CN111877591B - 一种箱式调谐颗粒质量阻尼装置和塔桅结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种箱式调谐颗粒质量阻尼装置和塔桅结构，箱式调谐颗粒质量阻尼装置装置包括外壳，以及设置在外壳中的质量块组件、弹簧和阻尼箱；质量块组件包括颗粒质量块，颗粒质量块包括壳体和颗粒群，壳体形成有空腔，颗粒群填充于空腔内；弹簧的一端与质量块组件连接，另一端与外壳连接；阻尼箱的一端连接在外壳上，另一端连接在质量块组件上；以及安装于质量块组件的振动行程上的碰撞阻尼支架；其中，碰撞阻尼支架包括支架和粘弹性材料层，粘弹性材料层安装在支架内侧，粘弹性材料层竖向设置在外壳中。本发明实施例可以加强减振耗能效果。

Description

一种箱式调谐颗粒质量阻尼装置和塔桅结构

技术领域

本发明涉及塔桅结构技术领域，特别涉及一种箱式调谐颗粒质量阻尼装置和塔桅结构。

背景技术

对于通信塔结构，为了适应越来越多的设备种类和数量，风荷载的常规解决方式一方面是增加塔桅结构数量或加大单个塔主体结构外观及钢材用量，另一方面是设置各种结构减振措施。

结构减振控制措施按控制方式不同，可分为主动控制、半主动控制、被动控制及混合控制。主动控制需要通过传感器监测参数计算出最优控制力，由作动器直接输出至被控结构，但其技术复杂，造价昂贵，维护要求高。半主动控制去除了需要外部大功率供电的作动器，根据传感器参数反馈，仅需微小电流的控制器对阻尼或刚度参数小范围调整，使阻尼器参数处于最优状态，但其仍然需要复杂的控制算法计算。混合控制是近年来发展的将主动与被动控制相结合的新型控制技术，可发挥被动控制与主动控制各自优点，但二者的协同与辅助控制组合方式尚不成熟。被动控制是当前发展较为成熟的结构减振技术，其主要通过合理的阻尼器参数设计与安装位置分布，达到控制工程结构有害振动响应的目的。

被动控制中，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD)是一种常用的减振装置，是在高耸塔顶部或上部某位置上加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主体结构(高耸塔)相连。调谐质量阻尼器的振动频率接近主结构的频率，控制策略为应用子结构与主结构控制振型共振达到动力吸振的目的，应用阻尼结构不断消耗主结构和子结构的能量来降低主结构的动力响应。TMD从部件组成上通常分为刚度系统、质量系统和阻尼系统三大部分，这几部分通过不同组合方式可组成不同类型的阻尼装置:刚度系统种类较多，质量系统可分为固体和液体两大类，阻尼系统可分为杆式阻尼器、阻尼箱、电涡流阻尼器三大类。然而，现有TMD的减振频带窄，耗能能力有限，且往往需要占用较大空间以匹配质量系统的运动。

颗粒阻尼器技术是近年来应用于土木工程振动控制领域的新型阻尼器，其作为一种调谐质量、耗能减振控制技术，具有对原系统改动小、附加质量小、减振频带宽、多维控制能力好等优点。然而，颗粒阻尼器中，阻尼颗粒起振后发生的颗粒与颗粒间、颗粒与腔体间的碰撞多为弹性碰撞，碰撞耗散结构能量的能力有限。

因此，亟需提供一种能够克服TMD减振频带过窄和颗粒阻尼器效果不稳定的、耗能能力强、空间利用率高的新型调谐颗粒阻尼器。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种箱式调谐颗粒质量阻尼装置和塔桅结构，解决了现有技术的不足，提供了一种箱式调谐颗粒质量阻尼装置。本发明利用颗粒阻尼器和调谐质量阻尼器的优点，并通过阻尼箱和碰撞阻尼支架作为阻尼系统，阻尼箱初始启动力小，混合耗能机制加强了减震耗能效果，增大了减振频带，结构更为紧凑，空间利用率高。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种箱式调谐颗粒质量阻尼装置，所述箱式调谐颗粒质量阻尼装置包括外壳，以及设置在外壳中的质量块组件、弹簧和阻尼箱；

