CN115110656A - 一种高阶耗能增强的非线性能量阱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高阶耗能增强的非线性能量阱，该装置由屈曲约束型弹簧、振子箱体、摩擦滑轨、约束支架和底板组成。所述高阶耗能增强的非线性能量阱，摩擦滑轨和约束支架固定设置于底板上，振子箱体沿摩擦滑轨滑动；屈曲约束型弹簧成对设置，且对称于振子箱体设置，屈曲约束型弹簧一端通过约束支架固定于底板上，另一端与振子箱体侧边连接；振子箱体内壁设有缓冲材料并内填碰撞颗粒。与现有技术相比，本发明的减振系统安装于主体结构上之后，能够通过靶向目标能量传递机理在较宽减振频带上吸收主体结构的振动能量，且振子行程大大降低，同时在高阶频段具有优秀的快速耗能能力，从而获得卓越的振动控制效果。

Description

一种高阶耗能增强的非线性能量阱

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种高阶耗能增强的非线性能量阱，主要用于基础设施结构和建筑结构等的振动控制。

技术背景

结构振动控制概念自从被美国普渡大学的J.T.P.Yao教授在1972年首次提出之后，振动控制技术发展迅猛，现已被广泛应用于基础设施结构和工程结构等建筑物。结构振动控制技术改变了土木工程以往的传统设计思路，采用减振装置来施加减缓结构本身动力响应的控制力，达到抑制结构不良振动的目的。其中，调谐质量阻尼器(Tuned MassDamper,TMD)是一种成熟的振动控制技术，被广泛用于实际工程结构减振。然而，传统调谐质量阻尼技术存在的如减振频带较窄、工作行程较大、高阶耗能效果差等自身缺陷极大地限制了其实际工程应用。

为解决传统调谐质量阻尼技术的局限，相关学者将非线性机理引入振动控制领域，提出非线性能量阱技术。非线性能量阱作为一种新兴的结构振动控制技术，其恢复力与振子位移呈现3次方或更高幂指数的非线性关系，因此相比调谐质量阻尼器具有较宽的减振频带以及较小的工作行程。此外，非线性能量阱因其非恒定的非线性刚度，使其具有靶向能量传递机制，可以瞬时捕捉主体结构的振动能量至减振系统中并快速耗散，是一种鲁棒性较高的振动控制技术。然而，虽然传统非线性能量阱具有较宽的减振频带，由于地震及风振的不确定性使传统非线性能量阱的高阶振动耗能效果并不理想，使得该技术的实际应用受到一定限制。

颗粒阻尼技术是一种附加质量式的被动控制技术，其在振子箱体中的有限封闭空间内或者在振子箱体外的附加腔体内填充一定数量的颗粒，振子振动时利用颗粒与颗粒之间以及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效应，降低主体结构的振动响应。然而，如果直接将颗粒全部或部分替换非线性能量阱的振子质量，可能会使系统在高阶振动时存在加速度突变的不利情况。因此，非线性能量阱技术与颗粒阻尼技术要想更好地应用于结构减振，需要进一步的优化与升级。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种高阶耗能增强的非线性能量阱，基于非线性能量阱的调谐功能将主结构的振动能量传递至阻尼单元并将其耗散，通过在振子箱体内壁铺设一定厚度的缓冲物，降低箱体内颗粒在高阶振动阶段与箱体内壁的碰撞力，以此提高非线性能量阱的高阶耗能能力的同时降低主体结构可能的加速度突增，使得所提出的高阶耗能增强的非线性能量阱同时具有减振频带较宽、工作行程较小、高阶耗能效果较好等优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明是一种高阶耗能增强的非线性能量阱，主要有屈曲约束型弹簧、振子箱体、摩擦滑轨、约束支架、底板。其中，屈曲约束型弹簧内部构造为同心圆筒，中间圆筒腔体为约束外套筒，为约束活塞杆，为约束套筒及约束活塞杆的端板，为钢弹簧；振子箱体外壁为整体铣削的不锈钢箱体，其两侧有与屈曲约束型弹簧连接的U形凹槽，箱体内壁为缓冲材料，箱体内填充为碰撞颗粒，箱体底部设有与摩擦滑轨相配合的半球状凸块和T形圆柱状块体，箱体底部同时具有与摩擦滑轨相互作用的摩擦高碳钢；摩擦滑轨的左下角及右下角具有一对摩擦副，其左上角及右上角具有与半球状凸块相配合的半球状凹槽，并且上表面的中部具有与圆柱状块体相配合的T形凹槽；约束支架通过螺栓固定于底板上，约束支架正面钢板中央有一U形凹槽，背面有一对加劲肋。

