CN114809348A - 一种适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程抗震技术领域，公开了一种适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，包括连接端、旋转飞轮、滚珠螺母、滚珠丝杠、推力轴承、多层环形弹簧、内杆、钢垫板、外套筒和紧固螺母，滚珠丝杠左端与连接端固结，右端依次穿过旋转飞轮、滚珠螺母和推力轴承，并与内杆固结；内杆左端与滚珠丝杠固结，右端依次穿过钢垫板、多层环形弹簧和紧固螺母。该适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，通过具有惯容增效的旋转飞轮来减小振动加速度，通过具有自复位能力的多层环形弹簧提供大吨位阻尼力，从而有效地减小位移等，从而实现工程结构震后功能可恢复的设防目标。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程抗震技术领域，具体涉及一种适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器。
背景技术
基于延性的抗震设计，通过允许局部构件发生塑性变形来达到保护主体结构和人员安全的设防目标，但是由于发生了不可恢复的塑性变形，结构在震后往往会产生较大的残余变形，严重影响其震后修复时间和成本。可恢复功能结构是指地震后不需修复或稍加修复即可恢复其使用功能的结构，可通过自复位构件、可更换结构构件以及摇摆构件来实现其震后功能可恢复。现有的自复位阻尼器在有效控制结构残余变形的同时，由于增加了结构刚度，可能增加结构的加速度响应，从而使得结构加速度敏感型非结构构件产生塑性损伤，进而影响结构震后功能可恢复性。
结构楼层加速度作为可恢复功能结构控制重要性能指标之一，需要在结构中安装加速度相关型振动控制装置(如惯容器)才能得到有效控制。目前滚珠丝杠系统是惯容器最常见和通用的构造形式，此类装置将滚珠丝杠两点间的平动相对运动通过滚珠螺母转化为飞轮的高速旋转运动，由于飞轮转动惯量产生的惯性作用远大于其物理质量的惯性作用，故基于滚珠丝杠的惯容器具有惯性增效的效果，进而降低结构的加速度响应。但基于滚珠丝杠的惯容器由于缺少自复位部件或装置，在卸除荷载后往往不能恢复到初始位置。
目前，传统的自复位阻尼器难以满足可恢复功能结构对加速度控制的需求，因此迫切需要研发具备结构层间加速度、层间变形以及残余变形综合控制的新型阻尼器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，解决现有的自复位支撑/阻尼器难以满足可恢复功能结构对加速度控制需求的问题。为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出一种适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，通过具有惯容增效的旋转飞轮来减小结构层间加速度；通过具有自复位能力的多层环形弹簧提供大吨位阻尼力，从而有效地减小结构层间变形和残余变形，进而实现工程结构震后功能可恢复的设防目标。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，包括连接端、旋转飞轮、滚珠螺母、滚珠丝杠、推力轴承、内杆、钢垫板、多层环形弹簧、紧固螺母和外套筒，所述连接端为带开孔耳板的圆柱形，所述连接端靠近滚珠丝杠的一端开槽，且通过槽与滚珠丝杠的一端进行固定连接，所述滚珠丝杠的中段外部套设有旋转飞轮，所述旋转飞轮的中间开孔且比滚珠丝杠直径大，所述旋转飞轮与滚珠螺母通过螺栓由旋转飞轮一侧打入以保证彼此固结，所述滚珠螺母在远离旋转飞轮的一侧通过螺纹固定圆形耳板，所述推力轴承安装于圆形耳板的两侧，所述内杆为变截面的圆柱体，且所述内杆在靠近滚珠丝杠的一侧开设有凹槽，且通过凹槽与滚珠丝杠固定连接，所述内杆远离滚珠丝杠的一侧与紧固螺母连接，多层环形弹簧的两端与钢垫板直接嵌套后放置在内杆截面小的一侧，所述外套筒为内部有不同凹槽的圆形钢管，所述滚珠螺母、推力轴承、钢垫板、多层环形弹簧和紧固螺母均设置于外套筒的内部，同时外套筒与右侧连接端可设置为一体化。