所述质量块组件包括颗粒质量块，所述颗粒质量块包括壳体和颗粒群，所述壳体形成有空腔，所述颗粒群填充于所述空腔内；所述弹簧的一端与质量块组件连接，另一端与外壳连接；所述阻尼箱的一端连接在外壳上，另一端连接在质量块组件上，以在质量块组件振动时阻尼箱产生阻尼力；

以及安装于质量块组件的振动行程上的碰撞阻尼支架，以对质量块组件的振动进行水平限位；其中，所述碰撞阻尼支架包括支架和粘弹性材料层，所述粘弹性材料层安装在所述支架的内侧，所述粘弹性材料层竖向设置在外壳中以接受质量块组件的碰撞。

可选地，所述质量块组件还包括固定质量块，所述颗粒质量块固定安装在固定质量块的上部和/或下部。

可选地，阻尼箱包括装有粘滞体的箱体和上部构件，所述箱体的下部安装在质量块组件上，上部构件的下端插入到粘滞体中，上部构件的上端与外壳连接，以使上部构件在箱体中的粘滞体中的运动产生阻尼力。

可选地，所述上部构件包括立杆，插入在所述粘滞体中的所述立杆为一个或多个；所述立杆为多个时，所述箱体中设置有多个分格，每个分格中装有均装有粘滞体，每个分格中均对应设置有一个所述立杆。

可选地，所述碰撞阻尼支架安装位置位于质量块组件的振动行程的1/4-1/2位置处。

可选地，所述碰撞阻尼支架距离质量块组件的水平距离为20-100mm，和/或，所述粘弹性材料层的厚度为3-10mm。

可选地，所述颗粒质量块的壳体包括的空腔内设置有隔板，所述隔板将所述空腔分隔成多个子腔，所述子腔中填充有颗粒群。

可选地，所述颗粒群包括球体，所述球体的直径为1-60mm；所述球体为钢制球体、铅制球体、铝制球体、陶瓷球体、玻璃球体、塑料球体和合金球体中的一种或多种混合构成。

可选地，所述弹簧的数量为多个，多个所述弹簧采用对称或非对称方式安装在所述质量块组件周围。

可选地，所述固定质量块为钢材、铅块、混凝土、灌浆料和液体中的一种或多种混合构成。

可选地，质量块组件通过滑轮安装在外壳中，以使质量块组件能够在平面内任意方向进行振动。

本发明实施例还提供一种塔桅结构，所述塔桅结构包括上述的箱式调谐颗粒质量阻尼装置，所述箱式调谐颗粒质量阻尼装置安装在所述通信塔上；

其中，所述箱式调谐颗粒质量阻尼装置包括外壳，以及设置在外壳中的质量块组件、弹簧和阻尼箱；

所述质量块组件包括颗粒质量块，所述颗粒质量块包括壳体和颗粒群，所述壳体形成有空腔，所述颗粒群填充于所述空腔内；所述弹簧的一端与质量块组件连接，另一端与外壳连接；所述阻尼箱的一端连接在外壳上，另一端连接在质量块组件上，以在质量块组件振动时阻尼箱产生阻尼力；

以及安装于质量块组件的振动行程上的碰撞阻尼支架，以对质量块组件的振动进行水平限位；其中，所述碰撞阻尼支架包括支架和粘弹性材料层，所述粘弹性材料层安装在所述支架内侧，所述粘弹性材料层竖向设置在外壳中以接受质量块组件的碰撞。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明实施例中，由于采用以上技术方案，与现有技术相比，作为举例，具有以下的优点和积极效果，混合利用颗粒阻尼器和调谐质量阻尼器的优点，颗粒质量块部分内部的颗粒群与外壳内部、隔板之间以及颗粒群之间进行摩擦、碰撞，大量消耗振动能量，可有效减小外界激励引起的结构响应。同时，将碰撞阻尼支架作为阻尼系统的一部分形成碰撞阻尼，防碰撞支架上的粘弹性材料通过与质量块组件整体的碰撞消耗能量，减小结构响应。混合耗能机制加强了减震耗能效果，增大了减振频带；碰撞阻尼支架的设置，使得整个阻尼装置的结构更为紧凑，显著提高了空间利用率高；可通过调节质量块大小或更换弹簧来调节整个阻尼装置的刚度和频率。阻尼箱可采用开放性布置，解决了内部热量不易耗散的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的箱式调谐颗粒质量阻尼装置的结构示意之一；

