CN117905183A - 刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统 - Google Patents

刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统 Download PDF

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罗赤宇
王俊杰
徐乾智
吴思远
都兴利
余尚
孟柳辰
蔡凤维
傅知春
孔伟明
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
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    • E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
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Abstract

本发明公开了一种刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，包括支承面、支撑柱、质量块、支座和至少三组弹簧和阻尼器，支座设置在支承面上，支座支承质量块，每组弹簧和阻尼器的其中一端与质量块连接，另一端与支撑柱连接，每组弹簧和阻尼器中轴线的延长线不通过质量块的质心，使得每组弹簧的弹性回复力远离质量块的质心形成力臂，进而产生与质量块扭矩方向相反的力矩，各组弹簧和阻尼器排布为旋风状，可抑制质量块偏转角度的变化，并通过配置不同水平向及竖向弹簧刚度和阻尼，实现三向平动及扭转频率最优调谐，且运动过程中弹簧系统随行程的增大，夹角变化导致刚度的非线性变化，实现多模态瞬态共振捕捉。

Description

刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统
技术领域
本发明涉及一种刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统。
背景技术
风、地震等自然灾害会对公共建筑的结构安全造成影响，进而威胁财产和人身安全。近年来，调谐减振控制技术由于具有无需对结构采取传统的加强措施、减振效果明显的优势，广泛应用于高层建筑、高耸结构等。
常见的调谐减振控制技术为TMD(Tuned Mass Damper，调谐质量阻尼器)，用于建筑减振时，通常是在结构物顶部或上部某位置上加上惯性质量，并配以吊索或弹簧和阻尼器与建筑主体结构相连构成减震系统。TMD利用共振原理，对建筑主体结构某些振型(通常是第一振型)的动力响应加以控制。当TMD应用于减少如行走激励等竖直向振动时，常用弹簧提供刚度；当TMD用于减少风振、地震等横向振动时，常采用悬吊式或弹簧加轨道的组合。
传统的调谐减振控制技术，以调谐质量阻尼器为例，仅适用于结构线弹性范围，周期与刚度在整个行程固定不变。在小阻尼的情况下，调谐质量阻尼器对结构周期和激励频率极其敏感，在大阻尼的情况下，调谐质量阻尼器对结构周期和激励频率的敏感程度下降，但减振效率又会有所降低。当遭遇非平稳随机激励，如地震作用时，整体减震效率(以响应均方根值来评价)虽有降低，仍具有不错的效果，但峰值响应的减震效果则会有较明显差异，极个别地震波作用下，TMD甚至会有反效果。
现有调谐减振控制装置，常采用悬吊式或弹簧加轨道的组合。悬吊式调谐质量阻尼器的周期由悬吊高度(即摆长)决定，往往高达数层，须占用较多建筑有效面积；且各向周期一致，难以适应建筑结构各向周期相异的实际情况。弹簧加轨道的组合方式，为了实现质量块的各向自由振动，需要双层单向滑轨、复位弹簧组成的精密机械系统，仍会占据大量空间，机构复杂、造价高昂、维护困难，不利于广泛推广。
如图1、2所示，是现有的两种能量阱弹簧布置方式，均为正交向的向心布置方式，弹簧1连接在质量块M和支撑柱2之间，且弹簧1对准质量块M的质心，因为初始状态(采用实线表示，质量块位置偏移状态采用虚线表示)下的抗扭转力臂为0，无法提供初始的复位力矩，所以仍须布置双层滑轨。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现多模态瞬态共振捕捉、提高减振频带、增强减振装置的稳定性、显著减少占用空间、降低造价、方便维护的刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统。
