本發(fā)明屬新能源和結(jié)構(gòu)減振領(lǐng)域，具體涉及一種壓電及電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器。

背景技術(shù)：

目前，隨著我國建筑結(jié)構(gòu)高度的不斷增加，建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震作用下的振動變形也逐漸增大，選取有足夠阻尼效果的阻尼器對減緩建筑結(jié)構(gòu)的振動顯得越來越重要。現(xiàn)階段的阻尼器一般包括彈簧阻尼器、液壓阻尼器、脈沖阻尼器、粘滯阻尼器、風(fēng)阻尼器和傳統(tǒng)TMD阻尼器等。

傳統(tǒng)TMD通過將其振動頻率調(diào)整至主結(jié)構(gòu)頻率附近，改變結(jié)構(gòu)共振特性，以達到減震作用。但傳統(tǒng)TMD有其不足：1）只能控制結(jié)構(gòu)某個振型的反應(yīng)（一般是第一振型），而且控制效果對被控振型的頻率非常敏感；2）在TMD系統(tǒng)工程應(yīng)用有限的質(zhì)量范圍內(nèi)，對結(jié)構(gòu)控制能力有限，耗能能力不足；3）TMD系統(tǒng)需要調(diào)頻到與被控振型反應(yīng)共振的頻率，TMD系統(tǒng)的質(zhì)量行程通常較大；4）TMD阻尼可調(diào)性差，對風(fēng)荷載和地震不能均達到最優(yōu)減振效果，在諸如普通小幅風(fēng)振下如果直接使TMD具有較大阻尼將使TMD的難以啟振，運動緩慢，容易發(fā)生位移滯后現(xiàn)象，減振效果并不理想。

為了更好地利用地震作用力并獲得更明顯的阻尼效果，本發(fā)明提出了一種壓電及電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種壓電及電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器，該裝置能有效地耗散并收集建筑結(jié)構(gòu)中的振動能量，轉(zhuǎn)換為電能、并通過電磁感應(yīng)原理調(diào)控顆粒阻尼的阻尼力，更好的減緩建筑結(jié)構(gòu)的振動。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案：一種壓電及電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器，包括電感線圈、永磁體、顆粒阻尼容器、多級配電磁顆粒阻尼、壓電陶瓷、絕緣墊、彈簧、粘滯阻尼器、蓄電池、電流控制器、隔板。顆粒阻尼容器一側(cè)固定永磁體，永磁體和顆粒阻尼容器之間用絕緣墊相隔，顆粒阻尼容器周圍纏繞電感線圈，容器內(nèi)部填充多級配電磁顆粒阻尼，多級配電磁顆粒阻尼用隔板隔開成多層。兩側(cè)彎起的壓電陶瓷固定于墻體上，電感線圈固定于壓電陶瓷上，壓電陶瓷與顆粒阻尼容器之間由上方的彈簧和下方的粘滯阻尼器連接起來，壓電陶瓷及其附帶的電感線圈用電線連至蓄電池，蓄電池和容器上的電感線圈之間安有電流控制器。

當(dāng)振動中阻尼容器的移動引起壓電陶瓷發(fā)生變形時，利用其具有的正壓電效應(yīng)，使陶瓷片表面產(chǎn)生自由電荷，從而將振動能轉(zhuǎn)化為電能。

壓電陶瓷片放置在涂刷絕緣層的鋼板的內(nèi)部并固定于豎向阻隔墻之上，壓電陶瓷的形狀采用彎板式，兩邊彎起，具有良好的俘能效果。

在外部動力作用下顆粒阻尼容器能夠帶動永磁體左右移動，使永磁體與電感線圈產(chǎn)生相對移動，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交感電流，從而將振動能轉(zhuǎn)化為電能。

