CN101672074B - 滚筒式全向调谐质量减震阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种滚筒式全向调谐质量减震阻尼器，属于结构工程抗震与减震技术领域。本发明包括与顶部盖板、与顶部盖板相连接的外壁套筒、设置在外壁套筒内部的套筒式结构、内部水平隔板和外部水平隔板。套筒式结构包括内环芯筒、外环芯筒、钢球保持器和钢球，内环芯筒设置在外环芯筒内，内环芯筒外表面固定有钢球保持器，钢球保持器内设置有钢球。外环芯筒与外壁套筒之间连接有粘滞阻尼器，内外环芯筒的下端面均通过万向滚动球铰与内部水平隔板相连，内部水平隔板与外部水平隔板之间连接有弹簧，外部水平隔板还与下部结构固连。本发明可以在结构的所有方向，即水平两向、竖向、扭转及摇摆两向，均能进行调谐耗能减震。

Description

滚筒式全向调谐质量减震阻尼器

技术领域

本发明涉及一种滚筒式全向调谐质量减震阻尼器，该阻尼器可以在结构的所有方向，即水平两向、竖向、扭转及摇摆两向，均能进行调谐耗能减震，属于结构工程的抗震减震技术领域。

背景技术

地震时的地面运动是复杂的多维运动，各点的周期和相位均不相同，导致地面各质点的运动不仅有平动分量，也有转动分量(一个绕竖直轴旋转的扭转分量和两个绕水平轴旋转的摇摆分量)，地震动的多维特性决定了地震下建筑结构的动力特性也是多维的，既包括水平两向和竖向的变形，也包括扭转和摇摆变形。目前我国高层建筑平、立面日趋复杂，偏心结构大量涌现，地震过程中作用在结构质心上的惯性力会对刚心产生扭转力矩，使结构产生不可忽略的平动与扭转耦合的空间振动。

强烈的地震给人类造成巨大损失。世界各国的结构工程师都在努力寻求经济、有效、可靠的方法来减小这种损失。结构振动控制方法的出现，为解决传统的抗震结构体系中存在的问题提供了一条有效途径。然而，目前的减震控制研究大都是将结构简化成平面模型进行考虑，结构在地震作用下的反应是多维的，特别是对于非对称结构，不考虑多维耦合减震控制将导致减震效果大大降低，不能满足实际工程的需要。因此，高层建筑结构的水平和扭转耦联振动控制研究具有重要意义。

调谐质量阻尼系统是较早在建筑结构中应用的控制装置。调谐质量阻尼器主要由弹簧、阻尼器和质量块组成，通过在结构顶层或其他楼层加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与结构相连，对结构的某些振型加以控制。调谐质量阻尼器的动力学基本原理是利用二次系统吸引主体结构的振动能量从而使主体结构振动反应得到降低。

现有的被动调谐质量阻尼减振系统存在一些不足。最明显的是，一般的调谐系统只针对结构在某一个方向的振动进行独立的减振设计，多维振动控制尤其是竖向和扭转振动控制效果不佳。此外，调谐系统的造价较昂贵，不利于广泛应用。因此开发成本低廉、反应灵敏、具有多维调谐减振效果的阻尼系统具有重大的工程意义。

发明内容

本发明提出了一种滚筒式全向调谐质量减震阻尼器，本阻尼器具有多维减震、制作简单、布置灵活、成本低廉等特点。在地震作用下，阻尼器内部的调谐质量能够在平动、转动和摆动，阻尼器整体具有调谐结构频率并耗散外部动能的功能，从而保证结构安全。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。该阻尼器包括与上部结构相连接的顶部盖板、上端面与顶部钢盖板下表面相连接的截面为圆形的外壁套筒、以及自上而下依次设置在外壁套筒内部的套筒式结构、内部水平隔板和外部水平隔板，所述的套筒式结构包括内环芯筒、外环芯筒、钢球保持器和钢球，内环钢芯筒和外环钢芯筒均有各层钢芯筒沿着竖直方向叠加固定在一起，内环钢芯筒同轴设置在外环钢芯筒内，构成内环钢芯筒的每层钢芯筒的外表面沿圆周方向都均匀固定有钢球保持器，在钢球保持器内部设置有钢球，钢球含在钢球保持器内并能够在钢球保持器内转动，钢球和外环钢芯筒的内表面之间留有间隙，外环钢芯筒的外表面通过粘滞阻尼器与外壁套筒的内表面相连接，内环钢芯筒和外环钢芯筒的下端面均通过万向滚动球铰与内部水平钢隔板的上表面相连，内部水平钢隔板的下表面通过弹簧与外部水平钢隔板的上表面相连，外部水平钢隔板的下表面与下部结构相连接，内部水平钢隔板和外部水平钢隔板与外壁套筒之间留有间隙。