图2为本发明实施例提供的箱式调谐颗粒质量阻尼装置的结构示意之二；

图3为本发明实施例提供的阻尼装置在建筑上的安装示意图；

图4为本发明实施例提供的质量块组件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的碰撞阻尼支架的安装位置示意图；

图6为本发明实施例提供的碰撞阻尼支架的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的碰撞阻尼支架和弹簧的平面布置图；

图8为本发明实施例提供的弹簧的安装位置示意之一；

图9为本发明实施例提供的弹簧的安装位置示意之二；

图10为本发明实施例提供的阻尼箱的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的多立杆阻尼箱的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图和具体实施例对本发明公开的结合碰撞阻尼的箱式调谐颗粒质量阻尼装置作进一步详细说明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

需说明的是，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所述的或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

实施例

参见图1所示，提供了一种结合碰撞阻尼的箱式调谐颗粒质量阻尼装置。

所述箱式调谐颗粒质量阻尼装置100包括外壳110，以及设置在外壳110中的质量块组件120、弹簧140和阻尼箱150。

所述质量块组件120至少包括颗粒质量块，所述颗粒质量块包括由壳体形成的空腔，空腔内填充有颗粒群，通过颗粒群自身之间以及颗粒群与壳体之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。

质量块组件120通过滑轮130作为下部支撑安装在外壳110中，使得质量块组件120能够在平面内任意方向进行振动。值得说明的是，实现质量块组件120能够在平面内任意方向进行振动的方式还有很多，比如设置滚轮、底部设置滑动凸起，滑动凸起与外壳之间的摩擦系数非常小等。

所述弹簧130水平设置在质量块组件120与外壳110之间用于提供水平刚度。

所述阻尼箱150的一端连接在外壳110上，另一端连接在质量块组件120上，在质量块组件120振动时阻尼箱150产生阻尼力。

质量块组件120和外壳110之间还设置有碰撞阻尼支架160。所述碰撞阻尼支架160安装于质量块组件120的振动行程上的、能够对质量块组件120的振动进行水平限位。本实施例中，所述的碰撞阻尼支架160可以直接安装在外壳110上，比如图1中的将碰撞阻尼支架160的底部固定安装在外壳110的底板上；也可以通过单独的安装架170进行安装，比如图2中的通过横向安装架170将碰撞阻尼支架160固定安装在外壳110的侧壁上。

碰撞阻尼支架160可以包括支架和粘弹性材料层，所述粘弹性材料层安装在支架内侧并在外壳中竖向设置以接收质量块组件的碰撞。所述碰撞阻尼支架作为阻尼系统的一部分，能够为系统提供耗能。

在使用时，将阻尼装置100安装于建筑结构上，外壳110作为整个阻尼装置100的外围骨架及防护结构。质量块组件120振动时，颗粒质量块121内部的颗粒群与壳体内部、隔板之间以及颗粒群自身之间进行摩擦、碰撞，可以大量消耗振动能量；同时，防碰撞支架160上的粘弹性材料层通过与质量块组件进行碰撞消耗能量，减小结构响应，防碰撞支架160可显著阻尼装置自身的振动时间及振动行程，耗散运动能量。而阻尼箱相比杆式阻尼器，为开放性布置，解决了易渗漏、内部热量不易耗散、长期性能难以保障的问题，参见图3所示，以通信塔200为例，比如通过在通信塔200上增加一个或多个上述阻尼装置，在通信塔200主结构受到外界动态力作用(如风荷载)时，阻尼装置提供一个频率相近或相等、与结构运动方向相反的力，来部分或全部抵消外界激励引起的结构响应。可选的，所述多个阻尼装置通过安装平台210以中心对称形式安装在通信塔200上。

本实施例中，所述质量块组件120还可以包括固定质量块122，将前述颗粒质量块121固定安装在固定质量块122的上部和/或下部。可通过调节颗粒质量块121和固定质量块122的重量和重量比来调节阻尼装置的刚度和频率。

参见图4所示，所述颗粒质量块121包括由壳体121a形成的空腔121b，空腔121b内填充有颗粒群121c，通过颗粒群121c自身之间以及颗粒群121c与壳体121a之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。