多級配電磁顆粒阻尼由不同磁性材料和直徑混合組成，用隔板將阻尼分層隔開，在結(jié)構(gòu)不同振幅引發(fā)的電磁感應(yīng)下將有不同數(shù)量的顆粒阻尼發(fā)生碰撞和運動，從而產(chǎn)生不同的耗能能力和阻尼效果。

多級配電磁顆粒阻尼采用的具體材料包括鐵基合金、鎳基合金等、直徑范圍為1mm-10mm。

顆粒阻尼容器為非金屬的非磁性材料制作，彈簧和粘滯阻尼器表面均涂刷有絕緣層。

調(diào)諧質(zhì)量應(yīng)為建筑結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的2%-10%，正常工作時粘滯阻尼器為調(diào)諧阻尼器提供的整體阻尼應(yīng)在5%-10%之間，阻尼器整體頻率與結(jié)構(gòu)基本頻率一致，如在使用中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)頻率產(chǎn)生變化可適當(dāng)增減顆粒阻尼的質(zhì)量進行調(diào)節(jié)。

風(fēng)荷載和小震下產(chǎn)生的電流可存儲于蓄電池中，平時蓄電，在急需減振或臺風(fēng)及地震時蓄電池提供電量增大阻尼效果以達到減振。

電流控制器可根據(jù)最大位移調(diào)整電路中的電流，從而改變顆粒阻尼的阻尼性能，以達到最好的減振效果。

本發(fā)明的功能如下：

地震作用下顆粒阻尼容器發(fā)生往復(fù)振動引起壓電陶瓷發(fā)生變形，表面產(chǎn)生張拉力，由于壓電材料效應(yīng)將在陶瓷片表面產(chǎn)生自由電荷，從而將振動能轉(zhuǎn)化為電能并儲存于蓄電池中。

壓電陶瓷上的電感線圈與顆粒阻尼器上的永磁體有一定距離，顆粒阻尼器的往復(fù)振動引起電感線圈和永磁體之間的相對運動，使電感線圈中產(chǎn)生交感電流儲存于蓄電池中。

蓄電池中的電流通入顆粒阻尼容器上的電感線圈，改變多級配電磁顆粒阻尼周圍的磁場，在結(jié)構(gòu)不同振幅引發(fā)的電磁感應(yīng)下將有不同數(shù)量的顆粒阻尼發(fā)生碰撞和運動，從而產(chǎn)生不同的耗能能力和阻尼效果，減緩建筑結(jié)構(gòu)的振動。

電流控制器可根據(jù)最大位移調(diào)整電路中的電流，通過增大顆粒體周圍的磁場強度改變顆粒阻尼的阻尼性能，以達到最好的減震效果。

該裝置收集環(huán)境中的振動能量，將轉(zhuǎn)化的能量用來減緩結(jié)構(gòu)的振動，達到以振治振的效果，通過電流控制器對電流的控制變被動控制為半主動控制，能更好的控制阻尼的大小，從而獲得更好的減振效果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：

1）本發(fā)明中壓電—電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器，具有復(fù)合俘能功能，在不需要外部電源的情況下便可以實現(xiàn)半主動控制，符合綠色建筑的理念。

2）本發(fā)明中壓電—電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器，通過電流控制器對電流進行調(diào)節(jié)，使得阻尼的可調(diào)性增加，從而使得其減振能力增強。

3）本發(fā)明中壓電—電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器，其頻率范圍廣，質(zhì)量和頻率的可調(diào)性更強，以便能獲得更好的阻尼效果。

4）本發(fā)明中壓電—電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器，與傳統(tǒng)的被動TMD和主動TMD相比，該阻尼器為半主動控制，構(gòu)造相對簡單，加工方便，性價比突出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明阻尼器的立體圖；

圖2為本發(fā)明阻尼器的正視圖；

圖3為本發(fā)明阻尼容器未加磁場的顆粒阻尼分布圖；

圖4為本發(fā)明阻尼容器加磁場的顆粒阻尼分布圖。

圖中：１－電感線圈、２－永磁體、3－顆粒阻尼容器、4－多級配電磁顆粒阻尼、5－壓電陶瓷、6－絕緣墊、7－彈簧、8－粘滯阻尼器、9－蓄電池、10－電流控制器、11－隔板。