本发明中，所述屈曲约束型弹簧具备防止钢弹簧在回拉时屈曲的机制，其内部构造为同心圆筒，其中约束外套筒和约束活塞杆分别焊接在端板上，约束活塞杆的外径略小于约束外套筒的内径且两者中间填充润滑油，降低两者在工作过程的摩擦力；约束活塞杆的长度略小于约束外套筒，避免约束活塞杆与约束外套筒发生碰撞；且约束外套筒的外径需略小于钢弹簧在工作行程范围内的内径，保证钢弹簧在回拉过程中不发生弹簧几何屈曲现象。

本发明中，振子箱体外壁的不锈钢箱体可以防止箱体受环境影响锈蚀；优选的，内壁缓冲材料的厚度可为振子箱体总厚度的1/3～1/2，使用的缓冲材料可为黏弹性体、高阻尼橡胶、泡沫铝等，降低箱体内颗粒在最大位移处与振子箱体的碰撞力，为主体结构提供一定阻尼耗能的同时降低振子箱体的加速度；振子箱体内填充的碰撞颗粒，其材料可为混凝土、钢、黏弹性体等，其直径可为1mm～60 mm，其填充率可为箱体总体积的20％～40％；振子箱体底部设有与摩擦滑轨相配合的半球状凸块和T形圆柱状块体，保证振子箱体在运动过程中的稳定性；振子箱体底部具有与摩擦滑轨相互作用的摩擦高碳钢，使振子在运动过程中不断耗散捕获到的共振能量。

本发明中，摩擦滑轨的左下角及右下角具有一对摩擦副，其高度与振子箱体的摩擦高碳钢高度一致，可选材料为兼顾稳定性和耐磨性的聚四氟乙烯、合金钢、高硅铁等；摩擦滑轨左上角及右上角具有与半球状凸块相配合的半球状凹槽，并且上表面的中部具有与圆柱状块体相配合的T形凹槽，保证振子箱体在运动过程中的稳定性。

本发明中，约束支架通过螺栓固定于底板上，约束支架正面钢板有一用于与屈曲约束型弹簧连接的U形凹槽，约束支架背面焊接一对增强抗侧刚度的加劲肋。

本发明中，所述底板带有若干螺栓孔，用于固定在主体结构上；摩擦滑轨和约束支架固定设置于底板上。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明提出了的新型屈曲限制型钢弹簧可以有效限制弹簧回拉过程中可能出现的几何屈曲失稳现象，使高阶耗能增强的非线性能量阱的力学模型更加契合理论设计值；

2)本发明提出的一种高阶耗能增强的非线性能量阱具有强非线性特性，所提出的阻尼器系统具有非恒定的固有频率，能够实现“瞬态共振捕捉”效应，其减振频带较TMD更宽；

3)本发明提出的一种高阶耗能增强的非线性能量阱的恢复力具有强非线性，其振子的工作行程优势较TMD更为显著；

4)本发明提出的一种高阶耗能增强的非线性能量阱有效结合颗粒阻尼的碰撞力，使系统在高阶频率部分可以快速耗散大量主体结构的振动能量，使其高阶耗能能力优于传统TMD和非线性能量阱；

5)本发明对风荷载或/和地震作用等均有良好的控制效果，安装位置灵活，适用于高层建筑和高耸结构，能够产生较好的社会效益和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为静止状态的高阶耗能增强的非线性能量阱示意图；

图2为运动状态的高阶耗能增强的非线性能量阱示意图；

图3为屈曲限制型弹簧示意图；

图4为振子箱体示意图；

图5为摩擦滑轨示意图；

图6为约束支架示意图；

图中：1屈曲约束型弹簧、2振子箱体、3摩擦滑轨、4约束支架、5底板；其中，1-1为约束外套筒，1-2为约束活塞杆，1-3为端板，1-4为钢弹簧；2-1 为不锈钢箱体，2-2为U形凹槽，2-3为缓冲材料，2-4为碰撞颗粒，2-5为半球状凸块，2-6为T形圆柱状块体，2-7为摩擦高碳钢；3-1为摩擦副，3-2为半球状凹槽，3-3为T形凹槽；4-1为螺栓，4-2为钢板，4-3为U形凹槽，4-4为加劲肋。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：

