本發(fā)明涉及一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺，其功能在于通過多個(gè)調(diào)諧質(zhì)量球、可控剛度的空氣彈簧及顆粒阻尼實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)荷載和地震作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多振型的調(diào)諧減振控制，并通過阻尼顆粒進(jìn)行碰撞耗能，降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，屬于結(jié)構(gòu)減振領(lǐng)域。

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)和地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)和風(fēng)險(xiǎn)性也逐漸增大，選取有足夠阻尼效果的阻尼器對(duì)減緩建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)顯得越來越重要?，F(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、單擺阻尼器和傳統(tǒng)TMD阻尼器等。傳統(tǒng)單擺阻尼器通過將其振動(dòng)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(dá)到減震作用。但傳統(tǒng)單擺阻尼器有其不足：1)只能控制結(jié)構(gòu)第一振型的反應(yīng)，而且控制效果對(duì)被控振型的頻率非常敏感；2)在傳統(tǒng)單擺應(yīng)用有限的質(zhì)量范圍內(nèi)，對(duì)結(jié)構(gòu)控制能力有限，耗能能力不足；3)單擺阻尼器需要調(diào)頻到與被控振型反應(yīng)共振的頻率，單擺阻尼器的質(zhì)量行程通常較大；4)傳統(tǒng)單擺阻尼器阻尼可調(diào)性差，對(duì)風(fēng)荷載和地震不能均達(dá)到最優(yōu)減振效果；5)受限于擺長、多振型控制以及結(jié)構(gòu)工程要求，傳統(tǒng)懸吊單擺只適用于超高層結(jié)構(gòu)和長周期結(jié)構(gòu)，中短周期結(jié)構(gòu)無法使用單擺。

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)明提出了一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺，該裝置所遵循的原理為：通過合理地設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量球的質(zhì)量和各段吊桿長度、空氣彈簧剛度以及阻尼顆粒的整體阻尼，使質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺的多個(gè)自振周期與結(jié)構(gòu)的多階周期相等或接近，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)多振型的調(diào)諧減振控制，降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

多擺結(jié)構(gòu)的組成主要包括多個(gè)調(diào)諧質(zhì)量、阻尼顆粒、連接各個(gè)質(zhì)量的剛性吊桿以及對(duì)各個(gè)調(diào)諧質(zhì)量施加剛度的空氣彈簧。為了說明多擺結(jié)構(gòu)的減振性能，現(xiàn)針對(duì)一個(gè)具有二個(gè)調(diào)諧質(zhì)量的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，其簡化模型如圖7所示。

對(duì)該簡化模型進(jìn)行動(dòng)力分析，相應(yīng)的動(dòng)力方程為：

對(duì)于最簡單的多擺結(jié)構(gòu)，當(dāng)令m₁＝m₂，l₁＝l₂時(shí)，

令

可得

由以上頻率求解公式可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于多擺結(jié)構(gòu)，由于其質(zhì)量、擺長和剛度均對(duì)頻率或周期有明顯影響，因此可以在本發(fā)明中可通過綜合控制調(diào)諧質(zhì)量、剛性吊桿長度和空氣彈簧的剛度來實(shí)現(xiàn)指定的多階頻率，從而實(shí)現(xiàn)多階振型控制和有效減振。例如，單擺結(jié)構(gòu)只能通過控制擺長調(diào)整頻率或周期，對(duì)于空間有限的結(jié)構(gòu)很難真正實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于多擺結(jié)構(gòu)，可先確定各段擺長再根據(jù)調(diào)諧要求選擇適合的調(diào)諧質(zhì)量和剛度。因此懸吊多擺不僅可用于高層結(jié)構(gòu)，也能很很靈活的應(yīng)用于中低層結(jié)構(gòu)，其靈活性和實(shí)用性均比普通單擺調(diào)諧減振要優(yōu)越。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了消耗環(huán)境中存在的振動(dòng)能量以獲得更好的阻尼效果，本發(fā)明提出了一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺，該裝置能有效地耗散建筑結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)能量，更好的減緩建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案：

