[发明专利]一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆

说明书

一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，主要包括刚性吊杆、调谐质量球、空气弹簧、锚固螺栓、顶部铰支座、预留填充孔和阻尼颗粒。该装置与结构楼板相连。其目的在于利用多摆结构的周期与质量、摆长和刚度均有关联的特点，合理地设置调谐质量球的质量和各段吊杆长度、空气弹簧刚度以及阻尼颗粒的整体阻尼，使质量调谐式减振多摆的多个自振周期与结构的相应多阶周期相等或接近，从而实现对结构多振型的调谐减振控制，降低结构主体在地震和风荷载下的动力响应。

技术领域

本发明涉及一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，其功能在于通过多个调谐质量球、可控刚度的空气弹簧及颗粒阻尼实现对风荷载和地震作用下的结构进行多振型的调谐减振控制，并通过阻尼颗粒进行碰撞耗能，降低结构动力响应，属于结构减振领域。

背景技术

目前，随着我国建筑结构高度的不断增加，建筑结构在风和地震作用下的动力响应和风险性也逐渐增大，选取有足够阻尼效果的阻尼器对减缓建筑结构的振动显得越来越重要。现阶段的阻尼器一般包括弹簧阻尼器、液压阻尼器、脉冲阻尼器、粘滞阻尼器、单摆阻尼器和传统TMD阻尼器等。传统单摆阻尼器通过将其振动频率调整至主结构频率附近，改变结构共振特性，以达到减震作用。但传统单摆阻尼器有其不足：1)只能控制结构第一振型的反应，而且控制效果对被控振型的频率非常敏感；2)在传统单摆应用有限的质量范围内，对结构控制能力有限，耗能能力不足；3)单摆阻尼器需要调频到与被控振型反应共振的频率，单摆阻尼器的质量行程通常较大；4)传统单摆阻尼器阻尼可调性差，对风荷载和地震不能均达到最优减振效果；5)受限于摆长、多振型控制以及结构工程要求，传统悬吊单摆只适用于超高层结构和长周期结构，中短周期结构无法使用单摆。

为了更好地利用地震作用力并获得更明显的阻尼效果，本发明提出了一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，该装置所遵循的原理为：通过合理地设置调谐质量球的质量和各段吊杆长度、空气弹簧刚度以及阻尼颗粒的整体阻尼，使质量调谐式减振多摆的多个自振周期与结构的多阶周期相等或接近，从而实现对结构多振型的调谐减振控制，降低结构动力响应。

多摆结构的组成主要包括多个调谐质量、阻尼颗粒、连接各个质量的刚性吊杆以及对各个调谐质量施加刚度的空气弹簧。为了说明多摆结构的减振性能，现针对一个具有二个调谐质量的结构进行说明，其简化模型如图7所示。

对该简化模型进行动力分析，相应的动力方程为：

对于最简单的多摆结构，当令m₁＝m₂，l₁＝l₂时，

令

可得

由以上频率求解公式可以发现：对于多摆结构，由于其质量、摆长和刚度均对频率或周期有明显影响，因此可以在本发明中可通过综合控制调谐质量、刚性吊杆长度和空气弹簧的刚度来实现指定的多阶频率，从而实现多阶振型控制和有效减振。例如，单摆结构只能通过控制摆长调整频率或周期，对于空间有限的结构很难真正实现，而对于多摆结构，可先确定各段摆长再根据调谐要求选择适合的调谐质量和刚度。因此悬吊多摆不仅可用于高层结构，也能很很灵活的应用于中低层结构，其灵活性和实用性均比普通单摆调谐减振要优越。

发明内容

为了消耗环境中存在的振动能量以获得更好的阻尼效果，本发明提出了一种具有空气弹簧和阻尼颗粒的质量调谐式减振多摆，该装置能有效地耗散建筑结构中的振动能量，更好的减缓建筑结构的振动。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：