本實用新型涉及大跨度建筑抗震領域，尤其是涉及一種用于大跨度結構的減震裝置。

背景技術：

隨著經濟和城市建設發(fā)展的需要，建筑物和橋梁的跨度和規(guī)模越來越大，大跨度結構常見于體育、會議展覽和機場建筑以及大跨橋梁等。近幾年建筑設計施工技術發(fā)生了很大變革，計算方法的進步、輕質高強材料的使用使得結構體系變得更輕、更柔、阻尼更小，而設計趨勢是用最小重量的結構系統(tǒng)來跨越較長的跨度，這樣就降低了結構的剛度和阻尼。傳統(tǒng)的設計方法，通過改變結構的剛度和結構型式，提高結構的頻率降低結構的振動；但從技術經濟、美觀和空間利用的角度看，在很多情況下不合理的。

采用調頻質量阻尼器的減振方法來解決上述問題，則是一種經濟和合理的解決方法。調頻質量阻尼器(TMD)是應用最早的結構被動控制裝置之一，是由彈簧、阻尼器和質量塊組成的振動系統(tǒng)。當主結構在外激勵作用下產生振動時，帶動調頻質量阻尼器一起振動，其產生的慣性力反作用到結構上，其阻尼也發(fā)揮消能作用，使主結構的振動反應衰減并受到控制。

目前，TMD減震系統(tǒng)在高層及高聳結構振動控制中已被驗證為經濟有效的手段之一，而在大跨空間結構中，由于其振型復雜、頻率雜糅等特點，TMD減震的研究僅僅停留在理論分析方面，在實際工程中的應用很少，該理論沒有運用于實際結構的一個重要原因是缺少一套行之有效的大跨度結構減震控制裝置。

中國專利CN 105156578A公開了一種調頻質量阻尼器，包括上支架、下支架和質量塊，上支架和下支架兩側中部通過粘滯阻尼器連接。上支架和下支架兩側前部設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設有導軌，導軌上滑動連接質量塊，質量塊后端連接調節(jié)絲桿，調節(jié)絲桿與固定在上支架后部的絲桿螺母連接。大跨度結構振動過程中，僅控制豎向振動，水平方向的振動雖不控制，但也是不可忽略的，此發(fā)明專利為豎向可調頻質量阻尼器，缺乏對質量塊水平方向的限位裝置。

中國專利CN 101806104B公開了一種懸吊式的調頻質量阻尼器，包括彈簧、質量塊和粘滯流體阻尼器，質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的導桿和固定在導桿上的活塞構成，粘滯流體阻尼器的阻尼系數隨著粘滯流體阻尼器位移的變化而變化。此發(fā)明專利設計的質量塊位于整個調頻質量阻尼器下端，重心偏下，雖設置了“雙向導向定位裝置”可保證自身結構不被破壞，但對主結構帶來的側向彎矩影響較大。另，此調頻質量阻尼器通過改變彈簧的有效圈數來調整阻尼器頻率，調整的頻率范圍有限且不連續(xù)。

此外，上述兩篇專利均未設計與主體結構的連接。

技術實現要素：

本實用新型的目的就是為了解決上述問題而提供一種用于大跨度結構的減震裝置。

本實用新型的目的通過以下技術方案實現：

一種用于大跨度結構的減震裝置，包括頂板、底板以及設在頂板和底板之間的質量塊，所述的頂板和底板之間設有滑桿，滑桿兩端分別與頂板和底板固定連接，所述的質量塊設有與滑桿對應的通孔，通孔內設有滑塊，所述的滑桿穿過滑塊，所述的頂板和質量塊之間、底板與質量塊之間分別設有阻尼結構，通過阻尼結構，振動時質量塊沿滑桿做往復運動，使用時，將本裝置安裝在結構的設計位置上。

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

所述的阻尼結構由彈簧和阻尼器組成，彈簧的一端固定在質量塊上，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有多個限位緩沖塊，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。

