CN115288313A - 一种超结构隔振梁及其装配方法 - Google Patents

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施冬宇
刘洋
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Abstract

本发明公开了一种超结构隔振梁及其装配方法，属于人防工程技术领域，本发明包括：由条形钢丝绳隔振器、长方体型金属质量块构成的共振结构单元，以及上矩形梁和下矩形梁构成的隔振梁主体；共振结构单元使隔振梁存在局域共振带隙，可以使得梁中的挠曲波在特定频段上得到较大衰减。另外超结构隔振梁基于双自由度隔振模型，相比于普通隔振梁在中高频处可以有很好的隔振性能。

Description

一种超结构隔振梁及其装配方法
技术领域
本发明属于人防工程技术领域，具体涉及一种超结构隔振梁及其装配方法。
背景技术
人防工程以及国防工程中，地震动的防护一直是研究的热点，剧烈的地震动不仅会对工程、设备造成影响，而且也对人员安全造成较大威胁。弹性地基梁模型是研究隔震地板常用的简化模型，该模型在工程应用中的形式为，在地板下安置大型橡胶隔震器、阻尼器以及钢丝绳隔震器等。隔振理论一般都是单自由度模型，即只有当振动频率大于隔振系统固有频率的√2倍时，隔振系统才能发挥作用，所以一般通过降低隔振系统的固有频率来提高隔振效率，这就要降低单自由度模型中隔振器的刚度或者提高地板的质量，刚度低而地板质量增加不利于对于系统承载力，所以需要优化弹性地基梁模型。
发明内容
本发明提供了一种超结构隔振梁及其装配方法，该隔振梁比普通隔振梁具备更好的隔振性能，还可通过改变共振单元的固有频率来对震动扰动进行针对性设计，实现对特定频段的能量进行吸收，同时可以将不同的共振单元进行组合排列，从而实现对更宽频段弹性波进行抑制。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案：
一种超结构隔振梁，包括：上矩形梁、下矩形梁、隔振器、金属质量块；所述金属质量块上、下两端分别连接隔振器一端，所述隔振器的另一端分别连接上矩形梁和下矩形梁，其中上矩形梁为承载梁，下矩形梁为安装梁。
以上所述结构中，所述金属质量块上下连接的隔振器型号不同，所述金属质量块的宽与上矩形板的宽一致，其长度小于共振单元的晶格常数。
所述上矩形梁和下矩形梁的长和宽尺寸一致，但上矩形梁和下矩形梁的厚度不一致，在上矩形梁的下表面和下矩形梁的上表面打孔，孔洞位置与隔振器的安装孔位置相对应，方便组装；所述金属质量块的上、下表面也要打孔，与隔振器通过螺钉连接；
所述金属质量块的宽与上矩形板的宽一致，金属质量块和上下层隔振器组装成共振单元，不同的共振单元进行组合，周期性排列后，组成多共振单元隔振梁其长度小于共振单元的晶格常数。
通过调整金属质量块的高度或者材料密度来控制共振单元的质量，以及改变上下层隔振器的刚度，从而达到改变共振单元固有频率的效果。
下矩形梁为安装梁，在梁的四周均匀打通孔，用螺钉将其与地基相连接，形成超结构隔振梁。
一种超结构隔振梁的装配方法，包括如下步骤：
步骤一、通过双自由度理论以及实际工程的隔振需要和空间尺寸来计算确定隔振梁各部分的参数，完成隔振梁的设计，根据计算结果选择相应的部件；
步骤二、采用螺钉将下钢丝绳隔振器和下矩形梁进行连接固定后，依次将金属质量块、上钢丝绳隔振器和上矩形梁进行串联连接，保证金属块、上、下隔振器的轴心在一条直线上；
步骤三、将带隙特征不同的共振单元周期性地组合在一起，形成多共振单元隔振梁，安装方式同上。
有益效果：本发明提供了一种超结构隔振梁及其装配方法，与现有技术相比，本发明具有以下效果：
超结构隔振梁基于双自由度隔振模型进行优化，采用钢丝绳隔振器和金属块作为共振单元形成局域共振超结构，与普通隔振梁相比，使得结构在较低频率处开始隔振，而且在较高频段实现更好的隔振效果；
共振结构单元使超结构隔振梁存在局域共振带隙，与共振单元固有频率相近的弹性波在隔振梁中传播会有很大的衰减，使得梁中的挠曲波在特定频段上得到较大衰减，为人防工程中的隔振地板设计提供了新思路；
