114482316A - 一种双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器。本发明的双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器的支撑座板包括座板本体，座板本体具有与滑块下滑动面相适应的接触面，接触面为凹形圆弧面，在接触面自下至上依次设有多个平滑连接的球形凹面，在每一球形凹面上设有摩擦层，多个球形凹面的半径自下至上依次减小，多个球形凹面的摩擦层的摩擦系数自下至上依次增大。本发明的双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器能够为不同环境荷载下的被控结构提供稳定持续的自适应效果和卓越的双向减震耗能作用，可达到利用一个惯性质量块同时有效控制笛卡尔坐标系下结构三个主轴方向振动的目的，具有构造简单、施工方便等优势。

Description

一种双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器
技术领域
本发明涉及高柔结构减振(震)控制技术领域，尤其是涉及一种双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器。
背景技术
近年来，随着社会经济的快速发展，世界各地涌现出大量的超高层建筑和大跨柔性结构。高柔结构在地震与风荷载作用下的安全性和舒适性引起了人们的普遍关注。调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD) 造价相对较低且控制结构振动的有效性高，被广泛应用于高柔结构的振动控制。
TMD按照其刚度元件的实现方式不同，可分为剪切式运动TMD与摆式运动TMD。其中，剪切式TMD和传统悬摆式TMD需要更多的空间另设刚度元件(弹簧、轨道、悬索等)和阻尼元件(油阻尼器等)用以保证 TMD的减震控制效率，这将导致结构空间的利用率和效益降低。传统摩擦摆式TMD在遭受较小环境荷载下提供相对较强的摩擦阻尼力致使摩擦摆式TMD无法进行有效吸能以及结构响应放大，而遭受较大环境荷载下提供相对较弱的摩擦阻尼力致使摩擦摆式TMD耗能效率降低。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器，具有平面双向更强自复位能力和自适应减震耗能效果。
本发明提供一种用于双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器的支撑座板，包括座板本体，座板本体具有与滑块下滑动面相适应的接触面，接触面为凹形圆弧面，在接触面自下至上依次设有多个平滑连接的球形凹面，在每一球形凹面上设有摩擦层，多个球形凹面的半径自下至上依次减小，多个球形凹面的摩擦层的摩擦系数自下至上依次增大。
进一步地，在接触面的外缘设有与滑块侧面相适应的位移限制环。
进一步地，在位移限制环的内侧设有防撞耗能件。
进一步地，多个球形凹面同心设置或错位设置。
进一步地，摩擦层由摩擦材料制成。
本发明还提供一种双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器，包括惯性质量块和至少一个支撑套件，每一支撑套件包括连接支撑构件、滑块和上述任一所述的支撑座板，连接支撑构件设置在惯性质量块的下方，滑块的上部与连接支撑构件连接，滑块的下表面与支撑座板的接触面接触连接。
进一步地，连接支撑构件通过可拆卸式连接件与惯性质量块连接。
进一步地，支撑座板的球形凹面的水平投影面积大于滑块的下表面的水平投影面积。
进一步地，滑块的上滑动面为球形凸面，连接支撑构件的下表面为球形凹面，滑块的球形凸面与连接支撑构件的球形凹面相适应。
进一步地，在支撑座板的下部设有用于与结构固定连接的连接件。
