本發(fā)明涉及的是建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具體而言是一種雙向碰撞擺減振控制裝置(bidirectionalpoundingtunedmassdamper，簡(jiǎn)稱bptmd)，主要應(yīng)用于大跨、高聳等重要建筑結(jié)構(gòu)的減振控制。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，我國(guó)涌現(xiàn)出許多體型復(fù)雜、內(nèi)部空間多變的高層、超高層結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)具有尺寸大、功能復(fù)雜、造型新穎等一系列顯著特點(diǎn)。隨著建筑高度的增加，包括水平地震作用、風(fēng)荷載等水平荷載成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素。當(dāng)前，我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范強(qiáng)調(diào)的最主要的目標(biāo)是，防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生破壞、倒塌。然而，汶川地震表明，許多建筑結(jié)構(gòu)盡管未發(fā)生倒塌，但其內(nèi)部許多非結(jié)構(gòu)構(gòu)件卻發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。外部荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的側(cè)向變形和不良振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)使用舒適性。

振動(dòng)控制的目的是降低建筑結(jié)構(gòu)在地震作用和風(fēng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行水平。由于被動(dòng)控制裝置具有造價(jià)低廉、可靠性高、簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)，因此附加阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動(dòng)控制的方法在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用。其中，懸掛質(zhì)量擺和碰撞阻尼器是常見(jiàn)的被動(dòng)減振控制裝置。

懸掛質(zhì)量擺是一種由質(zhì)量球和擺線組成的被動(dòng)控制裝置。其原理是將質(zhì)量球懸掛在結(jié)構(gòu)上，通過(guò)控制擺線的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)頻率，當(dāng)結(jié)構(gòu)受地震作用或風(fēng)荷載時(shí)，產(chǎn)生水平振動(dòng)，此時(shí)質(zhì)量擺隨之產(chǎn)生振動(dòng)，而質(zhì)量擺的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生慣性力反作用于結(jié)構(gòu)本身，當(dāng)兩者方向相反時(shí)就產(chǎn)生了制振效果，從而達(dá)到降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。然而這類裝置也存在明顯缺陷：第一，懸掛質(zhì)量擺缺乏耗能機(jī)制，無(wú)法耗散所吸收的系統(tǒng)動(dòng)能；第二，當(dāng)懸掛質(zhì)量擺的自振頻率與主結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時(shí)減振效果較好，如果兩者相差較大，減振效果會(huì)大大降低，甚至?xí)霈F(xiàn)放大局部響應(yīng)的現(xiàn)象。

碰撞阻尼器是一種廣泛用于結(jié)構(gòu)的減振控制裝置，由附加質(zhì)量和限位裝置構(gòu)成。其工作原理是：當(dāng)受控主結(jié)構(gòu)在荷載作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，附加質(zhì)量與主結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并與限位裝置發(fā)生碰撞。碰撞會(huì)引發(fā)能量交換并消耗系統(tǒng)動(dòng)能，從而達(dá)到降低主結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的目的。與傳統(tǒng)減振裝置相比，碰撞阻尼器耗能更強(qiáng)，減振頻帶寬，魯棒性好，而且易于維護(hù)，造價(jià)低。然而，這種減振裝置也存在其局限性：傳統(tǒng)的碰撞阻尼器質(zhì)量塊本身質(zhì)量較大，在碰撞時(shí)存在放大結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的危險(xiǎn)，容易造成結(jié)構(gòu)本身局部破壞；此外，碰撞過(guò)程中會(huì)造成噪聲污染，影響正常生活。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種雙向碰撞擺減振控制裝置，目的是減小大跨、高聳等復(fù)雜結(jié)構(gòu)(尤其塔式結(jié)構(gòu)形式)在地震作用或風(fēng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，達(dá)到耗能減振的目的，提高結(jié)構(gòu)安全性和可靠度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

雙向碰撞擺減振控制裝置(bptmd)，由質(zhì)量塊、擺線、套筒、彈簧、連接板、限位裝置、粘彈性材料層和箱體組成；所述的箱體頂部設(shè)置有連接板，在所述的連接板頂部的中心位置通過(guò)擺線懸掛有一個(gè)質(zhì)量塊，所述的質(zhì)量塊和擺線組成懸掛質(zhì)量擺；所述的質(zhì)量塊在水平面的前、后、左、右四個(gè)方向各通過(guò)一個(gè)彈簧連接在箱體的四個(gè)側(cè)壁上，四個(gè)所述的彈簧通過(guò)限位裝置進(jìn)行限位。

