CN105256910B - 全非线性橡胶弹簧减震装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全非线性橡胶弹簧减震装置，包括质量滑块、套管轴承、导轨、全非线性橡胶弹簧和固定块。质量滑块为矩形结构，前后两侧底部固定有套管轴承，该套管轴承放置于导轨上，在地震等作用下沿导轨来回滑动。导轨两端通过固定块固定，质量滑块的左右两侧上均匀分布有全非线性橡胶弹簧，该全非线性橡胶弹簧呈四棱锥形，棱锥顶点与质量滑块相接触，材料为双组份室温硫化聚氨酯。运动状态下，质量滑块沿导轨滑动，一侧弹簧受压，另一侧弹簧与质量块脱离接触，通过惯性力、摩擦力及全非线性恢复力，发挥减震作用。

Description

全非线性橡胶弹簧减震装置

技术领域

本发明涉及一种全非线性橡胶弹簧减震装置，通过全非线性橡胶弹簧恢复力，质量块惯性力，套管轴承与导轨之间的摩擦力，从而吸收和消散结构能量，属于土木结构（包括高层建筑、高耸结构和桥梁结构等）振动控制领域。

背景技术

数十年来，各种结构振动控制理论及方法已经应用于基础建设中，以抵抗由爆炸、地震或飓风引起的极端荷载。在这些控制技术中，消能减震装置能将振动能量转化为内能，大大消散结构系统的振动能量，且构造相对简单。各种阻尼器分别运用金属屈服、摩擦、粘弹性材料、粘性液体来实现能量转化。另一类被动控制装置为动力吸震器，例如调谐质量阻尼器及调谐液体阻尼器。

近年来，非线性能量阱（NES）作为新型动力吸振器得以广泛研究。不同于传统线性吸能体系，非线性能量阱在设计中应用绝对非线性弹簧元件。绝对非线性弹簧是指弹簧特性缺少线性成分或所含线性成分可忽略不计。换而言之，加载过程中，弹簧形变量与荷载大小不存在线性关系。这一特征使之与其他类型非线性弹簧区分开来，例如金属阻尼器呈弹塑性规律，初始阶段为弹性阶段，达到屈服强度后整体呈非线性。NES的各种减震特性主要源于绝对非线性弹簧特性。

NES附着于主体结构，通过目标能量转移的方式，迅速吸收和消散结构振动能量。目标能量转移是一种不可逆的能量转换方式，将能量从受振的主体结构转移到附属减震装置中消散。NES可看作宽频、非线性的调谐质量阻尼器（TMD）。由于非线性特性，NES不像一般线性振子只拥有单一的固有频率，NES的固有频率是变化的，随着振动能量的增加而增加。因此，NES发生共振的频率范围极广，能与所依附主体结构的多个模态发生共振。同时，NES能改变能量在各模态中的分布，使能量从低阶模态转移至高阶模态，而高阶模态的振动频率高耗能能力强，能够迅速降低主体结构的反应。除了改变系统中能量在空间和频谱上的分布，NES作为质量块阻尼器，还能通过自身阻尼，运动耗能，以达到保护主体结构的目的。

发明内容

为实现NES装置的全非线性设计，从而在实际工程应用中发挥其宽频、高效的减震特性，本发明的目的在于提供一种全非线性橡胶弹簧减震装置，该装置通过应用全非线性橡胶弹簧提供完全非线性恢复力发挥NES的减震特性，同时布置质量滑块，通过惯性力及摩擦力进行耗能，进一步减小结构响应。本发明构造简单、消能减震效果好。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

一种全非线性橡胶弹簧减震装置，包括质量滑块1、套管轴承2、导轨3、全非线性橡胶弹簧4和固定块5，质量滑块1为矩形结构，质量滑块1前后两侧底部固定有套管轴承2，所述套管轴承2放置于导轨3上，使质量滑块1能通过两侧的套管轴承2沿导轨3来回滑动，导轨3两端通过固定块5固定，质量滑块1的左右两侧上均匀分布有全非线性橡胶弹簧4，所述全非线性橡胶弹簧4呈四棱锥形，棱锥顶点与质量滑块1相接触，全非线性橡胶弹簧4的棱锥底面固定于固定块5上；滑动使用时，位于质量滑块1两侧的全非线性橡胶弹簧4交替受压，通过摩擦力、惯性力及非线性弹簧恢复力，吸收和消散主体结构能量，降低结构响应；当质量滑块1沿着荷载方向向左滑动，位于质量滑块1的左侧全非线性橡胶弹簧4受压，右侧的全非线性橡胶弹簧4与质量滑块1脱离接触；反之质量滑块1向右滑动，位于右侧的全非线性橡胶弹簧4受压，左侧的全非线性橡胶弹簧4与质量滑块1脱离。

本发明中，所述套管轴承2内置橡胶垫，所述套管轴承2的数量视具体情况而定，规格与导轨3相匹配。

本发明中，所述全非线性橡胶弹簧4材料为双组份室温硫化聚氨酯，本构关系完全非线性，不包括线性部分或者完全可忽略线性部分，布置于质量滑块的数量视具体情况而定。

本发明中，所述位于质量滑块一侧的全非线性橡胶弹簧4的数量为m，全非线性橡胶弹簧布置于质量滑块1左右两侧的m+1分点处，m大于1。

本发明中，所述位于质量滑块一侧的套管轴承2的数量为n，套管轴承2布置于质量滑块1前后两侧的n+1分点处；n大于1。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1）本发明中采用全非线性橡胶弹簧，四棱锥形外形设计，材料为双组份室温硫化聚氨酯，固有频率随能量增加而增加，减震频带宽，且能将能量从低阶模态向高阶模态转移，迅速降低结构响应。