本发明的双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器可通过惯性质量块的滑动面和滑动面上的摩擦层分别提供双向刚度力和双向摩擦阻尼力，仅靠在滑动面上运动即可节省原本需要用于安装刚度元件和阻尼元件的空间，从而能够利用更少的空间提高结构的减震(振)控制效果。通过在接触面自下至上依次设置多个平滑连接且半径自下至上依次减小的球形凹面，并且在每一球形凹面上设置摩擦系数自下至上依次增大的摩擦层，通过合理布置滑动面变曲率位置以及不同摩擦层材料的布置范围，根据摆式TMD的位移实现在小位移时对荷载敏感、在大位移时提供更强自复位能力。上述双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器突破了现有的传统摩擦摆式TMD 为结构提供局限性减震效果的桎梏，可以为不同环境荷载下的结构提供稳定持续的自适应效果和卓越的双向减震耗能作用，可达到利用一个惯性质量块同时有效控制笛卡尔坐标系下结构三个主轴方向振动的目的，具有构造简单、施工方便等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施方式的支撑座板的结构示意图；
图2为本发明一实施方式的球形凹面及摩擦层的结构示意图；
图3为本发明一实施方式的双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器的结构示意图。
附图标记说明：
1：支撑座板；11：下表面；12：位移限制环；13：上表面；
2：滑块；21：下滑动面；22：上滑动面；23：侧面；
3：连接支撑构件；31：下表面；32：上表面；
4：惯性质量块。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图1至图3所示，本实施例提供一种用于双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器的支撑座板1，该支撑座板1包括座板本体，座板本体具有与滑块2下滑动面21相适应的接触面，接触面为凹形圆弧面，在接触面自下至上依次设有多个平滑连接的球形凹面，在每一球形凹面上设有摩擦层，多个球形凹面的半径自下至上依次减小，多个球形凹面的摩擦层的摩擦系数自下至上依次增大。
支撑座板1的上表面13用于与滑块2的下滑动面21(即滑块2下表面) 接触；如图1所示，在本实施例中，支撑座板1的上表面11接触面为凹形圆弧面，滑块2的下表面为凸形圆弧面，支撑座板1的凹形圆弧面的尺寸与滑块2的凸形圆弧面相适应，此时滑块2的下滑动面21和支撑座板1的上表面13球面接触，使惯性质量块4整体能够在支撑座板1的凹形圆弧面运动。
支撑座板1的下表面11用于与被控结构(未图示)连接；在本实施例中，支撑座板1的下表面11可以设置为连接板，支撑座板1的下表面11 (即连接板下表面)可以为平面，此时可以在连接板的边缘处预留螺栓孔以便与被控结构连接，支撑座板1可以通过下部连接板与被控结构采用螺栓固定连接。
如图2所示，支撑座板1的上表面13接触面上设置的球形凹面的数量为多个，对多个球形凹面的具体设置数量、设置位置和设置方式等不作严格限制，可根据实际需要合理设置。支撑座板1上表面13的多个球形凹面从内到外依次平滑连接并且外侧(即上层)的球形凹面的半径小于内侧(即下层)的球形凹面的半径；同时，支撑座板1上表面13还设有多个摩擦层，多个摩擦层可以分别设置在多个球形凹面上，外侧的摩擦层的摩擦系数大于内侧的摩擦层的摩擦系数。
以设置三个球形凹面为例，支撑座板1上表面13的球形凹面的数量设置为3个代表着具有3种变曲率的曲率半径；此时，摩擦层的数量也对应设置为3个，3个摩擦层分别设置在3个球形凹面上，其中每一个摩擦层的摩擦系数为一个定值。从平面上看，每一个球形凹面的形状为圆形，外侧的球形凹面覆盖在内侧的球形凹面上形成圆环形，即最内侧的球形凹面呈圆形，其余的外侧的球形凹面呈圆环形，所有的球形凹面形成同心圆的形状。需要注意的是，球面凹面与摩擦层的布置可以按照工程具体需求选择刚度变化的位置以及摩擦材料变化位置形成错位或同等布置。
