CN215106211U - 一种可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器，包括顶部密封安装有顶盖的带肋钢桶，底座上有平行排成两排的四个条形滑槽，每个滑槽上均有可沿滑槽轴线方向往复移动的滑动支座，滑动支座底部有穿过滑槽的紧定螺栓，滑动支座的侧壁上设有调节螺栓；滑动支座顶部设有中轴线水平设置的弧形凹槽；位于不同排中且相邻的两个滑动支座上放有同一根磁力滚动轴，两根磁力滚动轴上放有托板，托板上均布有四根下端与托板固接上端与顶盖固接的调节弹簧；四根调节弹簧中连线与磁力滚动轴轴线相平行的两根调节弹簧组成一组弹性组件，磁力滚动轴位于弹性组件与质量块组件之间。通过改变该阻尼器中托板的线刚度，使TMD可以在较宽频率范围内有效工作。

Description

一种可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器

技术领域

本实用新型属于建筑结构减振技术领域，涉及一种可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器。

背景技术

土木结构特别是高耸建筑与大跨度桥梁在地震、风、人群等荷载作用下容易产生大幅振动，危及结构安全，影响结构舒适度。为了抑制结构大幅振动，国内外学者提出了许多结构振动控制方法。调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，简称TMD）是目前使用最为广泛的耗能减振阻尼器。为了提高TMD减振性能，提高其耐久性和适用性，许多学者针对新型TMD及其减振性能开展了研究。调谐质量阻尼器作为被动系统减振方式的一个主要代表。结构简单、设计方便，减振效果明显，成为被动系统减振方式的研究重点。TMD是由弹簧、质量块、阻尼器组成的一个系统。通过预先设定计算的弹簧刚度、阻尼系数、质量块质量，可以对系统起到很好的减振效果。

TMD的工作原理为：通过将TMD自身的频率调整接近主结构的控制频率（对高层建筑而言，该控制频率一般为其基频/第一频率），当风力作用使主结构的主要频率被激发时，TMD会因振子的惯性和弹簧所产生的回复力产生与主体结构反向的共振行为。在振动过程中，主结构上一部分能量将转换为TMD振子的动能，一部分转换为弹簧的弹性势能，而剩下部分则通过TMD的阻尼器耗散。

建筑结构受到风荷载、地震荷载的作用具有许多频率分量，而TMD的动力吸振器在复杂多自度和有阻尼建筑结构中的性能是不一样的。在过去20多年中，许多研究与开发工作因此而致力于研究TMD在这种振动环境中的效果。

现有技术中的TMD主要是针对某一阶固有频率或者是较窄频率范围进行设计，当外界激励频带较宽时，减振效果就不是很明显。再加上结构的刚度和阻尼计算过程存在误差，设计出的TMD减振效果并不是很好，这一点也刚好突出了TMD的频率调谐的敏感性问题。面对上述现有技术的不足，为了改善TMD调谐频率的敏感性问题，以及可以在较宽频率范围内有效工作，有必要引入了一种可调节频率范围的TMD。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器，能适应不同建筑物的固有频率，针对不同的建筑物固有频率，具有显著的减振效果。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器，包括由底座、钢桶和若干个肋板组成的带肋钢桶，钢桶顶部密封安装有顶盖，底座上加工有四个条形滑槽，四个滑槽排成平行的两排，每排中的两个滑槽同轴设置，每个滑槽上均放置有一个可沿该滑槽轴线方向往复移动的滑动支座，滑动支座底部安装有穿过滑槽的紧定螺栓，滑动支座的侧壁上设有轴线与滑槽轴线同向设置的调节螺栓，调节螺栓的一端与滑动支座相连接，调节螺栓的另一端伸出钢桶外；滑动支座顶部设有中轴线水平设置的弧形凹槽；位于不同排中且相邻的两个滑动支座的弧形凹槽内上放置有同一根磁力滚动轴，两根磁力滚动轴上放置有托板，托板上均布有四根调节弹簧，调节弹簧下端与托板固接，调节弹簧上端与顶盖固接；四根调节弹簧中连线与磁力滚动轴轴线相平行的两根调节弹簧组成一组弹性组件，一根磁力滚动轴位于一组弹性组件与质量块组件之间。

