[发明专利]滚筒式全向调谐质量减震阻尼器

说明书

技术领域

本发明涉及一种滚筒式全向调谐质量减震阻尼器，该阻尼器可以在结构的所有方向，即水平两向、竖向、扭转及摇摆两向，均能进行调谐耗能减震，属于结构工程的抗震减震技术领域。

背景技术

地震时的地面运动是复杂的多维运动，各点的周期和相位均不相同，导致地面各质点的运动不仅有平动分量，也有转动分量(一个绕竖直轴旋转的扭转分量和两个绕水平轴旋转的摇摆分量)，地震动的多维特性决定了地震下建筑结构的动力特性也是多维的，既包括水平两向和竖向的变形，也包括扭转和摇摆变形。目前我国高层建筑平、立面日趋复杂，偏心结构大量涌现，地震过程中作用在结构质心上的惯性力会对刚心产生扭转力矩，使结构产生不可忽略的平动与扭转耦合的空间振动。

强烈的地震给人类造成巨大损失。世界各国的结构工程师都在努力寻求经济、有效、可靠的方法来减小这种损失。结构振动控制方法的出现，为解决传统的抗震结构体系中存在的问题提供了一条有效途径。然而，目前的减震控制研究大都是将结构简化成平面模型进行考虑，结构在地震作用下的反应是多维的，特别是对于非对称结构，不考虑多维耦合减震控制将导致减震效果大大降低，不能满足实际工程的需要。因此，高层建筑结构的水平和扭转耦联振动控制研究具有重要意义。

调谐质量阻尼系统是较早在建筑结构中应用的控制装置。调谐质量阻尼器主要由弹簧、阻尼器和质量块组成，通过在结构顶层或其他楼层加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与结构相连，对结构的某些振型加以控制。调谐质量阻尼器的动力学基本原理是利用二次系统吸引主体结构的振动能量从而使主体结构振动反应得到降低。

现有的被动调谐质量阻尼减振系统存在一些不足。最明显的是，一般的调谐系统只针对结构在某一个方向的振动进行独立的减振设计，多维振动控制尤其是竖向和扭转振动控制效果不佳。此外，调谐系统的造价较昂贵，不利于广泛应用。因此开发成本低廉、反应灵敏、具有多维调谐减振效果的阻尼系统具有重大的工程意义。

发明内容

本发明提出了一种滚筒式全向调谐质量减震阻尼器，本阻尼器具有多维减震、制作简单、布置灵活、成本低廉等特点。在地震作用下，阻尼器内部的调谐质量能够在平动、转动和摆动，阻尼器整体具有调谐结构频率并耗散外部动能的功能，从而保证结构安全。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。该阻尼器包括与上部结构相连接的顶部盖板、上端面与顶部钢盖板下表面相连接的截面为圆形的外壁套筒、以及自上而下依次设置在外壁套筒内部的套筒式结构、内部水平隔板和外部水平隔板，所述的套筒式结构包括内环芯筒、外环芯筒、钢球保持器和钢球，内环钢芯筒和外环钢芯筒均有各层钢芯筒沿着竖直方向叠加固定在一起，内环钢芯筒同轴设置在外环钢芯筒内，构成内环钢芯筒的每层钢芯筒的外表面沿圆周方向都均匀固定有钢球保持器，在钢球保持器内部设置有钢球，钢球含在钢球保持器内并能够在钢球保持器内转动，钢球和外环钢芯筒的内表面之间留有间隙，外环钢芯筒的外表面通过粘滞阻尼器与外壁套筒的内表面相连接，内环钢芯筒和外环钢芯筒的下端面均通过万向滚动球铰与内部水平钢隔板的上表面相连，内部水平钢隔板的下表面通过弹簧与外部水平钢隔板的上表面相连，外部水平钢隔板的下表面与下部结构相连接，内部水平钢隔板和外部水平钢隔板与外壁套筒之间留有间隙。

所述的粘滞阻尼器水平连接在外环钢芯筒和阻尼器外壁套筒之间，并沿外环钢芯筒外表面的圆周均匀布置，粘滞阻尼器数量大于等于外环钢芯筒中钢芯筒层数的4倍。

在内部水平钢隔板与万向滚动球铰的接触面上涂有润滑剂。

阻尼器内部水平钢隔板之上的所有构件作为水平向调谐质量进行减震耗能；竖向隔振弹簧之上的所有构件作为竖向和摇摆向调谐质量进行减震耗能；内环钢芯筒、钢球和钢球保持器所形成的转动体系作为扭转向调谐质量进行减震耗能。从而最终实现阻尼器在所有方向内的减震耗能功能。本发明的具体减震原理如下：当结构在地震作用下产生振动时，水平向调谐质量部分也一起运动，水平向调谐质量部分依靠与结构的相对变形产生水平惯性力以及粘滞阻尼器产生的阻尼力反作用到结构上，从而减小了结构的水平振动幅度。竖向减震与之类似。对于摇摆两向，竖向隔振弹簧之上的所有构主要件通过隔振弹簧的摆动提供惯性力实现对结构摇摆的控制。对于扭转方向，主要是依靠内环钢芯筒、钢球和钢球保持器形成与结构扭转相反的转动惯性矩耗散地震能量。