本發(fā)明涉及大跨度建筑抗震領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于大跨度結(jié)構(gòu)的減震裝置及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)發(fā)展的需要，建筑物和橋梁的跨度和規(guī)模越來越大，大跨度結(jié)構(gòu)常見于體育、會(huì)議展覽和機(jī)場(chǎng)建筑以及大跨橋梁等。近幾年建筑設(shè)計(jì)施工技術(shù)發(fā)生了很大變革，計(jì)算方法的進(jìn)步、輕質(zhì)高強(qiáng)材料的使用使得結(jié)構(gòu)體系變得更輕、更柔、阻尼更小，而設(shè)計(jì)趨勢(shì)是用最小重量的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來跨越較長的跨度，這樣就降低了結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過改變結(jié)構(gòu)的剛度和結(jié)構(gòu)型式，提高結(jié)構(gòu)的頻率降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)、美觀和空間利用的角度看，在很多情況下不合理的。

采用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的減振方法來解決上述問題，則是一種經(jīng)濟(jì)和合理的解決方法。調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)是應(yīng)用最早的結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制裝置之一，是由彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊組成的振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)主結(jié)構(gòu)在外激勵(lì)作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器一起振動(dòng)，其產(chǎn)生的慣性力反作用到結(jié)構(gòu)上，其阻尼也發(fā)揮消能作用，使主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)衰減并受到控制。

目前，TMD減震系統(tǒng)在高層及高聳結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中已被驗(yàn)證為經(jīng)濟(jì)有效的手段之一，而在大跨空間結(jié)構(gòu)中，由于其振型復(fù)雜、頻率雜糅等特點(diǎn)，TMD減震的研究僅僅停留在理論分析方面，在實(shí)際工程中的應(yīng)用很少，該理論沒有運(yùn)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要原因是缺少一套行之有效的大跨度結(jié)構(gòu)減震控制裝置。

中國專利CN 105156578 A公開了一種調(diào)頻質(zhì)量阻尼器，包括上支架、下支架和質(zhì)量塊，上支架和下支架兩側(cè)中部通過粘滯阻尼器連接。上支架和下支架兩側(cè)前部設(shè)有一檔套桿組件和二檔套桿組件，在一檔套桿組件或二檔套桿組件上套裝彈簧；上支架上端左右兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上滑動(dòng)連接質(zhì)量塊，質(zhì)量塊后端連接調(diào)節(jié)絲桿，調(diào)節(jié)絲桿與固定在上支架后部的絲桿螺母連接。大跨度結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中，僅控制豎向振動(dòng)，水平方向的振動(dòng)雖不控制，但也是不可忽略的，此發(fā)明專利為豎向可調(diào)頻質(zhì)量阻尼器，缺乏對(duì)質(zhì)量塊水平方向的限位裝置。

中國專利CN 101806104 B公開了一種懸吊式的調(diào)頻質(zhì)量阻尼器，包括彈簧、質(zhì)量塊和粘滯流體阻尼器，質(zhì)量塊通過彈簧和粘滯流體阻尼器懸吊在上懸梁或頂板上，粘滯流體阻尼器主要由密封的缸筒、穿過缸筒可上下滑動(dòng)的導(dǎo)桿和固定在導(dǎo)桿上的活塞構(gòu)成，粘滯流體阻尼器的阻尼系數(shù)隨著粘滯流體阻尼器位移的變化而變化。此發(fā)明專利設(shè)計(jì)的質(zhì)量塊位于整個(gè)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器下端，重心偏下，雖設(shè)置了“雙向?qū)蚨ㄎ谎b置”可保證自身結(jié)構(gòu)不被破壞，但對(duì)主結(jié)構(gòu)帶來的側(cè)向彎矩影響較大。另，此調(diào)頻質(zhì)量阻尼器通過改變彈簧的有效圈數(shù)來調(diào)整阻尼器頻率，調(diào)整的頻率范圍有限且不連續(xù)。

此外，上述兩篇專利均未設(shè)計(jì)與主體結(jié)構(gòu)的連接。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題而提供一種用于大跨度結(jié)構(gòu)的減震裝置及其設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于大跨度結(jié)構(gòu)的減震裝置，包括頂板、底板以及設(shè)在頂板和底板之間的質(zhì)量塊，所述的頂板和底板之間設(shè)有滑桿，滑桿兩端分別與頂板和底板固定連接，所述的質(zhì)量塊設(shè)有與滑桿對(duì)應(yīng)的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有滑塊，所述的滑桿穿過滑塊，所述的頂板和質(zhì)量塊之間、底板與質(zhì)量塊之間分別設(shè)有阻尼結(jié)構(gòu)，通過阻尼結(jié)構(gòu)，振動(dòng)時(shí)質(zhì)量塊沿滑桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使用時(shí)，將本裝置安裝在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)位置上。