为了更好的应用于实际工程，超结构隔振梁可以对共振单元进行组合，将不同共振单元进行周期排列，可以将隔振梁的带隙特征放大，即结构将拥有更宽频段的带隙特征。
本发明还提供了超结构隔振梁的装配方法，通过先装配共振结构单元，后连接上下梁，来实现制备流程的简单高效，共振结构单元的可装卸设计使得隔振梁能针对不同工程及使用环境进行快速装配。
附图说明
图1为本发明实施例中超结构隔振梁的整体示意图；
图2为本发明实施例中超结构隔振梁的共振结构单元示意图；
图3为本发明实施例中上矩形板示意图；
图4为本发明实施例中下矩形板示意图；
图5为本发明实施例中超结构隔振梁上、下梁传递实验数据图；
图6为本发明实施例中超结构隔振梁下梁传递实验数据图；
图中：1、上矩形梁；2、下矩形梁；3、上层条形钢丝绳隔振器；4、下层条形钢丝绳隔振器；5、金属质量块；6、下层隔振器安装孔；7、上层隔振器安装孔；8、上矩形梁螺钉孔；9、下矩形梁定位孔；10、下矩形梁螺钉孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：
实施例1
如图1所示，一种超结构隔振梁，包括：上矩形梁1、下矩形梁2、上层条形钢丝绳隔振器3、下层条形钢丝绳隔振器4、金属质量块5；金属质量块5上下两面通过螺钉锚固上层条形钢丝绳隔振器3和下层条形钢丝绳隔振器4，组成共振单元，上层条形钢丝绳隔振器3的另一端与上矩形梁的螺钉孔8进行连接，下层条形钢丝绳隔振器4的下端与下矩形梁2的螺钉孔10进行连接，下矩形梁2的四周留有通孔，与待隔振的地基通过螺钉连接。
上矩形梁螺钉孔8和下矩形梁螺钉孔10的位置和数量需要和上层隔振器安装孔7，下层隔振器安装孔6相匹配。下矩形梁定位孔10要均匀分布在下矩形梁2的四周。
上矩形梁1和下矩形梁2的长宽尺寸保持一致，厚度不同。金属质量块5孔洞的位置要与上层隔振器安装孔6和下层隔振器安装孔7相匹配。
上述的超结构鼓形隔振器按下述步骤装配：
步骤一、通过双自由度理论以及实际工程的隔振需要和空间尺寸来计算确定隔振梁各部分的参数，完成隔振梁的设计，根据计算结果选择相应的部件；
首先考虑双自由度隔振模型，然后将其作为一个单元，构造出超结构隔振梁，已知单自由度隔振系统的质量为m1，隔振系统的刚度k1和钢丝绳隔振器的阻尼比z，根据有阻尼的单自由度传递曲线得到隔振系统的传递率，当要求双自由度系统传递到基础的荷载幅值与单自由度系统传递到基础的荷载幅值之比为Kp，和双层隔振系统中上层和下层隔振器的静变形量之比为Ks时，中间的金属块质量m2和下层隔振器的刚度k2按照下述式(1)-(2)
Figure BDA0003720186400000041
Figure BDA0003720186400000042
式中，Kp为单自由度、双自由度系统传递到基础的荷载幅值之比，m1为单自由度隔振系统的质量，m2为中间质量块的质量，g为m1与m2的比值，W为荷载频率与单自由度系统固有频率的频率比，B1为质量块m1稳态响应的振幅，B2为质量块m2稳态响应的振幅，k1为上层钢丝绳隔振器的刚度，k2为上层钢丝绳隔振器的刚度。
步骤二、采用螺钉将上层隔振器和下层隔振器与金属质量块锚固连接，组成共振单元，保证金属块、上下隔振器的轴心在一条直线上，依次再将上矩形梁，下矩形梁和共振单元进行串联连接；
步骤三、将带隙特征不同的共振单元周期性地组合在一起，形成多共振单元隔振梁，安装方式同上，完成超结构隔振梁的组装。
为了充分说明上述超结构隔振梁的隔振性能和带隙特征，利用激振器分别对超结构隔振梁和普通隔振梁进行了扫频试验，使用弹性橡胶绳将构件悬挂在支架上，形成自由边界。试验测试平台主要包含隔振梁、信号发生器、激振器、数据采集系统4个部分，通过数据采集系统对待测试的时域信号进行采集和频谱计算，最后分析出超结构隔振梁与普通隔振梁的区别，其中信号频率范围为1Hz～200Hz，根据测得的加速度频域数据，采用输出加速度除以输入加速度的方式计算传递函数，为了方便观察，转换成dB的表示形式，传递函数表达式具体为20*log10(输出加速度/输入加速度)。