一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺，該減振多擺包括：剛性吊桿(1)、調(diào)諧質(zhì)量球(2)、空氣彈簧(3)、錨固螺栓(4)、頂部鉸支座(5)、預(yù)留填充孔(6)、阻尼顆粒(7)。剛性吊桿(1)通過頂部鉸支座(5)與結(jié)構(gòu)頂板相連接，調(diào)諧質(zhì)量球(2)通過剛性吊桿(1)相間連接，調(diào)諧質(zhì)量球(2)與吊桿(1)之間的連接方式為鉸接，調(diào)諧質(zhì)量球(2)與空氣彈簧(3)通過錨固螺栓(4)相連接，空氣彈簧(3)通過錨固螺栓(4)與結(jié)構(gòu)墻體相連接，阻尼顆粒(7)通過預(yù)留填充空(6)填入調(diào)諧質(zhì)量球(2)，整個(gè)裝置通過頂部鉸支座(5)固定于結(jié)構(gòu)頂層樓板下方。該減振多擺置于結(jié)構(gòu)頂層，通過合理地設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量球(2)的質(zhì)量和各段剛性吊桿(1)長度、空氣彈簧(3)剛度以及阻尼顆粒(7)的整體阻尼，使質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺的多個(gè)自振周期與結(jié)構(gòu)的多階周期相等或接近，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)多振型的調(diào)諧減振控制，降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

調(diào)諧質(zhì)量球(2)的個(gè)數(shù)至少為兩個(gè)，直徑不能超過安裝樓層高度的1/4，調(diào)諧質(zhì)量球(2)的總質(zhì)量不小于為建筑結(jié)構(gòu)總質(zhì)量1.5％，通過適當(dāng)增減阻尼顆粒(7)進(jìn)行微調(diào)。

剛性吊桿(1)的總長度不能超過所安裝樓層高度的1/3，每根剛性吊桿的長度不能小于所安裝的樓層高度的1/10。

空氣彈簧(3)在兩個(gè)正交方向安裝?？諝鈴椈?3)是一種非金屬彈性元件，該非金屬彈性元件由有簾線的橡膠囊和充入其內(nèi)腔的壓縮空氣組成；空氣彈簧(3)包括內(nèi)襯(11)、外殼(8)、簾線(9)及加強(qiáng)橡膠層(10)的四層結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯(11)是空氣彈簧(3)的最里層，外殼(8)是空氣彈簧的最外層，簾線(9)與加強(qiáng)橡膠層(10)結(jié)合在一起位于內(nèi)襯(11)和外殼(8)之間?？諝鈴椈?3)的平面直徑不小于調(diào)諧質(zhì)量球(2)直徑的20％。

空氣彈簧(3)的剛度根據(jù)實(shí)際需求通過調(diào)整氣室的容積和有效面積來進(jìn)行改變，且通過調(diào)控空氣彈簧(3)的剛度確保具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺的前幾階頻率與結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的前幾階頻率相一致或接近。

阻尼顆粒(7)由不同材料和直徑的顆粒球混合組成，顆粒球的材料包括混凝土、碳鋼顆粒、鉛粒等，顆粒球的直徑范圍為2mm-50mm。

阻尼顆粒(7)的總質(zhì)量不小于建筑結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的0.5％，填充率不小于調(diào)諧質(zhì)量球(2)體積的5％。在安裝時(shí)通過預(yù)留填充孔(6)將阻尼顆粒(7)填入調(diào)諧質(zhì)量球(2)內(nèi)，在結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)阻尼顆粒將發(fā)生碰撞和運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生耗能能力和阻尼效果。

本發(fā)明的功能如下：

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺的多個(gè)自振周期與結(jié)構(gòu)的多階周期相等或接近，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)多振型的調(diào)諧減振控制，降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

空氣彈簧的剛度可以根據(jù)實(shí)際需求通過附加氣室的容積和有效面積來進(jìn)行改變，便于根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況來調(diào)整裝置整體剛度。

調(diào)諧質(zhì)量球中得阻尼顆粒，在結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)將發(fā)生碰撞和運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生耗能能力和阻尼效果，從而提高減振效果。

在進(jìn)行精細(xì)化調(diào)諧調(diào)整時(shí)，可將阻尼顆粒灌入預(yù)留填充孔，使調(diào)諧質(zhì)量球與阻尼顆粒的整體質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)本發(fā)明中一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺，通過合理地設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量球的質(zhì)量和各段吊桿長度、空氣彈簧剛度以及阻尼顆粒的整體阻尼，使質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺的多個(gè)自振周期與結(jié)構(gòu)的多階周期相等或接近，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)多振型的調(diào)諧減振控制，降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