更具体地，在支撑座板1的上表面13上自下至上依次设有第三球形凹面、第二球形凹面和第一球形凹面，在第三球形凹面、第二球形凹面和第一球形凹面上分别设置第三摩擦层、第二摩擦层和第一摩擦层，第三球形凹面、第二球形凹面和第一球形凹面平滑连接，位于外侧(即上层)的球形凹面覆盖在内侧(即下层)的球形凹面上，各球形凹面同心设置。将第三球形凹面、第二球形凹面和第一球形凹面的半径依次设为r3、r2、r1，此时r3>r2>r1；第三摩擦层、第二摩擦层和第一摩擦层的摩擦系数依次设为μ3、μ2、μ1，此时μ3<μ2<μ1。对各球形凹面的半径及各摩擦层的摩擦系数不作严格限制，可以根据被控结构弱轴方向的振动频率，设置支撑座板1 上表面13球形凹面的初始曲率。
上述各摩擦层可由摩擦材料制成，对摩擦材料不作严格限制，可根据摩擦层的摩擦系数以及实际应用需求来选择适宜的摩擦材料，例如可以采用聚四氟乙烯等具有稳定性摩擦系数的摩擦材料。通过合理设置上述各球形凹面及各摩擦层，进而合理布置滑动面变曲率位置以及不同摩擦层材料的布置范围，根据摆式TMD的位移实现在小位移时对荷载敏感、在大位移时提供更强自复位能力。
进一步地，在支撑座板1接触面的外缘设有与滑块2侧面23相适应的位移限制环12；此外，可以在位移限制环12的内侧设置防撞耗能件，例如高阻尼橡胶圈等。设置上述位移限制环12及防撞耗能件可保证TMD装置在强震或强风作用下的安全性。
在本实施例中，支撑座板1为中心对称，且支撑座板1的上表面13的圆弧面半径双向统一，即为双向提供统一刚度恢复力，该操作使施工方便，便于一体成型并减少成型之后因焊接、安装导致的残余应力等不均匀力学性质带来的影响。
本实施例的支撑座板1可用于双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器，其实现了通过惯性质量块4在不同区域摆动为调谐质量阻尼器提供具有自适应能力的刚度与摩擦阻尼控制能力，具有构造简单、施工方便等优势；特别是，利用三维的摆动特征具有平面和竖向的立体三维减震控制效果，从而可达到利用一个惯性质量块4同时有效控制笛卡尔坐标系下结构三个主轴方向振动的目的。
本实施例的支撑座板1通过惯性质量块4的滑动面和滑动面上的摩擦层材料分别提供双向刚度力和双向摩擦阻尼力，仅靠在滑动面上运动即可节省原本需要用于安装刚度元件和阻尼元件的空间，从而能够利用更少的空间提高结构的减震(振)控制效果。此外，通过合理布置滑动面变曲率位置以及不同摩擦层材料的布置范围，根据摆式TMD的位移实现在小位移时对荷载敏感、在大位移时提供更强自复位能力，突破了现有传统摩擦摆式TMD为结构提供局限性减震效果的桎梏，可以为不同环境荷载下的结构提供稳定持续的自适应效果和卓越的双向减震耗能作用。
实施例2
结合图1至图3所示，本实施例提供一种双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器，包括惯性质量块4和至少一个支撑套件，每一支撑套件包括连接支撑构件3、滑块2和实施例1的支撑座板1，连接支撑构件3设置在惯性质量块4的下方，滑块2的上部与连接支撑构件3连接，滑块2的下表面与支撑座板1的接触面接触连接。
本实施例对支撑套件的设置套数不作严格限制，一个惯性质量块4可根据实际情况配备多个同类型配套的支撑套件。
连接支撑构件3位于惯性质量块4下方，可以通过螺栓等可拆卸式连接件与惯性质量块4固定连接。具体地，连接支撑构件3的上表面32可以设置为平面，可以在连接支撑构件3的上表面32的边缘处预留螺栓孔以便与惯性质量块4固定连接；同时，惯性质量块4的下表面可以设置为平面，在保证其平面几何稳定性的前提下可合理留有螺栓孔以便与连接支撑构件 3固定连接。
连接支撑构件3的下表面31为球形凹面，滑块2的上滑动面22为球形凸面，滑块2的球形凸面与连接支撑构件3的球形凹面相适应；连接支撑构件3下部可内置上述凹陷区块以便与滑块2上部连接。
滑块2的下滑动面21和支撑座板1的上表面13接触。支撑座板1的上表面13为凹形圆弧面，滑块2下表面凸形圆弧面的尺寸与支撑座板1接触面相适应；滑块2的上表面与连接支撑构件3的下表面凹陷形圆弧接触面相适应，支撑座板1上表面13的凹面边缘处设有位移限制环12，其边缘与滑块2侧翼圆弧接触面相适应。位移限制环12位于支撑座板1上表面13边缘两端，位移限制环12内侧均设置防撞耗能材料，可以极大程度上降低和避免惯性质量块4行程过大时引起的碰撞损伤。其中，滑块2因正常遭遇磨损过多不作为永久构件，可以根据使用情况进行维修、替换等操作。