本发明的目的通过以下的技术措施来实现：一种刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，它包括支承面、沿支承面周边设置的至少三根支撑柱、质量块、支座和至少三组弹簧和阻尼器，每组的弹簧和阻尼器上下并联，所述支座设置在所述支承面上，所述支座支承所述质量块，每组弹簧和阻尼器的其中一端与质量块连接，另一端与支撑柱连接，其特征在于，每组弹簧和阻尼器中轴线的延长线不通过质量块的质心，使得每组弹簧的弹性回复力远离质量块的质心形成力臂，进而产生与质量块扭矩方向相反的力矩，且各组拉压弹簧和阻尼器基于其沿质量块周边倾斜设置而在整体上形成按顺时针或者逆时针走向的排布形式，即各组弹簧和阻尼器排布为旋风状，可抑制质量块偏转角度的变化，并通过配置不同的水平向及竖向弹簧刚度和阻尼，实现三向平动及扭转频率最优调谐，且因运动过程中弹簧系统随行程的增大，夹角变化导致刚度的非线性变化，从而实现多模态瞬态共振捕捉。
本发明可通过配置不同的水平向及竖向弹簧刚度和阻尼，同时实现三向平动及扭转频率最优调谐(即各向异性的多自由度调谐)，以适应建筑结构各向自振频率相异的实际需求；另外，因运动过程中弹簧系统随行程的增大，夹角变化导致刚度的非线性变化，从而实现多模态瞬态共振捕捉(即非线性能量阱)，可提高减振频带，增强减振装置的稳定性；本发明各组弹簧和阻尼器的排布形式近似于“旋风状”，可抑制质量块偏转角度的变化，无需复杂的滑轨系统即可实现对质量块的扭转控制，能够显著减少占用空间、降低造价、方便维护。
本发明所述支座是橡胶垫支座或滑动支座，当为具有各向同性、剪切型弹性单元性质的橡胶垫支座时，该支座可提供部分侧向刚度和扭转刚度。
本发明每组弹簧由多根弹簧串联构成，通过控制各根弹簧的刚度和行程，可让部分弹簧先达到极限行程退出工作，实现了在不同的行程区段，弹簧系统可以提供不同刚度，从而实现更大范围的模态瞬态共振捕捉，进一步拓宽减振频带，增强减振装置的稳定性。
本发明所述四自由度非线性能量阱减振系统置于楼板之上或者吊于楼板之下。
本发明所述质量块采用消防水箱等建筑已有质量或采用钢笼并内浇混凝土制成，可灵活适应不同体量建筑的质量比需求，且成本低廉。
作为本发明的一种优选实施方式，是本发明的“基本构型-双向平动型”，仅有两向平动刚度及阻尼的构型，所述质量块为一块，且位于由支撑柱设于支承面上所构成的非线性能量阱中。
作为本发明的另一种优选实施方式，是本发明的“三向平动刚度及阻尼的构型”，所述质量块位于由支撑柱设于支承面上所构成的非线性能量阱中，所述质量块由凹槽形的外部质量块和内置于外部质量块中的内部质量块组成，所述内部质量块的侧壁与外部质量块的侧壁之间通过滑动结构连接，所述内部质量块的底面和外部质量块的内底面之间通过并联的弹簧和阻尼器连接。
作为本发明的再一种优选实施方式，为本发明的“主要对抗扭转振型的构型”，所述质量块为口字形，所述支撑柱位于质量块的开口内。
本发明所述滑动结构是滚珠、滚轴或滑板等。
本发明所述每组中的弹簧和阻尼器分别为两个以上。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
⑴本发明通过多个方向配置不同的弹簧刚度和阻尼，实现非线性能量阱系统来控制结构的多向振动，最多可实现四向(即四自由度)控制，而常规TMD仅能实现最多两向(即两自由度)控制。如果采用常规TMD分别对水平、扭转及竖向振型进行调节，须布置三套TMD，每套须配置主结构质量1～3％的质量块，总共须增加3～9％主结构荷载，且须占用大量建筑空间，成本相应显著增加。如采用本发明非线性能量阱系统，仅需一套即可实现。
⑵本发明具备各个方向下强、弱向弹簧贡献的比例是平滑过渡的优点，不会造成不同角度的刚度突变，与结构自身的各向的刚度变化相近。
⑶本发明弹簧系统可提供非线性刚度，从而实现模态瞬态共振捕捉，提高减振频带，稳定将能量传递给阻尼元件，增强减振装置稳定性。
⑷本发明为非悬挂式，可更大程度节省空间，具有不需穿层布置的优点，置于楼板上或楼板下均可，布置位置和方式灵活。
⑸本发明的弹簧、阻尼器采用“旋风状”布置方式，构造上具有防止质量块扭转的复位能力，相较现有的正交向布置方式，有不需布置双层轨道的优点，可显著减少占用空间、降低造价、方便维护。
⑹本发明的质量块可由消防水箱等已有质量或钢箱+现浇混凝土的方式提供，可灵活适应不同体量建筑的质量比需求，且成本低廉。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是现有能量阱弹簧布置方式之一(显示为初始状态和质量块位置偏移状态)；
图2是现有能量阱弹簧布置方式之二(显示初始状态和质量块位置偏移状态)；
图3是本发明实施例1的俯视图；
图4是本发明实施例1的立体结构示意图；
图5是本发明实施例1的原理示意图之一；
图6是本发明实施例1的原理示意图之二；
图7是本发明实施例1抗扭原理示意图(显示初始状态和质量块位置偏移状态)；
图8是本发明实施例1非线性刚度图表；