本实用新型并联弹簧板式调谐质量阻尼器具有如下优点：

1）通过改变托板的线刚度，使TMD自身的频率可以在一定范围内调节，进而适应不同的主结构控制频率，可以在较宽频率范围内有效工作。

2）自身频率的调节过程在TMD外部实现，在不拆卸任何部件的情况下可以连续改变TMD频率，操作简单。

3）结构简单、操作方便、加工安装简单、配件简单可靠。

附图说明

图1是现有技术中调谐质量阻尼器第一种实施例的示意图。

图2是现有技术中调谐质量阻尼器第二种实施例的示意图。

图3是本实用新型阻尼器的示意图。

图4是图3的A-A剖视图。

图5是图3的仰视图。

图6是本实用新型阻尼器的原理图。

图7是本实用新型阻尼器的刚度调节示意图。

图中：1.钢桶，2.顶盖，3.质量块组件，4.螺栓，5.支撑弹簧，6.底座，7.肋板，8.拉伸弹簧，9.叠层支座组件，10.填充体，11.滑槽，12.滑动支座，13.磁力滚动轴，14.紧定螺栓，15.托板，16.调节弹簧，17.调节螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，现有技术中调谐质量阻尼器第一种实施例，包括底座6，底座6上固接有筒形的钢桶1，底座6与钢桶1形成的直角区域内均布有多个肋板7，底座6上还竖直设置有多个支撑弹簧5，所有支撑弹簧5的顶部均与质量块组件3固接，质量块组件3包括若干片质量块，该若干片质量块依次叠合，所有的质量块通过多根螺栓固接为一体，形成质量块组件3。质量块组件3和所有的支撑弹簧5均位于钢桶1内，钢桶1顶部密封安装有顶盖2。

钢桶1、底座6和所有的肋板7组成带肋钢桶。

将现有技术中调谐质量阻尼器第一种实施例安装在建筑物中。在遭遇竖向地震作用时，该调谐质量阻尼器第一种实施例会因质量块组件3的惯性和支撑弹簧5所产生的回复力产生与建筑物主体结构反向的共振行为，进而减小建筑物主体结构振动的幅度。

如图2所示，现有技术中调谐质量阻尼器第二种实施例，包括第一种实施例中由钢桶1、底座6和所有的肋板7组成的带肋钢桶。底座6上还固接有具有弹性的叠层支座组件9，叠层支座组件9顶部安装有由多片质量块依次叠合并固接而成的质量块增组件3，质量块组件3上端侧壁上均布有多个拉伸弹簧8，拉伸弹簧8的一端与质量块组件3固接，拉伸弹簧8的另一端与钢桶1内壁固接，钢桶1顶部密封安装有顶盖2。钢桶1内填充有耗能液体，该耗能液体充满顶盖2和带肋钢桶围成的空间内的所有空隙，形成填充体10。

叠层支座组件9由橡胶层和钢板交替叠合而成。

现有技术调谐质量阻尼器第二种实施例中具有弹性的叠层支座组件9作为频率发生机构，该叠层支座组件上方固定连接的质量块组件3作为减震质量块，在钢桶1与叠层支座组件9及质量块组件3之间的间隙里充满耗能液体以产生阻尼，这样就完全实现了质量调谐阻尼器的运行机理和目的，通过改变钢板和橡胶层的高度、面积和数量可实现质量调谐阻尼器自振频率的变化，通过改变质量块的数量、厚度和面积可实现质量调谐阻尼器振动质量的变化，通过改变耗能液体的粘度可实现阻尼比的变化。

上述两种现有技术中的TMD主要是针对某一阶固有频率或者是较窄频率范围进行设计，当主结构的控制频率较宽时，减振效果就不是很明显，而且现有技术中的TMD改变其自身频率的方式为：改变质量块的个数，使得质量块总质量改变，进而改变TMD自身的频率。然而通过这种方式得到的TMD新的自身频率是间断的、不连续的，这就大大降低了TMD调节的灵敏度；而且调节质量块的过程中，必须打开拆卸质量块组件3，改变质量块个数后还需重新安装，整个操作过程相对复杂。