支撑座板1上表面13的球形凹面的数量为多个，支撑座板1上表面13 的多个球形凹面从内到外依次平滑连接并且外侧的球形凹面的半径小于内侧的球形凹面的半径；支撑座板1上表面13还设有多个摩擦层，外侧的摩擦层的摩擦系数大于内侧的摩擦层的摩擦系数。可以理解，支撑座板1的球形凹面的水平投影面积大于滑块2的下表面的水平投影面积。
支撑座板1通过下部连接板与被控结构采用螺栓固定连接。连接支撑构件3与支撑座板1下表面边缘处预留的螺栓孔的具体尺寸应满足螺栓强度验算。
在环境荷载激励下，本实施例的双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器的双向变曲率变摩擦摆式支撑保证了TMD惯性质量块4沿被控结构三个主轴方向运动，进一步提升了TMD在工程应用中的性能水准。通过惯性质量块4的滑动面和滑动面上的摩擦层材料分别提供双向刚度力和双向摩擦阻尼力，仅靠在滑动面上运动即可节省出原本需要用于安装刚度元件和阻尼元件的空间。通过合理布置滑动面变曲率位置以及不同摩擦层材料的布置范围，可以实现曲率半径和摩擦力系数的线性变化，这种变化虽在外观上由于摆动角度太小的原因比较难观测到，然而这种设定可使摩擦力突破呈线性变化突破摩擦力非线性恒定的限制，同时使曲率在位移较大处减小为惯性质量块4提供更大的刚度恢复力。根据摆式TMD的位移实现在小位移时对荷载敏感、在大位移时提供更强自复位能力。此外，位移限制环12内侧均设置有防撞耗能材料，可保证TMD装置在强震或强风作用下地安全性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种用于双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器的支撑座板，其特征在于，包括座板本体，座板本体具有与滑块下滑动面相适应的接触面，接触面为凹形圆弧面，在接触面自下至上依次设有多个平滑连接的球形凹面，在每一球形凹面上设有摩擦层，多个球形凹面的半径自下至上依次减小，多个球形凹面的摩擦层的摩擦系数自下至上依次增大。
2.根据权利要求1所述的支撑座板，其特征在于，在接触面的外缘设有与滑块侧面相适应的位移限制环。
3.根据权利要求2所述的支撑座板，其特征在于，在位移限制环的内侧设有防撞耗能件。
4.根据权利要求1所述的支撑座板，其特征在于，多个球形凹面同心设置或错位设置。
5.根据权利要求1所述的支撑座板，其特征在于，摩擦层由摩擦材料制成。
6.一种双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器，其特征在于，包括惯性质量块和至少一个支撑套件，每一支撑套件包括连接支撑构件、滑块和权利要求1-5任一所述的支撑座板，连接支撑构件设置在惯性质量块的下方，滑块的上部与连接支撑构件连接，滑块的下表面与支撑座板的接触面接触连接。
7.根据权利要求6所述的双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器，其特征在于，连接支撑构件通过可拆卸式连接件与惯性质量块连接。
8.根据权利要求6所述的双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器，其特征在于，支撑座板的球形凹面的水平投影面积大于滑块的下表面的水平投影面积。
9.根据权利要求6所述的双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器，其特征在于，滑块的上滑动面为球形凸面，连接支撑构件的下表面为球形凹面，滑块的球形凸面与连接支撑构件的球形凹面相适应。
10.根据权利要求6所述的双向变曲率变摩擦摆式调谐质量阻尼器，其特征在于，在支撑座板的下部设有用于与结构固定连接的连接件。
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