图9是现有TMD的线性刚度图表；
图10是本发明实施例2原理示意图之一；
图11是本发明实施例2原理示意图之二；
图12是本发明实施例3原理示意图之一；
图13是本发明实施例3原理示意图之二；
图14是本发明实施例4原理示意图之一；
图15是本发明实施例4原理示意图之二。
具体实施方式
实施例1
如图3～9所示，是本发明一种刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，包括支承面3、沿支承面3周边设置的四根支撑柱4、矩形体的质量块M、支座6和四组弹簧7和阻尼器8，质量块M可以采用消防水箱等建筑已有质量或采用钢笼并内浇混凝土制成。每组的一个弹簧7和阻尼器8上下并联，支座6采用橡胶垫支座，设置在支承面3上，支座6支承质量块，每组弹簧7和阻尼器8的其中一端与质量块的其中一个边角连接，另一端与支撑柱4连接，每组弹簧7和阻尼器8中轴线的延长线不通过质量块的质心，使得每组弹簧7的弹性回复力远离质量块的质心形成力臂，进而产生与质量块扭矩方向相反的力矩，且各组弹簧7和阻尼器8基于其沿质量块周边倾斜设置而在整体上形成按顺时针或者逆时针走向的排布形式，即各组弹簧7和阻尼器8的排布类似于“旋风状”。
通过两个方向配置不同的弹簧刚度和阻尼，提供主要的侧向刚度和扭转刚度，质量块M底部由具有各向同性、剪切型弹性单元性质的橡胶垫支座支承，提供部分侧向刚度和扭转刚度，组成本发明的基本构型，如图5、6所示，K1、K2分别为两组旋风弹簧的刚度，C1、C2分别为两组阻尼器的阻尼；K3、C3分别为橡胶垫支座的水平刚度、阻尼；Kz为下支座的竖直向刚度、阻尼；角a1、a1’、a2、a2’为各弹簧、阻尼器与质量块直边之间的夹角。
整体坐标系下的各向刚度表达式如下：
X向水平刚度：Kx＝K2cosα2+K2cosα2’+K1sinα1+K1sinα1’+K3
Y向水平刚度：Ky＝K1cosα1+K1cosα1’+K2sinα2+K2sinα2’+K3
Z向水平刚度：Kz＝2Kz
质量块的运动幅度增大，角a1～a2’的大小改变，使得Kx、Ky变小，呈现出非线性的特征，如图8所示，从而实现多模态瞬态共振捕捉，可提高减振频带，实现了“非线性能量阱”的功能。普通TMD的刚度则是固定不变的，也就是线性的，如图9所示。
质量块运动幅度大，意味着建筑结构遭遇了大的水平荷载，往往会出现结构损伤，导致建筑自振频率降低，而本发明的刚度随行程增大而减小的特性，可以很好地适应此变化，从而实现从小震到大震的全阶段、高效率减震。
非线性能量阱中的弹簧通过多根弹簧串联构成，通过控制各根弹簧的刚度和行程，让部分弹簧先达到极限行程退出工作，实现在不同的行程区段，弹簧系统可以提供不同的刚度，如图8所示。从而实现更大范围的模态瞬态共振捕捉，进一步拓宽减振频带，增强减振装置的稳定性。
常规轨道式TMD，在面对随机振动时，质量块不受控制的扭转振动是一种混沌状态，将导致TMD系统失效，因此必须采用双层单向滑轨的复杂机构来保证不发生扭转。本发明“非线性能量阱”通过弹簧阻尼系统的“旋风状”特殊布置方式，无需滑轨系统，即可实现稳定振动。如图7所示，弹簧因变形Δ产生弹性力K*Δ，该力的作用方向远离质量块的质心，形成力臂L，产生力矩K*Δ*L，其作用方向和质量块的扭转方向相反，因此是“复位力矩”，从根本上防止了质量块的扭转振动。
实施例2
通过调整本发明的基本构型，可以衍生出多种构型以应对复杂需求。
如图10、11所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：支座6采用滑动支座，且弹簧Kz刚度很大时，使得本实施例仅有两向平动刚度及阻尼，因此，本实施例是双向平动型。
实施例3
如图12、13所示，本实施例与实施例2的不同之处在于：通过将质量块拆分形成具有三向平动刚度及阻尼的构型，本实施例质量块由凹槽形的外部质量块M2和内置于外部质量块M2中的内部质量块M1组成，内部质量块M1的侧壁与外部质量块M2的侧壁之间通过滑动结构9连接，滑动结构9可以是滚珠、滚轴或滑板等。内部质量块M1的底面和外部质量块M2的内底面之间通过弹簧和阻尼器连接。
实施例4
如图14、15所示，本实施例与实施例2的不同之处在于：所述质量块M为口字形，支撑柱4位于质量块M的开口内，构成主要对抗扭转振型的构型。
本发明在具体应用时，某指挥塔由于体型特殊，质量主要集中于塔顶，且水平偏置，在面对地震作用时，塔顶会同时存在三向平动位移和扭转位移，而通常的指挥塔一般只存在水平双向的平动位移。常规的调谐质量阻尼器只能对水平双向的地震作用进行调节，对于扭转和竖向振型基本无效。而本发明非线性能量阱减振控制系统，可利用单个系统同时实现三向平动及扭转频率最优调谐，适用于复杂体型结构的振动控制。