可选的，本实施例中，所述空腔内设置有一个或多个隔板121d，隔板121d可以将空腔121b分隔成多个子腔，每个子腔中均可以填充有颗粒群121c，通过颗粒群121c自身之间以及颗粒群121c与壳体121a和隔板121d之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。所述颗粒群的体积可占各子腔的腔室体积的20％至80％，优选为20％至40％。

所述空腔可以是长方体，也可以是其它形状比如圆柱体、棱柱体、曲面体等，空腔的形状不应作为对本发明的限制。

所述颗粒群可选的由多个1～60mm的不等直径的球体组成。一方面，球体相互间发生的碰撞、摩擦、动量交换及相互碰撞时微小颗粒塑形变形可以消耗振动系统能量，实现减振的效；另一方面，球体与容器壁(包括壳体和隔板)之间相互作用的碰撞、摩擦也可以消耗振动系统能量。

所述球体可以为钢制球体、铅制球体、铝制球体、陶瓷球体、玻璃球体、塑料球体和合金球体中的一种或多种混合构成。可选的，本实施例中，所述球体采用为钢球。当然，本领域技术人员应知晓，球体作为优选减振颗粒，其它形状的减振颗粒也可用于上述颗粒阻尼器中，其不应作为对发明的限制。

所述颗粒质量块121的重量与质量块组件的总重量的重量比为

范围为5％～90％。所述碰撞阻尼支架160可以设置在质量块组件的振动行程(或称滑动行程)上的任意位置。

可选的，所述颗粒质量块121的重量与质量块组件的总重量的重量比为20％～30％，所述碰撞阻尼支架160安装位置位于质量块组件120的振动行程的1/4～1/2位置处，在上述重量比和安装位置范围内，阻尼装置100的减振频带宽度和耗能效果更为优越，同时保证了空间利用率。

结合图5进行描述:假如令质量块组件120的振动行程为L，所述碰撞阻尼支架160安装位置为质量块组件120的振动行程的1/4～1/2位置处，即D＝1/4L～1/2L。

进一步，所述碰撞阻尼支架160距离质量块组件120的水平距离d的取值范围为20～100mm。

参见图6所示，本实施例中，考虑到碰撞产生的耗能效果以及制作成本，可选的，所述粘弹性材料层162的厚度t取值范围为3～10mm。所述粘弹性材料层162通过支架161进行安装，所述支架161可选的采用刚性材料制作，能够在接收碰撞时提供刚性支撑。

参见图7所示，本实施例中，作为刚度系统的弹簧140可以在同一水平面上布置有多个(多个弹簧140可以采用对称或非对称方式安装在质量块组件120周围，可选的，采用对称方式安装。多个弹簧140与碰撞阻尼支架160均位于外壳110与质量块组件120之间，图7中，对应于外壳和质量块的形状，所述碰撞阻尼支架160可以设置为环形。

需要说明的是，虽然图1至图2中示例的弹簧的安装高度均位于碰撞阻尼支架的上方，当本领域技术人员应知晓，弹簧的安装高度也可以位于碰撞阻尼支架的下方，参见图8所示；或者在一个可选的实施方式中，还可以将弹簧穿过碰撞阻尼支架160上的通孔163后进行安装，参见图9所示。

本实施例中，阻尼箱150可选的安装在质量块组件120的上部。典型的阻尼箱结构参见图10所示:阻尼箱150包括箱体151，箱体151下部安装在质量块组件上。作为举例而非限制，比如可以通过螺栓、抱箍和/或胶粘剂等紧固件将箱体151底部安装在质量块组件上。

箱体151形成了容放腔152用于盛放粘滞体154，所述粘滞体154为流体或半流体结构。对应于容放腔152，设置有插入在粘滞体154中的上部构件153。所述上部构件153的下端插入到粘滞体154中，上部构件153的上端与外壳110连接。振动时，上部构件153在箱体151中的粘滞体154中运动产生阻尼力，从而吸收振动能量，减小振动反应。

可选的，所述上部构件采用立杆，插入在粘滞体中的立杆可以根据需要设置为一个或多个。具体实施时，所述立杆可以采用金属材料、木质材料或复合材料制作；所述立杆的总长度、插入长度比例(位于粘滞体154中的长度与总长度的比值)、截面形式可根据需要进行灵活布置以调整阻尼力的大小。