优选的，所述多层环形弹簧分为内环与中环以及外环，多层环形弹簧的内环和外环均为一侧平滑，一侧带锐角的圆环，中环则为两侧带锐角的圆环，其中内外环不同之处在于内环的锐角指向远离内杆一侧，外环的锐角则指向内杆一侧，在多层环形弹簧对应位置，外套筒的内径比多层环形弹簧实际外径略大以保证多层环形弹簧在工作时不与外套筒接触。
优选的，在阻尼器往复工作中，所述旋转飞轮始终在高速旋转给阻尼器提供放大的惯性力，所述多层环形弹簧始终被压缩，给阻尼器提供大吨位的阻尼力。
优选的，所述滚珠丝杠左端与连接端固结，右端依次穿过旋转飞轮、滚珠螺母和推力轴承，并与所述内杆固结。
优选的，所述内杆左端与滚珠丝杠固结，右端依次穿过钢垫板、多层环形弹簧和紧固螺母。
优选的，所述外套筒内部预设不同凹槽，一方面用以固定推力轴承和滚珠螺母以及钢垫板，另一方面给多层环形弹簧和内杆提供工作空间。
优选的，所述多层环形弹簧设置成两层，具体分为内环、外环，内环和外环均为一侧平滑，一侧带锐角的圆环，其中内外环不同之处在于内环的锐角指向远离内杆一侧，外环的锐角则指向内杆一侧，在多层环形弹簧对应位置，外套筒的内径比多层环形弹簧实际外径大，相比三层的多层环形弹簧，两层的多层环形弹簧的刚度减少了约60％、最大阻尼力降低了约50％，因此可根据实际工程需求，选择不同层数的多层环形弹簧。
优选的，圆环为高强弹簧钢，可根据工程实际需求，采用形状记忆合金材料或高强合金钢来制作圆环。
优选的，可根据实际工程需求，将由高强弹簧钢制作的环形弹簧替换成由高强合金钢制作的蝶形弹簧，以取得生产成本和控制效果的平衡。
优选的，可根据实际工程需求，将传统由高强合金钢制作的碟形弹簧替换成由形状记忆合金材料制作而成的碟形弹簧，以获得更好的疲劳寿命和更高的可恢复位移。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.该适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，通过高速旋转的飞轮和始终处于受压状态的多层环形弹簧，来同时降低结构加速度和位移及残余位移响应，以实现工程结构在震后快速恢复其原有功能的设防目标。
2.该适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，通过内杆、外套筒、紧固螺母的相互配合作用，使得阻尼器内的多层环形弹簧在阻尼器工作时始终处于受压状态，从而给阻尼器提供大吨位阻尼力，使其同时具备摩擦耗能及自复位特点。
3.该适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，在阻尼器往复工作时，旋转飞轮始终在做旋转运动，给阻尼器提供较大惯性力，相比旋转飞轮的物理惯性力，有显著的惯性增效作用。
附图说明
图1是本发明实施例一大吨位自复位惯容阻尼器的整体外形结构示意图；
图2是本发明实施例一大吨位自复位惯容阻尼器的整体剖面结构示意图；
图3是本发明实施例一大吨位自复位惯容阻尼器的组件结构示意图；
图4是本发明实施例二大吨位自复位惯容阻尼器的整体剖面结构示意图。
图中：1、连接端；2、旋转飞轮；3、滚珠螺母；4、滚珠丝杠；5、推力轴承；6、内杆；7、钢垫板；8、多层环形弹簧；9、紧固螺母；10、外套筒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例一