Claims (9)

1.一种刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，包括支承面、沿支承面周边设置的至少三根支撑柱、质量块、支座和至少三组弹簧和阻尼器，每组的弹簧和阻尼器上下并联，所述支座设置在所述支承面上，所述支座支承所述质量块，每组弹簧和阻尼器的其中一端与质量块连接，另一端与支撑柱连接，其特征在于：每组弹簧和阻尼器中轴线的延长线不通过质量块的质心，使得每组弹簧的弹性回复力远离质量块的质心形成力臂，进而产生与质量块扭矩方向相反的力矩，且各组弹簧和阻尼器基于其沿质量块周边倾斜设置而在整体上形成按顺时针或者逆时针走向的排布形式，即各组弹簧和阻尼器排布为旋风状，可抑制质量块偏转角度的变化，并通过配置不同的水平向及竖向弹簧刚度和阻尼，实现三向平动及扭转频率最优调谐，且因运动过程中弹簧系统随行程的增大，夹角变化导致刚度的非线性变化，从而实现多模态瞬态共振捕捉。
2.根据权利要求1所述的刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，其特征在于：每组弹簧由多根弹簧串联构成，通过控制各根弹簧的刚度和行程，使部分弹簧可先达到极限行程而退出工作，实现了在不同的行程区段提供不同刚度。
3.根据权利要求2所述的刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，其特征在于：所述四自由度非线性能量阱减振系统置于楼板之上或者吊于楼板之下。
4.根据权利要求3所述的刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，其特征在于：所述质量块采用建筑已有质量或采用钢笼并内浇混凝土制成。
5.根据权利要求4所述的刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，其特征在于：所述质量块为一块，且位于由支撑柱设于支承面上所构成的非线性能量阱中。
6.根据权利要求4所述的刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，其特征在于：所述质量块位于由支撑柱设于支承面上所构成的非线性能量阱中，所述质量块由凹槽形的外部质量块和内置于外部质量块中的内部质量块组成，所述内部质量块的侧壁与外部质量块的侧壁之间通过滑动结构连接，所述内部质量块的底面和外部质量块的内底面之间通过弹簧和阻尼器连接。
7.根据权利要求6所述的刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，其特征在于：所述滑动结构是滚珠、滚轴或滑板。
8.根据权利要求4所述的刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，其特征在于：所述质量块为口字形，所述支撑柱位于质量块的开口内。
9.根据权利要求5～8任一项所述的刚度和阻尼各向异性的四自由度非线性能量阱减振系统，其特征在于：每组中的弹簧和阻尼器分别为两个以上。
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