具體實施方式

實施例1：

如圖1-4所示，一種壓電及電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器，包括電感線圈1、永磁體2、顆粒阻尼容器3、多級配電磁顆粒阻尼4、壓電陶瓷5、絕緣墊6、彈簧7、粘滯阻尼器8、蓄電池9、電流控制器10和隔板11；

顆粒阻尼容器3一側(cè)固定永磁體2，永磁體2和顆粒阻尼容器3之間用絕緣墊6相隔，顆粒阻尼容器3周圍纏繞電感線圈1，容器內(nèi)部填充多級配電磁顆粒阻尼4，多級配電磁顆粒阻尼4用隔板11分層隔開；

兩側(cè)彎起的壓電陶瓷5固定于墻體上，電感線圈1固定于壓電陶瓷5上，壓電陶瓷5與顆粒阻尼容器3之間由上方的彈簧7和下方的粘滯阻尼器8連接起來，壓電陶瓷5及其附帶的電感線圈1用電線連至蓄電池9，蓄電池9和容器上的電感線圈1之間安有電流控制器10。

壓電陶瓷片放置在涂刷絕緣層的鋼板的內(nèi)部并固定于豎向阻隔墻之上，壓電陶瓷5的形狀采用彎板式，兩邊彎起。

多級配電磁顆粒阻尼4用隔板11分層隔開；多級配電磁顆粒阻尼4采用鐵基合金或鎳基合金材料制成，多級配電磁顆粒阻尼4直徑范圍為1mm-10mm。

顆粒阻尼容器3為非金屬的非磁性材料制作，彈簧7和粘滯阻尼器8表面均涂刷有絕緣層。

實施步驟如下：

1）對于一個層數(shù)為20、層高為2.8m的建筑結(jié)構(gòu)，平面尺寸為33m×24m，在建筑結(jié)構(gòu)頂部安裝該壓電—電磁復(fù)合俘能型半主動調(diào)頻質(zhì)量顆粒阻尼器。

2）長方體顆粒阻尼容器的尺寸選為1.5×0.3×0.35m，永磁體的直徑選為0.2m，高度為0.2m，壓電陶瓷豎向貼于阻隔墻上，壓電陶瓷尺寸選為3m×2m。將電感線圈固定于壓電陶瓷之上。

3）選用不同材質(zhì)和直徑的電磁顆粒，具體材料選用鐵基合金、鎳基合金等，電磁顆粒的直徑從0.01m到0.1m不等，然后將多級配電磁顆粒阻尼放入顆粒阻尼容器內(nèi)，用隔板分層隔開，顆粒阻尼容器外部纏繞電感線圈。

4）通過模態(tài)測試技術(shù)獲得結(jié)構(gòu)頻率，適當(dāng)增減顆粒的數(shù)量從而改變阻尼器的質(zhì)量，最終使阻尼器自振頻率與結(jié)構(gòu)基本頻率相吻合。

5）將滑輪安置在顆粒阻尼容器下方，容器一側(cè)固定永磁體，永磁體和顆粒阻尼容器之間墊有絕緣墊，絕緣墊尺寸為0.3×0.35m、厚度為0.05m。永磁體與固定在壓電陶瓷上的線圈同圓心并留有一定的間距。

6）壓電陶瓷及其電感線圈用電線連接至蓄電池，蓄電池和阻尼器上的電感線圈之間用電線連接，連接電線上安裝電流控制器。

7）各構(gòu)件按規(guī)定位置擺放固定后，用彈簧和粘滯阻尼器將分離的顆粒阻尼容器和豎向壓電陶瓷連接起來。

以上為本發(fā)明的一個典型實施例，但本發(fā)明的實施不限于此。