進(jìn)一步的，所述的限位裝置包括一個(gè)懸掛在連接板頂部的圓筒和與圓筒外壁相連的四個(gè)套筒，質(zhì)量擺罩在圓筒內(nèi)，四個(gè)彈簧穿過(guò)的圓筒的側(cè)壁后由套筒進(jìn)行限位，用于約束彈簧側(cè)向變形，且起到保護(hù)彈簧的作用。

進(jìn)一步的，所述質(zhì)量塊為鋼制球體，其質(zhì)量取主結(jié)構(gòu)的1％～5％。

進(jìn)一步的，所述擺線用于懸掛質(zhì)量塊，通過(guò)單擺長(zhǎng)度與頻率的關(guān)系可以確定懸掛質(zhì)量擺的擺線長(zhǎng)度，可根據(jù)下式計(jì)算：

l＝ω²g

其中，ω為結(jié)構(gòu)的固有頻率；g表示重力加速度。

進(jìn)一步的，所述彈簧水平雙向布置，質(zhì)量塊前后左右各布置一根，彈簧串聯(lián)剛度減半，彈簧的最優(yōu)剛度可由下式計(jì)算：

式中，md為質(zhì)量塊的質(zhì)量，fopt為最優(yōu)頻率比，可由下式確定：

式中，μm是雙向碰撞擺減振控制裝置與建筑物主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比。

進(jìn)一步的，所述連接板為鋼板，通過(guò)栓接或焊接將減振裝置固定在主結(jié)構(gòu)頂部。

進(jìn)一步的，所述圓筒，通過(guò)焊接與連接板固定連接。

進(jìn)一步的，在所述的圓筒的內(nèi)壁設(shè)有一層粘彈性材料層，所述的粘彈性材料層為橡膠材料，附著于限位裝置內(nèi)側(cè)，增強(qiáng)動(dòng)能吸收，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

進(jìn)一步的，所述箱體包裹整個(gè)裝置，起到保護(hù)作用，避免裝置受到外力的侵蝕和損壞，通過(guò)焊接與連接板固定連接。

本發(fā)明的有益效果是：

1、該裝置兼具懸掛質(zhì)量擺和碰撞阻尼器兩者的能力，具有雙重減振特點(diǎn)，減振效果顯著，且無(wú)需外部能量的輸入，安全性高；

2、該裝置增設(shè)橡膠粘彈性材料層，利用橡膠的高彈性性能，提高能量轉(zhuǎn)換的能力，且能夠避免由于碰撞產(chǎn)生的噪聲污染；

3、該裝置在多個(gè)方向上的減振控制共用一個(gè)質(zhì)量塊，有效減輕結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。

4、該裝置抵抗外界因素干擾的能力較強(qiáng)，減振頻帶寬，魯棒性好；

5、該裝置原理明確、構(gòu)造簡(jiǎn)單，占據(jù)空間較小，適用于具有空間局限性的結(jié)構(gòu)；

6、該裝置能夠減小地震作用或風(fēng)荷載下多個(gè)方向的動(dòng)力響應(yīng)，抑制不良振動(dòng)效果顯著，且造價(jià)低，能夠產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

附圖1是雙向碰撞擺減振控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是雙向碰撞擺減振控制裝置的a-a剖面圖。

圖中：1質(zhì)量塊，2擺線，3套筒，4彈簧，5連接板，6限位裝置，7粘彈性材料，8箱體。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施方式。

本發(fā)明提出了一種新型的雙向碰撞擺減振控制裝置(bptmd)，將懸掛質(zhì)量擺和碰撞阻尼器相結(jié)合，該裝置兼具兩者的特性，既能夠通過(guò)懸掛質(zhì)量擺吸收主結(jié)構(gòu)的動(dòng)能，又能夠在擺動(dòng)的過(guò)程中與限位裝置發(fā)生碰撞，引發(fā)能量交換并消耗懸掛質(zhì)量擺吸收的動(dòng)能，降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，具有雙重減振控制效果。同時(shí)在限位裝置上設(shè)置粘彈性材料層，增強(qiáng)碰撞耗能的能力。由于結(jié)構(gòu)頂部往往具有空間局限性，該裝置避免大體積，正好可以滿足小空間安裝的要求，具有廣泛的適用性。

本發(fā)明提出的雙向碰撞擺減振控制裝置如圖1，圖2所示。雙向碰撞擺減振控制裝置，包括一個(gè)質(zhì)量塊1，一根擺線2，四個(gè)套筒3，四根彈簧4，一塊連接板5，一個(gè)限位裝置6，一層粘彈性材料7，一個(gè)箱體8。該裝置安裝在大跨或高聳結(jié)構(gòu)的頂部；