为了克服上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种如图3、图4和图5所示的可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器。该阻尼器与现有技术中调谐质量阻尼器的共同点是都包括带肋钢桶，钢桶1顶部密封安装有顶盖2。两者之间的区别在于：本实用新型并联弹簧板式调谐质量阻尼器中的底座6上加工有四个条形的滑槽11，该四个滑槽11排成平行的两排，每排中的两个滑槽11同轴设置，每个滑槽11上均放置有一个可沿该滑槽11的轴线方向往复移动的滑动支座12，滑动支座12底部安装有紧定螺栓14，紧定螺栓14的头部位于底座6下部，紧定螺栓14的杆部穿过滑槽11伸入滑动支座12内，与滑动支座12螺纹连接；滑动支座12的侧壁上设有轴线与滑槽11轴线同向设置的调节螺栓17，调节螺栓17的一端与滑动支座12相连接，调节螺栓17的另一端伸出钢桶1外。滑动支座12顶部设有中轴线水平设置的的弧形凹槽。位于不同排中且相邻的两个滑动支座12上放置有一根磁力滚动轴13，该磁力滚动轴13置于该两个滑动支座12上的滑槽11内，两根磁力滚动轴13上放置有托板15，托板15上均布有四根调节弹簧16，调节弹簧16的下端与托板15固接，调节弹簧16的上端与顶盖2固接；四根调节弹簧16中连线与磁力滚动轴13轴线相平行的两根调节弹簧16组成一组弹性组件，一根磁力滚动轴13位于一组弹性组件与质量块组件3之间。

质量块组件3位于托板5的中心位置。托板5为本实用新型阻尼器频率发生的主要机构。

滑槽11两侧设置有位移控制刻度。滑槽11不能位于质量块组件3在底座6上的投影范围内，以保证质量块组件3可以正常振动。质量块组件3的总质量应为主体结构质量的0.5～1.0%左右。

本实用新型调谐质量阻尼器的工作原理：

如图6所示，m₁、k₁和b₁分别表示建筑物主体结构的质量、刚度和阻尼。而TMD则由质量块组件3（即振子，质量为m₂，提供惯性力）、弹簧（刚度系数k₂代表托板15的线刚度，刚度系数k₃代表所有调节弹簧16构成的弹簧组的刚度）与阻尼（阻尼b2，提供能量耗散机制）共同组成。X_1(t)表示竖向地震发生后，建筑物主体结构主要频率被激发时发生的位移，X_2(t)表示TMD振子的位移；F(t)表示竖向地震作用。通过将TMD自身的频率调整接近主结构的控制频率。当竖向作用使主体结构的主要频率被激发，主体结构开始向上运动（或者向下运行）时，TMD会因振子的惯性和弹簧的回复力产生向下运动（或者向上运行），这个过程中TMD振子与主体结构形成反向的共振行为。在振动过程中，主结构上一部分能量转换为TMD振子的动能，一部分转换为弹簧的弹性势能，而剩下部分则通过TMD自身的阻尼特性而耗散。

正常状态下，松开紧定螺栓14，拧动调节螺栓17，调节螺栓17拖动滑动支座12相与该滑动支座12相邻的钢桶1的侧壁移动（该滑槽11朝向该侧壁的端部与该侧壁之间的距离为X0），直至该滑动支座12上连接的紧定螺栓14抵达该滑槽11的端部为止，拧紧紧定螺栓14。以此类推，将所有的滑动支座12移动至最远离托板5中心的位置。此时，两根磁力滚动轴13之间的距离最大，由于托板15以磁力滚动轴13为支点，所以此时托板15具有最小线刚度，托板15作为频率发生机构；质量块组件3固接在托板15上形成减振质量块。