如图1所示，本发明为一种高阶耗能增强的非线性能量阱，其主要包括屈曲约束型弹簧1、振子箱体2、摩擦滑轨3、约束支架4、底板5。其中，屈曲约束型弹簧1的约束活塞杆1-2放入约束外套筒1-1中并在两者中间填充润滑油，套进钢弹簧1-4再将约束外套筒1-1和约束活塞杆1-2分别与端板1-3焊接；振子箱体2底部的半球状凸块2-5和T形圆柱状块体2-6卡入摩擦滑轨3的半球状凹槽3-2和T形凹槽3-3，再将屈曲约束型弹簧1安装在振子箱体2两侧的U形凹槽2-2，箱体内壁铺设缓冲材料2-3后再填充碰撞颗粒2-4。所述高阶耗能增强的非线性能量阱具有较宽的减振频带、较小的工作行程、较好的高阶振动耗能能力。

如图3所示，所述屈曲约束型弹簧1具备防止钢弹簧在回拉时屈曲的机制，其内部构造为同心圆筒，其中约束外套筒1-1和约束活塞杆1-2分别焊接在端板1-3上，约束活塞杆1-2的外径略小于约束外套筒1-1的内径且两者中间填充润滑油，降低两者在工作过程的摩擦力；约束活塞杆1-2的长度略小于约束外套筒 1-1，避免约束活塞杆1-2与约束外套筒1-1发生碰撞；且约束外套筒1-1的外径需略小于钢弹簧1-4在工作行程范围内的内径，保证钢弹簧1-4在回拉过程中不发生弹簧几何屈曲现象。

如图4所示，所述振子箱体2外壁的不锈钢箱体2-1可以防止箱体受环境影响锈蚀；优选的，内壁缓冲材料2-3的厚度可为振子箱体总厚度的1/3～1/2，使用的缓冲材料2-3可为黏弹性体、高阻尼橡胶、泡沫铝，降低箱体内碰撞颗粒 2-4在最大位移处与振子箱体2的碰撞力，为主体结构提供一定阻尼耗能的同时降低振子箱体2的加速度。

如图4所示，所述振子箱体2内填充的碰撞颗粒2-4，其材料可为混凝土、钢、黏弹性体等，其直径可为1mm～60mm，其填充率可为箱体总体积的20％～40％。

如图4所示，所述振子箱体2底部设有与摩擦滑轨3相配合的半球状凸块 2-5和T形圆柱状块体2-6，保证振子箱体2在运动过程中的稳定性；振子箱体 2底部具有与摩擦滑轨3相互作用的摩擦高碳钢2-7，使振子在运动过程中不断耗散捕获到的共振能量。

如图5所示，所述摩擦滑轨3的左下角及右下角具有一对摩擦副3-1，其高度与振子箱体2的摩擦高碳钢2-7高度一致，可选材料为兼顾稳定性和耐磨性的聚四氟乙烯、合金钢、高硅铁等；摩擦滑轨3左上角及右上角具有与半球状凸块 2-5相配合的半球状凹槽3-2，并且上表面的中部具有与T形圆柱状块体2-6相配合的T形凹槽3-3，保证振子箱体2在运动过程中的稳定性。

如图6所示，所述约束支架4通过螺栓4-1固定于底板5上，约束支架4 正面钢板4-2有一用于与屈曲约束型弹簧1连接的U形凹槽4-3，约束支架4背面焊接一对增强抗侧刚度的加劲肋4-4。

工作机理：

当地震和风荷载激励时，高阶耗能增强的非线性能量阱系统开始工作，将主结构的振动能量快速传递至阻尼系统并快速耗散。振子箱体2沿摩擦滑轨3来回滑动，带动屈曲约束型弹簧1发生轴向运动。其中，屈曲约束型弹簧1的钢弹簧 1-4在振子箱体2运动方向上提供的非线性恢复力与振子箱体2的运动位移在理想状态下呈3次方关系，使系统具有较宽的减振频带和较小的工作行程，同时约束外套筒1-1起到防止钢弹簧1-4在回拉过程中发生几何屈曲失稳的作用。振子箱体2沿摩擦滑轨3来回滑动，振子箱体2的摩擦高碳钢2-7与摩擦滑轨3的摩擦副3-1始终接触并发生摩擦，以此提高系统的耗能能力；同时，振子箱体2 在运动过程中，箱体内的碰撞颗粒2-4之间发生相互摩擦和碰撞，且与箱体内壁的缓冲材料2-3发生相互摩擦和碰撞，这一相互作用在振子相对位移较大时最为显著，即箱体内的等效碰撞力可以设计成在特定较大相对位移时提供较大的碰撞力，而非线性能量阱系统在较大位移时由于非线性特性处于较高阶振动的状态，以此提高系统在高阶振动频率部分的耗能能力，快速抑制主体结构的动力响应。

