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，我國涌現(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。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)計的主要因素。當(dāng)前，我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范強調(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)濟損失。外部荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的側(cè)向變形和不良振動會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性，同時降低結(jié)構(gòu)使用舒適性。

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

懸掛質(zhì)量擺是一種由質(zhì)量球和擺線組成的被動控制裝置。其原理是將質(zhì)量球懸掛在結(jié)構(gòu)上，通過控制擺線的長度來調(diào)節(jié)頻率，當(dāng)結(jié)構(gòu)受地震作用或風(fēng)荷載時，產(chǎn)生水平振動，此時質(zhì)量擺隨之產(chǎn)生振動，而質(zhì)量擺的運動產(chǎn)生慣性力反作用于結(jié)構(gòu)本身，當(dāng)兩者方向相反時就產(chǎn)生了制振效果，從而達(dá)到降低結(jié)構(gòu)振動的目的。然而這類裝置也存在明顯缺陷：第一，懸掛質(zhì)量擺缺乏耗能機制，無法耗散所吸收的系統(tǒng)動能；第二，當(dāng)懸掛質(zhì)量擺的自振頻率與主結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時減振效果較好，如果兩者相差較大，減振效果會大大降低，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)在荷載作用下運動時，附加質(zhì)量與主結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對運動，并與限位裝置發(fā)生碰撞。碰撞會引發(fā)能量交換并消耗系統(tǒng)動能，從而達(dá)到降低主結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的目的。與傳統(tǒng)減振裝置相比，碰撞阻尼器耗能更強，減振頻帶寬，魯棒性好，而且易于維護(hù)，造價低。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，在碰撞時存在放大結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的危險，容易造成結(jié)構(gòu)本身局部破壞；此外，碰撞過程中會造成噪聲污染，影響正常生活。

技術(shù)實現(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擺線懸掛有一個質(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、右四個方向各通過一個彈簧連接在箱體的四個側(cè)壁上，四個所述的彈簧通過限位裝置進(jìn)行限位。

進(jìn)一步的，所述的限位裝置包括一個懸掛在連接板頂部的圓筒和與圓筒外壁相連的四個套筒，質(zhì)量擺罩在圓筒內(nèi)，四個彈簧穿過的圓筒的側(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，通過單擺長度與頻率的關(guān)系可以確定懸掛質(zhì)量擺的擺線長度，可根據(jù)下式計算：

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)，增強動能吸收，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，減振效果顯著，且無需外部能量的輸入，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、該裝置在多個方向上的減振控制共用一個質(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，減振頻帶寬，魯棒性好；

5、該裝置原理明確、構(gòu)造簡單，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)荷載下多個方向的動力響應(yīng)，抑制不良振動效果顯著，且造價低，能夠產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(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。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(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)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。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)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，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，既能夠通過懸掛質(zhì)量擺吸收主結(jié)構(gòu)的動能，又能夠在擺動的過程中與限位裝置發(fā)生碰撞，引發(fā)能量交換并消耗懸掛質(zhì)量擺吸收的動能，降低結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，具有雙重減振控制效果。同時在限位裝置上設(shè)置粘彈性材料層，增強碰撞耗能的能力。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，包括一個質(zhì)量塊1，一根擺線2，四個套筒3，四根彈簧4，一塊連接板5，一個限位裝置6，一層粘彈性材料7，一個箱體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擺線懸掛有一個質(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、右四個方向各通過一個彈簧連接在箱體的四個側(cè)壁上，四個所述的彈簧通過限位裝置進(jìn)行限位。

限位裝置包括一個懸掛在連接板頂部的圓筒和與圓筒外壁相連的四個套筒，質(zhì)量擺罩在圓筒內(nèi)，四個彈簧穿過的圓筒的側(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，其長度由公式計算得到；

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)量塊運動時彈簧沿套筒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算，

彈簧的最優(yōu)剛度可由下式計算：

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，能夠一定程度的增加碰撞的次數(shù)，有利于動能的吸收，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)動量交換，其中碰撞力p(t)可根據(jù)下式計算:

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)嶒灥玫健?/p>

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，合理計算擺線的長度，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，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)計與選擇，不宜過小，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大，碰撞次數(shù)減少，減振效果就差，若選擇間隙過小，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)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(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)。