所述的粘滞阻尼器水平连接在外环钢芯筒和阻尼器外壁套筒之间，并沿外环钢芯筒外表面的圆周均匀布置，粘滞阻尼器数量大于等于外环钢芯筒中钢芯筒层数的4倍。

在内部水平钢隔板与万向滚动球铰的接触面上涂有润滑剂。

阻尼器内部水平钢隔板之上的所有构件作为水平向调谐质量进行减震耗能；竖向隔振弹簧之上的所有构件作为竖向和摇摆向调谐质量进行减震耗能；内环钢芯筒、钢球和钢球保持器所形成的转动体系作为扭转向调谐质量进行减震耗能。从而最终实现阻尼器在所有方向内的减震耗能功能。本发明的具体减震原理如下：当结构在地震作用下产生振动时，水平向调谐质量部分也一起运动，水平向调谐质量部分依靠与结构的相对变形产生水平惯性力以及粘滞阻尼器产生的阻尼力反作用到结构上，从而减小了结构的水平振动幅度。竖向减震与之类似。对于摇摆两向，竖向隔振弹簧之上的所有构主要件通过隔振弹簧的摆动提供惯性力实现对结构摇摆的控制。对于扭转方向，主要是依靠内环钢芯筒、钢球和钢球保持器形成与结构扭转相反的转动惯性矩耗散地震能量。

本发明通过在结构楼板上布置滚筒式钢筒和钢球，使之形成具有一定质量的附属结构，改善原结构的动力特性，实现在地震作用下能够调谐结构自振特性、转移和耗散结构本应该承受的部分外部动能的功能。此外，阻尼器可以在所有方向(水平两向、竖向、扭转及摇摆两向)运动，实现全面耗能，从而进一步降低原有建筑结构的破坏程度。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明中的调谐质量可以在水平两向、竖向、扭转及摇摆两向均实现运动，从而转移和耗散地震中结构主体的动能，实现了全向减震的功能，能够有效提高减振控制效果。

2)本发明采用较为灵活的叠层形式和分布式布置方式，可以根据具体建筑结构的实际情况适当调整钢芯筒及钢球等尺寸，也可以任意调整阻尼器的总体数量，便捷地实现结构的多维调谐减振控制。

3)所用材料成本较低，构造较简单，成本较低廉，减震耗能性价比突出。

附图说明

图1本发明的正剖面示意图；

图2本发明的水平剖面示意图；

图3本发明中内环芯筒及外环芯筒的环剖面示意图；

图4本发明中钢球及钢球保持器环向示意图；

图5本发明中的内嵌粘滞阻尼器部分水平剖面示意图；

图中：1、内环芯筒，2、钢球，3、钢球保持器，4、外环芯筒，5、万向滚动球铰，6、粘滞阻尼器，7、铆钉，8、外壁套筒，9、弹簧，10、水平钢隔板，11、外部水平隔板，12、顶部盖板，13、活塞杆，14、粘滞阻尼器固定端头，15、密封挡板，16、液态硅油，17、带节流孔的活塞头，18、控制阀，19、调节支撑，20、调节室，21、外壁筒体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2所示，本实施例包括顶部盖板12、外壁套筒8、以及自上而下依次设置在外壁套筒8内部的套筒式结构、内部水平钢隔板10和外部水平、隔板11。所有部件均可以为钢材料或合金材料。顶部盖板12与上部结构相连接，外壁套筒8为截面为圆形的圆筒式结构，其上端面与顶部盖板12的下表面相连接。套筒式结构包括内环芯筒1、外环芯筒4、钢球保持器3和钢球2，内环芯筒1和外环芯筒4结构相同，均由各层芯筒沿着竖直方向通过铆钉7叠加固定在一起构成，芯筒的结构也为截面为圆形的筒式结构，由于铆钉的固定各层芯筒之间不能相对运动，本实施例中选用了5个芯筒进行叠加构成内环芯筒，外环芯筒与内环芯筒的结构相同，只是其直径大于内环芯筒。内环芯筒1同轴设置在外环芯筒4内，二者高度相同。构成内环芯筒的每层芯筒的外表面沿圆周方向都均匀固定有钢球保持器3，如图2、图3所示，在钢球保持器3内部设置有钢球2，钢球2含在钢球保持器3内并能够在钢球保持器内转动，钢球2和外环芯筒4的内表面之间留有间隙，粘滞阻尼器的活塞杆13和固定端头14分别连接在外环芯筒4的外表面和外壁套筒8的内表面，粘滞阻尼器为普通常用的阻尼器，其结构如图5所示，本实施例中粘滞阻尼器6的个数为12个。在内环芯筒1和外环芯筒4的下端面均通过万向滚动球铰与内部水平钢隔板的上表面相连，内部水平隔板的下表面通过弹簧9与外部水平隔板11的上表面相连，外部水平隔板11的下表面与下部结构相连接，内部水平隔板10和外部水平隔板11与外壁套筒之间留有间隙，确保地震时不直接接触。