参见图1-3，本发明实施例提供的适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，其包括连接端1、旋转飞轮2、滚珠螺母3、滚珠丝杠4、推力轴承5、内杆6、钢垫板7、多层环形弹簧8、紧固螺母9和外套筒10，如图1和图2所示。
如图3所示，本实施例中，连接端1均为带开孔耳板的圆柱形，其中靠近滚珠丝杠4一端开槽以保证连接端与滚珠丝杠4固结；旋转飞轮2的中间开孔并比滚珠丝杠4直径略大以避免与滚珠丝杠4发生摩擦，同时旋转飞轮2与滚珠螺母3通过螺栓由旋转飞轮3一侧打入以保证彼此固结；滚珠螺母3在远离旋转飞轮2一侧通过螺纹固定圆形耳板，在圆形耳板的两侧安装有推力轴承5，由于推力轴承5始终被外套筒10限制轴向位移，进而保证滚珠螺母3在滚珠丝杠4进行往复运动时只发生旋转而不发生平动；内杆6为变截面的圆柱体，在靠近滚珠丝杠4一侧设置凹槽以保证滚珠丝杠4与内杆6固结，在远离滚珠丝杠4一侧设置有紧固螺母9；多层环形弹簧8的两端与钢垫板7直接嵌套后放置在内杆6截面较小一侧；外套筒10为内部有不同凹槽的圆形钢管，同时外套筒10与右侧连接端1可设置为一体化。
具体地，本实施例以三层圆环为例来说明多层环形弹簧8。本实施例的多层环形弹簧8分为内环与中环以及外环，如图1所示。多层环形弹簧8的内环和外环均为一侧平滑，一侧带锐角的圆环，中环则为两侧带锐角的圆环，其中内外环不同之处在于内环的锐角指向远离内杆6一侧，外环的锐角则指向内杆6一侧；在多层环形弹簧8对应位置，外套筒10的内径比多层环形弹簧8实际外径略大以保证多层环形弹簧8在工作时不与外套筒10接触。
具体地，当阻尼器发生指向外套筒10一侧的位移时，靠近滚珠丝杠4的连接端1、滚珠丝杠4和内杆6以及紧固螺母9发生与阻尼器同方向同大小的位移，滚珠螺母3被推力轴承5限制其水平位移而发生旋转运动，进而带动旋转飞轮2进行旋转，给阻尼器提供放大的惯性力；靠近滚珠丝杠4一侧的钢垫板7被内杆6推动发生相同的水平位移，而远离滚珠丝杠4一侧的钢垫板7被外套筒10约束住，因此多层环形弹簧8被压缩，多层环形弹簧8发生径向变形，从而发挥其摩擦耗能和自复位特点。
具体地，当阻尼器发生远离外套筒10一侧的位移时，靠近滚珠丝杠4的连接端1、滚珠丝杠4和内杆6以及紧固螺母9发生与阻尼器同方向同大小的位移，滚珠螺母3被推力轴承5限制其水平位移而发生旋转运动，进而带动旋转飞轮2进行旋转，给阻尼器提供放大的惯性力；远离滚珠丝杠4一侧的钢垫板7被紧固螺母9推动发生相同的水平位移，而靠近滚珠丝杠4一侧的钢垫板7被外套筒10约束住，因此多层环形弹簧8被压缩，多层环形弹簧8发生径向变形，从而发挥其摩擦耗能和自复位特点。
进一步地，本实施例的圆环为高强弹簧钢，可根据工程实际需求，采用形状记忆合金材料或高强合金钢来制作圆环。
实施例二
如图4所示，在实施例一的基础上，且本实施例相较于实施例一，将多层环形弹簧8设置成两层，具体分为内环、外环，其中内环、外环的外观形象与实施例1一致，相比三层的多层环形弹簧8，两层的多层环形弹簧8的刚度减少了约60％、最大阻尼力降低了约50％，因此可根据实际工程需求，选择不同层数的多层环形弹簧。
实施例三
在实施例一和实施例二的基础上，当工程结构对阻尼器所提供的阻尼需求较低，或承载能力需求较低时，将实施例一和二中的多层环形弹簧替换成碟形弹簧，从而在降低生产成本的同时，仍能对结构层间变形和层间残余变形起到一定控制效果。
进一步地，可根据实际工程需求，将传统由高强合金钢制作的碟形弹簧替换成由形状记忆合金材料制作而成的碟形弹簧，以获得更好的疲劳寿命和更高的可恢复位移。