所述的質(zhì)量塊為方塊，質(zhì)量塊的四周通過螺桿連接多個(gè)附加質(zhì)量塊，所述的質(zhì)量塊以及附加質(zhì)量塊采用密度大的金屬材料制作，優(yōu)選為鑄鐵。

所述的阻尼結(jié)構(gòu)由彈簧和阻尼器組成，彈簧的一端固定在質(zhì)量塊上，另一端與阻尼器連接，阻尼器的另一端連接在頂板或底板上。

所述的頂板與底板的四周開有螺孔，所述的滑桿的兩端分別與頂板和底板上的螺孔固定連接。

所述的頂板和底板上設(shè)有多個(gè)限位緩沖塊，所述的限位緩沖塊包括緩沖層和磁鐵層，所述的緩沖層采用樹脂或橡膠制得。

所述的質(zhì)量塊的上下表面設(shè)有與限位緩沖塊對(duì)應(yīng)的磁鐵塊，該磁鐵塊與頂板或底板上的磁鐵層磁極設(shè)為相互吸引。

所述的頂板上端設(shè)有與減震主結(jié)構(gòu)相連接的螺栓，所述的滑塊通過固定螺絲與質(zhì)量塊連接。

所述的附加質(zhì)量塊設(shè)有2-4個(gè)，且對(duì)稱布置。

所述的減震裝置中的質(zhì)量塊以及彈簧的設(shè)計(jì)，具體采用以下方法：

(a)根據(jù)減震效果以及主結(jié)構(gòu)懸掛處局部的承壓能力，確定單個(gè)減震裝置質(zhì)量塊的質(zhì)量m_TMD；

(b)根據(jù)設(shè)計(jì)資料或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定主結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)主要貢獻(xiàn)振型所對(duì)應(yīng)的頻率f_s，確定減震裝置質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)頻率f_TMD＝f_s；

(c)根據(jù)公式k_TMD＝m_TMD(2·π·f_TMD)²/N確定每個(gè)彈簧的剛度系數(shù)，其中N為彈簧根數(shù)；

(d)根據(jù)公式k_TMD＝Gd⁴/(8D³n)，選擇或制作符合要求的彈簧，其中，G為彈簧的切變模量，d為彈簧絲的直徑，D為彈簧的中徑，n為彈簧有效圈數(shù)。

所述的m_TMD為質(zhì)量塊質(zhì)量和附加質(zhì)量塊的質(zhì)量總和。

本發(fā)明針對(duì)大跨度主結(jié)構(gòu)由于在豎直方向剛度較弱，主結(jié)構(gòu)以豎向運(yùn)動(dòng)為主的動(dòng)力特性，運(yùn)用TMD的減震原理，提供一種行之有效的減震裝置，對(duì)主結(jié)構(gòu)加以保護(hù)。該裝置通過螺栓與主結(jié)構(gòu)緊密相連，與主結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，僅有在滑桿上的質(zhì)量塊與主結(jié)構(gòu)有豎向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主結(jié)構(gòu)受到干擾振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)減震裝置中的質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)。由共振原理，當(dāng)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的頻率與主結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的頻率接近或相同時(shí)，質(zhì)量塊達(dá)到共振狀態(tài)，在該狀態(tài)下，減震裝置會(huì)施加與主結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)反方向的力來減弱主結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)主結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用；從能量的角度來說，主結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)移到減震裝置上，再由減震裝置上的阻尼耗散掉，從而減少了主結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能量。

本減震裝置的TMD質(zhì)量塊由質(zhì)量塊和附加質(zhì)量塊組成，附加質(zhì)量塊可進(jìn)行更換和拆卸，考慮到以下兩方面：(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)際有差別，所要控制的主要頻率，可能會(huì)有變化，而在減震裝置已加工好的情況下可通過更換附加質(zhì)量塊來調(diào)整減震裝置TMD質(zhì)量塊的質(zhì)量，從而可調(diào)整TMD的頻率使其與結(jié)構(gòu)接近；(2)在主結(jié)構(gòu)經(jīng)受了較大的震動(dòng)作用后，主結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性發(fā)生改變，原減震裝置可能已無法發(fā)揮減震作用，此時(shí)可通過更換附加質(zhì)量塊，調(diào)節(jié)該減震裝置的頻率與結(jié)構(gòu)主頻率接近，使之在地震之后也能起到較好的減震效果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明減震裝置利用大跨度結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，抓住主要矛盾，僅對(duì)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行了豎向振動(dòng)控制，通過單向的控制達(dá)到多向減震的效果。本發(fā)明減震裝置設(shè)計(jì)簡潔，可分塊制作，便于工廠模塊化生產(chǎn)，提高加工效率，縮短施工周期，適用性強(qiáng)；本減震裝置附加質(zhì)量小、與主結(jié)構(gòu)連接方式簡單，不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系來支持其安裝。該減震裝置不僅可在結(jié)構(gòu)施工階段直接安裝在結(jié)構(gòu)中，還可以在一些需要加固的既有大跨度結(jié)構(gòu)上安裝，達(dá)到減震效果；該減震裝置可以通過更換附加質(zhì)量塊，可隨時(shí)調(diào)整減震裝置頻率；該減震裝置中還設(shè)置限位緩沖塊，當(dāng)彈簧失效后，質(zhì)量塊與減震裝置吸附在一起，不至于對(duì)結(jié)構(gòu)施加額外的動(dòng)力荷載，保障了使用的安全。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的質(zhì)量塊通孔與滑塊安裝局部示意圖；