内部水平隔板10应保证有足够的强调和平整度，并在与万向滚动球铰5接触面上涂有润滑剂，确保在地震时万向滚动球铰5可以带动其上的构件整体沿水平任意方向平动。

依据设计需求，内嵌粘滞阻尼器6水平连接在外环芯筒4和外壁套筒8之间，并沿着外环芯筒4的外圆周沿均匀布置，数量大于等于外环芯筒4层数的4倍，现取为12个。

每层的钢球沿相应的内环芯筒1的外沿紧密均匀布置，钢球保持器3将每层的钢球2箍紧，并使钢球与外环芯筒4的内壁有一定的间隙，确保在地震时不发生碰撞。

竖向隔振弹簧9固结在内部水平隔板10和外部水平隔板11之间，沿着外部水平隔板11的平面均匀布置，并要求具有足够的刚度和强度。

阻尼器外壁套筒8与阻尼器顶部盖板12和结构均为固接，并具有足够的强度确保地震时不发生非线性变形或与结构有相对变形。

本实施例中阻尼器内部水平隔板10之上的所有构件作为水平向调谐质量进行减震耗能；竖向隔振弹簧9之上的所有构件作为竖向和摇摆向调谐质量进行减震耗能；内环芯筒1、钢球2和钢球保持器3所形成的转动体系作为扭转向调谐质量进行减震耗能。从而最终实现阻尼器在所有方向内的减震耗能功能。

本实施例是按如下步骤制作的：

首先，根据实际结构的平面尺寸、基本周期、估算的质量、转动惯量和刚度等选取最优的调谐质量及阻尼比，从而确定滚筒式全向调谐质量减震阻尼器的总体数量。再单个阻尼器的质量、叠层数量、内环钢芯筒1的质量、外环芯筒4的质量及钢球2的质量，竖向隔振弹簧9总刚度及内嵌粘滞阻尼器6的阻尼。

其次，对于单体阻尼器的制作，根据设计方案，加工制作各个部件。在需要安装的位置将与结构固接的外部水平隔板11和结构紧密连接。在水平隔板11上部用竖向隔振弹簧9将阻尼器内部水平隔板10相连，保证各平面的水平度。在阻尼器内部水平隔板10的上表面均匀喷涂机械润滑剂。

之后，将每个叠层的钢球2用钢球保持器3箍紧在内环钢芯筒1上，并涂抹机械润滑剂。在最下层的外环芯筒4的下底面安装多个万向滚动球铰5，保证底面水平。按从下自上的顺序，将各个叠层的内芯筒1和外环芯筒4对齐，并用芯筒铆钉7将上下层紧密连接，保证各层严格水平，且各层钢球在一定外力作用下能够自由转动。将所有叠层安放在阻尼器内部水平隔板10的上表面上。

然后，将内嵌粘滞阻尼器6保持设计的初始位移，并与阻尼器外壁套筒8逐次焊接，保证阻尼器内部水平隔板10及与结构固接的外部水平隔板11均和阻尼器外壁套筒8分离。在阻尼器外壁套筒8顶部安装阻尼器顶部盖板12。并确保所有外部的钢板形成的套筒具有足够的强度。

最后，根据设计方案，可以在楼层的其他部位均匀布置并安装阻尼器，最后形成分布式阻尼耗能的状况。

以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (3)

1.一种滚筒式全向调谐质量减震阻尼器，其特征在于：包括与上部结构相连接的顶部盖板(12)、上端面与顶部盖板(12)下表面相连接的截面为圆形的外壁套筒(8)、以及自上而下依次设置在外壁套筒(8)内的套筒式结构、内部水平隔板(10)和外部水平隔板(11)，所述的套筒式结构包括内环芯筒(1)、外环芯筒(4)、钢球保持器(3)和钢球(2)，内环芯筒(1)和外环芯筒(4)均由各层芯筒沿着竖直方向叠加固定在一起，内环芯筒(1)同轴设置在外环芯筒(4)内，构成内环芯筒的每层芯筒的外表面沿圆周方向都均匀固定有钢球保持器(3)，在钢球保持器(3)内部设置有钢球(2)，钢球(2)含在钢球保持器(3)内并能够在钢球保持器(3)内转动，钢球(2)和外环芯筒(4)的内表面之间留有间隙，外环芯筒(4)的外表面通过粘滞阻尼器(6)与外壁套筒(8)的内表面相连接，内环芯筒(1)和外环芯筒(4)的下端面均通过万向滚动球铰与内部水平隔板的上表面相连，内部水平隔板的下表面通过弹簧(9)与外部水平隔板(11)的上表面相连，外部水平隔板(11)的下表面与下部结构相连接，内部水平隔板(10)和外部水平隔板(11)均与外壁套筒之间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的一种滚筒式全向调谐质量减震阻尼器，其特征在于：所述的粘滞阻尼器(6)水平连接在外环芯筒(4)和阻尼器外壁套筒(8)之间，并沿外环芯筒(4)外表面的圆周均匀布置，粘滞阻尼器(6)数量大于等于外环芯筒(4)中芯筒层数的4倍。

3.根据权利要求1所述的一种滚筒式全向调谐质量减震阻尼器，其特征在于：在内部水平隔板(10)与万向滚动球铰(5)的接触面上涂有润滑剂。

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