当TMD受到竖向地震作用时，质量块组件3与托板15开始同步振动，当质量块组件3向下振动时，由于托板15的两端分别以托板15与两根磁力滚动轴13的接触线为支点向上翘起，此时所有的调节弹簧16被压缩，显然此时TMD减振体系的刚度由托板15线刚度与所有调节弹簧16组成的弹簧组的刚度叠加而成。当质量块组件3向上振动时，由于托板15两端分别以托板15与两根磁力滚动轴13的接触线为支点向下弯曲，此时所有的调节弹簧16被拉伸，显然此时TMD减振体系的刚度仍然由托板15线刚度与所有调节弹簧16构成的弹簧组的刚度叠加而成；主体结构上一部分能量将转换为TMD振子的动能，一部分转换为弹簧组的弹性势能，而剩下部分则通过TMD自身的阻尼特性而耗散。

当需要调节TMD的自振频率时，可以通过操作调节螺栓17使得滑动支座12沿滑槽11的轴线方向向托板15的中心位置滑动一段位移△X，通过观察滑槽11控制方向上的刻度，操作调节螺栓17使得磁力滚动轴13移动后的位置与初始位置平行，调平磁力滚动轴13之后，通过紧定螺栓14固定滑动支座12。此时如图7所示，两根磁力滚动轴13之间的托板15的长度减小2△X，显然此时托板5的线刚度变大，TMD自振频率改变。进而实现了在不拆卸任何部件的情况下连续改变TMD的自振频率。

正常状态下，托板15与顶盖2之间的距离为y₀，y₀等于调节弹簧16的自然长度，这样不论TMD振子向上还是向下振动，总刚度均为调节弹簧16的刚度与托板15的线刚度同号叠加而成，需要注意的是磁力滚动轴13除了作为托板15的铰支座之外，还需要保证当TMD振子向上运动到最大位移处，此时磁力滚动轴13对托板15向下的吸引力应大于托板15受质量块向上的托力，保证无论何种状态下，磁力滚动轴13与托板15都应吸附在一起，不得与托板15分离。

本实用新型并联弹簧板式调谐质量阻尼器中弹簧组与托板15的刚度叠加形成TMD的刚度。可以通过调节螺栓17调节滑动支座12的位置，调节完成后可通过紧定螺栓14固定滑动支座12，此时托板15的线刚度已经改变，进而使TMD可以在较宽频率范围内有效工作。

Claims (5)

1.一种可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器，包括由底座（6）、钢桶（1）和若干个肋板（7）组成的带肋钢桶，钢桶（1）顶部密封安装有顶盖（2），其特征在于，底座（6）上加工有四个条形的滑槽（11），四个滑槽（11）排成平行的两排，每排中的两个滑槽（11）同轴设置，每个滑槽（11）上均放置有一个可沿该滑槽（11）轴线方向往复移动的滑动支座（12），滑动支座（12）底部安装有穿过滑槽（11）的紧定螺栓（14），滑动支座（12）的侧壁上设有轴线与滑槽（11）轴线同向设置的调节螺栓（17），调节螺栓（17）的一端与滑动支座（12）相连接，调节螺栓（17）的另一端伸出钢桶（1）外；滑动支座（12）顶部设有中轴线水平设置的弧形凹槽；位于不同排中且相邻的两个滑动支座（12）的弧形凹槽内上放置有同一根磁力滚动轴（13），两根磁力滚动轴（13）上放置有托板（15），托板（15）上均布有四根调节弹簧（16），调节弹簧（16）下端与托板（15）固接，调节弹簧（16）上端与顶盖（2）固接；四根调节弹簧（16）中连线与磁力滚动轴（13）轴线相平行的两根调节弹簧（16）组成一组弹性组件，一根磁力滚动轴（13）位于一组弹性组件与质量块组件（3）之间。

2.如权利要求1所述的可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器，其特征在于，质量块组件（3）位于托板（15）的中心位置。

3.如权利要求1所述的可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器，其特征在于，滑槽（11）不能位于质量块组件（3）在底座（6）上的投影范围内。

4.如权利要求1所述的可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器，其特征在于，托板（15）与顶盖（2）之间的距离等于调节弹簧（16）的自然长度。

5.如权利要求1～4任一所述的可调节频率范围的并联弹簧板式调谐质量阻尼器，其特征在于，所述质量块组件（3）的总质量为主体结构质量的0.5～1.0%。

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