圖3為本發(fā)明阻尼結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖4為本發(fā)明的使用狀態(tài)示意圖；

圖中：1-頂板；2-阻尼結(jié)構(gòu)；3-質(zhì)量塊；4-附加質(zhì)量塊；5-滑桿；6-限位緩沖塊；7-底板；8-主結(jié)構(gòu)；11-螺栓；21-彈簧；22-阻尼器；31-通孔；32-磁鐵塊；41-螺桿；51-滑塊；52-固定螺絲；61-緩沖層；62-磁鐵層；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

一種用于大跨度結(jié)構(gòu)的減震裝置，如圖1-3所示，包括頂板1、底板7以及設(shè)在頂板1和底板7之間的質(zhì)量塊3，頂板1和底板7之間設(shè)有四個(gè)滑桿5，頂板1與底板7的四周開有螺孔，滑桿5的兩端分別與頂板1和底板7上的螺孔固定連接。質(zhì)量塊3設(shè)有與滑桿5對(duì)應(yīng)的通孔31，通孔31內(nèi)設(shè)有滑塊51，滑桿5穿過滑塊51，頂板1和質(zhì)量塊3之間、底板7與質(zhì)量塊3之間分別設(shè)有阻尼結(jié)構(gòu)2。

質(zhì)量塊3為方塊，質(zhì)量塊3的四周通過螺桿41連接四個(gè)附加質(zhì)量塊4，附加質(zhì)量塊4對(duì)稱布置。質(zhì)量塊3以及附加質(zhì)量塊4采用密度大的金屬材料制作。阻尼結(jié)構(gòu)2由彈簧21和阻尼器22組成，彈簧21的一端固定在質(zhì)量塊3上，另一端與阻尼器22連接，阻尼器22的另一端連接在頂板1或底板7上。頂板1和底板7上設(shè)有四個(gè)限位緩沖塊6，限位緩沖塊6包括緩沖層61和磁鐵層62，緩沖層61采用橡膠制得。

質(zhì)量塊3的上下表面設(shè)有與限位緩沖塊對(duì)應(yīng)的磁鐵塊32，該磁鐵塊32與頂板1或底板7上的磁鐵層62磁極設(shè)為相互吸引。頂板1上端設(shè)有與減震主結(jié)構(gòu)8相連接的螺栓11，滑塊51通過固定螺絲52與質(zhì)量塊3連接。

本裝置在使用時(shí)，將該裝置裝在主結(jié)構(gòu)8的下部，圖4為使用狀態(tài)示意圖，當(dāng)主結(jié)構(gòu)8受到干擾振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)減震裝置中的質(zhì)量塊3運(yùn)動(dòng)。當(dāng)質(zhì)量塊3運(yùn)動(dòng)的頻率與主結(jié)構(gòu)8運(yùn)動(dòng)的頻率接近或相同時(shí)，質(zhì)量塊3達(dá)到共振狀態(tài)，在該狀態(tài)下，減震裝置會(huì)施加與主結(jié)構(gòu)8運(yùn)動(dòng)反方向的力來減弱主結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)主結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。

實(shí)施例2

該減震裝置的質(zhì)量塊以及彈簧設(shè)計(jì)，具體采用以下步驟：

(a)根據(jù)減震效果以及主結(jié)構(gòu)懸掛處局部的承壓能力，確定單個(gè)減震裝置質(zhì)量塊的質(zhì)量m_TMD，m_TMD為質(zhì)量塊質(zhì)量和附加質(zhì)量塊的質(zhì)量總和；

(b)根據(jù)設(shè)計(jì)資料或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定主結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)主要貢獻(xiàn)振型所對(duì)應(yīng)的頻率f_s，確定減震裝置質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)頻率f_TMD＝f_s；

(c)根據(jù)公式k_TMD＝m_TMD(2·π·f_TMD)²/N確定每個(gè)彈簧的剛度系數(shù)，其中N為彈簧根數(shù)；

(d)根據(jù)公式k_TMD＝Gd⁴/(8D³n)，選擇或制作符合要求的彈簧，其中，G為彈簧的切變模量，d為彈簧絲的直徑，D為彈簧的中徑，n為彈簧有效圈數(shù)。