箱體頂部設(shè)置有連接板，在連接板頂部的中心位置通過(guò)擺線懸掛有一個(gè)質(zhì)量塊，所述的質(zhì)量塊和擺線組成懸掛質(zhì)量擺；所述的質(zhì)量塊在水平面的前、后、左、右四個(gè)方向各通過(guò)一個(gè)彈簧連接在箱體的四個(gè)側(cè)壁上，四個(gè)所述的彈簧通過(guò)限位裝置進(jìn)行限位。

限位裝置包括一個(gè)懸掛在連接板頂部的圓筒和與圓筒外壁相連的四個(gè)套筒，質(zhì)量擺罩在圓筒內(nèi)，四個(gè)彈簧穿過(guò)的圓筒的側(cè)壁后由套筒進(jìn)行限位，用于約束彈簧側(cè)向變形，且起到保護(hù)彈簧的作用。

所述質(zhì)量塊1為鋼球，其質(zhì)量取主結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1％～5％；

所述擺線2為鋼絞線，一端與連接板5鉸接，一端與質(zhì)量塊1連接，其長(zhǎng)度由公式計(jì)算得到；

l＝ω²g

其中，ω為結(jié)構(gòu)的固有頻率；g表示重力加速度。

所述套筒3是一種薄壁鋼管，套筒兩端分別與限位裝置6和箱體8焊接，沿彈簧水平布置，其直徑略大于彈簧外徑，一方面限制彈簧側(cè)向變形，另一方面可以起到保護(hù)彈簧的作用；

所述彈簧4兩端分別與質(zhì)量塊1和箱體8連接，當(dāng)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧沿套筒3軸向變形，可以提供側(cè)向剛度，由于彈簧串聯(lián)，剛度減半，具體剛度可按公式計(jì)算，

彈簧的最優(yōu)剛度可由下式計(jì)算：

式中，md為質(zhì)量塊的質(zhì)量，fopt為最優(yōu)頻率比，可由下式確定：

式中，μm是雙向碰撞擺減振控制裝置與主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比。

彈簧表面噴涂，隔絕空氣中化學(xué)成分對(duì)彈簧的影響，起到保護(hù)彈簧的作用；

所述連接板5位于裝置頂部，用于連接主結(jié)構(gòu)，連接板可打孔或使用其他措施與主結(jié)構(gòu)固定；

所述限位裝置6為薄壁圓鋼管，與連接板5焊接，內(nèi)側(cè)附有粘彈性材料7，其中質(zhì)量塊1與內(nèi)側(cè)粘彈性材料層7的碰撞間隙取最優(yōu)值；

所述粘彈性材料7為橡膠材料，具有高彈性，可恢復(fù)能力強(qiáng)，能夠一定程度的增加碰撞的次數(shù)，有利于動(dòng)能的吸收，耗散能量；

所述箱體8用于固定套筒3和彈簧4，與連接板焊接，組成封閉式箱體，隔絕空氣，保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

所述質(zhì)量塊1與限位裝置6發(fā)生碰撞，撞擊到粘彈性材料層7，引發(fā)動(dòng)量交換，其中碰撞力p(t)可根據(jù)下式計(jì)算:

式中，β為碰撞剛度，由最小二乘優(yōu)化算法得到；u1和u2分別為限位裝置與質(zhì)量塊的位移；u1-u2為相對(duì)速度；gp為碰撞間隙；ck為非線性碰撞阻尼系數(shù)，可由下式計(jì)算：

式中，m1和m2分別為限位裝置與質(zhì)量塊的質(zhì)量；γ為滯后阻尼系數(shù)，由下式可得：

式中e為牛頓速度恢復(fù)系數(shù)，可由落球?qū)嶒?yàn)得到。

為了使該裝置達(dá)到理想的減振效果，本方案需要注意一下幾個(gè)方面：第一、根據(jù)主結(jié)構(gòu)的自振頻率，在合理選擇質(zhì)量比的前提下準(zhǔn)確的確定彈簧的剛度，合理計(jì)算擺線的長(zhǎng)度，保證減振裝置的自振頻率與主結(jié)構(gòu)的固有頻率相近。第二、合理的選擇粘彈性材料層，要有一定的彈性，變形可恢復(fù)能力強(qiáng)，耐疲勞損傷，保證一定的使用期限。第三、套筒的內(nèi)徑與彈簧的外徑要合理的設(shè)計(jì)與選擇，不宜過(guò)小，防止阻礙彈簧的軸向變形。第四、碰撞間隙確定尤為重要，最有碰撞間隙若選擇過(guò)大，碰撞次數(shù)減少，減振效果就差，若選擇間隙過(guò)小，同樣減少了碰撞次數(shù)，不利于減振。第五、箱體重量盡量小，減小對(duì)主結(jié)構(gòu)自振周期的影響，保證良好的減振效果。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。