[发明专利]压电俘能型调谐质量减振器

说明书

技术领域

压电俘能型调谐质量减振器(Piezoelectric Energy-harvesting Tuned Mass Damper，PETMD)属于土木工程结构减振技术领域，具体涉及一种桥梁工程中设置于桥身梁板构件上的采能耗能构件，特别是一种具有压电俘能特性的新型调谐质量减振器。

背景技术

桥梁属于大型、复杂结构。它的静动力特性，包括空间内力计算、稳定、振动、风和地震响应等问题，如果在桥梁的设计当中解决不好，将带来很大的危害。近年来，桥梁的振动问题备受关注：如在既有铁路桥梁基础上进行列车提速带来的过度振动、城市轨道高架桥振动带来的城市噪声污染、大跨度桥梁桥塔和拉索的风致振动等问题。

桥梁振动控制方法有主动控制和被动控制之分，由于主动控制中有许多问题尚未解决，所以目前的结构工程中一般采用被动控制。被动控制的手段包括：改变结构质量、改变结构阻尼、改变结构刚度或输入外力。但由于桥梁强度、变形条件、行车条件的限制，改变桥梁质量、刚度或外力未必总是可能的。调谐质量减振器(TMD)是解决这一难题的方法之一，无需附加太多质量即可增加结构阻尼。TMD是1909年由Frahm发明的一种吸振器，它具有经济、方便，抑制窄带振动效果显著的优点，几十年来在机械、土木、航空航天、船舶、化工工程等众多领域获得了广泛应用。其原理是把TMD(包括质量块、并联的弹簧和阻尼器)连接到主结构上，当结构在外激励作用下产生振动时，带动TMD子系统一起振动。TMD子系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，对结构的震动产生控制作用。从能量的角度来说，TMD子系统振幅远大于结构，因此由激励荷载输入的能量绝大部分由TMD消耗，输入主体结构的能量减小，从而抑制主结构的振动。它用于桥梁结构的优势在于可以耗散桥梁的振动能量而不需与大地连接。

另一方面，能源问题是当今最为关注的问题之一。解决能源问题的一个有效途径就是发掘利用环境中潜在的可用能源，如太阳能、温差、振动或噪声等等。太阳能和温差供能技术由于受到自然条件的限制而难以广泛使用，但工作环境中的振动能不仅无处不在，而且又具有较高的能量密度。由压电材料制成的压电俘能装置可以将建筑结构中的振动能转化为电能输出。近年来，因其具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工制作、集成化等诸多优点而备受关注。压电俘能装置需要利用外界振动源使压电材料产生应力应变，而安装在桥梁上的TMD正是这样一种理想的振动源。

因此，一种将传统桥梁TMD的减振特性与压电俘能装置的发电特性相整合的新型桥梁调谐质量减振器无疑将拥有广阔的市场前景，同时也有利于绿色建筑的推广和实现。

发明内容

本发明的目的在于利用压电材料的压电正转换特性，提供一种应用于桥梁上的，可以将桥梁振动的机械能转化为电能输出以作为桥梁安全检测设备用电或是部分照明用电的，可以控制桥梁振动的压电俘能型调谐质量减振器(PETMD)。

本发明由调谐质量减振装置和压电俘能装置两部分组成。所述调谐质量减振装置分为悬臂式TMD和悬挂式TMD两种。所述压电俘能装置分为d31和d33两种。

悬臂式TMD压电俘能型调谐质量减振器(PETMD)，其特征在于，沿桥梁长度方向，在桥梁两侧对称布置，含有：

一端与桥梁侧壁(6)连接的钢梁(1)，所述钢梁(1)另一端连接质量块(3)；在所述钢梁(1)的上方布置阻尼器(2)，所述阻尼器(2)的一端与桥梁侧壁(6)铰接，另一端与所述质量块(3)铰接；在所述钢梁(1)下方紧贴布置压电振子。

所述阻尼器与所述钢梁(1)可以平行布置。

所述阻尼器(2)与所述桥梁侧壁(6)可以垂直布置。

所述压电振子含有一块金属板(5)和一片压电材料(4)，所述金属板(5)紧贴所述钢梁(1)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接质量块(3)；所述压电材料(4)紧贴在所述金属板(5)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；所述金属板(5)引出电源负极，所述压电材料(4)引出电源正极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。