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 (8)

1.一种高阶耗能增强的非线性能量阱，其特征在于，包括屈曲约束型弹簧(1)、振子箱体(2)、摩擦滑轨(3)、约束支架(4)、底板(5)；

其中，屈曲约束型弹簧(1)内部构造为同心圆筒，中间圆筒腔体为约束外套筒(1-1)，为约束活塞杆(1-2)，为约束套筒及约束活塞杆的端板(1-3)，为钢弹簧(1-4)；

各部分之间的联系特征：屈曲约束型弹簧(1)的约束活塞杆(1-2)放入约束外套筒(1-1)中并在两者中间填充润滑油，套进钢弹簧(1-4)再将约束外套筒(1-1)和约束活塞杆(1-2)分别与端板(1-3)焊接；振子箱体(2)底部的半球状凸块(2-5)和T形圆柱状块体(2-6)卡入摩擦滑轨(3)的半球状凹槽(3-2)和T形凹槽(3-3)，再将屈曲约束型弹簧(1)安装在振子箱体(2)两侧的U形凹槽(2-2)，箱体内壁铺设缓冲材料(2-3)后再填充碰撞颗粒(2-4)。

2.如权利要求1所述的高阶耗能增强的非线性能量阱，其特征在于，所述屈曲约束型弹簧(1)具备防止钢弹簧(1-4)在回拉时屈曲的机制，其内部构造为同心圆筒，其中约束外套筒(1-1)和约束活塞杆(1-2)分别焊接在端板(1-3)上，约束活塞杆(1-2)的外径略小于约束外套筒(1-1)的内径且两者中间填充润滑油，降低两者在工作过程的摩擦力；约束活塞杆(1-2)的长度略小于约束外套筒(1-1)，避免约束活塞杆(1-2)与约束外套筒(1-1)发生碰撞；且约束外套筒(1-1)的外径需略小于钢弹簧(1-4)在工作行程范围内的内径，保证钢弹簧(1-4)在回拉过程中不发生弹簧几何屈曲现象。

3.如权利要求1所述的高阶耗能增强的非线性能量阱，其特征在于，所述振子箱体(2)外壁的不锈钢箱体(2-1)防止箱体受环境影响锈蚀；内壁缓冲材料(2-3)的厚度为振子箱体总厚度的1/3～1/2，降低箱体内碰撞颗粒(2-4)在最大位移处与振子箱体(2)的碰撞力，为主体结构提供一定阻尼耗能的同时降低振子箱体(2)的加速度。

4.如权利要求1或者3所述的高阶耗能增强的非线性能量阱，其特征在于，所述振子箱体(2)内填充的碰撞颗粒(2-4)，其材料为混凝土、钢、黏弹性体等，其直径为1mm～60mm，其填充率可为箱体总体积的20％～40％。

5.如权利要求4所述的高阶耗能增强的非线性能量阱，其特征在于，所述振子箱体(2)底部设有与摩擦滑轨(3)相配合的半球状凸块(2-5)和T形圆柱状块体(2-6)，保证振子箱体(2)在运动过程中的稳定性；振子箱体(2)底部具有与摩擦滑轨(3)相互作用的摩擦高碳钢(2-7)，使振子在运动过程中不断耗散捕获到的共振能量。

6.如权利要求1所述的高阶耗能增强的非线性能量阱，其特征在于，所述摩擦滑轨(3)的左下角及右下角具有一对摩擦副(3-1)，其高度与振子箱体(2)的摩擦高碳钢(2-7)高度一致，可选材料为兼顾稳定性和耐磨性的聚四氟乙烯、合金钢、高硅铁等；摩擦滑轨(3)左上角及右上角具有与半球状凸块(2-5)相配合的半球状凹槽(3-2)，并且上表面的中部具有与T形圆柱状块体(2-6)相配合的T形凹槽(3-3)，保证振子箱体(2)在运动过程中的稳定性。

7.如权利要求1所述的高阶耗能增强的非线性能量阱，其特征在于，所述约束支架(4)通过螺栓(4-1)固定于底板(5)上，约束支架(4)正面钢板(4-2)有一用于与屈曲约束型弹簧(1)连接的U形凹槽(4-3)，约束支架(4)背面焊接一对增强抗侧刚度的加劲肋(4-4)。

8.如权利要求3所述的高阶耗能增强的非线性能量阱，其特征在于，使用的缓冲材料(2-3)为黏弹性体、高阻尼橡胶、泡沫铝。

Images