所述箱体顶部可以设置有顶盖，也可以采集开放布置。可选的，所述箱体顶部采用开放布置，可以解决内部热量不易耗散的问题。当然，考虑到开放式布置导致的粘滞体154的损失问题，可以设置液位警报器以监测粘滞体154的量，当粘滞体154的量低于预设刻度线时，通过液压警报器发出提醒信息以提醒维护人员进行检查和粘滞体补充。

对于多立杆的阻尼箱结构，可选的，对应于每个立杆在箱体151中设置独立的有分格，每个立杆插入到装有粘滞体154的分格中。

参见图11所示，所述箱体151形成的容放腔152被分隔板155划分成3个分格156，每个分格156中均设置有立杆，立体上端通过外壳110固定，立杆下端插入到粘滞体154中。在地震或风荷载作用下，箱体跟随质量块产生摆动，立杆在粘滞体154中运动产生阻尼力，为结构提供抗振耗能功能。

其中，对于箱体151中的分格156的数目，也可根据需要进行调整以调整阻尼力的大小，从而实现粘滞阻尼箱的阻尼力可调功能。同时，多立杆在粘滞体中任何方向的运动均可产生阻尼力，可实现结构多方向粘滞耗能作用。

所述固定质量块122可以为钢材、铅块、混凝土、灌浆料和液体中的一种或多种混合构成。

本发明实施例还提供一种塔桅结构，该塔桅结构包括上述的箱式调谐颗粒质量阻尼装置，该箱式调谐颗粒质量阻尼装置的结构可以参照上述实施例，具体在此不再赘述。由于在本实施例中，采用了上述实施例中的箱式调谐颗粒质量阻尼装置，因此本发明实施例提供的塔桅结构具有与上述实施例中箱式调谐颗粒质量阻尼装置相同的有益效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种箱式调谐颗粒质量阻尼装置，其特征在于，所述装置包括外壳，以及设置在所述外壳中的质量块组件、弹簧和阻尼箱；

所述质量块组件包括颗粒质量块，所述颗粒质量块包括壳体和颗粒群，所述壳体形成有空腔，所述颗粒群填充于所述空腔内；所述弹簧的一端与所述质量块组件连接，另一端与所述外壳连接；所述阻尼箱的一端连接在所述外壳上，另一端连接在所述质量块组件上；

以及安装于所述质量块组件的振动行程上的碰撞阻尼支架；

其中，所述碰撞阻尼支架包括支架和粘弹性材料层，所述粘弹性材料层安装在所述支架的内侧，所述粘弹性材料层竖向设置在所述外壳中；

所述质量块组件还包括固定质量块，所述颗粒质量块固定安装在所述固定质量块的上部和/或下部；

所述阻尼箱包括装有粘滞体的箱体和上部构件，所述箱体的下部安装在所述质量块组件上，所述上部构件的下端插入到所述粘滞体中，所述上部构件的上端与所述外壳连接；

所述碰撞阻尼支架安装位置位于所述质量块组件的振动行程的 1/4-1/2 位置处；

所述质量块组件通过滑轮安装在所述外壳中。

2.根据权利要求1所述的箱式调谐颗粒质量阻尼装置，其特征在于，所述上部构件包括立杆，插入在所述粘滞体中的所述立杆为一个或多个；所述立杆为多个时，所述箱体中设置有多个分格，每个分格中装有均装有粘滞体，每个分格中均对应设置有一个所述立杆。

3.根据权利要求1所述的箱式调谐颗粒质量阻尼装置，其特征在于，所述颗粒质量块的壳体包括的空腔内设置有隔板，所述隔板将所述空腔分隔成多个子腔，所述子腔中填充有颗粒群。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的箱式调谐颗粒质量阻尼装置，其特征在于，所述弹簧的数量为多个，多个所述弹簧采用对称或非对称方式安装在所述质量块组件周围。

5.根据权利要求1所述的箱式调谐颗粒质量阻尼装置，其特征在于，所述固定质量块为钢材、铅块、混凝土、液体中的一种或多种混合构成。

6.一种塔桅结构，其特征在于，所述塔桅结构包括通信塔和权利要求1-5中任一项所述的箱式调谐颗粒质量阻尼装置；

所述箱式调谐颗粒质量阻尼装置安装在所述通信塔上。