所述的質量塊的上下表面設有與限位緩沖塊對應的磁鐵塊，該磁鐵塊與頂板或底板上的磁鐵層磁極設為相互吸引。

所述的頂板上端設有與減震主結構相連接的螺栓，所述的滑塊通過固定螺絲與質量塊連接。

所述的附加質量塊設有2-4個，且對稱布置。

所述的減震裝置中的質量塊以及彈簧的設計，具體采用以下方法：

(a)根據減震效果以及主結構懸掛處局部的承壓能力，確定單個減震裝置質量塊的質量m_TMD；

(b)根據設計資料或現場實測，確定主結構動力響應主要貢獻振型所對應的頻率f_s，確定減震裝置質量塊的運動頻率f_TMD＝f_s；

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

(d)根據公式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。

所述的m_TMD為質量塊質量和附加質量塊的質量總和。

本實用新型針對大跨度主結構由于在豎直方向剛度較弱，主結構以豎向運動為主的動力特性，運用TMD的減震原理，提供一種行之有效的減震裝置，對主結構加以保護。該裝置通過螺栓與主結構緊密相連，與主結構形成一個整體，僅有在滑桿上的質量塊與主結構有豎向的相對運動。當主結構受到干擾振動時，帶動減震裝置中的質量塊運動。由共振原理，當質量塊運動的頻率與主結構運動的頻率接近或相同時，質量塊達到共振狀態(tài)，在該狀態(tài)下，減震裝置會施加與主結構運動反方向的力來減弱主結構的運動，從而對主結構起到保護作用；從能量的角度來說，主結構運動的能量轉移到減震裝置上，再由減震裝置上的阻尼耗散掉，從而減少了主結構的運動能量。

本減震裝置的TMD質量塊由質量塊和附加質量塊組成，附加質量塊可進行更換和拆卸，考慮到以下兩方面：(1)結構設計與實際有差別，所要控制的主要頻率，可能會有變化，而在減震裝置已加工好的情況下可通過更換附加質量塊來調整減震裝置TMD質量塊的質量，從而可調整TMD的頻率使其與結構接近；(2)在主結構經受了較大的震動作用后，主結構的動力特性發(fā)生改變，原減震裝置可能已無法發(fā)揮減震作用，此時可通過更換附加質量塊，調節(jié)該減震裝置的頻率與結構主頻率接近，使之在地震之后也能起到較好的減震效果。

與現有技術相比，本實用新型減震裝置利用大跨度結構動力特性，抓住主要矛盾，僅對主結構進行了豎向振動控制，通過單向的控制達到多向減震的效果。本實用新型減震裝置設計簡潔，可分塊制作，便于工廠模塊化生產，提高加工效率，縮短施工周期，適用性強；本減震裝置附加質量小、與主結構連接方式簡單，不需要復雜的結構體系來支持其安裝。該減震裝置不僅可在結構施工階段直接安裝在結構中，還可以在一些需要加固的既有大跨度結構上安裝，達到減震效果；該減震裝置可以通過更換附加質量塊，可隨時調整減震裝置頻率；該減震裝置中還設置限位緩沖塊，當彈簧失效后，質量塊與減震裝置吸附在一起，不至于對結構施加額外的動力荷載，保障了使用的安全。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；

圖2為本實用新型的質量塊通孔與滑塊安裝局部示意圖；

圖3為本實用新型阻尼結構的示意圖；

圖4為本實用新型的使用狀態(tài)示意圖；

圖中：1-頂板；2-阻尼結構；3-質量塊；4-附加質量塊；5-滑桿；6-限位緩沖塊；7-底板；8-主結構；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。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。

實施例1

一種用于大跨度結構的減震裝置，如圖1-3所示，包括頂板1、底板7以及設在頂板1和底板7之間的質量塊3，頂板1和底板7之間設有四個滑桿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。質量塊3設有與滑桿5對應的通孔31，通孔31內設有滑塊51，滑桿5穿過滑塊51，頂板1和質量塊3之間、底板7與質量塊3之間分別設有阻尼結構2。

質量塊3為方塊，質量塊3的四周通過螺桿41連接四個附加質量塊4，附加質量塊4對稱布置。質量塊3以及附加質量塊4采用密度大的金屬材料制作。阻尼結構2由彈簧21和阻尼器22組成，彈簧21的一端固定在質量塊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上設有四個限位緩沖塊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。

質量塊3的上下表面設有與限位緩沖塊對應的磁鐵塊32，該磁鐵塊32與頂板1或底板7上的磁鐵層62磁極設為相互吸引。頂板1上端設有與減震主結構8相連接的螺栓11，滑塊51通過固定螺絲52與質量塊3連接。

本裝置在使用時，將該裝置裝在主結構8的下部，圖4為使用狀態(tài)示意圖，當主結構8受到干擾振動時，帶動減震裝置中的質量塊3運動。當質量塊3運動的頻率與主結構8運動的頻率接近或相同時，質量塊3達到共振狀態(tài)，在該狀態(tài)下，減震裝置會施加與主結構8運動反方向的力來減弱主結構的運動，從而對主結構起到保護作用。

實施例2

該減震裝置的質量塊以及彈簧設計，具體采用以下步驟：

(a)根據減震效果以及主結構懸掛處局部的承壓能力，確定單個減震裝置質量塊的質量m_TMD，m_TMD為質量塊質量和附加質量塊的質量總和；

(b)根據設計資料或現場實測，確定主結構動力響應主要貢獻振型所對應的頻率f_s，確定減震裝置質量塊的運動頻率f_TMD＝f_s；

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

(d)根據公式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。