2)本發(fā)明中一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺，空氣彈簧的剛度可以根據(jù)實(shí)際需求通過附加氣室的容積和有效面積來進(jìn)行改變，便于根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況來調(diào)整裝置整體剛度。

3)本發(fā)明中一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺，調(diào)諧質(zhì)量球中得阻尼顆粒，在結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)將發(fā)生碰撞和運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生耗能能力和阻尼效果，從而提高減振效果。

4)本發(fā)明中一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺，與傳統(tǒng)單擺相比，該裝置不僅可以應(yīng)用于高層結(jié)構(gòu)建筑，同樣可應(yīng)用于中低層結(jié)構(gòu)建筑。

5)本發(fā)明中一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺，該裝置可以對(duì)吊桿的長度進(jìn)行靈活控制，將總擺長控制在合理范圍之內(nèi)，不影響結(jié)構(gòu)立面的的平整性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明減振多擺的立體圖。

圖2為本發(fā)明減振多擺的正視圖。

圖3為本發(fā)明減振多擺的調(diào)諧質(zhì)量球剖面圖和阻尼顆粒分布圖。

圖4為本發(fā)明減振多擺空氣彈簧正視圖。

圖5為本發(fā)明減振多擺頂部鉸支座立體圖。

圖6為本發(fā)明空氣彈簧氣囊組成圖。

圖7為一個(gè)具有二個(gè)調(diào)諧質(zhì)量的結(jié)構(gòu)的簡化模型。

圖中：1－剛性吊桿、2－調(diào)諧質(zhì)量球、3－空氣彈簧、4－錨固螺栓、5－頂部鉸支座、6－預(yù)留填充孔、7－阻尼顆粒、8－外殼、9－簾線、10－加強(qiáng)橡膠層、11－內(nèi)襯。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖1所示，是本發(fā)明一種具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振多擺實(shí)施例，其主要包括：剛性吊桿1、調(diào)諧質(zhì)量球2、空氣彈簧3、錨固螺栓4、頂部鉸支座5、預(yù)留填充孔6、阻尼顆粒7。

實(shí)施步驟如下：

1)對(duì)于一個(gè)5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多擺調(diào)諧減振。結(jié)構(gòu)底層層高為3.5m，其他層層高為3.1m，平面尺寸為55m×18m，計(jì)劃在建筑結(jié)構(gòu)頂部安裝具有空氣彈簧和阻尼顆粒的質(zhì)量調(diào)諧式減振雙擺。

2)確定每個(gè)調(diào)諧質(zhì)量球的直徑均為0.6m，兩個(gè)調(diào)諧質(zhì)量球通過剛性吊桿相間連接，剛性吊桿的長度為0.8m，調(diào)諧質(zhì)量球與剛性吊桿為鉸接。

3)本實(shí)施例采用三曲囊式空氣彈簧，空氣彈簧的直徑為0.4m，空氣彈簧由有簾線的橡膠囊和充入其內(nèi)腔的壓縮空氣所組成，包括內(nèi)襯、外殼及簾線加強(qiáng)橡膠層的四層結(jié)構(gòu)。

4)選用不同材質(zhì)和直徑的阻尼顆粒，具體材料選用混凝土、金屬等，阻尼顆粒的直徑從0.01m到0.2不等，然后將不同材料不同粒徑的阻尼顆粒通過預(yù)留填充孔灌入調(diào)諧質(zhì)量球。

5)通過模態(tài)測(cè)試技術(shù)獲得結(jié)構(gòu)頻率為2.51Hz，適當(dāng)增減顆粒的數(shù)量從而改變調(diào)諧總質(zhì)量的質(zhì)量或者調(diào)整空氣彈簧剛度，最終使阻尼器自振頻率與結(jié)構(gòu)基本頻率相吻合。

6)為增加頂部鉸支座的可靠性和穩(wěn)定性，頂部鉸支座與結(jié)構(gòu)頂板嚴(yán)格固結(jié)。

7)各構(gòu)件按規(guī)定位置擺放固定后，把空氣彈簧和調(diào)諧質(zhì)量球用錨固螺栓連接，空氣彈簧用錨固螺栓固定到結(jié)構(gòu)墻體，且確保在安裝結(jié)束后雙擺結(jié)構(gòu)的擺長方向與樓板垂直。

以上為本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例，但本發(fā)明的實(shí)施不限于此。