如图5所示，在1Hz～200Hz，将超结构隔振梁与普通隔振梁的传递函数进行比较，发现超结构隔振梁的峰值小于普通隔振梁的峰值，而且在大部分频段处，超结构隔振梁的传递函数小于普通隔振梁，这表示超结构隔振梁具有良好的隔振效果。同时，可以发现当频率向高频靠近，两者传递函数的差值越大，这也更加说明了超结构隔振梁在隔振性能上具有一定的优势。
如图6所示，与普通隔振梁相比，超结构隔振梁的传递函数曲线在100Hz～115Hz处有很大的衰减，这是由于特定频段的挠曲波在下矩形梁的传播中受到了抑制，说明超结构隔振梁具有较好的带隙特征，理论上超结构梁的带隙范围为76.8Hz～89.1Hz，与试验数据有所偏差，主要原因可能是超结构隔振梁上下都是用螺钉锚固，导致结构的刚度偏大；隔振器虽然是同种型号，但是静载曲线还是有所差异，虽然带隙发生了平移，但是超结构隔振梁对于特定频段挠曲波的衰减还是起到了一定作用。
以上仅是本发明的优选实施例，仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超结构隔振梁，其特征在于，包括：上矩形梁、下矩形梁、共振单元；所述上矩形梁为承载梁，下矩形梁为安装梁，所述共振单元多组周期性排列安装于上矩形梁和下矩形梁之间。
2.根据权利要求1所述的超结构隔振梁，其特征在于，所述上矩形梁和下矩形梁的长和宽尺寸一致，厚度不同。
3.根据权利要求1或2所述的超结构隔振梁，其特征在于，所述共振单元包括金属质量块、上层隔振器、下层隔振器，所述上层隔振器一端连接金属质量块上表面，另一端连接上矩形梁；所述下层隔振器一端连接金属质量块下表面，另一端连接下矩形梁，所述金属质量块、上层隔振器、下层隔振器的轴心在一条直线上。
4.根据权利要求3所述的超结构隔振梁，其特征在于，所述金属质量块的宽与上矩形板的宽一致，其长度小于共振单元的晶格常数。
5.根据权利要求3所述的超结构隔振梁，其特征在于，所述上层隔振器和下层隔振器的型号不同。
6.根据权利要求3所述的超结构隔振梁，其特征在于，在上矩形梁的下表面和下矩形梁的上表面打孔，孔洞位置与上层隔振器和下层隔振器的安装孔位置相对应，所述金属质量块的上、下表面打孔与隔振器通过螺钉连接。
7.根据权利要求3所述的超结构隔振梁，其特征在于，通过调整金属质量块的高度或者密度来控制共振单元的质量，以及改变上、下层隔振器的刚度来改变共振单元固有频率的效果。
8.根据权利要求1所述的超结构隔振梁，其特征在于，所述下矩形梁的四周均匀打通孔，用螺钉将其与地基相连接，形成超结构隔振梁。
9.一种超结构隔振梁的装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、通过双自由度理论以及实际工程的隔振需要和空间尺寸来计算确定隔振梁各部分的参数，完成隔振梁的设计，根据计算结果选择相应的部件；
步骤二、采用螺钉将下层隔振器和下矩形梁进行连接固定后，依次将金属质量块、上层隔振器和上矩形梁进行串联连接，保证金属块、上、下隔振器的轴心在一条直线上；
步骤三、将带隙特征不同的共振单元周期性地组合在一起，形成多共振单元隔振梁，安装方式同上。
10.根据权利要求9所述的超结构隔振梁的装配方法，其特征在于，步骤一具体包括：首先考虑双自由度隔振模型，然后将其作为一个单元，构造出超结构隔振梁：已知单自由度隔振系统的质量为m1，隔振系统的刚度k1和钢丝绳隔振器的阻尼比z，根据有阻尼的单自由度传递曲线得到隔振系统的传递率，当要求双自由度系统传递到基础的荷载幅值与单自由度系统传递到基础的荷载幅值之比为Kp，和双层隔振系统中上层和下层隔振器的静变形量之比为Ks时，中间的金属块质量m2和下层隔振器的刚度k2按照下述式(1)-(2)
Figure FDA0003720186390000021
Figure FDA0003720186390000022
式中，Kp为单自由度、双自由度系统传递到基础的荷载幅值之比，m1为单自由度隔振系统的质量，m2为中间质量块的质量，g为m1与m2的比值，W为荷载频率与单自由度系统固有频率的频率比，B1为质量块m1稳态响应的振幅，B2为质量块m2稳态响应的振幅，k1为上层钢丝绳隔振器的刚度，k2为上层钢丝绳隔振器的刚度。
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