本发明上述实施例提供的适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，通过具有惯容增效的旋转飞轮来减小振动加速度，通过具有自复位能力的多层环形弹簧提供大吨位阻尼力，从而有效地减小位移等，从而实现工程结构震后功能可恢复的设防目标。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (7)
1.一种适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，其特征在于：包括连接端(1)、旋转飞轮(2)、滚珠螺母(3)、滚珠丝杠(4)、推力轴承(5)、内杆(6)、钢垫板(7)、多层环形弹簧(8)、紧固螺母(9)和外套筒(10)，所述连接端(1)为带开孔耳板的圆柱形，所述连接端(1)靠近滚珠丝杠(4)的一端开槽，且通过槽与滚珠丝杠(4)的一端进行固定连接，所述滚珠丝杠(4)的中段外部套设有旋转飞轮(2)，所述旋转飞轮(2)的中间开孔且比滚珠丝杠(4)直径大，所述旋转飞轮(2)与滚珠螺母(3)通过螺栓由旋转飞轮(2)一侧打入以保证彼此固结，所述滚珠螺母(3)在远离旋转飞轮(2)的一侧通过螺纹固定圆形耳板，所述推力轴承(5)安装于圆形耳板的两侧，所述内杆(6)为变截面的圆柱体，且所述内杆(6)在靠近滚珠丝杠(4)的一侧开设有凹槽，且通过凹槽与滚珠丝杠(4)固定连接，所述内杆(6)远离滚珠丝杠(4)的一侧与紧固螺母(9)连接，多层环形弹簧(8)的两端与钢垫板(7)直接嵌套后放置在内杆(6)截面较小的一侧，所述外套筒(10)为内部有不同凹槽的圆形钢管，所述滚珠螺母(3)、推力轴承(5)、钢垫板(7)、多层环形弹簧(8)和紧固螺母(9)均设置于外套筒(10)的内部，同时外套筒(10)与右侧连接端(1)设置为一体化。
2.根据权利要求1所述的适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，其特征在于：所述多层环形弹簧(8)分为内环与中环以及外环，多层环形弹簧(8)的内环和外环均为一侧平滑，一侧带锐角的圆环，中环则为两侧带锐角的圆环，其中内外环不同之处在于内环的锐角指向远离内杆(6)一侧，外环的锐角则指向内杆(6)一侧，在多层环形弹簧(8)对应位置，外套筒(10)的内径比多层环形弹簧(8)实际外径大。
3.根据权利要求1所述的适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，其特征在于：所述滚珠丝杠(4)左端与连接端(1)固结，右端依次穿过旋转飞轮(2)、滚珠螺母(3)和推力轴承(5)，并与所述内杆(6)固结。
4.根据权利要求1所述的适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，其特征在于：所述内杆(6)左端与滚珠丝杠(4)固结，右端依次穿过钢垫板(7)、多层环形弹簧(8)和紧固螺母(9)。
5.根据权利要求2所述的适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，其特征在于：所述多层环形弹簧(8)设置成两层，具体分为内环、外环，内环和外环均为一侧平滑，一侧带锐角的圆环，其中内外环不同之处在于内环的锐角指向远离内杆(6)一侧，外环的锐角则指向内杆(6)一侧，在多层环形弹簧(8)对应位置，外套筒(10)的内径比多层环形弹簧(8)实际外径大。
6.根据权利要求5所述的适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，其特征在于：所述圆环为高强弹簧钢，采用碳素弹簧钢/合金弹簧钢制作。
7.根据权利要求5所述的适用于可恢复功能结构的大吨位自复位惯容阻尼器，其特征在于：所述圆环采用形状记忆合金材料制作，形成形状记忆合金圆环。
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