2）本发明中采用质量滑块，套管轴承及导轨。在荷载或地震作用激励下，质量滑块来回滑动，通过惯性力及摩擦力增加能耗，消散结构振动能量。

3）本发明构造形式简单，可以根据基本结构的特点设置不同的组合方式，使阻尼器布置位置更为灵活，适用于不同方向的地震作用，以达到较好的减震效果。

附图说明

图1为本发明全非线性橡胶弹簧减震装置平面图；

图2为本发明全非线性橡胶弹簧减震装置正立面图；

图3为本发明全非线性橡胶弹簧减震装置1-1剖面图。

图中标号：1为质量滑块、2为套管轴承、3为导轨、4为全非线性橡胶弹簧、5为固定块。

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。

实施例1：如图1－图3所示，为本发明的一种全非线性橡胶弹簧减震装置实施实例，其主要包括质量滑块1、套管轴承2、导轨3、全非线性橡胶弹簧4和固定块5。

质量滑块1为矩形钢板，两侧各有一组套管轴承2及导轨3，附着于主体结构的楼板洞口，通过套筒轴承2及导轨3在荷载作用下来回滑动。质量滑块1的尺寸及质量需按照具体受控主体结构进行设计。套管轴承2共有4个，套管轴承2内置橡胶垫，固定安装在质量滑块1前后两边的三分点处，每侧各二个，并与质量滑块1固定。套管轴承2与导轨3间的滚动摩擦系数为0.0011～0.0022，套管轴承2的内置橡胶垫与导轨3间滑动摩擦系数为0.0028～0.0040。导轨3通过一定的方式与楼板固定。全非线性橡胶弹簧4呈四棱锥形，材料为双组份室温硫化聚氨酯，共有6个，安装于质量滑块1的左右两侧四分点处，每侧各三个，底部与固定块5（主体结构）固结。静止状态下，全非线性橡胶弹簧4锥体顶端与质量滑块1相接触，但全非线性橡胶弹簧4不受压。运动状态下，质量滑块1沿导轨滑动，一侧全非线性橡胶弹簧4受压，另一侧全非线性橡胶弹簧4与质量块1脱离接触。

通过对实施例1装置的研究发现，附加该全非线性橡胶弹簧减震装置之后，主体结构的加速度等动力响应的减振率可以达到50%，具有明显的减震效果。

Claims (5)

1.一种全非线性橡胶弹簧减震装置，包括质量滑块（1）、套管轴承（2）、导轨（3）和全非线性橡胶弹簧（4）和固定块（5），其特征在于质量滑块（1）为矩形结构，质量滑块（1）前后两侧底部固定有套管轴承（2），所述套管轴承（2）放置于导轨（3）上，使质量滑块（1）能通过两侧的套管轴承（2）沿导轨（3）来回滑动，导轨（3）两端通过固定块（5）固定，质量滑块（1）的左右两侧上均匀分布有全非线性橡胶弹簧（4），所述全非线性橡胶弹簧（4）呈四棱锥形，棱锥顶点与质量滑块（1）相接触，全非线性橡胶弹簧的棱锥底面固定于固定块（5）上；滑动使用时，位于质量滑块（1）两侧的全非线性橡胶弹簧（4）交替受压，通过摩擦力、惯性力及非线性弹簧恢复力，吸收和消散主体结构能量，降低结构响应；当质量滑块（1）沿着荷载方向向左滑动，位于质量滑块（1）的左侧全非线性橡胶弹簧（4）受压，右侧的全非线性橡胶弹簧（4）与质量滑块（1）脱离接触，反之质量滑块（1）向右滑动，位于右侧的全非线性橡胶弹簧（4）受压，左侧的全非线性橡胶弹簧（4）与质量滑块（1）脱离。

2.根据权利要求1所述的全非线性橡胶弹簧减震装置，其特征在于：所述套管轴承（2）内置橡胶垫，所述套管轴承（2）的数量视具体情况而定，所述套管轴承（2）均布于质量滑块（1）前后两侧，规格与导轨（3）相匹配。

3.根据权利要求1所述的全非线性橡胶弹簧减震装置，其特征在于：所述全非线性橡胶弹簧（4）材料为双组份室温硫化聚氨酯，本构关系完全非线性，不包括线性部分或者完全可忽略线性部分，布置的质量滑块的数量视具体情况而定。

4.根据权利要求1所述的全非线性橡胶弹簧减震装置，其特征在于：所述位于质量滑块一侧的全非线性橡胶弹簧（4）的数量为m，全非线性橡胶弹簧布置于质量滑块（1）左右两侧的m+1分点处，m大于1。

5.根据权利要求1所述的全非线性橡胶弹簧减震装置，其特征在于：所述位于质量滑块一侧的套管轴承（2）的数量为n，套管轴承（2）布置于质量滑块（1）前后两侧的n+1分点处，n大于1。